弱冷空氣引起渤海灣大風(fēng)的時(shí)空分布特征及環(huán)境條件分析

孫曉磊，張唯，胡田田，朱男男

（1.天津市海洋氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300074；2.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津 300074；3.河北省滄州市氣象局，河北 滄州 061001）

1 引言

海上大風(fēng)會(huì)直接影響到海上運(yùn)輸、石油平臺(tái)作業(yè)和漁業(yè)等生產(chǎn)部門的計(jì)劃調(diào)度及安全實(shí)施。在船舶靠離泊碼頭的過(guò)程中，如遇突發(fā)海上大風(fēng)會(huì)對(duì)其泊穩(wěn)安全產(chǎn)生較大影響，極易引發(fā)碰撞或船舶擱淺等事故。

我國(guó)氣象學(xué)者從很早就開(kāi)展冬半年的海上大風(fēng)研究，20世紀(jì)80年代以來(lái)，相關(guān)研究主要集中在對(duì)資料的統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)個(gè)例的診斷研究上。張新玲等[1]從1979—1981年春秋季黃渤海8 m/s以上海上風(fēng)和沿岸實(shí)測(cè)風(fēng)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，海上風(fēng)和沿岸風(fēng)的大小及比值都具有明顯的日變化和季節(jié)變化，其比值和日較差都隨季節(jié)和風(fēng)向的變化而變化。閻俊岳等[2]論述了黃渤海大風(fēng)的分布規(guī)律、海陸大風(fēng)對(duì)比分析特征、天氣過(guò)程以及預(yù)報(bào)方法。辛寶恒[3]認(rèn)為黃渤海的偏北大風(fēng)與冷鋒和氣旋（黃河氣旋、江淮氣旋、渤海氣旋和北上熱帶氣旋）有關(guān)，偏南大風(fēng)與蒙古氣旋、東北低壓和華北地形槽有關(guān)。楊曉霞等[4]以地面影響系統(tǒng)為主，將山東沿海偏北大風(fēng)分為4種類型（冷鋒型、溫帶氣旋型、回流冷空氣型和北上熱帶氣旋型）。呂愛(ài)民等[5]采用天氣學(xué)分型和統(tǒng)計(jì)分析方法，將中國(guó)近海的大風(fēng)天氣過(guò)程歸納為冷空氣型、溫帶氣旋型和熱帶氣旋型3種。尹盡勇等[6]指出氣旋入海發(fā)展是黃渤海大風(fēng)形成的重要原因之一，低層冷暖平流的顯著加強(qiáng)和氣旋冷鋒后部的鋒生加強(qiáng)會(huì)促使地面氣旋快速發(fā)展。黃彬等[7]利用溫度平流、渦度平流、位勢(shì)渦度和Q矢量等診斷分析了引發(fā)黃渤海海上大風(fēng)的入海氣旋，揭示了變壓梯度和氣壓梯度在海上大風(fēng)中的作用。研究者還采用溫度平流對(duì)大風(fēng)形成的熱力條件進(jìn)行診斷分析，指出槽前強(qiáng)烈暖平流是氣旋爆發(fā)性發(fā)展的主要原因[8-9]。盛春巖等[10-11]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)渤海地形及下墊面對(duì)大風(fēng)風(fēng)速有增幅作用，可以導(dǎo)致渤海北部大風(fēng)風(fēng)速增加2～3 m/s，渤海南部增加3～5 m/s。

