山東近海溫帶氣旋強南向大風(fēng)的特征分析

周淑玲，單寶臣，盛春巖

（1.威海市氣象局，山東 威海 264200；2.山東省氣象科學(xué)研究所，山東 濟南 250031）

海上大風(fēng)是一種強災(zāi)害性天氣，人們對這類天氣的研究一直在進行（Gbruce 2012；Philip 2012；張磊 等，2012；李維鋒，2004；楊彩福 等，2002）。黃、渤海是大風(fēng)頻發(fā)海域，許多人對這個海域的大風(fēng)成因進行了研究，趙強等（2008） 研究渤海秋冬季偏北大風(fēng)海陸風(fēng)力的差異，得出不同形勢下天津、大連與渤海風(fēng)力的差異；高山洪等（2001），盛春巖等（2012） 對渤海典型大風(fēng)個例進行了動力診斷分析；顏梅等（2004） 研究了黃渤海大風(fēng)的客觀相似預(yù)報。山東瀕臨黃渤海，近海強大風(fēng)是山東重要的災(zāi)害性天氣之一，常常造成海上交通運輸停運，有時還會造成嚴(yán)重的災(zāi)害，如1999年大風(fēng)造成的渤?！?1.24”海難事件，有280 多人死亡，林曲鳳等（2000） 對此次過程成因分析中認(rèn)為其與發(fā)展的黃河氣旋有關(guān)，尹盡勇等（2009） 統(tǒng)計了冬季黃渤海大風(fēng)與漁船風(fēng)損失的關(guān)系。以上研究多數(shù)是冷空氣影響下的偏北大風(fēng)，目前較詳細地對強南向大風(fēng)的研究還比較少。

強南向大風(fēng)發(fā)生的頻率少于北大風(fēng)，有的出現(xiàn)在強北大風(fēng)之前，容易被北大風(fēng)的現(xiàn)象掩蓋，但此類大風(fēng)有時強度也很大，如1971年6月25-26日山東近海分別出現(xiàn)風(fēng)速日最大值為32.0 m/s和30.0 m/s 的東南大風(fēng)。溫帶氣旋是造成山東近海強南向大風(fēng)的主要天氣系統(tǒng)之一，尤其強烈發(fā)展的溫帶氣旋，造成的強南向大風(fēng)極易成災(zāi)。為了對強南向大風(fēng)的成因有系統(tǒng)性的認(rèn)識，本文在對山東沿海強南向大風(fēng)進行氣候統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，重點選取溫帶氣旋造成山東強南向大風(fēng)進行分析，并分別對北方氣旋和南方氣旋造成強南向大風(fēng)的因素進行分析，找出兩類氣旋造成山東近海強南向大風(fēng)的異同，以期為山東近海強南向大風(fēng)的預(yù)報提供有指導(dǎo)意義的參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

選取1971-2010年40年山東沿海、近海觀測站地面10 m 大風(fēng)的觀測資料對強南向大風(fēng)進行氣候特征分析。根據(jù)山東沿海觀測站的特點，選取長島、蓬萊、煙臺、威海、成山頭、青島為代表站，分別代表山東北部近海和南部近海。

利用2000-2010年的MICAPS 歷史天氣圖和NCEP/NCAR 1°×1°的6 h 再分析資料分析造成強南向大風(fēng)的因素特征。

1.2 方法

強南向大風(fēng)日的定義：根據(jù)中國氣象局的業(yè)務(wù)規(guī)范，在以上代表站中，每日只要有一個氣象觀測站出現(xiàn)7 級以上（日最大風(fēng)風(fēng)速≥13.9 m/s）的南向大風(fēng)（風(fēng)向范圍90°～270°），即為一個強南向大風(fēng)日。

采用統(tǒng)計分析、天氣學(xué)和天氣動力診斷分析方法，分析山東近海溫帶氣旋強南向大風(fēng)的氣候特征及造成強南向大風(fēng)的天氣和動力機制。

2 強南向大風(fēng)氣候特征

根據(jù)1971-2010年山東近海觀測站地面10 m大風(fēng)的觀測資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)強南向大風(fēng)具有明顯的月際與年際特點。

