弱冷空气引起渤海湾大风的时空分布特征及环境条件分析

孙晓磊，张唯，胡田田，朱男男

（1.天津市海洋气象重点实验室，天津 300074；2.天津海洋中心气象台，天津 300074；3.河北省沧州市气象局，河北 沧州 061001）

1 引言

海上大风会直接影响到海上运输、石油平台作业和渔业等生产部门的计划调度及安全实施。在船舶靠离泊码头的过程中，如遇突发海上大风会对其泊稳安全产生较大影响，极易引发碰撞或船舶搁浅等事故。

我国气象学者从很早就开展冬半年的海上大风研究，20世纪80年代以来，相关研究主要集中在对资料的统计分析和对个例的诊断研究上。张新玲等[1]从1979—1981年春秋季黄渤海8 m/s以上海上风和沿岸实测风的对比中发现，海上风和沿岸风的大小及比值都具有明显的日变化和季节变化，其比值和日较差都随季节和风向的变化而变化。阎俊岳等[2]论述了黄渤海大风的分布规律、海陆大风对比分析特征、天气过程以及预报方法。辛宝恒[3]认为黄渤海的偏北大风与冷锋和气旋（黄河气旋、江淮气旋、渤海气旋和北上热带气旋）有关，偏南大风与蒙古气旋、东北低压和华北地形槽有关。杨晓霞等[4]以地面影响系统为主，将山东沿海偏北大风分为4种类型（冷锋型、温带气旋型、回流冷空气型和北上热带气旋型）。吕爱民等[5]采用天气学分型和统计分析方法，将中国近海的大风天气过程归纳为冷空气型、温带气旋型和热带气旋型3种。尹尽勇等[6]指出气旋入海发展是黄渤海大风形成的重要原因之一，低层冷暖平流的显著加强和气旋冷锋后部的锋生加强会促使地面气旋快速发展。黄彬等[7]利用温度平流、涡度平流、位势涡度和Q矢量等诊断分析了引发黄渤海海上大风的入海气旋，揭示了变压梯度和气压梯度在海上大风中的作用。研究者还采用温度平流对大风形成的热力条件进行诊断分析，指出槽前强烈暖平流是气旋爆发性发展的主要原因[8-9]。盛春岩等[10-11]通过数值模拟发现渤海地形及下垫面对大风风速有增幅作用，可以导致渤海北部大风风速增加2～3 m/s，渤海南部增加3～5 m/s。

在近几年对渤海中西部海面大风的预报业务中，科研工作者发现了一种以往关注度较低、在弱冷空气或补充冷空气影响下发生的海上大风天气过程。此类海上大风具有很强的突发性，发生时风力猛而天空状况良好，是发生在沿海地区冬半年一种危害较大的大风过程，预报员易因对此类天气的发生特点认识不清而漏报。孙建明等[12]从天气形势背景上将其与传统冷空气过程做了区分，指出这种情况一般发生于冷空气大举南下后的1～2 d，在天气转晴的当天中午—傍晚，冷空气补充南下，大风过程突发性强，起风—风力增强时间短促，对在外作业的沿海渔船威胁极大。曹美兰等[13]将此类天气称为“晴天暴”，并从观测角度指出其发生期间气压、温度等气象要素会出现骤升/骤降的变化，酷似“飑线”过境。从前人的研究中可以看到，尽管海上大风研究已经取得很多有意义的成果，但是对于“晴天暴”这类天气的研究还不多，从现有的研究来看，对同类海上大风过程的研究多集中在浙江沿海[13-15]，而渤海地区的相关研究很少[16]。

由于弱冷空气引发的大风属于小概率事件，对其物理机制的认识尚不透彻，且大风发生期间不伴随其他天气现象，卫星云图上也观测不到任何有效信息，因此想要了解这种天气气候的背景特点及物理机制，就需要依靠自动站、探空站及风廓线雷达等实况监测数据来加深对此类天气形成环境的认识。本文综合利用渤海沿海自动站、浮标站和海上平台站等观测资料，结合美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，

NCEP）和美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的FNL（Final Reanalysis Data）再分析数据，统计了渤海湾区域在弱冷空气影响下海上大风的时空分布特征和天气概念模型，总结出具有较好指示意义的物理量因子指标，以期为今后预报此类灾害性天气积累经验。

