引言

近年来，我国沿海经济快速发展，特别是环渤海地区已发展成为中国北方最活跃的海洋经济区域。2007年，全区域海洋生产总值高达9542亿元，占全国海洋生产总值的38.3%(来自《海洋经济》)。海洋经济增长的同时，海洋灾害性天气引发的海洋灾害也日益增多。2007年3月3日至6日，渤海、黄海和东海沿海发生了严重的海洋灾害。辽宁、河北、天津、山东、江苏4省1市遭受到不同程度的灾害损失，其中山东、辽宁、江苏3省出现人员伤亡和严重经济财产损失。据不完全统计，此次海洋灾害共造成沿海4省1市直接经济损失约40亿元，3人死亡，9人失踪。分析造成此次海洋灾害的原因，主要是由于强冷空气与发展的入海气旋共同作用，造成黄渤海海域出现偏东大风，形成严重的风暴潮灾害。因此，分析研究此次黄渤海入海气旋的发生与发展机理，对今后做好上述海域海洋气象预报服务工作就显得尤其重要。

蔡丽娜等^[1]针对此次温带气旋发展造成我国北方辽宁等省大范围的严重暴风雪天气进行了分析研究，闫丽凤等^[2]通过中尺度模式对此次气旋发展引发的风暴潮进行了模拟分析。近些年，中外学者对于爆发性气旋发生、发展的物理原因和机制做了大量的研究工作^[3-20]，指出影响温带气旋发展的一些主要因素：对流层下层的斜压不稳定，对流层上层的温度平流和涡度平流；在气旋发展最强盛时期，潜热释放对气旋的发展往往起到重要作用。Strahl等^[8]利用1992年由Lupo等^[10]Zwack-Okossi(Z-O)涡度倾向方程作为诊断工具，对1999年1月发生在美国大陆的爆发性气旋进行了研究分析，指出500 hPa槽合并不是气旋早期爆发的必要条件，但与气旋发展的强度及速率却有着重要联系。2007年3月3—6日的黄渤海入海气旋的发展过程与500 hPa槽合并过程密切相关，本文通过天气尺度分析，并利用Zwack-Okossi(Z-O)涡度倾向方程作为诊断工具着重分析槽合并过程对气旋发生、发展的影响，尤其是温度平流、涡度平流、潜热释放以及绝热温度变化四个影响地转涡度变化的物理因子在槽合并过程中对气旋发展的作用及影响。

1 资料和方法

本文选用2007年3月3日00时(世界时，下同)至7日18时, 时间分辨率为6小时，空间分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料及每3小时一次的常规气象地面观测资料作为分析资料，分析区域为20°~70°N、80°~160°E。利用1992年由Lupo等^[10]发展的Z-O涡度倾向方程(1) 作为槽合并分析研究的诊断工具

$\begin{gathered} \frac{{\partial {\zeta _{gl}}}}{{\partial t}} = PD\int_{{p_t}}^{{p_l}} { - \mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \nabla {\zeta _\alpha }{\rm{d}}p - PD} \int_{{p_t}}^{{p_l}} \times \hfill \\ \left[ {\frac{R}{f}\int_P^{{p_l}} {{\nabla ^2}\left( { - \mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \nabla T + \frac{Q}{{{c_p}}} + S\omega } \right)\frac{{{\rm{d}}p}}{p}} } \right]{\rm{d}}p \hfill \\ \end{gathered} $

(1)

式中，p_l为近地面气压层，p_t为上层气压层(50 hPa)，ζ_gl为近地面地转涡度，ζ_a为绝对地转涡度(ζ+f)，f为科氏参数，R为干空气常数，V为水平风矢量，Q为绝热加热/冷却率，c_p为定压比热，S为稳定度参数 $\left[ {S = - \left( {T/\theta } \right)\left( {\partial \theta /\partial p} \right)} \right]$ ，ω为垂直速度，PD=1/(p_l-p_t)。本文主要利用诊断方程中涡度平流项(-V·∇ζ_α)、温度平流项(-V·∇T)、潜热释放(Q/c_p)以及绝热温度变化项(Sω)研究槽合并过程对气旋发展的影响，不针对上述物理量进行整层积分以验证其对近地面地转涡度变化的定量作用。其中，绝热加热/冷却率Q采用Posselt等^[18]在2004年研究暖式锢囚锋时采用的计算公式 $Q = \frac{{{\text{d}}\theta }}{{{\text{d}}t}} = \omega \left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial p}} - \frac{{{\gamma _m}}}{{{\gamma _d}}}\frac{\theta }{{{\theta _e}}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}}} \right)$ ；ω为垂直速度，采用连续方程法求得。

