朱男男，熊秋芬，胡田田，馬建銘，王亞男

(1.天津海洋中心氣象臺，天津 300074；2.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；3.天津市海洋氣象重點實驗室，天津 300074)

1 引言

溫帶氣旋是影響我國黃、渤海海域的主要天氣系統(tǒng)之一。溫帶氣旋移經(jīng)黃、渤海后往往形成難以預(yù)報的突發(fā)性致災(zāi)大風，尤其是當溫帶氣旋入海后快速發(fā)展成爆發(fā)性氣旋，它的破壞力不亞于臺風，入海溫帶氣旋（以下簡稱氣旋）引發(fā)的突發(fā)性大風對海上作業(yè)和船舶運輸影響很大。受入海氣旋影響的海難案例較多，2013年11月24日江淮氣旋入海后快速發(fā)展形成爆發(fā)性氣旋，導致黃、渤海海域出現(xiàn)9～10級大風，受風浪影響渤海海峽發(fā)生了兩起嚴重的沉船事故，共計26名船員遇難。2013年3月18日渤海海域受到冷空氣與氣旋的共同影響，渤海出現(xiàn)9級大風，導致輪船“陽光新港”號在龍口港北部沉沒，共計14人遇難。2007年3月3?6日黃、渤海地區(qū)受入海氣旋影響，發(fā)生一次嚴重的風浪和風暴潮災(zāi)害，給天津、河北、遼寧、山東等沿海各省市帶來巨大的經(jīng)濟損失，直接經(jīng)濟損失達到40億元，12人死亡。

早期對溫帶氣旋的研究針對西北太平洋區(qū)域[1–3]關(guān)注氣旋發(fā)生發(fā)展過程中強度變化及其引發(fā)災(zāi)害性天氣[4–9]，尤其是針對暴雨、風暴潮和大風等災(zāi)害成因分析[10–12]。學者們分別從診斷分析角度[13–16]、能量角度[17]、位渦角度[18–19]對氣旋發(fā)生發(fā)展進行機理和特征結(jié)構(gòu)進行研究，認為溫度平流、渦度平流、位勢渦度和非絕熱加熱在氣旋發(fā)展變化中具有重要作用。近年來，溫帶氣旋對我國近海的影響逐漸被重視，爆發(fā)性氣旋個例不僅出現(xiàn)在遠海，也可以出現(xiàn)在黃、渤海海域[20]。尹盡勇等[21]和黃彬等[22–23]對移經(jīng)渤?？焖侔l(fā)展的氣旋進行物理量診斷分析。也有學者探討海洋下墊面對氣旋的作用[24–27]，并利用模式修改渤海地形及下墊面對冷空氣大風影響的進行研究[28]。上述對溫帶氣旋研究主要是針對個例進行分析，對黃、渤海域氣旋統(tǒng)計特征進行系統(tǒng)性研究的較少，而氣旋入海后往往形成突發(fā)性災(zāi)害大風，在海洋預(yù)報中風力經(jīng)常出現(xiàn)漏報，僅從氣壓梯度來判斷風力等級會導致預(yù)報失敗。因此，研究入海氣旋統(tǒng)計特征和入海后加強的原因，對提高預(yù)報準確率具有一定的幫助。

2 資料和方法

本文利用逐小時自動站資料統(tǒng)計2008?2018年出現(xiàn)在渤海、渤海海峽、黃海北部和黃海中部7級以上大風過程，根據(jù)海洋預(yù)報業(yè)務(wù)標準，海洋平臺自動站連續(xù)3 h風力超過7級即為一次大風過程。再利用地面觀測資料篩選由氣旋引起的大風過程。海平面氣壓場上2.5 hPa間距的等壓線有3個以上閉合中心且氣旋中心經(jīng)過黃、渤海海域認為是一次黃、渤海入海氣旋過程。利用高空觀測資料和地面觀測資料分析和計算入海氣旋過程中的10項氣象因子。根據(jù)etterssen氣旋發(fā)展公式[29]討論溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱在氣旋強度和發(fā)展中的作用，利用NCEP-FNL資料計算溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱等物理量。

