爆发性气旋

第1章爆发性气旋概述 “气旋”（cyclone）一词来自希腊语“κυκλω'να”，其意思为“蛇的线圈”（coil of a snake）（Sarma，2013）。19世纪30年代，Henry Piddington在研究印度的强风暴时首次使用了“气旋”这个词http：//www.eolss.net/Sample-Chapters/C01/E4-06-02-03.pdf［2021-05-14］。在气象学上，“气旋”是一种围绕低气压中心旋转的闭合式大气环流，以向内旋转的螺旋状风场为特征，在北半球呈逆时针旋转，在南半球呈顺时针旋转https：//forecast.weather.gov/glossary.php?letter=c“Cyclone（abbrev.CYC）［2021-05-14］。其直径一般为2000～3000 km，通常与降水联系在一起。 Piddington（1848）在研究热带旋转风暴时，将所有环形的或高度弯曲的“风的系统”采用希腊语演变而来的“cyclone”一词。1856年后“cyclone”很快就成了一个被广泛使用的英语词汇。后来气象学家也用它来表示高纬度地区的低压扰动，因此需要限定词“tropical”来表示Piddington提出的热带低压扰动（Sarma，2013）。后来，“气旋”一词用来描述一个极具破坏性的大气低压扰动，它以环状形式围绕焦点或中心转动，同时径直或曲折前移（Piddington，1848）。 温带气旋是中纬度地区每日天气舞台上*重要的“演员”，是决定中纬度地区每日天气的*重要因素（Cˇampa and Wernli，2012），对其研究历史可以追溯到19世纪中叶。20世纪初，挪威的卑尔根学派提出了新的气旋模型以及气旋生命史结构（Bjerknes，1919；Bjerknes and Solberg，1922）。1954年，Tor Bergeron注意到了气旋的快速发展现象（Bergeron，1954）。20世纪70年代末80年代初，研究者（Rice，1979；Sanders and Gyakum，1980）发现，某些温带气旋存在短时间内中心气压迅速降低的现象。Rice（1979）在研究对1979年8月14日在英国举办的Fastnet帆船赛造成严重人员伤亡的一个温带气旋时，将其“快速发展”过程形象地称之为“爆发性发展”。Sanders和Gyakum（1980）则称这类气旋为“爆发性温带气旋”（explosive extratropical cyclone，EC）。这类气旋往往会伴有大风、强降水或暴风雪等恶劣天气，且多发生在中高纬度的海面上而难以预报，这给海上作业和船舶航行安全带来巨大威胁，预报失败往往会导致严重的生命和财产损失（Lamb，1991；Liberato et al.，2011，2013；Ludwig et al.，2015；Slater et al.，2017），因而“爆发性气旋”被认为是中高纬度海洋上*危险的天气系统之一。例如，1978年9月9日至12日，发生在北大西洋的一个爆发性气旋，重创了当时从欧洲驶往纽约的伊丽莎白女王2号邮轮（Gyakum，1983a，b；Uccellini，1986；Gyakum，1991）。再如2013年11月24日晚至25日凌晨，由于受到爆发性气旋的影响，两艘货船在山东海域沉没，造成25人失踪、1人死亡的严重海难事故http：//sd.ifeng.com/zbc/detail_2013_11/25/1506118_0.shtml［2021-05-14］。因此对爆发性气旋系统开展深入的研究，不但有利于提高对爆发性气旋运动规律的认识水平，而且对保障海上活动的安全，具有重要的学术意义和实践价值。 本章第1节介绍爆发性气旋的定义，第2节介绍爆发性气旋的分类，第3节对爆发性气旋的研究历史进行简单回顾，第4节介绍在大西洋上发生的7个著名的爆发性气旋个例，第5节简单介绍一下影响爆发性气旋发展的物理因子。 1.1爆发性气旋的定义 早在1954年，作为挪威卑尔根学派重要成员的Tor Bergeron就注意到了气旋的快速发展现象（Bergeron，1954）。他在《热带飓风问题》（The Problem of Tropical Hurricanes）一文中，不但讨论了热带气旋的“快速发展”，而且还专门讨论了夏季和秋季波罗的海、斯堪的纳维亚南部地区、荷兰和德国北部地区发生的5个温带气旋的“快速加深”现象（Bergeron，1954），并提到了中心气压每小时下降1 hPa的问题。因此气旋中心气压加深率的单位也以他的名字命名，即1 hPa/h=1 Bergeron。Bergeron（1954）虽然发现了气旋的爆发现象，但他并没有明确给出爆发性气旋的定义。 以下逐一介绍不同学者采用的不同的爆发性气旋定义。 1.1.1Sanders和Gyakum（1980）的定义 Sanders和Gyakum（1980）首次定义了爆发性气旋，其将气旋中心海平面气压（Sea Level Pressure）（地转调整到60°N）在24 h内下降24 hPa以上，即气旋中心气压加深率大于1 hPa/h的气旋称为爆发性气旋。这个定义考虑到了气旋中心所处纬度的差异，并提出了“地转调整因子”的概念。对于定义中的纬度60°N，Sanders和Gyakum（1980）在文中提到“正如Bergeron的描述那样，可能指的是卑尔根的纬度为60°N ”。 气旋中心气压加深率R表示为 （1.1） 式中，P为气旋中心海平面气压；φ为气旋中心纬度；下标t-12和t+12分别为12 h前和12 h后变量，这种定义法考虑了气旋中心所处地理位置纬度的差异。由于考虑了地转调整的影响，在加深率相同时，纬度高的24 h气压差要比纬度低的大一些。