何立富 齊道日娜 余 文

1)(國家氣象中心， 北京 100081) 2)(中國氣象局干部培訓學院， 北京 100081) 3)(華風氣象傳媒集團， 北京 100081)

引 言

我國冬季暴風雪主要發(fā)生在東北地區(qū)和新疆北部，青藏高原和華北地區(qū)也較為多見。研究表明：歐美暴風雪多由溫帶氣旋產(chǎn)生，當冬季風暴強烈發(fā)展成“氣象炸彈”強度時北美地區(qū)會出現(xiàn)極端暴風雪事件，而東北亞出現(xiàn)暴風雪天氣多與冬季大陸低壓入海加強有關(guān)[1-4]。由于我國冬季極端暴雪天氣出現(xiàn)概率小，對其成因及發(fā)展機制的研究多集中于2008年我國南方極端低溫雨雪冰凍災害和2009年11月華北地區(qū)極端暴雪過程[5-8]。相對而言，更多研究聚焦于夏季極端暴雨事件[9-12]。此外，華北地區(qū)暴雪天氣多與冷空氣路徑以及太行山、燕山地形分布有關(guān)，回流冷鋒的水汽來源和華北錮囚鋒的結(jié)構(gòu)分析是關(guān)注重點[13-15]；山東半島的冷流降雪作為一個獨特的地域性天氣現(xiàn)象，多由低空冷平流在暖濕海面上經(jīng)感熱交換形成，備受關(guān)注[16-19]。此外，還有學者利用不同資料和技術(shù)方法研究暴雪過程的觀測特征、動力不穩(wěn)定機制和云微物理過程[20-29]，揭示對稱不穩(wěn)定的產(chǎn)生機理，水汽凝結(jié)、凍結(jié)和冰粒子碰并等冰相微物理過程對強降雪發(fā)生發(fā)展的作用。

鋒面氣旋和東北冷渦是東北地區(qū)暴風雪事件的重要影響系統(tǒng)，王慶洪等[30]和張偉等[31]發(fā)現(xiàn)冬半年我國東海和黃海溫帶爆發(fā)性氣旋具有類似T型結(jié)構(gòu)暖鋒后彎的特征, 衛(wèi)星云圖上存在逗點云系和旋轉(zhuǎn)的錮囚鋒云帶。王達文[32]將具有后彎特征的鋒面稱為倒暖鋒, 其暖平流的輸送是由氣旋北部的偏東氣流完成，暖空氣和冷空氣同時向氣旋中心卷入，導致暖核產(chǎn)生。熊秋芬等[33]對東北氣旋的結(jié)構(gòu)和水汽源地進行研究，認為帶狀強降雪區(qū)由弱對稱穩(wěn)定條件下鋒生強迫作用產(chǎn)生，且出現(xiàn)在氣旋系統(tǒng)逗點云系的頭部。蔡麗娜等[34]對東北地區(qū)一次暴雪過程的研究表明：冬季溫帶氣旋強烈發(fā)展導致大范圍暴風雪天氣，高低空急流耦合及輻合區(qū)和垂直運動的有利配置構(gòu)成有利于氣旋發(fā)展的次級環(huán)流。劉寧微等[35]對遼寧極端暴雪過程進行統(tǒng)計，指出北上低渦發(fā)展是產(chǎn)生暴雪天氣的主要系統(tǒng)，低空急流水汽輸送和低層上升運動為強降雪提供了有利條件。趙宇等[36]利用云雷達資料研究溫帶氣旋風暴頭部帶狀降雪的微物理特征，認為暴雪過程既有穩(wěn)定性降水也有積云對流性降水，強降雪帶多位于錮囚鋒中的鉤狀云區(qū)。此外，有些學者還從斜壓系統(tǒng)發(fā)展、位渦理論等對氣旋風暴系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展機制進行研究，如王東海等[37]研究一次溫帶氣旋暴雪過程的多尺度相互作用及其形成機理，指出渦度平流和溫度平流對鋒前上升運動起重要作用。吳國雄等[38]提出傾斜渦度發(fā)展理論，證明位渦守恒條件下，拉格朗日質(zhì)點沿等熵面下滑時垂直渦度的發(fā)展。壽紹文[39]系統(tǒng)評述位渦理論的發(fā)展及應(yīng)用研究，有助于更好地理解高層位渦下傳對中低層氣旋式渦旋發(fā)展的重要性。黃立文等[40]研究發(fā)現(xiàn)氣旋的爆發(fā)性增長與濕位渦的垂直分布及變化有關(guān)。鄭永駿等[41]從非絕熱加熱、位渦分布和靜力穩(wěn)定度方面研究低渦系統(tǒng)垂直渦度發(fā)展的機制，認為熱力作用是垂直渦度發(fā)展的主導因子，位渦水平分量的作用次之。