月際分布特點：山東近海強南向大風(fēng)月平均日數(shù)最多出現(xiàn)在4月，為6.8 天，次之是5月，為6天，最少的是9月，為0.8 天。強南向大風(fēng)主要出現(xiàn)在春季，次之為夏季（圖1a）。

年際分布特點：1971-2010年40年山東近海強南向大風(fēng)年日數(shù)基本呈逐漸減少的趨勢，出現(xiàn)最多的是1979年，為59 天，次之是1972年，為58天，1971-1979年，每年出現(xiàn)強南向大風(fēng)的日數(shù)在44～59 天之間，1980-1990年每年出現(xiàn)強南向大風(fēng)的日數(shù)在30～47 天之間，1990-2010年每年出現(xiàn)強南向大風(fēng)日數(shù)＜30 天，最少的是1999年和2008年，為6 天（圖1b）?？梢姡綎|近海7 級以上的強南向大風(fēng)1971-1990年為多大風(fēng)時段，1991-2010年強南向大風(fēng)年日數(shù)明顯減少。

圖1 1971-2010年40年山東近海強南向大風(fēng)（a）月平均日數(shù) （b）年日數(shù)

3 強南向大風(fēng)特征與溫帶氣旋活動的關(guān)系

統(tǒng)計2000-2010年山東近海7 級以上南向大風(fēng)的個例，發(fā)現(xiàn)，溫帶氣旋是造成山東近海強南向大風(fēng)的主要天氣系統(tǒng)，其可分為北方氣旋（蒙古氣旋、黃河氣旋） 和南方氣旋（江淮氣旋、黃淮氣旋）。北方氣旋是發(fā)生在極鋒鋒區(qū)上的鋒面氣旋，南方氣旋是副熱帶鋒區(qū)上低槽引起的鋒面氣旋，由于這兩條鋒帶特點存在異同，造成強南向大風(fēng)的因素也有異同。本文首先分析南、北方氣旋造成強南向大風(fēng)的因素，找出兩類氣旋造成強南向大風(fēng)因素的主要及次要作用，進而分析兩類氣旋造成強南向大風(fēng)的共同特征和差異。

地面高、低壓之間的等壓線越密集，越利于由氣壓梯度力產(chǎn)生的空氣運動而造成大風(fēng)天氣過程；暖平流中心是上升運動區(qū)，低空暖平流越大，越有利于氣旋發(fā)展和大氣的運動；低空偏南急流有利于水汽和能量向北輸送，利于氣旋的發(fā)展和南向大風(fēng)的產(chǎn)生；暖平流和偏南急流的共同作用易產(chǎn)生南向大風(fēng)；地面3 小時變壓中心區(qū)與變壓風(fēng)的輻合上升（負(fù)中心區(qū)） 和輻散下沉（正中心區(qū)） 有關(guān)，變壓分布可定性判斷變壓風(fēng)的風(fēng)向和強弱。本文重點討論氣壓梯度力、高低空急流、高低空暖平流、地面3 小時變壓等影響強南向大風(fēng)的因素。

3.1 北方氣旋的強南向大風(fēng)

當(dāng)蒙古氣旋強烈發(fā)展時，山東近海處于它的南部暖區(qū)中，在日本南部到朝鮮南部為變性高壓，形成東南高、西北低的氣壓場，常造成強南向大風(fēng)。黃河氣旋東移過程中與海上高壓形成東高西低的天氣形勢場，也常影響山東近海造成強南向大風(fēng)。

此類型的天氣形勢為：高空在貝加爾湖地區(qū)為冷渦，渦后有冷空氣中心和冷平流，渦前有暖脊和暖平流，低空有西南急流，地面在蒙古東部為氣旋，并在華北到河套下游有冷鋒，同時在日本南部到朝鮮南部為入海發(fā)展的高壓，形成東南高、西北低的氣壓場，在高、低壓之間，山東半島到遼寧為等壓線密集帶，強南向大風(fēng)發(fā)生在等壓線密集的區(qū)域。

2009年6月19日受蒙古氣旋影響，威海出現(xiàn)強偏南大風(fēng)，強大風(fēng)持續(xù)時間：19日1∶37-13∶56，共12 個小時，其中最大風(fēng)風(fēng)速為14.6 m/s（7 級），出現(xiàn)在19日10∶30，極大風(fēng)風(fēng)速為21.9 m/s（9級），出現(xiàn)在19日10∶21。

