2012年1月西北太平洋上一个爆发性气旋的云微物理属性垂直结构分析❋

孙柏堂, 李鹏远, 傅 刚

(中国海洋大学海洋气象学系，山东 青岛 266100)

温带气旋是中纬度重要的天气系统之一。研究发现，部分气旋可以在较短时间内迅速发展，强度急剧增强，常伴有大风和强降水等恶劣天气。Sanders和Gyakum[1]综合前人的研究，把这类气旋定义为爆发性气旋(Explosive Cyclones)，即:

其中：DR为气旋中心气压降低率；P代表中心气压；φ代表气旋中心所在纬度；t-12和t+12分别是12 h前和12 h后气旋的中心气压值。如果计算DR>1 hPa·h-1(1 Bergeron)，则气旋就被称为爆发性气旋。由于爆发性气旋发生时常伴有极端恶劣天气，给人们的生产生活带来极大的不便，甚至造成生命财产损失，所以对爆发性气旋发生发展机理和结构进行详尽的研究是十分必要的。

近年来，对爆发性气旋的研究主要集中在三个方面：气候学特征研究、诊断分析和数值模拟研究。Sanders和Gyakum[1]指出，爆发性气旋多发生于北半球的冷季，空间对应高空槽前、高空急流轴北侧、海表温度梯度的大值区。Yoshida和Asuma[2]认为，西北太平洋的爆发性气旋主要集中在20°N～60°N,120°E～180°E的海上。李长青和丁一汇[3]研究表明，爆发性气旋发展需要一定的大尺度环境条件，如中低层位势不稳定层结、强水汽输送、高空急流出口左侧的动力辐散等。近年来的研究发现，西北太平洋日本东部海域爆发性气旋发生频数增加，与日本以东地区中低空斜压性增强以及水汽冬季多年平均相对增加有关[4]。很多研究表明，动力或斜压不稳定条件[5-6]、对流层顶折叠、高层位涡下传的高空强迫[7-8]等条件是爆发性气旋发生发展的重要条件。对爆发性气旋的数值模拟试验也取得了一定成果。郭大梅和丁治英[9]利用PSU/NCAR Mesoscale Model (MM5)对一次爆发性气旋进行研究，得出潜热释放和惯性不稳定的正反馈机制对气旋的发展有利。赵洪等[10]分别利用MM5和 Weather Research and Forecasting Modeling System (WRF) 模式对爆发性气旋进行模拟，指出WRF模式在爆发性气旋引发的大风过程以及气旋的移动路径等方面能更好地模拟出爆发性气旋特点。Hirata等[11]使用Cloud-Resolving Storm Simulator (CReSS)模式，对一次爆发性气旋过程进行模拟，指出海表面感热释放对爆发性气旋的发展影响很大。

虽然对爆发性气旋的研究取得了很大的进展，但是由于爆发性气旋多在海上发展，可以获得的观测资料比较少，不利于分析气旋的中小尺度结构。随着气象卫星和雷达技术被应用于气象观测，气象研究人员对爆发性气旋有了更进一步的认识[12-13]，但大部分静止卫星对气旋的云微物理属性的解析能力比较弱，而云的微物理属性可很好地反映天气变化[14]。2006年发射的极轨卫星CloudSat在云的垂直结构观测方面发挥了重要作用，其搭载的云剖面雷达(Cloud profiling radar, 以下简称CPR)能穿透云层，能探测全球范围的云剖面及其变化，包括云系及降水结构、云中液态水和冰水含量等[15]，对云中比较小的粒子进行观测。马占山等[15]、周毓荃和赵姝慧[16]对CloudSat卫星及其搭载的探测设备进行了介绍，指出CloudSat卫星产品很有价值。Durden等[17]使用CloudSat和其他卫星数据产品分析发现，靠近热带气旋中心的眼壁云系中冰粒子尺度和冰水含量随高度增加而减少。赵姝慧和周毓荃[18]使用CloudSat 2B-CWC-RO数据对0603号台风“艾云尼”分析发现，台风云系的0 ℃等温线层所在高度约为5 km，且冰粒子数浓度随高度增加而增加。张蕾等[19]对0608号台风“桑美”的云系进行垂直冰云微物理属性分析，发现冰粒子有效半径和冰粒子数浓度随高度变化截然相反，冰水含量垂直分布呈单峰或双峰特征。大量研究表明，CloudSat卫星数据为研究云的微物理属性提供了有力的帮助。但是使用CloudSat卫星数据对天气系统的研究大多集中在热带气旋的云微物理属性垂直结构方面，对爆发性气旋而言，由于其发生发展的位置多在中高纬度海洋上，CloudSat极轨卫星能“观测”到的气旋个数比较少，故到目前为止对爆发性气旋的云微物理属性研究比较少。