3 入海氣旋統(tǒng)計分析

3.1 氣旋加深率與氣壓梯度

2008?2018年黃、渤海共出現(xiàn)34次7級以上氣旋大風過程（表1），文中分別統(tǒng)計10項氣象因子：200 hPa高空急流、高空（500 hPa）低空（850 hPa）影響系統(tǒng)、地面氣旋中心強度、移動路徑、入海后是否加強、氣旋加深率、最小氣壓梯度、地面氣旋中心與500 hPa低渦（槽）系統(tǒng)距離（Z500）、地面氣旋中心與 850 hPa低渦、切變線系統(tǒng)距離（Z850）。文中計算氣旋入海后發(fā)展最強時刻的氣旋加深率，采用Yoshida和Asuma[30]的公式計算12 h 氣旋加深率，具體方法如下：

式中，RSLP為 12 h氣旋加深率，單位：hPa/h；t為分析時間；t?6 為t時間 6 h 前的時刻；t+6 為t時間 6 h 后的時刻；P為氣旋中心海平面氣壓；φ為氣旋中心緯度。本文主要研究區(qū)域為渤海、渤海海峽、黃海北部和黃海中部海域，即 33°～43°N，115°～128°E 海洋區(qū)域。

文中計算了黃、渤海入海氣旋的氣旋加深率，34次氣旋過程中有24次氣旋入海是加強的（圖1a），氣旋加深率為正值，占總數(shù)的70.5%，6次氣旋入海過程強度不變，氣旋加深率為0，占總數(shù)的17.6%，4次過程入海后減弱，氣旋加深率為負值，占總數(shù)的11.7%，氣旋加深率達到1為爆發(fā)性氣旋，34次過程中有5次爆發(fā)性氣旋過程，占總數(shù)的14.7%。70.5%氣旋入海后會加強。

氣壓梯度是反映氣旋強度的量，氣壓梯度大則氣旋強度大，氣壓梯度指向氣旋中心[31]其中 ρ=1.292 3 kg/m3，沿氣旋中心法向方向的兩個等壓線最小距離來反算最小氣壓梯度，文中簡稱氣壓梯度。文中計算34個過程的氣壓梯度（圖1a），氣壓梯度與氣旋加深率走向較為一致，但有2次氣壓梯度較強過程氣旋加深率卻較低，第13次過程中氣壓梯度較高，而氣旋加深率為負值，即氣旋入海前強度較大，入海后強度減弱。第21次過程氣壓梯度較強，而氣旋加深率為0，即氣旋入海前強度較大，入海后強度無 變化?？梢娸^強的氣旋入海后不一定會繼續(xù)發(fā)展。

3.2 海平面氣壓和高空影響系統(tǒng)

統(tǒng)計氣旋經(jīng)黃、渤海海平面最低氣壓如圖1b所示柱狀圖上的數(shù)值為氣旋發(fā)生月份，春季（3?5月）有11次過程，氣壓值在 985～1 010 hPa之間，夏季（6?8月）沒有出現(xiàn)氣旋過程，秋季（9?11月）有 12次過程，氣壓值在 996～1 020 hPa之間，冬季（12 月至翌年 2 月）有 11 次過程，氣壓值在 1 003～1 028 hPa之間。氣旋中心海平面氣壓最低值出現(xiàn)在5月份，為985 hPa。氣旋中心海平面氣壓最高值出現(xiàn)在1月份為1 028 hPa。冬季的平均氣壓值高于秋季和春季，春季平均氣壓值最低，夏季未出現(xiàn)氣旋過程。夏季海洋是冷源，冷的下墊面不利于氣旋發(fā)展[32]。

圖1 34 次過程氣旋加深率和氣壓梯度（a）， 34 次過程地面中心最低氣壓（b）Fig.1 Cyclone deepening rates and barometric gradient (a),sea level minimum pressure in 34 cyclones processes (b)