2 资料和方法

2.1 研究范围和代表站

本文着眼于渤海湾及沿岸地区（117.2°～119.2°E，37.4°～39.7°N），将研究区域划分为渤海湾北部、西部、南部和中部4个区域（见表1）。2016年来，天津市气象局借助海上石油平台建立了18个覆盖渤海、时间分辨率为1 h的自动气象观测站，结合沿海加密自动站的观测数据，可以很好地反映渤海湾地区的大风情况。

2.2 弱冷空气过程统计标准

《冷空气等级》（GB/T 20484—2017）中明确规定：日最低气温48 h内降温幅度小于6℃的过程为弱冷空气。本文按照标准中的定义，当渤海湾研究区域内6成以上代表站点降温情况满足条件时，记为一次弱冷空气过程。

2.3 大风过程日确定

以A平台为代表（见表1），按照连续3个时次以上2 min平均风≥6级的标准确定大风过程，再根据9个代表站点6成以上（即5个站点）达到弱冷空气标准来综合确定弱冷空气大风过程日。2014—2019年11月—次年3月期间，从223次弱冷空气过程中可确定弱冷空气大风个例20个。由于2016年后海上观测站点齐全且沿岸逐小时观测数据完整性最好，因此主要选用2016—2019年的数据进行时空分布特征统计。由于本研究重点着眼于“晴天暴”的特殊过程，因此在统计时将伴随有降雪、降水的过程进行了剔除。文中的大风站次是基于筛选出的个例进行统计的，凡是自动站逐小时资料显示某一时刻出现6级及以上风，则该时次记为一个站次。

表1 渤海湾区域划分及代表站点情况Tab.1 Regional division and representative stations of the Bohai Bay

3 弱冷空气引起大风的时空分布特征

3.1 空间分布特征

在统计时段内，渤海湾共有243个自动站监测到6级及以上大风过程，大风落区多在渤海海面，30站次以上大风主要出现在沿岸及渤海湾。A平台出现大风220站次，曹妃甸浮标监测站出现大风106站次，64个站点出现累计10站次以上的大风，36个站点出现累计20站次以上的大风，25个站点出现累计30站次以上的大风。

3.2 时间分布特征

文中对弱冷空气造成的大风过程的月变化和日变化情况进行统计（见图1）。图1中柱状图表示大风出现的比例，从图中可以看到，除了2月（在统计时间范围内，2月没有达到2.3节大风过程日标准的过程），11月—次年3月均有大风过程发生，其中12月、1月和3月6级及以上大风的出现比例超过25%，1月达到36.4%；风力较强的7级及以上大风过程多出现在3月，比例为9.1%。弱冷空气引起的大风过程在全天均有可能发生（见图1b），08—19时（北京时，下同）出现6级及以上大风的比例最高，上午（08—11时）及下午—傍晚（16—19时）出现7级及以上大风的比例较高，分别为6.5%和4.8%。研究结果与孙建明等[12]提出弱冷空气大风一般发生于天气转晴的当天中午—傍晚的结论一致，这主要是由于前期增温导致补充冷空气在过境前层结不稳定并伴有上升运动，有利于空气的垂直能量交换[16]。综上所述，在弱冷空气影响期间，尽管在傍晚—夜间此类大风过程趋于减少，可一旦出现大风过程，风力会比较强且具有突发性，所以需要结合高低空温度平流和探空资料对大气层结状态加以分析。

图1 渤海湾弱冷空气大风逐月和逐3 h分布图Fig.1 Monthly and 3-hour distribution histograms of weak cold air gales over the Bohai Bay

3.3 盛行风特征

从弱冷空气过程中渤海湾4个区域的风向频率玫瑰图可以看出（见图2），渤海湾北部、西部和中部区域以西北风为主，西北方向大风分别占各自区域全部风向频率的73%、61%和60%，这主要是由于冷空气自西北路南下造成的直接影响。渤海湾南部区域除受高压底前部东路冷空气影响外，还会受到低压倒槽或入海减弱低压影响，这两种情况下的风向均以东北风为主，因此南部区域在弱冷空气过程中主要存在西北和东北两个主导风向，分别占全部风向频率的39%和46%。从4个区域的盛行风情况可以看到，在弱冷空气大风过程中，渤海湾地区的冷空气以西北路和东路为主，冷高压与低压的共同作用使得南部区域存在两个主导风向，这与其地理位置有关。