2021年11月6—9日華北北部和東部、東北地區(qū)等地出現(xiàn)大范圍強降雪天氣，內(nèi)蒙古東南部和遼寧中北部等地出現(xiàn)歷史罕見暴雪天氣，極端強降雪和大風降溫給交通運輸、設(shè)施農(nóng)業(yè)、城市運行和人民生產(chǎn)生活等造成嚴重影響。中央氣象臺對此次極端暴雪落區(qū)和強度預報與實況相比存在明顯偏差，預報檢驗顯示僅24 h預報與實況較接近，48 h時效以上預報誤差較大，降雪落區(qū)明顯偏西、強度偏弱，對遼寧中北部暴雪預報誤差更大,對導致本次極端暴雪的溫帶氣旋系統(tǒng)發(fā)生及爆發(fā)性發(fā)展的認識存在明顯不足。本次過程是強冷空氣入侵背景下由高空冷渦誘發(fā)地面氣旋異常發(fā)展產(chǎn)生，其熱動力結(jié)構(gòu)演變伴隨的影響因子、爆發(fā)性發(fā)展的動力學機制等問題需要深入研究。本文利用多種觀測資料和歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)再分析資料ERA5對本次極端暴雪過程鋒面氣旋結(jié)構(gòu)演變和發(fā)生發(fā)展機制深入分析，揭示其動力學成因，為改進溫帶氣旋業(yè)務(wù)預報提供參考。

1 暴雪過程實況及影響系統(tǒng)配置

1.1 資 料

本文所用觀測資料包括2021年11月6—9日地面逐3 h常規(guī)觀測、區(qū)域自動氣象站逐小時觀測和人工加密積雪觀測、FY-4A氣象衛(wèi)星逐小時高分辨率水汽圖像。本文所用格點資料是ECMWF提供的第5套(ERA5)逐小時再分析資料[42]，所用數(shù)據(jù)時段為1979—2021年11月6—9日，氣象要素包括海平面氣壓、位勢高度、溫度、水平風場、垂直速度、相對濕度，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向由1000 hPa至200 hPa共19層。文中氣候場為1979—2020年的多年平均，距平場為要素原始場與要素氣候場的差值。

本文插圖中所涉及的中國國界基于審圖號為GS(2019)3082號標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 過程實況

2021年11月6日08:00—9日08:00(北京時間，下同)華北大部和東北地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降雪或雨轉(zhuǎn)雪天氣，其中河北中部、山東北部為大到暴雪，內(nèi)蒙古東南部、遼寧中北部和吉林西部出現(xiàn)罕見大暴雪并伴有6～8級大風、局地陣風11級。此次極端暴雪過程特點如下： ①過程降水量極端性強。內(nèi)蒙古東南部和遼寧中北部地區(qū)最大累積降水量達50～70 mm，其中通遼為86.8 mm，鞍山為79.7 mm，均超過歷史同期過程降水量極值。②日降水量破歷史同期極值的國家級氣象站達151個。11月7日和8日通遼站降水量分別為39.1 mm和42.2 mm，連續(xù)兩天均超歷史極值，鞍山站日最大降水量達63 mm(圖1a)。③過程持續(xù)時間長，通遼降雪持續(xù)時間長達66 h。此外，部分地區(qū)降水相態(tài)復雜，沈陽、長春、哈爾濱還伴有凍雨。人工積雪觀測(圖1b)顯示,9日08：00華北北部和東部、內(nèi)蒙古中東部、東北地區(qū)中西部等地新增積雪深度為10～30 cm；內(nèi)蒙古東南部、吉林西部、遼寧中北部部分地區(qū)積雪深度達到40～50 cm，內(nèi)蒙古通遼市庫倫最大積雪深度達68 cm。

圖1 2021年11月6日08:00—9日08:00累積降水量(填色)(a)及11月9日08:00積雪深度(填色)(b)(黑色圓點為通遼站,下同)Fig.1 The accumulative precipitation from 0800 BT 6 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021(the shaded)(a),the snowfall depth at 0800 BT 9 Nov 2021(the shaded)(b)(the black dot denotes the location of Tongliao Station,the same hereinafter)

