任素玲 毛冬艷 蔣建瑩 楊冰韻 牛 寧

1 引 言

北大西洋冬季風(fēng)暴是影響歐洲最重要的自然災(zāi)害之一，它屬于溫帶氣旋，一般生成于北大西洋東部的格陵蘭島東南部，由于海面摩擦力小，海上更有利于氣旋發(fā)展，氣旋向東移動(dòng)的過程中逐漸加強(qiáng)，經(jīng)常給歐洲國家造成大風(fēng)、降溫、雨雪和風(fēng)暴潮等災(zāi)害天氣（Duque，et al，2021）。對溫帶氣旋的研究包括氣旋生命史、三維結(jié)構(gòu)、發(fā)展機(jī)理、氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)特征、中尺度結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬等（張穎嫻等，2015）。

Bjerknes（1919）、Bjerknes 等（1944）提出了溫帶氣旋結(jié)構(gòu)和理論，解釋了氣旋的成因，提出的溫帶氣旋天氣分析方法應(yīng)用于多個(gè)國家業(yè)務(wù)氣象服務(wù)。早在1986 年，加拿大大西洋風(fēng)暴計(jì)劃（CASP）外場試驗(yàn)與美國大西洋低壓生成試驗(yàn)（GALE）在大西洋上空開展（Stewart，et al，1987，1989），該研究建立了風(fēng)暴的概念模型，典型的風(fēng)暴包含一條冷輸送帶、一條暖輸送帶和中高層的干侵入。1997 年，為了研究北大西洋氣旋生命史，開展了鋒面和大西洋風(fēng)暴路徑試驗(yàn)（FASTEX）（Joly，et al，1997），驗(yàn)證了氣旋形成和發(fā)展理論，并刻畫了氣旋中云的垂直運(yùn)動(dòng)、中尺度結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)過程，獲得了風(fēng)暴生命周期、降水區(qū)域和降水類型的轉(zhuǎn)變等信息。

氣候特征研究表明溫帶氣旋活動(dòng)分布不均，北半球的北大西洋、太平洋和地中海為頻發(fā)區(qū)域（Petterssen，1956）。全球變暖進(jìn)程中，北半球冬季氣溫升高趨勢最為明顯，中、高緯度地區(qū)尤其更甚，20 世紀(jì)70 年代以后，全球變暖造成溫帶氣旋頻數(shù)和強(qiáng)度均發(fā)生變化（Lambert，1996；Geng，et al，2001； Graham， et al， 2001； Gulev， et al， 2001；McCabe， et al，2001），北大西洋冬季強(qiáng)氣旋（中心氣壓≤970 hPa）事件顯著增多，北大西洋冬季氣旋頻數(shù)、強(qiáng)度和加強(qiáng)速度增大，冬季風(fēng)暴路徑有向北偏移的趨勢。北大西洋冬季風(fēng)暴的活動(dòng)和北大西洋海溫有一定關(guān)系，風(fēng)暴發(fā)生時(shí)美國東南海岸附近的大西洋海溫比多年平均高出1.0—1.5℃（da Silva，et al，2006），海溫異常還會(huì)影響風(fēng)暴的移動(dòng)路徑（Brayshaw，et al，2011；Baatsen，et al，2015；Gan，et al，2015）。

北大西洋冬季風(fēng)暴經(jīng)常出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展，Sanders 等（1980）把爆發(fā)性發(fā)展定義為24 h 內(nèi)氣壓降低24 hPa 以上。發(fā)生在冬季的北大西洋爆發(fā)性風(fēng)暴經(jīng)常給歐洲帶來災(zāi)害天氣（Duque，et al，2021），傅剛等（2017）回顧了爆發(fā)性氣旋的研究進(jìn)展，Wang等（2001）和孫雅文等（2018）對北大西洋爆發(fā)性氣旋活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)北大西洋爆發(fā)性氣旋主要發(fā)生在4個(gè)區(qū)域，即：北美大陸區(qū)、西北大西洋區(qū)、北大西洋中央?yún)^(qū)和東北大西洋區(qū)，其中西北大西洋區(qū)氣旋中心氣壓下降率最大、爆發(fā)時(shí)長最長，東北大西洋區(qū)爆發(fā)性氣旋個(gè)數(shù)少，但氣旋強(qiáng)度最強(qiáng)，爆發(fā)時(shí)移動(dòng)路徑集中在冰島以南、大不列顛島以西的洋面上，主要受高層大氣強(qiáng)迫的影響。Uccellini等（1985）研究也指出上游槽的加強(qiáng)和對流層頂折疊對氣旋風(fēng)暴的快速發(fā)展有重要作用。另外，氣溫、海面溫度（SST）、表面能量通量等也會(huì)影響大西洋爆發(fā)性氣旋的早期發(fā)展和快速增強(qiáng)（Kuo，et al，1991；Nesterov，2010）。

由于海上常規(guī)觀測資料十分稀少，而衛(wèi)星觀測可以提供高時(shí)空分辨率的觀測數(shù)據(jù)，因此近年來衛(wèi)星成為研究海上各種災(zāi)害天氣系統(tǒng)的重要手段。鄢珅等（2021）利用CloudSat、MODIS （Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）等衛(wèi)星觀測資料對不同季節(jié)北大西洋4 個(gè)爆發(fā)性氣旋個(gè)例的云微物理特性的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，井苗苗等（2017）利用MODIS 可見光云圖、GOES-EAST （Geostationary Operational Environmental Satellite-EAST）衛(wèi)星紅外云圖等對爆發(fā)性風(fēng)暴做了個(gè)例分析，表明，上游高空正位渦大值區(qū)隨著氣旋發(fā)展演變?yōu)椤般^”狀，存在高層高位渦向下入侵。

