2019, Vol. 39
本文对2018年冬季(2018年12月—2019年2月，下同)北半球的大气环流特征进行了总结概述，主要分析了冬季各月我国近海天气特征，并对我国近海海域发生的几种海洋灾害性天气过程进行了总结和分析。冬季影响我国近海海域的主要灾害性天气是大风和海雾，此外还分析了热带气旋、浪高和海面温度等气象、海洋要素在冬季的变化。除西北太平洋和南海热带气旋外，还统计总结了其他各大洋的热带气旋活动情况。文中所使用的数据主要有：常规气象观测资料(站点观测资料、海岛站、船舶站等)、NCEP FNL再分析资料、法国AVISO卫星高度计浪高资料、美国NOAA最优插值海面温度资料(OISST v2)和美国JTWC全球热带气旋最佳路径资料等。文中涉及的大风、海雾和大浪等几种灾害天气过程的统计标准同文献[1-3]。
1 环流特征与演变 1.1 环流特征2018年冬季500 hPa平均位势高度场及距平场(图 1)显示，北半球极涡为单极型分布，极涡中心位于北冰洋上空偏向东半球(80°N，120°E)，位势高度约为504 dagpm，比常年同期偏低6 dagpm。此外，勘察加半岛上空的冷涡中心(55°N，160°E)位势高度为512 dagpm，较常年同期偏低4 dagpm。西北太平洋副热带高压较常年偏西偏强，西伸脊点位于90°E附近。东亚大槽的强度由强转弱，随着环流经向度的减小，我国近海海区冷空气活动频次及强度自2018年12月至2019年2月逐渐降低。
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图 1 2018年12月—2019年2月北半球500 hPa平均位势高度场(a)和距平场(b)(单位：dagpm) Fig.1 Mean geopotential height (a) and anomaly (b) at 500 hPa in the Northern Hemisphere from December 2018 to February 2019 (units: dagpm) |
12月，欧亚大陆及西北太平洋海域中高纬度环流(图 2a)呈现“西高东低”，为典型的两槽一脊环流形势，高压脊位于乌拉尔山附近且伴有明显的正距平(约12 dagpm)，有利于冷空气堆积。东亚大槽自鄂霍次克海西部一直向西南延伸至华中地区，强度较常年明显偏强，我国北方大部地区为负距平控制，有利于低槽发展加深，引导冷空气南下，导致12月影响我国的冷空气势力整体偏强。低纬度地区南支槽平均位置在90°E附近，接近常年同期，槽区伴有负距平，表明南支槽偏强；西北太平洋副热带高压西伸脊点位于90°E孟加拉湾附近，较常年同期异常偏西。海平面气压距平场(图 2b)显示，大陆高压较常年同期偏强，冷高压中心位于贝加尔湖以西，中心气压值为1 055 hPa左右，我国南部海域气压值较常年平均偏低，12月冷空气势力较强，我国近海都处于冷空气影响范围，大风区由北至南涵盖了渤海、黄海、东海、台湾海峡、台湾以东洋面、南海及巴士海峡。
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图 2 2018年12月北半球500 hPa平均位势高度场(等值线)及其距平场(填色)(a；单位：dagpm)和海平面气压场(等值线)及其距平场(填色)(b；单位：hPa) Fig.2 Monthly mean geopotential height (isoline) and anomaly (colored) (a; units: dagpm) at 500 hPa and monthly mean sea level pressure (isoline) and anomaly (colored) (b; units: hPa) in the Northern Hemisphere in December 2018 |
2019年1月，与2018年12月相比，北半球极涡调整为偶极型分布，中高纬西风带呈三波型(图略)，中西伯利亚北部的极涡中心位势高度为504 dagpm，比常年同期偏低6 dagpm(图 3a)。欧亚地区位势高度呈“西高东低”型分布，中高纬地区依然维持两槽一脊的环流形势，但环流经向度减小，不利于极地冷空气南下影响我国，贝加尔湖附近为弱高压脊控制，中高纬以纬向环流为主，东亚大槽偏弱，我国大部分地区处于正位势高度距平区，对应冷空气过程偏少、势力弱。低纬度地区(图 3b)南支槽位于90°E附近，其强度较常年同期略偏弱，与此同时，西太平洋副热带高压较常年同期强度仍偏强，西伸脊点位于90°E附近，较常年同期150°E明显偏西。我国近海海区气压梯度较12月减小，由距平场(图 3b)可以看出，我国大部地区和近海海域都处于弱的正距平区，冷空气势力较弱。
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图 3 2019年1月北半球500 hPa平均位势高度场(等值线)及其距平场(填色)(a；单位：dagpm)和海平面气压场(等值线)及其距平场(填色)(b；单位：hPa) Fig.3 The same as Fig. 2, but for January 2019 |
2019年2月，北半球极涡呈单极型分布，位置偏北，中心强度低于496 dagpm，极涡强度较常年明显偏强，中高纬西风带呈四波型，乌拉尔山以东的高压脊较常年偏弱，中高纬地区以纬向环流为主，低压槽位于日本以东(图 4a)。我国除西北地区处于位势高度负距平区外，大部地区都位于位势高度正距平区，对应2月冷空气活动总体偏弱。低纬地区西太平洋副热带高压呈带状分布，强度强于常年同期。由海平面气压场及距平场(图 4b)可以看出，贝加尔湖以西的高压中心强度和范围均有所减弱，我国近海海区尤其是南部海区的气压梯度也明显减小，暖湿气流加强北上，我国近海有温带气旋入海并发展。此月，受冷空气影响的大风过程仅有2次，受入海气旋与冷空气共同影响的大风过程有1次，受入海气旋影响的大风过程有1次。