图2 渤海湾4个区域风玫瑰图Fig.2 Wind rose diagrams of four regions in the Bohai Bay

4 影响系统分型及典型个例分析

本文以500 hPa影响天气系统为主，700～850 hPa和地面系统为辅，对2014—2019年渤海湾20次由弱冷空气引发的大风过程的影响系统进行分析研究。按照大风落区与高空500 hPa天气系统的对应位置进行归类分型，可分为冷涡后部型和高空槽型，其中冷涡后部型包括冷涡后部西北气流型和低槽东移型两类。在弱冷空气引起的大风过程中，冷涡后部型的发生次数最多，占总次数的90%，高空槽型仅占10%；冷涡后部型中西北气流型与低槽东移型的发生频率分别占50%。

4.1 冷涡后部西北气流型

500 hPa高空冷涡中心主要出现在119°～150°E，44°～65°N范围内，冷中心一般落后于冷涡，主要出现在110°～135°E，43°～64°N范围内。此类型天气过程的冷涡后部高空脊较强，可向北伸展至65°N甚至更北的区域。渤海湾上空500～850 hPa一致为较强的西北急流，500 hPa、700 hPa和850 hPa的急流流速分别为28～32 m/s、24～30 m/s和20～24 m/s。

4.2 冷涡后部低槽东移型

此类形势下冷涡出现的位置振幅较大，最北可至68°N，南至41°N，西至117°E，东至155°E。83%以上过程的冷涡中心集中在43°～58°N，118°～137°E内。与冷涡后部西北气流型相比，此类型冷涡中心位置更偏东，冷中心位置略偏西，主要位于110°～135°E，42°～57°N附近。500 hPa高空槽或风速辐合线主要位于华北区域，700～850 hPa高空槽或风速辐合线主要位于500 hPa槽前渤海湾上空，同时配合有700 hPa近南北向温度露点差低值带和850 hPa暖脊。

4.3 高空槽型

此类天气过程所占比例较少，仅有10%的天气过程只受高空槽影响。东北地区500 hPa多为东北西南向深厚大槽，700 hPa为阶梯槽结构，渤海湾地区受500 hPa槽后西北气流和700 hPa槽前偏西南气流影响，高低空在渤海湾区域形成显著风向切变，地面处于高压底部，易形成东北风。

4.4 弱冷空气引发大风典型个例分析

4.4.1 大风实况

受冷涡后部横槽转竖影响，2018年1月8日白天—夜间渤海湾区域出现了平均风7～8级、阵风9～10级的大风过程，最大风速为20.7 m/s，极大风速为24.7 m/s，7级及以上大风持续时间约为16 h。2018年1月9日下午—11日上午，在冷涡后部冷空气的补充影响下，渤海湾区域持续出现平均风7～8级、阵风9～10级的大风过程。根据海上A平台自动站逐小时的观测记录（见图3），大风从9日08时开始，持续至11日14时结束，极大风超过7级（最大风速为13.9 m/s），维持时间长达48 h，2 min平均风最大达8级（最大风速为20.3 m/s），极大风最大达10级（最大风速为25.7 m/s），特别是9日15时—10日12时期间有19 h出现9级及以上极大风，10日夜间—11日白天断断续续仍有3个时次出现9级及以上极大风。由此可见，冷涡后部由弱冷空气补充形成的大风过程具有持续时间长、风力强、风速波动的特点，风力强度和持续时间均远超8日强冷空气所带来的影响。

图3 2018年1月8—11日A平台站实况风速曲线Fig.3 Wind speed curves of platform A station from January 8—11,2018

4.4.2 环流形势演变特征

2018年1月8日08时，我国内蒙古地区的低涡快速东移，河套西部的横槽迅速转竖过境并影响渤海湾区域；8日20时高空槽已经移至黄海海域上空；9日08时冷涡中心北缩至黑龙江以北地区，乌拉尔山高压脊东移与冷涡之间形成较大位势梯度，引导脊前西北气流向东南方向移动，渤海湾上游地区风速为26 m/s的西北气流与-36℃等温线之间的交角小于30°（见图4a），因此形成高空弱冷平流输送。由于本次过程属于冷涡后部西北气流型，因此采用北京站探空记录来分析上游高空影响系统的变化。从探空记录中可以看到（见图4），500 hPa温度从8日20时的-34.5℃下降至-36℃，而中低层700～850 hPa处于弱暖平流控制中，850 hPa在12 h内升温1.1℃。在海平面气压场上，渤海湾受弱低压带影响，08时随着冷空气的移入，在上游开始形成2×10-7～5×10-7Pa/km较强的变压梯度中心（见图4b）。中高纬度处的风与气压场基本符合地转风和梯度风原理，变压风沿变压梯度从高值区吹向低值区。在变压梯度的作用下，9日14时A平台开始出现平均风7级及以上大风，极大风风速为19.9 m/s。从高低空形势配置可以看出，此次大风过程属于低涡后部西北气流型，中高层西北气流将冷空气补充向南输送，但低层为弱暖脊控制，存在一定程度的升温，垂直方向上具备不稳定的层结配置结构。