1.3 地面氣旋與降雪區(qū)配置

圖2是11月7—8日500 hPa位勢高度場、海平面氣壓場和12 h累積降水量的分布。11月7日20:00亞洲中緯度地區(qū)500 hPa上空為兩脊一槽，長江以北地區(qū)受深厚冷渦低槽控制，槽前西南氣流呈明顯疏散結(jié)構(gòu)，高空冷渦位于華北中北部上空，冷渦中心強度接近540 dagpm。溫度槽落后于高度場，高空槽后及冷渦后部和槽區(qū)附近存在明顯冷平流，槽前為暖平流，有利于高空冷渦低槽的加深發(fā)展(圖略)。500 hPa斜壓過程有利于地面氣旋發(fā)展，此時位于黃海北部的地面氣旋處于發(fā)展加強階段，并表現(xiàn)出鋒面氣旋波動特征，其中心氣壓為1012 hPa。對應(yīng)地面12 h強降水區(qū)(不小于5 mm)位于氣旋西側(cè)，主要分布在內(nèi)蒙古東南部、東北西部、華北東部至山東、蘇皖一帶，降水大值區(qū)(15～25 mm)位于遼寧西部、山東東部等地，在40°N地區(qū)降水相態(tài)為降雪，其余大部分地區(qū)為雨轉(zhuǎn)雨夾雪或雪。11月8日08:00 500 hPa高空冷渦位于渤海灣北部沿海，其強度急劇加強，冷渦中心強度接近530 dagpm，且冷渦東側(cè)高壓脊強烈發(fā)展，并沿冷渦北側(cè)向西伸展。對應(yīng)冷中心位于冷渦后部，冷渦前部附近仍存在較明顯冷平流；冷渦前部暖脊區(qū)明顯增強，溫度場的配置(圖略)顯示冷渦系統(tǒng)仍將進一步發(fā)展加強。此時地面氣旋位于遼寧和吉林交界處東部，冷暖鋒結(jié)構(gòu)完整，正處于爆發(fā)性發(fā)展階段，氣旋中心強度急劇下降至998 hPa，12 h下降幅度達14 hPa。對應(yīng)地面12 h強降雪區(qū)(不小于5 mm)仍位于氣旋西側(cè)，降雪強度明顯加強，強降雪區(qū)主要位于遼寧中東部、內(nèi)蒙古通遼地區(qū)和吉林西部等，中心最大強度達到30～50 mm。11月8日20:00 500 hPa高空冷渦位于遼寧東北部，龐大的高空冷渦系統(tǒng)幾乎控制整個東北地區(qū)，冷渦中心強度下降至524 dagpm。溫度槽超前導致冷渦東南側(cè)為明顯冷平流，同時冷渦北側(cè)暖脊加強西伸導致暖平流西側(cè)進入冷渦內(nèi)部，預示冷渦系統(tǒng)將進入緩慢減弱階段(圖略)。對應(yīng)地面氣旋進入緩慢錮囚階段，鋒面結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)冷鋒斷裂脫離，暖鋒向北推進并沿著氣旋北側(cè)向氣旋中心卷入，逐漸形成錮囚鋒。此時12 h降雪區(qū)強度明顯減弱，位于氣旋后部和北側(cè)，強降雪區(qū)(10～25 mm)位于通遼地區(qū)、吉林西部和東北部、黑龍江中部。11月9日08：00 500 hPa高空冷渦結(jié)構(gòu)松散，中心氣壓梯度明顯減弱，對應(yīng)暖平流侵入，導致強度減弱，同時移速加快，冷渦中心接近地面氣旋中心區(qū)；冷渦斜壓結(jié)構(gòu)的減弱導致地面氣旋強度減弱，其中心氣壓上升至1001 hPa。對應(yīng)12 h降雪區(qū)位于東北地區(qū)西部和北部，降水量一般不足10 mm。

由此可見，本次極端暴雪過程發(fā)生在高空冷渦斜壓發(fā)展的背景下，地面氣旋在北上過程中快速發(fā)展加強， 隨著高空冷渦北側(cè)暖平流持續(xù)加強并向西推進，形成緩慢減弱的錮囚過程。地面降雪區(qū)主要分布在氣旋西側(cè)，且降雪強度與地面氣旋的發(fā)生發(fā)展和錮囚減弱階段密切相關(guān)。11月7日夜間是地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段，對應(yīng)此次極端暴雪過程最強時段。

圖2 2021年11月7—8日500 hPa位勢高度場(實線，單位：dagpm)，海平面氣壓場(虛線，單位：hPa)及對應(yīng)時次12 h累積降水量(填色)Fig.2 500 hPa geopotential height(the solid line,unit:dagpm),sea level pressure(the dashed line，unit:hPa)and corresponding 12 h accumulative precipitation(the shaded) from 7 Nov to 8 Nov in 2021

2 溫帶氣旋發(fā)展演變和結(jié)構(gòu)特征

2.1 氣旋路徑和強度變化

由2021年11月7—9日氣旋路徑和強度變化(圖3)可知，黃渤海氣旋在黃海北部近海生成后，沿東北地區(qū)東部東移北上，先后經(jīng)歷了氣旋波動形成、加強發(fā)展和錮囚減弱過程。在黃渤海氣旋生成階段(7日14:00—20:00)：地面倒槽入海后在山東半島南部近海出現(xiàn)閉合低壓，其中心氣壓為1015 hPa。7日20:00低壓波動進入黃海北部發(fā)展加強形成鋒面氣旋，中心氣壓降為1012 hPa；此后黃渤海氣旋東移北上，8日02:00在遼東東南部登陸， 沿東北地區(qū)東部北上。由氣旋中心海平面氣壓變化可見，7日20:00—8日17:00為黃渤海氣旋發(fā)展加強階段，21 h內(nèi)氣旋中心強度從1012 hPa降至995 hPa，降幅達17 hPa，其中7日20:00—8日08:00氣旋中心氣壓下降14 hPa，達到爆發(fā)性發(fā)展的強度標準(-12 hPa·(12 h)-1)。8日17:00—9日08:00為錮囚減弱階段：氣旋沿吉林東北部進入黑龍江東北部，強度緩慢減弱。伴隨地面生成發(fā)展、爆發(fā)性加強以及錮囚減弱，地面6 h最大降雪中心的位置始終位于地面氣旋西側(cè)，并隨著氣旋東移北上從山東半島經(jīng)遼寧東南部進入吉林西部，隨后抵達黑龍江東北部；6 h 最大降水量在氣旋發(fā)生階段約為30 mm；7日夜間氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段暴雪過程同步加強為最強時段，6 h最大降水量高達50 mm；氣旋緩慢錮囚減弱階段，強降雪過程也呈現(xiàn)緩慢減弱趨勢，6 h最大降水量從20 mm緩慢減小至10 mm以下。

