概念
黃海氣旋形成的過程是：上游先有倒槽產生，然後有冷鋒入槽。與之相對應的高空形勢特點是，在北緯35°～40°間有一近似東西向鋒區，其上有低槽東移，不斷發展加深，槽前後冷暖平流加強形成氣旋。其路徑大體沿黃河東移進入渤海灣或黃海北部，再向東北進入朝鮮和日本海，或偏北移動進入松遼平原。黃海氣旋對華北和東北南部天氣影響很大，夏季與南方“副高”輸來的水汽交綏，常出現大雨或暴雨，有時產生強烈大風。
黃海氣旋形成和發展的研究
黃海氣旋是黃海一年四季中均可出現的一種重要天氣系統，常常造成海上大風和強降水，直接影響海上航行安全和捕撈作業。它還往往東移，給韓國和日本西部陸地上帶來大風和強降水天氣，有時還造成較嚴重災害。
由於黃海上常規觀測資料十分稀少，迄今對黃海氣旋的研究仍然較少。因此，對黃海突然形成和發展的氣旋，以及在江淮和江南地區形成後東移進入黃海的氣旋，缺乏有力的監測和預報，常常給人民的生命財產造成較嚴重的損失。高時、空解析度的靜止衛星雲圖，可以彌補常規資料的不足，是黃海氣旋形成和發展以及移動等監測和預報的有力工具。
研究以衛星資料為主，並結合常規天氣圖資料，試圖揭示黃海氣旋形成和發展的一些重要特徵，概括出雲型演變概略模型圖，為其監測和預報提供依據。
黃海氣旋活動的氣候特徵
圖1 黃海、東海北部氣旋生成源地頻數圖運用1956～1984年共29年的天氣圖資料，統計分析 了613個黃海和東海北部氣旋，其中絕大部分為黃海氣旋，得到了它們的一些重要的氣候特徵。
它們的生成源地，主要集中在江淮和江南地區（441個），占總數的72%；其次為黃海南部和東海北部（133個），占總數的22%；另有極少數為颱風北上在黃海變性而成（見圖1）。在氣旋的月平均發生數中，全年的月平均數為1.8個，其中2～6月較為集中，占全年總數的58%；12月平均僅為0.9個，最少。
氣旋移動的最主要路徑，是經黃海南部和東海最北部向東偏北方向移動，在韓國西南部沿海再分成兩條主要路徑，一條向東北方向移向日本海西南部，另一條為向偏東方向經過日本西南部，並且最終減弱消失在這兩處（圖2）。
圖2 黃海、東海北部氣旋移協路徑頻數圖氣旋的移速，10～4月較快，平均移速為49km/h，其中2月最快 （53km/h）；5～9月顯著減慢，平均為42km/h，其中又以7月最慢（39km/h）。
氣旋的強度與其發展階段和季節密切相關。初生時強度較弱，中心平均氣壓為1010hPa，最低為989hPa；海面上發展時，中心平均氣壓為1008hPa，最低為985hPa。秋、冬季節它們的中心氣壓較高，平均為1012hPa；春、夏季節較低，平均為1004hPa，夏季最低，約為1000hPa。
氣旋形成發展的天氣圖和雲型模型圖
圖3 冷鋒雲系與倒槽雲繫結合型氣旋生成前24小時700hPa形勢圖根據110天氣圖普查分析，以及相應的部分衛星雲圖的分析，概 括出了陸地上初生移入黃海、東海北部發展和在海面上形成發展的三種主要雲型：冷鋒雲系與倒槽雲繫結合型，靜止鋒雲系中的波動型，以及低渦雲系東移發展型。
（1）冷鋒雲系與倒槽雲繫結合型
圖4 冷鋒雲系與倒槽雲繫結合型氣旋形成發展雲型演變圖該型是黃海氣旋形成發展的主要型式，有近72%的個例屬此類型。在天氣圖上，這種型式表現為西風帶有較深的高空槽經西藏高原北部東移發展，帶來一次西路冷空氣活動。地面圖上冷空氣從我國新疆經河西走廊東南下，冷鋒前部有一個發展完好的倒槽伸向河套附近，倒槽中有暖性低壓，並 逐漸向東南方向撤退（圖3）。當倒槽移至江淮地區，冷鋒進入倒槽，氣旋形成並隨後移入黃海發展。
圖51988年5月6日12UTC～7日06UTC期間每6h間隔GMSIR雲圖衛星雲圖上，與高空槽伴隨的盾狀雲系在高原東部發展，在隨後的緩慢東移中，中低雲增多，雲層增厚，雲區變寬，在它的東北邊緣處出現捲雲羽。在它的東南方，有南支槽雲系或者季風雲系自中南半島或南海西北部，向東北方向伸展至江淮地區。當高空槽雲系進一步東移，其西南段抵達江淮地區並與南來雲繫結合時，在結合部位出現逗點狀雲系發展，冷空氣進 入後逗點雲系發展性氣旋雲系，即氣旋初生，高空槽雲系北縮減弱。隨後氣旋移入海上後，出現明顯發展，呈現出較典型的溫帶氣旋雲型（圖4）。
