弱冷空氣引起渤海灣大風的時空分布特征及環境條件分析

孫曉磊，張唯，胡田田，朱男男

（1.天津市海洋氣象重點實驗室，天津 300074；2.天津海洋中心氣象臺，天津 300074；3.河北省滄州市氣象局，河北 滄州 061001）

1 引言

海上大風會直接影響到海上運輸、石油平臺作業和漁業等生產部門的計劃調度及安全實施。在船舶靠離泊碼頭的過程中，如遇突發海上大風會對其泊穩安全產生較大影響，極易引發碰撞或船舶擱淺等事故。

我國氣象學者從很早就開展冬半年的海上大風研究，20世紀80年代以來，相關研究主要集中在對資料的統計分析和對個例的診斷研究上。張新玲等[1]從1979—1981年春秋季黃渤海8 m/s以上海上風和沿岸實測風的對比中發現，海上風和沿岸風的大小及比值都具有明顯的日變化和季節變化，其比值和日較差都隨季節和風向的變化而變化。閻俊岳等[2]論述了黃渤海大風的分布規律、海陸大風對比分析特征、天氣過程以及預報方法。辛寶恒[3]認為黃渤海的偏北大風與冷鋒和氣旋（黃河氣旋、江淮氣旋、渤海氣旋和北上熱帶氣旋）有關，偏南大風與蒙古氣旋、東北低壓和華北地形槽有關。楊曉霞等[4]以地面影響系統為主，將山東沿海偏北大風分為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）。呂愛民等[5]采用天氣學分型和統計分析方法，將中國近海的大風天氣過程歸納為冷空氣型、溫帶氣旋型和熱帶氣旋型3種。尹盡勇等[6]指出氣旋入海發展是黃渤海大風形成的重要原因之一，低層冷暖平流的顯著加強和氣旋冷鋒后部的鋒生加強會促使地面氣旋快速發展。黃彬等[7]利用溫度平流、渦度平流、位勢渦度和Q矢量等診斷分析了引發黃渤海海上大風的入海氣旋，揭示了變壓梯度和氣壓梯度在海上大風中的作用。研究者還采用溫度平流對大風形成的熱力條件進行診斷分析，指出槽前強烈暖平流是氣旋爆發性發展的主要原因[8-9]。盛春巖等[10-11]通過數值模擬發現渤海地形及下墊面對大風風速有增幅作用，可以導致渤海北部大風風速增加2～3 m/s，渤海南部增加3～5 m/s。

在近幾年對渤海中西部海面大風的預報業務中，科研工作者發現了一種以往關注度較低、在弱冷空氣或補充冷空氣影響下發生的海上大風天氣過程。此類海上大風具有很強的突發性，發生時風力猛而天空狀況良好，是發生在沿海地區冬半年一種危害較大的大風過程，預報員易因對此類天氣的發生特點認識不清而漏報。孫建明等[12]從天氣形勢背景上將其與傳統冷空氣過程做了區分，指出這種情況一般發生于冷空氣大舉南下后的1～2 d，在天氣轉晴的當天中午—傍晚，冷空氣補充南下，大風過程突發性強，起風—風力增強時間短促，對在外作業的沿海漁船威脅極大。曹美蘭等[13]將此類天氣稱為“晴天暴”，并從觀測角度指出其發生期間氣壓、溫度等氣象要素會出現驟升/驟降的變化，酷似“颮線”過境。從前人的研究中可以看到，盡管海上大風研究已經取得很多有意義的成果，但是對于“晴天暴”這類天氣的研究還不多，從現有的研究來看，對同類海上大風過程的研究多集中在浙江沿海[13-15]，而渤海地區的相關研究很少[16]。

