[科普中国]-黄海气旋

黄海气旋是指在黄海流域生成的气旋。黄海暖流等沿黄河沿岸南下，形成气旋式的流动。夏季，特别是在北黄海，此气旋式的流动因黄海冷水团密度环流的出现而趋于封闭。

概念黄海气旋形成的过程是：上游先有倒槽产生，然后有冷锋入槽。与之相对应的高空形势特点是，在北纬35°～40°间有一近似东西向锋区，其上有低槽东移，不断发展加深，槽前后冷暖平流加强形成气旋。其路径大体沿黄河东移进入渤海湾或黄海北部，再向东北进入朝鲜和日本海，或偏北移动进入松辽平原。黄海气旋对华北和东北南部天气影响很大，夏季与南方“副高”输来的水汽交绥，常出现大雨或暴雨，有时产生强烈大风。

黄海气旋形成和发展的研究黄海气旋是黄海一年四季中均可出现的一种重要天气系统，常常造成海上大风和强降水，直接影响海上航行安全和捕捞作业。它还往往东移，给韩国和日本西部陆地上带来大风和强降水天气，有时还造成较严重灾害。

由于黄海上常规观测资料十分稀少，迄今对黄海气旋的研究仍然较少。因此，对黄海突然形成和发展的气旋，以及在江淮和江南地区形成后东移进入黄海的气旋，缺乏有力的监测和预报，常常给人民的生命财产造成较严重的损失。高时、空分辨率的静止卫星云图，可以弥补常规资料的不足，是黄海气旋形成和发展以及移动等监测和预报的有力工具。

研究以卫星资料为主，并结合常规天气图资料，试图揭示黄海气旋形成和发展的一些重要特征，概括出云型演变概略模型图，为其监测和预报提供依据。

黄海气旋活动的气候特征运用1956～1984年共29年的天气图资料，统计分析了613个黄海和东海北部气旋，其中绝大部分为黄海气旋，得到了它们的一些重要的气候特征。

它们的生成源地，主要集中在江淮和江南地区（441个），占总数的72%；其次为黄海南部和东海北部（133个），占总数的22%；另有极少数为台风北上在黄海变性而成（见图1）。在气旋的月平均发生数中，全年的月平均数为1.8个，其中2～6月较为集中，占全年总数的58%；12月平均仅为0.9个，最少。

气旋移动的最主要路径，是经黄海南部和东海最北部向东偏北方向移动，在韩国西南部沿海再分成两条主要路径，一条向东北方向移向日本海西南部，另一条为向偏东方向经过日本西南部，并且最终减弱消失在这两处（图2）。

气旋的移速，10～4月较快，平均移速为49km/h，其中2月最快（53km/h）；5～9月显著减慢，平均为42km/h，其中又以7月最慢（39km/h）。

气旋的强度与其发展阶段和季节密切相关。初生时强度较弱，中心平均气压为1010hPa，最低为989hPa；海面上发展时，中心平均气压为1008hPa，最低为985hPa。秋、冬季节它们的中心气压较高，平均为1012hPa；春、夏季节较低，平均为1004hPa，夏季最低，约为1000hPa。

气旋形成发展的天气图和云型模型图根据110天气图普查分析，以及相应的部分卫星云图的分析，概括出了陆地上初生移入黄海、东海北部发展和在海面上形成发展的三种主要云型：冷锋云系与倒槽云系结合型，静止锋云系中的波动型，以及低涡云系东移发展型。

（1）冷锋云系与倒槽云系结合型

该型是黄海气旋形成发展的主要型式，有近72%的个例属此类型。在天气图上，这种型式表现为西风带有较深的高空槽经西藏高原北部东移发展，带来一次西路冷空气活动。地面图上冷空气从我国新疆经河西走廊东南下，冷锋前部有一个发展完好的倒槽伸向河套附近，倒槽中有暖性低压，并逐渐向东南方向撤退（图3）。当倒槽移至江淮地区，冷锋进入倒槽，气旋形成并随后移入黄海发展。

卫星云图上，与高空槽伴随的盾状云系在高原东部发展，在随后的缓慢东移中，中低云增多，云层增厚，云区变宽，在它的东北边缘处出现卷云羽。在它的东南方，有南支槽云系或者季风云系自中南半岛或南海西北部，向东北方向伸展至江淮地区。当高空槽云系进一步东移，其西南段抵达江淮地区并与南来云系结合时，在结合部位出现逗点状云系发展，冷空气进入后逗点云系发展性气旋云系，即气旋初生，高空槽云系北缩减弱。随后气旋移入海上后，出现明显发展，呈现出较典型的温带气旋云型（图4）。