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图 4 2019年2月北半球500 hPa平均位势高度场(等值线)及其距平场(填色)(a；单位：dagpm)和海平面气压场(等值线)及其距平场(填色)(b；单位：hPa) Fig.4 The same as Fig. 2, but for February 2019 |
2018年冬季，我国近海出现了17次8级以上大风过程，其中冷空气大风过程13次，冷空气和温带气旋共同影响的大风过程2次，冷空气与热带气旋共同影响的大风过程1次，温带气旋大风过程1次(表 1)。冷空气大风过程一般持续2~3 d，但12月26日开始的大风过程，由于有冷空气不断补充南下，加之南海有热带气旋活动，大风过程持续了约5 d。温带气旋过程大风持续时间较短，一般不超过1 d。
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表 1 中国近海2018年冬季(2018年12月—2019年2月)主要大风过程 Table 1 Main gale events over offshore areas of China in winter 2018 (from December 2018 to February 2019) |
从大风过程的时间分布来看，伴随冷空气活动的大风过程主要发生在2018年12月—2019年1月中旬，尤其2018年12月下旬—2019年1月初冷空气强盛且活动频繁，1月下旬开始，冷空气势力减弱且活动频次明显降低，与2017年冬季[2]相比，2018年冬季初期冷空气活动频繁，到后期明显减弱，对应近海8级(及以上)大风日数，2018年12月有23 d，2019年1—2月明显减少(图 5)，两个月内仅有19 d。
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图 5 2017年与2018年我国近海冬季逐月大风日数对比 Fig.5 Comparison of the number of gale days over offshore areas of China between winter 2017 and winter 2018 |
由大风影响海域来看，冬季大风一般从北到南影响我国近海海域。由于冷空气移速较快，北部海域大风持续时间较短，一般不到1 d。
2.1.2 12月26—30日冷空气大风过程2018年12月26—30日，强冷空气活动持续时间长、影响范围大，我国有60.9%的区域受影响，影响范围为冬季最大，此次冷空气过程低温极端性强，日最低气温0 ℃线南压至华南北部及云南北部一带，为2018年冬季最偏南位置。伴随此次冷空气活动，我国近海海区出现一次明显的大风过程，东海南部海域、台湾海峡、台湾以东洋面、巴士海峡、南海北部和中部海域先后出现了8~10级、阵风11~12级的东北风(图 6)。
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图 6 2018年12月大风过程示意图(10 m风场，单位：m·s-1；a.27日20时，b.28日14时，c.29日08时，d.30日02时) Fig.6 Process diagram of gales (wind field at 10 m, units: m·s-1; a. 20:00 BST on 27, b. 14:00 BST on 28, c. 08:00 BST on 29, d. 02:00 BST on 30 December 2018) |
12月26日08时开始，500 hPa高度场(图略)显示，乌拉尔山以东的高压脊与鄂霍次克海南部切断低压之间等高线密集，蒙古及我国北部地区(40°N以北)环流经向度大。27日20时(图 7)，中纬度横槽区自鄂霍次克海南部至我国华北地区，槽前对应200 hPa呈“西—东”走向的高空急流轴，急流中心风速超过100 m·s-1，极强的大陆冷高压盘踞在贝加尔湖附近，我国东部及南部近海海区位于地面高压东南部，850 hPa冷中心值达-34 ℃, 冷空气前锋抵达南海中部。之后，冷空气进一步南下，至29日08时(图 8)，我国东部及南部近海海区低层850 hPa偏北到东北风进一步增强，加之吕宋岛南部有热带低值系统西移，台湾海峡、南海北部及中部海域、巴士海峡海平面等压线异常密集，等压线梯度为每纬距2.5 hPa，对应海区内2 min平均风力达9~10级(图 6c、d)。
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图 7 2018年12月27日20时200 hPa风速场(>40 m·s-1填色，单位：m·s-1)、500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)与850 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)(a)和850 hPa温度场(< 0 ℃填色，单位：℃)与海平面气压场(等值线，单位：hPa)(b) Fig.7 Wind speed (colored for greater than 40 m·s-1, units: m·s-1) at 200 hPa, geopotential height (isoline, units: dagpm) at 500 hPa, and wind field (wind barb, units: m·s-1) at 850 hPa (a) & temperature (colored for less than 0 ℃, units: ℃) at 850 hPa and sea level pressure (isoline, units: hPa) (b) at 20:00 BST on 27 December 2018 |