例如，在地球两极，气旋中心气压24 h下降28 hPa以上才能被称为爆发性气旋，而在南北纬25°，气旋中心气压24 h内下降12 hPa以上就可被定义为爆发性气旋。但需要说明的是，地转调整到60°N似乎缺乏充分的科学依据。 1.1.2Sanders和Gyakum（1980）定义的修正 1.地转调整纬度的修正 Sanders和Gyakum（1980）对北半球1976—1979年冷季（9月至翌年5月）发生的爆发性气旋进行了统计，发现爆发性气旋多位于60°N以南，集中分布于30°N～50°N之间，只有2例发生于60°N以北。由此可见，Sanders和Gyakum（1980）将爆发性气旋的中心降压值地转调整到60°N与爆发性气旋的多发纬度存在差异。因此，在Sanders和Gyakum（1980）的爆发性气旋定义基础上，一些学者对爆发性气旋定义中的地转调整纬度进行了修正。 Roebber（1984）指出爆发性气旋多发生于42.5°N附近，故他将地转调整纬度选择在42.5°N，其中心气压加深率R表示为 （1.2） 式中，P为气旋中心海平面气压；φ为气旋中心纬度；下标t-12为12 h前变量；下标t+12为12 h后变量。 而Gyakum等（1989）将45°N作为爆发性气旋定义中的地转调整纬度，其中心气压加深率R表示为 （1.3） 式中，P为气旋中心海平面气压；φ为气旋中心纬度；下标t-12为12 h前变量；下标t+12为12 h后变量。 相对于Sanders和Gyakum（1980），Roebber（1984）和Gyakum等（1989）在爆发性气旋的定义中选择了较低的地转调整纬度，则要求气旋中心的24 h降压值大于Sanders和Gyakum（1980）定义中的24 h降压值才能达到爆发性气旋的标准。Roebber（1984）和Gyakum（1989）定义的1 Bergeron大约相当于Sanders和Gyakum（1980）定义的1.2 Bergeron。 2.时间间隔的修正 由于受使用资料时间分辨率的限制，过去一些学者在爆发性气旋的定义中多采用24 h时间间隔（Sanders and Gyakum，1980；Roebber，1984；Chen et al.，1992；Wang and Rogers，2001）。随着更高时间分辨率资料的出现，一些学者（Yoshida and Asuma，2004；Miller and Petty，1998）对Sanders和Gyakum（1980）的爆发性气旋定义中的时间间隔进行了修正。 Yoshida和Asuma（2004）采用了12 h时间间隔，但仍将气旋中心降压值地转调整到60°N。12 h时间间隔能够刻画一些周期短、发展迅速的气旋，其中心气压加深率R表示为 R=Pt－6－Pt+612×sin60°sinφt－6+φt+62（1.4） 其中，P为气旋中心海平面气压；φ为气旋中心纬度；下标t-6为6 h前变量；下标t+6为6 h后变量。 为了研究发展时间更短的爆发性气旋，Petty和Miller（1995）甚至定义6 h气旋中心气压降低10 hPa即为爆发性气旋。 3.考虑风速影响的修正 Sanders和Gyakum（1980）、Roebber（1984）、Gyakum等（1989）、Yoshida和Asuma（2004）等学者对“爆发性气旋”的定义都强调气旋中心气压的快速下降，然而这些定义都没有考虑风速的影响。为了更深刻、清晰地阐释“爆发性气旋”的定义，Fu等（2020）通过对大量的爆发性气旋个例分析，总结出爆发性气旋有以下四个主要特征：①中心气压快速下降，②快速气旋生成，③强风，④暴雨/雪。以上四个特征通常不是孤立的，而是相互关联的。在这四个特征中，强风是伴随气旋爆发性发展*重要的因素，它会像热带气旋一样造成严重的破坏。因此与热带气旋的定义类似，风速作为一个重要因素在爆发性气旋的定义中应予以考虑。Fu等（2020）利用北半球1979—2016年共38年的ERA-Interim资料，对海面10 m高度上温带气旋风速进行了详细分析。结果表明，虽然部分温带气旋的中心气压加深速率大于1 Bergeron，但有时风速很弱，有的*大风速甚至只有8.2 m/s。很显然，称风速很弱的气旋为“爆发性气旋”是不合理的。 由于海上爆发性气旋对船舶航行安全的*大威胁是强风，世界气象组织也建议，当蒲氏（Beaufort）风力大于8级（17.2 m/s）时应发布海上大风预警，因此在爆发性气旋定义中选择17.2 m/s风速作为阈值是合理的。修正后的爆发性气旋定义，不仅应考虑气旋中心海平面气压要在24 h内下降达到24 hPa以上，而且海面10 m高度上的*大风速要大于17.2 m/s。Fu等（2020）的研究指出，利用1979年1月到2016年12月的ERA-Interim资料分析发现，共有6392个温带气旋满足“爆发性气旋”的定义，但其中有1112个气旋的*大风速小于17.2 m/s，应该被剔除。 1.2爆发性气旋的分类 在对爆发性气旋的研究中发现，不同强度、不同区域的爆发性气旋的移动路径、生命史等特征及其爆发机制表现出明显的差异，为了对爆发性气旋开展更加深入详细的研究，一些学者（Sanders，1986；Wang and Rogers，2001）开始按强度和区域对其进行分类。 1.2.1按强度分类 Sanders（1986）在对1981年1月至1984年11月发生于北大西洋中西部爆发性气旋的研究中，首次依据爆发性气旋*大加深率的大小将其划分为三类，分别为“强气旋”（＞1.8 Bergeron）、“中等气旋”（1.3～1.8 Bergeron）、“弱气旋”（1.0～1.2 Bergeron）。Wang和Rogers（20