“130318”渤海強(qiáng)風(fēng)天氣成因分析

孫 青，盛春巖，劉 暢，范蘇丹

“130318”渤海強(qiáng)風(fēng)天氣成因分析

孫 青1,2，盛春巖3，劉 暢4，范蘇丹3

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093；2.山東省氣象局，山東濟(jì)南250031；3.山東省氣象科學(xué)研究所，山東濟(jì)南250031；4.山東省氣象臺，山東濟(jì)南250031）

應(yīng)用國家自動氣象觀測站資料、常規(guī)觀測資料和NCEP 1°×1°氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析資料，分析了2013年3月18日發(fā)生在渤海海域的一次強(qiáng)風(fēng)天氣過程，并剖析了其成因。結(jié)果表明：此過程為冷鋒影響下的偏北大風(fēng)，大風(fēng)影響過程中，自上而下形成了冷平流的傳輸通道，冷空氣向低層迅速傳播，造成近地面層強(qiáng)冷平流，是強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生的重要原因，同時(shí)冷空氣影響時(shí)，強(qiáng)烈變壓引起的變壓風(fēng)是強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生的另一重要原因。另外，前期增溫使得冷鋒來臨時(shí)鋒區(qū)強(qiáng)度加大，從而引發(fā)強(qiáng)風(fēng)。當(dāng)冷鋒過境，垂直鋒面的次級環(huán)流導(dǎo)致強(qiáng)烈的動量下傳也是造成瞬時(shí)強(qiáng)烈陣風(fēng)的重要原因之一。

冷鋒；動量下傳；變壓風(fēng)；次級環(huán)流

1 引言

山東半島北臨渤海海峽，東南臨靠黃海，近海海域占渤海和黃?？偯娣e的37%，海洋資源得天獨(dú)厚。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，海上災(zāi)害性天氣對人民生命財(cái)產(chǎn)安全的影響日益引發(fā)關(guān)注。近海強(qiáng)風(fēng)是山東沿海最常見的氣象災(zāi)害之一。近年來，山東新增了海島站、浮標(biāo)站和船舶站，為海上大風(fēng)的深入研究創(chuàng)造了條件。尹盡勇等[1]統(tǒng)計(jì)分析了冬季黃渤海海域大風(fēng)天氣過程及其與船損災(zāi)害的關(guān)系，指出冬季影響黃渤海的冷空氣過程主要來自西北路徑，風(fēng)災(zāi)事故占漁船全損事故的51.85%。吳曼麗等[2]分析了黃渤海北部沿海大風(fēng)的時(shí)空變化特征，指出該區(qū)域大風(fēng)主要出現(xiàn)在春季，冷鋒后部型大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多。李超等[3]分析了江蘇沿海大風(fēng)特征及其變化趨勢，發(fā)現(xiàn)春季沿海大風(fēng)以偏北風(fēng)為主。楊曉霞等[4]統(tǒng)計(jì)分析了山東沿海偏北大風(fēng)的特征并對其進(jìn)行天氣學(xué)分型，對各類型物理量空間結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理進(jìn)行了研究。

對于海上強(qiáng)風(fēng)的成因，不同學(xué)者先后從諸多角度進(jìn)行了深入分析。王雷[5]、項(xiàng)素清等[6]分析了2004年12月底浙北沿海冷空氣強(qiáng)風(fēng)過程，陳淑琴等[7]對2005年4月舟山群島的一次低壓大風(fēng)過程進(jìn)行了診斷分析，吳海英等[8]對2005年12月江蘇近海強(qiáng)冷空氣大風(fēng)發(fā)生發(fā)展的物理過程進(jìn)行了探討，盛春巖等[9]對2009年4月發(fā)生在渤海和山東的強(qiáng)風(fēng)過程進(jìn)行了動力學(xué)診斷，徐哲永等[10]對2010年3月舟山群島海域出現(xiàn)的一次大風(fēng)過程進(jìn)行了診斷分析。以上研究發(fā)現(xiàn)：在天氣尺度背景下，強(qiáng)冷空氣南下、氣壓梯度增大、高空動量下傳、地面變壓場及變壓梯度增強(qiáng)、中低空輻合輻散差異是造成邊界層強(qiáng)風(fēng)的主要原因。

