7年7月7日，日本发动了全面侵华战争，严重损害了英美在华的政治、经济利益。1939年9月2日，德、意、日签订三国轴心同盟。美国随即宣布1940年1月26日到期的《日美通商航海条约》将不再续约。1940年5月，美国总统罗斯福命令结束年度例行演习的太平洋舰队不返回美国西海岸，而是留驻珍珠港，实施威慑。1941年7月2日，日军在印支南部登陆，美国立即中断同日本的秘密谈判，并于7月2日宣布中止美日贸易，冻结日本在美国的所有资产。8月1日，美国又宣布对日本实施全面石油禁运。这对于资源极为缺乏的日本而言，无疑是致命的。为了获得荷属东印度年产量800万吨石油的油田，南洋占世界年产量78%的橡胶，占世界年产量67%的锡，以及铁、铝、大米等资源，日本将不惜一战。

日本海军传统的战略是在马绍尔群岛以北、马里亚纳群岛以西与美军太平洋舰队进行以战列舰为主力的舰队决战，但山本在多次海上演习、图上演练和兵棋作业中感觉到这种战略很难一举歼灭美军舰队，而战争一旦旷日持久，以美国的强大经济实力和军事力量，日本要想取得战争胜利，是不可能的，山本对这一点非常清楚。所以他极力主张在战争开始之初就以先发制人的偷袭，一举消灭美军太平洋舰队主力，随后不断组织进攻，不断削弱打击美军，不给美军积蓄力量的时机，从而争取体面的停战。

作为海军航空兵专家的山本，他首先想到的就是以航空兵偷袭美国太平洋舰队驻地珍珠港。早在1926年，山本任驻美海军武官期间，他读了英国海军专家拜沃特所著《大太平洋战争》，书中描述了以舰载机袭击珍珠港内锚泊军舰的情节，虽然只是想象中的情节，却给了山本很大的启示。以至于在山本担任联合舰队司令后，规定该书的日译本为海军军官的必读书。1932年美军在演习中，以“萨拉托加”号航空母舰为核心的特混舰队就出动舰载机成功空袭了在珍珠港的军舰，山本仔细研究相关资料，受益非浅。1940年3月，山本与联合舰队参谋长福留繁少将私下讨论了初步的偷袭方案。1940年11月11日，英国地中海舰队以“光辉”号航空母舰、4艘巡洋舰和4艘驱逐舰组成突击编队，出动21架次舰载机突袭意大利塔兰托军港内锚泊军舰，仅以消耗鱼雷11条、炸弹46枚，损失飞机2架的代价，就取得击沉战列舰1艘，重创战列舰2艘，击伤巡洋舰和辅助舰各2艘的战果。这一战例开创以舰载机突袭敌方海军基地并获得胜利的先河。山本闻讯后立即指示日本驻意大利海军武官全力搜集有关情报，特别是英军所使用的浅水鱼雷资料。因为塔兰托和珍珠港一样，水深仅十余米，无法使用常规鱼雷。以上这些思想和战例，对山本偷袭珍珠港作战方案的形成有着极大的帮助和启示。

1941年1月7日，山本正式向海军大臣及川古志郎提交了突袭珍珠港设想的《战备意见书》，并指示日本海军航空兵的元老，时任第十一航空舰队参谋长的大西泷次郎少将，也就是日后神风特攻队的创始人，对突袭珍珠港的设想进行可行性研究。大西找来世界航空界杰出的空战战术专家，“源田主义”思想（即大规模使用战斗机夺取制空权）的创立者，时任第一航空战队参谋的源田实中佐，一起进行周密的研究，最后得出只要美军舰队确实在港内停泊，并且日军舰队在航行途中不被发现，就能取得成功的结论。山本在设想得到确认后，立即命令联合舰队参谋长福留繁少将、第一航空舰队参谋长草鹿龙之介少将、第十一航空舰队参谋长大西泷次郎少将共同拟制出具体计划：就是在袭击发起前十余天，以航空母舰为核心的突击编队，从日本出发。在袭击发起日的日出前一至二小时，到达距珍珠港约200海里的海域，出动舰载机突击珍珠港内的美军舰艇和岸基航空基地，以突袭手段消灭美军太平洋舰队，为日军的南进扫清障碍。山本为纪念他所崇拜的东乡平八郎在对马海战中所升起的Z字旗，将这一计划的保密代号定为Z计划，史学家则称之为山本计划。该计划于1941年4月初草拟完毕并于4月10日上报大本营，但却遭到否决。因为大本营认为该计划过于冒险，如果在攻击前被美军发现，会有灾难性的后果。而且将联合舰队的主力用于珍珠港方向会严重影响对南方的作战。不仅在大本营，就是在联合舰队内部也有很多人反对，其中就有承担作战指挥的第一航空舰队司令南云忠一中将和计划的制定者第十一航空舰队参谋长大西泷次郎少将。高级将领中只有第二航空舰队司令山口多闻少将表示赞同，他认为美国太平洋舰队是盟国在太平洋上的海军主力，只有一举消灭美太平洋舰队才能确保南方作战的胜利，否则即使联合舰队主力全部用于南方的作战，也无法确保胜利。同时还建议在最初的方案中增加他所指挥的第二航空舰队两艘航母“飞龙”号和“苍龙”号。福留繁原先考虑这两艘航母续航力较小，远程奔袭恐有不便，所以不准备使用。山口认为这两艘航母共有100架飞机，飞行员大多是训练有素的老手，战斗力较强，不参战势必增加作战的困难。如果因为航程不足，可在突袭结束后取道马绍尔群岛，补充油料再返回日本。在10月初的突袭计划特别研讨会上山本采纳了这一建议，这样一来参战的航空母舰就由四艘增加到六艘。

