山东近海温带气旋强南向大风的特征分析

周淑玲，单宝臣，盛春岩

（1.威海市气象局，山东 威海 264200；2.山东省气象科学研究所，山东 济南 250031）

海上大风是一种强灾害性天气，人们对这类天气的研究一直在进行（Gbruce 2012；Philip 2012；张磊 等，2012；李维锋，2004；杨彩福 等，2002）。黄、渤海是大风频发海域，许多人对这个海域的大风成因进行了研究，赵强等（2008） 研究渤海秋冬季偏北大风海陆风力的差异，得出不同形势下天津、大连与渤海风力的差异；高山洪等（2001），盛春岩等（2012） 对渤海典型大风个例进行了动力诊断分析；颜梅等（2004） 研究了黄渤海大风的客观相似预报。山东濒临黄渤海，近海强大风是山东重要的灾害性天气之一，常常造成海上交通运输停运，有时还会造成严重的灾害，如1999年大风造成的渤海“11.24”海难事件，有280 多人死亡，林曲凤等（2000） 对此次过程成因分析中认为其与发展的黄河气旋有关，尹尽勇等（2009） 统计了冬季黄渤海大风与渔船风损失的关系。以上研究多数是冷空气影响下的偏北大风，目前较详细地对强南向大风的研究还比较少。

强南向大风发生的频率少于北大风，有的出现在强北大风之前，容易被北大风的现象掩盖，但此类大风有时强度也很大，如1971年6月25-26日山东近海分别出现风速日最大值为32.0 m/s和30.0 m/s 的东南大风。温带气旋是造成山东近海强南向大风的主要天气系统之一，尤其强烈发展的温带气旋，造成的强南向大风极易成灾。为了对强南向大风的成因有系统性的认识，本文在对山东沿海强南向大风进行气候统计的基础上，重点选取温带气旋造成山东强南向大风进行分析，并分别对北方气旋和南方气旋造成强南向大风的因素进行分析，找出两类气旋造成山东近海强南向大风的异同，以期为山东近海强南向大风的预报提供有指导意义的参考。

1 数据与方法

1.1 数据

选取1971-2010年40年山东沿海、近海观测站地面10 m 大风的观测资料对强南向大风进行气候特征分析。根据山东沿海观测站的特点，选取长岛、蓬莱、烟台、威海、成山头、青岛为代表站，分别代表山东北部近海和南部近海。

利用2000-2010年的MICAPS 历史天气图和NCEP/NCAR 1°×1°的6 h 再分析资料分析造成强南向大风的因素特征。

1.2 方法

强南向大风日的定义：根据中国气象局的业务规范，在以上代表站中，每日只要有一个气象观测站出现7 级以上（日最大风风速≥13.9 m/s）的南向大风（风向范围90°～270°），即为一个强南向大风日。

采用统计分析、天气学和天气动力诊断分析方法，分析山东近海温带气旋强南向大风的气候特征及造成强南向大风的天气和动力机制。

2 强南向大风气候特征

根据1971-2010年山东近海观测站地面10 m大风的观测资料的统计分析，发现强南向大风具有明显的月际与年际特点。

月际分布特点：山东近海强南向大风月平均日数最多出现在4月，为6.8 天，次之是5月，为6天，最少的是9月，为0.8 天。强南向大风主要出现在春季，次之为夏季（图1a）。

年际分布特点：1971-2010年40年山东近海强南向大风年日数基本呈逐渐减少的趋势，出现最多的是1979年，为59 天，次之是1972年，为58天，1971-1979年，每年出现强南向大风的日数在44～59 天之间，1980-1990年每年出现强南向大风的日数在30～47 天之间，1990-2010年每年出现强南向大风日数＜30 天，最少的是1999年和2008年，为6 天（图1b）。可见，山东近海7 级以上的强南向大风1971-1990年为多大风时段，1991-2010年强南向大风年日数明显减少。

