日軍
聯合艦隊在4月底制訂了MI作戰的行動計畫。按照當時的方案,日軍假設美軍艦隊會遭到突襲,且必須從歐胡島出發迎擊。為引誘美軍艦隊進入陷阱,MI作戰會在N-3日(東京時間6月4日,中途島6月3日)與AL作戰同步展開。當日南雲忠一率領第1航空艦隊進入中途島西北海域,並派艦載機轟炸美軍機場。第1航空艦隊編有六艘航艦(赤城號、加賀號、蒼龍號、飛龍號、翔鶴號和瑞鶴號)、兩艘高速戰艦(榛名號、霧島號)、兩艘重巡洋艦(利根號、筑摩號)、11艘驅逐艦(野分號、嵐號、萩風號、舞風號、風雲號、夕雲號、卷雲號、浦風號、磯風號、谷風號、濱風號),及擔任驅逐領艦的長良號。
MI作戰N-2日,第1航空艦隊會再次空襲中途島,為登陸部隊開路。雖然日軍認為美軍艦隊會在三日內抵達中途島海域,卻假設南雲忠一無須同時應付美國航艦和支援中途島。第1航空艦隊亦只預備了10架飛機偵察和警備美軍艦隊。到N-1日,藤田類太郎會率領第11航空戰隊佔領中途島西面的庫里環礁,戰隊由兩艘水上機母艦(千歲號、神川丸號)、驅逐艦早潮號、及一艘運兵艦組成。
MI作戰N日(東京6月7日,中途島6月6日),日軍陸軍和海軍將登陸並佔領中途島。中途島攻略部隊由近藤信竹指揮,先鋒為田中賴三的登陸艦艇,搭載約5,000名陸軍和海軍陸戰隊。由於陸軍和海軍各自擁有運兵艦,這些艦艇分別由橫須賀(陸)和吳市(海)出發,先在塞班島集結,然後由田中賴三的一艘輕巡洋艦(神通號)和11艘驅逐艦(黑潮號、親潮號、雪風號、天津風號、時津風號、不知火號、霞號、陽炎號、霰號)護送往中途島。緊隨登陸艦艇的是栗田健男四艘重巡洋艦(熊野號、鈴谷號、三隈號、最上號)及兩艘驅逐艦(荒潮號、朝潮號),負責登陸炮火支援。最後則是近藤信竹的主力部隊,包括兩艘高速戰艦(金剛號、比叡號)、四艘重巡洋艦(愛宕號、鳥海號、妙高號、羽黑號),七艘驅逐艦(村雨號、五月雨號、春雨號、夕立號、朝雲號、峯雲號、夏雲號,外加驅逐領艦由良號)及一艘輕型航艦(瑞鳳號)。
聯合艦隊司令部預計在N日當天便能夠攻佔中途島,而美軍艦隊會在登陸開始後才抵達中途島南面海域。近藤信竹將會餌誘美軍艦隊北上,南雲忠一的航艦則會駛往中途島東北偏東約500英里水域埋伏,直到美軍上勾才南下突襲。山本五十六指揮的主力部隊部署在南雲忠一以西300英里,包括三艘主力戰艦(旗艦大和號、長門號、陸奧號)、一艘輕型航艦戰鬥群(鳳翔號及護衛艦夕風號)、兩艘水上機母艦(千代田號、日進號)及八艘驅逐艦(吹雪號、白雪號、叢雲號、初雪號、磯波號、浦波號、敷波號、綾波號,外加領艦川內號)。山本五十六刻意將主力部隊遠離作戰區域,避免美軍因為實力懸殊而拒絕交戰,但這也使得主力部隊無法有效支援南雲忠一和近藤信竹。山本五十六也認為美軍航艦將會與戰艦分開行動,而他的主力部隊將負責對付美軍的戰艦編隊。
最後,山本五十六編組了高須四郎的阿留申警戒部隊,負責MI作戰和AL作戰的後備支援,並部署在主力部隊以北,包括四艘舊式戰艦(日向號、伊勢號、扶桑號、山城號)、兩艘輕巡洋艦(北上號、大井號)及12艘驅逐艦(朝霧號、夕霧號、
白雲號、天霧號、海風號、山風號、江風號、涼風號、有明號、夕暮號、時雨號、白露號)。當山本在N日南下與美軍交戰時,高須四郎會從後接替空缺。此外,山本五十六亦籌備第二次K作戰,派飛艇到歐胡島進行偵察,又調派小松輝久的第六艦隊14艘潛艦到夏威夷群島海域,監察美國艦隊動向。倘若一切順利,第1航空艦隊會在殲滅美軍後返回特魯克,支援西南太平洋戰事,而各個戰艦編隊則會啟程返國,或者支援阿留申的作戰行動。
