不同天气形势下山东半岛南部沿海大风特征及其成因_于慧珍.pdf

气象科技 第 卷第期 年月 ，不同天气形势下山东半岛南部沿海大风特征及其成因于慧珍，马艳，韩旭卿（山东省青岛市气象局，青岛 ；山东省青岛市气象灾害防御工程技术研究中心，青岛 ；国家气象中心，北京 ）摘要以山东半岛南部沿海为例，利用旋转 模态主成分分析方法和欧洲中期天气预报中心第代大气再分析资料（）对大风的环流形势和成因进行研究。结果表明：形成大风的天气型有种，按大风日数从多到少依次为西北路冷高压型、低压槽后型、低压槽前型、江淮气旋型和北路冷高压型，与不同天气型下大风发生的概率大小顺序一致。冷高压型（包括西北路冷高压型和北路冷高压型）的冬季大风最多，低压槽型（包括低压槽前型和低压槽后型）的春季大风最多，江淮气旋型的春、秋季大风最多。高空冷平流、地面冷高压和动量下传是西北路冷高压型大风的成因；高空冷平流和地面冷高压是北路冷高压型大风的成因；高空暖平流、入海高压和东北低压是低压槽前型大风的成因；高空冷平流、地面冷高压和东北低压是低压槽后型大风的成因；受高空正涡度平流和暖平流影响，气旋发展并向东北方向移动在半岛南部形成大的气压梯度是江淮气旋型大风的成因。关键词环流分型；大风；大风成因中图分类号：文献标识码：气象科技环渤海区域科技协同创新基金项目（）、青岛市气象局重点课题（，）资助作者简介：于慧珍，女，年生，工程师，从事预报服务和灾害性天气预报研究，：收稿日期：年月日；定稿日期：年 月 日引言大风是沿海最常见的气象灾害之一，严重影响航运、海洋水产养殖、海上捕捞等行业和沿海地区人民的生命财产安全。据统计，海上大风浪造成的海损事故仅次于碰撞事故。黄渤海是我国北方海洋经济发展和军事防御的重要区域，对此区域海上大风的特征进行分析并做好大风预报意义重大。近年来，一些学者针对此区域大风的长期气候变化特征，时空分布和预报方法 开展了一些研究。一些学者还对大风进行分类研究 ，比如吴曼丽等对黄渤海北部沿海大风进行统计分析，将大风分为冷锋后部型、高压后部型、台风型和气旋型。不同环流形势下大风出现的概率、强度、影响时间不同，大风成因也不同，对大风进行分类研究有利于对大风特征和成因的深入分析和理解。前人对大风的分类主要通过对大风个例进行人工主观分型，统计分析的个例有限，且忽略了相似环流下非大风日与有大风日的对比。基于环流的客观分型是对表述大气环流的变量场进行分类，分型结果可以把研究对象与天气环流直接对应，在气象研究上有着广泛的应用 。目前国内基于客观方法对大风环流的分型研究比较少，滕华超等 基于 分型法对渤海海峡大风天气进行分型，根据涡度大小将环流形势分为平直气流型、旋转型和混合型。陈豫英等 基于聚类分型方法将冬半年影响西北地区的天气形势分为类，并分析了大风出现的主要环流形势。不同类型大风产生的原因不同，影响其预报的关键因子也不同 ，研究表明天气分型后建立的预报模型相对于没有分型的预报模型预报效果提高明显 。找出不同类型大风产生的原因可以为大风客观预报方法的建立提供理论基础。杨忠恩等 研究了舟山群岛一次冷空气大风和一次低气压大风的成因；盛春岩等 对一次渤海大风过程的研究表明变压梯度风和大尺度气压梯度是大风产生的原因；前人基于个例的研究表明冷平流 和动量下传 是冷空气大风产生的的重要原因。前人对大风成因的分析结果主要是基于典型个例，缺乏统计 意义 的 结果 以 及 有 大风 日 和 非 大 风 日 的对比。本文基于客观环流分型方法和 再分析资料，分析山东半岛南部沿海大风发生的主要天气型，以及不同天气型大风的分布特征，并通过对比大风日与非大风日，分析不同天气型大风的成因。资料与方法 数据资料实况数据为 年的山东半岛南部的 个站点（图）的逐小时的 平均风观测数据。为了去除强对流等局地大风的影响，定义天（：至次日：，北京时，下同）内 个站点中有个（约占总站数的）及以上站点出现级以上（风速 ）大风为大风日，否则为非大风日。根据定义，年总计有 个大风日，占总日数的 （数字为去除台风日后）。