图1 1971-2010年40年山东近海强南向大风（a）月平均日数 （b）年日数

3 强南向大风特征与温带气旋活动的关系

统计2000-2010年山东近海7 级以上南向大风的个例，发现，温带气旋是造成山东近海强南向大风的主要天气系统，其可分为北方气旋（蒙古气旋、黄河气旋） 和南方气旋（江淮气旋、黄淮气旋）。北方气旋是发生在极锋锋区上的锋面气旋，南方气旋是副热带锋区上低槽引起的锋面气旋，由于这两条锋带特点存在异同，造成强南向大风的因素也有异同。本文首先分析南、北方气旋造成强南向大风的因素，找出两类气旋造成强南向大风因素的主要及次要作用，进而分析两类气旋造成强南向大风的共同特征和差异。

地面高、低压之间的等压线越密集，越利于由气压梯度力产生的空气运动而造成大风天气过程；暖平流中心是上升运动区，低空暖平流越大，越有利于气旋发展和大气的运动；低空偏南急流有利于水汽和能量向北输送，利于气旋的发展和南向大风的产生；暖平流和偏南急流的共同作用易产生南向大风；地面3 小时变压中心区与变压风的辐合上升（负中心区） 和辐散下沉（正中心区） 有关，变压分布可定性判断变压风的风向和强弱。本文重点讨论气压梯度力、高低空急流、高低空暖平流、地面3 小时变压等影响强南向大风的因素。

3.1 北方气旋的强南向大风

当蒙古气旋强烈发展时，山东近海处于它的南部暖区中，在日本南部到朝鲜南部为变性高压，形成东南高、西北低的气压场，常造成强南向大风。黄河气旋东移过程中与海上高压形成东高西低的天气形势场，也常影响山东近海造成强南向大风。

此类型的天气形势为：高空在贝加尔湖地区为冷涡，涡后有冷空气中心和冷平流，涡前有暖脊和暖平流，低空有西南急流，地面在蒙古东部为气旋，并在华北到河套下游有冷锋，同时在日本南部到朝鲜南部为入海发展的高压，形成东南高、西北低的气压场，在高、低压之间，山东半岛到辽宁为等压线密集带，强南向大风发生在等压线密集的区域。

2009年6月19日受蒙古气旋影响，威海出现强偏南大风，强大风持续时间：19日1∶37-13∶56，共12 个小时，其中最大风风速为14.6 m/s（7 级），出现在19日10∶30，极大风风速为21.9 m/s（9级），出现在19日10∶21。

6月19日08时天气形势：500 hPa 在贝加尔湖西、700 hPa 在贝加尔湖、850 hPa 在贝加尔湖东分别有一冷涡，涡后冷空气和涡前暖湿空气都很明显，850 hPa 暖温度脊在涡前从东南向西北贯穿冷涡，925 hPa 在蒙古东部为低涡，涡槽前为西南急流（图2a），地面蒙古气旋发展移到蒙古东部48°N 附近，与气旋相伴的冷锋位于蒙古东部—华北东部—长江中游，日本南部到朝鲜半岛为海上高压，形成东南高、西北低的天气形势，冷锋前有雷暴天气和强南向大风区（图2b）。

造成本次强南向大风的因素：

（1） 地面图上东高西低，南向大风出现在蒙古气旋的东南部、冷锋前部，高低压之间气压梯度大的地方，即：沿37°N，高压外围到气旋冷锋之间（在117°-125°E 之间） 气压差为27.5 hPa，高压外围成山头到低压中心的气压差为17.7 hPa。

（2） 与地面3 小时变压的关系：分析19日08时到20 时的3 小时变压，可以发现：08 时和14时在40°-50°N 之间有一较大的正、负3 小时变压对，南向大风出现在负3 小时变压中心南侧与零线之间（图2c，d），17 时，随着冷空气的和天气形势的变化，南向大风出现的位置靠近正的3 小时变压区。

