温带气旋暖锋后弯云图特征及结构成因分析

熊秋芬，郭达烽，牛宁，张昕

（1.中国气象局气象干部培训学院，北京100081；2.江西省气象台，南昌330046）

温带气旋暖锋后弯云图特征及结构成因分析

熊秋芬1，郭达烽2，牛宁1，张昕1

（1.中国气象局气象干部培训学院，北京100081；2.江西省气象台，南昌330046）

尽管关于温带气旋发展和演变的观点不尽相同，但目前普遍被接受的两种模型是：挪威气旋模型、Shapiro和Keyser模型。以FY-2E卫星云图为基础，先给出8个温带气旋过程实例，然后结合常规高空、地面观测及NCEP的1°×1°再分析场等资料，通过个例分析，对暖锋后弯气旋发生发展的环流背景、结构及成因进行分析。结果表明：（1）卫星云图显示东亚陆地上温带气旋存在T-bone结构和暖锋后弯的事实。（2）温带气旋发生在500 hPa东亚大陆中高纬两脊一槽的背景下，槽加深及下游脊的发展有利于气旋的发展，与经典温带气旋发生发展的环流背景类似。（3）2012年5月11—13日个例分析表明蒙古气旋中存在锋面波动、锋面断裂、T-bone结构和暖锋后弯、暖核被隔离现象；暖核可从地面向上伸展到600 hPa。（4）在地面气旋初生和发展阶段，地面气旋中心西侧高低层正相对涡度区呈后倾结构；当高低层正涡度区几乎垂直重合时，地面气旋停止发展；气旋中心西侧对流层中低层的锋区一直存在。（5）当高低层涡度平流差值为正、300 hPa正涡度平流引起的辐散叠加到对流层中低层锋区之上，地面气旋才会生成和发展。逐渐增强的暖平流从气旋中心的东部和北部向气旋的西部和西南部输送，从而形成了卫星云图上的T-bone结构和暖锋后弯现象。

温带气旋；云图特征；暖锋后弯；结构特征；成因分析

熊秋芬，郭达烽，牛宁，等.温带气旋暖锋后弯云图特征及结构成因分析［J］.暴雨灾害，2016，35（4）：297-305

XIONG Qiufen，GUO Dafeng，NIU Ning，et al.Cloud characteristics and analysis of structure and mechanism on back-bent warm front in extratropical cyclone over East Asian land［J］.Torrential Rain and Disaster，2016，35（4）：297-305

引言

1922年Bjerknes等［1-3］利用他们先前的研究和中尺度观测网提出了经典温带气旋发展和演变的概念模型，即挪威气旋模型，这种冷锋赶上暖锋而形成锢囚锋的特征［4］是冷锋锋区和冷锋云带较强。

随着中尺度试验的开展和卫星云图的使用，科学家对温带气旋及锋面的概念模型有了新的认识，先后提出了“瞬时锢囚”［4，5，6］和分裂锋［7，8］的概念，其特征是随着逗点头部的锋区加强，相应的云系也加强。1990年Shapiro和Keyser［9］发现海洋爆发性气旋发展中具有T-bone”的锋面结构、暖锋后弯和暖核隔离的现象，而不存在冷锋赶上暖锋形成的锢囚锋，这修正了经典温带锋面气旋模式中锢囚锋的概念；这种模型的特点是具有T形（即“T-bone”）结构的云带、较强的东西向拉长暖锋锋区和减弱的冷锋锋区［4，10］。熊秋芬等［11］、Tao等［12］也发现陆地上温带气旋也有类似海洋爆发性气旋暖锋后弯的实例。

本文以星下点分辨率为5 km的FY-2E卫星云图为基础，先给出8个温带气旋过程实例，以揭示东亚陆地上的温带气旋也存在T-bone结构和暖锋后弯的事实；然后结合常规高空、地面观测资料及NCEP的 1°×1°再分析场等资料，通过个例分析，对这类暖锋后弯气旋发生发展的环流背景及结构特征进行了细致分析，最后用准地转理论探讨了气旋发生发展及暖锋后弯的成因。

