北大西洋爆发性气旋的统计特征

利用National Centers for Environmental Prediction（NCEP）提供的Final Analysis（FNL）再分析资料,对2000-2015年冷季（10月至次年4月）北大西洋上的爆发性气旋进行了分析,综合考虑气旋中心位置经向分布特征和海面10 m高风场对爆发性气旋的定义进行了修订。根据气旋中心海表面气压最大加深率的空间分布,发现北大西洋爆发性气旋主要发生在4个区域,即:北美大陆区、西北大西洋区、北大西洋中央区和东北大西洋区。整个北大西洋区爆发性气旋个数随海表面中心气压最大加深率增大而减少,自西向东气旋强度增强,气旋移动路径呈西南-东北向。按气旋强度等级可分为4类:超强（≥ 2.15 Bergeron（Ber））、强（1.75-2.14 Ber）、中（1.45-1.74 Ber）、弱（1.00-1.44 Ber）爆发性气旋。在北大西洋海盆区,自西南向东北爆发性气旋的个数逐渐减少,爆发时长变短。西北大西洋区气旋中心气压加深率最大,爆发时长最长。东北大西洋区加深率最小,爆发时长最短。东北大西洋区爆发性气旋主要发生在12月,北大西洋中央区主要发生在12月-次年3月,西北大西洋区主要发生在1-2月。与海上相比,北美大陆区爆发性气旋发生个数少,强度弱,爆发时长短。      

2018年1月北大西洋上一个具有“T”型锋面结构的超强爆发性气旋的分析

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的0.5°×0.5° ERA-Interim再分析资料，麦迪逊-威斯康星大学气象卫星研究所（CIMSS）提供的地球静止环境业务卫星（GOES-EAST）红外卫星云图和天气预报模式（WRF）的模拟结果，对2018年1月3—6日发生在北大西洋上的一个具有“T”型（T-bone）锋面结构的超强爆发性气旋进行分析。该爆发性气旋在较暖的湾流上空生成，沿海表面温度大值区向东北方向快速移动，生成后6 h内爆发性发展，24 h中心气压降低48.7 hPa。高空槽加深、涡度平流加强和低层较强的大气斜压性为气旋快速发展提供了有利的环流背景场。由于气旋发展迅速，低层相对涡度急剧增大，低压中心南部来自西北方向的干冷空气随气旋式环流快速向东推进，与东南暖湿气流汇合，锋生作用较强。较暖的洋面对西北冷空气的加热作用使得交汇的冷、暖空气温度梯度较小。减弱东移的冷锋与暖锋逐渐形成近似垂直的“T”型结构。用Zwack-Okossi方程诊断分析表明，非绝热加热、温度平流和正涡度平流是该爆发性气旋发展的主要影响因子。气旋初始爆发阶段，西北冷空气进入温暖的洋面，海洋对上层大气感热输送和潜热释放较强，非绝热加热对气旋快速发展有较大贡献。气旋进一步发展，“T”型锋面结构显著，温度平流净贡献较大，对气旋的发展和维持起重要作用。      

2018年一次温带气旋入海爆发性增强时期的集合预报对比分析

基于实况观测资料、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Forecast, ECMWF)0.5°（纬度）×0.5°（经度）水平分辨率的再分析数据和集合预报数据,对2018年2月一次入海爆发性气旋在黄海南部的爆发性增强时期的动力和热力因子进行了对比分析。根据气旋路径、强度和海面风的检验结果挑选出两组集合成员——好成员组和坏成员组。通过组间对比分析得到如下主要 结论 1）在气旋入海之后爆发性增强时,500 hPa高空槽和850 hPa中低层低涡迅速加强,同时低层和高层的西南急流均明显加大,中高层系统快速增强,上述因子均为气旋出现爆发性发展提供有利条件。2）气旋入海之后上升运动快速增强,这加剧了低层辐合与高层辐散,有利于地面降压,促使地面气旋的爆发性发展。水汽在中低层辐合后随气流上升发生凝结并释放潜热,这加强了高层辐散、低层辐合以及上升运动,促使气旋进一步爆发性发展。与此同时,对流层顶的高值位涡下传增强,低层大气斜压性受气旋上空冷暖平流的增强而增大,导致垂直稳定度减小,地面气旋性涡度增强,也有利于气旋爆发性发展。最终此次气旋快速增强并达到中等爆发性气旋的强度。3）虽然集合预报两组成员的平均场均比分析场弱,但是好成员组抓住了气旋上空中高层天气系统的快速增强过程,以及垂直运动、温度平流、水汽条件、位涡等预报因子和物理量的快速增强过程,其预报效果在气旋强度和路径等方面均显著优于坏成员组。     

