环渤海区域强风的特征及变化分析

韩永清，郭俊建，张少林，史茜

（山东省气象台，山东济南250031）

1 引言

环渤海地区是指环绕着渤海全部及黄海的部分沿岸地区所组成的广大经济区域，主要包括山东、河北、辽宁和天津4 个地区，该区域是中国北部沿海的黄金海岸。由强风天气过程引起的巨浪、风暴潮对于海洋沿岸及海港工程、建筑等有着巨大的破坏作用，历史上各种风灾及引发的风暴潮灾害、船损人亡事故以及对水产养殖和沿岸种植等所造成的损失是极为严重的。随着环渤海和辽宁沿海经济的发展,亟需提高北方海域的气象灾害预警能力,为海洋运输、渔业、旅行等安全和海洋资源开发、应急救援等提供气象保障和实时服务。因此分析环渤海区域强风天气的特征对提高预报能力具有重大的现实意义。

近年来，有关黄、渤海大风的研究愈来愈被重视。赵金霞等[1]利用渤海湾两个站的大风资料，对渤海湾多年大于17 m/s的强风特点进行分析，表明强风冬季以西北风为主，春、夏、秋季以东北风为主，偶尔会出现偏南风，年分布特征呈两峰两谷型，最多月份是11月，最少月份是8月；王日东等[2]和高瑞华等[3]对分别渤海海峡大风的气候特征进行了分析，指出渤海海峡大风日数存在逐年减少的变化趋势，但也存在着突变的特点，大风风力以6—7 级为主，8 级以上的强风占总数的6.7%；李燕等[4]用浮标站资料研究了渤海大风的特点表明11月大风、强风日数最多，1月次之，北风、东北风的大风、强风日数最多，大风日沿海站的风速接近浮标站；张少林等[5]认为产生烟台、威海和日照大风的天气系统主要有低槽冷锋、气旋、热带气旋及东高西低和南高北低两种形势场。李超等[6]研究发现江苏沿海冷空气偏北大风以冬季最为常见，低压(气旋)大风和入海高压后部大风易发生在春、夏两季，雷雨大风主要发生在夏季，台风大风主要发生在夏季和秋季。王雷等[7-8]分别对冷空气大风和低压大风过程进行了分析，得到了许多有意义的结论。上述研究对大风或强风的研究范围一般按照渤海、渤海海峡或江苏沿岸等进行划分，研究站点的选取也局限在某一省沿岸及沿海，到目前为止，针对环渤海4个省市区域强风特征的研究开展的较少。本文利用环渤海区域2000—2012年10 min平均日最大风速的资料，首先在确定区域强风天气标准的基础上，利用NECP/NCAR 1°×1°再分析资料及天气学分型方法，对区域强风天气系统进行普查分类等分析，以便为区域强风的预报预警提供参考依据。

2 区域强风天气标准

选取环渤海区域代表站数57 站，其中，河北13站，辽宁19 站，山东20 站，天津5 站（见图1）。根据中国气象局制定的风力等级标准[9]，6 级风速为10.8—13.9 m/s，7级风速为13.9—17.1 m/s，8级风速为17.2—20.8 m/s。利用2000—2012年逐日10 min平均最大风速资料，首先确定标准为：某日环渤海区域出现风速超过10.8 m/s（6 级风及以上）站数≥12站、且其中一站最大风速超过20 m/s，或者出现超过10.8 m/s 大风站数≥17 站、且其中一站最大风速超过17.2 m/s 时，定义为一次影响环渤海区域强风天气过程。经过普查符合区域强风天气的个例共计66个。

3 区域强风的气候特征

3.1 年变化特征

由环渤海区域强风次数演变图2a可以看出，近十多年来，随着全球气候变暖影响，区域强风呈逐渐减少趋势。其中，2000年最多（9次），2011年最少（1次）；2010年为一个小的峰值（6次）。

