引言

近年来，我国沿海经济得到快速发展，特别是环渤海地区已发展成为中国北方最活跃的海洋经济区域。2007年，全区域海洋生产总值高达9542亿元，占全国海洋生产总值的38.3%(来自《海洋经济》)。海洋经济增长的同时，海洋灾害性天气引发的海洋灾害也日益增多。2010年4月27日，莱州湾附近海域出现了10级大风，烟台、威海、青岛等地区相继发生8起船舶险情，造成42名船员遇险，其中9名遇险人员失踪。根据近20年的统计分析，每年4月份造成黄海、渤海8级以上大风平均为39天，引起大风的天气种类较为复杂，其中入海气旋的快速发展是造成黄渤海地区大风天气的主要原因之一^[1]。因此，研究入海气旋爆发性发生与发展的机理，有助于分析造成此次莱州湾地区大风天气过程的原因。

近些年，中外学者对于爆发性气旋发生发展的物理原因和机制做了大量的研究工作^[2-14]，指出影响温带气旋发展的一些主要因素有温度平流、涡度平流、大气的斜压不稳定性、潜热释放、摩擦作用等等。蔡丽娜等^[2]针对2007年3月的一次黄渤海入海气旋的爆发性发展进行了分析研究，赵琳娜等^[3]对一次蒙古气旋发展造成我国北方沙尘天气过程进行了研究，总结分析了引起温带气旋发生发展过程的热力和动力机制。从相关研究分析来看，造成气旋快速发展的机制有其共性，但也存在许多差异，这就给预报工作带来了难度。随着科学技术的快速发展，观测资料比以前丰富了许多，特别是近10年以来，地面自动站观测网的建设和加强，卫星遥感资料, 以及雷达探测资料的丰富利用，使得大气观测资料在时空分布上更加稠密，再加上资料(3维变分、4维变分)同化技术的不断提高，使得对大气状况的分析更逼近实际大气特征，所有这些都为研究此次莱州湾地区大风天气过程创造了良好的工作基础。但是，在这样丰富的观测资料基础上，近些年来针对我国近海海上大风成因的分析研究却相对较少，尤其是冬春转换季节针对莱州湾地区的大风过程分析研究几乎没有，为了更好地了解此次莱州湾地区大风天气过程发生发展的原因，本文主要通过大尺度环流分析槽脊发展过程，温度平流、涡度平流在气旋发展中的作用，以及高空急流和高层位涡异常对气旋发展的影响。通过锋生分析和变压梯度分析，研究气旋发展造成的锋后冷空气大风形成的原因。

1 资料来源与过程概述

诊断分析所用资料为2010年4月26日00时(世界时，下同)至27日12时, 时间分辨率为6小时，空间分辨率为1°×1°的NCEP再分析资料，常规气象地面观测资料为每3小时一次，自动站观测资料每1小时一次，高空资料为每12小时一次(00时、12时)。

从26日00时高空500 hPa实况形势场分析看到(图 1a₁)，在蒙古国乌兰巴托以东有低涡中心存在，长波槽自低涡中心向东南伸至渤海西部沿海，以后转向西南至长江上游地区，同时温度槽明显落后长波槽大约10个经距，槽后有很强的冷平流。短波槽自内蒙古中部至河西走廊，温度槽与短波槽近于重合，槽前等高线疏散，长波槽后的冷平流有利于短波槽由横转竖并南压。相应时次的地面分析图上，位于河套地区有中心为1015 hPa的低压区(图 1b₁)。26日12时，低涡中心与冷中心近于重合，温度槽落后长波槽，但与前一阶段相比两者已有所接近；短波槽已由横转竖并南压，536 dagpm等高线已南压到华北中部地区(图 1a₂)。原位于河套地区的低压区，此时已经移到渤海湾附近，气旋中心气压为1010 hPa，12小时加深了5 hPa(图 1b₂)。27日00时，低涡中心与冷中心重合，温度槽仍然落后长波槽近5个经距，在槽后冷平流作用下，长波槽进一步加深东移南压；短波槽由竖转为东倾，在槽后冷平流作用下，高空低涡进一步发展，并在黄渤海海域上空形成低涡中心(图 1a₃)。此时地面气旋中心已经由莱州湾东移至黄海北部海面，中心气压也由原来的1010 hPa加深至1000 hPa(图 1b₃), 12小时加深了10 hPa, 气旋的加深率为1.06 B (贝吉龙)，此阶段属气旋爆发性发展阶段^[8]。