隨著全球化發(fā)展，中國對全球極端氣象災(zāi)害事件的關(guān)注度越來越高，極端天氣、氣候事件監(jiān)測預(yù)報(bào)技術(shù)和能力提升迫在眉睫。實(shí)時(shí)監(jiān)測依賴于全球氣象觀測，風(fēng)云氣象衛(wèi)星經(jīng)過50 多年的發(fā)展，綜合探測技術(shù)水平顯著提升。2023 年風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)從非洲中部到太平洋中部地區(qū)的覆蓋，風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)全球晨、昏時(shí)刻觀測。風(fēng)云氣象衛(wèi)星遙感全球監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)效已達(dá)3.5 h，為“一帶一路”和“全球監(jiān)測、全球預(yù)報(bào)、全球服務(wù)”提供重要支撐。本研究主要應(yīng)用風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星云圖和反演數(shù)據(jù)，針對北大西洋冬季頻發(fā)風(fēng)暴展開研究，有利于提升風(fēng)云氣象衛(wèi)星全球?yàn)?zāi)害天氣、氣候事件監(jiān)測服務(wù)能力。

2022 年2 月中旬，北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”（Eunice）生成于北大西洋西部，沿著副熱帶高壓北側(cè)邊緣向東北方向移動(dòng)，在靠近英國前一天出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展，先后影響英國及北海周邊多個(gè)國家，給歐洲帶來強(qiáng)風(fēng)、暴雪和風(fēng)暴潮等災(zāi)害天氣，這是自2014 年2 月以來影響英格蘭和威爾士最嚴(yán)重、最具破壞性的風(fēng)暴。2023 年1 月9 日，中國氣象局新聞發(fā)布會(huì)揭曉了“2022 年度國內(nèi)外十大天氣氣候事件”評選結(jié)果，“尤尼斯”被評選為“2022 年國外十大天氣氣候事件”（強(qiáng)風(fēng)暴“尤尼斯”席卷西歐，英格蘭陣風(fēng)破紀(jì)錄）之一。本研究以衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)為主，研究“尤尼斯”發(fā)生的大氣和海洋環(huán)境場特征、衛(wèi)星洋面風(fēng)觀測實(shí)況、衛(wèi)星水汽圖像干侵入特征、極渦造成的冷空氣南下及其伴隨的對流層高層位渦強(qiáng)迫對爆發(fā)性發(fā)展的可能影響，以此獲得北大西洋風(fēng)暴爆發(fā)性發(fā)展觸發(fā)因子和形成原因，特別是海洋上衛(wèi)星觀測如何識(shí)別和監(jiān)測這類異常發(fā)展特征，為全球極端天氣事件衛(wèi)星遙感監(jiān)測、預(yù)警提供思路和方法。

2 數(shù) 據(jù)

2.1 FY-3D/VASS 溫度

本研究采用風(fēng)云三號(hào)D 星大氣垂直探測系統(tǒng)（Vertical Atmospheric Sounding System，F(xiàn)Y-3D/VASS）儀器組反演的溫度數(shù)據(jù)（谷松巖等，2010；張鵬等，2012；郭楊等，2014），該垂直觀測儀器組共包括3 臺(tái)儀器，分別為13 個(gè)通道的微波溫度計(jì)、15 個(gè)通道的微波濕度計(jì)和2287 個(gè)通道的紅外高光譜大氣探測儀。FY-3D/VASS 溫度廓線為軌道數(shù)據(jù)，包括升軌和降軌，覆蓋范圍為全球，空間分辨率為16 km，垂直方向從地面（1013.25 hPa）至高空（0.1 hPa）共43 個(gè)氣壓層，并對軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，形成日平均等經(jīng)、緯度格點(diǎn)數(shù)據(jù)。本研究關(guān)注的北美北部極區(qū)附近，和ERA5（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis v5）數(shù)據(jù)相比，大部分地區(qū)溫度平均絕對偏差在1℃以內(nèi)（任素玲等，2022），選取1991—2020 年ERA5 共30 a 日平均溫度作為本研究的氣候態(tài)（曾昭美等，1999）。

2.2 洋面風(fēng)

2.2.1 FY-3E/WindRAD 洋面風(fēng)

風(fēng)云三號(hào)E 星（FY-3E）于2021 年7 月成功發(fā)射，為全球首顆民用晨、昏軌道氣象衛(wèi)星。衛(wèi)星搭載了11 臺(tái)遙感儀器（中國氣象局，2022；Zhang，et al，2022）。FY-3E 實(shí)現(xiàn)了主、被動(dòng)結(jié)合的洋面風(fēng)場探測，新增的雙頻風(fēng)場測量雷達(dá)（WindRAD），為風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星首次搭載的主動(dòng)遙感儀器。風(fēng)場測量雷達(dá)通過對地球系統(tǒng)的后向散射測量獲取全球海洋表面風(fēng)場。本研究選用風(fēng)場測量雷達(dá)洋面風(fēng)數(shù)據(jù)，每日分為升軌（黃昏）和降軌（凌晨），數(shù)據(jù)處理成等經(jīng)、緯度格點(diǎn)（0.25°×0.25°），覆蓋范圍為全球洋面。數(shù)據(jù)下載地址為http://data.nsmc.org.cn。