图1 环渤海区域站点分布图

图2 2000—2012年环渤海区强风次数

3.2 月变化特征

图2b给出了环渤海区域强风逐月的强风次数，可以看到，4月和3月发生强风的次数与其他月份相比明显偏多，分别占强风总次数的31.8%和22.7%。从季节看，春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）出现强风的次数分别是：39、3、8 和16 次，春季发生次数占总数的59.1%，是环渤海区域强风发生的高发季节，冬季次之，夏季最少，仅占4.5%。另外，冬半年（11—4月）强风发生55 次，夏半年（5—10月）强风仅发生11 次，原因是环渤海区域位于36.7—41.7°N，南北跨度大，出现大范围强风天气时往往受东移南下的冷空气影响引起，冬半年冷空气活动频繁，造成的强风天气较多；夏半年出现强风时往往由强对流或台风引起，但强风出现范围有限，难以达到挑选标准。

3.3 最大风速

2000—2012年环渤海区域66 次区域强风过程中最大风速超过10 级的仅有2 次，分别为26 m/s（2002年12月7日）和26.8 m/s（2003年5月7日）；各站各月最大风速达到9级的有27次过程，达到8级的有39次过程。从强风风向看，除了4次南风和2次偏东风外，其余均为偏北风。温带气旋造成的强风过程在前期为南大风过程，后期随着冷空气的缓慢渗透及气旋的东移强风风向逐渐转为北风，北风比南风的风速要大，因此温带气旋和低槽冷锋类强风过程最大风速均为偏北大风。

统计表明，区域强风发生时（见图3），出现最大风速的站点超过半数在成山头站（站号54766），有8次出现在长岛站（站号54751），3 次出现在旅顺站（站号54660），11次出现在天津沿海各站，有4次出现在河北南部沿海各站。从强风地域分布特征看，最大风速站点主要集中在渤海西部天津到河北南部和渤海海峡到成山头一线两个区域，其他区域出现次数较少。所以，在春季大风预报中，要特别重视上述两个区域的强风天气预报预警。

3.4 持续时间

图3 最大强风出现频数空间分布图

按照挑选出的强风过程，反查天气图，按照地面形势场、高空环流形势的强风起止时间，得到强风的持续时间。其中，起始时间为强风过程中环渤海区域站点开始出现超过10.8 m/s 大风的时间（前一时次没有）；结束时间为最后出现超过10.8 m/s大风的时间（后一时次没有）。由表1 看出，强风过程发生时，维持时间超过48 h 和少于12 h 的次数较少，介于12—48 h 之间的强风有55 次，占总数的83.3%。因此，环渤海区域性强风天气过程一般持续半天到两天时间。

表1 2000—2012年环渤海区域强风持续时间分布

4 区域强风的天气分型

利用2000—2012年的天气图资料，通过对造成环渤海区域强风天气进行分类，得到低槽冷锋、温带气旋、台风和东高西低4 种类型。其中低槽冷锋41 次，温带气旋21 次，东高西低3 次，台风1 次。低槽冷锋是造成环渤海区域强风的主要天气类型，占总数的62.1%，以西北路径冷空气最多；其次是发生在2—4月的温带气旋类，占总数的30.3%，以黄河气旋产生的区域强风次数最多。8月台风易在造成环渤海区域偏南强风过程，最大风速站点为山东的成山头站。下面，针对影响环渤海区域产生强风时的4种类型，利用2000—2012年NECP/NCAR 1°×1°再分析资料分别合成其平均地面形势场，并对各自的地面天气图特征进行分析。