圖3 2021年11月7日14:00—9日08:00溫帶氣旋路徑和逐6 h最大降水量站點位置(a)以及氣旋中心海平面氣壓和逐6 h最大降水量(b)Fig.3 Path of extratropical cyclone and stations with 6 h accumulative maximum precipitation(a) and sea level pressure in cyclone center and 6 h maximum precipitation(b) from 1400 BT 7 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021

2.2 氣旋結(jié)構(gòu)

2.2.1 水平結(jié)構(gòu)

由時間分辨率為30 min的FY-4A氣象衛(wèi)星水汽圖像逐6 h演變可以清晰看到此次黃渤海氣旋在生成、發(fā)展和減弱階段水汽云系結(jié)構(gòu)的演變特征(圖4)。2021年11月7日14:00—20:00為氣旋形成階段，氣旋具有龐大的斜壓葉狀云系，冷暖輸送帶結(jié)構(gòu)清晰。暖輸送帶呈東北—西南走向，位于遼寧南部至黃淮一線，其后部干侵入不斷加強；冷輸送帶為東西走向，位于東北地區(qū)—內(nèi)蒙古東部且略北抬。此后氣旋進入發(fā)展加強階段：8日02:00氣旋干侵入加強，驅(qū)動暖輸送帶呈現(xiàn)南北走向并快速向東推進，氣旋水汽云系表現(xiàn)出明顯T型結(jié)構(gòu)；氣旋北部的冷輸送帶逐漸北抬并進入50°N以北地區(qū)，并不斷向氣旋中心的西部和西南部彎曲。8日14:00覆蓋在東北地區(qū)的葉狀云系逐漸轉(zhuǎn)化為鉤狀云系。8日20:00—9日08:00為氣旋減弱錮囚階段，由水汽圖像可以看到氣旋結(jié)構(gòu)再次由鉤狀云系演變?yōu)槁菪隣钤茙Ш蜏u旋云系。9日20:00受后部干侵入驅(qū)動，暖輸送帶向東推進過程中由南北向逐步演變?yōu)槲鞅薄獤|南走向，并出現(xiàn)斷裂，表明后部冷鋒也出現(xiàn)斷裂；冷輸送帶進一步西伸北抬，在向氣旋中心后彎卷入過程中出現(xiàn)包卷現(xiàn)象。同時，在北抬過程中冷輸送帶也由準東西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅薄獤|南走向，氣旋渦旋云系結(jié)構(gòu)逐步清晰。另外，由FY-4A氣象衛(wèi)星觀測的水汽圖像(圖4)可見， 11月7—9日通遼地區(qū)上空持續(xù)受地面氣旋影響，7日08:00暖輸送帶抵達通遼，水汽云系亮溫(TBB)低于-52℃，受暖濕氣流鋒面動力抬升影響降雪過程開始。8日08:00冷輸送帶北抬并向西推進至通遼西部，暖鋒沿通遼西北側(cè)后彎和包卷，最低TBB升至-42～-30℃，邊界層冷空氣入侵，導致暖空氣沿冷空氣墊強迫爬升，導致冷輸送帶降雪階段產(chǎn)生。

圖4 2021年11月7日14:00—9日08:00 FY-4A氣象衛(wèi)星觀測的黃渤海氣旋云頂亮溫(填色)Fig.4 TBB(the shaded) of the Yellow Sea and Bohai Sea cyclone observed by FY-4A from 1400 BT 7 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021

黃渤海氣旋在生成、爆發(fā)性發(fā)展和錮囚階段的水汽圖像由葉狀云系演變?yōu)殂^狀逗點云系和渦旋云系，并先后出現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)、冷鋒斷裂和暖鋒后彎包卷現(xiàn)象，通遼強降雪持續(xù)時間長達66 h，這與暖輸送帶和冷輸送帶先后接力控制通遼地區(qū)并驅(qū)使暖空氣沿冷空氣墊強迫爬升有關(guān)。