2013年3月18日，渤海海面出現(xiàn)了一次強(qiáng)風(fēng)天氣過程，受其影響，由天津駛往浙江臺州的天津籍集裝箱貨輪“光陽新港”號，在渤海中部（38°6.4′N、119°36.5′E，龍口港西北約40 n mile，見圖1a）沉沒，船上14人遇難。本文利用自動氣象觀測站東營1號石油平臺站和煙臺紀(jì)姆島站資料、常規(guī)氣象觀測資料和NCEP再分析資料，采用了物理量診斷分析的方法，剖析了強(qiáng)風(fēng)天氣的成因，以期為海上強(qiáng)風(fēng)預(yù)報(bào)提供預(yù)報(bào)思路。

2 天氣過程概述

受冷空氣影響，3月18日渤海海面出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)天氣。根據(jù)氣象站觀測資料，氣溫從08時(shí)（北京時(shí)，下同）開始明顯下降，表明冷空氣已南下抵達(dá)該區(qū)域。大風(fēng)過程從18日上午開始，最大風(fēng)力時(shí)段為中午前后（見圖1b）。09時(shí)，萊州灣附近的東營1號石油平臺站（見圖1c）2 min平均風(fēng)速達(dá)20.8 m/s（9級），瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)29.1 m/s（11級）。12時(shí)，煙臺紀(jì)姆島（見圖1d）瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)22.5 m/s（9級）。14—17時(shí)，煙臺龍口附近沿海海面東北風(fēng)6級，陣風(fēng)8級，成山頭站出現(xiàn)7級大風(fēng)。

本文利用NCEP1°×1°氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析資料（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR），逐小時(shí)分析了此次強(qiáng)風(fēng)在海上的發(fā)展過程（圖略）。18日05時(shí)，渤海最北部的遼東灣開始出現(xiàn)6級以上東北風(fēng)，渤海中部和南部海域?yàn)槿醯钠蠚饬骺刂?。隨后，強(qiáng)風(fēng)區(qū)向南擴(kuò)張，東北風(fēng)最大風(fēng)速迅速增大到24.0 m/s。10時(shí)后，強(qiáng)風(fēng)影響范圍抵達(dá)萊州灣，此時(shí)，整個(gè)渤海為東北風(fēng)控制，強(qiáng)風(fēng)區(qū)風(fēng)力維持在20.0 m/s以上。17時(shí)，強(qiáng)風(fēng)區(qū)向東移出渤海。整個(gè)過程風(fēng)力最大時(shí)段為07—14時(shí)，與萊州灣附近沿海地面氣象觀測站觀測到的數(shù)據(jù)基本一致。

據(jù)了解，光陽新港輪于17日23時(shí)駛離天津港，行至渤海中部出事海域時(shí)為18日14時(shí)左右，此時(shí)渤海正處于風(fēng)力最大時(shí)段。據(jù)海洋資料顯示，從18日中午起，渤海中部出現(xiàn)2.0～3.5 m的浪區(qū)。強(qiáng)風(fēng)及大浪是引發(fā)海難事件的直接原因。此次過程主要影響渤海海面，而對陸地影響不大，強(qiáng)風(fēng)歷時(shí)短，發(fā)展迅速，雖提前做出了7級以上大風(fēng)的預(yù)報(bào)，但仍沒有避免悲劇的發(fā)生。

