近10年黄、渤海海域入海气旋的统计特征和加强原因分析

朱男男，熊秋芬，胡田田，马建铭，王亚男

(1.天津海洋中心气象台，天津 300074；2.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；3.天津市海洋气象重点实验室，天津 300074)

1 引言

温带气旋是影响我国黄、渤海海域的主要天气系统之一。温带气旋移经黄、渤海后往往形成难以预报的突发性致灾大风，尤其是当温带气旋入海后快速发展成爆发性气旋，它的破坏力不亚于台风，入海温带气旋（以下简称气旋）引发的突发性大风对海上作业和船舶运输影响很大。受入海气旋影响的海难案例较多，2013年11月24日江淮气旋入海后快速发展形成爆发性气旋，导致黄、渤海海域出现9～10级大风，受风浪影响渤海海峡发生了两起严重的沉船事故，共计26名船员遇难。2013年3月18日渤海海域受到冷空气与气旋的共同影响，渤海出现9级大风，导致轮船“阳光新港”号在龙口港北部沉没，共计14人遇难。2007年3月3−6日黄、渤海地区受入海气旋影响，发生一次严重的风浪和风暴潮灾害，给天津、河北、辽宁、山东等沿海各省市带来巨大的经济损失，直接经济损失达到40亿元，12人死亡。

早期对温带气旋的研究针对西北太平洋区域[1–3]关注气旋发生发展过程中强度变化及其引发灾害性天气[4–9]，尤其是针对暴雨、风暴潮和大风等灾害成因分析[10–12]。学者们分别从诊断分析角度[13–16]、能量角度[17]、位涡角度[18–19]对气旋发生发展进行机理和特征结构进行研究，认为温度平流、涡度平流、位势涡度和非绝热加热在气旋发展变化中具有重要作用。近年来，温带气旋对我国近海的影响逐渐被重视，爆发性气旋个例不仅出现在远海，也可以出现在黄、渤海海域[20]。尹尽勇等[21]和黄彬等[22–23]对移经渤海快速发展的气旋进行物理量诊断分析。也有学者探讨海洋下垫面对气旋的作用[24–27]，并利用模式修改渤海地形及下垫面对冷空气大风影响的进行研究[28]。上述对温带气旋研究主要是针对个例进行分析，对黄、渤海域气旋统计特征进行系统性研究的较少，而气旋入海后往往形成突发性灾害大风，在海洋预报中风力经常出现漏报，仅从气压梯度来判断风力等级会导致预报失败。因此，研究入海气旋统计特征和入海后加强的原因，对提高预报准确率具有一定的帮助。

2 资料和方法

本文利用逐小时自动站资料统计2008−2018年出现在渤海、渤海海峡、黄海北部和黄海中部7级以上大风过程，根据海洋预报业务标准，海洋平台自动站连续3 h风力超过7级即为一次大风过程。再利用地面观测资料筛选由气旋引起的大风过程。海平面气压场上2.5 hPa间距的等压线有3个以上闭合中心且气旋中心经过黄、渤海海域认为是一次黄、渤海入海气旋过程。利用高空观测资料和地面观测资料分析和计算入海气旋过程中的10项气象因子。根据etterssen气旋发展公式[29]讨论温度平流、涡度平流和非绝热加热在气旋强度和发展中的作用，利用NCEP-FNL资料计算温度平流、涡度平流和非绝热加热等物理量。

3 入海气旋统计分析

3.1 气旋加深率与气压梯度

2008−2018年黄、渤海共出现34次7级以上气旋大风过程（表1），文中分别统计10项气象因子：200 hPa高空急流、高空（500 hPa）低空（850 hPa）影响系统、地面气旋中心强度、移动路径、入海后是否加强、气旋加深率、最小气压梯度、地面气旋中心与500 hPa低涡（槽）系统距离（Z500）、地面气旋中心与 850 hPa低涡、切变线系统距离（Z850）。文中计算气旋入海后发展最强时刻的气旋加深率，采用Yoshida和Asuma[30]的公式计算12 h 气旋加深率，具体方法如下：