6月19日08時天氣形勢：500 hPa 在貝加爾湖西、700 hPa 在貝加爾湖、850 hPa 在貝加爾湖東分別有一冷渦，渦后冷空氣和渦前暖濕空氣都很明顯，850 hPa 暖溫度脊在渦前從東南向西北貫穿冷渦，925 hPa 在蒙古東部為低渦，渦槽前為西南急流（圖2a），地面蒙古氣旋發(fā)展移到蒙古東部48°N 附近，與氣旋相伴的冷鋒位于蒙古東部—華北東部—長江中游，日本南部到朝鮮半島為海上高壓，形成東南高、西北低的天氣形勢，冷鋒前有雷暴天氣和強南向大風(fēng)區(qū)（圖2b）。

造成本次強南向大風(fēng)的因素：

（1） 地面圖上東高西低，南向大風(fēng)出現(xiàn)在蒙古氣旋的東南部、冷鋒前部，高低壓之間氣壓梯度大的地方，即：沿37°N，高壓外圍到氣旋冷鋒之間（在117°-125°E 之間） 氣壓差為27.5 hPa，高壓外圍成山頭到低壓中心的氣壓差為17.7 hPa。

（2） 與地面3 小時變壓的關(guān)系：分析19日08時到20 時的3 小時變壓，可以發(fā)現(xiàn)：08 時和14時在40°-50°N 之間有一較大的正、負(fù)3 小時變壓對，南向大風(fēng)出現(xiàn)在負(fù)3 小時變壓中心南側(cè)與零線之間（圖2c，d），17 時，隨著冷空氣的和天氣形勢的變化，南向大風(fēng)出現(xiàn)的位置靠近正的3 小時變壓區(qū)。

（3） 暖的溫度平流特征：6月19日08時，850 hPa 和925 hPa 溫度平流在43°-45°N 氣旋東南側(cè)有暖平流大值區(qū)，中心值分別為40×10-5℃/s 和30×10-5℃/s，南向大風(fēng)區(qū)則位于850 hPa 和925 hPa暖平流大值區(qū)以南5-6 個緯度范圍內(nèi)（圖3 中陰影）。

（4） 低空急流：強南大風(fēng)的出現(xiàn)與低空急流有密切關(guān)系。分析925 hPa 圖發(fā)現(xiàn)，南向大風(fēng)出現(xiàn)在偏南急流軸附近。分析850 hPa、925 hPa V 風(fēng)風(fēng)速，在暖平流的東側(cè)有明顯的偏南急流中心，其中心值分別為25 m/s 和21 m/s（圖3），南向大風(fēng)區(qū)位于偏南急流中心南側(cè)5-6 個緯度范圍內(nèi)，這里為下沉、輻散區(qū)，利于強南向大風(fēng)的發(fā)生。

以上分析可以看出：氣壓梯度、低空暖的溫度平流和低空急流在北方氣旋造成的南向大風(fēng)中起主要作用，而地面3 小時變壓起次要作用。

3.2 南方氣旋的強南向大風(fēng)

圖2 （a）2009年6月19日08 時925 hPa 位勢高度場（實線，單位：dagpm）（黑粗箭頭為急流軸）（b）地面天氣圖（圖中標(biāo)有南向大風(fēng)和雷暴） （c）地面3 小時變壓 （d）14 時地面3 小時變壓

圖3 2009年6月19日08 時850 hPa（a）、925 hPa（b）的正溫度平流（陰影，單位：10-5 ℃/s），v 風(fēng)風(fēng)速（等值線，單位：m/s）（引自NCEP/NCAR 再分析資料）

南方氣旋造成山東近海強南向大風(fēng)有兩種類型，一是當(dāng)南方氣旋（黃淮氣旋、江淮氣旋） 強烈發(fā)展，其在向東北移動經(jīng)過山東半島及其近海時，山東近海處于它的前部暖區(qū)內(nèi)，常出現(xiàn)強的南到東南大風(fēng)。二是當(dāng)江淮氣旋發(fā)展在長江口附近入海時，會造成山東南部沿海東到東南大風(fēng)。