由于弱冷空氣引發的大風屬于小概率事件，對其物理機制的認識尚不透徹，且大風發生期間不伴隨其他天氣現象，衛星云圖上也觀測不到任何有效信息，因此想要了解這種天氣氣候的背景特點及物理機制，就需要依靠自動站、探空站及風廓線雷達等實況監測數據來加深對此類天氣形成環境的認識。本文綜合利用渤海沿海自動站、浮標站和海上平臺站等觀測資料，結合美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，

NCEP）和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的FNL（Final Reanalysis Data）再分析數據，統計了渤海灣區域在弱冷空氣影響下海上大風的時空分布特征和天氣概念模型，總結出具有較好指示意義的物理量因子指標，以期為今后預報此類災害性天氣積累經驗。

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（117.2°～119.2°E，37.4°～39.7°N），將研究區域劃分為渤海灣北部、西部、南部和中部4個區域（見表1）。2016年來，天津市氣象局借助海上石油平臺建立了18個覆蓋渤海、時間分辨率為1 h的自動氣象觀測站，結合沿海加密自動站的觀測數據，可以很好地反映渤海灣地區的大風情況。

2.2 弱冷空氣過程統計標準

《冷空氣等級》（GB/T 20484—2017）中明確規定：日最低氣溫48 h內降溫幅度小于6℃的過程為弱冷空氣。本文按照標準中的定義，當渤海灣研究區域內6成以上代表站點降溫情況滿足條件時，記為一次弱冷空氣過程。

2.3 大風過程日確定

以A平臺為代表（見表1），按照連續3個時次以上2 min平均風≥6級的標準確定大風過程，再根據9個代表站點6成以上（即5個站點）達到弱冷空氣標準來綜合確定弱冷空氣大風過程日。2014—2019年11月—次年3月期間，從223次弱冷空氣過程中可確定弱冷空氣大風個例20個。由于2016年后海上觀測站點齊全且沿岸逐小時觀測數據完整性最好，因此主要選用2016—2019年的數據進行時空分布特征統計。由于本研究重點著眼于“晴天暴”的特殊過程，因此在統計時將伴隨有降雪、降水的過程進行了剔除。文中的大風站次是基于篩選出的個例進行統計的，凡是自動站逐小時資料顯示某一時刻出現6級及以上風，則該時次記為一個站次。

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

3 弱冷空氣引起大風的時空分布特征

3.1 空間分布特征

在統計時段內，渤海灣共有243個自動站監測到6級及以上大風過程，大風落區多在渤海海面，30站次以上大風主要出現在沿岸及渤海灣。A平臺出現大風220站次，曹妃甸浮標監測站出現大風106站次，64個站點出現累計10站次以上的大風，36個站點出現累計20站次以上的大風，25個站點出現累計30站次以上的大風。

3.2 時間分布特征

文中對弱冷空氣造成的大風過程的月變化和日變化情況進行統計（見圖1）。圖1中柱狀圖表示大風出現的比例，從圖中可以看到，除了2月（在統計時間范圍內，2月沒有達到2.3節大風過程日標準的過程），11月—次年3月均有大風過程發生，其中12月、1月和3月6級及以上大風的出現比例超過25%，1月達到36.4%；風力較強的7級及以上大風過程多出現在3月，比例為9.1%。弱冷空氣引起的大風過程在全天均有可能發生（見圖1b），08—19時（北京時，下同）出現6級及以上大風的比例最高，上午（08—11時）及下午—傍晚（16—19時）出現7級及以上大風的比例較高，分別為6.5%和4.8%。研究結果與孫建明等[12]提出弱冷空氣大風一般發生于天氣轉晴的當天中午—傍晚的結論一致，這主要是由于前期增溫導致補充冷空氣在過境前層結不穩定并伴有上升運動，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—夜間此類大風過程趨于減少，可一旦出現大風過程，風力會比較強且具有突發性，所以需要結合高低空溫度平流和探空資料對大氣層結狀態加以分析。