2.2.2 Metop/ASCAT 洋面風(fēng)

ASCAT（The Advanced Scatterometer）是歐洲航天局發(fā)射的氣象業(yè)務(wù)極軌衛(wèi)星（Meteorological operational polar satellites，Metop）上搭載的儀器之一，由歐洲氣象衛(wèi)星組織運(yùn)營（European organization for the exploitation of meteorological satellites，EUMETSAT）（Verhoef，et al，2012）。Metop-B/C衛(wèi)星分別于2012 和2018 年發(fā)射，觀測時(shí)間均為過境地區(qū)的上午（夜間），但時(shí)間和掃描區(qū)域略有差異。ASCAT 反演的洋面風(fēng)場等效為10 m 高的洋面風(fēng)，包括風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)速測量范圍為0—50 m/s，超過25 m/s 的風(fēng)速精度下降。風(fēng)速偏差小于0.5 m/s時(shí)，風(fēng)分量（經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)）標(biāo)準(zhǔn)偏差的精度優(yōu)于2 m/s?？臻g分辨率約為12.5 km×12.5 km。數(shù)據(jù)下載地址為https://data.eumetsat.int/。

2.3 其他數(shù)據(jù)

其他數(shù)據(jù)見表1。

表1 其他數(shù)據(jù)及簡要說明Table 1 Other data and brief introduction

3 研究結(jié)果

3.1 北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”生成的環(huán)境場特征

根據(jù)英國強(qiáng)天氣預(yù)警服務(wù)需求，基于風(fēng)暴可能產(chǎn)生的災(zāi)害天氣，2015 年英國首次發(fā)布北大西洋風(fēng)暴名稱。秋季開始，北大西洋低壓或風(fēng)暴的活動(dòng)頻率及造成的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加，因此風(fēng)暴名單從9 月初至次年8 月底為一個(gè)風(fēng)暴季。2015/2016 年 —2021/2022 年近7 個(gè)風(fēng)暴季命名風(fēng)暴個(gè)數(shù)分別為11（2015/2016 年）、5（2016/2017 年）、10（2017/2018 年）、8（2018/2019 年）、7（2019/2020 年）、7（2020/2021 年）和7 個(gè)（2021/2022 年）。其中9、10、11、12、1、2 和3 月出現(xiàn)的個(gè)數(shù)分別為3、6、5、11、9、10 和4 個(gè)，12、1 和2 月是北大西洋風(fēng)暴高發(fā)期。2022 年北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”發(fā)生在風(fēng)暴活躍的2 月，于14 日命名，18 日影響英國（https://www.metoffice.gov.uk/weather/warnings-andadvice/uk-storm-centre/index）。

3.1.1 “尤尼斯”活動(dòng)期間北極溫度特征

2022 年2 月14—18 日平均850 hPa 溫度顯示（圖1a、b），歐亞大陸北部和北美北部兩個(gè)冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域高緯度冷中心偏向北美，北美北部較歷史同期平均偏低3—6℃，歐亞大陸北部溫度明顯偏高。50°N 以北的北大西洋偏冷，50°N 以南的北大西洋則偏暖，整體表現(xiàn)出北半球高緯度地區(qū)西半球偏冷、東半球偏暖的特征。西半球高緯度偏冷有利于冷空氣南下觸發(fā)北大西洋風(fēng)暴活動(dòng)。

圖1 2022 年2 月14—18 日FY-3D/VASS 850 hPa 平均溫度 （a） 和距平 （b）Fig. 1 FY-3D/VASS average temperature （a） and its anomaly （b） at 850 hPa from 14 to 18 February 2022

3.1.2 “尤尼斯”活動(dòng)期間SST 特征

海洋天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變除了和大氣參數(shù)密切相關(guān)外，海洋熱力特征也是重要影響因素 （Brayshaw，et al，2011；Baatsen，et al，2015；Gan，et al，2015）。2022 年2 月14—18 日“尤尼斯”活動(dòng)期間，北大西洋平均SST 分布顯示（圖2a）：和同緯度相比北大西洋西部SST 偏低，東部偏高，10℃ SST 等值線呈東北—西南走向，西部SST 經(jīng)向水平梯度較大，和北美大陸極區(qū)冷空氣活動(dòng)有關(guān)（圖1），極地南下的冷空氣加強(qiáng)了北大西洋西部冷洋流的強(qiáng)度，40°N 以北的北美大陸東海岸SST 為1—10℃，在SST 經(jīng)向梯度大的交界面形成波動(dòng)特征。北大西洋東部英國西部沿海SST 為10—13℃，較同緯度的大西洋西部SST 高10℃左右。平均SST 距平顯示（圖2b），北大西洋西部SST 經(jīng)向梯度較大的地方溫度距平呈現(xiàn)正、負(fù)相間的波動(dòng)特征，60°N 以北SST 距平為負(fù)，海溫偏低，該特征和2022 年2 月14—18 日該區(qū)域平均850 hPa 溫度偏低一致。60°N 以南的北大西洋中東部SST 偏高0.5—2.0℃，較高的SST 有利于風(fēng)暴爆發(fā)性發(fā)展。

圖2 2022 年2 月14—18 日北大西洋平均SST （a） 和距平 （b）Fig. 2 Average SST （a） and its anomaly （b） from 14 to 18 February 2022 in North Atlantic