2 气旋发展过程概述

此次气旋生成源自云南经贵州至湖南的辐合低压带，在长江中下游地区开始加强。由图 1的气旋移动路径和强度变化曲线可以看到，3月3日12时，气旋移至江苏中部，中心气压1006 hPa。以后气旋向东北移动并发展，经山东半岛进入黄海北部海域。4日12时登陆朝鲜半岛，并于4日18时再次入海进入日本海，气旋中心强度达到992 hPa。以后气旋继续向东北移动，强度继续加强，至5日06时达到最强的985 hPa之后，气旋逐渐减弱。4日06时至5日06时的24小时气旋中心气压降低了13 hPa, 由Sanders等(1980) 的气旋加深率公式(2) 计算，其气旋加深率为0.77 B(Bergeron，贝吉龙)，为气旋快速发展过程。特别注意到，5日00时至5日06时的6小时，气旋中心气压降低了5 hPa, 6小时的气旋加深率达到了1.06 B (贝吉龙)，属爆发性发展阶段。

${\text{气旋加深率}}\left( {\text{贝吉龙}} \right) = \left[ {\frac{{{P_{t - 12}} - {P_{t + 12}}}}{{24}}} \right] \times \left[ {\frac{{{\text{sin}}{{60}^ \circ }}}{{{\text{sin}}\frac{{{\phi _{t - 12}} - {\phi _{t + 12}}}}{2}}}} \right]$

(2)

式中，t为分析时间，P为气旋中心海平面气压，φ为气旋中心所处纬度。

3 气旋发展过程的动力分析 3.1 对流层低层斜压结构

过程发展初期，贵州至江苏地区对流层下层存在着西南—东北向锋区，由925 hPa等位势场及温度场形势表明这里的变形场有利于锋生，在变形场的作用下，4日00时(图 2a)形成明显的冷暖锋面结构，暖锋由气旋中心向东北伸展到渤海海峡至辽东半岛，冷锋则由气旋中心向西南经江苏、江西到达湖南南部。同时，在气旋中心移动前方有大范围暖平流存在(图 2c)，其中心强度超过6×10^-4 K·s^-1，冷锋锋面后部有明显的冷平流，表明对流层下层存在着西冷东暖的斜压结构，使气旋中心地转涡度加强，气旋发展。这种对流层低层斜压结构持续加强至5日00时，此后冷锋前有暖舌发展，表明气旋开始向锢囚发展。5日12时(图 2b)，暖舌沿冷锋前向北伸展并沿暖锋后向气旋中心卷入，表明冷暖锋面在此形成锢囚，气旋发展已进入锢囚阶段。同时，气旋前部的暖平流范围开始缩小，冷平流覆盖了包括气旋中心在内的冷锋后大部区域(图 2d)，表明气旋已经发展到最强阶段并开始减弱，且移动缓慢。

