“130318”渤海強風天氣成因分析

孫 青，盛春巖，劉 暢，范蘇丹

“130318”渤海強風天氣成因分析

孫 青1,2，盛春巖3，劉 暢4，范蘇丹3

（1.南京大學大氣科學學院，江蘇南京210093；2.山東省氣象局，山東濟南250031；3.山東省氣象科學研究所，山東濟南250031；4.山東省氣象臺，山東濟南250031）

應用國家自動氣象觀測站資料、常規(guī)觀測資料和NCEP 1°×1°氣候預測系統(tǒng)再分析資料，分析了2013年3月18日發(fā)生在渤海海域的一次強風天氣過程，并剖析了其成因。結果表明：此過程為冷鋒影響下的偏北大風，大風影響過程中，自上而下形成了冷平流的傳輸通道，冷空氣向低層迅速傳播，造成近地面層強冷平流，是強風產(chǎn)生的重要原因，同時冷空氣影響時，強烈變壓引起的變壓風是強風產(chǎn)生的另一重要原因。另外，前期增溫使得冷鋒來臨時鋒區(qū)強度加大，從而引發(fā)強風。當冷鋒過境，垂直鋒面的次級環(huán)流導致強烈的動量下傳也是造成瞬時強烈陣風的重要原因之一。

冷鋒；動量下傳；變壓風；次級環(huán)流

1 引言

山東半島北臨渤海海峽，東南臨靠黃海，近海海域占渤海和黃海總面積的37%，海洋資源得天獨厚。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，海上災害性天氣對人民生命財產(chǎn)安全的影響日益引發(fā)關注。近海強風是山東沿海最常見的氣象災害之一。近年來，山東新增了海島站、浮標站和船舶站，為海上大風的深入研究創(chuàng)造了條件。尹盡勇等[1]統(tǒng)計分析了冬季黃渤海海域大風天氣過程及其與船損災害的關系，指出冬季影響黃渤海的冷空氣過程主要來自西北路徑，風災事故占漁船全損事故的51.85%。吳曼麗等[2]分析了黃渤海北部沿海大風的時空變化特征，指出該區(qū)域大風主要出現(xiàn)在春季，冷鋒后部型大風出現(xiàn)次數(shù)最多。李超等[3]分析了江蘇沿海大風特征及其變化趨勢，發(fā)現(xiàn)春季沿海大風以偏北風為主。楊曉霞等[4]統(tǒng)計分析了山東沿海偏北大風的特征并對其進行天氣學分型，對各類型物理量空間結構和形成機理進行了研究。

對于海上強風的成因，不同學者先后從諸多角度進行了深入分析。王雷[5]、項素清等[6]分析了2004年12月底浙北沿海冷空氣強風過程，陳淑琴等[7]對2005年4月舟山群島的一次低壓大風過程進行了診斷分析，吳海英等[8]對2005年12月江蘇近海強冷空氣大風發(fā)生發(fā)展的物理過程進行了探討，盛春巖等[9]對2009年4月發(fā)生在渤海和山東的強風過程進行了動力學診斷，徐哲永等[10]對2010年3月舟山群島海域出現(xiàn)的一次大風過程進行了診斷分析。以上研究發(fā)現(xiàn)：在天氣尺度背景下，強冷空氣南下、氣壓梯度增大、高空動量下傳、地面變壓場及變壓梯度增強、中低空輻合輻散差異是造成邊界層強風的主要原因。

2013年3月18日，渤海海面出現(xiàn)了一次強風天氣過程，受其影響，由天津駛往浙江臺州的天津籍集裝箱貨輪“光陽新港”號，在渤海中部（38°6.4′N、119°36.5′E，龍口港西北約40 n mile，見圖1a）沉沒，船上14人遇難。本文利用自動氣象觀測站東營1號石油平臺站和煙臺紀姆島站資料、常規(guī)氣象觀測資料和NCEP再分析資料，采用了物理量診斷分析的方法，剖析了強風天氣的成因，以期為海上強風預報提供預報思路。

2 天氣過程概述

受冷空氣影響，3月18日渤海海面出現(xiàn)強風天氣。根據(jù)氣象站觀測資料，氣溫從08時（北京時，下同）開始明顯下降，表明冷空氣已南下抵達該區(qū)域。大風過程從18日上午開始，最大風力時段為中午前后（見圖1b）。09時，萊州灣附近的東營1號石油平臺站（見圖1c）2 min平均風速達20.8 m/s（9級），瞬時風速達29.1 m/s（11級）。12時，煙臺紀姆島（見圖1d）瞬時風速達22.5 m/s（9級）。14—17時，煙臺龍口附近沿海海面東北風6級，陣風8級，成山頭站出現(xiàn)7級大風。