圖1 事故地點(diǎn)及選取的代表站風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速和溫度圖

3 天氣形勢分析

18日08時(shí)，高空500 hPa（見圖2a）上歐亞大陸中高緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流特征顯著，呈“一槽一脊”分布特征，高壓脊位于烏拉爾山以東地區(qū)，東亞大槽位于大陸東岸，東北地區(qū)有一冷渦發(fā)展，配合著-40℃冷中心。冷渦后部，高壓脊前部，冷空氣不斷下滑影響我國中東部地區(qū)。700 hPa（見圖2b）槽的位置偏東，850 hPa（見圖2c）等壓面上河套以東，華北地區(qū)鋒區(qū)發(fā)展強(qiáng)烈，14～16℃/10緯距，風(fēng)向與等溫線走向近乎垂直，冷平流較強(qiáng)。對應(yīng)此時(shí)海平面氣壓場（見圖2d）中，冷鋒自遼東半島東部海面經(jīng)黃渤海面延伸至華北地區(qū)南部，冷鋒前部有低壓發(fā)展，說明鋒前暖空氣較為強(qiáng)盛，導(dǎo)致鋒區(qū)強(qiáng)度較強(qiáng)。隨后，冷鋒攜帶冷空氣南下，造成了渤海和黃海強(qiáng)風(fēng)天氣?？梢姡舜螐?qiáng)風(fēng)天氣過程發(fā)生在經(jīng)向環(huán)流背景下，北路冷空氣自高緯南下，是一次冷鋒大風(fēng)天氣過程。

4 物理量場分析

利用NCEP氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析資料，對此次過程的物理量場進(jìn)行診斷分析。

4.1 邊界層溫度平流的演變

圖2 2013年3月18日08時(shí)環(huán)流形勢圖

通過天氣形勢場分析發(fā)現(xiàn)，在冷空氣影響過程中，850 hPa風(fēng)向與等溫線幾乎垂直，冷平流非常強(qiáng)。為了更清楚地分析冷空氣的演變過程，基于NCEP再分析資料，對溫度平流場進(jìn)行了診斷分析。這里主要分析邊界層溫度平流，分別取850 hPa、925 hPa和1 000 hPa3層等壓面的累積溫度平流進(jìn)行分析。17日20時(shí)（見圖3a）冷空氣影響渤海以前，邊界層強(qiáng)冷平流位于42°N以北的河套地區(qū)東部附近，最強(qiáng)冷平流超過-0.15 K/s，此時(shí)渤海正處于正溫度平流區(qū)，暖平流中心強(qiáng)度為0.1 K/s，渤海海面風(fēng)場為弱的偏南風(fēng)，最大風(fēng)力8 m/s。18日02時(shí)（圖略），渤海仍位于正溫度平流區(qū)，遼東灣暖平流強(qiáng)度增強(qiáng)為0.15 K/s，風(fēng)向仍偏南，風(fēng)力變化不大。08時(shí)（見圖3b）冷空氣開始影響渤海海面，相應(yīng)地,最大冷平流中心向南推進(jìn)到渤海灣附近，強(qiáng)度維持在-0.15 K/s以上，此時(shí)遼東灣海面轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，最大風(fēng)速增至22 m/s,冷空氣前沿剛剛抵達(dá)萊州灣。14時(shí)（見圖3c），山東北部內(nèi)陸被大范圍冷空氣控制，冷平流最強(qiáng)區(qū)位于魯西北，超過-0.3 K/s。此時(shí)，整個(gè)渤海區(qū)域全部轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，風(fēng)力在6級以上。20時(shí)（見圖3d），冷平流南移到魯南及蘇北一帶，中心強(qiáng)度減弱為-0.2 K/s，渤海轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，風(fēng)力減弱到10 m/s以下。此后，隨著冷空氣的進(jìn)一步南下變性，冷平流強(qiáng)度逐漸減弱，過程結(jié)束。