一次温带气旋特殊移动路径及其结构和成因分析

为了更全面地了解温带气旋的结构和形成原因,利用常规高空、地面观测、NCEP的1°×1°再分析资料和FY-2E水汽图像等资料,分析了2014年6月6 10日发生在华北及东北温带气旋的强度和移动路径、环流背景及结构和成因等。结果表明:(1)在发展阶段,地面气旋中心气压变化不大,但以逆时针旋转的路径移动;当地面气旋中心与高层低涡中心在同一垂直轴线上时,气旋停止发展。(2)以异常路径移动的气旋发生在500 h Pa大尺度环流多次调整的背景下。当气旋上游贝加尔湖至我国新疆南部的高压脊发展时,气旋初生;当气旋下游日本岛东部至鄂霍次克海高压脊发展时,气旋发展。(3)当正相对涡度随高度向西倾斜、气旋中心上空对流层低层正相对涡度首先加大、且其西侧的冷锋锋区增强、随后气旋中心上空整层正相对涡度增大时,地面气旋处于发展过程中;当高低层正相对涡度垂直重合、且对流层低层冷锋锋区减弱,则气旋停止发展。(4)对流层上层具有高值位涡的干空气逐渐进入地面气旋中心上空的湿区时,高位涡所携带的高空正涡度平流辐散作用使得低层辐合加强、绝对涡度增大,引起地面气压下降。(5)气旋中心上空的对流层中层暖平流和高层较大的正涡度平流使得垂直上升速度增强,气旋逐步发展;地面气旋中心总是沿中低层暖平流和其下游高低层微差涡度平流较大的区域移动。     

大西洋上四个爆发性气旋的云微物理参量垂直分布特征分析

利用 CloudSat卫星数据处理中心（Cloudsat Data Processing Center,CloudSat DPC）提供的CloudSat卫星数据、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）提供的ERA5再分析资料和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）提供的 Aqua卫星可见光云图,对冬春季发生在大西洋上四个爆发性气旋个例的云微物理参量垂直分布特征进行了分析。结果表明：爆发性气旋中心云系多为层积云或积云,中心外围云系以雨层云为主,雨层云外部往往伴随着相似高度的高层云,气旋冷锋云带内以雨层云、高层云和高积云为主,冰粒子出现的最低高度与0℃等温线高度几乎重合;冰粒子有效半径随高度的增加而减小,而冰粒子数浓度随高度増加而増大;冰水含量大值区主要位于雨层云中部;液态水主要分布在高层云和层积云底部,冬季爆发性气旋个例内的液态水含量大于春季。     

东北地区两次历史罕见暴风雪天气过程的分析

使用地面和高空观测资料、NCEP/NCAR再分析的格点资料和WRF中尺度数值模拟结果,对1983年4月29日黑龙江省暴风雪天气和2007年3月3—5日辽宁省暴风雪天气过程进行了分析,阐明了暴风雪天气发生的环境条件及其出现的时间和位置特点,对天气预报和防灾减灾有重要意义。研究结果表明,两次有史以来最猛烈的、大范围的、持续性的暴风雪天气的影响系统为爆发性气旋,气旋在300 h Pa南支急流出口区北侧和北支急流入口区南侧之间的区域爆发性加深,气旋中心的海平面气压24 h平均加深率分别为1.2 h Pa·h~(-1)(观测)和0.71 h Pa·h~(-1)(模式)。单站上空风随高度顺转,风速随高度增长,4.5~8 km出现等风速层,对流层存在显著的垂直风切变。对流层高层辐散低层辐合,上升运动由于暖平流和高空辐散抽吸而发展,贯穿整个对流层。暴风雪天气主要出现在地面气旋中心区域的西部和北部,其中气旋中心西偏北方向110 km附近气压梯度最大的地方,出现7~9级的偏北风,12 h降水量达到20~35 mm,是暴风雪天气最猛烈的地方。在地面气压下降最快的时期,地面风速急剧增长,降水强度达到最大。9~10级东南风出现在气旋中心的东南方向约300 km,近地面有暖湿空气的入流急流。在气旋中心正北方3~5个纬度的范围内,仍有较强的暴雪和大风天气,出现暴风雪时的风力为6~7级,大部分测站的最大风出现在降水结束后。使用VAPOR对两次过程的风速进行三维显示,结果表明,风速大于25 m·s-1的区域在两支急流之间从对流层高层伸展至近地面,说明暴风雪天气过程中的地面强风能量来源于对流层高层大气。     