下面给出1988年5月6～7日一次黄海气旋发展的实例。5～6日，伴随一次偏西路径冷空气的锋面云系移至河北西部到山西东南部后，其西南段与其前方倒槽云系结合，激发出一个大逗点状云系（图5a）。随后冷锋云系中段、东北段快速偏东移减弱，西南段进入逗点状云系中，二者一起东移进入黄海北部发展成气旋（图5b）。此时来自华南、东海一带的北涌云系显著加强，气旋出现明显发展（图5c）。随后该气旋偏东移，进入日本海西南部后强度逐渐减弱（图5d）。

（2）静止锋云系中的波动型

该型是黄海气旋形成发展的第二种型式。它包括了26%左右的个例。它在天气图上表现为中、高纬度地区环流平直，锋区宽阔，高空槽在东移中向南加深不明显。南支锋区上，在孟加拉湾或者我国西南地区为槽区，槽前的西南气流或者西南季风伸展至江淮地区。随着北支锋区缓慢南移，二者在江淮地区形成一条静止锋或切变线。与此同时，高原北部有另一支高空槽发展东移，当它前方的暖平流和正涡度区移到静止锋或切变线上空时，诱发气旋生成。

卫星云图上，与第一支东移弱槽伴随的云系，呈反气旋式弯曲的片状或喷射状，并且主要由高云组成，云区北侧有卷云羽辐散。静止锋或切变线云带为准东西向，通常云区结构比较紧密，但在有的例子中云区中的云系结构松散，甚至趋于断裂成块状。当第二支经高原北部向东南方向移动的高空槽伴随的盾状云系与静止锋云系结合时，云系迅速变得密实白亮，云区东北侧还伴有大量卷云辐散。紧接着，云区中出现弧状云旋转结构，随后气旋形成。以后它向偏东移进入黄海，继续发展成较典型的气旋云系。

下面是1987年4月23～25日一次黄海气旋形成发展的6h间隔系列GMSIR云图。过程开始时，从长江中上游至江淮地区有一条较宽广的切变线云系，由于一次弱冷空气的并入，在四川东部一带的切变线云系西端有一个大涡旋状云团，并且在其东南一侧有一条来自低纬度地区的较宽云带（图6a）。在随后的6h中，二者部分合并，大云团的涡旋状结构更加明显，北部为半圆状弧状云带，南部为与之相反的小曲率弧状云区，二者呈相互旋转的态势，并且二者之间还有一条中、低云组成的云缝（图6b）。随着该涡旋状云系的东移，伴随第二次冷空气的的气旋状弯曲云带的逼近，它逐渐向气旋云型发展演变，24日18UTCC在长江口北部附近发展成气旋（图6e）。以后它东偏北方向移动，25日06UTC在韩国济洲岛西部附近发展成较典型的温带气旋（图6g）。

（3）低涡云系东移发展型

该型黄海气旋的个例很少。它是由西南涡沿长江流域东移发展，在江淮或长江下游一带演变成锋面气旋。它生成前的环流形势与上述第一型相似，属于第一型，只是中纬度锋区上东移的高空槽向南发展不深，川东至江淮地区有一条切变线。切变线尾端与西南涡连接，槽后冷空气侵入涡中使之变性并东移发展，涡后切变线变成冷性切变线且逆转成斜槽；涡前暖平流使涡前切变线变成暖性，出现较强锋生，暖锋逐渐形成。在江淮地区冷、暖锋相连接，气旋形成并移入黄海南部发展。

卫星云图上，中纬度地区西风槽盾状云系在高原北部东移并缓惭向南发展。当其尾部南伸与西南涡云系靠近或连接时，西南涡云团在川东至江淮地区的切变线云系中向东移动，并在低涡云团后部伸展出准西南———东北向窄斜槽云系；与此同时，在西南涡前部的切变线云带变宽且色调白亮，并呈向北弯曲的弧状。随着西南涡云团的东移减弱和其前部后部云系的相互连接，气旋云系初步形成，随后移入黄海南部后较快发展成较完整的气旋云型。