2012年1月，CloudSat卫星对西北太平洋上一个爆发性气旋在发展阶段的云系进行了“观测”，故本文可通过CloudSat卫星获得的数据对该爆发性气旋云系的微物理属性的垂直分布特征进行分析。本文拟从多角度分析爆发性气旋的结构特征，以加深对爆发性气旋的认识。

1 数据与方法

1.1 FNL再分析数据

本文使用的Final Analysis(FNL)再分析数据是由美国国家环境预报中心(National Center for Environmental Prediction，简称NCEP)提供的1°×1°全球大气数据[20]，每天00 UTC、06 UTC、12 UTC、18 UTC有资料，垂直方向从1 000～10 hPa分为26层，包括位势高度、海表面气压、气温、经向风速和纬向风速等物理量，下载地址为https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/。

1.2 MODIS可见光云图

卫星云图是由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, 简称NASA)提供的搭载于Aqua卫星上的 (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，简称MODIS)可见光云图，下载地址为https://worldview.earthdata.nasa.gov/。

1.3 CloudSat数据产品

CloudSat数据是由CloudSat DPC(CloudSat Data Processing Laboratory) 提供的极轨卫星数据，CloudSat卫星为近圆形轨道，轨道高度为705 km，每个像素点的星下点垂直轨道分辨率1.4 km，沿轨道分辨率为2.5 km，垂直分辨率0.5 km[21]。CPR使用94 GHz，3.2 mm波长的波段，对云具有较强穿透力。CPR数据垂直方向分为125层，每层为240 m，整层高度约为30 km。CloudSat数据可以较为精确的反映爆发性气旋的内部结构特征，但是其探测时次和刈幅比较有限，对气旋连续的大范围观测不利[21]，但是总体而言使用CloudSat数据对一次爆发性气旋过程的云微物理结构进行分析是合理的。本文主要使用的CloudSat数据包括2B-GEOPROF、2B-CWC-RO、2B-CLDCLASS以及ECMWF-AUX数据。其中2B-GEOPROF主要使用了雷达反射率数据，2B-CWC-RO主要使用云中冰水含量、冰粒子数密度、冰粒子有效半径数据。之所以仅选用冰相粒子数据，是因为雷达使用波长为3.2 mm波段，该波段对云中液滴等液相粒子的观测能力比较差，所以该产品中液态粒子数据缺省较多[22]。2B-CLDCLASS使用了云种类数据，辅助数据ECMWF-AUX则使用了气温以及比湿数据，下载地址为http://www.cloudsat.cira.colostate.edu/。

1.4 研究方法

本文主要利用FNL再分析资料对2012年1月发生在西北太平洋上的一次爆发性气旋过程进行天气学分析，利用CloudSat资料对气旋的云类型、云微物理属性以及气温比湿等热力结构进行分析，提高对爆发性气旋的云微物理垂直分布特征的认识水平。

2 气旋概况

本文研究的爆发性气旋是发生于西北太平洋上的一次爆发性气旋过程，从气旋生成到结束发展对应时间为2012年1月10—13日。该气旋1月10日18 UTC在日本以东洋面形成闭合等压线，11日00 UTC气旋中心气压降低率大于1 Bergeron，开始爆发性发展，并快速向东北方向移动，12日00 UTC中心气压降低率达到最大，之后气旋移动明显减慢并转向向西北方向移动，于12日18 UTC在勘察加半岛南侧中心气压降低率小于1 Bergeron，爆发性发展结束(见图1)。气旋在发展过程中经历2次转向，因为气旋在对流层高层受到槽前引导气流影响，在低层受到北侧较弱低压影响使两个低压系统互旋而转向。图2是气旋中心气压及中心气压降低率随时间的变化曲线，其中最大气旋中心气压降低率为2.7 Bergeron，根据Zhang等[23]提出的爆发性气旋的分类方法，此次爆发性气旋达到了超强爆发性气旋级。最低中心气压达到了944.9 hPa，与台风强度不遑多让。