图4 2018年1月9日08时500 hPa高度形势场和过去3 h变压形势场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 系统斜压性发展特征分析

最大Eady增长率（Maximum Eady Growth Rate，EGR）是通常用于度量大气斜压性的指标[17]，被广泛用于中纬度斜压不稳定发展的研究中[18-19]。公式如下：

式中：N为布伦特-维萨拉频率（浮力振荡频率）；U为纬向风；Z为高度；f为地转参数。EGR能够有效地反映系统的斜压性，是斜压能量增长的有效估计，EGR值增加表明系统斜压性增加，EGR值减小表明斜压性减弱。在渤海湾的特殊地形作用下，较冷的海洋表面和温暖的陆地之间的水平温度梯度产生的斜压性会导致邻近海岸风速增强[20-22]。

本文以500 hPa和850 hPa的温度平流差动（θse）来表征大气的稳定度（见图5）。1月9日08时（见图5a），强θse位于渤海湾西部，形成西南东北向的大值带；对应的在渤海湾北部形成中心为3/d的Eady增长率大值区，表明北部冷涡后部西北气流南下造成系统斜压性很强，为有效位能的释放提供了能量源。9日14时（见图5b），随着冷空气进一步南压，θse大值区主体前缘已移至渤海沿岸，θse从负值转为15×10-5K/s；中心为3/d的Eady增长率大值区东移南压至渤海湾区域，由于EGR大值区对应较强的动能区[23]，此时渤海湾地区开始出现大风，A平台2 min的平均风速从9.6 m/s跃升至16.5 m/s。9日20时2.7/d的Eady增长率中心维持在渤海湾（见图5c），θse增大到20×10-5K/s，沿岸及海面大风始终保持在8级及以上。本文针对渤海湾研究区域计算了EGR随时间变化的区域平均值（见图5d）。从图中可以看到，EGR区域的平均值从9日08时后开始快速增长，在14时达到峰值后缓慢波动下降，11日08时当EGR下降至1.3/d后，大风过程基本结束。EGR的变化趋势与大风的开始和结束时间呈很好的对应关系，在预报中具有一定的参考意义。

图5 2018年1月9日不同时刻500 hPa风场（箭头，单位：m/s）、700～300 hPa EGR和θse（等值线，单位：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 动量下传

由上文分析可知，此次过程不仅斜压性强，而且在大风发生前的高空降温和中低层升温进一步促使大气层结不稳定，垂直交换强，有利于高层动量下传，从而使得地面风速明显加大。此外，强烈的垂直风切变会引起垂直方向的温度平流差，造成大气的静力不稳定，促进动量下传[24]。本文选取黄骅站风廓线观测数据来分析渤海湾沿岸风场的垂直演变。图6a是风廓线雷达探测到的1月9日黄骅站500～5 500 m高度的风垂直剖面（从左至右时间逐6 min增加）连续变化图。黄骅站位于渤海湾西侧，可用来阐明冷空气影响渤海前的高低空风场变化。大风发生前，500～4 000 m的最大风速切变达到14 m/s，20 m/s以上强风区从4 500 m以上高度下降至3 500 m左右；09—12时，在1 500～2 000 m高度附近形成了风速为14 m/s的偏西急流，同时配合向下垂直速度为0.5 m/s的大值中心；12—13时该高度层的偏西急流逐渐减小，风向转为西北气流，相应在1 000 m高度附近出现了风速大于12 m/s的大风速区，下沉气流垂直速度大值中心进一步向下传播至200～1 000 m高度；14时前后2 000 m高度处出现此次过程中最强的下沉气流，垂直速度达到-0.5 m/s，同时低层西北风风速加大到16 m/s，促使渤海湾出现西北大风过程；14时后，风速为20 m/s的高空强风区降至3 000 m，下沉气流继续从高层向低层伸展，不断有高层动量向低层传播。