通过上面高空500 hPa形势场及地面实况分析，26日12时至27日00时，在高空槽后冷平流作用下，高空低涡发展，莱州湾附近地面气旋得到快速加强。选择东营外海石油平台自动站(站号：054747)、山东防潮坎自动站(站号：682169)、以及山东土山自动站(站号：681057) 作为莱州湾南北走向大风实况观测代表站，通过大风随时间演变情况可以看到(图 2)，26日16时之后，莱州湾地区出现了明显的转风过程，风向由西南转为西北，风力由7~8级加大到8~9级。此时段正好对应北京时间27日凌晨，与莱州湾出现海难时段相吻合。由地面分析看到，该时段莱州湾地区有气旋快速生成，并向东北方向移动进入黄海北部，表明引起莱州湾地区大风的主要原因与地面气旋的快速发展有直接关系。

2 气旋发展过程的热力和动力诊断分析 2.1 温度平流和涡度平流作用

温度平流是斜压扰动强烈发展最主要的动力条件，槽前的暖平流使槽前高压脊发展，槽后冷平流使槽加深。与此同时，在槽前暖平流作用下，上升运动产生正的涡度平流。在温度平流与涡度平流的共同作用下，高空槽发展加深并向前移动^[13-14]。

26日00时，500 hPa长波槽线附近及槽后有强的冷平流，冷平流中心值为-6.0×10^-4K·s^-1；槽前有明显的暖平流使位于其下游的高压脊加强，暖平流中心值为4.0×10^-4K·s^-1；短波槽前有冷平流，槽后有暖平流，其冷暖平流中心值分别为-4.0×10^-4K·s^-1和6.0×10^-4K·s^-1(图 3a)。经过12小时，在长波槽后冷平流作用下，高空槽发展东移南压，540 dagpm由12小时前的40°N向南压至38°N附近。此时莱州湾及整个山东半岛位于长波槽后短波槽前，长波槽后冷平流和短波槽前暖平流使得这一区域上空存在强的斜压结构，为地面气旋的发展提供了有力的动力条件(图 3b)。26日18时，在冷平流作用下，高空槽加深，并在莱州湾附近上空形成了532 dagpm闭合环流中心，此时的高空温压场形势表明气旋发展开始进入成熟阶段(图 3c)。27日00时，闭合环流中心在冷暖平流作用下继续发展，其闭合低涡中心为528 dagpm，而此时地面气旋中心也由莱州湾东移至黄海北部海面，中心气压也由12小时前的1010 hPa加深至1000 hPa(图 3d)。

26日00时，低层850 hPa槽前脊后冷暖平流较弱，在山东半岛及莱州湾附近地区上空冷暖平流低于±2.0×10^-4K·s^-1(图略)。伴随着高空低涡发展东移南压，26日12时，850 hPa位于莱州湾附近出现闭合低涡中心140 dagpm，低涡中心南侧的冷平流开始明显加强，其冷平流中心值为-6.0×10^-4K·s^-1(图 4a)；以后随高空低涡发展，至27日00时，850 hPa槽前出现了值为4.0×10^-4K·s^-1的暖平流，槽后出现了值为-4.0×10^-4K·s^-1的冷平流(图 4b)，低层斜压性的加强有利于气旋的快速发展。

500 hPa涡度平流分析表明，26日00时，长波槽前后有正负涡度平流，槽后负涡度平流较弱，槽前正涡度平流较强；短波槽槽前及槽后分别有弱的正负涡度平流(图略)。26日12时，伴随着高空低涡发展东移南压，莱州湾附近的闭合低涡中心高空槽前后有明显的正负涡度平流(图 5a)。27日00时，伴随着高空低涡的东移发展，低涡附近的涡度平流范围明显减少，仅在低涡中心东西两侧有范围较小且强度较弱的正负涡度平流(图略)。26日00时，850 hPa几乎看不到涡度平流，26日12时，在低涡中心东西两侧有明显的正负涡度平流生成(图 5b)，以后涡度平流的强度及范围明显减小。研究分析表明，该气旋的发展与Petterssen等^[10]的B类气旋发展模式较为相似，即气旋发生发展的启动机制在高空，气旋发展时低层不一定有锋面存在，高低空涡度平流的差异对气旋的发展起着重要作用^[13]。