在近幾年對(duì)渤海中西部海面大風(fēng)的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，科研工作者發(fā)現(xiàn)了一種以往關(guān)注度較低、在弱冷空氣或補(bǔ)充冷空氣影響下發(fā)生的海上大風(fēng)天氣過(guò)程。此類海上大風(fēng)具有很強(qiáng)的突發(fā)性，發(fā)生時(shí)風(fēng)力猛而天空狀況良好，是發(fā)生在沿海地區(qū)冬半年一種危害較大的大風(fēng)過(guò)程，預(yù)報(bào)員易因?qū)Υ祟愄鞖獾陌l(fā)生特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清而漏報(bào)。孫建明等[12]從天氣形勢(shì)背景上將其與傳統(tǒng)冷空氣過(guò)程做了區(qū)分，指出這種情況一般發(fā)生于冷空氣大舉南下后的1～2 d，在天氣轉(zhuǎn)晴的當(dāng)天中午—傍晚，冷空氣補(bǔ)充南下，大風(fēng)過(guò)程突發(fā)性強(qiáng)，起風(fēng)—風(fēng)力增強(qiáng)時(shí)間短促，對(duì)在外作業(yè)的沿海漁船威脅極大。曹美蘭等[13]將此類天氣稱為“晴天暴”，并從觀測(cè)角度指出其發(fā)生期間氣壓、溫度等氣象要素會(huì)出現(xiàn)驟升/驟降的變化，酷似“颮線”過(guò)境。從前人的研究中可以看到，盡管海上大風(fēng)研究已經(jīng)取得很多有意義的成果，但是對(duì)于“晴天暴”這類天氣的研究還不多，從現(xiàn)有的研究來(lái)看，對(duì)同類海上大風(fēng)過(guò)程的研究多集中在浙江沿海[13-15]，而渤海地區(qū)的相關(guān)研究很少[16]。

由于弱冷空氣引發(fā)的大風(fēng)屬于小概率事件，對(duì)其物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不透徹，且大風(fēng)發(fā)生期間不伴隨其他天氣現(xiàn)象，衛(wèi)星云圖上也觀測(cè)不到任何有效信息，因此想要了解這種天氣氣候的背景特點(diǎn)及物理機(jī)制，就需要依靠自動(dòng)站、探空站及風(fēng)廓線雷達(dá)等實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)加深對(duì)此類天氣形成環(huán)境的認(rèn)識(shí)。本文綜合利用渤海沿海自動(dòng)站、浮標(biāo)站和海上平臺(tái)站等觀測(cè)資料，結(jié)合美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，

NCEP）和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的FNL（Final Reanalysis Data）再分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了渤海灣區(qū)域在弱冷空氣影響下海上大風(fēng)的時(shí)空分布特征和天氣概念模型，總結(jié)出具有較好指示意義的物理量因子指標(biāo)，以期為今后預(yù)報(bào)此類災(zāi)害性天氣積累經(jīng)驗(yàn)。

2 資料和方法

2.1 研究范圍和代表站

本文著眼于渤海灣及沿岸地區(qū)（117.2°～119.2°E，37.4°～39.7°N），將研究區(qū)域劃分為渤海灣北部、西部、南部和中部4個(gè)區(qū)域（見(jiàn)表1）。2016年來(lái)，天津市氣象局借助海上石油平臺(tái)建立了18個(gè)覆蓋渤海、時(shí)間分辨率為1 h的自動(dòng)氣象觀測(cè)站，結(jié)合沿海加密自動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以很好地反映渤海灣地區(qū)的大風(fēng)情況。

2.2 弱冷空氣過(guò)程統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

《冷空氣等級(jí)》（GB/T 20484—2017）中明確規(guī)定：日最低氣溫48 h內(nèi)降溫幅度小于6℃的過(guò)程為弱冷空氣。本文按照標(biāo)準(zhǔn)中的定義，當(dāng)渤海灣研究區(qū)域內(nèi)6成以上代表站點(diǎn)降溫情況滿足條件時(shí)，記為一次弱冷空氣過(guò)程。

2.3 大風(fēng)過(guò)程日確定

以A平臺(tái)為代表（見(jiàn)表1），按照連續(xù)3個(gè)時(shí)次以上2 min平均風(fēng)≥6級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)確定大風(fēng)過(guò)程，再根據(jù)9個(gè)代表站點(diǎn)6成以上（即5個(gè)站點(diǎn)）達(dá)到弱冷空氣標(biāo)準(zhǔn)來(lái)綜合確定弱冷空氣大風(fēng)過(guò)程日。2014—2019年11月—次年3月期間，從223次弱冷空氣過(guò)程中可確定弱冷空氣大風(fēng)個(gè)例20個(gè)。由于2016年后海上觀測(cè)站點(diǎn)齊全且沿岸逐小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性最好，因此主要選用2016—2019年的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空分布特征統(tǒng)計(jì)。由于本研究重點(diǎn)著眼于“晴天暴”的特殊過(guò)程，因此在統(tǒng)計(jì)時(shí)將伴隨有降雪、降水的過(guò)程進(jìn)行了剔除。文中的大風(fēng)站次是基于篩選出的個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，凡是自動(dòng)站逐小時(shí)資料顯示某一時(shí)刻出現(xiàn)6級(jí)及以上風(fēng)，則該時(shí)次記為一個(gè)站次。