3.2 北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”云系演變和災(zāi)情

“尤尼斯”快速發(fā)展和移動(dòng)過程中，主要災(zāi)害為大風(fēng)、暴雪和大風(fēng)引發(fā)的沿海風(fēng)暴潮。“尤尼斯”影響英國的同一周時(shí)間內(nèi)，還有另外兩個(gè)獲得命名的北大西洋風(fēng)暴先后影響，這是自2015 年風(fēng)暴開始命名以來首次發(fā)生，針對“尤尼斯”風(fēng)暴罕見地發(fā)出兩次紅色預(yù)警，為2014 年2 月以來影響英格蘭和威爾士的最嚴(yán)重和最具破壞性的風(fēng)暴。據(jù)英國氣象局消息，2 月18 日，“尤尼斯”最大陣風(fēng)風(fēng)速達(dá)54 m/s，刷新了英格蘭最大風(fēng)速紀(jì)錄。受強(qiáng)風(fēng)影響，英國和愛爾蘭有4 人死亡，超過100 萬戶家庭斷電，停電持續(xù)數(shù)日。威爾士和英格蘭受影響最嚴(yán)重地區(qū)的學(xué)校和企業(yè)關(guān)閉、交通嚴(yán)重中斷，大風(fēng)引起的風(fēng)暴潮襲擊了西部和南部海岸線以及塞文河口，整個(gè)威爾士海岸線面臨嚴(yán)重的洪水風(fēng)險(xiǎn)。除了大風(fēng)影響外，風(fēng)暴“尤尼斯”還帶來了強(qiáng)降雪天氣，蘇格蘭和英格蘭北部部分地區(qū)因降雪造成嚴(yán)重交通中斷（https://www.metoffice.gov.uk）。18 日，“尤尼斯”再次登陸法國，在法國北部造成強(qiáng)風(fēng)。

3.2.1 FY-3D 監(jiān)測“尤尼斯”云系演變

FY-3D 真彩色合成圖顯示（圖3）：14 日“尤尼斯”位于北大西洋西部美國東部沿海，出現(xiàn)清晰的鋒面和氣旋頭部，此時(shí)，格陵蘭島也有渦旋云系活動(dòng)，該云系的西側(cè)存在大范圍排列整齊的細(xì)胞狀積云，表明在格陵蘭島附近渦旋的影響下，極區(qū)冷空氣自北美大陸東北部吹向北大西洋；15—16 日“尤尼斯”向東北方向移動(dòng)，渦旋云系結(jié)構(gòu)略有減弱（圖略），17 日開始快速發(fā)展，此時(shí)“尤尼斯”具有典型的溫帶氣旋云系結(jié)構(gòu)特征，中心西南側(cè)為狹長的冷鋒云帶，冷鋒云帶的北部為極區(qū)冷空氣侵入洋面后形成的大范圍細(xì)胞狀積云，風(fēng)暴中心為積云，頭部為深厚的降水云系，風(fēng)暴中心東南側(cè)盾狀卷云表明高空向外流出氣流較強(qiáng)，并且開始影響英國；18 日“尤尼斯”中心位于英國東部，中心西側(cè)和北側(cè)云系造成強(qiáng)降水，中心東南側(cè)的云系給歐洲其他地區(qū)也帶來強(qiáng)降雪，海上的細(xì)胞狀積云控制北大西洋東部大范圍海域，北大西洋西部又有新的低壓系統(tǒng)發(fā)展，后期發(fā)展為北大西洋風(fēng)暴“弗蘭克林”（Franklin）。19 日“尤尼斯”快速東移，對英國的影響基本結(jié)束，對歐洲其他國家繼續(xù)造成強(qiáng)風(fēng)和雨雪天氣。

圖3 2022 年2 月14 （a）、17 （b） 和18 （c） 日北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”FY-3D/MERSI 真彩色圖 （藍(lán)點(diǎn)為風(fēng)暴中心）Fig. 3 FY-3D/MERSI true color images of the North Atlantic storm Eunice on 14 （a），17 （b） and 18 （c） February 2022 （the bule dot shows the storm center）

3.2.2 “尤尼斯”爆發(fā)性發(fā)展特征

2 月14 日大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”命名后，在副熱帶高壓北側(cè)向東偏北方向移動(dòng)，14—16 日風(fēng)暴云系和中心海平面氣壓均發(fā)展緩慢，17 日開始出現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展，從風(fēng)暴中心逐時(shí)海平面氣壓時(shí)間序列和移動(dòng)路徑可知（圖4）：17 日03 時(shí)（世界時(shí)，下同）開始，氣壓快速下降，18 日02 時(shí)為氣壓快速下降時(shí)段，24 h 內(nèi)氣壓下降約40 hPa，遠(yuǎn)超過爆發(fā)性發(fā)展氣壓下降率（24 hPa/（24 h））（Sanders，et al，1980），為典型的氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程，此時(shí)風(fēng)暴中心位于洋面，移動(dòng)路徑為東北方向。18 日02 時(shí)開始，風(fēng)暴中心逐漸靠近愛爾蘭，海平面氣壓略有升高，18 日02—11 時(shí)維持在975 hPa，12 時(shí)當(dāng)“尤尼斯”中心穿過英格蘭再次進(jìn)入洋面時(shí)，海平面氣壓又開始緩慢下降，最低值出現(xiàn)在17—19 時(shí)，約為969 hPa，19 時(shí)之后風(fēng)暴中心再次移向陸地，中心海平面氣壓開始升高。在“尤尼斯”快速加強(qiáng)和移動(dòng)的過程中，陸面對風(fēng)暴中心海平面氣壓有一定影響。

圖4 2022 年2 月17 日00 時(shí)—19 日00 時(shí) （世界時(shí)） “尤尼斯”中心附近最低海平面氣壓演變 （a） 及移動(dòng)路徑 （b）Fig. 4 Time series of minimum sea level pressure near the Eunice center （a） and its track （b） from 00:00 UTC 17 February to 00:00 UTC 19 February 2022

3.2.3 衛(wèi)星聯(lián)合觀測“尤尼斯”海上大風(fēng)

