一次北上中亚气旋的结构演变与发生发展机制分析.pdf

张昕,熊秋芬,姜晓飞.2023.一次北上中亚气旋的结构演变与发生发展机制分析J.暴雨灾害,42(3):303-311.ZHANG Xin,XIONG Qi-ufen,JIANG Xiaofei.2023.Analysis of structure evolution and development mechanism of a Central-Asian cyclone moving northward J.Torrential Rain and Disasters,42(3):42(3):303-311(in Chinese).doi:10.12406/byzh.2022-222一次北上中亚气旋的结构演变与发生发展机制分析张昕，熊秋芬，姜晓飞(中国气象局气象干部培训学院，北京 100081)摘要：中亚气旋是造成新疆暴雨、暴雪、大风和沙尘等灾害性天气的一种主要天气系统。为深入了解中亚气旋的结构特征和形成原因，以2017年8月1112日一次典型北上路径中亚气旋活动过程为例，利用常规气象观测资料、卫星水汽图像与NCEP再分析资料，分析了该中亚气旋的活动特征及环流形势，揭示了其垂直热力和动力结构特征，重点根据准地转理论和位涡守恒原理讨论了其发生发展机制。结果表明:(1)中亚气旋形成于500 hPa高空槽前、伴有850 hPa低涡和切变线影响以及高空辐散等有利环流背景之下。(2)水汽图像显示中亚气旋从初生、发展到减弱阶段，对应云系经历了由斜压叶状转变为逗点状、再由逗点状演变为螺旋状的过程。(3)地面气旋中心物理量垂直剖面显示，地面气旋初生时，其中心西侧有明显锋区并伴有正相对涡度柱，上升运动仅位于锋区以上；地面气旋发展时，锋区增强且变陡，锋区上下均存在强上升运动，气旋中心上空对流层低层正相对涡度值增大，其西侧对流层高层有正相对涡度高值区东移接近地面气旋中心；气旋减弱时，气旋西侧锋区减弱，其上空垂直上升运动也变弱，低层正相对涡度减小、整层正涡度区变陡。(4)气旋活动过程中，700 hPa暖平流明显增强、高低空涡度平流差值增大以及高空辐散增强有利于气旋发生发展；另外，高空干空气的高值位涡区下沉及位涡梯度正值中心东移伴随地面气旋发展。关键词：中亚气旋；准地转理论；位涡；位涡梯度；物理机制中图法分类号：P443文献标志码：ADOI:10.12406/byzh.2022-222收稿日期：2022-11-08；定稿日期：2023-02-10资助项目：中国气象局短时临近预报教学科研团队项目；中国气象局气象干部培训学院中短期天气预报教学团队项目；中国气象局气象干部培训学院科研项目(青2021-003)第一作者：张昕，主要从事降水天气分析预报教学与研究。E-mail:通信作者：熊秋芬，主要从事天气分析预报教学与研究。E-mail:暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERSVol.42 No.3Jun.2023第42卷 第3期2023年6月Analysis of structure evolution and development mechanism of aCentral-Asian cyclone moving northwardZHANG Xin,XIONG Qiufen,JIANG Xiaofei(China Meteorological Administration Training Center,Beijing 100081)Abstract:Central-Asian cyclone is one of the major synoptic systems that causes disastrous weather such as heavy rain,snowstorm,strongwind,and sand dust in Xinjiang.In order to deeply explore the structure and the formation of Central-Asian cyclones,taking a Central-Asian cyclone with typical northward path from August 11 to 12 in 2017 as an example,we analyze its activity characteristics and circulation situation,using conventional meteorological observations,FY satellite water vapor images,and NCEP reanalysis data.We reveal itsvertical thermodynamic structural characteristics,with the focus on its mechanism of occurrence and development based on the quasi-geostrophic theory and the potential vorticity conservation.The main results are as follow.