黄海气旋产生的天气现象黄海气旋伴随的天气现象比较剧烈，常常带来狂风暴雨。根据黄海气旋初生后在江淮地区东部造成的天气现象，以及由部分黄海气旋的船舶观测资料统计分析，40%以上气旋的日降水量达10～49mm，56%以上的个例达50mm以上。一般情况下，一个气旋所经之地可造成50～150mm的总降雨；有的气旋在有利条件下，可造成200～300mm的特大暴雨。日降雨量中心多在离中心不远处，其次为气旋前进方向右侧。气旋的大风也十分显著，出现6级以上大风的占90%左右，其中7～8级的占67%，9级以上大风的占4%。大风的风向，秋末至春初以偏北大风为主，春季至初秋以偏南大风为主。

研究结论黄海气旋是全年均可出现，并且常常造成较大海区强降水和大风的一种重要天气系统。大风和强降水往往伴随在它形成和发展中出现，因此其形成和发展的预报尤为重要。

黄海气旋的绝大多数，是在江淮或黄淮地区初生后移入黄海发展而成的。它的形成和发展，与高空急流和西风槽密切相关。极锋急流或其分支与副热带急流或南支急注在江淮地区东部或黄海南部一带汇合或靠近，形成一条强西风带，在其最大风速中心上风方入口区，斜压性很强，为气旋形成和发展提供了十分有利的条件。另外，气旋的形成和发展，均与一支自高原东部东移的槽密切相关，或者南北支锋区上的西风槽结合东移。卫星云图上，气旋的形成和发展与西风槽伴随的盾状云系东移发展，同向北伸展的南支槽云系或季风云系北部结合紧密联系。

黄海气旋在陆地或海上的初生，以及进入黄海后的发展等演变过程，运用卫星云图可以进行很好的监测和预报，大大弥补了海面上常规观测资料的不足。为了更好地做好海上安全服务，下一步可开展运用卫星云图研究估计气旋强度和大风区分布的方法。1

黄海气旋数值模拟的可视化现代大气数值模式可相当逼真地再现大至全球大气环流，小至对流风暴的各种不同尺度的大气运动系统。由于数值模式输出的模拟大气具有很高的时、空分辨率，因此在研究大气运动系统的演变和内部结构方面是其它方法所不能替代的。但是，数值模式输出的资料量非常巨大，往往高达数百兆，甚至上千兆字节，如何分析如此巨大的数据量，成为能否充分发挥数值模式优势的关键。90年代以来迅速发展的计算机可视化技术，如Vis-5D可快捷地将多变量三维数据集的空间分布由多个水平、垂直剖面及立体图像生动地展示出来，为分析数值模拟结果提供了有力的工具。北京大学暴雨监测和预测国家重点实验室经过多年努力开发了一个可在微机上运行的可视化系统Live-View。它可以展示标量和矢量三维数据的空间分布，展示的方式，不仅可用多个不同位置的水平和垂直剖面上的等值线分布或色彩分布，也可用三维等值面的空间形状和给空间网络点上变量的不同数值赋予不同的颜色和透明度的三维数据体。另外，Live-View还有自动产生空气质点三维运动的空间轨迹等多种功能，非常适用于分析大气中的三维运动。研究应用可视化系统Live-View，展示出一个在黄海强烈发展的气旋三维结构。

研究概况1993年6月初黄海发生了一次强烈的气旋过程。6月1日00:00位于长江下游的一个低压向东北偏东方向移动，于12:00移入黄海，中心气压从998hPa降低到12:00UTC的991hPa。6月2日00:00UTC中心气压进一步下降到983hPa。到12:00已越过朝鲜半岛中部到达朝鲜东海岸，中心气压下降到980hPa。36h中，气旋的最低气压下降了18hPa。这是在初夏我国东部沿海少见的强烈发展气旋。在6月2日00:00UTC的红外云图上，这个气旋具有非常典型的成熟锢囚气旋的逗点状云系特征（见图7）。虽然这个气旋最强时的中心位于海上，但由于黄海3面有陆地围绕（朝鲜半岛、辽东半岛、山东半岛），有相当密集的地面和高空观测记录，为数值模拟提供了比较好的资料条件。

我们利用美国大气研究中心（NVAR）的中尺度数值模式MM5对这个气旋进行了数值模拟。从6月1日00:00UTC开始积分36h。网格距为54km，网格数为81×97。垂直方向为27层。采用了Kain-Fritsch对流参数化方案。每小时输出一次模拟结果，其中包括显式降水过程中的云水、雨水和冰水的三维数据。