2.2 高空急流与散度场分析

相关研究^[2-8]指出，温带气旋的爆发性发展往往与高空急流相联系，Akira Yoshida^[8]研究西北太平洋爆发性气旋的环境与结构时，分析结果显示，224个发生在西北太平洋的发展气旋均发生在300 hPa高空槽前急流轴北侧。从300 hPa的风速分布可以看出(图 6a)，26日12时，高空急流轴位于朝鲜半岛北部至山东半岛南部，急流轴中心最大风速达60 m·s^-1以上，急流轴呈东北-西南向，莱州湾及渤海海域位于高空槽前急流轴向极一侧，向南的非地转风偏差分量使该上空有较强的高空辐散。由300 hPa散度场分析(图 6b)，此时，在莱州湾附近区域有散度3×10^-5s^-1的辐散区，表明了高空槽前急流轴向极一侧有较强的辐散作用。另外，850 hPa散度场分析表明(图 6c)，在莱州湾地区存在较好的低层辐合，最大散度为-6×10^-5s^-1。由此可以看出，高空急流引起高层辐散和低层辐合说明垂直运动和次级环流非常强，有助于气旋的发展。

2.3 高层位涡下传

大气中的位涡守恒性通过伸缩(或压缩)作用引起天气系统的发展，高值位涡的输送影响天气尺度的气流，进而产生垂直运动。从天气预报业务的观点来看，位涡理论提供了非常有利和简洁的大气动力学观点^[15]。Uccellini等^[11]在对爆发性气旋的研究中指出，当平流层的高值位涡下传到对流层，且上下层位涡高值区连通时，最有利于气旋的爆发性发展。蔡丽娜等^[2]在研究2007年黄渤海入海气旋发展时，通过气旋中心做位涡经向剖面研究表明，气旋中心上游高层高值位涡东移至气旋中心上空时，上下层位涡大值区呈相接形势，对应地面气旋强烈发展。

由气旋爆发性发展前6小时沿气旋中心东西向剖面分析(图 7a)，气旋中心500 hPa以下层等位涡线平直，位涡值在0.5 PVU单位以下。在气旋中心以西500 hPa以上层有密集高位涡等值线，且在113°E附近有东西向高值位涡区。26日12时(图 7b)，气旋中心750~850 hPa低层出现1.0 PVU单位的高值位涡区，位于气旋中心西部上层高位涡东移加强。至26日18时(图 7c)，气旋中心750~850 hPa低层的高值位涡区已加强到了1.5 PVU单位，上层高值位涡已下传至地面气旋中心上空，高层高值位涡与低层高值位涡区呈上下连通形势，对应地面气旋强烈发展。27日00时(图 7d)，上层高值位涡移至气旋中心东部，低层高值位涡区减弱至1.0 PVU单位，气旋强烈发展阶段宣告结束。

3 低层锋生作用及Q矢量分析

由于温带气旋的发展往往相伴着锋生，斜压作用是温带气旋发展的主要特征^[3-7]。2010年4月27日凌晨莱州湾地区的海难事件是由于入海气旋后部的西北大风造成的。通过锋生函数和低层Q矢量计算分析，以考察低层斜压作用对气旋发展的影响。

非均匀饱和湿大气中的标量锋生函数公式包括非绝热加热项、与垂直运动有关的倾斜项、水平辐合辐散项和形变项^[3]。考虑到非绝热项计算的精确度问题，仅对850 hPa和925 hPa锋生函数中的倾斜项、水平辐合辐散项和形变项三项进行了计算。计算结果显示倾斜项和形变项在该区域锋生(消)中所起的作用很小，基本可以忽略。水平辐合辐散项在该区域锋生(消)中所起的作用明显。由850 hPa水平辐合辐散锋生计算结果显示，26日12时，在山东半岛及莱州湾地区有明显的锋生出现，其中莱州湾附近地区锋生最大，其强度达到10×10^-10K·s^-1·m^-1，表明该地区有加强的斜压性(图 8a₁)；经历6小时后，该地区出现锋消，锋生地区向东移动，黄海北部出现强度为5×10^-10K·s^-1·m^-1锋生(图 8a₂)。925 hP水平辐合辐散锋生发生在莱州湾地区更为强烈，当26日12时气旋强烈发展时，莱州湾地区的锋生强度达到了20×10^-10K·s^-1·m^-1(图 8b₁)；6小时后，最大锋生同样发生在黄海北部，锋生强度为10×10^-10K·s^-1·m^-1(图 8b₂)。从以上计算结果分析表明，在气旋开始爆发性发展时，气旋后部有很强的锋生作用，气旋西部的斜压作用相当明显，这种斜压作用对于有效位能的释放、动能的制造是非常有利的，这与莱州湾27日凌晨观测到的大风事实相一致。从计算的850 hPa和925 hPa锋生函数结果来看，低层的925 hPa较850 hPa的锋生强度更强，表明在气旋爆发性期间，低层有更好的斜压强迫作用。