(1)The Central-Asian cyclone in front of the hightrough at 500 hPa is due to the low vortex and shear line at 850 hPa and the divergence in upper atmosphere.Such condition and backgroundis favorable to the occurrence of Central-Asian cyclone.(2)It can be seen from the water vaper images that the Central-Asian cyclone is invarious stages from initial,development,and weakening,and the corresponding cloud systems in the three stages experience a transition froma baroclinic leafy shaped to a comma shaped,and then to a spiral shaped.(3)Vertical cross sections of physical fields in the center of surfacecyclone show that there is an obvious cold front and a positive relative vorticity column at the beginning of the cyclone,and the upward motion is only located above the frontal zone.During the development of cyclone,the front intensified and steepened with strong upward motionboth above and below.The positive relative vorticity at the lower level above the cyclone center increases,and the high positive relative vorticity at the upper level on the west side moves eastward towards the cyclone center.At the weakening stage of the cyclone,the front zone on第42卷暴雨灾害引言中亚地处中纬度西风带，副热带急流多在此分支，且极锋急流和副热带急流也常在此汇合，这为中亚地面锋面气旋(简称中亚气旋，下同)的发生发展提供了有利条件。中亚气旋是造成新疆暴雨、暴雪、大风、沙尘等灾害性天气的主要系统之一(张家宝等，1986；黄玉霞等，2019)。中亚气旋的概念最早由张家宝等(1986)在20世纪80年代提出，他们分析中亚气旋的活动特征及其与新疆降水天气的关系发现，仅新疆春季降水，其三分之二的过程均与中亚气旋的活动影响有关(张家宝和邓子风，1987)。熊秋芬等(2021)统计新疆115次强降水过程表明，其中24次强降水过程伴随有中亚气旋；在此基础上，他们进一步完善了中亚气旋的定义条件，并构建影响新疆的中亚气旋高低空系统配置、降水落区及输送带三维结构模型。他们将中亚气旋定义为在6090E、3555N范围内生成并满足下列条件的气旋:1)以2.5 hPa间距绘制地面等压线，地面图上至少有一条闭合等压线；2)850 hPa或700 hPa上有低涡系统存在，但气旋初生时以 4 dagpm 间隔绘制等高线时，500 hPa 仅有低槽而未发展成低涡；3)气旋生成后24 h内给新疆造成强降水。然而，中亚气旋的结构、形成和发展受所处地理位置、高中低纬环流形势以及中亚地形地貌的影响，其物理过程较为复杂，加上部分地区观测资料缺乏，对中亚气旋的研究较少，且多集中在中亚气旋的天气学特征及其与新疆降水的关系等方面(张家宝等，1986；张家宝和邓子风，1987；庄晓翠等，2010；熊秋芬等，2021；苏小岚等，2021；姜晓飞等，2021)，但对其结构特征与发生发展机制的研究还有待深入。近些年来，准地转理论广泛应用于我国中东部地区锋面气旋发生发展机制研究中(周小刚等，2013；王秀明等，2013)，为加深对锋面气旋的认识提供了重要参考。另外，多年来位涡因能综合反映大气的运动特征与热力特征(Hoskins et al.，1985；Hoskins，1997；寿绍文等，2003；陶祖钰等，2012)，在我国黄河气旋、黄海气旋以及蒙古气旋等天气系统的活动与发展研究中得到广泛应用(张伟等，2006；黄彬等，2011；熊秋芬等，2016a，2016b，2016c)。