图山东半岛南部沿海 个观测站点的位置分布（近海站为距离海岸线小于 ，近海站为距离海岸线大于 的站点，不同位置站点用于对比地转风和实际风的关系）采用水平分辨率为 ，时间分辨率为的欧洲中期天气预报中心第代大气再分析资料（）分析天气形势场，包括 年逐日的海平面气压、风场和高空的位势高度场、风场、温度场和垂直速度场。客观分型方法本文采用的环流分型方法为旋转 模态主成分分析 。相较于其他客观分型方法，它能给出更接近实际，物理上可解释的环流型。由于台风环流特 殊，对 去 除 台 风 影 响 后 的 天 进 行 分型。分型基于 逐日的：的海平面气压场，数据范围为 ，。在进行环流分型后，采用合成分析的方法对同一天气型下大风日和非大风日的环流和物理量场进行比较，分析大风的成因。环流分型结果基于旋转模态主成分分析法将海平面气压场分成种类型，图为每种类型的合成平均海平面气压场以及这一型的总日数（子图左上数字）和大风日数（子图右上数字）。按照地面天气系统可以分为冷高压型、低压槽型、温带气旋型和其他型大类。下面对这几种类型分别进行介绍。冷高压型第和型的主要地面天气系统是蒙古高压（图 和），蒙古高压中心位于高空西风槽后，槽后有明显的冷平流（图），地面高压中心附近温度明显低于高压前部（图略），称为冷高压型。两类的海平面气压场主要区别是冷高压的位置和路径，第型的冷高压从贝加尔湖以西移动到内蒙古中部，对应西北路冷空气路径，半岛以西北风为主，为西北路冷高压型，第型的冷高压从贝加尔湖以北移动到蒙古中东部，对应北路冷空气路径，半岛以东北风为主，为北路冷高压型。第和型大风日占比（占总大风日数的比例）分别为 和，第类环流型出现的概率为 ，当此类环流型出现时有 的概率出现大风。第型出现的概率为 ，此类环流背景下有的概率出现大风（表）。低压槽型第、和型的地面天气系统是东北低压和高压（图、和）。第和型中低压槽前有入海高压，半岛以西南风为主，为低压槽前型。第型中低压后有蒙古高压，高压的性质和路径与第型类似（图略），半岛以西北风为主，为低压槽后型。第、和型大风日占比分别为 ，和，第、类环流型出现概率和发生大风概率要大于第型（表）。温带气旋型第和型的主要地面天气系统是温带气旋（图 和）。第型对应江淮气旋，半岛以偏北风为主，第型对应黄河气旋，半岛以西南风为主。第第期于慧珍等：不同天气形势下山东半岛南部沿海大风特征及其成因型和第型大风日占比分别为 和。第型出现的概率为 ，有 的概率出现大风。第型出现的概率为，有 的概率出现大风（表）。图 年山东半岛南部沿海类海平气压场客观分型及其发生的日数（左上数字）以及这一型的大风日数（右上数字）（）（）为第型）气象科技第 卷图山东半岛南部沿海冷高压型天气大风日（，）和非大风日（，）的 的位势高度场（黑色等值线，单位：）、温度场（红色等值线，单位：）和风场（风羽，单位：）表山东半岛南部沿海不同天气型的出现概率、大风日占比、大风发生概率 出现概率 大风日占比 大风发生概率 注：第型出现概率第型日数总分型日数，第型大风日占比第型大风日数总大风日数，第型大风发生概率第型大风日数第型日数，取值。其他类型第型为北高南低型（图），第型为南高北低型（图）。第型受东北高压影响，半岛出现不同风向的比例较均匀，第型受南方的高压影响，半岛以西北风和偏南风为主。这两型的大风日占比最低（表）。另外，受台风影响半岛也会产生大风，由于台风环流的特殊，不适合做合成分析，且台风型的出现频率明显少于冷高压型、低压槽型和气旋型，本文不做详细分析。对比发现，第、类环流型日数和大风日较多，且这类环流下出现大风的概率也较大，这类 环 流 总 的 出 现 比 例 为 ，大 风 日 占 比 。下面对这种类型进行详细分析。为了方便，用地面天气系统对这类进行命名，第和型分别为西北路冷高压型和北路冷高压型，统称为冷高压型，第和型分别为低压槽前型和低压槽后第期于慧珍等：不同天气形势下山东半岛南部沿海大风特征及其成因型，统称为低压槽型，第型为江淮气旋型。