本文利用NCEP1°×1°氣候預測系統(tǒng)再分析資料（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR），逐小時分析了此次強風在海上的發(fā)展過程（圖略）。18日05時，渤海最北部的遼東灣開始出現(xiàn)6級以上東北風，渤海中部和南部海域為弱的偏南氣流控制。隨后，強風區(qū)向南擴張，東北風最大風速迅速增大到24.0 m/s。10時后，強風影響范圍抵達萊州灣，此時，整個渤海為東北風控制，強風區(qū)風力維持在20.0 m/s以上。17時，強風區(qū)向東移出渤海。整個過程風力最大時段為07—14時，與萊州灣附近沿海地面氣象觀測站觀測到的數(shù)據(jù)基本一致。

據(jù)了解，光陽新港輪于17日23時駛離天津港，行至渤海中部出事海域時為18日14時左右，此時渤海正處于風力最大時段。據(jù)海洋資料顯示，從18日中午起，渤海中部出現(xiàn)2.0～3.5 m的浪區(qū)。強風及大浪是引發(fā)海難事件的直接原因。此次過程主要影響渤海海面，而對陸地影響不大，強風歷時短，發(fā)展迅速，雖提前做出了7級以上大風的預報，但仍沒有避免悲劇的發(fā)生。

圖1 事故地點及選取的代表站風速、陣風風速和溫度圖

3 天氣形勢分析

18日08時，高空500 hPa（見圖2a）上歐亞大陸中高緯度地區(qū)經(jīng)向環(huán)流特征顯著，呈“一槽一脊”分布特征，高壓脊位于烏拉爾山以東地區(qū)，東亞大槽位于大陸東岸，東北地區(qū)有一冷渦發(fā)展，配合著-40℃冷中心。冷渦后部，高壓脊前部，冷空氣不斷下滑影響我國中東部地區(qū)。700 hPa（見圖2b）槽的位置偏東，850 hPa（見圖2c）等壓面上河套以東，華北地區(qū)鋒區(qū)發(fā)展強烈，14～16℃/10緯距，風向與等溫線走向近乎垂直，冷平流較強。對應此時海平面氣壓場（見圖2d）中，冷鋒自遼東半島東部海面經(jīng)黃渤海面延伸至華北地區(qū)南部，冷鋒前部有低壓發(fā)展，說明鋒前暖空氣較為強盛，導致鋒區(qū)強度較強。隨后，冷鋒攜帶冷空氣南下，造成了渤海和黃海強風天氣。可見，此次強風天氣過程發(fā)生在經(jīng)向環(huán)流背景下，北路冷空氣自高緯南下，是一次冷鋒大風天氣過程。

4 物理量場分析

利用NCEP氣候預測系統(tǒng)再分析資料，對此次過程的物理量場進行診斷分析。

4.1 邊界層溫度平流的演變

圖2 2013年3月18日08時環(huán)流形勢圖

通過天氣形勢場分析發(fā)現(xiàn)，在冷空氣影響過程中，850 hPa風向與等溫線幾乎垂直，冷平流非常強。為了更清楚地分析冷空氣的演變過程，基于NCEP再分析資料，對溫度平流場進行了診斷分析。這里主要分析邊界層溫度平流，分別取850 hPa、925 hPa和1 000 hPa3層等壓面的累積溫度平流進行分析。17日20時（見圖3a）冷空氣影響渤海以前，邊界層強冷平流位于42°N以北的河套地區(qū)東部附近，最強冷平流超過-0.15 K/s，此時渤海正處于正溫度平流區(qū)，暖平流中心強度為0.1 K/s，渤海海面風場為弱的偏南風，最大風力8 m/s。18日02時（圖略），渤海仍位于正溫度平流區(qū)，遼東灣暖平流強度增強為0.15 K/s，風向仍偏南，風力變化不大。08時（見圖3b）冷空氣開始影響渤海海面，相應地,最大冷平流中心向南推進到渤海灣附近，強度維持在-0.15 K/s以上，此時遼東灣海面轉為東北風，最大風速增至22 m/s,冷空氣前沿剛剛抵達萊州灣。14時（見圖3c），山東北部內陸被大范圍冷空氣控制，冷平流最強區(qū)位于魯西北，超過-0.3 K/s。此時，整個渤海區(qū)域全部轉為東北風，風力在6級以上。20時（見圖3d），冷平流南移到魯南及蘇北一帶，中心強度減弱為-0.2 K/s，渤海轉為偏東風，風力減弱到10 m/s以下。此后，隨著冷空氣的進一步南下變性，冷平流強度逐漸減弱，過程結束。