4.1 低槽冷锋类

图4 低槽冷锋产生区域强风时地面平均形势场（单位：hPa）

不同冷空气路径的低槽冷锋系统影响环渤海区域产生强风天气时冷高压的位置、强度和造成强风的范围差异较大：西北路低槽冷锋造成环渤海出现区域强风的最多站数为31站，最大风速为26 m/s，过程最长持续时间为60 h；北路低槽冷锋造成区域强风的最多站数为28站，最大风速为26.8 m/s，过程最长持续时间为66 h；西路低槽冷锋造成区域强风的最多站数为26站，最大风速为21.5 m/s,过程最长持续时间为45 h。为了使平均形势场更能真实反映实际形势[10]，将低槽冷锋类天气系统分为西路、西北路和北路3类分别进行合成分析。2000—2012年造成环渤海区域强风的天气系统中西路低槽冷锋有2次，西北路低槽冷锋类26 次，北路低槽冷锋13 次，分别给出其平均形势场。由图4 可见，当环渤海区域出现强风天气时，西路低槽冷锋系统的高压位于新疆，中心气压平均值为1032.2 hPa,西北路低槽冷锋系统的高压位于蒙古中部地区，中心气压平均值为1032.5 hPa,北路低槽冷锋系统的高压位于内蒙古东部地区，中心气压平均值为1025 hPa。即同样影响环渤海区域产生强风天气时，北路低槽冷锋系统的中心气压值最低，环渤海区域2.5 hPa间隔的等值线仅有2 条；西路和西北路低槽冷锋中心气压值较高，2.5 hPa间隔的等值线有3条，说明同样强度的冷空气，北路低槽冷锋系统更易引发环渤海区域出现强风天气，预报北路冷空气时仅凭等压线梯度来判断大风强弱易将强风报弱，需要引起重视。

4.2 温带气旋类

图5 温带气旋产生区域强风时地面平均形势场(单位：hPa)

统计分析表明，造成环渤海区域强风的温带气旋共有4 类，分别是黄河气旋、江淮气旋、蒙古气旋和东北气旋。利用2000—2012年NECP/NCAR 1°×1°再分析资料，得出4 类气旋影响环渤海区域产生强风天气时的平均形势场（见图5）。黄河气旋产生强风时中心位于渤海湾，中心气压平均值为1 015 hPa，江淮气旋产生强风时中心位于长江北部地区，中心气压平均值为1000 hPa，次中心位于淮河地区，中心气压平均值为1002.5 hPa，蒙古气旋产生强风时中心位于内蒙古东部地区，中心气压平均值为1002.5 hPa，东北气旋产生强风时中心位于东北地区中部，中心气压平均值为1000 hPa。由图5 可知，江淮气旋的锋后冷高压，无论是范围还是强度均明显强于其他3类气旋。黄河气旋虽然在强风发生初期中心气压平均值最大，强度最弱，但此类气旋往往在后期都迅速的东移入海并且存在入海后增强的现象，加之气旋后部有明显的冷空气补充，所以由此类气旋造成的环渤海区域强风往往以南风开始，而后快速转为强烈的西北风，使得区域风力后期猛烈增强。黄河气旋类占温带气旋类强风中的45%，是此类区域强风中最为常见的类型。

图6 东高西低型产生区域强风时地面平均形势场（单位：hPa）

4.3 东高西低类

图6给出了东高西低型造成强风时的地面平均形势场。分析发现，东高西低形势下产生的强风是以偏南风向为主导风向。东高西低型表现为，华中地区为一低压，高压中心位于黄海南部长江中下游一带地区。进一步分析表明，在东高西低型产生强风时，长江中下游的高压起着至关重要的作用，如果无高压存在，出现大风的机率就较小。

4.4 台风类

统计结果表明，影响环渤海区域造成区域强风天气的台风13年中只有1次，为出现在2005年9号的台风“麦莎”。“麦莎”在西北太平洋生成后，沿西北路径北上于2005年8月6日在浙江台州登陆，登陆时中心最大风速45 m/s，而后继续向北偏东方向移动，7日开始影响环渤海区域造成强风，8日从山东穿过，9日在辽宁大连再次登陆，登陆时减弱为热带低压，而后环渤海区域强风结束。图7 给出了“麦莎”造成区域强风时的地面形势场，环渤海区域开始出现强风时（图7a），中心位于长江口附近，山东及黄渤海区域位于地面倒槽顶端，等压线密集，造成环渤海区域的东南强风；区域强风最大风速为19.7 m/s，出现在8日台风离去过程中（图7b）。因此，台风登陆北上或沿海北上在环渤海产生区域强风时，受台风影响的风速大小与离台风的距离呈正比关系，台风离去时比接近时风速更大。