3.2.1 經(jīng)過山東半島及其近海的南方氣旋

此類型氣旋向東北移動經(jīng)過山東或山東近海，當(dāng)其強烈發(fā)展時，常常會造成強南向大風(fēng)。由于氣旋發(fā)展的強度不一樣，造成強南向大風(fēng)的大小和特征有相同的方面，也有很多差異，前者造成的強南向大風(fēng)強度大于后者。本文選取2007年3月3-5日爆發(fā)性發(fā)展和2000年5月9日非爆發(fā)性發(fā)展的兩個江淮氣旋個例，分析它們造成強南向大風(fēng)的異同。

2007年3月4日08 時500 hPa 圖上，北支槽位于河套東部，槽后有冷平流，南支槽位于河南到四川，北支槽接近南支槽，兩者前的西南氣流合并，山東處于槽前西南急流里，高空急流＞20 m/s；850 hPa 圖上，山東半島西部為一低渦，低渦前的西南暖濕急流和渦后的冷平流都很明顯，低渦處于發(fā)展中；地面圖上，3日23 時在安徽境內(nèi)有閉合低壓生成，其后向東北方向移動，4日08 時江淮氣旋已經(jīng)形成，并移到山東半島東部，西北路冷空氣的前鋒緊隨氣旋后方，氣旋繼續(xù)發(fā)展東移（圖4a），11 時移至成山頭東部的海面上，強度在不斷加深并急劇發(fā)展，20 時氣壓中心降至997 hPa，到5日08 時，氣旋中心氣壓降至最低，為983.9 hPa，4日08 時- 5日08 時氣旋中心24 小時下降了17.4 hPa，加深率為0.98，接近爆發(fā)性發(fā)展。3日20 時-5日08 時，受發(fā)展到成熟的氣旋影響，渤海到黃海北部一帶先后出現(xiàn)了強烈的南向大風(fēng)、東北大風(fēng)轉(zhuǎn)北到西北大風(fēng)。本次江淮氣旋是典型的焊接類南方氣旋，北支槽與南支槽合并、北支槽與700 hPa 西南渦結(jié)合，850 hPa 低空急流建立，河套冷鋒進入西南低壓倒槽產(chǎn)生地面氣旋，氣旋生成后發(fā)展，東移入海后爆發(fā)性發(fā)展。

2000年5月9日08 時，500 hPa、700 hPa 在華北為深槽區(qū)，槽前500 hPa 山東半島到中朝交界為≥20 m/s 的西南急流，700 hPa 為≥12 m/s 的偏南急流，850 hPa 在黃河下游為低渦，渦東側(cè)為暖溫度脊和≥12 m/s 的偏南急流，地面江淮氣旋9日5 時在安徽中部生成后向北移動，14 時氣旋移到蘇北，中心氣壓為1005 hPa（圖4b），20 時氣旋中心位于海陽—乳山沿海，同時在日本海為高壓。受其影響，在氣旋的東北部、850 hPa 低渦東側(cè)，高低壓之間氣壓梯度大的地方出現(xiàn)強南向大風(fēng)。

此類江淮氣旋造成強南大風(fēng)的因素：

圖4 （a）2007年3月4日08 時地面天氣圖 （b）2000年5月9日14 時地面天氣圖 （c）地面3 小時變壓圖 （d）地面3 小時變壓

（1） 地面圖上，爆發(fā)性氣旋的強南向大風(fēng)由氣旋本身造成，非爆發(fā)性氣旋的強南向大風(fēng)除氣旋本身外，還與氣旋東側(cè)的高壓有關(guān)，爆發(fā)性氣旋造成南向大風(fēng)的風(fēng)速大于非爆發(fā)性氣旋造成的強南向大風(fēng)風(fēng)速，兩種氣旋強南向大風(fēng)均出現(xiàn)在氣旋的東北部、東部和南部氣壓梯度比較大的地方。

（2） 3 小時變壓：分析兩個氣旋的3 小時變壓，爆發(fā)性氣旋正、負(fù)3 小時變壓都大于3 hPa，而非爆發(fā)性氣旋都為負(fù)3 小時變壓，且在3 hPa 以下。兩種氣旋強南向大風(fēng)都出現(xiàn)在負(fù)3 小時變壓中心的西側(cè)、南側(cè)。