圖3 2013年3月17—18日地面風場及850 hPa以下累積溫度平流的演變

4.2 溫度平流的垂直演變

為更清楚的分析冷空氣的空間演變特征，對風場和溫度平流場沿120°E作了南北剖面。17日20時（見圖4a），700 hPa以上為一個深厚的冷平流區(qū)，中心位于37°N附近300 hPa高度，最強冷平流強度絕對值超過0.12 K/s，43°N以北550～700 hPa高度附近有弱冷平流。18日02時（見圖4b），冷平流大值區(qū)位于600～800 hPa高度，中心位于42°N附近750 hPa高度，強度增為-0.16 K/s。18日08—14時（見圖4c、d），冷平流控制區(qū)抵達地面，自上而下形成了冷平流的傳輸通道[7]（圖中黑色粗線所示），近地層轉為東北風，此時段為風力最大時段（超過14 m/s，最大達20 m/s）。18日20時，冷平流的傳輸通道在對流層中層700 hPa左右高度被截斷，對應近地面風力驟減,冷空氣影響結束。

隨著冷空氣南下影響渤海，在近地面冷空氣南側的暖區(qū)也存在暖平流強度先增后減的過程。17日20時，近地層37°～39°N為暖平流控制區(qū)，但中心強度較弱，為0.02 K/s，配合有弱的偏西風。18日02—08時，暖平流中心強度不變，范圍有所增大，近地層轉為較強的偏南風，最大風力超過20 m/s。14時，隨著冷平流南下，38°～43°N附近暖平流減弱消失。前期的暖平流輸送使得該區(qū)域近地面層維持較高的氣溫。因此，當冷空氣影響渤海及山東時，冷暖空氣的對比加強,從而使低空鋒區(qū)增強，是強風出現(xiàn)的一個重要因素。

圖4 2013年3月17—18日沿120°E的水平風場和溫度平流垂直剖面圖

4.3 地面氣溫和變壓場的演變

根據(jù)地面測站觀測的2 m的氣溫的演變（圖略），冷空氣影響之前，山東大部分為偏南風，氣溫較高。直到18日08時后，在較強的偏南風和暖平流影響下，山東仍然維持較高的氣溫。當冷空氣影響時，渤海及山東前期較高的氣溫使得冷暖空氣在該區(qū)對比更加強烈，溫度梯度加大，氣壓梯度顯著增強。

從地面測站的3 h變壓演變發(fā)現(xiàn)（圖略），隨著冷空氣不斷南壓加強，鋒后正變壓越來越大。18日02時，冷空氣剛開始影響渤海，鋒后3 h正變壓最大值超過3 hPa。18日08時，渤海灣附近測站的最大3 h變壓增加到6.2 hPa。18日14時冷空氣南下到山東時，大部分地區(qū)出現(xiàn)2.5 hPa以上的正變壓，魯中地區(qū)正變壓最強，普遍在4.5～5.8 hPa之間。顯然，冷空氣影響造成地面正變壓，變壓風的產(chǎn)生是渤海強風產(chǎn)生的另一重要因素。

4.4 變溫場的演變

圖5 2013年3月18日沿120°E的風場和變溫場垂直剖面圖

利用NCEP再分析資料計算了冷空氣影響過程中6 h變溫場演變情況。圖5是6h變溫場沿120°E的垂直剖面圖。可以發(fā)現(xiàn)，18日02時以前（見圖5a），在冷鋒影響區(qū)域，即40°N以北，自地面至600 hPa高度，均有較明顯的負變溫，最大負變溫超過-16℃，位于800～900 hPa，結合高空天氣形勢的演變可知，冷空氣已經(jīng)沿低渦后部滑下，造成中低層降溫。同時，在34°～39°N附近的山東內陸地區(qū)900 hPa以下到地面層升溫明顯，6 h最大升溫幅度超過4℃。08時（見圖5b），冷鋒附近負變溫主要位于700 hPa以下，最大負變溫中心位于40°N上空900 hPa以下，最大負變溫超過-14℃。這表明，冷空氣主力位于700 hPa以下，其中900 hPa以下的冷空氣最強。此時整個渤海位于正變壓區(qū)。而在38°N附近海平面以上各層存在較強的偏南風，致使該區(qū)域800 hPa以上有正變溫，37°N以南近地面為正變溫區(qū)，最大正變溫超過4℃。此時，影響渤海的強風開始出現(xiàn)，勢力不斷增大。14時（見圖5c），冷空氣影響渤海，900 hPa負變溫中心南移到37°N，強度為-12℃。20時（見圖5d），冷空氣繼續(xù)南壓，負變溫中心位于34°N，高度降至1000 hPa以下的近地面，強度減弱為-10℃，渤海出現(xiàn)正變溫，冷空氣影響趨于結束。整個過程冷平流最強的時段為08—14時，正好對應海面風力最強的時段。