Q矢量与非地转风存在一定关系，Hoskins等^[12]指出，为了维持大气中的地转平衡和静力平衡，这个Q矢量必定沿着低层非地转风的方向，同时指向上升区，反之，为下沉运动。因而，低层Q矢量近似与非地转风成比例，由此可以通过考察Q矢量来估计非地转风的分布。从850 hPa计算的Q矢量分布可以看到，26日12时，莱州湾及以东的山东半岛有Q矢量辐合区，莱州湾以西为辐散区，气旋中心正处在零线附近(图 9)。结果表明，在气旋中心右侧的暖区有较强的辐合，其左侧冷区有较强的辐散。这一结果与上面850 hPa锋生函数计算结果所反映的斜压作用相一致。

4 变压风在大风过程中的加强作用

在高纬度，风与气压场基本上符合地转风、梯度风原理。预报员往往习惯于通过气压形势场预报近地面的风向和风力。但是实践表明，在很多情况下，同样的地面气压梯度，由于影响天气系统的不同所表现的风力大小不同，特别是冷锋后的西北大风，其锋后的阵风差异有时是非常大的，这种锋后大风差异往往是由于实际风与地转风的向量偏差引起的变压风造成的^[16]。上面已通过锋生函数和Q矢量的分析，表明了26日12时莱州湾地区低层有较强的锋生和偏西非地转风分量，为了进一步解释27日凌晨莱州湾地区的西北大风成因，利用NCEP资料每6小时地面气压场、通过差分求得的变压场，分析研究变压风对风力加强的作用。

由26日09时变压风场计算结果可以看出(图 10a)，在莱州湾以西地区有大值变压风区，其最大变压风速达到18 m·s^-1。实况分析表明，26日06—12时的6小时内，冷锋由河北南部移到了山东西部，其中济南站观测的地面气压由06时的1008 hPa加强到12时的1014 hPa, 6小时地面加压6 hPa。26日15时变压风场计算结果显示(图 10b)，大值变压风区东移，且最大变压风为15 m·s^-1，较前6小时变压风有所减弱。在12—18时时段，大值变压风区经过莱州湾地区，风向为西南，变压风力达到7级。实际观测26日16—18时的2小时内，莱州湾地区出现了9级偏西大风(图 2)。到26日21时(图 10c)，大值变压风区东移入海，莱州湾地区风力明显减弱，变压风速低于5 m·s^-1，表明强的变压梯度造成的变压风对莱州湾地区的影响已经结束。实际观测莱州湾地区风力已减弱为6~7级西北风，8级以上大风主要集中在黄海北部海域。

由第3节的锋生函数分析也同样表明(图 8b₁和8b₂)，在26日12时莱州湾地区有强烈的锋生，至18时，最大锋生位于黄海北部海域，而莱州湾锋生函数为零，这与变压风场分析结果完全一致。由以上分析结果可知，由于地面气旋的迅速加深，造成气旋后部的锋生加强，变压梯度加大，气压场的这种急剧变化，破坏了地转平衡，产生了非地转运动，使得气流由正变高中心流向负变高中心，因而造成了莱州湾地区的大风天气过程。特别是27日凌晨，偏西瞬时大风造成莱州湾多起船只遇险。

5 总结与讨论

采用NCEP资料、常规气象观测资料、1小时自动站观测资料、以及中央气象台分析产品，对2010年4月27日凌晨发生在我国山东莱州湾地区的大风天气过程进行了分析研究认为，由于地面气旋的爆发性发展所引起的气旋后部的锋生加强，使得变压梯度加大，变压风是造成莱州湾地区的大风过程的直接原因。同时得到以下诊断结果供讨论：

(1) 26日00时至27日00时，高空500 hPa温度槽始终落后高度槽，强烈的斜压作用使高空槽发展。在槽后强冷平流作用下，高空槽加深并东移南压，在莱州湾附近区域上空形成闭合低涡中心，高空低涡的发展导致高低空涡度平流差异使地面气旋生成与发展。

(2) 26日12时，地面气旋位于高空急流轴向极一侧，非地转分量引起的高层辐散和低层辐合有助于气旋的发展。

(3) 26日12—18时，气旋中心上部高层的高位涡向下平流到对流层中部，高层高值位涡与低层高值位涡区呈上下连通形势，激发了气旋性环流，造成地面气旋爆发性发展。

(4) 由于地面气旋的爆发性发展，造成气旋后部锋生加强，变压梯度加大，由此引发的变压风是造成莱州湾地区的偏西大风的直接原因。