（3） 暖的溫度平流：分析2007年3月4日08時高、低空暖平流特征，500 hPa 暖平流中心為10×10-5～20×10-5℃/s，位于氣旋南側(cè)，850 hPa 暖平流中心為80×10-5～100×10-5℃/s，位于氣旋北側(cè)，強南向大風(fēng)位于850 hPa 暖平流南側(cè)氣旋的影響范圍內(nèi)。分析2000年5月9日08 時暖平流，500 hPa 在氣旋的東北側(cè)有一暖平流，中心為30×10-5～40×10-5℃/s；850 hPa 在氣旋東北側(cè)有一中心為20×10-5～25×10-5℃/s 的暖平流，南向大風(fēng)區(qū)位于850 hPa 暖平流大值區(qū)南側(cè)氣旋影響范圍內(nèi)。可見，850 hPa 暖平流南側(cè)氣旋東側(cè)的區(qū)域為南向大風(fēng)發(fā)生的位置（圖5），但爆發(fā)性氣旋和非爆發(fā)性氣旋高、低空暖平流的位置和配置不一樣，強度也不同。

（4） 急流特征：分析V 風(fēng)風(fēng)速，2007年3月4日08 時，500 hPa 和850 hPa 均為≥30 m/s 的偏南急流中心，位于氣旋的東北側(cè)偏南急流。2000年5月9日08 時，在山東半島500 hPa 和850 hPa均為＞15 m/s 的偏南急流中心，位于氣旋的東北側(cè)，南向大風(fēng)發(fā)生在低空偏南急流的大值區(qū)附近（圖5），急流的大小與強南向大風(fēng)的強度成正比。

圖5 （a，c）2007年3月4日08 時和2000年5月9日08 時500 hPa （b，d）850 hPa 的正溫度平流（陰影，單位：10-5 ℃/s），v 風(fēng)風(fēng)速（等值線，單位：m/s）（引自NCEP/NCAR 再分析資料）

以上分析可以看出：地面氣壓梯度、低空暖的溫度平流和低空急流在南方氣旋造成的南向大風(fēng)中起主要作用，而3 小時變壓、高空暖平流和高空急流起次要作用。

3.2.2 在長江口或江蘇北部入海的南方氣旋

當(dāng)江淮氣旋發(fā)展并從長江口或江蘇北部入海，氣旋入海前，在氣旋的東—東北部氣壓梯度較大，易造成山東南部沿海出現(xiàn)東到東南大風(fēng)。

2000年5月26日08 時，500 hPa 在河套地區(qū)為北支槽，在山東半島為弱低壓環(huán)流，700 hPa、850 hPa 在蘇北到魯東南為低渦，青島為東南風(fēng)，地面圖上在長江下游為低壓氣旋，在日本南部為高壓，氣旋東到東北部氣壓梯度較大（圖6）。

造成大風(fēng)的因素分析：

（1） 氣壓梯度：強南向大風(fēng)出現(xiàn)在氣旋的東南—東—東北部氣壓梯度較大，氣旋北部的強南向大風(fēng)區(qū)位于850 hPa 低渦東側(cè)，處于西南急流和東南急流之間（圖6b）。

（2） 3 小時變壓：由圖6c 可以看出，3 小時變壓為≥0 hPa，沒有負(fù)變壓，強南向大風(fēng)出現(xiàn)在3小時變壓區(qū)0 線附近。

（3） 暖溫度平流：分析2000年5月26日08時溫度平流，500 hPa 氣旋附近冷、暖平流不明顯，850 hPa 在氣旋前有較強的暖平流，中心為20～25×10-5℃/s，強南向大風(fēng)區(qū)位于850 hPa 強暖平流區(qū)附近（圖7）?？梢姡?50 hPa 暖平流是強南向大風(fēng)產(chǎn)生的重要因素。

（4） 急流：分析5月26日08 時V 風(fēng)風(fēng)速，在山東半島500 hPa 偏南風(fēng)很小，850 hPa 東海北部有＞21 m/s 的偏南急流中心，偏南急流區(qū)從東海伸向華北，呈西北—東南向，同時，偏南急流區(qū)西側(cè)為較大的偏北風(fēng)，強南向大風(fēng)發(fā)生在偏南急流的大值區(qū)內(nèi)（圖7）?？梢?，冷、暖空氣的相互作用和偏南急流的存在，是強南向大風(fēng)出現(xiàn)的重要因素，強南向大風(fēng)出現(xiàn)在低空偏南急流附近。