日本海軍部和聯合艦隊分別在5月5日和12日開始下達行動計畫指令,卻陸續出現問題。首先,翔鶴號和瑞鶴號在5月初珊瑚海海戰受損,被迫退出MI作戰。這使得機動部隊在進攻中途島前便失去125架艦載機(翔鶴號63架、瑞鶴號62架)。機動部隊其餘四艘航艦共搭載了248架艦載機,包括赤城號60架(24架零戰、18架九九式俯衝轟炸機、18架九七式魚雷轟炸機)、加賀號74架(27架零戰、20架九九式、27架九七式)、飛龍號57架(21架零戰、18架九九式、18架九七式)、蒼龍號57架(21架零戰、16架九九式、18架九七式、兩架彗星俯衝轟炸機試作機)。第二,由於MI和AL作戰規模過於宏大,行動時間表又欠缺彈性,使得不少軍艦準備不足。南雲忠一在5月25日向司令部匯報,指機動部隊因為補給問題而無法如期在5月26日出發,迫使山本把MI和AL作戰順延一日(N-3日改為東京時間6月5日,中途島6月4日)。第六艦隊的潛艦因為維修延誤和避開美軍嚴密的空中偵察,要到中途島時間6月2日到4日之間才陸續抵達夏威夷海域。最後,K作戰因為美軍增派水上飛機到法國護衛艦環礁而無法執行。這使得聯合艦隊無法掌握美國艦隊動向,只能相信對方會在預想海域出現。
美軍
美軍的戰術部署相對簡單。第16特遣艦隊(Task Force 16)和第17特遣艦隊(Task Force 17)負責伏擊日軍航艦,駐守中途島的飛機和潛艦則盡力攻擊日軍艦隊。尼米茲原本打算委任第16特遣艦隊司令小威廉.海爾賽負責戰事的全權指揮,但海爾賽卻因為嚴重皮膚炎而必須住院治理。海爾賽在5月26日率領企業號和大黃蜂號返抵珍珠港,並推薦自己的巡洋艦司令雷蒙德.斯普魯恩斯接管第16特遣艦隊,獲得尼米茲即時同意。由於斯普魯恩斯較第17特遣艦隊司令法蘭克.傑克.佛萊徹資淺,這也意味著弗萊徹將負責中途島的戰術指揮。5月27日,弗萊徹亦率領約克鎮號返抵珍珠港。當時約克鎮號估計需要90日才能夠完全修復,但日軍尚有一個星期便進攻中途島。尼米茲決定繞過多個海軍安全程序,命令船塢在三日內將約克鎮號修復至作戰狀態,並且把薩拉托加號留守夏威夷的航空聯隊用來填補約克鎮號的空缺。5月28日,斯普魯恩斯率領第16特遣艦隊率先出發,而弗萊徹則在5月30日率領第17特遣艦隊緊隨其後。
由於日軍航艦將會在中途島西北海域展開攻擊,第16特遣艦隊和第17特遣艦隊預計在6月2日駛至中途島東北偏北約325英里水域埋伏,並在6月3日派艦載機襲擊機動部隊的左翼。考慮到日軍航艦可能分開行動,第16特遣艦隊的兩艘航艦會先行攻擊,而第17特遣艦隊則從後支援。尼米茲特別強調採用消耗戰策略,盡量避免與日軍航艦或艦隊正面決戰。倘若美軍可能落敗,艦隊應該立即撤退,避免損失更多航艦和巡洋艦。
第16特遣艦隊的主力為企業號和大黃蜂號兩艘航艦,兩艦各自搭載了79架艦載機(企業號27架F4F戰鬥機、38架SBD無畏式俯衝轟炸機、14架TBD蹂躪者式魚雷轟炸機,大黃蜂號27架F4F、37架SBD、15架TBD)。此外,第16特遣艦隊尚有六艘巡洋艦(明尼亞波利斯號、紐奧良號、文森號、北安普敦號、彭薩科拉號、亞特蘭大號)及九艘驅逐艦(菲爾普斯號、艾爾文號、莫納根號、沃登號、巴區號、康寧漢號、賓漢號、艾利特號、莫雷號)。第17特遣艦隊則由約克鎮號領軍,搭載75架艦載機(25架F4F、37架SBD、13架TBD)。艦隊尚有兩艘巡洋艦(阿斯托里亞號、波特蘭號)及五艘驅逐艦(莫里斯號、羅素號、哈曼號、安德森號、休斯號)。
此外,尼米茲亦向中途島緊急增派飛機駐守。海戰爆發前,中途島共有海軍飛機37架(31架PBY卡特琳娜水上飛機、6架TBF復仇者式轟炸機)、陸戰隊飛機68架(21架F2A戰鬥機、7架F4F、19架SBD、21架SB2U擁護者式俯衝轟炸機)、陸軍23架(19架B-17轟炸機、4架B-26轟炸機)。雖然中途島上的陸戰隊飛機不少已經落伍,但連同三艘航艦在內,美軍仍在字面上擁有361架作戰飛機。最後,尼米茲調派多艘潛艦前往中途島,並在西面至北面海域組成環型防禦圈。由於時間倉促,美軍最終只有12艘潛艦(抹香鯨號、飛魚號、河豚號、鱒魚號、茴魚號、鸚鵡螺號、石斑魚號、海豚號、貓鯊號、烏賊號、白洋魚號、鼠尾鱈號)趕及在海戰前抵達中途島,並組成第7.1特遣艦隊。此外,三艘潛艦(獨角鯨號、潛水者號、鱗魨號)組成第7.2特遣艦隊,在法國護衛艦環礁充當後援;四艘潛艦(大海鰱號、白斑狗魚號、長鬚鯨號、黑鱸號)則組成第7.3特遣艦隊,在歐胡島北部巡邏。
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