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图 8 2018年12月29日08时200 hPa风速场(>40 m·s-1填色，单位：m·s-1)、500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)与850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)(a)和850 hPa温度场(< 0 ℃填色，单位：℃)与海平面气压场(等值线，单位：hPa)(b) Fig.8 The same as Fig. 7, but for 08:00 BST on 29 December 2018 |
29日20时中纬度高压脊发展为阻断高压，之前盘踞于贝加尔湖西北侧、鄂霍次克海南部的冷涡缓慢减弱东移，于30日20时(图 9)中纬度槽南压至东北—华南一带，200 hPa急流区维持，急流轴略有东移，我国南部近海海区低层850 hPa转为东北到偏东风，对应巴士海峡、南海北部及中部海域转为偏东风。由于中纬度切断低压与阻断高压活动，致使槽区东移缓慢，冷空气中心强度弱，近海海区受地面冷高压前部长时间控制，大风过程得以持续近5 d。尔后，随着南海南部海域热带系统发展为2019年1号台风“帕布”，后续转为冷空气与热带气旋共同影响的大风天气(2018年12月31日—2019年1月2日)。
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图 9 2018年12月30日20时200 hPa风速场(>40 m·s-1填色，单位：m·s-1)、500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)与850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)(a)和850 hPa温度场(< 0 ℃填色，单位：℃)与海平面气压场(等值线，单位：hPa)(b) Fig.9 The same as Fig. 7, but for 20:00 BST on 30 December 2018 |
冷空气大风的相关研究[4-5]表明，中低层强冷平流可诱发地面大风。925 hPa温度平流的分布(图 10)显示，我国东部及南部近海海区受冷平流影响，冷平流向西南方向移动影响东海南部、台湾海峡、台湾以东洋面及南海北部海域，最强强度达-3×10-4 K·s－1，冷平流使得地面气压上升、正变压加大，进而风速加大。冷平流在垂直方向从地面伸展到700 hPa，最强出现在地面至900 hPa之间，伴随高层到低层由北向南倾斜的下沉气流(图 10c、d)，致使高空动量下传，地面风速加大，出现持续的8级以上大风。
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图 10 2018年12月27日20时925 hPa温度平流与风场(a；填色：温度平流，单位：10-4 K·s-1)及27日20时沿图 10a上A—B剖面的温度平流与垂直速度(b；填色：温度平流，单位：10-4 K·s-1；等值线：垂直速度，单位：Pa·s-1)和30日02时925 hPa温度平流与风场(c；填色：温度平流，单位：10-4 K·s-1)及30日02时沿图 10c上A—B剖面的温度平流与垂直速度(d；填色：温度平流，单位：10-4 K·s-1；等值线：垂直速度，单位：Pa·s-1) Fig.10 Temperature advection and wind field (a/c; colored for temperature advection, units: 10-4 K·s-1) at 925 hPa on 20:00/02:00 BST on 27/30 December 2018 & temperature advection and vertical velocity (b/d; colored for temperature advection, units: 10-4 K·s-1; isoline for vertical velocity, units: Pa·s-1) along cross section of A-B in Fig. 10a/10c at 20:00/02:00 BST on 27/30 December 2018 |
2018年冬季，我国近海出现了10次比较明显的海雾过程，其中，2018年12月、2019年的1月和2月分别出现了1次、4次和5次(表 2)，北部近海海区的海雾主要出现在渤海海峡、山东半岛沿岸海域、黄海北部及中部海域，南部海区的海雾集中出现在北部湾、琼州海峡及雷州半岛沿岸海域，出现时段多为夜间至次日早晨。与2017年冬季[2]相比，海雾过程明显偏多。