由11月7日20:00 850 hPa風場和溫度場(圖5)可見，一條東北—西南向的強溫度鋒區(qū)(寬約600～800 km)位于遼吉西部到江蘇近海，風場上在鋒區(qū)東側(cè)渤海東部出現(xiàn)氣旋式渦旋環(huán)流，850 hPa低渦中心附近呈現(xiàn)明顯東北—西南走向的冷暖鋒區(qū)結(jié)構(gòu)；7日20：00海平面氣壓場顯示，山東半島最東端低壓加強形成氣旋，中心氣壓為1012 hPa，地面氣旋也出現(xiàn)明顯的冷鋒和暖鋒。8日08:00 850 hPa 低渦北上過程中氣旋式環(huán)流明顯加強，低渦東側(cè)偏南風急流明顯加大。低渦中心位于遼寧東南部，冷鋒鋒區(qū)繼續(xù)東移向暖區(qū)推進，冷鋒鋒區(qū)移速較慢，而暖鋒鋒區(qū)加強向西北方向推進，強冷暖鋒區(qū)呈現(xiàn)T型直立架構(gòu)。對應(yīng)8日08：00海平面氣旋強度爆發(fā)性發(fā)展加強，中心氣壓降至998 hPa，氣旋中心附近冷鋒鋒面減弱北收，暖鋒鋒區(qū)則北抬西推，向東移動的冷鋒與后彎的暖鋒近乎垂直。至8日20:00 850 hPa低渦空間尺度增大，其北側(cè)偏東急流明顯加強向西推進，暖切變加強導致暖鋒鋒區(qū)向低渦西側(cè)發(fā)展；850 hPa冷鋒鋒區(qū)進一步東移減弱，連續(xù)鋒區(qū)出現(xiàn)斷裂，其南段已經(jīng)抵達日本南部。低渦北側(cè)后彎的暖鋒鋒區(qū)和高緯度冷空氣氣旋式旋轉(zhuǎn)包圍低渦中心。此時地面氣旋進入錮囚階段，強度開始減弱(圖3b)。由8日20：00海平面氣壓場可見，冷暖鋒面出現(xiàn)分離，暖鋒向地面氣旋中心的西側(cè)后彎形成錮囚鋒面。主冷鋒減弱東移斷裂的同時，地面氣旋中心有副冷鋒生成；由于暖鋒鋒區(qū)進一步后彎，并與來自高緯度地區(qū)的冷空氣交匯，導致在地面氣旋西側(cè)形成另一個副低壓中心，被暖鋒包圍形成干暖核。以上分析可見，此次過程黃渤海氣旋結(jié)構(gòu)與Shapiro-Keyser海洋鋒面氣旋概念模型相似，不同之處在于盡管黃渤海氣旋在海面形成，但長時間在東北地區(qū)的陸地發(fā)展，其結(jié)構(gòu)演變展現(xiàn)獨特的副冷鋒以及副中心新生的現(xiàn)象。

圖5 2021年11月7日20:00—8日20:00 850 hPa風場(矢量)與溫度場(虛線，單位：℃)，海平面氣壓場(實線，單位：hPa)(黑色粗線為鋒面)Fig.5 850 hPa wind(the vector) and temperature(the dashed line,unit:℃)，sea level pressure(the solid line,unit:hPa) from 2000 BT 7 Nov to 2000 BT 8 Nov in 2021(the thick black line denotes the front)

2.2.2 垂直結(jié)構(gòu)

黃渤海氣旋在東移北上過程中，不僅水平結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了波動生成、鋒面氣旋加強和爆發(fā)性發(fā)展以及緩慢錮囚減弱的階段性變化，其垂直結(jié)構(gòu)特征也發(fā)生了顯著變化。由11月7—9日地面氣旋上空渦度和垂直速度沿850 hPa低渦中心的垂直剖面(圖6)可以看到，7日20:00氣旋系統(tǒng)處于發(fā)展加強階段，上空為明顯傾斜的正渦柱，水平范圍約8個經(jīng)度。正渦度區(qū)位于115°～124°E，正渦度大值中心位于500 hPa至300 hPa高度，渦度強度約為2×10-4s-1～2.5×10-4s-1；低渦中心附近及其東側(cè)400 km 范圍存在明顯上升運動區(qū)，與850 hPa至地面的渦度大值區(qū)對應(yīng)；由8日08:00黃渤海氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段渦度垂直分布可見，氣旋系統(tǒng)上空的正渦度柱急劇加強且隨高度略向西傾斜，正渦度區(qū)位于120°～124°E，400 hPa高度以下渦度強度為2.5×10-4s-1～4×10-4s-1，最大正渦度中心位于邊界層內(nèi)，垂直上升運動區(qū)(-2×10-2～-1×10-2Pa·s-1)與正渦柱對應(yīng)；8日20:00地面氣旋進入錮囚階段，上空正渦度大值區(qū)位于123°～130°E，正渦柱覆蓋范圍擴大，低渦上空正渦度區(qū)低層分離，中高層強度增強呈直立結(jié)構(gòu)，近地面最大正渦度中心進一步增大到4×10-4s-1～6×10-4s-1，上升運動區(qū)位于地面氣旋的東西兩側(cè)；9日08:00地面氣旋處于明顯減弱階段，氣旋上空垂直渦柱水平范圍進一步擴大，上升運動明顯減弱，700 hPa以下高度正渦度明顯減弱，大值中心位于對流層中層。