下面給出1988年5月6～7日一次黃海氣旋發展的實例。5～6日，伴隨一次偏西路徑冷空氣的鋒面雲系移至河北西部到山西東南部後，其西南段與其前方倒槽雲繫結合，激發出一個大逗點狀雲系（圖5a）。隨後冷鋒雲系中段、東北段快速偏東移減弱，西南段進入逗點狀雲系中，二者一起東移進入黃海北部發展成氣旋（圖5b）。此時來自華南、東海一帶的北涌雲系顯著加強，氣旋出現明顯發展（圖5c）。隨後該氣旋偏東移，進入日本海西南部後強度逐漸減弱（圖5d）。
（2）靜止鋒雲系中的波動型
圖61987年4月23～25期間每6小時間隔GMSIR和VIS序列雲圖該型是黃海氣旋形成發展的第二種型式。它包括了26%左右的 個例。它在天氣圖上表現為中、高緯度地區環流平直，鋒區寬闊，高空槽在東移中向南加深不明顯。南支鋒區上，在孟加拉灣或者我國西南地區為槽區，槽前的西南氣流或者西南季風伸展至江淮地區。隨著北支鋒區緩慢南移，二者在江淮地區形成一條靜止鋒或切變線。與此同時，高原北部有另一支高空槽發展東移，當它前方的暖平流和正渦度區移到靜止鋒或切變線上空時，誘發氣旋生成。
衛星雲圖上，與第一支東移弱槽伴隨的雲系，呈反氣旋式彎曲的片狀或噴射狀，並且主要由高雲組成，雲區北側有捲雲羽輻散。靜止鋒或切變線雲帶為準東西向，通常雲區結構比較緊密，但在有的例子中雲區中的雲繫結構鬆散，甚至趨於斷裂成塊狀。當第二支經高原北部向東南方向移動的高空槽伴隨的盾狀雲系與靜止鋒雲繫結合時，雲系迅速變得密實白亮，雲區東北側還伴有大量捲雲輻散。緊接著，雲區中出現弧狀雲旋轉結構，隨後氣旋形成。以後它向偏東移進入黃海，繼續發展成較典型的氣旋雲系。
下面是1987年4月23～25日一次黃海氣旋形成發展的6h間隔系列GMSIR雲圖。過程開始時，從長江中上游至江淮地區有一條較寬廣的切變線雲系，由於一次弱冷空氣的併入，在四川東部一帶的切變線雲系西端有一個大渦旋狀雲團，並且在其東南一側有一條來自低緯度地區的較寬雲帶（圖6a）。在隨後的6h中，二者部分合併，大雲團的渦旋狀結構更加明顯，北部為半圓狀弧狀雲帶，南部為與之相反的小曲率弧狀雲區，二者呈相互旋轉的態勢，並且二者之間還有一條中、低雲組成的雲縫（圖6b）。隨著該渦旋狀雲系的東移，伴隨第二次冷空氣的的氣旋狀彎曲雲帶的逼近，它逐漸向氣旋雲型發展演變，24日18UTCC在長江口北部附近發展成氣旋（圖6e）。以後它東偏北方向移動，25日06UTC在韓國濟洲島西部附近發展成較典型的溫帶氣旋（圖6g）。
（3）低渦雲系東移發展型
該型黃海氣旋的個例很少。它是由西南渦沿長江流域東移發展，在江淮或長江下游一帶演變成鋒面氣旋。它生成前的環流形勢與上述第一型相似，屬於第一型，只是中緯度鋒區上東移的高空槽向南發展不深，川東至江淮地區有一條切變線。切變線尾端與西南渦連線，槽後冷空氣侵入渦中使之變性並東移發展，渦後切變線變成冷性切變線且逆轉成斜槽；渦前暖平流使渦前切變線變成暖性，出現較強鋒生，暖鋒逐漸形成。在江淮地區冷、暖鋒相連線，氣旋形成並移入黃海南部發展。
衛星雲圖上，中緯度地區西風槽盾狀雲系在高原北部東移並緩慚向南發展。當其尾部南伸與西南渦雲系靠近或連線時，西南渦雲團在川東至江淮地區的切變線雲系中向東移動，並在低渦雲團後部伸展出準西南———東北向窄斜槽雲系；與此同時，在西南渦前部的切變線雲帶變寬且色調白亮，並呈向北彎曲的弧狀。隨著西南渦雲團的東移減弱和其前部後部雲系的相互連線，氣旋雲系初步形成，隨後移入黃海南部後較快發展成較完整的氣旋雲型。
黃海氣旋產生的天氣現象