圖3 2013年3月17—18日地面風(fēng)場及850 hPa以下累積溫度平流的演變

4.2 溫度平流的垂直演變

為更清楚的分析冷空氣的空間演變特征，對風(fēng)場和溫度平流場沿120°E作了南北剖面。17日20時(shí)（見圖4a），700 hPa以上為一個(gè)深厚的冷平流區(qū)，中心位于37°N附近300 hPa高度，最強(qiáng)冷平流強(qiáng)度絕對值超過0.12 K/s，43°N以北550～700 hPa高度附近有弱冷平流。18日02時(shí)（見圖4b），冷平流大值區(qū)位于600～800 hPa高度，中心位于42°N附近750 hPa高度，強(qiáng)度增為-0.16 K/s。18日08—14時(shí)（見圖4c、d），冷平流控制區(qū)抵達(dá)地面，自上而下形成了冷平流的傳輸通道[7]（圖中黑色粗線所示），近地層轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，此時(shí)段為風(fēng)力最大時(shí)段（超過14 m/s，最大達(dá)20 m/s）。18日20時(shí)，冷平流的傳輸通道在對流層中層700 hPa左右高度被截?cái)?，對?yīng)近地面風(fēng)力驟減,冷空氣影響結(jié)束。

隨著冷空氣南下影響渤海，在近地面冷空氣南側(cè)的暖區(qū)也存在暖平流強(qiáng)度先增后減的過程。17日20時(shí)，近地層37°～39°N為暖平流控制區(qū)，但中心強(qiáng)度較弱，為0.02 K/s，配合有弱的偏西風(fēng)。18日02—08時(shí)，暖平流中心強(qiáng)度不變，范圍有所增大，近地層轉(zhuǎn)為較強(qiáng)的偏南風(fēng)，最大風(fēng)力超過20 m/s。14時(shí)，隨著冷平流南下，38°～43°N附近暖平流減弱消失。前期的暖平流輸送使得該區(qū)域近地面層維持較高的氣溫。因此，當(dāng)冷空氣影響渤海及山東時(shí)，冷暖空氣的對比加強(qiáng),從而使低空鋒區(qū)增強(qiáng)，是強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的一個(gè)重要因素。

圖4 2013年3月17—18日沿120°E的水平風(fēng)場和溫度平流垂直剖面圖

4.3 地面氣溫和變壓場的演變

根據(jù)地面測站觀測的2 m的氣溫的演變（圖略），冷空氣影響之前，山東大部分為偏南風(fēng)，氣溫較高。直到18日08時(shí)后，在較強(qiáng)的偏南風(fēng)和暖平流影響下，山東仍然維持較高的氣溫。當(dāng)冷空氣影響時(shí)，渤海及山東前期較高的氣溫使得冷暖空氣在該區(qū)對比更加強(qiáng)烈，溫度梯度加大，氣壓梯度顯著增強(qiáng)。

從地面測站的3 h變壓演變發(fā)現(xiàn)（圖略），隨著冷空氣不斷南壓加強(qiáng)，鋒后正變壓越來越大。18日02時(shí)，冷空氣剛開始影響渤海，鋒后3 h正變壓最大值超過3 hPa。18日08時(shí)，渤海灣附近測站的最大3 h變壓增加到6.2 hPa。18日14時(shí)冷空氣南下到山東時(shí)，大部分地區(qū)出現(xiàn)2.5 hPa以上的正變壓，魯中地區(qū)正變壓最強(qiáng)，普遍在4.5～5.8 hPa之間。顯然，冷空氣影響造成地面正變壓，變壓風(fēng)的產(chǎn)生是渤海強(qiáng)風(fēng)產(chǎn)生的另一重要因素。