表1 渤海灣區(qū)域劃分及代表站點(diǎn)情況Tab.1 Regional division and representative stations of the Bohai Bay

3 弱冷空氣引起大風(fēng)的時(shí)空分布特征

3.1 空間分布特征

在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，渤海灣共有243個(gè)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)到6級(jí)及以上大風(fēng)過(guò)程，大風(fēng)落區(qū)多在渤海海面，30站次以上大風(fēng)主要出現(xiàn)在沿岸及渤海灣。A平臺(tái)出現(xiàn)大風(fēng)220站次，曹妃甸浮標(biāo)監(jiān)測(cè)站出現(xiàn)大風(fēng)106站次，64個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)累計(jì)10站次以上的大風(fēng)，36個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)累計(jì)20站次以上的大風(fēng)，25個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)累計(jì)30站次以上的大風(fēng)。

3.2 時(shí)間分布特征

文中對(duì)弱冷空氣造成的大風(fēng)過(guò)程的月變化和日變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖1）。圖1中柱狀圖表示大風(fēng)出現(xiàn)的比例，從圖中可以看到，除了2月（在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)，2月沒(méi)有達(dá)到2.3節(jié)大風(fēng)過(guò)程日標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程），11月—次年3月均有大風(fēng)過(guò)程發(fā)生，其中12月、1月和3月6級(jí)及以上大風(fēng)的出現(xiàn)比例超過(guò)25%，1月達(dá)到36.4%；風(fēng)力較強(qiáng)的7級(jí)及以上大風(fēng)過(guò)程多出現(xiàn)在3月，比例為9.1%。弱冷空氣引起的大風(fēng)過(guò)程在全天均有可能發(fā)生（見(jiàn)圖1b），08—19時(shí)（北京時(shí)，下同）出現(xiàn)6級(jí)及以上大風(fēng)的比例最高，上午（08—11時(shí)）及下午—傍晚（16—19時(shí)）出現(xiàn)7級(jí)及以上大風(fēng)的比例較高，分別為6.5%和4.8%。研究結(jié)果與孫建明等[12]提出弱冷空氣大風(fēng)一般發(fā)生于天氣轉(zhuǎn)晴的當(dāng)天中午—傍晚的結(jié)論一致，這主要是由于前期增溫導(dǎo)致補(bǔ)充冷空氣在過(guò)境前層結(jié)不穩(wěn)定并伴有上升運(yùn)動(dòng)，有利于空氣的垂直能量交換[16]。綜上所述，在弱冷空氣影響期間，盡管在傍晚—夜間此類大風(fēng)過(guò)程趨于減少，可一旦出現(xiàn)大風(fēng)過(guò)程，風(fēng)力會(huì)比較強(qiáng)且具有突發(fā)性，所以需要結(jié)合高低空溫度平流和探空資料對(duì)大氣層結(jié)狀態(tài)加以分析。

圖1 渤海灣弱冷空氣大風(fēng)逐月和逐3 h分布圖Fig.1 Monthly and 3-hour distribution histograms of weak cold air gales over the Bohai Bay

3.3 盛行風(fēng)特征

從弱冷空氣過(guò)程中渤海灣4個(gè)區(qū)域的風(fēng)向頻率玫瑰圖可以看出（見(jiàn)圖2），渤海灣北部、西部和中部區(qū)域以西北風(fēng)為主，西北方向大風(fēng)分別占各自區(qū)域全部風(fēng)向頻率的73%、61%和60%，這主要是由于冷空氣自西北路南下造成的直接影響。渤海灣南部區(qū)域除受高壓底前部東路冷空氣影響外，還會(huì)受到低壓倒槽或入海減弱低壓影響，這兩種情況下的風(fēng)向均以東北風(fēng)為主，因此南部區(qū)域在弱冷空氣過(guò)程中主要存在西北和東北兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向，分別占全部風(fēng)向頻率的39%和46%。從4個(gè)區(qū)域的盛行風(fēng)情況可以看到，在弱冷空氣大風(fēng)過(guò)程中，渤海灣地區(qū)的冷空氣以西北路和東路為主，冷高壓與低壓的共同作用使得南部區(qū)域存在兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向，這與其地理位置有關(guān)。