(实心圆代表爆发过程；空心圆为未爆发过程；红色实线代表CloudSat卫星轨迹；A和B分别代表截取时段的起始和结束位置。等值线代表12日00 UTC海表面气压场，背景为1月12日MODIS可见光卫星云图。Solid dots represent the outbreak phase and the dashed dots represent the non break out phase， Red solid line represents the trajectory of CloudSat satellite;Capital letter A and B represent the initial position and end position of the selected period, respectively. Black contours represent the sea level pressure at 00 UTC 12. Shaded shows the visible satellite imagery on 12 January 2012.)

3 云的微物理属性垂直结构分析

根据CloudSat数据集给出的序号30361(granule 30361)的部分轨迹数据，CloudSat卫星于1月12日02：01：39 UTC—02：09：59 UTC由东南向西北穿过气旋(见图1)，起始和结束的位置分别对应A(28.98°N,171.39°E)和B(58.71°N,160.19°E)，轨迹AB的位置就是对该气旋的云物理属性和热力结构进行垂直剖面分析的位置。图1中海表面气压场为比较接近此时段的1月12日00 UTC，而00 UTC为中心气压降低率最大时刻，也就是气旋发展最迅速的时刻，十分有助于分析气旋的云属性垂直结构。卫星云图为1月12日MODIS可见光云图，综合海表面气压场和卫星云图可以得到，在02：04：09 UTC,也就是(45.15°N,166.52°E)为最靠近气旋中心的位置。根据选取的时段爆发性气旋的云分类图(见图3)可以看出，在气旋中心附近为明显的深对流云区(Deep)，深厚且宽广，说明云中对流活动十分剧烈。气旋中心南侧和北侧的云种类为明显的不对称分布，气旋中心北侧的高层云(As)明显比南侧更宽广，雨层云(Ns)也比南侧分布的更广，但是发展的高度比南侧低2 000 m左右。气旋中心南侧有部分高云(High)存在，且云发展的高度普遍比北侧更高。南北侧云种类和分布的差异可能与气旋中心西北侧为冷空气、气旋中心东南侧为暖空气的配置以及气旋中心东南侧冷锋前抬升凝结潜热释放更强，云系发展更旺盛有关。此次过程中云的发展十分旺盛，雷达反射率图(见图4)中云层高度向上伸展到9 000 m左右，说明气旋发展阶段发展十分迅速，云层向上伸展的高度可能与Zhang等[23]提出的弱(1.00～1.29 Bergeron)、中等(1.30～1.69 Bergeron)、强(1.70～2.29 Bergeron)和超强(≥2.30 Bergeron)这四类爆发性气旋等级有关，且爆发性气旋强度越强，云系向上发展的高度可能越高。

图2 气旋中心气压 (黑色实线，hPa) 及中心气压降低率 (红色实线，hPa·h-1) 随时间变化Fig.2 Time series of central sea level pressure (black solid line, hPa) and its deepening rate (red solid line, hPa·h-1)

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

针对爆发性气旋的云微物理学属性，本文主要研究冰粒子有效半径、冰粒子数浓度和冰水含量这三个物理量。冰粒子的有效半径分布图(见图5)中，云中冰粒子有效半径随高度增加而递减，大值区集中于冰云的下部，最大有效半径达160 μm以上。气旋北侧的冰粒子半径大值区向下延伸到1 km附近，而气旋中心南侧的大值区向下延伸的程度较弱，并且有效半径极大值更大，说明南侧的云相对较暖，后面分析表明，可能原因一是南侧位于暖气团区，云系气温比北侧更高(见图6)，二是南侧对应于冷锋前，抬升更强潜热释放更明显，对云系的加热作用更显著。

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center. )