1　东亚陆地上暖锋后弯温带气旋的实例

利用FY-2E卫星云图来说明陆地上温带气旋在发生发展过程中存在“T-bone”的锋面结构、暖锋后弯的现象，这里所选过程分别为2012年5月11—13日蒙古气旋、2012年9月5—6日外兴安岭气旋、2012年11月10—11日东北气旋、2013年7月2—4日东北气旋及西北利亚气旋、2014年4月24—25日蒙古气旋、2014年9月3—4日东北气旋和2015年3月29—30日江淮气旋和西伯利亚气旋，图1-7中方框为气旋所在位置。

FY-2E水汽云图揭示了2012年5月11—13日蒙古气旋发展过程中云系的变化特征，即由11日20时（北京时，下同）的斜压叶状云系（图略）转化为12日08时的逗点云系（图略），再由12日20时逗点云系（图1a）演变为13日08时的螺旋云带（图1b）的过程。即从12日08时起，气旋北部的暖锋云系东西向拉长，形成类似T形的结构（图1a）；并且暖锋云系逐渐向气旋中心的西部、西南及南部弯曲（图1b）。

FY-2E红外图像显示2012年9月5—6日外兴安岭气旋在发展过程中表现为逗点云系（图2），东西向暖锋云系明显，具有T形结构（图2a、b）；随着发展的暖锋云系逐步向气旋的西部和南部弯曲，而冷锋云带在东移过程中逐渐减弱变窄（图2c、d）。

2012年11月10日14时东北气旋的逗点云系头部非常大（图3a）；11日02时、08时逗点云系的头部向西、西南旋转（图3b、c），且冷锋云带继续减弱、变窄，出现T形结构和明显的后弯特征；11日14时，逗点云系的头部东西向拉长、暖锋云系进一步向南旋转（图3d）。

2013年7月3日的FY-2E水汽云图显示分别有与西北利亚气旋（左方框）和东北气旋（右方框）对应的逗点云系（图4a），这2个气旋云系在东移过程中都存在暖锋云系东西向伸展并向气旋的西南部、南部和东部弯曲的现象，且均为演变螺旋云系（图4b）。

图5表明2014年4月24—25日蒙古气旋在缓慢东移过程中也表现为清晰的逗点云系和T形结构，暖锋云系在气旋北部向东西伸展的同时，向气旋的西部和西南部弯曲，而冷锋云系在东移时逐渐减弱。

2014年9月3—4日东北气旋（图6a，b）在发展过程中已出现了明显的螺旋结构，暖锋已从气旋的后部、南部向气旋的东部旋转；至4日07时（图略），气旋头部的暖锋明显发展，而冷锋云系几乎消失。

图7给出了2015年3月29—30日江淮气旋和西伯利亚气旋的云图演变特点，29日21时（图7a）江淮有弱的气旋生成，对应我国东部有斜压叶状云系；到30日17时（图7b）江淮气旋东移减弱入海，斜压叶状云系演变为盾状云系，而在西伯利亚有逗点云系生成，且东西向的暖锋云系明显，具有暖锋后弯的结构。

通过以上对8个温带气旋过程卫星云图的分析发现，这些东亚陆地温带气旋在发展过程中均存在暖锋云系东西向拉长、形成“T-bone”结构和暖锋后弯特征的事实，表明“T-bone”和暖锋后弯并不是海洋爆发性温带气旋特有的现象［9］，东亚陆地上的温带气旋也有这种特征。