利 用FY-3E/WindRAD、 Metop-B/ASCAT 和Metop-C/ASCAT 洋面風(fēng)對“尤尼斯”快速加強(qiáng)和影響英國時(shí)段進(jìn)行海上大風(fēng)監(jiān)測，由2 月17 日FY-3E/WindRAD 凌晨軌道（07 時(shí)25 分前后）監(jiān)測可知（圖5）：07 時(shí)前后，風(fēng)暴中心位于（46.5°N，27°W，圖4b）附近，中心附近風(fēng)速較小，西側(cè)35°W 附近出現(xiàn)20 m/s 以上的西北風(fēng)，該強(qiáng)西北風(fēng)和格陵蘭島附近的氣旋相連，在FY-3D 真彩色圖上表現(xiàn)為大范圍冷空氣形成的細(xì)胞狀積云（圖3），F(xiàn)Y-3E/WindRAD黃昏軌道（17 時(shí)15 分前后）監(jiān)測顯示，大于20 m/s的強(qiáng)風(fēng)速快速東移至18°W 附近（17 時(shí)風(fēng)暴中心位于49.4°N，17.6°W），風(fēng)暴中心西側(cè)出現(xiàn)大風(fēng)，風(fēng)暴中心以西的北大西洋持續(xù)維持強(qiáng)西北風(fēng)，最大風(fēng)速超過26 m/s。17 日22 時(shí)09 分的Metop-C/ASCAT監(jiān)測顯示，除“尤尼斯”中心西北側(cè)部分區(qū)域外，風(fēng)暴中心及其附近出現(xiàn)大范圍20 m/s 以上大風(fēng)，最大值出現(xiàn)在風(fēng)暴中心南側(cè)，約為28 m/s。18 日06 時(shí)50 分“尤尼斯”大風(fēng)開始影響愛爾蘭西部和南部沿海，最大風(fēng)速超過26 m/s。10 時(shí)前后，愛爾蘭海中北部和英吉利海峽風(fēng)速增強(qiáng)至20 m/s 以上，16 時(shí)55 分英吉利海峽風(fēng)速減弱（18 m/s），大風(fēng)速區(qū)隨著風(fēng)暴東移影響英國東部的北海。19 日“尤尼斯”對英國的大風(fēng)影響顯著減小，風(fēng)暴中心位于北海北部。綜上可見，17 日“尤尼斯”風(fēng)速快速加強(qiáng)和其西側(cè)強(qiáng)西北風(fēng)有關(guān)，大風(fēng)影響英國的時(shí)間主要是

圖5 2022 年2 月17—19 日FY-3E/WindRAD （a. 17 日07 時(shí)25 分，b. 17 日17 時(shí)15 分，d. 18 日06 時(shí)50 分，g. 18 日16 時(shí)55 分，h. 19 日06 時(shí)30 分）、Metop-B/ASCAT （f. 18 日10 時(shí)45 分） 和Metop-C/ASCAT （c. 17 日22 時(shí)09 分，e. 18 日09 時(shí)57 分） 洋面風(fēng)和風(fēng)速 （色階，單位：m/s）Fig. 5 Ocean wind vectors and wind speed on 17—19 February 2022 derived from FY-3E/WindRAD （a. 07:25 UTC 17 February，b. 17:15 UTC 17 February，d. 06:50 UTC 18 February，g. 16:55 UTC 18 February，h. 06:30 UTC 19 February），Metop-B/ASCAT （f. 10:45 UTC 18 February），Metop-C/ASCAT （c. 22:09 UTC 17 February，e. 09:57 UTC 18 February）（shaded，unit：m/s）

18 日凌晨和上午。

3.2.4 “尤尼斯”降水實(shí)況

除帶來極端大風(fēng)外，“尤尼斯”還造成了強(qiáng)降雪天氣，蘇格蘭和英格蘭北部部分地區(qū)因降雪造成嚴(yán)重交通中斷。2 月18 日地面觀測24 h 累計(jì)降水量分布顯示（圖6a）：受“尤尼斯”影響，愛爾蘭和英國中北部降水量為6—18 mm，其中愛爾蘭西部沿海、北愛爾蘭西部局地降水超過14 mm。GSMAP 衛(wèi)星反演降水顯示（圖6b）：18 日“尤尼斯”在海洋上也造成了強(qiáng)降水，特別是愛爾蘭西北部洋面，出現(xiàn)大范圍18 mm 以上降水。地面觀測日平均氣溫顯示（圖6c），英國蘇格蘭大部分地區(qū)氣溫低于0℃，降水類型以雪為主，該區(qū)域的降水量為6—14 mm，為大雪至暴雪等級(jí)。英格蘭中北部氣溫為1—4℃，南部氣溫較高。當(dāng)“尤尼斯”東移后，19 日FY-3D 真彩色圖晴空區(qū)可見英國北部蘇格蘭大部分地區(qū)被積雪覆蓋（圖7）。

圖6 2022 年2 月18 日24 h 累計(jì)降水量 （a. 站點(diǎn)觀測，b. GSMAP 衛(wèi)星反演） 和地面平均氣溫 （c）Fig. 6 Daily precipitation （a. rain gauge，b. GSMAP satellite derived） and mean surface air temperature （c） on 18 February 2022

圖7 2022 年2 月19 日FY-3D 真彩色圖監(jiān)測積雪覆蓋Fig. 7 Snow cover shown by FY-3D/MERSI true color image on 19 February 2022