北太平洋爆发性气旋的气候特征

利用1968—1987年的海平面天气图资料，分析了爆发性气旋的气候特点。主要内容有:爆发性气旋的发生频率，频率的时间分布，地理分布，大风强度及分布方位、气旋爆发前后的大风、中心气压、加深率等要素的变化。     

西北太平洋一次爆发性气旋的诊断分析和敏感性试验

利用美国国家环境预报中心（NCEP）的FNL格点资料和大气数值模式WRF,对2012年1月11—13日发生于西北太平洋上的一次爆发性气旋过程进行诊断分析和数值模拟。气旋于1月11—12日在日本以东海域爆发性发展,经历2次转向后于13日在堪察加半岛附近减弱。研究表明,气旋发展中存在明显锋面结构,对流层高层的高位涡下传对气旋发展非常有利,气旋发展过程中伴随着一支低空急流的生成和发展,使辐合抬升更加明显。利用WRF模式对10日1800 UTC至13日0000 UTC气旋过程进行海温敏感性试验。结果表明,海温变化对气旋发展强度影响明显,但对气旋路径影响较小。     

热带大气准双周振荡对西北太平洋地区热带气旋路径的影响

利用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,简称NO-An）的逐日对外长波辐射（outgoing longwave radiation,简称OLR）场资料,欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium—Range Weather Forecasting,简称ECMWF）逐日风场（850hPa）资料,以及美国联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center,简称JTWC）的热带气旋（tropicalcy—clone,简称TC）数据,参考Wheeler and Hendon（2004）提出的季节内振荡（Madden—Julianoscilla．tion,简称MJO）指数,通过多元EOF方法定义热带准双周振荡（quasi—biweekly oscillation,简称QBW）指数,诊断分析了西北太平洋地区QBW不同位相对于TC路径的影响。结果表明,TC主要生成在QSW对流湿位相中,集中位置随QBW向西北的传播而向西北移动。在QSW位相phasel中,南海上空盛行QBW反气旋性环流,西太副高西伸,其西南侧偏东南气流受QBW反气旋性环流东北侧气流抑制,生成在副高南侧的TC首先在副高南侧偏东气流的引导下移动至近海,在西南季风以及副高西侧偏南气流作用下顺时针北折,因此在140°E以西转折类路径的TC比例最高;而在phase3中,西太副高偏东,南海上空盛行QBW气旋性环流,西太副高西南侧气流强度受QBW气旋东北侧气流影响增强,季风槽偏东,140°E以东转折类的TC比例最高。本文还对TC个例中的QBW流场形势进行了分析,发现当QBW气旋或反气旋环流中心同TC中心一致时,热带气旋路径会发生突然的右折。     

蒙古气旋产生强沙尘暴的诊断分析

利用MICAPS资料、FY-2C红外卫星云图和2.5°×2.5°NCEP再分析资料,对2008年5月25日至28日大范围沙尘暴过程进行了天气动力诊断和物理量场分析。结果表明,强沙尘暴主要出现在冷平流前的温度梯度密集区和涡度梯度密集、陡峭区。在这次强沙尘暴过程中,暖平流是蒙古气旋发生、发展的重要热力因子,大气热力不稳定和强风是起沙的动力;500 hPa阶梯槽快速东移是飚线产生的触发系统;对流风暴是引发强沙尘暴主要因素。蒙古气旋的发展加大了冷锋前后的气压和温度梯度,为对流风暴的发生提供了热力不稳定条件。700 hPa冷平流爆发性下沉、南下,为强沙尘暴的产生提供了强大动力。     

2014年11月上旬西北太平洋一次极端强度爆发气旋的数值模拟和分片位涡反演分析

基于NCEP 6 h一次,0.5°（纬度）×0.5°（经度）水平分辨率的GFS（Global Forecasting System）再分析数据,利用数值模式WRF（Weather Research and Forecasting）,对2014年11月上旬西北太平洋一次极端强度的爆发气旋事件进行了模拟。在成功复制爆发气旋主要特征的基础上,较详细的分析了本次爆发气旋快速发展的有利环境条件,并利用分片位涡反演的方法,对此次爆发气旋的快速发展过程进行了研究,主要结论如下:（1）本次爆发气旋的爆发性发展阶段维持了约27 h,其最大加深率约为3.98 Bergeron（气旋加深率单位）,最低中心气压约为919.2 hPa。（2）爆发气旋的快速发展与对流层高层高空急流对热量的输送,对流层中层西风带短波槽槽前暖平流和正涡度平流的有利准地转强迫,以及对流层低层暖锋伴随的暖平流过程密切相关。（3）分片位涡反演的结果表明,对流层顶皱褶对应的平流层大值位涡下传和降水凝结潜热过程造成的正位涡异常是本次爆发气旋快速发展的主导因子,而对流层低层的斜压过程贡献相对较小。在气旋爆发期的前期和强盛期,降水凝结潜热释放是爆发气旋发展的最重要因子,而在爆发期后期,随着降水的减弱和爆发气旋的东北向移动,对流层顶皱褶作用所造成的正位涡异常成为维持气旋快速发展的最有利因子。     