为此，本文以2017年8月1112日一次典型的以北上路径影响新疆的中亚气旋过程(以下简称“811”过程)为例，借鉴Petterssen(1956)文献中的锋面气旋斜压发展思路及上述研究中对蒙古气旋、江淮气旋等的分析思路与方法，利用常规高空、地面资料及FY-2G水汽云图、NCEP逐6 h再分析资料，分析中亚气旋的强度变化与移动特征、环流背景及其热力、动力结构，并利用准地转理论及位涡、位涡梯度等物理量，对其发生发展机制进行了探讨，期望加深对新疆中亚气旋致灾天气的认识，为提高当地强降水预报预警和服务能力提供参考。1“811”过程中亚气旋的活动特征与环流形势1.1 中亚气旋强度变化、移动路径与天气实况中亚气旋在乌兹别克斯坦塔什干南部地区生成后以东北移向路径为主(张家宝和邓子风，1987)，影响包括新疆在内的“丝绸之路”经济带核心区。2017年8月11日08时(北京时，下同)，地面图上在中亚巴尔喀什湖东北部可见气旋生成，其中心气压为993 hPa(图1)。该气旋表现为具有一条闭合等压线的涡旋，与气旋相伴的冷锋位于巴尔喀什湖东部到南疆西部。此时，新疆处于中亚气旋东侧，受其影响，喀什地区开始出现小雨(图略)。随后，该气旋向东北方向移动，强度不断增强，至当日20时，其中心气压降至990 hPa，气旋活动处于爆发阶段，雨区也随之向东北方向发展，降水中心位于伊犁河谷，降水强度继续增大(图1)。12日02时，上述气旋到达新西伯利亚后开始出现锢囚，气旋活动进入减弱阶段，其中心气压逐渐升高，降水中心仍维持在北疆沿天山一带，但强度趋于减弱。结合熊秋芬等(2021)对中亚气旋的定义条件，从其发生发展过程看，造成“8 11”过程降水的地面锋面气旋属于典型的中亚气旋。受中亚气旋和与之相伴的冷锋共同影响，“8 11”过程中北疆多地出现小雨，其中伊犁河谷、沿天山一带、天山山区、巴州北部等地部分地区出现中到大雨，山区局部出现暴雨，降水中心位于伊犁州新源县吐尔根站，该站11日14时12日23时累积降水量为75.9 mm(熊秋芬等，2021)。its west side and the upward motion over and below the cyclone weakens,with the positive relative vorticity at lower level decreasing and thewhole positive relative vorticity column becoming steeper.(4)The warm advection at 700 hPa increases significantly,the difference of vorticity advection between high and low levels increases,and the divergence at the high level strengthens,which leads to the occurrence and development of the cyclone.In addition,the subsidence of the high potential vorticity zone of dry air at the high level and the eastward moving ofpositive gradient center of potential vorticity contribute to the development of cyclone.Key words:Central-Asian cyclone;quasi-geostrophic theory;potential vorticity;potential vorticity gradient;physics mechanism304第3期张昕，等：一次北上中亚气旋的结构演变与发生发展机制分析1.2 中亚气旋发生发展的环流背景“8 11”过程中亚气旋生成前的8月10日20时(图2a)，500 hPa欧亚中高纬地区维持“两脊一槽”形势，两高分别位于乌拉尔山和鄂霍茨克海地区，两高之间为宽广低槽区，冷涡中心位于西西伯利亚。伴随冷涡发展，在冷平流的作用下，中亚副热带锋区逐渐加强。11日08时，冷涡南侧的冷槽分为南北两支，其中南支冷槽位于咸海附近，槽前暖平流明显(图2a)，对应700 hPa和850 hPa在巴尔喀什湖附近分别有切变线和低涡形成，地面有暖低压存在。在低涡附近东西两侧的冷、暖平流作用下，地面图上可见暖低压发展为伴有冷锋和暖锋的地面气旋，该气旋在卫星云图上表现为斜压叶状云系特征(图略)。11日20时，500 hPa冷槽继续加深东移(图2a)，850 hPa低涡及地面气旋继续发展并向东北方向移动(图2b)，气旋在卫星云图上呈现明显的逗点云系特征(图2c)。12日08时以后(图2d)，冷槽北段斜压性减弱，地面气旋随之锢囚，与气旋相伴的云系演变成螺旋云系。