（3） 暖的温度平流特征：6月19日08时，850 hPa 和925 hPa 温度平流在43°-45°N 气旋东南侧有暖平流大值区，中心值分别为40×10-5℃/s 和30×10-5℃/s，南向大风区则位于850 hPa 和925 hPa暖平流大值区以南5-6 个纬度范围内（图3 中阴影）。

（4） 低空急流：强南大风的出现与低空急流有密切关系。分析925 hPa 图发现，南向大风出现在偏南急流轴附近。分析850 hPa、925 hPa V 风风速，在暖平流的东侧有明显的偏南急流中心，其中心值分别为25 m/s 和21 m/s（图3），南向大风区位于偏南急流中心南侧5-6 个纬度范围内，这里为下沉、辐散区，利于强南向大风的发生。

以上分析可以看出：气压梯度、低空暖的温度平流和低空急流在北方气旋造成的南向大风中起主要作用，而地面3 小时变压起次要作用。

3.2 南方气旋的强南向大风

图2 （a）2009年6月19日08 时925 hPa 位势高度场（实线，单位：dagpm）（黑粗箭头为急流轴）（b）地面天气图（图中标有南向大风和雷暴） （c）地面3 小时变压 （d）14 时地面3 小时变压

图3 2009年6月19日08 时850 hPa（a）、925 hPa（b）的正温度平流（阴影，单位：10-5 ℃/s），v 风风速（等值线，单位：m/s）（引自NCEP/NCAR 再分析资料）

南方气旋造成山东近海强南向大风有两种类型，一是当南方气旋（黄淮气旋、江淮气旋） 强烈发展，其在向东北移动经过山东半岛及其近海时，山东近海处于它的前部暖区内，常出现强的南到东南大风。二是当江淮气旋发展在长江口附近入海时，会造成山东南部沿海东到东南大风。

3.2.1 经过山东半岛及其近海的南方气旋

此类型气旋向东北移动经过山东或山东近海，当其强烈发展时，常常会造成强南向大风。由于气旋发展的强度不一样，造成强南向大风的大小和特征有相同的方面，也有很多差异，前者造成的强南向大风强度大于后者。本文选取2007年3月3-5日爆发性发展和2000年5月9日非爆发性发展的两个江淮气旋个例，分析它们造成强南向大风的异同。

2007年3月4日08 时500 hPa 图上，北支槽位于河套东部，槽后有冷平流，南支槽位于河南到四川，北支槽接近南支槽，两者前的西南气流合并，山东处于槽前西南急流里，高空急流＞20 m/s；850 hPa 图上，山东半岛西部为一低涡，低涡前的西南暖湿急流和涡后的冷平流都很明显，低涡处于发展中；地面图上，3日23 时在安徽境内有闭合低压生成，其后向东北方向移动，4日08 时江淮气旋已经形成，并移到山东半岛东部，西北路冷空气的前锋紧随气旋后方，气旋继续发展东移（图4a），11 时移至成山头东部的海面上，强度在不断加深并急剧发展，20 时气压中心降至997 hPa，到5日08 时，气旋中心气压降至最低，为983.9 hPa，4日08 时- 5日08 时气旋中心24 小时下降了17.4 hPa，加深率为0.98，接近爆发性发展。3日20 时-5日08 时，受发展到成熟的气旋影响，渤海到黄海北部一带先后出现了强烈的南向大风、东北大风转北到西北大风。本次江淮气旋是典型的焊接类南方气旋，北支槽与南支槽合并、北支槽与700 hPa 西南涡结合，850 hPa 低空急流建立，河套冷锋进入西南低压倒槽产生地面气旋，气旋生成后发展，东移入海后爆发性发展。

2000年5月9日08 时，500 hPa、700 hPa 在华北为深槽区，槽前500 hPa 山东半岛到中朝交界为≥20 m/s 的西南急流，700 hPa 为≥12 m/s 的偏南急流，850 hPa 在黄河下游为低涡，涡东侧为暖温度脊和≥12 m/s 的偏南急流，地面江淮气旋9日5 时在安徽中部生成后向北移动，14 时气旋移到苏北，中心气压为1005 hPa（图4b），20 时气旋中心位于海阳—乳山沿海，同时在日本海为高压。受其影响，在气旋的东北部、850 hPa 低涡东侧，高低压之间气压梯度大的地方出现强南向大风。