式中，RSLP为 12 h气旋加深率，单位：hPa/h；t为分析时间；t−6 为t时间 6 h 前的时刻；t+6 为t时间 6 h 后的时刻；P为气旋中心海平面气压；φ为气旋中心纬度。本文主要研究区域为渤海、渤海海峡、黄海北部和黄海中部海域，即 33°～43°N，115°～128°E 海洋区域。

文中计算了黄、渤海入海气旋的气旋加深率，34次气旋过程中有24次气旋入海是加强的（图1a），气旋加深率为正值，占总数的70.5%，6次气旋入海过程强度不变，气旋加深率为0，占总数的17.6%，4次过程入海后减弱，气旋加深率为负值，占总数的11.7%，气旋加深率达到1为爆发性气旋，34次过程中有5次爆发性气旋过程，占总数的14.7%。70.5%气旋入海后会加强。

气压梯度是反映气旋强度的量，气压梯度大则气旋强度大，气压梯度指向气旋中心[31]其中 ρ=1.292 3 kg/m3，沿气旋中心法向方向的两个等压线最小距离来反算最小气压梯度，文中简称气压梯度。文中计算34个过程的气压梯度（图1a），气压梯度与气旋加深率走向较为一致，但有2次气压梯度较强过程气旋加深率却较低，第13次过程中气压梯度较高，而气旋加深率为负值，即气旋入海前强度较大，入海后强度减弱。第21次过程气压梯度较强，而气旋加深率为0，即气旋入海前强度较大，入海后强度无 变化。可见较强的气旋入海后不一定会继续发展。

3.2 海平面气压和高空影响系统

统计气旋经黄、渤海海平面最低气压如图1b所示柱状图上的数值为气旋发生月份，春季（3−5月）有11次过程，气压值在 985～1 010 hPa之间，夏季（6−8月）没有出现气旋过程，秋季（9−11月）有 12次过程，气压值在 996～1 020 hPa之间，冬季（12 月至翌年 2 月）有 11 次过程，气压值在 1 003～1 028 hPa之间。气旋中心海平面气压最低值出现在5月份，为985 hPa。气旋中心海平面气压最高值出现在1月份为1 028 hPa。冬季的平均气压值高于秋季和春季，春季平均气压值最低，夏季未出现气旋过程。夏季海洋是冷源，冷的下垫面不利于气旋发展[32]。

图1 34 次过程气旋加深率和气压梯度（a）， 34 次过程地面中心最低气压（b）Fig.1 Cyclone deepening rates and barometric gradient (a),sea level minimum pressure in 34 cyclones processes (b)

入海发展的气旋多位于200 hPa高空急流出口左侧或者分流辐散区（表1），这些区域对应对流层中上层强辐散区，高空强烈辐散有利于地面补偿性减压，促使低层气旋快速发展[33]。气旋加深率为负的4次过程位于高空急流出口右侧，对应高空辐合区，不利于地面气旋发展。气旋入海过程中高低空系统多呈后倾结构，发展中的气旋位于高空槽前，位于高空槽后的地面气旋入海后往往减弱，500 hPa和850 hPa同时发展成低涡的深厚系统更容易入海快速发展，其中有5次发展为爆发性气旋，见序号10、15、20、24、30过程加深率。

表1 黄、渤海气旋气象因子统计Table 1 Statistics of meteorological factors of the cyclones in the Yellow Sea and the Bohai Sea

3.3 影响黄、渤海海域入海气旋路径分类

按照气旋的生成地分类，影响黄、渤海海域的气旋分为3类，第1类是蒙古气旋,自西北向东南移动影响黄、渤海，蒙古气旋占总数的17.6%（图2a）；第2类是黄河气旋,自西向东移动影响黄、渤海海域，黄河气旋占总数的49%（图2b），是影响频次最多的一类；第类是江淮气旋（包括黄淮气旋），此类气旋生成于江淮流域，自西南向东北移动，占总数的33.4%（图2c）。表1中5次爆发性气旋均为江（黄）淮气旋，4次发生在秋季，1次发生在春季。