2　气旋发生发展的环流背景分析

这里以2012年5月11—13日蒙古气旋和2012年11月10—11日东北气旋过程为例来说明暖锋后弯气旋发生发展的环流背景的演变特点。

2.12012年5月11—13日蒙古气旋过程

2012年5月11日08时500 hPa图上（图略），东亚大陆中高纬为两脊一槽的形势，两脊分别位于西西伯利亚和我国东北-雅库茨克，低槽在贝加尔湖西部-内蒙古西部；11日20时（图略），随着500 hPa贝加尔湖西部-内蒙古西部低槽加深东移，地面气旋在该槽前的蒙古国中部生成，中心海平面气压为1 000 hPa［11］；12日08时（图8a）500 hPa低槽东移到贝加尔湖东部并发展成低涡D，同时其下游的高压脊也强烈发展，对应地面蒙古气旋中心（L）移到蒙古国东部，气压也快速下降至989 hPa；12日20时以后（图略），500 hPa低涡中心与地面蒙古气旋中心接近重合，中心的气压逐渐升高，气旋减弱。另外，从图8a还可以看出，地面蒙古气旋中心L位于300 hPa呈气旋式弯曲的高空急流出口区的左侧，有利于气旋的发展［13］。

2.22012年11月10—11日东北气旋过程

从2012年11月9日20时500 hPa图上（图略）可以看出，东亚大陆中高纬同样表现为两脊一槽的形势，两脊分别位于我国新疆-西西伯利亚和我国东北-雅库茨克地区，低槽位于贝加尔湖南部-内蒙古西部；与2012年5月11—13日08时蒙古气旋过程相比，此次过程中槽脊的位置略偏南，偏东。至10日08时（图略），随着500 hPa贝加尔湖南部-内蒙古西部低槽的加深东移，地面气旋在内蒙古东南部生成，中心海平面气压为1 019 hPa（图略）。此后500 hPa低槽继续东移发展成低涡，其下游的高压脊也在发展东移（图略），地面气旋也东移且进一步加深；至11日08时（图8b），500 hPa低涡及低槽已移到我国东部沿海，低涡（槽）前地面气旋中心L位于辽宁，中心海平面气压下降到1 000 hPa以下；11日20时以后，500 hPa低涡（槽）快速东移到日本海，地面气旋中心也移出我国。同样，从图8b也可以看出，这次东北气旋中心L也位于300 hPa呈气旋式弯曲的高空急流出口区的左侧，对气旋的发展有利。

从上述2个个例的分析可知，2012年的这2次温带气旋均发生在500 hPa东亚大陆中高纬两脊一槽的形势下，在低槽东移并发展成低涡的同时，其下游的高压脊也加强，地面气旋生成于高空槽前、并随着高空槽（涡）的发展而加深，与经典的温带气旋发生发展的环流背景相同［14］。高空急流出口区的左侧也有利于地面气旋发展。

3　气旋的结构特征

限于篇幅，这里仅以2012年5月11—13日蒙古气旋为例来分析气旋发生发展过程中水平和垂直结构的演变特点。

3.1水平结构分析

图9给出了这次蒙古气旋在对流层低层700 hPa上的位温、风场和位势高度的结构特点。11日08时700 hPa上（图略）沿东北-西南向、连续锋区的右侧有气旋式环流出现，对应地面有闭合的低压生成，中心气压为1 004 hPa（图略）。至11日20时700 hPa低压中心附近有明显的冷锋和暖锋锋区（图9a），对应地面气旋中心伴有冷锋和暖锋［11］。12日08时700 hPa低压中心已向东移动，且气旋式环流加强（图9b）；而在低压中心附近冷锋锋区的温度梯度减弱，原来连续的锋区此时开始断裂，暖锋锋区则从低压中心向低压的北部伸展但锋区略有收缩变窄。可见，在气旋强烈发展过程中并不存在地面冷锋赶上暖锋形成锢囚锋的现象，而是冷锋和暖锋逐渐分离［11］；锋面气旋的这种演变阶段称为锋面的T-bone，因为向东移动且减弱的冷锋已与后弯的暖锋垂直。