圖2 渤海灣4個(gè)區(qū)域風(fēng)玫瑰圖Fig.2 Wind rose diagrams of four regions in the Bohai Bay

4 影響系統(tǒng)分型及典型個(gè)例分析

本文以500 hPa影響天氣系統(tǒng)為主，700～850 hPa和地面系統(tǒng)為輔，對(duì)2014—2019年渤海灣20次由弱冷空氣引發(fā)的大風(fēng)過(guò)程的影響系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。按照大風(fēng)落區(qū)與高空500 hPa天氣系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行歸類分型，可分為冷渦后部型和高空槽型，其中冷渦后部型包括冷渦后部西北氣流型和低槽東移型兩類。在弱冷空氣引起的大風(fēng)過(guò)程中，冷渦后部型的發(fā)生次數(shù)最多，占總次數(shù)的90%，高空槽型僅占10%；冷渦后部型中西北氣流型與低槽東移型的發(fā)生頻率分別占50%。

4.1 冷渦后部西北氣流型

500 hPa高空冷渦中心主要出現(xiàn)在119°～150°E，44°～65°N范圍內(nèi)，冷中心一般落后于冷渦，主要出現(xiàn)在110°～135°E，43°～64°N范圍內(nèi)。此類型天氣過(guò)程的冷渦后部高空脊較強(qiáng)，可向北伸展至65°N甚至更北的區(qū)域。渤海灣上空500～850 hPa一致為較強(qiáng)的西北急流，500 hPa、700 hPa和850 hPa的急流流速分別為28～32 m/s、24～30 m/s和20～24 m/s。

4.2 冷渦后部低槽東移型

此類形勢(shì)下冷渦出現(xiàn)的位置振幅較大，最北可至68°N，南至41°N，西至117°E，東至155°E。83%以上過(guò)程的冷渦中心集中在43°～58°N，118°～137°E內(nèi)。與冷渦后部西北氣流型相比，此類型冷渦中心位置更偏東，冷中心位置略偏西，主要位于110°～135°E，42°～57°N附近。500 hPa高空槽或風(fēng)速輻合線主要位于華北區(qū)域，700～850 hPa高空槽或風(fēng)速輻合線主要位于500 hPa槽前渤海灣上空，同時(shí)配合有700 hPa近南北向溫度露點(diǎn)差低值帶和850 hPa暖脊。

4.3 高空槽型

此類天氣過(guò)程所占比例較少，僅有10%的天氣過(guò)程只受高空槽影響。東北地區(qū)500 hPa多為東北西南向深厚大槽，700 hPa為階梯槽結(jié)構(gòu)，渤海灣地區(qū)受500 hPa槽后西北氣流和700 hPa槽前偏西南氣流影響，高低空在渤海灣區(qū)域形成顯著風(fēng)向切變，地面處于高壓底部，易形成東北風(fēng)。