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表 2 中国近海2018年冬季(2018年12月—2019年2月)主要海雾过程 Table 2 Main sea fog events over offshore areas of China in winter 2018 (from December 2018 to February 2019) |
2019年1月10日08时—11日08时，北部湾北部海域、琼州海峡、雷州半岛东部近海出现能见度不足1 km的海雾过程。9日夜间，随着我国华南西部、越南北部降水过程的结束，9日夜间北部湾北部海域出现能见度低于10 km的轻雾，10日早晨08时开始，北部湾北部海域监测到能见度低于1 km的大雾，最低能见度0.1 km，至11日凌晨，琼州海峡及雷州半岛近岸海域监测到能见度低于0.5 km的浓雾，11日上午能见度转好。
在低层存在等温或逆温层，空气层结温度、湿度条件良好，温度露点差较小的条件下，海雾易发生发展[6]。前人研究[7]表明，低层偏东风输送暖湿气流配合适宜的海气温差，有利于海雾的形成。1 000 hPa温度平流场(图 11)揭示，10日08时至11日08时，北部湾、琼州海峡及雷州半岛近岸海域受弱暖平流控制，利于海雾的生成和维持，11日20时，偏北风及伴随的冷平流控制北部湾北部，海雾消散。
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图 11 2019年1月1 000 hPa温度平流和风场(a.10日08时，b.10日20时，c.11日08时，d.11日20时；填色及等值线：温度平流，单位：10-4 K·s-1) Fig.11 Temperature advection and wind field at 1 000 hPa (a. 08:00 BST on 10, b. 20:00 BST on 10, c. 08:00 BST on 11, d. 20:00 BST on 11 January 2019; colored and isoline for temperature advection, units: 10-4 K·s-1) |
海雾的生成与海上能够提供暖湿空气的气压场有直接关系，海平面气压场及10 m风场(图 12)显示，海雾发生区域气压梯度小，受高压南部的偏东暖湿气流影响，对应稳定的偏东风，风速较小，海表大气相对湿度大于90%，降雨过后的高湿区维持，随着底层风逐渐转为偏北到偏东风，且增大的风速不利于雾的维持，11日白天此次大雾过程趋于结束。
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图 12 2019年1月2 m相对湿度(填色，单位：%)、海平面气压场(单位：hPa)与10 m风场(a.10日08时，b.10日20时，c.11日08时，d.11日20时) Fig.12 Relative humidity (colored, units:%) at 2 m, sea surface pressure (units: hPa), and wind field at 10 m (a. 08:00 BST on 10, b. 20:00 BST on 10, c. 08:00 BST on 11, d. 20:00 BST on 11 January 2019) |
2018年冬季，西北太平洋和南海共有1个热带低压和2个台风活动(表 3，图 13)，台风活动数与多年平均值(1949—2016年，平均1.9个)持平。其中，1901号台风“帕布”1月1日14时于南海南部海面生成，尔后西移进入泰国湾，达最大强度28 m·s-1，1月4日15时20分前后登陆泰国马来半岛的洛坤附近沿海，登陆时底层近中心风速为23 m·s-1，中心最低气压为998 hPa。
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图 13 2018年冬季西北太平洋和南海热带气旋路径图 Fig.13 Tracks of tropical cyclones in western North Pacific and the South China Sea in winter 2018 |
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表 3 2018年冬季(2018年12月—2019年2月)西北太平洋和南海热带气旋统计表 Table 3 Tropical cyclone activities in western North Pacific and the South China Sea in winter 2018 (from December 2018 to February 2019) |
2018年冬季，除西北太平洋和南海台风之外的其他各洋盆共有14个命名热带气旋生成，分别为：北印度洋2个、澳大利亚附近海域3个、南太平洋4个、西南印度洋5个，大西洋、东太平洋及中北太平洋无命名热带气旋生成(表 4)。与常年同期(1981—2010年)相比，北印度洋比平均个数(0.7个)偏多1.3个，大西洋、东太平洋及中北太平洋与平均个数(0.2个)持平；南半球为气旋活跃季，但较气候平均个数(20.7个)偏少8.7个(根据各区域专业中心最佳路径及当年报文统计)。
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表 4 2018年冬季(2018年12月—2019年2月)全球其他海域热带气旋统计表 Table 4 Global tropical cyclone activities in winter 2018 (from December 2018 to February 2019) with the exception of western North Pacific and the South China Sea |