随着气旋式环流的继续加强，12日14时700 hPa上空冷锋锋区继续东移进入暖区，而在低压北部的暖锋锋区则向西发展，因此主要的锋生区出现在气旋西（后）部与新的极地冷空气相伴的北风气流里（图9c）；而这时地面气旋中心也进一步加强，为984 hPa，暖锋向气旋中心的西侧弯曲，冷锋减弱东移［11］。13日02时，700 hPa冷锋锋区进一步东移，后弯的暖锋和极地冷空气气旋式旋转包围了低压中心（图9d），在低压中心附近形成了相对暖的中心，其位温值为292 K，即暖核被“隔离”出来；在700 hPa暖核形成的同时，对应地面气旋中心被暖锋包围，冷锋进一步减弱东移［11］，中心气压为986 hPa，相比之前已有上升（图略），表明此时在地面气旋强度已开始减弱。以上分析表明蒙古气旋在发展过程中存在与海洋爆发性气旋模型类似的4个阶段：即锋面波动、锋面断裂、T-bone结构和暖锋后弯、暖核被隔离，与经典的挪威学派不同［4］。

另外，分析地面、850 hPa和700 hPa以上层次的温度场（图略）可知暖核的厚度可伸展到600 hPa。

3.2垂直结构分析

与图9对应的气旋发展不同阶段，沿地面气旋中心温度场、风场和涡度场的垂直演变特点见图10。11日20时地面气旋初生时，气旋中心L东、西两侧对流层中低层分别有强锋区，其上空垂直风切变较强；中心西侧正相对涡度区随高度向西倾斜，且对流层中低层相对涡度数值大于流层上层（图10a）。12日08时（图10b）地面气旋上空垂直风切变加大，其西侧对流层中低层锋区变窄、而东侧锋区减弱；整层正相对涡度区坡度变陡，高层正相对涡度值增大且超过低层，地面气旋处于发展期。12日14日（图10c），气旋上空垂直风切变维持，其西侧的锋区继续变窄，东侧锋区减弱消失；高、低层正相对涡度区在同一垂直轴上，但高层正相对涡度值仍大于低层，且高层正相对涡度中心位于地面气旋中心L的正上方，气旋将停止发展。13日02时（图10d），气旋上空垂直风切变减小，其西侧锋区也在减弱，高低层正相对涡度区出现前倾的配置，地面气旋中心被填塞。

可见当气旋上空垂直风切变较大，其西侧对流层中低层锋区强，整层正相对涡度随高度向西倾斜时，气旋发生发展；当气旋上空垂直风切变维持，对流层中低层锋区变窄，高低层正相对涡度区垂直重合时，气旋停止发展。当垂直风切变和对流层低层锋区减弱，高层正相对涡度已超前于低层时，气旋减弱。这次蒙古气旋过程中涡度场的演变特征与文献［14］和文献［15］中经典的温带气旋个例类似，但气旋西侧的锋区明显强于文献［14］和文献［15］个例，与该次过程中极地冷空气补充和暖锋锋区向气旋的西部弯曲有关。

4　气旋发生发展和暖锋后弯成因分析

用准地转垂直运动方程［16，17］可对地面气旋发生发展的成因进行解释。准地转垂直运动方程是通过温度平流和高、低层涡度平流差值来确定垂直运动区域的，即暖平流越强，高低层正涡度平流差值越大，则上升运动愈强，地面气旋发展；反之，则气旋减弱。而Petterssen［18］认为高空正涡度平流引起的辐散对温带气旋的发生发展也有作用，即当对流层上层正涡度平流产生的辐散叠加在对流层中低层锋区上时，地面气旋会生成并发展。因此这里采用准地转垂直运动方程并结合Petterssen的涡度发展观点来讨论2012年5月11—13日蒙古气旋发生发展的机制，即考虑中低层暖平流和高低层正涡度平流的差值对这次地面气旋的贡献，而不考虑非绝热加热项的作用。同时也分析了3.1节中对流层中低层暖锋后弯和“暖核”隔离的过程。