该过程中，中亚东部位于200 hPa高空急流出口区左侧及风向分流辐散场中(图略)，有利于巴尔喀什湖东北部至新疆北部地区上升运动发展。“8 11”过程中，受地面气旋、冷锋以及高空槽、低涡、切变线等天气系统的共同影响，新疆出现强降水。6 0005 0003 0002 0001 0005 002 000m40N8090E图1 2017年8月11日08时12日02时地面逐6 h中亚气旋中心位置(D)和强度(红色数字，单位:hPa)、11日20时12日02时6 h降水量(非等值线上黑色数字，单位:mm)与11日08时海平面气压(黑色等值线，单位:hPa)蓝色数字为时间，如1108，代表11日08时，余此类推；蓝色锯齿线、红色半圆线分别表示冷锋和暖锋，下同；填色表示新疆地区海拔高度(单位:m)Fig.1 The 6-hourly center location(D)and intensity(red numbers,unit:hPa)of Central-Asian cyclone on surface from 08 00 BT on 11 to02 00 BT on 12,the 6-hour accumulated precipitation(black numberson the non isolines,unit:mm)from 20 00 BT on 11 to 02 00 BT on 12,and the sea level pressure(black isolines,unit:hPa)at 08 00 BT 11August 2017.The blue numbers represent the times,such as 1108,representing 08 00 BT 11 August 2017,and the rest may be inferred byanalogy.Blue line with zigzags and red line with semicircularrespectively represent cold front and warm front,the same hereafter.Color-filled areas denote the altitude(unit:m)of Xinjiang图2 2017年8月11日20时500 hPa(a)和850 hPa(b)高度场(黑色等值线，单位:dagpm)与温度场(红色等值线，单位:)分布(棕色实线为槽线;D为低压中心;蓝色数字含义同图1)，以及11日20时(c)和12日08时(d)叠加了海平面气压场(黑色等值线，单位:hPa)的FY-2G水汽云图(D为地面气旋中心)Fig.2 Geopotential height(black isolines,unit:dagpm)and temperature(red isolines,unit:)at(a)500 hPa and(b)850 hPa at 20 00 BT on 11,and FY-2Gwater vapor image with the sea level pressure(black isolines,unit:hPa)at(c)20 00 BT 11 and(d)08 00 BT 12 August 2017.Thick brown lines denote trough lines,symbols“D”mark the centers of low,and the meaning of blue mumbers is thesame as shown in fig.1 in fig.a and fig.b.Symbols“D”in fig.c and fig.d mark the cyclone center on surface(a)(b)(c)(d)708090100E40N708090100E40N30708090100110E40N40N30708090100110E305第42卷暴雨灾害综上分析可知，造成新疆“8 11”强降水过程的中亚气旋为一浅薄斜压系统；不同于主要影响我国北方地区的蒙古气旋、黄河气旋等温带气旋，这些气旋的形成与极锋锋区活动关系密切(李兆祥和杨克明，1980；沈建国和王娴，1991)；本次过程中亚气旋在欧亚中高纬“东高西低”环流形势下由副热带锋区与暖湿气流共同作用而形成，其主要影响我国新疆地区。2“8 11”过程中亚气旋的结构特征通过对中亚气旋北上过程中三维结构及其变化特征的分析，可以探讨我国锋面气旋结构的多样性。考虑到熊秋芬等(2021)对“8 11”过程中亚气旋的水平结构特征已有详细分析，本文着重对该过程中亚气旋发生发展时段其中心附近的垂直热力、动力结构及其变化特征进行了分析。图3给出“8 11”过程中亚气旋不同阶段过其中心的位温、纬向风与垂直速度合成矢量(v-10w)以及相对涡度的纬向垂直剖面图。分析图3可知，气旋初生时的8月11日08时，气旋中心西侧对流层低层可见等位温线密集区，即冷锋锋区(图3a)。