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

3.3 盛行風特征

從弱冷空氣過程中渤海灣4個區域的風向頻率玫瑰圖可以看出（見圖2），渤海灣北部、西部和中部區域以西北風為主，西北方向大風分別占各自區域全部風向頻率的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。渤海灣南部區域除受高壓底前部東路冷空氣影響外，還會受到低壓倒槽或入海減弱低壓影響，這兩種情況下的風向均以東北風為主，因此南部區域在弱冷空氣過程中主要存在西北和東北兩個主導風向，分別占全部風向頻率的39%和46%。從4個區域的盛行風情況可以看到，在弱冷空氣大風過程中，渤海灣地區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域存在兩個主導風向，這與其地理位置有關。

圖2 渤海灣4個區域風玫瑰圖Fig.2 Wind rose diagrams of four regions in the Bohai Bay

4 影響系統分型及典型個例分析

本文以500 hPa影響天氣系統為主，700～850 hPa和地面系統為輔，對2014—2019年渤海灣20次由弱冷空氣引發的大風過程的影響系統進行分析研究。按照大風落區與高空500 hPa天氣系統的對應位置進行歸類分型，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過程中，冷渦后部型的發生次數最多，占總次數的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在119°～150°E，44°～65°N范圍內，冷中心一般落后于冷渦，主要出現在110°～135°E，43°～64°N范圍內。此類型天氣過程的冷渦后部高空脊較強，可向北伸展至65°N甚至更北的區域。渤海灣上空500～850 hPa一致為較強的西北急流，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

此類形勢下冷渦出現的位置振幅較大，最北可至68°N，南至41°N，西至117°E，東至155°E。83%以上過程的冷渦中心集中在43°～58°N，118°～137°E內。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高空槽或風速輻合線主要位于華北區域，700～850 hPa高空槽或風速輻合線主要位于500 hPa槽前渤海灣上空，同時配合有700 hPa近南北向溫度露點差低值帶和850 hPa暖脊。

4.3 高空槽型

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

4.4 弱冷空氣引發大風典型個例分析

4.4.1 大風實況

受冷渦后部橫槽轉豎影響，2018年1月8日白天—夜間渤海灣區域出現了平均風7～8級、陣風9～10級的大風過程，最大風速為20.7 m/s，極大風速為24.7 m/s，7級及以上大風持續時間約為16 h。2018年1月9日下午—11日上午，在冷渦后部冷空氣的補充影響下，渤海灣區域持續出現平均風7～8級、陣風9～10級的大風過程。根據海上A平臺自動站逐小時的觀測記錄（見圖3），大風從9日08時開始，持續至11日14時結束，極大風超過7級（最大風速為13.9 m/s），維持時間長達48 h，2 min平均風最大達8級（最大風速為20.3 m/s），極大風最大達10級（最大風速為25.7 m/s），特別是9日15時—10日12時期間有19 h出現9級及以上極大風，10日夜間—11日白天斷斷續續仍有3個時次出現9級及以上極大風。由此可見，冷渦后部由弱冷空氣補充形成的大風過程具有持續時間長、風力強、風速波動的特點，風力強度和持續時間均遠超8日強冷空氣所帶來的影響。

圖3 2018年1月8—11日A平臺站實況風速曲線Fig.3 Wind speed curves of platform A station from January 8—11,2018

