近10年黃、渤海海域入海氣旋的統計特征和加強原因分析

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之一。溫帶氣旋移經黃、渤海后往往形成難以預報的突發性致災大風，尤其是當溫帶氣旋入海后快速發展成爆發性氣旋，它的破壞力不亞于臺風，入海溫帶氣旋（以下簡稱氣旋）引發的突發性大風對海上作業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展形成爆發性氣旋，導致黃、渤海海域出現9～10級大風，受風浪影響渤海海峽發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、渤海地區受入海氣旋影響，發生一次嚴重的風浪和風暴潮災害，給天津、河北、遼寧、山東等沿海各省市帶來巨大的經濟損失，直接經濟損失達到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域[1–3]關注氣旋發生發展過程中強度變化及其引發災害性天氣[4–9]，尤其是針對暴雨、風暴潮和大風等災害成因分析[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]對氣旋發生發展進行機理和特征結構進行研究，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，爆發性氣旋個例不僅出現在遠海，也可以出現在黃、渤海海域[20]。尹盡勇等[21]和黃彬等[22–23]對移經渤海快速發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、渤海域氣旋統計特征進行系統性研究的較少，而氣旋入海后往往形成突發性災害大風，在海洋預報中風力經常出現漏報，僅從氣壓梯度來判斷風力等級會導致預報失敗。因此，研究入海氣旋統計特征和入海后加強的原因，對提高預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計2008?2018年出現在渤海、渤海海峽、黃海北部和黃海中部7級以上大風過程，根據海洋預報業務標準，海洋平臺自動站連續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etterssen氣旋發展公式[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 入海氣旋統計分析

3.1 氣旋加深率與氣壓梯度

2008?2018年黃、渤海共出現34次7級以上氣旋大風過程（表1），文中分別統計10項氣象因子：200 hPa高空急流、高空（500 hPa）低空（850 hPa）影響系統、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）系統距離（Z500）、地面氣旋中心與 850 hPa低渦、切變線系統距離（Z850）。文中計算氣旋入海后發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，占總數的17.6%，4次過程入海后減弱，氣旋加深率為負值，占總數的11.7%，氣旋加深率達到1為爆發性氣旋，34次過程中有5次爆發性氣旋過程，占總數的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。可見較強的氣旋入海后不一定會繼續發展。

3.2 海平面氣壓和高空影響系統

統計氣旋經黃、渤海海平面最低氣壓如圖1b所示柱狀圖上的數值為氣旋發生月份，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在5月份，為985 hPa。氣旋中心海平面氣壓最高值出現在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，夏季未出現氣旋過程。夏季海洋是冷源，冷的下墊面不利于氣旋發展[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)

入海發展的氣旋多位于200 hPa高空急流出口左側或者分流輻散區（表1），這些區域對應對流層中上層強輻散區，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展[33]。氣旋加深率為負的4次過程位于高空急流出口右側，對應高空輻合區，不利于地面氣旋發展。氣旋入海過程中高低空系統多呈后傾結構，發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同時發展成低渦的深厚系統更容易入海快速發展，其中有5次發展為爆發性氣旋，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，占總數的33.4%（圖2c）。表1中5次爆發性氣旋均為江（黃）淮氣旋，4次發生在秋季，1次發生在春季。

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 氣旋風場統計特征

氣旋入海后往往形成突發性大風，不同氣旋的大風出現區域不同，同一氣旋的不同象限出現的風力等級不同。文中統計34次黃、渤海氣旋過程最大風出現區域，按照最大風出現區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。西北大風型出現在秋冬季節（9月至翌年2月），氣旋最大風區域通常出現在氣旋的西北象限（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），偶爾會出現偏西大風，西北大風型的主要影響系統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，最大風速帶出現在氣旋西北或偏西象限。東南（偏東）型大風多出現在春季（3?5月），最大風區域出現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），影響系統為江淮氣旋或黃淮氣旋，當氣旋中心移經黃海時，黃海海域往往出現較強東南風，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之一[34]。