圖6 2021年11月7—9日渦度(填色)和垂直速度(虛線，單位：Pa·s-1)沿850 hPa低渦中心垂直剖面(?表示850 hPa低渦中心所在經(jīng)度位置,下同)Fig.6 Cross-section of vorticity(the shaded) and vertical velocity(the dotted line,unit:Pa·s-1) along 850 hPa vortex center from 7 Nov to 9 Nov in 2021(? denotes the longitude of 850 hPa vortex center，the same hereinafter)

圖7為11月7—9日氣旋上空溫度和相對濕度沿850 hPa低渦中心的垂直剖面，可以更直觀地看到溫帶氣旋在發(fā)展演變過程中存在鋒區(qū)斷裂及低層干暖核被隔離現(xiàn)象。7日20:00氣旋系統(tǒng)處于發(fā)展加強階段，氣旋位于低渦東南側(cè)，其上空相對濕度大于70%，中高層幾乎飽和；低渦附近中低層西側(cè)冷槽東側(cè)暖脊，鋒區(qū)具有傾斜結(jié)構(gòu)，隨高度變寬；8日08:00低層冷槽侵入低渦，高低層溫度鋒區(qū)在700 hPa 至600 hPa出現(xiàn)斷裂，低層鋒區(qū)變陡，高層鋒區(qū)移速較快且變窄。氣旋周圍為大范圍濕區(qū)，高層濕度大值區(qū)東移至氣旋東部，氣旋系統(tǒng)西側(cè)的濕區(qū)在500 hPa高度以下；8日20:00地面氣旋開始減弱，隨著冷槽過境溫度鋒區(qū)推進至130°E附近，氣旋上空低層為溫度槽中高層暖脊。上空濕度大值區(qū)進一步東移遠離，氣旋附近上空濕層變??；氣旋西側(cè)濕區(qū)加強，相對濕度接近100%，濕層高度上升至350 hPa。濕區(qū)西側(cè)120°E附近, 700 hPa以下由于絕熱下沉的增溫效應(yīng)出現(xiàn)干暖中心，暖核西側(cè)也為濕區(qū)，與水汽圖像暖核被隔離十分吻合，在其西側(cè)700 hPa以下存在相對濕度大于90%的區(qū)域，即濕度分布與低空向西的冷濕輸送帶密切聯(lián)系。9日08:00地面氣旋上空低層為溫度槽中高層為暖脊的結(jié)構(gòu)更為明顯，暖脊被抬升至500 hPa高度以上，中性錮囚鋒鋒區(qū)形成，可見溫帶氣旋處在明顯錮囚階段。氣旋附近上空仍為濕區(qū)，但東側(cè)濕層高度下降；氣旋西側(cè)120°E附近暖脊進一步變干，干暖核結(jié)構(gòu)特征更為明顯。

圖7 2021年11月7—9日溫度(虛線，單位:℃)和相對濕度(灰色)沿850 hPa低渦中心垂直剖面(黑色粗線為溫度槽線和脊線)Fig.7 Cross-section of temperature(the dashed line,unit:℃) and relative humility(the gray) along 850 hPa vortex center from 7 Nov to 9 Nov in 2021(black bold lines denote trough and ridge of temperature contours)

3 氣旋爆發(fā)性發(fā)展機制

3.1 500 hPa高空冷渦的強烈發(fā)展

早期研究表明，斜壓系統(tǒng)發(fā)展主要受渦度因子、熱力因子和非絕熱加熱影響。渦度因子主要使低層系統(tǒng)發(fā)展，熱力因子有利于高層系統(tǒng)加強，對低層系統(tǒng)的發(fā)展僅起間接作用。可見，500 hPa冷渦系統(tǒng)快速發(fā)展帶來的渦度因子加強對地面氣旋系統(tǒng)的爆發(fā)性增強起主導作用。

本文利用Takaya等[43-44]推導的波作用通量描述準定常Rossby波的能量頻散特征，該通量在Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似假定下與波位相無關(guān)且與定常Rossby 波列的局地群速度方向一致。