3.3 水汽圖像干侵入特征和冷空氣活動(dòng)對“尤尼斯”爆發(fā)性發(fā)展的影響

3.3.1 水汽圖像干侵入特征和高位渦異常

衛(wèi)星觀測鋒面氣旋發(fā)展經(jīng)典概念模型為存在暖輸送帶、冷輸送帶和干帶（Carlson，1980；Browning，et al，1994），不同氣旋和發(fā)展階段輸送帶和干帶特征不同，其中干帶在衛(wèi)星水汽圖像上表現(xiàn)為暗區(qū)，一般代表冷空氣，具有高位渦異常（于玉斌等，2003；帕特里克·桑特里特等，2008）。北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”屬于溫帶氣旋，在爆發(fā)性發(fā)展和影響英國階段，衛(wèi)星水汽干侵入特征清晰（圖8 中棕色區(qū)域）。2 月17 日00 時(shí)，風(fēng)暴中心西側(cè)出現(xiàn)暗區(qū)，水汽亮溫為-34℃左右，500 hPa 位渦為1—2 PVU（1 PVU=10-6m2·K/（s·kg）），相對其他區(qū)域?yàn)楦呶粶u異常。17 日12 時(shí)，風(fēng)暴中心西側(cè)和西南側(cè)暗區(qū)加強(qiáng)，亮溫升高，500 hPa 高位渦的強(qiáng)度和范圍加大，大于1 PVU 的高位渦自格陵蘭島南部一直南伸至42°N，最大值約為5 PVU，該高位渦區(qū)以西北風(fēng)轉(zhuǎn)偏西和西南風(fēng)為主，風(fēng)暴中心東南側(cè)水汽暗區(qū)和高位渦在西南風(fēng)的影響下向風(fēng)暴中心移動(dòng)。17 日18 時(shí)，風(fēng)暴中心完全被水汽暗區(qū)控制，出現(xiàn)高亮溫中心，最大值約為-24℃，較17 日00 時(shí)升高10℃左右，中心西側(cè)的高位渦帶依然清晰，風(fēng)暴中心位渦增強(qiáng)至1 PVU。18 日00 時(shí)，暗區(qū)發(fā)展到最強(qiáng)階段，水汽亮溫升高至-20℃，500 hPa 高位渦中心位于風(fēng)暴中心附近及其南側(cè)和東側(cè)，最大值為5 PVU，高位渦和水汽暗區(qū)開始影響愛爾蘭西部沿海，此時(shí)愛爾蘭西部和南部海域出現(xiàn)大風(fēng)（圖5）。18 日凌晨和上午英國及附近海域出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)，水汽暗區(qū)和高位渦異常達(dá)到最強(qiáng)，18 日12 時(shí)，風(fēng)暴中心東移至英國東北部沿海，中心附近水汽暗區(qū)和位渦減弱，風(fēng)暴中心南部（英國中南部）的暗區(qū)和高位渦異常依然較強(qiáng)。在“尤尼斯”爆發(fā)性發(fā)展和影響英國時(shí)段，“尤尼斯”西側(cè)500 hPa 自北向南為西北風(fēng)轉(zhuǎn)偏西和西南風(fēng)，引導(dǎo)高緯度地區(qū)水汽暗區(qū)和高位渦逐漸侵入風(fēng)暴中心附近，來自“尤尼斯”中心西側(cè)的干侵入和高位渦對風(fēng)暴的發(fā)展起到高層動(dòng)力強(qiáng)迫作用，對流層中高層高位渦異常可激發(fā)低層氣旋的發(fā)展。

圖8 2022 年2 月17—19 日北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”衛(wèi)星水汽干侵入特征 （色階：單位：℃）、500 hPa 位渦 （等值線，單位：PVU） 和風(fēng)場 （箭頭，單位：m/s） （a. 17 日00 時(shí)，b. 17 日12 時(shí)，c. 17 日18 時(shí)，d. 18 日00 時(shí)，e. 18 日12 時(shí)，f. 19 日00 時(shí)）Fig. 8 Dry intrusion characteristics on satellite water vapor images （shaded，unit：℃），potential vorticity （contour，unit：PVU）and wind vectors at 500 hPa （unit：m/s） from 17 to 19 February 2022 （a. 00:00 UTC 17 February，b. 12:00 UTC 17 February，c. 18:00 UTC 17 February，d. 00:00 UTC 18 February，e. 12:00 UTC 18 February，f. 00:00 UTC 19 February）

3.3.2 冷空氣活動(dòng)和高位渦下傳

“尤尼斯”活動(dòng)期間，極渦中心位于75oN 附近的北美東北部，500 hPa 最低位勢高度為475—480 dagpm（圖9），極渦東側(cè)的格陵蘭島南部有低壓中心發(fā)展并形成閉合氣旋。2 月14—15 日，極渦南側(cè)北大西洋西部高空槽發(fā)展，極地冷空氣東移南下，觸發(fā)大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”，并向東平流。16—17 日格陵蘭島南部氣旋發(fā)展，引導(dǎo)冷空氣南下和南側(cè)冷空氣連接在一起。由FY-3D/VASS 24 h 850 hPa變溫可知，本次冷空氣勢力強(qiáng)大，15 和16 日24 h 變溫最大值超過-16℃。17 日風(fēng)暴爆發(fā)性發(fā)展期間，24 h 變溫超過-10℃。沿著風(fēng)暴中心附近24 h 變溫經(jīng)向和緯向垂直剖面顯示（圖10），爆發(fā)性發(fā)展階段，17 日最強(qiáng)24 h 變溫出現(xiàn)在風(fēng)暴中心的西側(cè)和北側(cè)400—500 hPa，最大變溫幅度為-14℃，低層冷空氣超前于對流層中層，中心西側(cè)的最大變溫區(qū)以下沉偏西氣流為主，北側(cè)則為上升偏南氣流。