4.1700 hPa温度平流

从图8和图9可知，这次蒙古气旋发生在500 hPa高空槽前、其下游暖脊明显发展的环流背景下；且700 hPa锋区明显，即气旋在东北-西南向的锋区上开始生成发展，而锋区上会伴有冷暖平流的变化。

图11给出了700 hPa温度平流的演变特征。11日20时地面蒙古气旋L在700 hPa暖平流下方生成（图11a）；气旋西部、南部为冷平流，而其东部和北部为暖平流。至12日08时（图11b），气旋上空暖平流增强，气旋也在发展；冷平流沿偏西气流（图9b）由气旋西部和南部移到了气旋的东南部，而气旋北部的暖平流在增强，且沿偏东气流向气旋的西北部移动，与图9b中冷锋锋区和暖锋锋区的变化对应。12日14时（图11c），地面气旋处于温度平流几乎为0的区域，气旋停止发展；冷平流减弱并沿偏南气流（图9c）向气旋的东部和东北部移动，而增强的暖平流则沿偏北气流向气旋的西部移动；同时，气旋西南部有新的冷平流出现，与图9c中新的冷空气补充有关。13日02时（图11d），地面气旋处于冷平流的区域，气旋的强度减弱；但在气旋南侧有被冷平流包围的暖平流中心，与图9d中的“暖核”W对应；即原来已移到气旋东北部的冷平流继续向气旋北部和西部移动、同时气旋西南部新的冷平流向东移动，切断了气旋西部向西南的移动的暖平流，形成暖平流中心和“暖核”。

由此可见，700 hPa暖平流有利于气旋的生成和发展；逐渐增强的暖平流从气旋中心的东部和北部向气旋的西部和西南部输送，形成了卫星云图上的T形结构和暖锋后弯；冷平流从气旋中心的西部和南部向气旋的东部和北部、西部输送，与极地补充的冷平流包围了后弯的暖平流，形成了暖平流中心和“暖核”。

4.2高、低层涡度平流

11日20时（图12a）地面气旋中心上空的300 hPa为正涡度平流，存在高空辐散（图略），700 hPa为负涡度平流（图略），高低层涡度平流差值为正；而此时700 hPa为暖平流控制，气旋开始生成。12日08时地面气旋处于300 hPa气旋式弯曲的高空急流出口区的左侧图8a），相应的正涡度平流增大到6×10-9s-2以上（图12b），高空辐散有所增强，700 hPa负涡度平流维持（图略），高低层正涡度平流差值增大；而700 hPa有明显的暖平流，地面气旋发展（见文献［11］中的图2）。12日14时，地面气旋上空的300 hPa正涡度平流（图12c）减弱到几乎为0，高空辐散减弱，而700 hPa则转为正涡度平流（图略），因此高低层涡度平流的差值为负；同时700 hPa暖平流均接近0，高低层涡度平流差值和中低层的温度平流不利于气旋的发展，此时气旋中心海平面气压达到本次过程的最低值［11］。至13日02时，地面气旋上空的300 hPa为负涡度平流（图12d）及辐合区，而700 hPa正涡度平流加大（图略），高低层负涡度平流差值加大；700 hPa为冷平流控制，地面气旋减弱。

通过上面的分析可知，12日14时之前，当高低层涡度平流差值为正、300 hPa正涡度平流引起的辐散气流叠加到对流层中低层暖平流之上，地面气旋才会生成和发展；13日02时当高低层涡度平流差值为负、没有与300 hPa正涡度平流对应的辐散区、没有对流层中低层暖平流的斜压机制，气旋则停止发展。