此类江淮气旋造成强南大风的因素：

图4 （a）2007年3月4日08 时地面天气图 （b）2000年5月9日14 时地面天气图 （c）地面3 小时变压图 （d）地面3 小时变压

（1） 地面图上，爆发性气旋的强南向大风由气旋本身造成，非爆发性气旋的强南向大风除气旋本身外，还与气旋东侧的高压有关，爆发性气旋造成南向大风的风速大于非爆发性气旋造成的强南向大风风速，两种气旋强南向大风均出现在气旋的东北部、东部和南部气压梯度比较大的地方。

（2） 3 小时变压：分析两个气旋的3 小时变压，爆发性气旋正、负3 小时变压都大于3 hPa，而非爆发性气旋都为负3 小时变压，且在3 hPa 以下。两种气旋强南向大风都出现在负3 小时变压中心的西侧、南侧。

（3） 暖的温度平流：分析2007年3月4日08时高、低空暖平流特征，500 hPa 暖平流中心为10×10-5～20×10-5℃/s，位于气旋南侧，850 hPa 暖平流中心为80×10-5～100×10-5℃/s，位于气旋北侧，强南向大风位于850 hPa 暖平流南侧气旋的影响范围内。分析2000年5月9日08 时暖平流，500 hPa 在气旋的东北侧有一暖平流，中心为30×10-5～40×10-5℃/s；850 hPa 在气旋东北侧有一中心为20×10-5～25×10-5℃/s 的暖平流，南向大风区位于850 hPa 暖平流大值区南侧气旋影响范围内。可见，850 hPa 暖平流南侧气旋东侧的区域为南向大风发生的位置（图5），但爆发性气旋和非爆发性气旋高、低空暖平流的位置和配置不一样，强度也不同。

（4） 急流特征：分析V 风风速，2007年3月4日08 时，500 hPa 和850 hPa 均为≥30 m/s 的偏南急流中心，位于气旋的东北侧偏南急流。2000年5月9日08 时，在山东半岛500 hPa 和850 hPa均为＞15 m/s 的偏南急流中心，位于气旋的东北侧，南向大风发生在低空偏南急流的大值区附近（图5），急流的大小与强南向大风的强度成正比。

图5 （a，c）2007年3月4日08 时和2000年5月9日08 时500 hPa （b，d）850 hPa 的正温度平流（阴影，单位：10-5 ℃/s），v 风风速（等值线，单位：m/s）（引自NCEP/NCAR 再分析资料）

以上分析可以看出：地面气压梯度、低空暖的温度平流和低空急流在南方气旋造成的南向大风中起主要作用，而3 小时变压、高空暖平流和高空急流起次要作用。

3.2.2 在长江口或江苏北部入海的南方气旋

当江淮气旋发展并从长江口或江苏北部入海，气旋入海前，在气旋的东—东北部气压梯度较大，易造成山东南部沿海出现东到东南大风。

2000年5月26日08 时，500 hPa 在河套地区为北支槽，在山东半岛为弱低压环流，700 hPa、850 hPa 在苏北到鲁东南为低涡，青岛为东南风，地面图上在长江下游为低压气旋，在日本南部为高压，气旋东到东北部气压梯度较大（图6）。

造成大风的因素分析：

（1） 气压梯度：强南向大风出现在气旋的东南—东—东北部气压梯度较大，气旋北部的强南向大风区位于850 hPa 低涡东侧，处于西南急流和东南急流之间（图6b）。

（2） 3 小时变压：由图6c 可以看出，3 小时变压为≥0 hPa，没有负变压，强南向大风出现在3小时变压区0 线附近。

（3） 暖温度平流：分析2000年5月26日08时温度平流，500 hPa 气旋附近冷、暖平流不明显，850 hPa 在气旋前有较强的暖平流，中心为20～25×10-5℃/s，强南向大风区位于850 hPa 强暖平流区附近（图7）。可见，850 hPa 暖平流是强南向大风产生的重要因素。