黃海氣旋伴隨的天氣現象比較劇烈，常常帶來狂風暴雨。根據黃海氣旋初生後在江淮地區東部造成的天氣現象，以及由部分黃海氣旋的船舶觀測資料統計分析，40%以上氣旋的日降水量達10～49mm，56%以上的個例達50mm以上。一般情況下，一個氣旋所經之地可造成50～150mm的總降雨；有的氣旋在有利條件下，可造成200～300mm的特大暴雨。日降雨量中心多在離中心不遠處，其次為氣旋前進方向右側。氣旋的大風也十分顯著，出現6級以上大風的占90%左右，其中7～8級的占67%，9級以上大風的占4%。大風的風向，秋末至春初以偏北大風為主，春季至初秋以偏南大風為主。
研究結論
黃海氣旋是全年均可出現，並且常常造成較大海區強降水和大風的一種重要天氣系統。大風和強降水往往伴隨在它形成和發展中出現，因此其形成和發展的預報尤為重要。
黃海氣旋的絕大多數，是在江淮或黃淮地區初生後移入黃海發展而成的。它的形成和發展，與高空急流和西風槽密切相關。極鋒急流或其分支與副熱帶急流或南支急注在江淮地區東部或黃海南部一帶匯合或靠近，形成一條強西風帶，在其最大風速中心上風方入口區，斜壓性很強，為氣旋形成和發展提供了十分有利的條件。另外，氣旋的形成和發展，均與一支自高原東部東移的槽密切相關，或者南北支鋒區上的西風槽結合東移。衛星雲圖上，氣旋的形成和發展與西風槽伴隨的盾狀雲系東移發展，同向北伸展的南支槽雲系或季風雲系北部結合緊密聯繫。
黃海氣旋在陸地或海上的初生，以及進入黃海後的發展等演變過程，運用衛星雲圖可以進行很好的監測和預報，大大彌補了海面上常規觀測資料的不足。為了更好地做好海上安全服務，下一步可開展運用衛星雲圖研究估計氣旋強度和大風區分布的方法。
黃海氣旋數值模擬的可視化
現代大氣數值模式可相當逼真地再現大至全球大氣環流，小至對流風暴的各種不同尺度的大氣運動系統。由於數值模式輸出的模擬大氣具有很高的時、空解析度，因此在研究大氣運動系統的演變和內部結構方面是其它方法所不能替代的。但是，數值模式輸出的資料量非常巨大，往往高達數百兆，甚至上千兆位元組，如何分析如此巨大的數據量，成為能否充分發揮數值模式優勢的關鍵。90年代以來迅速發展的計算機可視化技術，如Vis-5D可快捷地將多變數三維數據集的空間分布由多個水平、垂直剖面及立體圖像生動地展示出來，為分析數值模擬結果提供了有力的工具。北京大學暴雨監測和預測國家重點實驗室經過多年努力開發了一個可在微機上運行的可視化系統Live-View。它可以展示標量和矢量三維數據的空間分布，展示的方式，不僅可用多個不同位置的水平和垂直剖面上的等值線分布或色彩分布，也可用三維等值面的空間形狀和給空間網路點上變數的不同數值賦予不同的顏色和透明度的三維數據體。另外，Live-View還有自動產生空氣質點三維運動的空間軌跡等多種功能，非常適用於分析大氣中的三維運動。研究套用可視化系統Live-View，展示出一個在黃海強烈發展的氣旋三維結構。
研究概況
圖7 1993年6月2日00:00UTC GMS衛星紅外雲圖1993年6月初黃海發生了一次強烈的氣旋過程。6月1日00:00位 於長江下游的一個低壓向東北偏東方向移動，於12:00移入黃海，中心氣壓從998hPa降低到12:00UTC的991hPa。6月2日00:00UTC中心氣壓進一步下降到983hPa。到12:00已越過朝鮮半島中部到達朝鮮東海岸，中心氣壓下降到980hPa。36h中，氣旋的最低氣壓下降了18hPa。這是在初夏我國東部沿海少見的強烈發展氣旋。在6月2日00:00UTC的紅外雲圖上，這個氣旋具有非常典型的成熟錮囚氣旋的逗點狀雲系特徵（見圖7）。雖然這個氣旋最強時的中心位於海上，但由於黃海3面有陸地圍繞（朝鮮半島、遼東半島、山東半島），有相當密集的地面和高空觀測記錄，為數值模擬提供了比較好的資料條件。