4.4 弱冷空氣引發(fā)大風(fēng)典型個(gè)例分析

4.4.1 大風(fēng)實(shí)況

受冷渦后部橫槽轉(zhuǎn)豎影響，2018年1月8日白天—夜間渤海灣區(qū)域出現(xiàn)了平均風(fēng)7～8級(jí)、陣風(fēng)9～10級(jí)的大風(fēng)過(guò)程，最大風(fēng)速為20.7 m/s，極大風(fēng)速為24.7 m/s，7級(jí)及以上大風(fēng)持續(xù)時(shí)間約為16 h。2018年1月9日下午—11日上午，在冷渦后部冷空氣的補(bǔ)充影響下，渤海灣區(qū)域持續(xù)出現(xiàn)平均風(fēng)7～8級(jí)、陣風(fēng)9～10級(jí)的大風(fēng)過(guò)程。根據(jù)海上A平臺(tái)自動(dòng)站逐小時(shí)的觀測(cè)記錄（見(jiàn)圖3），大風(fēng)從9日08時(shí)開(kāi)始，持續(xù)至11日14時(shí)結(jié)束，極大風(fēng)超過(guò)7級(jí)（最大風(fēng)速為13.9 m/s），維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)48 h，2 min平均風(fēng)最大達(dá)8級(jí)（最大風(fēng)速為20.3 m/s），極大風(fēng)最大達(dá)10級(jí)（最大風(fēng)速為25.7 m/s），特別是9日15時(shí)—10日12時(shí)期間有19 h出現(xiàn)9級(jí)及以上極大風(fēng)，10日夜間—11日白天斷斷續(xù)續(xù)仍有3個(gè)時(shí)次出現(xiàn)9級(jí)及以上極大風(fēng)。由此可見(jiàn)，冷渦后部由弱冷空氣補(bǔ)充形成的大風(fēng)過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)力強(qiáng)、風(fēng)速波動(dòng)的特點(diǎn)，風(fēng)力強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間均遠(yuǎn)超8日強(qiáng)冷空氣所帶來(lái)的影響。

圖3 2018年1月8—11日A平臺(tái)站實(shí)況風(fēng)速曲線Fig.3 Wind speed curves of platform A station from January 8—11,2018

4.4.2 環(huán)流形勢(shì)演變特征

2018年1月8日08時(shí)，我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)的低渦快速東移，河套西部的橫槽迅速轉(zhuǎn)豎過(guò)境并影響渤海灣區(qū)域；8日20時(shí)高空槽已經(jīng)移至黃海海域上空；9日08時(shí)冷渦中心北縮至黑龍江以北地區(qū)，烏拉爾山高壓脊東移與冷渦之間形成較大位勢(shì)梯度，引導(dǎo)脊前西北氣流向東南方向移動(dòng)，渤海灣上游地區(qū)風(fēng)速為26 m/s的西北氣流與-36℃等溫線之間的交角小于30°（見(jiàn)圖4a），因此形成高空弱冷平流輸送。由于本次過(guò)程屬于冷渦后部西北氣流型，因此采用北京站探空記錄來(lái)分析上游高空影響系統(tǒng)的變化。從探空記錄中可以看到（見(jiàn)圖4），500 hPa溫度從8日20時(shí)的-34.5℃下降至-36℃，而中低層700～850 hPa處于弱暖平流控制中，850 hPa在12 h內(nèi)升溫1.1℃。在海平面氣壓場(chǎng)上，渤海灣受弱低壓帶影響，08時(shí)隨著冷空氣的移入，在上游開(kāi)始形成2×10-7～5×10-7Pa/km較強(qiáng)的變壓梯度中心（見(jiàn)圖4b）。中高緯度處的風(fēng)與氣壓場(chǎng)基本符合地轉(zhuǎn)風(fēng)和梯度風(fēng)原理，變壓風(fēng)沿變壓梯度從高值區(qū)吹向低值區(qū)。在變壓梯度的作用下，9日14時(shí)A平臺(tái)開(kāi)始出現(xiàn)平均風(fēng)7級(jí)及以上大風(fēng)，極大風(fēng)風(fēng)速為19.9 m/s。從高低空形勢(shì)配置可以看出，此次大風(fēng)過(guò)程屬于低渦后部西北氣流型，中高層西北氣流將冷空氣補(bǔ)充向南輸送，但低層為弱暖脊控制，存在一定程度的升溫，垂直方向上具備不穩(wěn)定的層結(jié)配置結(jié)構(gòu)。

圖4 2018年1月9日08時(shí)500 hPa高度形勢(shì)場(chǎng)和過(guò)去3 h變壓形勢(shì)場(chǎng)Fig.4 Height field of 500hPa and variable pressure field in the past 3 hours at 08:00 on January 9,2018

4.4.3 系統(tǒng)斜壓性發(fā)展特征分析

最大Eady增長(zhǎng)率（Maximum Eady Growth Rate，EGR）是通常用于度量大氣斜壓性的指標(biāo)[17]，被廣泛用于中緯度斜壓不穩(wěn)定發(fā)展的研究中[18-19]。公式如下：