（4） 急流：分析5月26日08 时V 风风速，在山东半岛500 hPa 偏南风很小，850 hPa 东海北部有＞21 m/s 的偏南急流中心，偏南急流区从东海伸向华北，呈西北—东南向，同时，偏南急流区西侧为较大的偏北风，强南向大风发生在偏南急流的大值区内（图7）。可见，冷、暖空气的相互作用和偏南急流的存在，是强南向大风出现的重要因素，强南向大风出现在低空偏南急流附近。

以上分析可以看出：地面气压梯度、低空暖的温度平流和低空急流在南方气旋造成的南向大风中起主要作用，而3 小时变压、高空暖平流和高空急流起次要作用。

3.3 北方气旋与南方气旋造成的强南向大风的共性与异性

北方气旋和南方气旋造成山东强南向大风的共性：

图6 （a）2000年5月26日08 时850 hPa 位势高度场（实线，单位：dagpm）和温度场（虚线，单位：℃） （b）地面天气图、（c）地面3 小时变压

（1） 两类气旋产生强南向大风都与地面等压线密集、850 hPa 以下低空偏南急流和暖的温度平流密切相关。

（2） 由图3、图5b、图5d 和图7b 可以看出：低空偏南急流西侧都伴随较强的偏北急流中心，气旋后部都有偏北大风。

北方气旋和南方气旋造成山东强南向大风的异性特征：

（1） 北方气旋造成的强南向大风在地面气压场上是东（南） 高、西（北） 低，南方气旋造成的强南向大风在地面气压场上其东侧不一定有高压存在，尤其爆发性气旋，气旋周围气压梯度较大，没有高压伴随。

（2） 北方气旋影响时地面存在较大的正、负3小时变压对，而南方气旋影响时，爆发性发展的气旋地面存在较大的正、负3 小时变压对，而非爆发性发展的气旋地面不存在正、负3 小时变压对，仅为负（或正） 的3 小时变压。

（3） 北方气旋伴随冷锋，强南向大风位于锋区的前部，在气旋的东到东南部，南方气旋多与低空切变线相伴，有的伴有暖锋，强南向大风出现的部位在气旋的东北侧、东侧、东南侧。

（4） 由图3、图5b、图5d 和图7b 中表明：北方气旋低空暖平流位于V 风大值区的西南侧，而南方气旋低空暖平流位于V 风大值区的西北侧（经过山东半岛的气旋） 或东北侧（在长江口入海的气旋）。

4 结论

本文通过对温带气旋造成山东近海强南向大风的特征分析，得出如下结论：

（1） 山东温带气旋造成的强南向大风主要发生在春季和夏初，气旋分为北方气旋和南方气旋。两类气旋造成强南向大风的主要因素都是地面气压梯度、低空急流和低空暖平流，次要因素都与地面3小时变压有关。

（2） 北方气旋一般有冷锋和海上高压配合，强南向大风出现在冷锋前、低空暖平流大值区及其以南5-6 个纬度范围内、低空偏南急流中心及其南侧5-6 个纬度范围内。

（3） 经过山东半岛及其近海的南方气旋尽管强度不同，但造成山东近海强南向大风的特点大同小异：强南向大风都出现在气旋的东北部—东部—东南部，位于850 hPa 暖平流南侧、850 hPa 低空偏南急流大值区附近；差异为爆发性气旋和非爆发性气旋高、低空暖平流的位置和配置不一样，出现南向大风的强度也不同；在长江口或江苏北部发展入海的南方气旋造成山东的强南向大风主要出现气旋的东北侧、850 hPa 低涡东侧。

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