4.4.2 環流形勢演變特征

2018年1月8日08時，我國內蒙古地區的低渦快速東移，河套西部的橫槽迅速轉豎過境并影響渤海灣區域；8日20時高空槽已經移至黃海海域上空；9日08時冷渦中心北縮至黑龍江以北地區，烏拉爾山高壓脊東移與冷渦之間形成較大位勢梯度，引導脊前西北氣流向東南方向移動，渤海灣上游地區風速為26 m/s的西北氣流與-36℃等溫線之間的交角小于30°（見圖4a），因此形成高空弱冷平流輸送。由于本次過程屬于冷渦后部西北氣流型，因此采用北京站探空記錄來分析上游高空影響系統的變化。從探空記錄中可以看到（見圖4），500 hPa溫度從8日20時的-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內升溫1.1℃。在海平面氣壓場上，渤海灣受弱低壓帶影響，08時隨著冷空氣的移入，在上游開始形成2×10-7～5×10-7Pa/km較強的變壓梯度中心（見圖4b）。中高緯度處的風與氣壓場基本符合地轉風和梯度風原理，變壓風沿變壓梯度從高值區吹向低值區。在變壓梯度的作用下，9日14時A平臺開始出現平均風7級及以上大風，極大風風速為19.9 m/s。從高低空形勢配置可以看出，此次大風過程屬于低渦后部西北氣流型，中高層西北氣流將冷空氣補充向南輸送，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定的層結配置結構。

圖4 2018年1月9日08時500 hPa高度形勢場和過去3 h變壓形勢場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 系統斜壓性發展特征分析

最大Eady增長率（Maximum Eady Growth Rate，EGR）是通常用于度量大氣斜壓性的指標[17]，被廣泛用于中緯度斜壓不穩定發展的研究中[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；Z為高度；f為地轉參數。EGR能夠有效地反映系統的斜壓性，是斜壓能量增長的有效估計，EGR值增加表明系統斜壓性增加，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生的斜壓性會導致鄰近海岸風速增強[20-22]。

本文以500 hPa和850 hPa的溫度平流差動（θse）來表征大氣的穩定度（見圖5）。1月9日08時（見圖5a），強θse位于渤海灣西部，形成西南東北向的大值帶；對應的在渤海灣北部形成中心為3/d的Eady增長率大值區，表明北部冷渦后部西北氣流南下造成系統斜壓性很強，為有效位能的釋放提供了能量源。9日14時（見圖5b），隨著冷空氣進一步南壓，θse大值區主體前緣已移至渤海沿岸，θse從負值轉為15×10-5K/s；中心為3/d的Eady增長率大值區東移南壓至渤海灣區域，由于EGR大值區對應較強的動能區[23]，此時渤海灣地區開始出現大風，A平臺2 min的平均風速從9.6 m/s躍升至16.5 m/s。9日20時2.7/d的Eady增長率中心維持在渤海灣（見圖5c），θse增大到20×10-5K/s，沿岸及海面大風始終保持在8級及以上。本文針對渤海灣研究區域計算了EGR隨時間變化的區域平均值（見圖5d）。從圖中可以看到，EGR區域的平均值從9日08時后開始快速增長，在14時達到峰值后緩慢波動下降，11日08時當EGR下降至1.3/d后，大風過程基本結束。EGR的變化趨勢與大風的開始和結束時間呈很好的對應關系，在預報中具有一定的參考意義。

圖5 2018年1月9日不同時刻500 hPa風場（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 動量下傳

由上文分析可知，此次過程不僅斜壓性強，而且在大風發生前的高空降溫和中低層升溫進一步促使大氣層結不穩定，垂直交換強，有利于高層動量下傳，從而使得地面風速明顯加大。此外，強烈的垂直風切變會引起垂直方向的溫度平流差，造成大氣的靜力不穩定，促進動量下傳[24]。本文選取黃驊站風廓線觀測數據來分析渤海灣沿岸風場的垂直演變。圖6a是風廓線雷達探測到的1月9日黃驊站500～5 500 m高度的風垂直剖面（從左至右時間逐6 min增加）連續變化圖。黃驊站位于渤海灣西側，可用來闡明冷空氣影響渤海前的高低空風場變化。大風發生前，500～4 000 m的最大風速切變達到14 m/s，20 m/s以上強風區從4 500 m以上高度下降至3 500 m左右；09—12時，在1 500～2 000 m高度附近形成了風速為14 m/s的偏西急流，同時配合向下垂直速度為0.5 m/s的大值中心；12—13時該高度層的偏西急流逐漸減小，風向轉為西北氣流，相應在1 000 m高度附近出現了風速大于12 m/s的大風速區，下沉氣流垂直速度大值中心進一步向下傳播至200～1 000 m高度；14時前后2 000 m高度處出現此次過程中最強的下沉氣流，垂直速度達到-0.5 m/s，同時低層西北風風速加大到16 m/s，促使渤海灣出現西北大風過程；14時后，風速為20 m/s的高空強風區降至3 000 m，下沉氣流繼續從高層向低層伸展，不斷有高層動量向低層傳播。