3.2 500 hPa温度平流及涡度平流

从500 hPa环流形势场看，过程早期(3日12时)在东亚大陆高空存在南北两支西风槽，北支位于贝加尔湖附近，南支位于陕西至贵州西部。两支西风槽前没有明显的暖平流，但南支西风槽后冷平流较明显，两支槽线前后有明显的正负涡度平流(图略)。在槽后冷平流和涡度平流作用下，两支西风槽均加深并东移，至4日12时，北支西风槽已经移到我国黑龙江境内，其振幅向南扩展到45°N附近，南支西风槽位于环渤海地区，南北两支西风槽线前后的涡度平流此时得到加强，尤其是南支西风槽前正涡度平流区位于地面气旋中心上空，有利于低层的辐合上升运动的加强和气旋发展(图 3a)；两支西风槽后均有较强的冷平流，槽前暖平流依然不显著，表明槽的发展动力主要来自槽后冷平流(图 3d)。伴随着北支西风槽的振幅继续向南扩展，南支西风槽向东北移动并加深，5日00时，南北两支西风槽有合并趋势，这时两槽后依然保持较强的冷平流，槽前出现明显的暖平流，冷暖平流使两槽进一步加深(图 3e)，两槽前后正负涡度平流使北支西风槽向东移动，南支西风槽向东北移动(图 3b)。5日12时，随着北支西风槽振幅向南的继续伸展，南支西风槽完全嵌入到北支西风槽环流中，两槽合并形成512 dagpm的闭合环流中心，合并后的西风槽近于南北走向，冷中心与闭合中心几乎重合，槽后冷平流以及槽线附近的涡度平流较以前有明显减弱；由3.1节分析表明，此时气旋发展进入到了锢囚阶段。

3.3 500 hPa涡度场分析

通过上面500 hPa温度平流及涡度平流对气旋发展过程的动力学分析，已经注意到4日12时至5日12时的24小时内，在温度平流和涡度平流的作用下，北支西风槽在东移过程中，其振幅逐渐向南扩展，南支西风槽向东北移动并加强，最终南支西风槽逐渐并入北支西风槽的南侧环流，形成一个中心为512 dagpm的闭合中心。尤其在5日00时至5日06时期间，气旋得到爆发性发展。由此可见，槽合并过程加大了气旋加深率，并使气旋的发展达到最强。为了更清楚地表明此次槽合并过程，利用地转绝对涡度场分析诊断槽合并的演变过程^[8]。

由4日12时500 hPa地转绝对涡度场看(图 4a)，所关注的南北两支西风槽存在三个涡度大值中心，它们分别位于北支西风槽中心、北支西风槽底和南支西风槽中心。取10^-5 s^-1为一个地转绝对涡度单位(用GAV表示)，则上述三个涡度中心分别为3 GAV、2 GAV和2.5 GAV。位于北支西风槽底的大值涡度区(2 GAV)呈现“√”形式的“凹”型曲率弯曲，而南支西风槽中心附近的大值涡度区(1.5 GAV)则呈现“‘”逗点形式的“凸”型曲率弯曲。经过12小时发展(图 4b)，位于北支西风槽底的大值涡度区(2 GAV)随槽的向南扩展呈现东北—西南走向，且由原“凹”型曲率弯曲形式转变为“凸”型曲率弯曲；相反，南支西风槽中心的大值涡度区(2.5 GAV)由早期的“凸”型转变成为“凹”型曲率弯曲，北支西风槽底的涡度大值区(2 GAV)与南支西风槽底涡度大值区(2.5 GAV)以中间点为中心作气旋式旋转。5日12时(图 4c)，北支西风槽底的大值涡度区(2 GAV)沿520 dagpm线与南支西风槽底的涡度大值区(2 GAV)共同组成了一个气旋式环流。而早期北支西风槽底的涡度大值中心位于环流西侧，并加强到2.5 GAV；南支西风槽底的涡度大值中心位于环流东侧，强度没有变化。不难看出，12小时之前南北两支西风槽涡度大值区各自独立，经过北支西风槽的向南伸展和南支西风槽的东北向移动，南北两支西风槽的涡度大值区最终形成了一个气旋式的涡度大值区环流，这一结果较为清晰地表明了南北两支西风槽合并的完成。