4.4 變溫場的演變

圖5 2013年3月18日沿120°E的風(fēng)場和變溫場垂直剖面圖

利用NCEP再分析資料計(jì)算了冷空氣影響過程中6 h變溫場演變情況。圖5是6h變溫場沿120°E的垂直剖面圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，18日02時(shí)以前（見圖5a），在冷鋒影響區(qū)域，即40°N以北，自地面至600 hPa高度，均有較明顯的負(fù)變溫，最大負(fù)變溫超過-16℃，位于800～900 hPa，結(jié)合高空天氣形勢的演變可知，冷空氣已經(jīng)沿低渦后部滑下，造成中低層降溫。同時(shí)，在34°～39°N附近的山東內(nèi)陸地區(qū)900 hPa以下到地面層升溫明顯，6 h最大升溫幅度超過4℃。08時(shí)（見圖5b），冷鋒附近負(fù)變溫主要位于700 hPa以下，最大負(fù)變溫中心位于40°N上空900 hPa以下，最大負(fù)變溫超過-14℃。這表明，冷空氣主力位于700 hPa以下，其中900 hPa以下的冷空氣最強(qiáng)。此時(shí)整個(gè)渤海位于正變壓區(qū)。而在38°N附近海平面以上各層存在較強(qiáng)的偏南風(fēng)，致使該區(qū)域800 hPa以上有正變溫，37°N以南近地面為正變溫區(qū)，最大正變溫超過4℃。此時(shí)，影響渤海的強(qiáng)風(fēng)開始出現(xiàn)，勢力不斷增大。14時(shí)（見圖5c），冷空氣影響渤海，900 hPa負(fù)變溫中心南移到37°N，強(qiáng)度為-12℃。20時(shí)（見圖5d），冷空氣繼續(xù)南壓，負(fù)變溫中心位于34°N，高度降至1000 hPa以下的近地面，強(qiáng)度減弱為-10℃，渤海出現(xiàn)正變溫，冷空氣影響趨于結(jié)束。整個(gè)過程冷平流最強(qiáng)的時(shí)段為08—14時(shí)，正好對應(yīng)海面風(fēng)力最強(qiáng)的時(shí)段。

由此可見，中低層冷空氣主力由北向南迅速傳播，在影響渤海時(shí)，冷暖空氣對比增強(qiáng)了鋒區(qū)強(qiáng)度，造成了強(qiáng)風(fēng)。

4.5 垂直運(yùn)動場分析

圖6 2013年3月17—18日沿120°E的水平風(fēng)場和垂直速度場剖面圖

本次大風(fēng)過程具有歷時(shí)短、風(fēng)力大的特點(diǎn)，對冷空氣影響過程中的風(fēng)場和垂直運(yùn)動場沿120°E進(jìn)行南北剖面分析，考察動量下傳的情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，17日20時(shí)（見圖6a），冷空氣到達(dá)渤海前，鋒后42°N以北,從近地面到300 hPa附近為明顯的上升運(yùn)動區(qū)，中心位于800～900 hPa之間，強(qiáng)度達(dá)到-1.8 Pa/s，而渤海附近的下沉運(yùn)動極弱，接近于0 Pa/ s。18日02時(shí)（見圖6b），上升運(yùn)動區(qū)減弱南移到渤海上空，41°N已經(jīng)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動，主要位于600 hPa以下，中心值為1.0 Pa/s，下沉運(yùn)動區(qū)邊界層風(fēng)速由之前的8 m/s增至12 m/s以上。08時(shí)（見圖6c），下沉運(yùn)動區(qū)向南推進(jìn)，主力位于500 hPa以下，中心強(qiáng)度仍為1.0 Pa/s，中心位于850 hPa高度附近，底部向南伸展到39°N，對應(yīng)此時(shí)地面東北風(fēng)最大風(fēng)力增強(qiáng)至22 m/s以上。14時(shí)（見圖6d），下沉運(yùn)動范圍繼續(xù)增大，下沉運(yùn)動區(qū)在低層覆蓋了整個(gè)渤海和山東北部區(qū)域，向高層延伸至400 hPa以上，最強(qiáng)達(dá)1.4 Pa/s，中心位于700 hPa高度附近，地面風(fēng)力略微減弱到18 m/s。20時(shí)（圖略），下沉運(yùn)動大值區(qū)范圍迅速減小，此次過程基本結(jié)束。結(jié)合天氣形勢分析，強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動很可能是由于冷鋒過境時(shí)引發(fā)的次級環(huán)流導(dǎo)致，大氣質(zhì)量的快速調(diào)整使得暖空氣迅速被冷空氣所取代，造成強(qiáng)烈的動量下傳，從而引發(fā)了海面強(qiáng)風(fēng)。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用國家自動氣象觀測站資料、常規(guī)觀測資料和NCEP 1°×1°氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析資料，分析了2013年3月18日發(fā)生在渤海海域的一次強(qiáng)風(fēng)天氣過程，從溫度平流、變壓場和變溫場的演變及垂直運(yùn)動場等方面剖析了強(qiáng)風(fēng)發(fā)生發(fā)展的過程，結(jié)論如下：