9月29日，第一航空舰队司令南云中将和第十一航空舰队司令塚原二四三中将经过会谈一致表示反对突袭计划。10月3日两位舰队司令派出各自的参谋长草鹿和大西前往联合舰队向山本面陈反对意见。但这两人却都被山本说服，转而同意突袭计划。

面对大本营的反对，山本几经交涉最后甚至以辞职相威胁，并通过好友海军中佐高松亲王，也就是天皇的弟弟，将计划直接呈交天皇，获得恩准。这才迫使大本营于1941年10月19日批准这一计划。此时距珍珠港作战仅仅只有五十天。

这一计划所有细节都考虑得非常周密。在兵力编成上，既要求具备强大的突击威力，又要避免编队过于庞大而被发现。最终确定为航空母舰2九七式鱼雷机40架（简称九七舰攻），三菱A6M2零式战斗机79架（简称零式舰战或零战）。其余69架飞机则负责保护编队安全。

所有攻击兵力分为突击编队和先遣编队，突击编队司令为南云忠一海军中将，下辖六支部队：

空袭部队，由南云直接指挥，包括“赤城”号、“加贺”号、“苍龙”号、“飞龙”号、“翔鹤”号和“瑞鹤”号6艘航母，任务就是出动舰载机攻击停泊在珍珠港的美军战列舰和航母。

警戒部队，由第一驱逐舰战队司令大森仙太郎海军少将指挥，编有“阿武隅”号轻巡洋舰和“谷风”号、“浦风”号、“滨风”号、“矶风”号、“不知火”、“霞”号、“霰”号、“阳炎”号和“秋云”号9艘驱逐舰，负责为空袭部队和补给部队提供警戒。

支援部队，由第三战队司令三川军一海军中将指挥，编有“比睿”号、“雾岛”号2艘战列舰和“利根”号、“筑摩”号2艘重巡洋舰，负责为空袭部队提供支援，主要是对付美军的大型水面军舰。

巡逻部队，由第二潜艇大队司令今和泉喜海军大佐指挥，由“伊—19”号、“伊—21”号和“伊—23”号3艘潜艇组成，在编队航线前方航行，担负侦察警戒。

中途岛破袭部队，由第七驱逐舰大队司令小西要人海军大佐指挥，由“潮”号、“涟”号2艘驱逐舰和“尻矢”号补给舰组成，任务是炮击中途岛牵制美军。

补给部队，由“极地”丸、“极东”丸、“健洋”丸、“国洋”丸、“神国”丸、“东邦”丸、“东荣”丸和“日本”丸等7艘油船组成，负责为编队进行海上加油。

先遣编队由第六舰队司令清水光美海军中将指挥，先于突击编队出发，下辖六支部队：

第一潜艇部队，由第一潜艇战队司令佐藤勉海军少将指挥，下辖“伊—9”号、“伊—15”号、“伊—17”号、和“伊—25”号4艘潜艇，在瓦胡岛东北展开，攻击美军可能出动反击的舰艇。

第二潜艇部队，由第二潜艇战队司令山崎重晖海军少将指挥，下辖“伊—1”号、“伊—2”号、“伊—3”号、“伊—4”号、“伊—5”号、“伊—6”号和“伊—7”号7艘潜艇，在瓦胡岛与考爱岛、莫洛凯岛之间的考爱海峡、卡伊威海峡展开，监视并伺机攻击美军。

第三潜艇部队，由第三潜艇战队司令三轮茂义海军少将指挥，下辖“伊—8”号、“伊—68”号、“伊—69”号、“伊—70”号、“伊—71”号、“伊—72”号、“伊—73”号、“伊—74”号、“伊—75”号9艘潜艇，在瓦胡岛以南海域展开，攻击美军可能出动反击的舰艇。