3.4 高层急流与辐散作用

从风速分布看，气旋发展初期的200 hPa高度场与500 hPa高度场均存在南北两支高空急流带，一支位于北支西风槽前，另一支位于35°N纬度带。在200 hPa高度场，两支急流中心风速最大值都超过60 m·s^-1；早期气旋生成源地的辐合低压带正位于200 hPa高度场南支急流的下方(图略)。随着地面气旋向东北移动，4日00时(图 5a, 5c)，气旋中心逐渐移到南支急流大值中心出口的左侧下方，由于急流出口减速区有指向其右侧的非地转分量，引起质量向南输送，这种质量调整使出口区左下方减压，有利于地面气旋发展；同时200 hPa槽前的正涡度平流也表明地面气旋对流层上层有强的高空辐散，导致对流层下层出现补偿性的辐合，增加了气旋内部的上升运动。4日12时(图 5b, 5d)，由于地面气旋中心此时刚好位于北支急流最大急流核入口区的右侧及南支急流最大急流核出口区的左侧，由于非地转分量所引起的质量南北输送，加强了气旋中心对流层上层的空气质量辐散，而正涡度平流也反映了此处强的辐散场，使地面气旋发展进一步加强。过程后期，随着北支急流的向北移动和减弱，正涡度平流区所带的强辐散场逐渐偏离地面气旋中心，这种高空急流辐散作用带给地面气旋发展的动力作用也逐渐减弱。

4 气旋中心动力诊断

由Lupo等^[10]发展的Z-O涡度倾向方程，诊断分析地面气旋中心的涡度平流项(-V·∇ζ_α)、温度平流项(-V·∇T)、潜热释放( ${\frac{Q}{{{c_p}}}}$ )以及绝热温度变化项(Sω)在气旋的发生与发展中的作用，尤其关注槽合并期间及合并前12小时的变化情况。分别作地面气旋中心上方涡度平流项、温度平流项、潜热释放、垂直运动、绝热温度变化五项物理因子的时间序列-气压垂直剖面分析(图 6)。

由图 6a可以看到，自3日18时至5日00时，地面气旋中心对流层上层始终存在着正的涡度平流，并且随着气旋的发展，对流层中层的涡度平流也开始增加，至4日18时，最大的正涡度平流(25×10^-9 s^-2)位于250 hPa层附近，同时700 hPa至200 hPa对流层中上层均保持正的涡度平流，而750 hPa以下为负涡度平流，这种涡度平流随高度增加表明了气旋中心上方有上升运动，有利于气旋发展。这个结果与3.2节的分析一致，当高空槽逐渐接近地面气旋中心时，槽前对流层中上层正涡度区逼近下层一个气旋性辐合性系统时，由于高层辐散，导致对流层下部出现补偿性的辐合，增强了气旋内部上升运动，使气旋得到发展^[16]。

在研究时段，在气旋中心对流层上部均存在暖平流(图 6b)，同涡度平流一样，其最强时刻发生在4日18时位于200 hPa高度层附近。对流层中下层温度平流较小，尤其是4日18时在对流层中下层有冷平流。上述结果表明，地面气旋中心一直位于对流层上部高槽前，槽前的暖平流有利于气旋的发展。当气旋发展进入成熟阶段，由3.1和3.2节分析表明，当高空槽移至地面气旋中心上空时，槽后冷平流开始进入气旋中心内部，冷平流抑制气旋的进一步发展。

一些早期研究表明^[6-16]，潜热释放可使上升运动加强，使气旋低层辐合和高层辐散，导致气旋加强。尽管潜热释放与温度平流和涡度平流相比其强迫作用较小，但强对流所引发的潜热释放仍然能使其下层等压面高度降低，上部增高，使气旋加强。从图 6c和6d可以看出，2次最强垂直运动与其相对应的潜热释放分别发生在4日12时和5日00时，4日12时，正值南支西风槽前正涡度平流区移到地面气旋中心上空(图 3a)，同时地面气旋中心此时刚好位于200 hPa北支急流最大急流核入口区的右侧及南支急流最大急流核出口区的左侧(图 5b和5d)，由3.2节和3.3节分析的这种形势表明了对流层中上层有利的辐散形势，加强了对流层中下层的辐合上升运动，上升运动的加强增加了对流层中下层的潜热释放，同时释放的潜热进一步加强了上升运动，使气旋发展加强。5日00时正是南北两支西风槽合并的开始(图 5b)，槽的合并使地面气旋中心对流层中层气旋性涡度增加，加强了对流层中下层的上升运动，潜热释放增加，释放的潜热使地面进一步减压，气旋发展进一步加强。