位于气旋中心附近的锋区之上形成较强的垂直上升运动，锋区内及锋区之下则为下沉运动。正相对涡度中心位于气旋上空对流层低层 800 hPa以下层，其强度达 1210-5s-1，对流层中上层 800400 hPa以负相对涡度为主。强的正相对涡度柱位于气旋西侧，贯穿整个对流层，表现为随高度向西倾斜的特点(图3d)。当日14时(图略)，气旋略有加强，锋区1815129630-3-6-9-12-15-18(f)(a)(d)(b)(e)(c)2003004005006007008009001 0002003004005006007008009001 0002003004005006007008009001 000气压/hPa气压/hPa气压/hPa1002003004005006007008009001 0001002003004005006007008009001 000气压/hPa气压/hPa气压/hPa202020556065707580859095E556065707580859095E1002003004005006007008009001 000图3 2017年8月11日08时沿48N(a,d)、11日20时沿50N(b,e)、12日02时沿51N(c,f)经地面气旋中心(D)的位温(蓝色等值线，单位:K)与纬向风(v)和垂直速度(10w)合成矢量(箭矢,单位:10-2m s-1)纬向剖面图(a,b,c)，以及相对涡度(填色区，单位:10-5s-1)与位涡梯度(蓝色等值线,单位:10-12m K s-1 kg-1)纬向剖面图(c,d,f)Fig.3 Zonal cross section of(a,b,c)the potential temperature(blue isolines,unit:K)and the composite vector(arrows,unit:10-2m s-1)of zonal wind(v)and vertical velocity(10w)and(c,d,f)the relative vorticity(color-filled areas,unit:10-5s-1)and potential vorticity gradient(blue isolines,unit:10-12m K s-1 kg-1)across the cyclone center on surface along(a,d)48N at 08 00 BT on 11,(b,e)50N at 20 00 BT on 11 and(c,f)51N at 02 00 BT on 12 August 2017306第3期张昕，等：一次北上中亚气旋的结构演变与发生发展机制分析变得陡峭，位于地面气旋中心附近的锋区上下层均为垂直上升运动；高层400200 hPa正相对涡度中心继续加强东移，使得气旋中心西侧整层正相对涡度柱变陡。到了20时，随着气旋进一步增强，上述锋区变窄且更为陡峭，气旋中心附近的锋区上下层垂直上升运动均有所增强(图3b)；低层900 hPa附近正相对涡度中心加强为1510-5s-1，高层400200 hPa正相对涡度中心东移并接近气旋中心上空位置，使得气旋中心上空整层相对涡度增大(图3e)。12日02时(图3c、3f)，随气旋中心西侧锋区减弱，气旋中心附近锋区上下层垂直上升运动和低层正相对涡度也随之减弱，气旋上空整层正相对涡度区几乎垂直，气旋不再发展。综上分析表明，中亚气旋初生阶段，气旋中心西侧存在冷锋锋区，强上升运动仅存在于锋区上方；气旋中心上空对流层低层有正相对涡度而中上层为负相对涡度；气旋中心西侧正相对涡度柱向西倾斜。气旋发展阶段，其中心西侧冷锋锋区加强且锋区变陡、锋区上下均产生较强垂直上升运动；气旋中心上空对流层低层正相对涡度增大，而高空正相对涡度中心东移接近地面气旋。气旋减弱阶段，其西侧锋区减弱，垂直上升运动随之变弱；低层正相对涡度减小、整层正涡度区变陡立。“8 11”过程中亚气旋的上述垂直结构特征与熊秋芬等(2016a)分析的一次影响华北、东北地区的锋面气旋的结构特征相似，但两次过程中高层正相对涡度增幅不同。究其原因，当气旋发展阶段其中心上空整层相对涡度增大时，后者气旋上空高层正相对涡度快速增加并超过低层，使气旋逐渐减弱，而“8 11”过程中，高层正相对涡度大小与低层相近，造成气旋迅速减弱。3“8 11”过程中亚气旋发生发展机制已有研究表明，以准地转涡度方程和热力学方程为基础的准地转运动理论可用来研究中高纬锋面气旋发生发展的成因(王秀明等，2013)。在“斜压二层模式”下，准地转垂直运动方程(即准地转方程)可表示为(周小刚等，2013)-212-Vg2p+f202Dp-Vg1(g1+f)+Vg2(g3+f)(1)其中，下标1、2、3分别代表对流层上层、中层和下层；左侧项是垂直运动项，右侧第一项是厚度平流(即温度平流)的拉普拉斯，第二项是高、低层涡度平流微差。地面气旋的发展可由上式(1)来判断。通过上式中的温度平流和高、低层涡度平流微差可以确定垂直运动区域。