3.5 高低空系統與地面氣旋的距離

文中氣旋過程高低空配置皆為后傾結構，為分析高低空系統對地面氣旋的影響，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，曲線走向完全相反，Z500與氣旋加深率之間呈負相關。因而，地面氣旋與500 hPa和850 hPa系統的距離越小，地面氣旋越容易發展。其中5次爆發性氣旋的Z500和Z850分布在500 km和200 km以內。為了具體說明Z500和Z850對氣旋強度和氣旋發展變化的作用，分別計算Z500和Z850與氣壓梯度和氣旋加深率的相關系數（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的相關系數（c），氣旋加深率與Z850、Z500的相關系數（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個樣本的相關系數進行t檢驗，Z850與氣旋加深率的相關系數全部通過顯著水平α=0.01信度檢驗，Z850與氣壓梯度的相關系數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系數樣本85%通過了顯著水平α=0.01信度檢驗，Z500與氣壓梯度的相關系數檢驗中僅有3例通過了顯著水平α=0.01信度檢驗。

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

4 氣旋發展原因分析

4.1 物理量在氣旋強度和發展中的作用

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

為了討論氣旋入海后的發展原因，文中計算氣旋入海后影響黃、渤海區域的物理量，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性分析，討論物理量在入海后氣旋強度和氣旋發展中的作用。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次過程對應關系不好，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個物理量的相關系數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系數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系數有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曲線看，溫度平流與氣壓梯度的相關系數主要集中在0.4～0.6之間（圖5d），溫度平流與氣旋加深率的相關系數在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性大于與氣壓梯度的相關系數，溫度平流對氣旋發展比對氣旋強度更敏感，溫度平流是3個因子中與氣旋發展相關性最高的因子。

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系數（d），氣旋加深率與溫度平流、渦度平流和非絕熱加熱的相關系數（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關系不好（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次對應關系不好，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系數在0.3～0.7之間，渦度平流與氣旋加深率的相關系數在0.5～0.8之間。渦度平流與氣旋加深率的相關系數高于與氣壓梯度的相關系數，渦度平流對氣旋發展比對氣旋強度更敏感，5次爆發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系數在0.3～0.6之間，非絕熱加熱與氣旋加深率的相關系數在0.2～0.5之間，非絕熱加熱與氣壓梯度的相關性大于與氣旋加深率的相關性，非絕熱加熱與氣旋強度的相關性較強，與氣旋發展相關性弱。

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

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，可見其動力結構較弱。黃淮氣旋的非絕熱加熱數值最大，蒙古氣旋的非絕熱加熱最小，根據氣旋生成地和生成季節所攜帶的水汽差異，來自西南的黃淮氣旋水汽充沛，凝結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展的主要原因。

5 結論

通過對近11年引發黃渤海域大風的入海氣旋10項氣象因子統計分析，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，占總數的70.5%，有6次氣旋入海過程強度不變，占總數的17.6%，有4次過程入海后減弱，占總數的11.7%，有5次爆發性氣旋過程，占總數的14.7%。黃、渤海氣旋大風主要發生在秋季，春冬季次之，夏季一次也沒有出現過。入海發展的氣旋多位于200 hPa高空急流出口左側或者分流輻散區，入海減弱的氣旋多位于高空急流出口右側。高低空系統與地面氣旋越近，地面氣旋越強，氣旋越容易發展。850 hPa系統與地面氣旋的距離與氣旋發展的相關性最高。

（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展為爆發性氣旋。黃河氣旋和蒙古氣旋入海后最大風區域通常出現在氣旋的西北象限（或偏西象限），江（黃）淮氣旋最大風區域出現在氣旋的東南象限。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）溫度平流是氣旋發展最重要的物理量因子。溫度平流是3個因子中與氣旋發展相關性最高的因子。溫度平流和渦度平流對氣旋發展比對氣旋強度相關性更高。在爆發性氣旋過程中，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展相關性最小的因子，非絕熱加熱對氣旋強度比對氣旋發展的相關性更強。

（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，高層的凝結潛熱作用有利于江淮氣旋的發展，作者將在今后的工作中對這種作用進行定量分析。