2018年冬季，我国近海受冷空气影响频繁，加之南海热带气旋活动，近海海区浪高较大。法国卫星高度计AVISO反演的浪高场分析表明，2018年冬季我国近海一共有14次明显的2 m以上的大浪过程(表 5)。其中，2018年12月大于2 m浪高的日数为26 d，2019年1月大于2 m浪高的日数为25 d，2月大于2 m浪高的日数为13 d。12月28日至1月6日南海出现一次5 m以上的大浪过程，是由2018年18号低压及2019年第1号台风“帕布”接连影响所致。
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表 5 中国近海2018年冬季(2018年12月—2019年2月)主要大浪(2 m以上)过程 Table 5 Main wave events (above 2 m) in offshore areas of China in winter 2018 (from December 2018 to February 2019) |
由月平均浪高场(图 14)可看出，2018年12月—2019年1月，我国东部和南部大部海域平均浪高在2 m以上，2019年2月近海浪高呈减小趋势(图 14c)。2018年12月，2 m以上的大浪出现在东海南部海域、台湾海峡、台湾以东洋面、巴士海峡、南海北部、中部和西南部海域，其中南海东北部和中东部海域浪高最大，达2.8 m。2019年1月，近海海域大浪范围略有缩小，海区平均浪高较12月减小0.2~0.6 m，台湾海峡、台湾以东洋面、巴士海峡、南海大部海域浪高为2.0~2.2 m。2月，由于冷空气强度减弱及近海气旋活动频次降低，我国南部海域浪高减小，浪高较高的海区为东海南部海域、台湾海峡及台湾以东洋面，为1.6~2.0 m。
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图 14 2018年冬季逐月平均浪高(a. 2018年12月，b. 2019年1月，c. 2019年2月；单位：m) Fig.14 Monthly mean wave height in winter 2018 (a. December 2018, b. January 2019, c. February 2019; units: m) |
由月平均海面温度(简称海温)分布(图 15)可以看出，我国近海海域海温呈现逐渐降低的趋势，尤其北部海域降温显著，在冬季近海海域由北到南的海温之差为21~28 ℃，南北温度差距十分明显。渤海2018年12月的海温为6~10 ℃，2019年1—2月降至4 ℃以下；渤海海峡、黄海海温平均每月降低2~3 ℃，黄海的海温2018年12月为8~16 ℃，2019年1—2月为2~12 ℃。海温锋区位于黄海南部、东海西部、台湾海峡、南海北部沿岸海域(图 15a)，其北端逐渐向南推进至东海北部，因此2019年1—2月东海海温梯度明显增大。南海海温降温幅度不明显，为0.5~1.5 ℃，2018年12月—2019年1月南海中东部及南部海域的海温仍高达28~29 ℃(图 15a、b)，这为热带气旋活动提供了有利的海温条件。
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图 15 2018年冬季逐月平均海温(a. 2018年12月，b. 2019年1月，c. 2019年2月；单位：℃) Fig.15 Monthly mean sea surface temperature in winter 2018 (a. December 2018, b. January 2019, c. February 2019; units:℃) |
2018年冬季，北半球极涡呈单极型分布，西北太平洋副热带高压偏西偏强。12月，西伯利亚高压偏强，亚洲中东部中高纬环流经向度较大，利于冷空气南下，其间伴随12月27—30日持续时间长、影响范围大、低温极端性强的冷空气过程，近海海区有一次持续时间长达6 d的大风过程；2019年1—2月，随着中高纬环流经向度减小，东亚大槽偏弱，冷空气势力减弱，大风日数明显减少，伴随东部及南部海区海雾过程频次增加。具体天气总结如下：
1) 冬季，我国近海共出现17次明显的大风过程。大风过程主要是由冷空气活动引起(占76%)，此外，冷空气和温带气旋共同影响的大风过程有2次，冷空气与热带气旋共同影响的大风过程1次, 温带气旋大风过程1次。
2) 我国近海出现10次大范围的海雾过程。其中2018年12月1次、2019年1月4次、2019年2月5次。海雾主要出现在北部湾、琼州海峡和雷州半岛沿岸海域，出雾时段多集中于夜间至早晨。
3) 西北太平洋和南海共生成2个台风和1个热带低压。生成台风数与多年平均值持平。其他各大洋共有14个命名热带气旋活动，分别为北印度洋2个、澳大利亚附近海域3个、南太平洋4个、西南印度洋5个，大西洋、东太平洋及中北太平洋无命名热带气旋生成。
4) 我国近海浪高在2 m以上的海浪过程有14次。其中，12月日数为26 d，1月为25 d，2月为13 d。大浪过程和冷空气导致的大风过程关系最为密切。
5) 2018年12月—2019年2月，我国近海海区的海温逐月降低，北部海域的降温幅度大于南部海域，海温从北到南的温度差为21~28 ℃，10°N以南的南海南部海温变化不大，高于26 ℃的海域为热带气旋活动提供了海温条件。
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