由2021年11月7日14:00—8日08:00 500 hPa波作用通量和位勢高度距平的演變過程 (圖8)可以看到，在黃渤海氣旋初生階段(7日14:00)，存在由西伯利亞高壓脊、華北地區(qū)高空槽和東北地區(qū)高壓脊3個位勢高度異常中心構(gòu)成的Rossby大氣長波波列。來自上游西伯利亞地區(qū)500 hPa高壓脊向東南方向的波作用通量持續(xù)向華北地區(qū)西部的高空槽區(qū)域頻散，導致華北槽加深發(fā)展，槽區(qū)附近存在顯著向東南方向頻散的波作用通量，通量大值區(qū)(150～450 m2·s-2)顯示高空槽將加深發(fā)展；槽前波通量向位于東北地區(qū)的高壓脊傳播。7日20:00隨著西伯利亞高壓脊緩慢東移，其波能量不斷向下游頻散，華北高空槽加深發(fā)展形成高空冷渦，冷渦中心位勢高度約為538 dagpm；冷渦西北象限波作用通量加強，東南象限波通量轉(zhuǎn)為東南向，表明冷渦系統(tǒng)將向東北方向移動和發(fā)展，黃渤海氣旋進入爆發(fā)性增強階段；由8日02:00波能量頻散特征分布可以看到，隨著西伯利亞高壓脊進一步向東發(fā)展以及能量向下游地區(qū)頻散，華北冷渦中心后部存在明顯西北方向的波作用通量，通量強度加強至150～200 m2·s-2，冷渦距平異常區(qū)明顯增強；8日08:00冷渦后部波作用通量進一步加大，最大達到250 m2·s-2，來自上游地區(qū)強大的波能量頻散導致高空冷渦強度快速加強，冷渦中心位勢高度從538 dagpm快速下降至533 dagpm，同時由于冷渦向東頻散的波能量進一步加強，東北地區(qū)高壓脊同步加強西伸。由此可見，西伯利亞上游地區(qū)異常中心的波能量頻散的不斷加強，500 hPa華北冷渦快速加強，使得位于冷渦前部地面氣旋上空正渦度平流急劇加大，高空渦度因子的快速加強有利于驅(qū)動黃渤海氣旋的爆發(fā)性發(fā)展。

圖8 2021年11月7日14:00—8日08:00 500 hPa位勢高度(實線，單位：dagpm)、距平(填色)和波作用通量(矢量)Fig.8 500 hPa geopotential height(the solid line，unit:dagpm) with its anomaly(the shaded) and wave-activity fluxes(the vector) from 1400 BT 7 Nov to 0800 BT 9 Nov in 2021

3.2 高層位渦沿等熵面下傳與地面氣旋發(fā)展

以上分析表明:對流層上層高空槽先于中低層系統(tǒng)發(fā)展，隨著高層系統(tǒng)的逐漸逼近并疊加在中低層系統(tǒng)之上，高低空系統(tǒng)耦合使得地面氣旋上空的傾斜渦柱演變?yōu)榻醮怪钡纳詈駳庑到y(tǒng)。下面進一步分析高層位渦下傳過程對本次黃渤海氣旋發(fā)生發(fā)展的作用。

氣旋發(fā)生發(fā)展生成階段(11月7日白天)，隨著一股強冷空氣從華北地區(qū)南下，來自華北北部冷空氣前鋒抵達黃淮地區(qū)。伴隨地面冷空氣的不斷東移南下，在黃淮東部形成的地面倒槽也逐漸加強。7日14:00 850 hPa風場出現(xiàn)閉合氣旋式渦旋，并逐漸表現(xiàn)出明顯冷式切變和暖濕切變，地面氣旋波動開始生成。氣旋波動的發(fā)生、500 hPa低渦、槽前的疏散結(jié)構(gòu)、渦度平流加強以及200 hPa西風槽進入華北并加深，均有利于高層出現(xiàn)輻散。由位渦演變的垂直分布(圖9)可見，7日08:00—14:00隨著對流層高層西風槽加深開始不斷向南伸展，引導高緯度地區(qū)平流層位渦高值區(qū)沿等熵面緩慢向低層運動。7日14:00—20:00強度不小于1 PVU(1 PVU=10-6m2·K·s-1·kg-1)的位渦區(qū)向下層快速發(fā)展；強度不小于1 PVU的位渦由500 hPa迅速向下伸展至850 hPa低渦東側(cè)，誘發(fā)地面氣旋波動發(fā)展加強。氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段(7日夜間)，7日20:00 高層位渦高值區(qū)進一步向低層快速發(fā)展，強度不小于1 PVU的位渦最低高度迅速向下延伸至低渦東側(cè)的海平面。8日08:00 850 hPa低渦及其東南側(cè)地面氣旋上空的位渦柱上下貫通，850 hPa至地面的位渦急劇加大到6 PVU，導致低渦前側(cè)垂直上升運動顯著增強，后側(cè)為下沉運動區(qū)。低層位渦區(qū)的顯著加強引發(fā)地面氣旋出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展，對應(yīng)地面氣旋中心強度在12 h內(nèi)急劇下降14 hPa。氣旋緩慢錮囚階段(8日白天和夜間)，8日08:00隨著平流層位渦高值區(qū)繼續(xù)向近地面下傳，高層位渦大值區(qū)進一步與低層位渦區(qū)打通，至8日20:00地面位渦達到10 PVU以上，地面氣旋達到最低值995 hPa；8日夜間開始，隨著對流層高層400 hPa以上高值位渦區(qū)逐步移出低層低渦區(qū)的上空， 850 hPa至地面的位渦強度緩慢減弱。至9日02:00，低層位渦明顯減弱并與中高層位渦區(qū)分離，導致地面氣旋在東移北上過程中強度緩慢減弱，氣旋波動表現(xiàn)為緩慢錮囚過程。