5　结论和讨论

通过以上卫星云图、环流背景、结构特征及成因的分析可以得到，文中所研究的温带气旋具有如下特点：

（1）与经典锢囚锋气旋不同，这类气旋在卫星云图上表现为明显的“T-bone”结构和暖锋后弯的现象。

（2）与经典温带气旋发生发展的背景相似，暖锋后弯的温带气旋发生也在500 hPa东亚大陆中高纬两脊一槽的背景下，槽加深及下游脊的发展有利于气旋的发展。

（3）2012年5月11—13日个例分析表明蒙古气旋中存在锋面波动、锋面断裂、T-bone结构和暖锋后弯、暖核被隔离现象；暖核可从地面向上伸展到600 hPa。

（4）在地面气旋初生和发展阶段，地面气旋中心西侧高低层正相对涡度区呈后倾结构；当高低层正涡度区几乎垂直重合时，地面气旋停止发展；相对涡度的这种变化与经典温带气旋一致。但对流层中低层锋区比经典温带气旋强。

（5）当高低层涡度平流差值为正、300 hPa正涡度平流引起的辐散气流叠加到对流层中低层锋区之上，地面气旋才会生成和发展。逐渐增强的暖平流从气旋中心的东部和北部向气旋的西部和西南部输送，从而形成了卫星云图上的T-bone结构和暖锋后弯现象。本文有关温带气旋发生发展的形势和结构及成因仅限于少数个例，今后有待于通过大量的实例来进一步归纳和总结。

Tao等［12］指出，暖锋后弯的现象是温带气旋发展后期普遍存在的现象，并不仅仅存在于海洋爆发性气旋中，在大陆上也常常见到。因此以往关于卫星图像上锢囚锋的分析有待于结合现代高时空分辨率的观测资料进一步研究和讨论。

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（责任编辑：邓雯）

Cloud characteristics and analysis of structure and mechanism on back-bent warm front in extratropical cyclone over East Asian land

XIONG Qiufen1，GUO Dafeng2，NIU Ning1，ZHANG Xin1
（1.China Meteorological Administration Training Center，Beijing 100081；2.Jiangxi Meteorological Observatory，Nanchang 330046）

Although there are many different views on the formation and evolution processes for extratropical cyclones，the classical Norwegian cyclone model and Shapiro-Keyser cyclone model are commonly accepted.Based on FY-2E satellite images，8 extratropical cyclone cases were studied.Then，the background，the frontal structure and mechanism of cyclones were analyzed using conventional observations，and NCEP 1°×1°reanalysis data.The results indicate the following.（1）The back-bent warm fronts of extratropical cyclones were found over East Asian land from FY-2E satellite images.（2）The extratropical cyclogenesis with back-bent warm front occurred under the conditions of a trough and ridge downward had developed at 500 hPa.This background is the same as that for a classical cyclone.（3）Four stages，such as incipient frontal cyclone，frontal fracture，frontal T-bone and bent-back front，frontal T-bone and warm seclusion were observed in the extratropical cyclone that occurred on 11-13 May 2012，and its warm core extended up to the 600 hPa level.（4）During the development of the surface cyclone，the positive vorticity centers tilted rearward with height.While weakening，they were vertically overlapped at different levels. There were frontal zones in the low-middle troposphere.（5）It was also found that cyclone would develop when the differential vorticity advection between 300 hPa and 700 hPa was positive，and the divergence caused by positive vorticity advection at 300 hPa was located above the warm advection at 700 hPa.Back-bent warm front of extratropical cyclone was accompanied by strong warm advection which were conveyed westward and southward at 700 hPa.

extratropical cyclone；satellite image；back-bent warm front；structure；mechanism

P443

A

10.3969/j.issn.1004-9045.2016.04.001

2016-02-12；定稿日期：2016-05-18

中国气象局预报员专项（CMAYBY2015-039，CMAYBY2015-096，CMAYBY2015-097）

熊秋芬，主要从事天气分析预报教学和研究。E-mail：xiongqf@cma.gov.cn

郭达烽，主要从事中短期天气预报业务和研究。E-mail：guodafeng@sina.com