入海發(fā)展的氣旋多位于200 hPa高空急流出口左側(cè)或者分流輻散區(qū)（表1），這些區(qū)域?qū)?yīng)對流層中上層強輻散區(qū)，高空強烈輻散有利于地面補償性減壓，促使低層氣旋快速發(fā)展[33]。氣旋加深率為負的4次過程位于高空急流出口右側(cè)，對應(yīng)高空輻合區(qū)，不利于地面氣旋發(fā)展。氣旋入海過程中高低空系統(tǒng)多呈后傾結(jié)構(gòu)，發(fā)展中的氣旋位于高空槽前，位于高空槽后的地面氣旋入海后往往減弱，500 hPa和850 hPa同時發(fā)展成低渦的深厚系統(tǒng)更容易入海快速發(fā)展，其中有5次發(fā)展為爆發(fā)性氣旋，見序號10、15、20、24、30過程加深率。

表1 黃、渤海氣旋氣象因子統(tǒng)計Table 1 Statistics of meteorological factors of the cyclones in the Yellow Sea and the Bohai Sea

3.3 影響黃、渤海海域入海氣旋路徑分類

按照氣旋的生成地分類，影響黃、渤海海域的氣旋分為3類，第1類是蒙古氣旋,自西北向東南移動影響黃、渤海，蒙古氣旋占總數(shù)的17.6%（圖2a）；第2類是黃河氣旋,自西向東移動影響黃、渤海海域，黃河氣旋占總數(shù)的49%（圖2b），是影響頻次最多的一類；第類是江淮氣旋（包括黃淮氣旋），此類氣旋生成于江淮流域，自西南向東北移動，占總數(shù)的33.4%（圖2c）。表1中5次爆發(fā)性氣旋均為江（黃）淮氣旋，4次發(fā)生在秋季，1次發(fā)生在春季。

圖2 蒙古氣旋（a）、黃河氣旋（b）、江淮氣旋（c）路徑和海平面氣壓（單位：hPa）Fig.2 Mongolian cyclone (a),Yellow River cyclone (b),Changjiang-Huaihe cyclone (c) tracks and sea level pressure (unit: hPa)

3.4 氣旋風場統(tǒng)計特征

氣旋入海后往往形成突發(fā)性大風，不同氣旋的大風出現(xiàn)區(qū)域不同，同一氣旋的不同象限出現(xiàn)的風力等級不同。文中統(tǒng)計34次黃、渤海氣旋過程最大風出現(xiàn)區(qū)域，按照最大風出現(xiàn)區(qū)域主要分為兩種類型，分別為西北（偏西）大風型和東南（偏東）大風型。西北大風型出現(xiàn)在秋冬季節(jié)（9月至翌年2月），氣旋最大風區(qū)域通常出現(xiàn)在氣旋的西北象限（或偏西象限），即氣旋中心及冷鋒后部。影響黃、渤海海域風向多為西北大風（圖3a至圖3c），偶爾會出現(xiàn)偏西大風，西北大風型的主要影響系統(tǒng)是蒙古氣旋和黃河氣旋。文中列舉2016年2月13日、2012年11月11日、2013年2月9日西北大風型氣旋過程，這些氣旋取西北或偏西路徑影響黃、渤海海域，最大風速帶出現(xiàn)在氣旋西北或偏西象限。東南（偏東）型大風多出現(xiàn)在春季（3?5月），最大風區(qū)域出現(xiàn)在氣旋的東南象限或偏東象限，影響黃、渤海海域風向多為東南風或偏東風（圖3d至圖3f），影響系統(tǒng)為江淮氣旋或黃淮氣旋，當氣旋中心移經(jīng)黃海時，黃海海域往往出現(xiàn)較強東南風，東南風風力會超過氣旋后部的西北風，此種類型的大風稱為東南（偏東）大風型。文中列舉2016年月16日、2013年5月27日、2016年5月3日東南大風型氣旋過程，圖中可見最大風速帶出現(xiàn)在氣旋的東南象限。這類氣旋由西南向東北移動時，黃海海域受東南大風影響，渤海海域受偏東風或東北風影響，如果氣旋較強且在黃海移動緩慢，長時間較強偏東風配合天文高潮位將在黃、渤海沿岸形成風暴潮，江（黃）淮氣旋是黃、渤海沿岸風暴潮形成的主要影響系統(tǒng)之一[34]。