数值模拟结果6月1日12:00UTC到2日00:00UTC气旋中心气压从988hPa下降到974hPa，在这12h中气旋加深的速率超过了1hPa/h，其发展速度达到暴发性气旋的水平。气旋中冰水含量为0.1g/kg的等值面三维图像和卫星观测到的气旋逗点状云系非常相似，说明数值模拟是相当成功的。特别值得指出的是，Live View所产生的气旋云系的冷云顶表面三维图像清楚地展示出气旋逗点云系的三个组成部分：斜压叶云区、锋面云带、勾状云区。由斜压过程产生的叶状云区位于气旋东北部的暖锋上方，其云顶最高；勾状云区位于气旋中心的西北侧并向西南伸展，三维图像清楚地展示出其云顶高度明显的低于斜压叶；冷锋云带一直延伸到华南沿海，云带的冷空气一侧很陡峭，云带上有一个个突起的与中尺度对流相联系的冷云顶。图中还给出了5km高度水平剖面上的流场，以展示强烈发展的气旋和高空扰动的联系。

锋面立体图像80年代外热带气旋的研究发现，海洋上气旋强烈发展过程中存在所谓“T-bone”特征的锋面结构，如图8所示，气旋的强烈发展使暖锋向气旋中心的后方（即向西）弯曲，暖空气和冷空气都向气旋中心卷入，在气旋的中心部分形成暖核和狭窄的干冷缝。这一发现将挪威学派气旋模式中的锢囚锋结构修改为一条向后弯曲的暖锋，即气旋中心部位并不存在因冷锋赶上暖锋成为水平温度梯度很小的锢囚锋，而是一条因后弯而变得非常狭窄的具有很大温度梯度的暖锋。

为了给出气旋中锋面的立体图像，我们用Live-View制作了相当位温为325K的等值面三维图像。冷、暖锋的坡度有明显的不同，冷锋的坡度非常陡。特别是冷、暖锋在气旋的中心部位并未重合，一条狭窄的干冷区向后一直卷入到气旋的中心，形成一条干缝。

流场三维结构为了给出气旋流场三维结构，我们在图像中同时给出数值模拟的1.5km高度的风矢量场、12km高度的流场、风速为50m/s的等值面、两个南北方向垂直剖面上的等风速线分布及整个三维空间的风速数据体。图9中低空风矢量场展示了中气旋的涡旋状风场和锋面附近的风场切变。三维风速等值面形象地展示出与地面气旋相联系的高空急流的管状结构，两个急流管分别位于高空波动的槽前和槽后。用不同色彩表示的风速值在三维空间的分布，展示出急流管内部的风速值非常大（鲜红色）。在急流管外，颜色由黄色逐渐转变为兰色，表示风速值由大到小的变化。两个垂直剖面上的等风速线分布，进一步对风速值的三维分布作出定量的表示。

图10进一步给出了与三维流场相配合的正涡度分析，同时给出1.5km和9.0km高度的风场剖面。图中黄色为17×10-5s-1的相对涡度等值面立体图像，展示了高空槽区和低空闭合涡旋区分别为两个大的近于圆形的正涡度区，从这两个正涡度区中向东北和西南延伸的两条带状正涡度区，分别与高空急流左侧的强风速切变和低空锋面附近风向的气旋式切变相联系。特别有意义的是，图中显示出气旋中的强正涡度区明显的分为高、低空两部分，而对流层中层是一个涡度的相对小值区。根据天气动力学的质量补偿原理，对流层中部应存在一个无辐散层。由涡度方程可知，涡度的产生率和散度有关，由于对流层中部的散度最小，所以涡度场也最弱。Live-View所展示的气旋三维流场所对应的涡度分布很好地揭示出锋面气旋中涡度空间分布的这个基本特征。

研究结论通过对一次黄海气旋数值模拟结果的可视化研究，成功地揭示出气旋逗点状云系和“T-bone”状锋面的结构、三维流场中的管状高空急流及高低涡度的分层结构。上述结果表明，三维可视化技术可将数值模拟输出的大型数据集用内容丰富的图像生动地展示出来，它不但是分析数值模拟结果的有力工具，而且对加深天气系统空间结构的科学认识也有很大的帮助。2

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学