式中：N為布倫特-維薩拉頻率（浮力振蕩頻率）；U為緯向風(fēng)；Z為高度；f為地轉(zhuǎn)參數(shù)。EGR能夠有效地反映系統(tǒng)的斜壓性，是斜壓能量增長(zhǎng)的有效估計(jì)，EGR值增加表明系統(tǒng)斜壓性增加，EGR值減小表明斜壓性減弱。在渤海灣的特殊地形作用下，較冷的海洋表面和溫暖的陸地之間的水平溫度梯度產(chǎn)生的斜壓性會(huì)導(dǎo)致鄰近海岸風(fēng)速增強(qiáng)[20-22]。

本文以500 hPa和850 hPa的溫度平流差動(dòng)（θse）來(lái)表征大氣的穩(wěn)定度（見(jiàn)圖5）。1月9日08時(shí)（見(jiàn)圖5a），強(qiáng)θse位于渤海灣西部，形成西南東北向的大值帶；對(duì)應(yīng)的在渤海灣北部形成中心為3/d的Eady增長(zhǎng)率大值區(qū)，表明北部冷渦后部西北氣流南下造成系統(tǒng)斜壓性很強(qiáng)，為有效位能的釋放提供了能量源。9日14時(shí)（見(jiàn)圖5b），隨著冷空氣進(jìn)一步南壓，θse大值區(qū)主體前緣已移至渤海沿岸，θse從負(fù)值轉(zhuǎn)為15×10-5K/s；中心為3/d的Eady增長(zhǎng)率大值區(qū)東移南壓至渤海灣區(qū)域，由于EGR大值區(qū)對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的動(dòng)能區(qū)[23]，此時(shí)渤海灣地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)大風(fēng)，A平臺(tái)2 min的平均風(fēng)速?gòu)?.6 m/s躍升至16.5 m/s。9日20時(shí)2.7/d的Eady增長(zhǎng)率中心維持在渤海灣（見(jiàn)圖5c），θse增大到20×10-5K/s，沿岸及海面大風(fēng)始終保持在8級(jí)及以上。本文針對(duì)渤海灣研究區(qū)域計(jì)算了EGR隨時(shí)間變化的區(qū)域平均值（見(jiàn)圖5d）。從圖中可以看到，EGR區(qū)域的平均值從9日08時(shí)后開(kāi)始快速增長(zhǎng)，在14時(shí)達(dá)到峰值后緩慢波動(dòng)下降，11日08時(shí)當(dāng)EGR下降至1.3/d后，大風(fēng)過(guò)程基本結(jié)束。EGR的變化趨勢(shì)與大風(fēng)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在預(yù)報(bào)中具有一定的參考意義。

圖5 2018年1月9日不同時(shí)刻500 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m/s）、700～300 hPa EGR和θse（等值線，單位：10-5 K/s）Fig.5 500 hPa wind field（arrow,unit:m/s），700～300 hPa EGR and θse（contour,unit:10-5 K/s）at different time on January 9,2018