图2 蒙古气旋（a）、黄河气旋（b）、江淮气旋（c）路径和海平面气压（单位：hPa）Fig.2 Mongolian cyclone (a),Yellow River cyclone (b),Changjiang-Huaihe cyclone (c) tracks and sea level pressure (unit: hPa)

3.4 气旋风场统计特征

气旋入海后往往形成突发性大风，不同气旋的大风出现区域不同，同一气旋的不同象限出现的风力等级不同。文中统计34次黄、渤海气旋过程最大风出现区域，按照最大风出现区域主要分为两种类型，分别为西北（偏西）大风型和东南（偏东）大风型。西北大风型出现在秋冬季节（9月至翌年2月），气旋最大风区域通常出现在气旋的西北象限（或偏西象限），即气旋中心及冷锋后部。影响黄、渤海海域风向多为西北大风（图3a至图3c），偶尔会出现偏西大风，西北大风型的主要影响系统是蒙古气旋和黄河气旋。文中列举2016年2月13日、2012年11月11日、2013年2月9日西北大风型气旋过程，这些气旋取西北或偏西路径影响黄、渤海海域，最大风速带出现在气旋西北或偏西象限。东南（偏东）型大风多出现在春季（3−5月），最大风区域出现在气旋的东南象限或偏东象限，影响黄、渤海海域风向多为东南风或偏东风（图3d至图3f），影响系统为江淮气旋或黄淮气旋，当气旋中心移经黄海时，黄海海域往往出现较强东南风，东南风风力会超过气旋后部的西北风，此种类型的大风称为东南（偏东）大风型。文中列举2016年月16日、2013年5月27日、2016年5月3日东南大风型气旋过程，图中可见最大风速带出现在气旋的东南象限。这类气旋由西南向东北移动时，黄海海域受东南大风影响，渤海海域受偏东风或东北风影响，如果气旋较强且在黄海移动缓慢，长时间较强偏东风配合天文高潮位将在黄、渤海沿岸形成风暴潮，江（黄）淮气旋是黄、渤海沿岸风暴潮形成的主要影响系统之一[34]。

3.5 高低空系统与地面气旋的距离

文中气旋过程高低空配置皆为后倾结构，为分析高低空系统对地面气旋的影响，计算了34次过程500 hPa低涡或槽线与地面气旋之间的平面距离（Z500），850 hPa低涡或切变线与地面气旋之间的平面距离（Z850）。Z500或Z850就是在 500 hPa 或 850 hPa 系统和地面海平面气压场的叠加图中，计算槽线或者低涡中心到地面气旋中心的最短距离。对比34次过程的Z500、Z850和气旋加深率的曲线（图 4a，图 4b），Z500和Z850高值与气旋加深率低值相对应，曲线走向完全相反，Z500与气旋加深率之间呈负相关。因而，地面气旋与500 hPa和850 hPa系统的距离越小，地面气旋越容易发展。其中5次爆发性气旋的Z500和Z850分布在500 km和200 km以内。为了具体说明Z500和Z850对气旋强度和气旋发展变化的作用，分别计算Z500和Z850与气压梯度和气旋加深率的相关系数（图4c，图 4d）。

图4 Z500和气旋加深率（a）,Z850和气旋加深率（b），气压梯度与Z850、Z500的相关系数（c），气旋加深率与Z850、Z500的相关系数（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)

对34个样本的相关系数进行t检验，Z850与气旋加深率的相关系数全部通过显著水平α=0.01信度检验，Z850与气压梯度的相关系数70%的样本通过了显著水平α=0.01信度检验，Z500与气旋加深率的相关系数样本85%通过了显著水平α=0.01信度检验，Z500与气压梯度的相关系数检验中仅有3例通过了显著水平α=0.01信度检验。