圖9 2022 年2 月15—18 日FY-3D 850 hPa 24 h 變溫 （色階，單位：℃） 和500 hPa 位勢高度 （等值線，單位：dagpm） （a. 15 日，b. 16 日，c. 17 日，d. 18 日）Fig. 9 FY-3D 24 h temperature difference （shaded，unit：℃） at 850 hPa and geopotential height （counter，unit：dagpm） at 500 hPa from 15 to 18 February 2022 （a. 15 February， b. 16 February， c. 17 February， d. 18 February）

圖10 2022 年2 月17 日FY-3D 24 h 變溫 （色階，單位：℃）、流場 （等值線） 垂直剖面 （a.沿48.8°N，b.沿23.5°W；綠色線為23.5°W 和48.8°N 位置）Fig. 10 Vertical cross sections of FY-3D 24 h temperature difference （shaded，unit：℃） and wind stream （contour） on 17 February 2022 （a. along 48.8°N，b. along 23.5°W；green lines indicate the locations of 23.5°W and 48.8°N）

溫帶氣旋發(fā)展演變過程中，衛(wèi)星水汽干侵入一般為中、高緯度干冷空氣，具有高位渦特征。由2 月17 日12 和18 時(shí)沿 “尤尼斯”中心的垂直速度和位渦垂直分布可知（圖11），在爆發(fā)性發(fā)展階段，來自對流層頂?shù)母呶粶u顯著向下伸展（一般認(rèn)為1—2 PUV 等值線為對流層頂位置），4 PVU 向下伸展到400 hPa，2 PVU 向下伸展到500 hPa，深厚大范圍的高位渦異常位于“尤尼斯”中心的西側(cè)，和該時(shí)刻中心附近水汽暗區(qū)分布一致（圖8），“尤尼斯”中心附近925 hPa 低層也出現(xiàn)大于1 PVU 的高位渦異常，形成高、低空高位渦“鎖相”，低層高位渦部分源自低層氣旋發(fā)展引起的渦度增大（陶祖鈺等，2012）?！坝饶崴埂敝行奈鱾?cè)水汽暗區(qū)伴隨的高位渦向下伸展主體區(qū)域?yàn)橄鲁吝\(yùn)動(dòng)，1 PUV 向下伸展的前方為上升運(yùn)動(dòng)（東側(cè)）。18 日00 時(shí)，“尤尼斯”強(qiáng)度發(fā)展至較強(qiáng)時(shí)（圖4），高位渦向下伸展更明顯，從衛(wèi)星水汽圖像可知，該時(shí)刻“尤尼斯”中心附近被水汽暗區(qū)控制，中心南側(cè)和東側(cè)水汽暗區(qū)及干侵入達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)沿51.4°N 的垂直剖面顯示，主體高位渦區(qū)出現(xiàn)兩條高位渦向下伸展的窄帶，分別位于中心西側(cè)較遠(yuǎn)的25°W 和中心附近的13°W，東側(cè)的高位渦帶500 hPa 已經(jīng)越過“尤尼斯”中心，2 PVU 向下伸展到700 hPa，兩處高位渦帶下方為下沉運(yùn)動(dòng)，中間區(qū)域即風(fēng)暴中心的西側(cè)17°W 附近為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。高位渦帶向下伸展伴隨的下沉運(yùn)動(dòng)和上升運(yùn)動(dòng)在18 日00 時(shí)沿15.2°W 的垂直剖面圖中更加清晰，高位渦向下伸展400 hPa 最強(qiáng)區(qū)域位于風(fēng)暴中心的正上方，500 hPa 以下高位渦帶向東、向南偏移，“尤尼斯”風(fēng)暴中心南側(cè)400 hPa 以下出現(xiàn)大范圍的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，風(fēng)暴中心附近的北側(cè)為上升運(yùn)動(dòng)。高位渦的異常向下伸展過程中，伴隨著下沉運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)為低層風(fēng)速發(fā)展提供一定的能量來源，而高位渦侵入的下方也有利于低層氣旋式環(huán)流發(fā)展。爆發(fā)性氣旋中心附近的上升和下沉運(yùn)動(dòng)在陸地爆發(fā)性溫帶氣旋中也有類似的結(jié)構(gòu)特征（熊秋芬等，2013）。

圖11 2022 年2 月17 日12 時(shí) （a. 沿48.8°N）、17 日18 時(shí) （b. 沿49.9°N） 和18 日00 時(shí) （c. 沿51.4°N，d. 沿15.2°W） 垂直速度（色階，單位：Pa/s，正值代表下沉運(yùn)動(dòng)，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)） 和位渦 （等值線，單位：PVU） 垂直分布 （綠色線為“尤尼斯”中心位置）Fig. 11 Vertical distributions of vertical velocity （shaded，unit：Pa/s，positive value represents descending，negative value represents ascending） and potential vorticity （contour，unit：PVU） at 12:00 （a. along 48.8°N） and 18:00 UTC （b. along 49.9°N） 17 February，and at 00:00 UTC （c. along 51.4°N，d. along 15.2°W） 18 February 2022 （green line indicates the location of the Eunice center）