加密观测的气球探空测风资料可以用来分析锋面和槽线等过境天气。在之前的研究中，探空资料多用于分析夏季的强对流天气，用于冬季大风期间层结分析的研究较少，这主要因为冬季大风过程多受强冷空气系统影响，层结一般比较稳定。从图6b可以看到，9日08时，随着高空冷空气东移，降温促使700 hPa附近的空气湿度加大，形成了中层湿、下层干的“倒喇叭口”结构，中低层接近干绝热递减率，有利于下沉气流在下沉增温过程中和环境温度保持负温差，下沉气流向下的加速度有利于高空能量向低层输送。

图6 2018年1月9日08—20时黄骅站风廓线和08时北京站探空图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 位涡和位温垂直分布

位涡（Potential Vorticity，PV）作为综合反映大气动力学和热力学性质的物理量，在实际天气预报分析中有着广泛的应用。由图7可知，此次过程的位涡高值区位于300 hPa以上，随着纬度增加，高值区的高度逐渐降低。其他冷空气过程的高位涡区一般位于200 hPa以上，但此次过程高位涡区的整体高度较低，降低至300～400 hPa。PV=2的等位涡面被看作是对流层中的低位涡与平流层中的高位涡之间的转换边界，代表动力对流层顶。9日14时—10日08时，高空高位涡有明显的下传，10日08时在位涡异常区主体下方存在从源地被切断的高位涡中心。2.0 PVU的等位涡面始终接近500 hPa，1.0 PVU的等位涡面从高空到低层自北向南伸展至700 hPa。这表明高层高位涡区在西北气流的持续作用下有明显的向下传递，高位涡区整体偏低，表示具有高位涡特征的大气侵入，位涡下传与高空冷空气的影响密切相关。等位温面向异常区凸起，反映了锋区的结构，位涡下传的高度刚好位于500～700 hPa。由探空分析可知，700 hPa以下大气的温度递减率接近干绝热，非常有助于下沉气流在下沉增温过程中和环境温度保持负温差，使得下沉气流保持向下的加速度。

图7 沿117°E垂直剖面的位温（虚线，单位：K）、2.0单位位涡面（实线，单位：PVU）和位涡（阴影，单位：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 结论

本文利用渤海湾区域地面自动站、浮标站和海上平台站，统计并选取了2014—2019年11月—次年3月由弱冷空气引起的大风典型个例，对其进行时空分布特征、区域盛行风和影响系统分析，最终得出适用于渤海湾地区的3类概念模型。结论如下：

（1）弱冷空气引起的6级及以上大风落区集中在渤海湾沿岸和中部，出现最多的为A平台和曹妃甸浮标监测站。1月、3月和12月是大风出现较多的月份，11月较少。弱冷空气大风一般发生于天气转晴的当天中午—傍晚，主要是由于前期增温导致补充冷空气过境前层结不稳定并伴有上升运动，有利于空气的垂直能量交换，尽管傍晚—夜间此类大风过程趋于减少，但一旦出现大风过程，风力会比较强，并具有突发性，因此需要高度关注。在弱冷空气大风过程中，渤海湾地区的冷空气以西北路和东路为主，冷高压与低压的共同作用使得南部区域存在两个主导风向，这与其所在的地理位置有关。

（2）对渤海湾20次由弱冷空气引发的大风过程的影响系统进行分析。按照大风落区与高空500 hPa天气系统的对应位置进行归类分型，将其分为冷涡后部型和高空槽型，其中冷涡后部型包括冷涡后部西北气流型和低槽东移型两类，冷涡后部型最常见，发生次数占总次数的90%，高空槽型仅占10%，冷涡后部型中西北气流型与低槽东移型的发生频率分别占50%。

（3）通过对典型个例的分析，进一步总结了弱冷空气引起大风的环境条件。利用Eady增长率和温度差动平流可以综合分析系统斜压性发展及大气稳定度，EGR的变化趋势与大风的开始与结束时间有很好的对应关系，在预报中具有一定参考意义。风廓线逐6 min观测数据可以有效捕捉到高空动量向低层传播的过程，高空强风区从4 500 m左右逐渐向低层移动，伴随下沉气流垂直速度大值区向低层移动并加强。

（4）弱冷空气过程的动力对流层顶位于300～400 hPa，低于其他冷空气过程的高位涡区位置。大风发生期间高空高位涡有明显下传，在位涡异常区主体下方存在从源地被切断的高位涡中心。位涡下传的高度位于500～700 hPa，该高度大气的温度递减率接近干绝热，有助于下沉气流在下沉增温过程中和环境温度保持负温差，使得下沉气流保持向下的加速度。