爆发性气旋研究的回顾

爆发性气旋又称“气象炸弹”,定义为在考虑地转调整到60°N时气旋中心气压加深率大于1 hPa/h的快速发展的气旋,具有中心气压急剧降低、强度急剧增大的特点,多发于洋面上,对海上航行安全及沿岸人民生产生活具有重要的影响。近几十年来,众多学者对爆发性气旋开展了广泛而深入的研究,在爆发性气旋的气候学特征、结构特征和发展机制等方面取得了较大的进展,但同时还有许多亟待解决的问题。本文结合前人对爆发性气旋的研究工作,系统地回顾和总结了爆发性气旋的研究进展,希望能够为将来对爆发性气旋的研究工作带来一些启发和思考。     

亚洲内陆及其沿海地区爆发性气旋的统计特征

应用1965－1999年历史资料，对发生在亚洲及其沿海地区的爆发性气旋进行统计研究，得到了其时空分布、强度变化及其爆发时刻等各方面的若干统计特征。结果表明：35年中，爆发性气旋共出现136次，平均每年3.9次，且主要出现在冷季（10－3月）；其年际变化非常明显，最多的1987年出现11次。亚洲及其沿海地区的爆发性气旋的强度普遍较弱，无强爆发性气旋（≥2.0B）发生，且主要出现在沿海地区。平均来说，爆发性气旋在夜间发展强烈。这些结果对更进一步探索爆发性气旋的发展机制具有一定的意义。     

夏季陆地爆发性气旋的模拟与诊断分析

利用观测资料、FY-2C卫星云图和NCEP再分析资料,对2003年6月22—23日黄河下游的气旋爆发性发展过程进行天气学分析和中尺度数值模拟与诊断,研究这次爆发性气旋的发展特征。结果表明：河套高空槽东移与山东南部的切变线合并产生这次爆发性气旋。MM5数值模式可以很好地模拟夏季陆地爆发性气旋发展过程。夏季陆地爆发性气旋发生在与高度场气旋性弯曲相重合的高空急流出口区,气旋从急流出口区右侧向左侧行进的过程中爆发性发展。气旋爆发性发展需要高空有急流,低空有西南和东南风急流为其提供强的暖平流和水汽通道。气旋的爆发性发展伴随着上升运动强烈发展,上升运动区高层强辐散、低层强辐舍。气旋爆发性发展在高能场中,大气具有强对流性不稳定。     

东亚寒潮活动对下游爆发性气旋生成的影响

本文研究了东亚寒潮过程与下游爆发性气旋之间的关系。通过对一个强寒潮过程及随后在西北太平洋上爆发性气旋生成的个例分析发现,寒潮过程相伴随的大环流调整给下游气旋猛烈发展提供了极好的背景条件。当超长波槽与长波槽耦合加深时,槽前气旋迅速发展。大槽的加深使高空急流不断加速,大风区向低层扩展。出口区的次级环流也随着急流的加强而加强,它促使北侧低层气旋发展。对93次爆发性气旋作统计分析进一步证实了上述结论。绝大多数过程皆伴有上游的强冷高压活动。高压中心越强相应的爆发气旋也越强,甚至可以发生连续的爆发。绝大多数爆发性气旋发生在超长波槽前,强高空急流出口区的向极侧。     

干侵入在黄河气旋爆发性发展中的作用

利用数字化的6.7,um卫星水汽图像资料、NCEP/NCAR逐6小时1°×1°再分析等资料和干侵入、位涡理论,对2007年3月3—5日引发渤海强风暴潮的黄河气旋发展过程进行了天气动力学分析,揭示干侵人在爆发性黄河气旋中的特征和作用。结果表明：本次渤海强风暴潮是发生在泰米尔半岛附近不稳定小槽东移发展,东亚大槽重建的过程中,是对流层高层干侵入下沉引起黄河气旋爆发性发展产生强东北大风所致。干侵入具有高位势涡度特征,高位涡区和水汽图像上的暗区形态及强度变化特征对气旋生命史不同阶段有预报指示意义。干冷和暖湿气流沿着等熵面Ω型皱折带南北流动,使得等熵面陡峭程度加大,大气的斜压性增强;尽管高层干侵入在下沉过程中会产生增温效应,但在下沉运动和强冷平流效应的共同作用下,地面气旋的上空出现水平方向温度比临近地区低的现象,大气静力稳定度减小,绝对涡度（ζ_p＋f）增大,促使中低层气旋性涡度发展,垂直上升运动迅速加强,导致地面气旋强烈发展。     