4 結(jié)論和討論

本研究利用多源氣象衛(wèi)星觀測結(jié)合再分析數(shù)據(jù)，分析了2022 年2 月中旬爆發(fā)性發(fā)展的北大西洋冬季風(fēng)暴“尤尼斯”發(fā)生的大氣和海洋環(huán)境場特征、云系和海上大風(fēng)發(fā)展演變、衛(wèi)星水汽干侵入特征、極區(qū)冷空氣活動(dòng)伴隨的高位渦對風(fēng)暴爆發(fā)性發(fā)展的影響等。主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)英國強(qiáng)天氣預(yù)警服務(wù)需求，2015 年開始對可能產(chǎn)生災(zāi)害的北大西洋風(fēng)暴命名， 9 月初至次年8 月底為一個(gè)風(fēng)暴季，近7 個(gè)風(fēng)暴季（2015/2016 年—2021/2022 年）共有55 個(gè)風(fēng)暴被命名，其中12、1 和2 月是大西洋命名風(fēng)暴高發(fā)期，分別為11、9、10 個(gè)，“尤尼斯”發(fā)生在風(fēng)暴高發(fā)期的2 月。

（2） “尤尼斯”活動(dòng)期間，2022 年2 月中旬極區(qū)冷空氣中心偏向北美大陸，北美北部極區(qū)較歷史同期平均偏低3—6℃，歐亞大陸北部溫度明顯偏高，60°N 以北的北大西洋偏冷，以南的北大西洋則偏暖，整體表現(xiàn)出北半球高緯度地區(qū)西半球偏冷、東半球偏暖的特征；北大西洋西部SST 經(jīng)向梯度較大的地方溫度距平呈現(xiàn)正、負(fù)相間的波動(dòng)特征，60°N以北SST 距平為負(fù)，海溫偏低，該特征和該區(qū)域平均850 hPa 溫度偏低一致。60°N 以南的北大西洋中東部SST 偏高0.5—2.0℃，“尤尼斯”爆發(fā)性增長發(fā)生在距平SST 偏高的海域，較高的SST 有利于氣旋風(fēng)暴的發(fā)展。

（3） “尤尼斯”爆發(fā)性發(fā)展期間，風(fēng)暴中心海平面氣壓24 h 內(nèi)下降約40 hPa，遠(yuǎn)超爆發(fā)性發(fā)展指標(biāo)（24 h 下降24 hPa）。風(fēng)暴的生成和北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)分裂南下的冷空氣沿著西風(fēng)帶東傳有關(guān)，風(fēng)暴加強(qiáng)階段，格陵蘭島南部氣旋提供的補(bǔ)充冷空氣尤為重要，該冷空氣在北大西洋洋面形成強(qiáng)西北風(fēng)轉(zhuǎn)偏西風(fēng)，并且形成寬廣的排列整齊的細(xì)胞狀積云線一直伸入到風(fēng)暴中心附近。在衛(wèi)星水汽圖像上表現(xiàn)為快速增強(qiáng)的干侵入特征，并伴有高位渦異常。

（4）隨著“尤尼斯”發(fā)展，高位渦異常向下伸展到更低的層次，強(qiáng)度更強(qiáng)。發(fā)展至最強(qiáng)階段時(shí)，向下伸展的高位渦具有傾斜結(jié)構(gòu)，高位渦向下伸展，400 hPa 最強(qiáng)區(qū)域位于風(fēng)暴中心正上方，500 hPa 以下高位渦帶向東南方向偏移，“尤尼斯”中心南側(cè)400 hPa 以下出現(xiàn)大范圍的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)，風(fēng)暴中心附近的北側(cè)為上升運(yùn)動(dòng)。高位渦向下伸展過程中，伴隨著下沉運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)為低層風(fēng)速發(fā)展提供一定的高空能量來源，400 hPa 高位渦侵入的下方也有利于低層氣旋式環(huán)流發(fā)展。

本研究主要應(yīng)用氣象衛(wèi)星云圖和反演數(shù)據(jù)對造成極端大風(fēng)、暴雪和風(fēng)暴潮等災(zāi)害的爆發(fā)性發(fā)展的北大西洋風(fēng)暴“尤尼斯”開展了研究，采取了多源衛(wèi)星反演參數(shù)，特別是綜合利用了中國風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星和EUMETSAT 極軌衛(wèi)星洋面風(fēng)觀測數(shù)據(jù)，形成時(shí)空互補(bǔ)，為快速演變的海洋極端天氣事件提供監(jiān)測分析方法。同時(shí)利用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)追蹤對鋒面氣旋（風(fēng)暴）發(fā)展具有重要指示意義的干侵入特征，形成極軌和靜止氣象衛(wèi)星的優(yōu)勢互補(bǔ)。該研究成果有助于增強(qiáng)氣象衛(wèi)星全球?yàn)?zāi)害事件監(jiān)測能力和服務(wù)水平，特別是提升中國風(fēng)云氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力。對北大西洋冬季風(fēng)暴“尤尼斯”造成極端災(zāi)害的成因分析，將為該類災(zāi)害天氣的監(jiān)測、預(yù)報(bào)提供理論支撐，同時(shí)對亞洲和西北太平洋溫帶氣旋高發(fā)區(qū)域的災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警也具有一定的借鑒意義（黃立文等，1999；何立富等，2022）。

本研究重點(diǎn)研究了衛(wèi)星觀測冷空氣活動(dòng)以及干侵入特征對“尤尼斯”爆發(fā)性發(fā)展以及形成大風(fēng)的原因，溫帶氣旋的爆發(fā)性發(fā)展是冷、暖空氣相互作用的結(jié)果，暖濕空氣的強(qiáng)度和移動(dòng)特征同樣重要。另外，EUMETSAT Meteosat 靜止衛(wèi)星全圓盤觀測頻次為15 min/次，同時(shí)還可獲得區(qū)域1 min/次的快掃觀測，這些更高時(shí)、空分辨率衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用，將為風(fēng)暴的爆發(fā)性發(fā)展提供更多信息，也是值得未來開展深入研究和應(yīng)用的方向。