图7 2005年8月麦莎台风产生区域强风时地面平均形势场（单位：hPa）

5 低槽冷锋后的偏北强风天气图特征分析

低槽冷锋是造成环渤海区域强风的主要影响系统，较强冷空气在特定环流形势下向东向南发展是造成区域强北风的直接原因，而中空700 hPa 关键区内有强锋区是较强冷空气存在的主要标志[6]。考虑冷空气的位置、强度和影响路径，统计分析了区域强风开始时地面冷高压的强度和位置、700 hPa冷中心的强度、850 hPa冷中心的强度、850 hPa冷中心与山东最东侧站点成山头站的等温线条数（4 ℃/1条）、850 hPa风场与等温线的夹角等，得出低槽冷锋后偏北强风的天气图特征如下：

（1）冷空气为西北路径时，40°—56.6°N，91°—113°E 范围内有地面冷高压中心，强度超过1030 hPa，700 hPa 冷中心＜-20 ℃，850 hPa 冷中心＜-12 ℃，850 hPa冷中心与成山头站等温线条数＞5 条时，环渤海地区即将发生一次西北路低槽冷锋引起的区域强风过程；

（2）冷空气为偏西路径时，96°—105°E，40°N附近有地面冷高压中心，强度超过1035 hPa,700 hPa冷中心＜-28 ℃，850 hPa 冷中心＜-20 ℃，850 hPa冷中心与成山头站等温线条数＞8 条时，环渤海区域以西探空站张家口850 hPa温度线与风场夹角近乎90°时，环渤海地区即将发生一次西路低槽冷锋引起的区域强风过程；

（3）冷空气为偏北路径时，45°—55°N，95°—119°E 区域内有地面冷高压中心，强度超过1027.5 hPa，700 hPa 冷中心＜-10 ℃，850 hPa 冷中心＜-3 ℃，850 hPa 冷中心与成山头站等温线条数＞4条时，环渤海区域以北探空站赤峰850 hPa温度线与风场夹角近乎90°时，环渤海地区即将发生一次北路低槽冷锋区域强风过程。

6 结论

通过以上分析，我们掌握了环渤海区域强风基本气候变化特征及4 类型形势场特征，从而为建立该区域的大风预报预警方法奠定了基础。主要结论如下：

（1）2000—2012年环渤海区域强风的强风次数有明显减少的变化特征。强风主要集中在冬半年，3月和4月为发生次数较多的月份；

（2）环渤海区域强风过程一般持续半天到两天时间。强风个例中最大风速多为北风，所在站点集中在渤海西部天津到河北南部一线和渤海海峡到成山头一线两个区域；

（3）环渤海区域强风的天气类型主要有低槽冷锋、温带气旋、东高西低和台风4 类，其中以低槽冷锋最为常见，温带气旋类次之；

（4）同样影响环渤海区域产生强风天气时，北路低槽冷锋系统较西路和西北路低槽冷锋的中心气压值最低，等压线梯度最小。不同区域产生的温带气旋引起环渤海区域强风时高、低压的强度同样有差别：江淮气旋的锋后冷高压，无论是范围还是强度均明显强于其他3类气旋。黄河气旋虽然在强风发生初期中心气压平均值最大，强度最弱，但后期入海后会迅速发展，加之气旋后部有冷空气补充，此类强风过程仍然不可忽视。

对于区域强风天气的预报，文中仅对低槽冷锋后偏北强风的天气图特征做了统计分析，希望在以后的工作中加强对温带气旋类个例的分析，进一步探讨此类区域强风的特征分析。

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