3.5 高低空系統(tǒng)與地面氣旋的距離

文中氣旋過程高低空配置皆為后傾結(jié)構(gòu)，為分析高低空系統(tǒng)對地面氣旋的影響，計算了34次過程500 hPa低渦或槽線與地面氣旋之間的平面距離（Z500），850 hPa低渦或切變線與地面氣旋之間的平面距離（Z850）。Z500或Z850就是在 500 hPa 或 850 hPa 系統(tǒng)和地面海平面氣壓場的疊加圖中，計算槽線或者低渦中心到地面氣旋中心的最短距離。對比34次過程的Z500、Z850和氣旋加深率的曲線（圖 4a，圖 4b），Z500和Z850高值與氣旋加深率低值相對應(yīng)，曲線走向完全相反，Z500與氣旋加深率之間呈負相關(guān)。因而，地面氣旋與500 hPa和850 hPa系統(tǒng)的距離越小，地面氣旋越容易發(fā)展。其中5次爆發(fā)性氣旋的Z500和Z850分布在500 km和200 km以內(nèi)。為了具體說明Z500和Z850對氣旋強度和氣旋發(fā)展變化的作用，分別計算Z500和Z850與氣壓梯度和氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)（圖4c，圖 4d）。

圖4 Z500和氣旋加深率（a）,Z850和氣旋加深率（b），氣壓梯度與Z850、Z500的相關(guān)系數(shù)（c），氣旋加深率與Z850、Z500的相關(guān)系數(shù)（d）Fig.4 Z500and cyclone deepening rate (a),Z850and cyclone deepening rate (b),correlation coefficient betweenZ850,Z500 and barometric gradient (c),correlation coefficient betweenZ850,Z500and barometric gradient (d)

對34個樣本的相關(guān)系數(shù)進行t檢驗，Z850與氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)全部通過顯著水平α=0.01信度檢驗，Z850與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)70%的樣本通過了顯著水平α=0.01信度檢驗，Z500與氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)樣本85%通過了顯著水平α=0.01信度檢驗，Z500與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)檢驗中僅有3例通過了顯著水平α=0.01信度檢驗。

Z500與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)明顯大于Z850與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)，由于相關(guān)系數(shù)為負，Z850與地面氣壓梯度的相關(guān)性更強，即Z850與地面氣旋強度相關(guān)性高于Z500。同理可證，Z850與氣旋加深率的相關(guān)性更強，即Z850與地面氣旋發(fā)展相關(guān)性高于Z500。綜上所述，850 hPa系統(tǒng)與地面氣旋的距離和地面氣旋發(fā)展的相關(guān)性最高。850 hPa系統(tǒng)與地面氣旋越近，地面氣旋越強，氣旋越容易發(fā)展。Z850對預(yù)報氣旋的發(fā)展有一定的參考價值。

4 氣旋發(fā)展原因分析

4.1 物理量在氣旋強度和發(fā)展中的作用

70%的氣旋入海后加強，下面討論氣旋入海發(fā)展原因。根據(jù) Petterssen 氣旋發(fā)展公式，1 000 hPa渦度局地變化能夠表示地面氣旋發(fā)展狀況，以此公式探討氣旋入海發(fā)展原因，具體如下

為了討論氣旋入海后的發(fā)展原因，文中計算氣旋入海后影響黃、渤海區(qū)域的物理量，分別是500～1 000 hPa 溫度平流累加值、500 hPa 渦度平流和 850 hPa非絕熱加熱作用。非絕熱加熱作用采用Emanuel等[35]和Raymond[36]的方法，加熱率公式為