冰粒子数浓度分布图(见图7)中，冰粒子数浓度与冰粒子有效半径(见图5)相反，大致随高度递增而递增，大值集中于冰云上部9 km附近，最大数浓度达400个·L-1以上。在冰云云系中, 小颗粒冰粒子通过冰晶水汽扩散增长或者冰晶凝华增长下降, 到达更低更温暖的高度会得到第二次增长, 这样就会使得颗粒物浓度降低, 同时颗粒物粒径增大，同时如果有上升运动，大颗粒物不容易被带到高处，所以形成冰粒子有效半径和数浓度大值分布相反的结果[17]。气旋中心南侧冰粒子数浓度大值区(大于175个·L-1)主要分布于5～10 km的高空，而气旋中心北侧大值区主要分布在3～9 km的高空，南侧云相对更暖使得低层冰粒子融化较多，碰并更强，粒子数有明显减少。

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

冰水含量分布图(见图8)中，相比于冰粒子数浓度和有效半径，冰水含量随高度变化不明显，大值区(大于400 mg·m-3)主要集中在云中部，最大冰水含量达1 400 mg·m-3以上。气旋中心附近有明显的冰水含量低值区，南侧冰水含量范围更宽广，北侧冰水含量大值区更明显，有利于冰晶的增长，冷云的发展。

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

关于爆发性气旋云的热力性质分析，由于气温场可以比较准确地反映出气旋云系的热力性质南北侧的差异，比湿场可以较准确地反映出抬升凝结潜热释放的能力，故主要分析了云中气温和比湿的剖面(见图6和9)。气旋中心南侧有明显的暖中心，0 ℃等温线从气旋中心南侧的3 km向北向下延伸到气旋北侧的200 m左右。气旋中心南侧气温比北侧高，云系发展受到不同气温条件的制约，且气旋中心东南侧存在较强冷锋，这些可能是云微物理属性分布非对称的重要原因。比湿剖面和气温剖面相似，比湿大值区主要分布在气旋中心南侧的中低层，说明气旋中心南侧凝结潜热更明显。

综合以上分析，气旋云系在微物理属性和热力性质方面南北差异十分明显，其中气旋北侧冰粒子有效半径极大值较小，冰粒子数浓度大值区主要集中位置较低，且冰水含量较大，云系更冷，所以北侧云系发展可能更符合贝吉隆过程的结果；而气旋南侧云系发展更高，冰粒子有效半径、冰粒子数浓度、冰水含量主要集中位置更高，云系更暖，所以南侧云系发展发展可能更倾向于抬升凝结成云。

(箭头和黑色实心圆的位置表示最接近气旋中心位置。 Solid circle and the arrow represent the nearest position to the cyclone center.)

4 总结与讨论

本文利用CloudSat卫星数据和FNL再分析数据对2012年1月西北太平洋上一个爆发性气旋的云系及云微物理属性的垂直结构进行了分析，得到的主要结论如下：

(1) CloudSat卫星于2012年1月12日02：01：39 UTC至02：09：59 UTC穿过气旋，02：06：59 UTC离气旋中心最近，与此时段最接近的12日00 UTC是气旋中心气压降低率最大时刻，气旋发展最迅速，对研究气旋的垂直结构十分有利。

(2) 气旋中心附近有发展旺盛的深对流云，中心南北两侧的云系稍有不同，云系向上发展到9 km以上，发展高度可能与气旋强度有关。

(3) 气旋云系中冰粒子有效半径大小随高度递减，而冰粒子数浓度随高度递增，这与冰晶在高层生成增长下沉到中低层气温较高相互碰并增长加强，使粒子数浓度降低而有效半径增大有关，且在有上升气流条件下，大直径的冰粒子不易被带往高空。冰粒子有效半径、数浓度和冰水含量大值区的位置在气旋中心南侧更高，这与南暖北冷的气团性质以及抬升凝结潜热释放有一定关联。

(4) 气温和比湿剖面中气温高值区和比湿大值区集中于气旋中心南侧，气旋南侧的云系可能更倾向于抬升凝结的暖云发展，而北侧更倾向于贝吉隆过程的发展。

本文首次对西北太平洋上的一个爆发性气旋的云微物理属性的垂直结构进行了分析，由于CloudSat卫星途经爆发性气旋上空有一定的偶然性，获取云微物理属性的垂直剖面的观测资料有困难。今后需要对多个爆发性气旋的云微物理属性的垂直结构进行综合分析。

致谢:本文所用的CloudSat数据由CloudSat DPC提供，所使用的FNL再分析数据由美国国家环境预报中心NCEP提供，卫星云图数据由美国国家航空航天局NASA提供，在此谨表感谢！