加密觀測的氣球探空測風資料可以用來分析鋒面和槽線等過境天氣。在之前的研究中，探空資料多用于分析夏季的強對流天氣，用于冬季大風期間層結分析的研究較少，這主要因為冬季大風過程多受強冷空氣系統影響，層結一般比較穩定。從圖6b可以看到，9日08時，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”結構，中低層接近干絕熱遞減率，有利于下沉氣流在下沉增溫過程中和環境溫度保持負溫差，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時黃驊站風廓線和08時北京站探空圖Fig.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力學和熱力學性質的物理量，在實際天氣預報分析中有著廣泛的應用。由圖7可知，此次過程的位渦高值區位于300 hPa以上，隨著緯度增加，高值區的高度逐漸降低。其他冷空氣過程的高位渦區一般位于200 hPa以上，但此次過程高位渦區的整體高度較低，降低至300～400 hPa。PV=2的等位渦面被看作是對流層中的低位渦與平流層中的高位渦之間的轉換邊界，代表動力對流層頂。9日14時—10日08時，高空高位渦有明顯的下傳，10日08時在位渦異常區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在西北氣流的持續作用下有明顯的向下傳遞，高位渦區整體偏低，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。等位溫面向異常區凸起，反映了鋒區的結構，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程中和環境溫度保持負溫差，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 結論

本文利用渤海灣區域地面自動站、浮標站和海上平臺站，統計并選取了2014—2019年11月—次年3月由弱冷空氣引起的大風典型個例，對其進行時空分布特征、區域盛行風和影響系統分析，最終得出適用于渤海灣地區的3類概念模型。結論如下：

（1）弱冷空氣引起的6級及以上大風落區集中在渤海灣沿岸和中部，出現最多的為A平臺和曹妃甸浮標監測站。1月、3月和12月是大風出現較多的月份，11月較少。弱冷空氣大風一般發生于天氣轉晴的當天中午—傍晚，主要是由于前期增溫導致補充冷空氣過境前層結不穩定并伴有上升運動，有利于空氣的垂直能量交換，盡管傍晚—夜間此類大風過程趨于減少，但一旦出現大風過程，風力會比較強，并具有突發性，因此需要高度關注。在弱冷空氣大風過程中，渤海灣地區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域存在兩個主導風向，這與其所在的地理位置有關。

（2）對渤海灣20次由弱冷空氣引發的大風過程的影響系統進行分析。按照大風落區與高空500 hPa天氣系統的對應位置進行歸類分型，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，發生次數占總次數的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生頻率分別占50%。

（3）通過對典型個例的分析，進一步總結了弱冷空氣引起大風的環境條件。利用Eady增長率和溫度差動平流可以綜合分析系統斜壓性發展及大氣穩定度，EGR的變化趨勢與大風的開始與結束時間有很好的對應關系，在預報中具有一定參考意義。風廓線逐6 min觀測數據可以有效捕捉到高空動量向低層傳播的過程，高空強風區從4 500 m左右逐漸向低層移動，伴隨下沉氣流垂直速度大值區向低層移動并加強。

（4）弱冷空氣過程的動力對流層頂位于300～400 hPa，低于其他冷空氣過程的高位渦區位置。大風發生期間高空高位渦有明顯下傳，在位渦異常區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程中和環境溫度保持負溫差，使得下沉氣流保持向下的加速度。