特别攻击部队，由第三潜艇大队司令佐佐木半九海军大佐指挥，下辖“伊—16”号、“伊—18”号、“伊—20”号、“伊—22”号和“伊—24”号5艘潜艇，各携带1艘袖珍潜艇，在空袭前将袖珍潜艇放出，由袖珍潜艇自行潜入港内，必须在第一攻击波开始后才能乘乱从水下发射鱼雷进行攻击。

要地侦察部队，由2艘潜艇组成，“伊—10”号侦察斐济、萨摩亚群岛，“伊—26”号侦察阿留申群岛。

补给部队，由“隐户”丸、“东亚”丸、“新玉”丸、“第二天洋”丸、“日立”丸、“富士山”丸6艘油船组成，部署在本土和夸贾林群岛，为先遣部队的潜艇提供燃油补给。

为了保证两个编队的密切协同，山本规定一直到攻击开始前四天，都由南云统一指挥。

航线选择方面，从日本本土到珍珠港，通常有三条航线：一是经阿留申群岛的北航线；二是经中途岛的中航线；三是经马绍尔群岛的南航线。这三条航线各有利弊，北航线远离美军岸基航空兵的飞机巡逻范围，而且一般无商船航行，便于隐蔽。但气候恶劣，风大浪急，海上加油比较困难。中、南航线，气候宜于航行，但来往商船频繁，而且距美方岛屿较近，易被美军发现。经过再三比较，特别是出于保密的考虑，最后日军选择了北航线。

先遣编队全部由潜艇组成，可以隐蔽地开赴战场，所以没有规定航线，只要求避开美军岸基飞机巡逻即可。

突击机群起飞海域的距离，也是经过认重考虑的。太近容易被发现，太远又会使飞行员疲劳，影响战斗。几经研究，最后选定起飞海域为瓦胡岛以北200海里（约合370千米），即北纬42°，西经170°海域。根据当时日军飞机的航速推算，从起飞到飞抵珍珠港需要约二小时。而且在舰载机起飞后，航空母舰便后撤一段距离。这样一来，日军飞机去时航程近，返回时航程稍远。美军如果派出飞机追击，那么往返航程都增加不少，增加美军追击的困难。

突击时间的选择更是煞费苦心。必须要和在马来亚的登陆同时发起，由于登陆是在拂晓，为便于作战的顺利完成，首先是要下半夜有月光的日子，即下弦月的日期。其次是要星期日，因为根据美军的活动规律，出海的军舰通常在星期六返回，那么星期日在港内停泊的军舰最多，而且星期日人员休假也最多，戒备最松懈。综合各项情况，突击日定为12月8日，农历十九，下弦月，星期日。突击时间为早晨六时。后由于参战的第五航空战队二艘航母上的飞行员没进行过夜间飞行训练，所以把突击时间改为早晨六时起飞，八时实施攻击。

整个计划考虑周详，可谓滴水不漏。

虽然计划直到10月19日才获批准，但是联合舰队有关的针对性强化训练早在8月下旬就已开始。山本亲自挑选并任命海军航空兵中具有3000小时飞行经验的顶尖飞行员渊田美津雄中佐担任训练总教官，负责对飞行员的训练。针对珍珠港水深仅10至12米的地形特点，鱼雷机如按一般的攻击方法，在1000米高度，1000米距离投雷的话，鱼雷将会一头扎入水底。所以鱼雷机飞行员集中在地形近似珍珠港的鹿儿岛的樱岛训练时，投雷高度从1000米逐渐下降，最后一直降低到20米。鱼雷机训练基本动作完全模拟实战，接近港湾后先降低高度，以50米高度在峡谷中曲折穿行，一飞到海面就降低到20米，并立即向目标发射鱼雷。整个攻击动作反复进行演练，动作要领已经被飞行员牢记在心。日军科研部门研制成功装有木制稳定器的“改2”型浅水鱼雷，解决了在浅水海域使用鱼雷的技术难题，保证了鱼雷机在20米高度投雷60%的命中率。

水平轰炸机飞行员在有明湾海军轰炸靶场进行训练，日军在靶场上标出与美军战列舰同样大小的靶标，经过两周的单机和编队轰炸，飞行员的投弹命中率已高达80%，而且命中精度达到300米高度误差在30米内的极高水平。技术人员改进了投弹装置，并将800千克穿甲弹改装为航空炸弹，以加大炸弹威力。

俯冲轰炸机和战斗机飞行员也进行了针对性训练，都达到了训练要求。为了在空袭中取得更好战果所有飞行员还强化进行了对美军舰艇的识别训练。

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