式中， γm為濕絕熱遞減率；γd為干絕熱遞減率；θ為位溫；θe為相當位溫；ω為垂直速度；p為 氣壓；t為時間。

氣壓梯度代表氣旋入海后的強度，氣旋加深率代表氣旋入海后發(fā)展變化，通過上述3個物理量與氣壓梯度和氣旋加深率的相關(guān)性分析，討論物理量在入海后氣旋強度和氣旋發(fā)展中的作用。圖5a為34次過程溫度平流、氣壓梯度和氣旋加深率曲線。圖中可見氣旋加深率、氣壓梯度和溫度平流走勢基本一致，其中5次爆發(fā)性氣旋過程中溫度平流均強于其他氣旋過程。但有2次過程對應(yīng)關(guān)系不好，其中第13次過程氣壓梯度較強，溫度平流較弱，氣旋加深率為負，是一次入海減弱的氣旋過程，溫度平流弱是其入海減弱的原因之一。第21次過程也出現(xiàn)類似情況，溫度平流弱，氣壓梯度大，氣旋加深率接近于0。由于溫度平流弱，氣旋入海有強度沒有變化。氣壓梯度與3個物理量的相關(guān)系數(shù)全部通過了顯著水平α=0.01信度檢驗，氣旋加深率與溫度平流和渦度平流的相關(guān)系數(shù)全部通過了顯著水平α=0.01信度檢驗，氣旋加深率與非絕熱加熱的相關(guān)系數(shù)有6個樣本未通過顯著水平α=0.01信度檢驗。從溫度平流與氣壓梯度相關(guān)曲線看，溫度平流與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)主要集中在0.4～0.6之間（圖5d），溫度平流與氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)在0.6～0.9之間（圖5e），氣旋入海后溫度平流與氣旋加深率的相關(guān)性大于與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)，溫度平流對氣旋發(fā)展比對氣旋強度更敏感，溫度平流是3個因子中與氣旋發(fā)展相關(guān)性最高的因子。

圖5 34次氣旋過程氣壓梯度、氣旋加深率和溫度平流（a），氣壓梯度、氣旋加深率和渦度平流（b），氣壓梯度、氣旋加深率和非絕熱加熱（c），氣旋梯度與溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱的相關(guān)系數(shù)（d），氣旋加深率與溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱的相關(guān)系數(shù)（e）Fig.5 Distribution of barometric gradient,cyclone deepening rate and temperature advection in 34 cyclone processes (a); distribution of barometric gradient,cyclone deepening rate and vorticity advection in 34 cyclones processes (b); distribution of barometric gradient,cyclone deepening rate anddiabatic heating (c),correlation coefficient between temperature advection,vorticity advection，diabatic heating and barometric gradient (d); correlation coefficient between temperature advection,vorticity advection,diabatic heating and cyclone deepening rate (e)

與溫度平流相似，渦度平流與氣壓梯度有兩次對應(yīng)關(guān)系不好（圖5b），分別是第13次和第21次過程，渦度平流小，氣壓梯度大。渦度平流和氣旋加深率有3次對應(yīng)關(guān)系不好，分別是第7、19、22次過程，渦度平流小，氣旋加深率大。渦度平流與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)在0.3～0.7之間，渦度平流與氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.8之間。渦度平流與氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)高于與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)，渦度平流對氣旋發(fā)展比對氣旋強度更敏感，5次爆發(fā)性氣旋過程中渦度平流均高于其他氣旋過程。

非絕熱加熱與氣壓梯度和氣旋加深率相關(guān)性不如溫度平流和渦度平流（圖5c），非絕熱加熱與氣壓梯度的相關(guān)系數(shù)在0.3～0.6之間，非絕熱加熱與氣旋加深率的相關(guān)系數(shù)在0.2～0.5之間，非絕熱加熱與氣壓梯度的相關(guān)性大于與氣旋加深率的相關(guān)性，非絕熱加熱與氣旋強度的相關(guān)性較強，與氣旋發(fā)展相關(guān)性弱。

綜上所述，溫度平流是氣旋入海發(fā)展最重要的物理量因子。溫度平流和渦度平流對氣旋發(fā)展比對氣旋強度相關(guān)性更高。在爆發(fā)性氣旋過程中，溫度平流和渦度平流均高于其他氣旋過程。非絕熱加熱是氣旋發(fā)展相關(guān)性最小的因子，非絕熱加熱對氣旋強度比對氣旋發(fā)展的相關(guān)性更強。