4.4.4 動(dòng)量下傳

由上文分析可知，此次過(guò)程不僅斜壓性強(qiáng)，而且在大風(fēng)發(fā)生前的高空降溫和中低層升溫進(jìn)一步促使大氣層結(jié)不穩(wěn)定，垂直交換強(qiáng)，有利于高層動(dòng)量下傳，從而使得地面風(fēng)速明顯加大。此外，強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變會(huì)引起垂直方向的溫度平流差，造成大氣的靜力不穩(wěn)定，促進(jìn)動(dòng)量下傳[24]。本文選取黃驊站風(fēng)廓線觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析渤海灣沿岸風(fēng)場(chǎng)的垂直演變。圖6a是風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的1月9日黃驊站500～5 500 m高度的風(fēng)垂直剖面（從左至右時(shí)間逐6 min增加）連續(xù)變化圖。黃驊站位于渤海灣西側(cè)，可用來(lái)闡明冷空氣影響渤海前的高低空風(fēng)場(chǎng)變化。大風(fēng)發(fā)生前，500～4 000 m的最大風(fēng)速切變達(dá)到14 m/s，20 m/s以上強(qiáng)風(fēng)區(qū)從4 500 m以上高度下降至3 500 m左右；09—12時(shí)，在1 500～2 000 m高度附近形成了風(fēng)速為14 m/s的偏西急流，同時(shí)配合向下垂直速度為0.5 m/s的大值中心；12—13時(shí)該高度層的偏西急流逐漸減小，風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北氣流，相應(yīng)在1 000 m高度附近出現(xiàn)了風(fēng)速大于12 m/s的大風(fēng)速區(qū)，下沉氣流垂直速度大值中心進(jìn)一步向下傳播至200～1 000 m高度；14時(shí)前后2 000 m高度處出現(xiàn)此次過(guò)程中最強(qiáng)的下沉氣流，垂直速度達(dá)到-0.5 m/s，同時(shí)低層西北風(fēng)風(fēng)速加大到16 m/s，促使渤海灣出現(xiàn)西北大風(fēng)過(guò)程；14時(shí)后，風(fēng)速為20 m/s的高空強(qiáng)風(fēng)區(qū)降至3 000 m，下沉氣流繼續(xù)從高層向低層伸展，不斷有高層動(dòng)量向低層傳播。

加密觀測(cè)的氣球探空測(cè)風(fēng)資料可以用來(lái)分析鋒面和槽線等過(guò)境天氣。在之前的研究中，探空資料多用于分析夏季的強(qiáng)對(duì)流天氣，用于冬季大風(fēng)期間層結(jié)分析的研究較少，這主要因?yàn)槎敬箫L(fēng)過(guò)程多受強(qiáng)冷空氣系統(tǒng)影響，層結(jié)一般比較穩(wěn)定。從圖6b可以看到，9日08時(shí)，隨著高空冷空氣東移，降溫促使700 hPa附近的空氣濕度加大，形成了中層濕、下層干的“倒喇叭口”結(jié)構(gòu)，中低層接近干絕熱遞減率，有利于下沉氣流在下沉增溫過(guò)程中和環(huán)境溫度保持負(fù)溫差，下沉氣流向下的加速度有利于高空能量向低層輸送。

圖6 2018年1月9日08—20時(shí)黃驊站風(fēng)廓線和08時(shí)北京站探空?qǐng)DFig.6 Wind profile of Huanghua Station from 08:00 to 20:00 and Sounding of Beijing Station at 08:00 on January 9,2018

4.4.5 位渦和位溫垂直分布

位渦（Potential Vorticity，PV）作為綜合反映大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)的物理量，在實(shí)際天氣預(yù)報(bào)分析中有著廣泛的應(yīng)用。由圖7可知，此次過(guò)程的位渦高值區(qū)位于300 hPa以上，隨著緯度增加，高值區(qū)的高度逐漸降低。其他冷空氣過(guò)程的高位渦區(qū)一般位于200 hPa以上，但此次過(guò)程高位渦區(qū)的整體高度較低，降低至300～400 hPa。PV=2的等位渦面被看作是對(duì)流層中的低位渦與平流層中的高位渦之間的轉(zhuǎn)換邊界，代表動(dòng)力對(duì)流層頂。9日14時(shí)—10日08時(shí)，高空高位渦有明顯的下傳，10日08時(shí)在位渦異常區(qū)主體下方存在從源地被切斷的高位渦中心。2.0 PVU的等位渦面始終接近500 hPa，1.0 PVU的等位渦面從高空到低層自北向南伸展至700 hPa。這表明高層高位渦區(qū)在西北氣流的持續(xù)作用下有明顯的向下傳遞，高位渦區(qū)整體偏低，表示具有高位渦特征的大氣侵入，位渦下傳與高空冷空氣的影響密切相關(guān)。等位溫面向異常區(qū)凸起，反映了鋒區(qū)的結(jié)構(gòu)，位渦下傳的高度剛好位于500～700 hPa。由探空分析可知，700 hPa以下大氣的溫度遞減率接近干絕熱，非常有助于下沉氣流在下沉增溫過(guò)程中和環(huán)境溫度保持負(fù)溫差，使得下沉氣流保持向下的加速度。