阿拉伯海热带气旋生成特征分析

利用印度气象局（India Meteorological Department,IMD）、国际气候管理最佳路径档案库（International Best Track Archive for Climate Stewardship,IBTrACS）提供的1982—2020年阿拉伯海热带气旋路径资料,美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）再分析资料,对近39 a阿拉伯海热带气旋源地和路径特征、活跃区域、频数及气旋累积能量（accumulated cyclone energy,ACE）指数的季节特征和年际变化特征进行分析,并结合环境因素,说明其物理成因。结果表明：阿拉伯海热带气旋多发于10°~25°N,65°~75°E海域,5—6月、9—12月发生频数较高且强度较强,1—4月、7—8月发生频数较低且气旋近中心最大风速均小于35 kn;频数的季节变化主要受控于垂直风切变要素;阿拉伯海热带气旋发生频数和ACE近年有上升趋势,年际变化主要受控于海面温度（sea surface temperature,SST）和850 hPa相对湿度要素。     

北半球温带气旋的模拟和预估研究Ⅰ:6个CMIP5耦合模式模拟能力的检验

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）1958—2001年的 ERAˉ40再分析数据和 CMIP5（Coupled Model Intercomparˉ ison Project Phase 5）的6个耦合模式的模拟结果对北半球温带气旋活动频率、气旋数目、中心最低气压、生命期、移动距离及加深速率的模拟能力进行了检验。结果表明：（1）6个模式基本都能反映气旋生命期、加深速率和移动距离的频率分布,并且模拟出了气旋中心气压降低的线性变化趋势,但模拟结果和 ERAˉ40存在一定的系统偏差,主要是模拟的生命期偏长,加深速率偏小。（2）6个模式都模拟出北半球的2个主要温带气旋活动区,但相对 ERAˉ40再分析数据,5个模式在东欧—中亚、中西伯利亚—西西伯利亚和东亚大陆的气旋活动频率偏高,所有模式在欧洲北部至中西伯利亚地区的气旋活动频率偏低。（3）模式模拟的温带气旋年总过程数和强气旋过程数均小于 ERAˉ40的结果,模拟的气旋过程数的年代际振荡周期略偏长,模拟的中心气压的年代际振荡偏弱。总体上 CMIP5的耦合模式能再现44 a 北半球温带气旋活动的主要特征,但仍存在一些区域性及系统性的偏差。     

热带气旋强度的卫星探测客观估计方法研究

运用2001～2002年6月10日到8月10日西北太平洋上15个热带气旋的日本静止气象卫星（GMS-5）高分辨率红外辐射亮温（TBB）资料，从代表热带气旋强度的热带气旋云系特征中选取多个TBB因子及热带气旋中心所在纬度等因子，结合《热带气旋年鉴》资料，采用逐步回归方法，经多次试验求得热带气旋强度的客观估计算式，复相关系数达到0.80以上。由此式估计的热带气旋中心气压，经24 h滑动平均后的结果与年鉴气压的复相关系数提高到0.89，且两者之间的气压差在±10 hPa之内的占整个样本数的83%以上，与美国新近展示的相关研究结果十分接近。用2000年两个热带气旋作检验，结果很好。该客观方法有望替代目前的Dvorak主观估计方法，成为一种新的业务方法。     

西北太平洋热带气旋变性过程结构演变及其环境分析

用气旋相空间方法（Cyclone Phase Space,简称CPS）对58个经历变性过程的西北太平洋热带气旋的2 021个样本（时次间隔为6 h）资料进行分析,得到该区域热带气旋在变性阶段的气旋结构及其环境特征。聚类分析结果显示,强的热带气旋更易发生变性,变性开始于气旋非对称性增加,随之伴有高层冷心出现和加强,最后完成于低层出现冷心,变性维持平均时间约28 h。利用美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料对各聚类环境场的动态合成分析表明,发生变性的热带气旋在北移过程中逐渐嵌入西风带,在中高纬斜压系统影响下变性为温带气旋。对于发生并完成变性的热带气旋,其西北侧始终有明显的位涡梯度存在,而且在环境中有明显的水汽输送通道。