种天气型的大风日数从多到少依次为西北路冷高压型、低压槽后型、低压槽前型、江淮气旋型和北路冷高压型，与不同天气型下大风发生的概率大小顺序相同。与前人研究结果相比，此分类结果不仅显示了不同天气型大风占总大风日的比例，还给出了不同天气型出现的概率以及大风发生的概率。前人通过典型个例分析大风的环流特征，缺乏对类似环流型下大风发生与否的对比，本文将通过对比大风日与非大风日的合成分析得出不同天气型大风产生的原因。大风的季节分布特征半岛南部沿海平均每年 个大风日，其中春季大风日最多，平均 个，冬季 个，秋季 个，夏季最少 个。产生大风的主要天气型为西北路冷高压型、北路冷高压型、低压槽前型、低压槽后型和江淮气旋型。图山东半岛南部沿海不同天气型大风日的季节分布不同天气型大风在不同季节出现的频率相差大（图，表）。冷高压型的冬季大风最多，平均一年 天，占此类型全年大风日数的 ；夏季大风最少，平均一年 天。西北路冷高压型的大风日是北路冷高压型的倍，这与北路冷高压型的冷高压位置更偏北有关。低压槽型的春季大风最多，平均一年 天，占此类型全年大风日数的 。低压槽前型的夏季大风较多，因为此类型的大风受入海高压的影响，夏季海洋温度低于陆地，高压入海后加强，有利于大风的产生。低压槽后型冬季大风较多，夏季大风最少，因为此类型的大风受冷高压的影响，冬季强冷空气较多，有利于大风的产生。江淮气旋型的大风 出现在春、秋季，平均一年春、秋季各个大风日。总的来说，大风主要出现在春季，其次是冬季、秋季，夏季最少。除了低压槽前型大风在夏季出现较多外，其他几型的大风在夏季出现的很少。表山东半岛南部沿海不同天气型大风日数的季节分布年平均春季夏季秋季冬季冷高压型 低压槽型 江淮气旋型 不同天气型大风成因分析 冷高压型大风冷高压型受高空西风槽冷空气和地面蒙古冷高压的影响，大风日西风槽的经向度、冷平流的强度以及地 面 冷 高 压 的 强 度 明 显 比 非 大 风 日 强（图，图、）。西北路冷高压型的大风日和非大风日的地面冷高压中心气压平均为 和 （图、），北路冷高压型的分别为 和 （图略）。强地面冷高压在半岛地区形成大的气压梯度，根据地转平衡原理产生大的地转风。但是地转风并不能完全解释实际风速的大小。以日数最多的西北路冷高压型 大 风 为 例，内 陆沿 海近 海近 海站 点（图）的实际风速分别是地转风速的 。近海站点的实际风速和地转风速的关系不符合中纬度地区统计结果，说明了非地转风在地面大风产生中的作用，除了气压梯度外，还有其他影响因素使得实际风速更大。半岛地区，西北路冷高压型大风日的冷平流从 延伸到地面，中心强度为 （图 ）；非 大 风 日 的 冷 平 流 从 延 伸 到 ，冷平流中心强度为（图略）。北路冷高压型的强冷平流中心的位置偏北，半岛地区大风日的冷平流从 延伸到地面，中心强度为 （图）；非大风日没有明显冷平流（图略）。强冷平流使得地面加压，加强了地面气压梯度和变压梯度，使得地面风速增大。根据方程，冷平流造成下沉运动，动量下传是冷空气大风形成的一个原因 。对于西北路冷高压型大风日，沿 的垂直剖面图显示，大的水平风速等值线向下伸展区与垂直下沉运动和强冷平流区对应（图），说明强冷平流区伴随的垂直下沉运动将高层大的动量下传，使得地面风速增大，而非大风日冷平流和垂直速度较小，没有明显的动量气象科技第 卷下传，地面水平风速差异不明显（图略）。北路冷高压型的强冷平流和下沉运动导致的动量下传的位置偏北（约 ），半岛地区没有明显的动量下传作用（约 ，图）。上述分析结果表明，冷高压型大风主要受冷空气影响，地面冷高压前大的气压梯度，高空冷平流导致的地面气压梯度和变压梯度增强以及动量下传是冷高压型大风产生的原因。对于半岛地区，动量下传是西北路冷高压型大风的成因，不是北路冷高压型大风的成因。图山东半岛南部沿海西北路冷高压型大风日（）和非大风日（）的海平面气压场，及西北路冷高压型（）和北路冷高压型（）的大风日沿 的垂直风场（箭头）、水平风速（等值线，单位：）和水平温度平流（阴影）