若对流层中层为上升运动、低层为辐合，地面气旋式环流加强，引起地面气旋发展；反之，地面气旋减弱。上述准地转垂直运动方程是在干空气和绝热条件下导出的，当发生降水现象时，地面气旋的发展还需考虑非绝热加热的作用。“8 11”过程中，强降水属于锋面降水，气旋中心附近降水很弱，凝结潜热释放对气旋发生发展的作用较小，故分析时忽略非绝热加热的作用。另外，Rossby(1940)和Ertel(1942)在20世纪40年代初提出位涡概念，是指绝对涡度矢量与位温梯度矢量的点乘，也是一个包含了动力因子和热力因子的物理量。位涡在绝热、无摩擦干空气中具有严格的守恒性。一直以来，位涡理论被广泛用来分析气旋的发生发展(张伟等，2006；黄彬等，2011；熊秋芬等，2016b，2016c)。因此，本文基于准地转理论和位涡理论，主要讨论温度平流、涡度平流、位涡和位涡梯度对“8 11”过程中亚气旋发生发展的影响。3.1 温度平流对地面气旋的影响“8 11”过程气旋生成前的8月10日20时11日02时(图略)，700 hPa巴尔喀什湖及其附近地区暖平流增强；至11日08时(图4a)，巴尔喀什湖东北部附近地面气旋上空700 hPa暖平流达310-4K s-1以上。根据式(1)，700 hPa暖平流伴随着对流层中层的上升运动(图3a)，在上升过程中大气柱会被拉长，大气柱密度减小，对应地面气压下降，即暖平流的减压作用有利于地面气旋形成。随着 500 hPa南支冷槽、中低层低涡、切变线及地面气旋的东移，位于气旋东侧暖区中的北疆西部及天山 11 日下午开始产生降水。11日20时(图4b)，巴尔喀什湖东北部700 hPa暖平流区向东北方向移动，地面气旋气压继续下降并沿暖平流方向向东北移动到达新疆以北，表现出地面气旋移向上升运动区(或暖平流更大区域)的移动特征。对流层中层上升运动较前一时次增强(图3b)，地面气旋继续发展加强。受700 hPa和850 hPa东移的低涡、切变线及地面气旋和冷锋的影响，新疆西部降水增强。12日02时后(图略)，700 hPa暖平流减弱，对流层中层上升运动减弱，中心位于蒙古高原西部萨彦岭的地面气旋虽然继续向东北方向移动，但其移动变缓，中心气压不再下降，地面气旋停止发展，新疆西部和北部降水逐渐减弱。结合“8 11”过程，通过对准地转垂直运动方程中温度平流的分析可知，中亚气旋初生阶段，受700 hPa西南气流影响，巴尔喀什湖东北部暖平流显著增强，有利于地面气旋形成；气旋发展阶段，700 hPa暖平流高值区向东北方向移动，地面气旋上空上升运动加强，此时气旋快速发展并沿暖平流方向向东北移动到达新疆以北；随着700 hPa暖平流减弱，对流层中层上升运动减弱，气旋强度也逐渐减弱。307第42卷暴雨灾害3.2 涡度平流对地面气旋的影响本文上一小节讨论了温度平流对中亚气旋的影响，而准地转垂直运动方程的另一个强迫项，即高、低层涡度平流微差，对中亚气旋究竟有何影响？对其讨论如下。这里，分别选取700 hPa和300 hPa代表对流层上层和下层。“8 11”过程巴尔喀什湖附近中亚气旋生成前的8月10日20时(图略)，700 hPa哈萨克丘陵附近为正涡度平流，该地区在300 hPa层也有正涡度平流，但散度接近于零。至11日02时(图略)，上述地区700 hPa转为负涡度平流，300 hPa正涡度平流区范围有所增大，且有弱的高空辐散。当日08时，700 hPa(图5a)哈萨克丘陵东部附近的负涡度平流(-110-9s-2)进一步增强，300 hPa该处(图5c)正涡度平流(310-9s-2)和辐散区60708090100E60N55504540353060708090100E531-1-3-5-7(a)(b)图4 2017年8月11日08时(a)和20时(b)700 hPa温度平流(填色区，单位:10-4K s-1)水平分布(D为地面气旋中心，白色区域表示地形高度大于3 000 m)Fig.4 Temperature advection(color-filled areas,unit:10-4K s-1)at 700 hPa at(a)08 00 BT and(b)20 00 BT on 11 August 2017.Symbols“D”mark the cyclone center on surface,and the white areas denote the terrain height greater than 3 000 m60708090100E60N55504540353060N55504540353060708090100E975310-1-3-5-7-9201260-6-12-20图5 2017年8月11日08时(a,c)和20时(b,d)700 hPa涡度平流(填色区，单位:10-9s-2)分布(a,b)以及300 hPa涡度平流(填色区，单位:10-9s-2)与散度(等值线，单位:10-5s-1)分布(c,d)D为地面气旋中心；图a、b中，白色区域表示地形高度大于3 000 mFig.5(a,b)Vorticity advection(color-filled areas,unit:10-9s-2)at 