圖7 沿117°E垂直剖面的位溫（虛線，單位：K）、2.0單位位渦面（實(shí)線，單位：PVU）和位渦（陰影，單位：PVU）Fig.7 Potential temperature（dashed line,unit:K）,2.0 PV surface（solid line,unit:PVU）,potential vortex（shaded area,unit:PVU）cross-section along 117°E

5 結(jié)論

本文利用渤海灣區(qū)域地面自動(dòng)站、浮標(biāo)站和海上平臺(tái)站，統(tǒng)計(jì)并選取了2014—2019年11月—次年3月由弱冷空氣引起的大風(fēng)典型個(gè)例，對(duì)其進(jìn)行時(shí)空分布特征、區(qū)域盛行風(fēng)和影響系統(tǒng)分析，最終得出適用于渤海灣地區(qū)的3類概念模型。結(jié)論如下：

（1）弱冷空氣引起的6級(jí)及以上大風(fēng)落區(qū)集中在渤海灣沿岸和中部，出現(xiàn)最多的為A平臺(tái)和曹妃甸浮標(biāo)監(jiān)測(cè)站。1月、3月和12月是大風(fēng)出現(xiàn)較多的月份，11月較少。弱冷空氣大風(fēng)一般發(fā)生于天氣轉(zhuǎn)晴的當(dāng)天中午—傍晚，主要是由于前期增溫導(dǎo)致補(bǔ)充冷空氣過(guò)境前層結(jié)不穩(wěn)定并伴有上升運(yùn)動(dòng)，有利于空氣的垂直能量交換，盡管傍晚—夜間此類大風(fēng)過(guò)程趨于減少，但一旦出現(xiàn)大風(fēng)過(guò)程，風(fēng)力會(huì)比較強(qiáng)，并具有突發(fā)性，因此需要高度關(guān)注。在弱冷空氣大風(fēng)過(guò)程中，渤海灣地區(qū)的冷空氣以西北路和東路為主，冷高壓與低壓的共同作用使得南部區(qū)域存在兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向，這與其所在的地理位置有關(guān)。

（2）對(duì)渤海灣20次由弱冷空氣引發(fā)的大風(fēng)過(guò)程的影響系統(tǒng)進(jìn)行分析。按照大風(fēng)落區(qū)與高空500 hPa天氣系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行歸類分型，將其分為冷渦后部型和高空槽型，其中冷渦后部型包括冷渦后部西北氣流型和低槽東移型兩類，冷渦后部型最常見(jiàn)，發(fā)生次數(shù)占總次數(shù)的90%，高空槽型僅占10%，冷渦后部型中西北氣流型與低槽東移型的發(fā)生頻率分別占50%。

（3）通過(guò)對(duì)典型個(gè)例的分析，進(jìn)一步總結(jié)了弱冷空氣引起大風(fēng)的環(huán)境條件。利用Eady增長(zhǎng)率和溫度差動(dòng)平流可以綜合分析系統(tǒng)斜壓性發(fā)展及大氣穩(wěn)定度，EGR的變化趨勢(shì)與大風(fēng)的開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在預(yù)報(bào)中具有一定參考意義。風(fēng)廓線逐6 min觀測(cè)數(shù)據(jù)可以有效捕捉到高空動(dòng)量向低層傳播的過(guò)程，高空強(qiáng)風(fēng)區(qū)從4 500 m左右逐漸向低層移動(dòng)，伴隨下沉氣流垂直速度大值區(qū)向低層移動(dòng)并加強(qiáng)。

（4）弱冷空氣過(guò)程的動(dòng)力對(duì)流層頂位于300～400 hPa，低于其他冷空氣過(guò)程的高位渦區(qū)位置。大風(fēng)發(fā)生期間高空高位渦有明顯下傳，在位渦異常區(qū)主體下方存在從源地被切斷的高位渦中心。位渦下傳的高度位于500～700 hPa，該高度大氣的溫度遞減率接近干絕熱，有助于下沉氣流在下沉增溫過(guò)程中和環(huán)境溫度保持負(fù)溫差，使得下沉氣流保持向下的加速度。