由此可見，中低層冷空氣主力由北向南迅速傳播，在影響渤海時，冷暖空氣對比增強了鋒區(qū)強度，造成了強風。

4.5 垂直運動場分析

圖6 2013年3月17—18日沿120°E的水平風場和垂直速度場剖面圖

本次大風過程具有歷時短、風力大的特點，對冷空氣影響過程中的風場和垂直運動場沿120°E進行南北剖面分析，考察動量下傳的情況。可以發(fā)現(xiàn)，17日20時（見圖6a），冷空氣到達渤海前，鋒后42°N以北,從近地面到300 hPa附近為明顯的上升運動區(qū)，中心位于800～900 hPa之間，強度達到-1.8 Pa/s，而渤海附近的下沉運動極弱，接近于0 Pa/ s。18日02時（見圖6b），上升運動區(qū)減弱南移到渤海上空，41°N已經(jīng)轉為下沉運動，主要位于600 hPa以下，中心值為1.0 Pa/s，下沉運動區(qū)邊界層風速由之前的8 m/s增至12 m/s以上。08時（見圖6c），下沉運動區(qū)向南推進，主力位于500 hPa以下，中心強度仍為1.0 Pa/s，中心位于850 hPa高度附近，底部向南伸展到39°N，對應此時地面東北風最大風力增強至22 m/s以上。14時（見圖6d），下沉運動范圍繼續(xù)增大，下沉運動區(qū)在低層覆蓋了整個渤海和山東北部區(qū)域，向高層延伸至400 hPa以上，最強達1.4 Pa/s，中心位于700 hPa高度附近，地面風力略微減弱到18 m/s。20時（圖略），下沉運動大值區(qū)范圍迅速減小，此次過程基本結束。結合天氣形勢分析，強烈的下沉運動很可能是由于冷鋒過境時引發(fā)的次級環(huán)流導致，大氣質量的快速調整使得暖空氣迅速被冷空氣所取代，造成強烈的動量下傳，從而引發(fā)了海面強風。

5 結論

本文應用國家自動氣象觀測站資料、常規(guī)觀測資料和NCEP 1°×1°氣候預測系統(tǒng)再分析資料，分析了2013年3月18日發(fā)生在渤海海域的一次強風天氣過程，從溫度平流、變壓場和變溫場的演變及垂直運動場等方面剖析了強風發(fā)生發(fā)展的過程，結論如下：

（1）此次渤海海難強風過程是一次冷鋒影響下的偏北大風，強風區(qū)主要位于渤海海面，而陸地測站監(jiān)測到的風力較弱，具有歷時短，過程進展迅速的特點，瞬時風力較大；

（2）在經(jīng)向環(huán)流背景下，北路冷空氣自高緯南下，與冷空氣相伴隨的強冷平流自上而下傳播，氣壓梯度顯著增強，造成地面正變壓，導致變壓風的產(chǎn)生，是強風出現(xiàn)的重要原因；

（3）冷空氣影響前，渤海及山東前期為暖平流控制，較高的氣溫使得冷暖空氣在該區(qū)對比更加強烈，造成低空鋒區(qū)加強，是造成強風一個重要因素。可見在偏北大風的預報過程中,不但要關注冷平流的強度演變,而且要考察冷空氣影響前,暖平流的發(fā)展程度；

（4）冷鋒過境時引發(fā)了鋒面次級環(huán)流，導致了強烈的下沉運動，引起動量下傳，是造成瞬時強烈陣風的重要原因。

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Analysis of the causes of the march 18,2013 gale process over the Bohai sea

SUN Qing1,2，SHENG Chun-yan3，LIU Chang4，F(xiàn)AN Su-dan3

（1.Department of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093 China;2.Shandong Meteorological Service,Jinan 250031 China; 3.Shandong Provincial Meteorological Institute,Jinan 250031 China;4.Shandong Provincial Meteorological Observatory,Jinan 250031 China）

By using automatic meteorological observation station data,conventional observation data and NECP data with 1°×1°resolution,a gale process occurred on March 18th,2013 in Bohai Sea and the causes of the gale are analyzed.The results show that the gale is caused by the cold front.During the process of gale,a transmission path for the cold advection from top to bottom is formed,and the cold air is transported into the low level rapidly which leads to strong cold advection near surface.The allobaric wind caused by severe pressure swing is another important reason for gale accompanied by the coming of cold air mass.Besides,the intensity of cold front which leads to gale,is strengthened by increasing temperature occurring before the arrival of cold front.The downward momentum transportation resulting from the secondary circulation crossing the cold front also play an important role in the instantaneous strong gust.

cold front;momentum-transport;allobaric wind;secondary circulation

P732.2

A

1003-0239（2017）02-0051-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.02.007

2016-06-28；

2016-09-21。

中國氣象局公益性行業(yè)（氣象）科研專項項目（GYHY201106006）。

孫青（1984-），女，助理工程師，學士，主要從事氣象預報預測業(yè)務管理工作。E-mail：sdqxsq@sina.cn