4.2 不同類型氣旋的物理量作用

34次過程分別按照黃河氣旋、蒙古氣旋和江淮氣旋歸類，計算出氣旋入海后發(fā)展時刻物理量平均值（表2），江淮氣旋（黃淮氣旋）的溫度平流最高，黃河氣旋和蒙古氣旋溫度平流接近。黃河氣旋的渦度平流最高，蒙古氣旋的渦度平流最低，可見其動力結(jié)構(gòu)較弱。黃淮氣旋的非絕熱加熱數(shù)值最大，蒙古氣旋的非絕熱加熱最小，根據(jù)氣旋生成地和生成季節(jié)所攜帶的水汽差異，來自西南的黃淮氣旋水汽充沛，凝結(jié)潛熱作用高于西北的蒙古氣旋。

表2 不同類型氣旋溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱的平均值Table 2 Average values of temperature advection,vorticity advection and diabatic heating for different types of cyclones

海洋下墊面對氣旋發(fā)展的有利條件主要有兩個方面，首先海洋下墊面較陸地摩擦力小，其次海洋洋面為氣旋的低層提供水汽條件，低層擾動使水汽匯集到高層，水汽相變中的潛熱釋放為氣旋發(fā)展提供有利條件[37]。在氣旋入海減弱過程中，往往是由于溫度平流或渦度平流與地面氣旋的配置不好導致的[38]，下墊面雖然對氣旋有一定的影響，但并不是氣旋入海發(fā)展的主要原因。

5 結(jié)論

通過對近11年引發(fā)黃渤海域大風的入海氣旋10項氣象因子統(tǒng)計分析，圍繞氣壓梯度和氣旋加深率討論入海強度和變化成因，主要結(jié)論如下：

（1）在34次氣旋過程中，有24次氣旋入海是加強的，占總數(shù)的70.5%，有6次氣旋入海過程強度不變，占總數(shù)的17.6%，有4次過程入海后減弱，占總數(shù)的11.7%，有5次爆發(fā)性氣旋過程，占總數(shù)的14.7%。黃、渤海氣旋大風主要發(fā)生在秋季，春冬季次之，夏季一次也沒有出現(xiàn)過。入海發(fā)展的氣旋多位于200 hPa高空急流出口左側(cè)或者分流輻散區(qū)，入海減弱的氣旋多位于高空急流出口右側(cè)。高低空系統(tǒng)與地面氣旋越近，地面氣旋越強，氣旋越容易發(fā)展。850 hPa系統(tǒng)與地面氣旋的距離與氣旋發(fā)展的相關(guān)性最高。

（2）影響黃海海域主要有3類氣旋：自西北向東南移動的蒙古氣旋（17.6%）；自西向東移動的黃河氣旋（49%）；自西南向東北移動的江（黃）淮氣旋（33.4%）。江（黃）淮氣旋在秋季容易發(fā)展為爆發(fā)性氣旋。黃河氣旋和蒙古氣旋入海后最大風區(qū)域通常出現(xiàn)在氣旋的西北象限（或偏西象限），江（黃）淮氣旋最大風區(qū)域出現(xiàn)在氣旋的東南象限。冬季氣旋平均氣壓值高于秋季和春季，春季氣旋平均氣壓值最低。

（3）溫度平流是氣旋發(fā)展最重要的物理量因子。溫度平流是3個因子中與氣旋發(fā)展相關(guān)性最高的因子。溫度平流和渦度平流對氣旋發(fā)展比對氣旋強度相關(guān)性更高。在爆發(fā)性氣旋過程中，溫度平流和渦度平流均高于其他氣旋過程。非絕熱加熱是氣旋發(fā)展相關(guān)性最小的因子，非絕熱加熱對氣旋強度比對氣旋發(fā)展的相關(guān)性更強。

（4）江（黃）淮氣旋的溫度平流最高，黃河氣旋和蒙古氣旋溫度平流接近。黃河氣旋的渦度平流最高，蒙古氣旋的渦度平流最低。江（黃）淮氣旋的非絕熱加熱數(shù)值最大，蒙古氣旋的非絕熱加熱最小，江淮氣旋水汽充沛，其凝結(jié)潛熱作用高于蒙古氣旋。由于海洋下墊面摩擦力小且水汽豐富，海洋下墊面的水汽通過低層擾動匯集到高層，高層的凝結(jié)潛熱作用有利于江淮氣旋的發(fā)展，作者將在今后的工作中對這種作用進行定量分析。