图 6e给出了绝热温度变化项(Sω)在气旋发展过程中的变化，由于大气处于稳定层结(S>0)，因此，绝热温度变化项Sω与垂直运动项(ω)基本一致，强的上升运动使气柱绝热冷却，以保持对流层中下层的静力平衡。由Z-O涡度倾向方程表明，Sω＜0表示抑制气旋过快发展。

综合分析地面气旋中心上层的涡度平流、温度平流、潜热释放、垂直运动以及绝热温度变化对地转涡度变化的影响，可以看出，在气旋的发展过程中，处在高空槽前的地面气旋中心对流层上层一直保持着正的温度平流，有利于高空槽的发展。涡度平流在气旋发展过程初期较小，当地面气旋发展，且高空槽逐渐接近发展的地面气旋中心时，对流层上层涡度平流开始加大，并在气旋发展最强之前的12小时为最强，正的涡度平流从对流层上层一直延伸到中层，对流层低层则为负的涡度平流，这种高低层涡度平流差异在气旋快速发展阶段起了重要作用。垂直运动与潜热释放贯穿整个气旋发展过程，地面气旋中心对流层中上层有利的辐散形势加强了对流层中下层的垂直运动，潜热释放增加，释放的潜热进一步增强了上升运动，使地面减压更快。因此，当高空正的涡度平流移动到低层低值系统上空并与其相互作用时，垂直运动与潜热释放得到加强，对气旋的发展起到增强作用。为保持静力平衡，对流层中下层上升运动造成的绝热冷却，对气旋的发展起到抑制作用。

5 总结与讨论

通过上面对2007年3月发生在我国黄渤海的一次入海气旋发生与发展过程的动力学分析和气旋中心上层Z-O涡度倾向影响因子的诊断分析，得到以下结论。

(1) 气旋启动机制主要来自低层锋区和斜压性；在气旋的发展过程中，处在高空槽前的地面气旋中心对流层上层一直保持着正的温度平流，有利于高空槽的发展；高层涡度平流在气旋发展初期时小，随着气旋发展，当高空槽逐渐接近低层低值系统时，高层涡度平流开始加大，高低层涡度平流差异成为气旋快速发展的主要动力。特别注意到，在气旋发展最强的12小时之前，高层的正温度平流和正涡度平流达到最大。

(2)200 hPa层北支急流核入口区的右侧与南支急流核出口区的左侧的辐散叠加作用，加强了气旋中心对流层中下层的辐合上升运动，上升运动的加强增加了对流层中下层的潜热释放；同时释放的潜热又进一步加强了上升运动，使气旋发展加强。

(3) 南北两支西风槽合并是这次气旋发展过程中的特殊环流形势。采用500 hPa地转绝对涡度场分析认为，从5日00时槽合并开始到5日12时槽合并结束，合并过程共经历了12小时。在槽合并过程开始后的6小时，气旋发展达到最强。在槽合并过程中，对流层上层正的温度平流和涡度平流均逐渐减少，对流层下层的垂直上升运动与潜热释放在过程开始时增强，表明槽合并期间对流层中高层的温度平流和涡度平流已经不是气旋发展的主要动力。槽合并过程使对流层中层的气旋性涡度增加，导致中下层的垂直上升运动加强，造成潜热释放增加，释放的潜热使地面进一步减压，气旋发展得到加强。可以认为，槽合并过程对气旋发展速率的提高有重要作用^[8]。

总体概括这次入海气旋的发生与发展过程，其启动机制与Petterssen等^[9]总结的第一类气旋发展过程较为相似，即气旋由低层开始，具有明显的锋区和斜压性；其发展机制又与第二类气旋发展过程较为相似，即高空槽移动到低层低值系统之上时，涡度平流增加，高低层涡度平流差异成为气旋快速发展的主要动力。而槽合并作为此次入海气旋发展的一个特点，即槽合并过程造成对流层中层的气旋性涡度增加使垂直上升运动增强，潜热释放增强，使气旋快速发展达到最强。