Z500与气压梯度的相关系数明显大于Z850与气压梯度的相关系数，由于相关系数为负，Z850与地面气压梯度的相关性更强，即Z850与地面气旋强度相关性高于Z500。同理可证，Z850与气旋加深率的相关性更强，即Z850与地面气旋发展相关性高于Z500。综上所述，850 hPa系统与地面气旋的距离和地面气旋发展的相关性最高。850 hPa系统与地面气旋越近，地面气旋越强，气旋越容易发展。Z850对预报气旋的发展有一定的参考价值。

4 气旋发展原因分析

4.1 物理量在气旋强度和发展中的作用

70%的气旋入海后加强，下面讨论气旋入海发展原因。根据 Petterssen 气旋发展公式，1 000 hPa涡度局地变化能够表示地面气旋发展状况，以此公式探讨气旋入海发展原因，具体如下

为了讨论气旋入海后的发展原因，文中计算气旋入海后影响黄、渤海区域的物理量，分别是500～1 000 hPa 温度平流累加值、500 hPa 涡度平流和 850 hPa非绝热加热作用。非绝热加热作用采用Emanuel等[35]和Raymond[36]的方法，加热率公式为

式中， γm为湿绝热递减率；γd为干绝热递减率；θ为位温；θe为相当位温；ω为垂直速度；p为 气压；t为时间。

气压梯度代表气旋入海后的强度，气旋加深率代表气旋入海后发展变化，通过上述3个物理量与气压梯度和气旋加深率的相关性分析，讨论物理量在入海后气旋强度和气旋发展中的作用。图5a为34次过程温度平流、气压梯度和气旋加深率曲线。图中可见气旋加深率、气压梯度和温度平流走势基本一致，其中5次爆发性气旋过程中温度平流均强于其他气旋过程。但有2次过程对应关系不好，其中第13次过程气压梯度较强，温度平流较弱，气旋加深率为负，是一次入海减弱的气旋过程，温度平流弱是其入海减弱的原因之一。第21次过程也出现类似情况，温度平流弱，气压梯度大，气旋加深率接近于0。由于温度平流弱，气旋入海有强度没有变化。气压梯度与3个物理量的相关系数全部通过了显著水平α=0.01信度检验，气旋加深率与温度平流和涡度平流的相关系数全部通过了显著水平α=0.01信度检验，气旋加深率与非绝热加热的相关系数有6个样本未通过显著水平α=0.01信度检验。从温度平流与气压梯度相关曲线看，温度平流与气压梯度的相关系数主要集中在0.4～0.6之间（图5d），温度平流与气旋加深率的相关系数在0.6～0.9之间（图5e），气旋入海后温度平流与气旋加深率的相关性大于与气压梯度的相关系数，温度平流对气旋发展比对气旋强度更敏感，温度平流是3个因子中与气旋发展相关性最高的因子。

图5 34次气旋过程气压梯度、气旋加深率和温度平流（a），气压梯度、气旋加深率和涡度平流（b），气压梯度、气旋加深率和非绝热加热（c），气旋梯度与温度平流、涡度平流和非绝热加热的相关系数（d），气旋加深率与温度平流、涡度平流和非绝热加热的相关系数（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)

与温度平流相似，涡度平流与气压梯度有两次对应关系不好（图5b），分别是第13次和第21次过程，涡度平流小，气压梯度大。涡度平流和气旋加深率有3次对应关系不好，分别是第7、19、22次过程，涡度平流小，气旋加深率大。涡度平流与气压梯度的相关系数在0.3～0.7之间，涡度平流与气旋加深率的相关系数在0.5～0.8之间。涡度平流与气旋加深率的相关系数高于与气压梯度的相关系数，涡度平流对气旋发展比对气旋强度更敏感，5次爆发性气旋过程中涡度平流均高于其他气旋过程。

非绝热加热与气压梯度和气旋加深率相关性不如温度平流和涡度平流（图5c），非绝热加热与气压梯度的相关系数在0.3～0.6之间，非绝热加热与气旋加深率的相关系数在0.2～0.5之间，非绝热加热与气压梯度的相关性大于与气旋加深率的相关性，非绝热加热与气旋强度的相关性较强，与气旋发展相关性弱。