700 hPa at(a)08 00 BT and(b)20 00 BT on 11,and(c,d)the superposition of vorticityadvection(color-filled areas,unit:10-9s-2)and divergence(isolines,unit:10-5s-1)at 300 hPa at(c)08 00 BT and(d)20 00 BT on 11 August 2017.Symbols“D”mark the cyclone center on surface,and in fig.a and fig.b the white areas denote the terrain height greater than 3 000 m(a)(b)(c)(d)308第3期张昕，等：一次北上中亚气旋的结构演变与发生发展机制分析范围增大、强度增强。由式(1)可知，上层300 hPa正涡度平流引起辐散，高低层涡度平流差值变大，从而中层产生上升运动，即由正的高低空涡度平流差值引起的上升运动(图3a)。随着高低空涡度平流差值增大，上升运动增强，低层辐合增强，有利于地面正涡度增强，使得气旋生成和发展。11日20时，700 hPa(图5b)负涡度平流区在向东北方向移动的过程中略有减弱，但300 hPa(图5d)正涡度平流区(910-9s-2)和辐散继续增强，高低空涡度平流差值进一步增大，对应地面气旋强度继续增强。12日02时后(图略)，随高低空涡度平流差值减小，高空辐散减弱，气旋不再发展。对准地转垂直运动方程中涡度平流的分析表明，“8 11”过程哈萨克丘陵东部附近高低层涡度平流差值变大，300 hPa有正涡度平流引起辐散，对流层中层产生上升运动，有利于中亚气旋生成，随着高低空涡度平流差值不断增大以及高空辐散增强，有利于上升运动增强，从而使得气旋进一步发展加强。3.3 位涡及位涡梯度对地面气旋的影响在自由大气中，p坐标下的位涡(PV)可表示为(寿绍文，2010)PV=-g(P+f)p(2)其中，P为相对涡度垂直分量；f为地转涡度；-(/p)为静力稳定度；g为重力加速度。位涡在绝热、无摩擦的干空气中具有严格的守恒性，常被作为大气动力学中一个动力示踪物(张伟等，2006)。本文用相对湿度小于70%且位涡PV=1 PVU的等值线代表高层干空气的前边界。为进一步揭示高层干空气对气旋发展的作用，图6给出“8 11”过程8月11日不同时刻经地面气旋中心的位涡、位涡梯度和相对湿度纬向剖面图，用于分析位涡、位涡梯度与地面气旋发展的关系。1002003004005006007008009001 000气压/hPa556065707580859095E556065707580859095E908070(a)(b)图6 2017年8月11日08时沿48N(a)、20时沿50N(b)经地面气旋中心(D)的位涡(黑色等值线，单位:PVU)、位涡梯度(蓝色等值线，单位:10-12m K s-1 kg-1)和相对湿度(填色区，单位:%)纬向剖面图(灰色遮蔽区为地形)Fig.6 Zonal cross section of potential vorticity(black isolines,unit:PVU),potential vorticity gradient(blue isolines,unit:10-12m K s-1 kg-1)and relative humidity(color-filled areas,unit:%)across the cyclone center at the surface along(a)48N at 08 00 BT and(b)50N at 20 00 BT on 11 August 2017.The gray shaded area represents terrain height从图6中看到，11日08时(图6a)，位于巴尔喀什湖东北部的地面气旋中心西侧对流层上层有干空气位涡异常区延伸至对流层中层。高层位涡高值区对应图3a中的下沉速度区，表明干空气从对流层上层下沉侵入气旋中心西侧。同时，对流层中低层也存在1PVU的位涡中心。至11日20时(图6b)，对流层上层位涡大值区东移至地面气旋中心上空，高层干空气前边界由500 hPa下降至600 hPa，高层干空气侵入气旋中心上空，叠加在原来对流层中低层1 PVU位涡中心上方。根据位涡守恒原理可知，在干空气移动过程中气块静力稳定度下降必然导致气块绝对涡度增大(张伟等，2006)。由前述对气旋中心附近垂直热力结构(图3)的分析可知，随着锋面加强、锋区变陡峭，使得气旋中心上空大气静力稳定度不断减小，导致来自高层稳定环境的干空气在向气旋中心上空移动过程中气块绝对涡度不断增大，即地面气旋中心上空正涡度不断加强，有利于气旋发生发展。位涡梯度与绝对涡度的关系密切，可以反映位涡的异常程度。从图6还可看到，对流层高层有位涡纬向梯度正、负中心，对应位涡异常区域，位涡梯度正值中心东移表示沿西风方向正涡度平流的强度。结合309第42卷