我們利用美國大氣研究中心（NVAR）的中尺度數值模式MM5對這個氣旋進行了數值模擬。從6月1日00:00UTC開始積分36h。格線距為54km，格線數為81×97。垂直方向為27層。採用了Kain-Fritsch對流參數化方案。每小時輸出一次模擬結果，其中包括顯式降水過程中的雲水、雨水和冰水的三維數據。
數值模擬結果6月1日12:00UTC到2日00:00UTC氣旋中心氣壓從988hPa下降到974hPa，在這12h中氣旋加深的速率超過了1hPa/h，其發展速度達到暴發性氣旋的水平。氣旋中冰水含量為0.1g/kg的等值面三維圖像和衛星觀測到的氣旋逗點狀雲系非常相似，說明數值模擬是相當成功的。特別值得指出的是，Live View所產生的氣旋雲系的冷雲頂表面三維圖像清楚地展示出氣旋逗點雲系的三個組成部分：斜壓葉雲區、鋒面雲帶、勾狀雲區。由斜壓過程產生的葉狀雲區位於氣旋東北部的暖鋒上方，其雲頂最高；勾狀雲區位於氣旋中心的西北側並向西南伸展，三維圖像清楚地展示出其雲頂高度明顯的低於斜壓葉；冷鋒雲帶一直延伸到華南沿海，雲帶的冷空氣一側很陡峭，雲帶上有一個個突起的與中尺度對流相聯繫的冷雲頂。圖中還給出了5km高度水平剖面上的流場，以展示強烈發展的氣旋和高空擾動的聯繫。
鋒面立體圖像
圖880年代外熱帶氣旋的研究發現，海洋上氣旋強烈發展過程中 存在所謂“T-bone”特徵的鋒面結構，如圖8所示，氣旋的強烈發展使暖鋒向氣旋中心的後方（即向西）彎曲，暖空氣和冷空氣都向氣旋中心捲入，在氣旋的中心部分形成暖核和狹窄的乾冷縫。這一發現將挪威學派氣旋模式中的錮囚鋒結構修改為一條向後彎曲的暖鋒，即氣旋中心部位並不存在因冷鋒趕上暖鋒成為水平溫度梯度很小的錮囚鋒，而是一條因後彎而變得非常狹窄的具有很大溫度梯度的暖鋒。
為了給出氣旋中鋒面的立體圖像，我們用Live-View製作了相當位溫為325K的等值面三維圖像。冷、暖鋒的坡度有明顯的不同，冷鋒的坡度非常陡。特別是冷、暖鋒在氣旋的中心部位並未重合，一條狹窄的乾冷區向後一直捲入到氣旋的中心，形成一條幹縫。
流場三維結構
圖9為了給出氣旋流場三維結構，我們在圖像中同時給出數值模 擬的1.5km高度的風矢量場、12km高度的流場、風速為50m/s的等值面、兩個南北方向垂直剖面上的等風速線分布及整個三維空間的風速數據體。圖9中低空風矢量場展示了中氣旋的渦旋狀風場和鋒面附近的風場切變。三維風速等值面形象地展示出與地面氣旋相聯繫的高空急流的管狀結構，兩個急流管分別位於高空波動的槽前和槽後。用不同色彩表示的風速值在三維空間的分布，展示出急流管內部的風速值非常大（鮮紅色）。在急流管外，顏色由黃色逐漸轉變為蘭色，表示風速值由大到小的變化。兩個垂直剖面上的等風速線分布，進一步對風速值的三維分布作出定量的表示。
圖10圖10進一步給出了與三維流場相配合的正渦度分析，同時 給出1.5km和9.0km高度的風場剖面。圖中黃色為17×10s的相對渦度等值面立體圖像，展示了高空槽區和低空閉合渦旋區分別為兩個大的近於圓形的正渦度區，從這兩個正渦度區中向東北和西南延伸的兩條帶狀正渦度區，分別與高空急流左側的強風速切變和低空鋒面附近風向的氣旋式切變相聯繫。特別有意義的是，圖中顯示出氣旋中的強正渦度區明顯的分為高、低空兩部分，而對流層中層是一個渦度的相對小值區。根據天氣動力學的質量補償原理，對流層中部應存在一個無輻散層。由渦度方程可知，渦度的產生率和散度有關，由於對流層中部的散度最小，所以渦度場也最弱。Live-View所展示的氣旋三維流場所對應的渦度分布很好地揭示出鋒面氣旋中渦度空間分布的這個基本特徵。
研究結論
通過對一次黃海氣旋數值模擬結果的可視化研究，成功地揭示出氣旋逗點狀雲系和“T-bone”狀鋒面的結構、三維流場中的管狀高空急流及高低渦度的分層結構。上述結果表明，三維可視化技術可將數值模擬輸出的大型數據集用內容豐富的圖像生動地展示出來，它不但是分析數值模擬結果的有力工具，而且對加深天氣系統空間結構的科學認識也有很大的幫助。