（1）此次渤海海難強(qiáng)風(fēng)過程是一次冷鋒影響下的偏北大風(fēng)，強(qiáng)風(fēng)區(qū)主要位于渤海海面，而陸地測站監(jiān)測到的風(fēng)力較弱，具有歷時(shí)短，過程進(jìn)展迅速的特點(diǎn)，瞬時(shí)風(fēng)力較大；

（2）在經(jīng)向環(huán)流背景下，北路冷空氣自高緯南下，與冷空氣相伴隨的強(qiáng)冷平流自上而下傳播，氣壓梯度顯著增強(qiáng)，造成地面正變壓，導(dǎo)致變壓風(fēng)的產(chǎn)生，是強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的重要原因；

（3）冷空氣影響前，渤海及山東前期為暖平流控制，較高的氣溫使得冷暖空氣在該區(qū)對比更加強(qiáng)烈，造成低空鋒區(qū)加強(qiáng)，是造成強(qiáng)風(fēng)一個(gè)重要因素?？梢娫谄贝箫L(fēng)的預(yù)報(bào)過程中,不但要關(guān)注冷平流的強(qiáng)度演變,而且要考察冷空氣影響前,暖平流的發(fā)展程度；

（4）冷鋒過境時(shí)引發(fā)了鋒面次級環(huán)流，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動，引起動量下傳，是造成瞬時(shí)強(qiáng)烈陣風(fēng)的重要原因。

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Analysis of the causes of the march 18,2013 gale process over the Bohai sea

SUN Qing1,2，SHENG Chun-yan3，LIU Chang4，F(xiàn)AN Su-dan3

（1.Department of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093 China;2.Shandong Meteorological Service,Jinan 250031 China; 3.Shandong Provincial Meteorological Institute,Jinan 250031 China;4.Shandong Provincial Meteorological Observatory,Jinan 250031 China）

By using automatic meteorological observation station data,conventional observation data and NECP data with 1°×1°resolution,a gale process occurred on March 18th,2013 in Bohai Sea and the causes of the gale are analyzed.The results show that the gale is caused by the cold front.During the process of gale,a transmission path for the cold advection from top to bottom is formed,and the cold air is transported into the low level rapidly which leads to strong cold advection near surface.The allobaric wind caused by severe pressure swing is another important reason for gale accompanied by the coming of cold air mass.Besides,the intensity of cold front which leads to gale,is strengthened by increasing temperature occurring before the arrival of cold front.The downward momentum transportation resulting from the secondary circulation crossing the cold front also play an important role in the instantaneous strong gust.

cold front;momentum-transport;allobaric wind;secondary circulation

P732.2

A

1003-0239（2017）02-0051-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.007

2016-06-28；

2016-09-21。

中國氣象局公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目（GYHY201106006）。

孫青（1984-），女，助理工程師，學(xué)士，主要從事氣象預(yù)報(bào)預(yù)測業(yè)務(wù)管理工作。E-mail：sdqxsq@sina.cn