圖9 2021年11月7—9日位渦沿850 hPa低渦中心的垂直剖面(填色)Fig.9 Cross-section of potential vorticity along 850 hPa vortex center from 7 Nov to 9 Nov in 2021(the shaded)

上述地面氣旋新生加強、爆發(fā)性發(fā)展和錮囚減弱階段，以及正渦度柱由傾斜結(jié)構(gòu)演變?yōu)榻踔绷⒔Y(jié)構(gòu)等特征，可以利用等熵位渦理論解釋。當高緯度對流層上部的位渦異常區(qū)向南、向下發(fā)展，逐漸與低空低值區(qū)北側(cè)的鋒區(qū)和地面氣旋北側(cè)的等高線密集區(qū)疊加，誘生出氣旋性環(huán)流，在黃海西部引發(fā)新生氣旋。高層位渦的不斷下傳進一步促進地面氣旋加強發(fā)展，與中低層渦旋鋒區(qū)的共同作用造成氣旋東南側(cè)的暖平流迅速增強，強烈發(fā)展的暖平流不僅造成低空氣旋性環(huán)流的快速發(fā)展，還驅(qū)使氣旋向東北方向移動；高層位渦下傳的動力學過程反過來又促進高層的氣旋性環(huán)流加強，造成300 hPa至200 hPa高度上正渦度柱在東移過程中不斷增強，形成正反饋。直至高低層位渦異常區(qū)的軸線在同一垂直線上，即由傾斜渦柱演變?yōu)榇怪睖u柱，地面氣旋進入緩慢減弱錮囚階段。

4 結(jié) 論

本文分析2021年11月7—9日東北極端暴雪過程的鋒面氣旋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展機制，得到以下主要結(jié)論：

1) 極端暴雪過程發(fā)生在高空冷渦和地面氣旋背景下，地面氣旋在黃海形成后出現(xiàn)爆發(fā)性快速加強并在東北地區(qū)東部北上，隨著高空冷渦北側(cè)暖平流持續(xù)加強并向西推進，形成緩慢減弱的錮囚過程。地面降雪區(qū)主要分布在氣旋西側(cè)，且降雪強度與地面氣旋的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展階段對應(yīng)此次極端暴雪過程最強時段。

2) 黃渤海氣旋由地面倒槽入海后波動加強生成，隨后是爆發(fā)性發(fā)展加強以及緩慢減弱錮囚，其結(jié)構(gòu)特征與Shapiro-Keyser氣旋概念模型較為相似。在水汽圖像上黃渤海氣旋表現(xiàn)為由葉狀云系演變?yōu)殂^狀逗點云系和渦旋云系，并先后出現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)、冷鋒斷裂和暖鋒后彎包卷現(xiàn)象。低層鋒區(qū)演變顯示冷鋒鋒區(qū)東移、減弱、斷裂，暖鋒鋒區(qū)北抬加強并持續(xù)向西推進，地面氣旋在錮囚階段出現(xiàn)獨特的副冷鋒以及氣旋副中心新生現(xiàn)象。對氣旋垂直結(jié)構(gòu)的分析也證實高空鋒區(qū)斷裂、干暖核出現(xiàn)和中性錮囚鋒區(qū)形成以及由傾斜上升渦柱演變?yōu)樯詈竦椭迪到y(tǒng)的過程。

3) 波能量頻散分析顯示：500 hPa位勢高度場上西伯利亞高壓脊、華北地區(qū)高空槽和東北地區(qū)高壓脊3個異常中心構(gòu)成Rossby波列，西伯利亞上游地區(qū)高度異常中心東移發(fā)展及波能量向下游地區(qū)頻散不斷加強，有利于波作用通量快速增強并向東傳播，導致華北冷渦快速加強和東北地區(qū)東部脊區(qū)加強西伸，地面氣旋上空渦度因子急劇加強是黃渤海氣旋爆發(fā)性發(fā)展的有利動力因子。

4) 本次黃渤海氣旋新生加強、爆發(fā)性發(fā)展和錮囚減弱階段，以及正渦度柱由傾斜結(jié)構(gòu)演變?yōu)榻踔绷⒌忍卣鳎梢岳玫褥匚粶u理論解釋。等壓面位渦計算表明：隨著平流層位渦高值區(qū)沿等熵面不斷向南發(fā)展和向下傳播，正位渦異常區(qū)疊加在中低層系統(tǒng)之上，向下伸展的高層位渦逐漸與低空低值區(qū)北側(cè)的鋒區(qū)和地面氣旋等高線密集區(qū)疊加，誘發(fā)地面氣旋爆發(fā)性發(fā)展加強。位渦持續(xù)下傳和緩慢東移與地面氣旋錮囚階段的長時間維持密切相關(guān)。