以上分析可以看出：地面氣壓梯度、低空暖的溫度平流和低空急流在南方氣旋造成的南向大風(fēng)中起主要作用，而3 小時變壓、高空暖平流和高空急流起次要作用。

3.3 北方氣旋與南方氣旋造成的強南向大風(fēng)的共性與異性

北方氣旋和南方氣旋造成山東強南向大風(fēng)的共性：

圖6 （a）2000年5月26日08 時850 hPa 位勢高度場（實線，單位：dagpm）和溫度場（虛線，單位：℃） （b）地面天氣圖、（c）地面3 小時變壓

（1） 兩類氣旋產(chǎn)生強南向大風(fēng)都與地面等壓線密集、850 hPa 以下低空偏南急流和暖的溫度平流密切相關(guān)。

（2） 由圖3、圖5b、圖5d 和圖7b 可以看出：低空偏南急流西側(cè)都伴隨較強的偏北急流中心，氣旋后部都有偏北大風(fēng)。

北方氣旋和南方氣旋造成山東強南向大風(fēng)的異性特征：

（1） 北方氣旋造成的強南向大風(fēng)在地面氣壓場上是東（南） 高、西（北） 低，南方氣旋造成的強南向大風(fēng)在地面氣壓場上其東側(cè)不一定有高壓存在，尤其爆發(fā)性氣旋，氣旋周圍氣壓梯度較大，沒有高壓伴隨。

（2） 北方氣旋影響時地面存在較大的正、負(fù)3小時變壓對，而南方氣旋影響時，爆發(fā)性發(fā)展的氣旋地面存在較大的正、負(fù)3 小時變壓對，而非爆發(fā)性發(fā)展的氣旋地面不存在正、負(fù)3 小時變壓對，僅為負(fù)（或正） 的3 小時變壓。

（3） 北方氣旋伴隨冷鋒，強南向大風(fēng)位于鋒區(qū)的前部，在氣旋的東到東南部，南方氣旋多與低空切變線相伴，有的伴有暖鋒，強南向大風(fēng)出現(xiàn)的部位在氣旋的東北側(cè)、東側(cè)、東南側(cè)。

（4） 由圖3、圖5b、圖5d 和圖7b 中表明：北方氣旋低空暖平流位于V 風(fēng)大值區(qū)的西南側(cè)，而南方氣旋低空暖平流位于V 風(fēng)大值區(qū)的西北側(cè)（經(jīng)過山東半島的氣旋） 或東北側(cè)（在長江口入海的氣旋）。

4 結(jié)論

本文通過對溫帶氣旋造成山東近海強南向大風(fēng)的特征分析，得出如下結(jié)論：

（1） 山東溫帶氣旋造成的強南向大風(fēng)主要發(fā)生在春季和夏初，氣旋分為北方氣旋和南方氣旋。兩類氣旋造成強南向大風(fēng)的主要因素都是地面氣壓梯度、低空急流和低空暖平流，次要因素都與地面3小時變壓有關(guān)。

（2） 北方氣旋一般有冷鋒和海上高壓配合，強南向大風(fēng)出現(xiàn)在冷鋒前、低空暖平流大值區(qū)及其以南5-6 個緯度范圍內(nèi)、低空偏南急流中心及其南側(cè)5-6 個緯度范圍內(nèi)。

（3） 經(jīng)過山東半島及其近海的南方氣旋盡管強度不同，但造成山東近海強南向大風(fēng)的特點大同小異：強南向大風(fēng)都出現(xiàn)在氣旋的東北部—東部—東南部，位于850 hPa 暖平流南側(cè)、850 hPa 低空偏南急流大值區(qū)附近；差異為爆發(fā)性氣旋和非爆發(fā)性氣旋高、低空暖平流的位置和配置不一樣，出現(xiàn)南向大風(fēng)的強度也不同；在長江口或江蘇北部發(fā)展入海的南方氣旋造成山東的強南向大風(fēng)主要出現(xiàn)氣旋的東北側(cè)、850 hPa 低渦東側(cè)。

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