综上所述，温度平流是气旋入海发展最重要的物理量因子。温度平流和涡度平流对气旋发展比对气旋强度相关性更高。在爆发性气旋过程中，温度平流和涡度平流均高于其他气旋过程。非绝热加热是气旋发展相关性最小的因子，非绝热加热对气旋强度比对气旋发展的相关性更强。

4.2 不同类型气旋的物理量作用

34次过程分别按照黄河气旋、蒙古气旋和江淮气旋归类，计算出气旋入海后发展时刻物理量平均值（表2），江淮气旋（黄淮气旋）的温度平流最高，黄河气旋和蒙古气旋温度平流接近。黄河气旋的涡度平流最高，蒙古气旋的涡度平流最低，可见其动力结构较弱。黄淮气旋的非绝热加热数值最大，蒙古气旋的非绝热加热最小，根据气旋生成地和生成季节所携带的水汽差异，来自西南的黄淮气旋水汽充沛，凝结潜热作用高于西北的蒙古气旋。

表2 不同类型气旋温度平流、涡度平流和非绝热加热的平均值Table 2 Average values of temperature advection,vorticity advection and diabatic heating for different types of cyclones

海洋下垫面对气旋发展的有利条件主要有两个方面，首先海洋下垫面较陆地摩擦力小，其次海洋洋面为气旋的低层提供水汽条件，低层扰动使水汽汇集到高层，水汽相变中的潜热释放为气旋发展提供有利条件[37]。在气旋入海减弱过程中，往往是由于温度平流或涡度平流与地面气旋的配置不好导致的[38]，下垫面虽然对气旋有一定的影响，但并不是气旋入海发展的主要原因。

5 结论

通过对近11年引发黄渤海域大风的入海气旋10项气象因子统计分析，围绕气压梯度和气旋加深率讨论入海强度和变化成因，主要结论如下：

（1）在34次气旋过程中，有24次气旋入海是加强的，占总数的70.5%，有6次气旋入海过程强度不变，占总数的17.6%，有4次过程入海后减弱，占总数的11.7%，有5次爆发性气旋过程，占总数的14.7%。黄、渤海气旋大风主要发生在秋季，春冬季次之，夏季一次也没有出现过。入海发展的气旋多位于200 hPa高空急流出口左侧或者分流辐散区，入海减弱的气旋多位于高空急流出口右侧。高低空系统与地面气旋越近，地面气旋越强，气旋越容易发展。850 hPa系统与地面气旋的距离与气旋发展的相关性最高。

（2）影响黄海海域主要有3类气旋：自西北向东南移动的蒙古气旋（17.6%）；自西向东移动的黄河气旋（49%）；自西南向东北移动的江（黄）淮气旋（33.4%）。江（黄）淮气旋在秋季容易发展为爆发性气旋。黄河气旋和蒙古气旋入海后最大风区域通常出现在气旋的西北象限（或偏西象限），江（黄）淮气旋最大风区域出现在气旋的东南象限。冬季气旋平均气压值高于秋季和春季，春季气旋平均气压值最低。

（3）温度平流是气旋发展最重要的物理量因子。温度平流是3个因子中与气旋发展相关性最高的因子。温度平流和涡度平流对气旋发展比对气旋强度相关性更高。在爆发性气旋过程中，温度平流和涡度平流均高于其他气旋过程。非绝热加热是气旋发展相关性最小的因子，非绝热加热对气旋强度比对气旋发展的相关性更强。

（4）江（黄）淮气旋的温度平流最高，黄河气旋和蒙古气旋温度平流接近。黄河气旋的涡度平流最高，蒙古气旋的涡度平流最低。江（黄）淮气旋的非绝热加热数值最大，蒙古气旋的非绝热加热最小，江淮气旋水汽充沛，其凝结潜热作用高于蒙古气旋。由于海洋下垫面摩擦力小且水汽丰富，海洋下垫面的水汽通过低层扰动汇集到高层，高层的凝结潜热作用有利于江淮气旋的发展，作者将在今后的工作中对这种作用进行定量分析。