5—9月不同类型东北冷涡的统计特征及成因

杨鎛　王黎娟

摘要 利用NCEP（2.5°×2.5°）逐6 h再分析资料及中国气象局提供的MICAPS观测资料，对1989—2018年5—9月生成并维持的东北冷涡进行统计分析。结果表明，近30年东北冷涡出现频率逐年上升;年平均冷涡过程为7.4次，维持时间为3～5 d;5月冷涡出现频率最高，8、9月较低;5—7月平均每年受冷涡影响天数分别为9.9、8.8、7.0 d，受东北冷涡影响最长时间可达19 d以上。按照不同特性将其分为北、中、南涡及强、弱冷涡。北涡较少出现在7月，中涡很少出现在6月，南涡集中在5、6月。弱冷涡出现频率约为强冷涡的1.2倍。春末（5月）、秋初（9月）出现强北涡的频率较高，而夏季（6—8月）出现弱中涡的频率较高。北涡出现在春末秋初时，偏强的高空急流加强了对流层上层的辐散，与中下层环流场配合，使冷涡得以维持。此外，冷涡中心位势高度较低，配合有明显冷槽或冷核和强上升运动，干侵入有较强的促进作用，有利于冷涡的发展及加强;中涡出现在夏季时，高空急流及干侵入偏弱，冷涡中心附近各要素场不利于冷涡的加强。

关键词东北冷涡;统计特征;干侵入;高空急流

东北冷涡是东亚中高纬地区重要的天气系统，频繁的冷涡活动能引起明显的降水和气温异常，常造成东北地区持续阴雨洪涝、低温冷害等突发性对流天气，并通过引导高纬冷空气南下，对西南部降水产生影响（王丽娟，2010）。东北冷涡作为天气尺度系统，连续的冷涡活动对长期天气和大尺度环流系统有着重大影响，从而影响其他系统，例如印度洋偶极子的形成就主要是受大尺度环流系统的调整（王黎娟等，2018），两类ENSO的气候效应受到环流异常的影响（王黎娟等，2020）。

目前研究多采用郑秀雅和张廷治（1992）对东北冷涡的定义：500 hPa天气图上（115～145°E，35～60°N）区域内，至少有一条闭合等高线，并配合有明显冷槽或冷中心的，维持3 d以上的低压环流系统。东北冷涡的分类方法很多，根据位置及伴随天气的不同，可分为北涡、中涡和南涡3类（郑秀雅和张廷治，1992）。根据冷空气移动路径，冷涡可分为南方型、西方型、西北方型、北方型（闫玉琴等，1995）。蒋大凯等（2012）根据500 hPa各要素场强度、高低空配置及空间分布，将东北冷涡分为深厚和浅薄冷涡。

早期的研究中，东北冷涡的识别以主观为主。但主观识别无法完全重复且工作量巨大。因此，很多学者尝试客观识别。为研究冷涡的低频活动特征，谢作威和布和朝鲁（2012）在识别过程中加入了对500 hPa逐日高度场的滤波。王黎娟等（2019）采用“九宫格”法确定低压中心，统计了江淮流域温带气旋的发展率及移动特征。王承伟等（2012）借鉴Nieto et al.（2005）方法，使用代表温度梯度变化的暖锋参数等约束条件。Hu et al.（2010）采用6 h NCEP/NCAR再分析资料，该识别方法数据处理简便，可重复性高，其气候学研究成果与主观识别成果基本一致，故本文主要借鉴此类识别方法。

东北冷涡常出现在大兴安岭的古利牙山和小兴安岭以北的黑河上空（孙力等，1994;Zhang et al.，2008;谢作威和布和朝鲁，2012）。东北冷涡一年四季均可出现，平均每年夏季出现39 d，最多可达68 d（孙力等，2000）。4—10月东北地区37%的时间受冷涡影响，特别是夏季（6—8月），可达42%（孙力等，1994）。东北冷涡活动有明显的季节变化（朱其文等，1997）和显著的10～30 d振荡周期，6月是东北冷涡活动的盛期（平均达44.9%），也是东北的冷涡雨季，其次是7月。大多数东北冷涡的生命史小于一周，但夏季和冬季容易长时间维持（Hu et al.，2010）。

关于东北冷涡统计特征及分类的研究已有许多，冷涡在不同时段具有不同的特征，近30年5—9月冷涡是否有新的统计特征？值得进一步探讨。此外，大部分研究均针对同一类型冷涡的统计特征，或仅根据单一要素分类，并未将不同类型冷涡之间联系起来。事实上，不同类型的统计特征有较大的差异，根据不同要素分类的冷涡之间存在一定联系。基于这些问题，本文将着重对近30年5—9月不同类型冷涡进行识别追踪，分析其统计特征以及不同类型冷涡之间的联系和成因。

1 资料与方法

1.1 资料

采用资料为1989—2018年5—9月NCEP（2.5°×2.5°）逐6 h再分析资料的高度、温度、湿度、风场，中国气象局提供的1989—2018年MICAPS的08时和20时（北京时）的观测资料。与逐日数据相比，逐6 h数据在识别和追踪温带气旋方面相对更加客观和有效（Blender and Schubert，2000）。

1.2 东北冷涡的识别

冷涡结构在500 hPa高度上最明显（钟水新，2011），故选择在500 hPa上进行客观识别，识别区域为115°～145°E、35°～60°N。配合MICAPS觀测资料，检验是否在对流层高、低层均有表现（200、850 hPa）。客观识别东北冷涡的步骤：

1）若某一格点位势高度向四周8个方位延伸，在8个方向上格点的高度由东北低涡中心向外全是递增的，且每个方向上的递增格点数至少为2个，且该点与周围8个点中，任意一点的气温的纬向二阶导数大于零，即2Tx2>0则认为该点为冷涡中心。

2）若在5°×5°格点内，出现多个点满足上述条件，则选取位势高度最低的点作为冷涡中心;若在1 d内出现多个冷涡中心，选取位势高度最低的点作为当天的冷涡中心。

3）在任何连续两个时次（6 h）内，只有当移动速度小于10经度/（6 h）时，才将上述两个检测到的网格视为相同的系统。否则，它们属于两个独立系统。

4）冷涡中心维持3 d及3 d以上，则视为一个冷涡过程。

1.3 东北冷涡的分类

参考郑秀雅和张廷治（1992）制定的标准，将东北冷涡划分为北涡（50°～60°N）、中涡（40°～50°N）、南涡（35°～40°N）3类。东北冷涡既可带来暴雨，也会引发弱降水。引起暴雨的冷涡系统各层低中心轴线随高度向北偏西方向倾斜，温压场有位相差。而引起弱降水的冷涡系统正压结构十分明显，温压场位相基本一致，这类冷涡强度要强于前者（孙力等，1995）。参考这两类冷涡的温压场结构、高低空配置以及蒋大凯等（2012）定义的深厚、浅薄冷涡，将东北冷涡划分为强冷涡和弱冷涡（图1）。若冷涡环流从对流层低层层至中层，近乎垂直分布，有明显的冷槽或冷中心配合，则为强冷涡。若冷涡环流在对流层中低层对应弱温度脊或平直等温线，冷空气层相对比较浅薄，则为弱冷涡。

2 东北冷涡的统计特征

2.1 频数特征

近30年中5—9月共出现221次东北冷涡过程，总计1 044 d，年平均7.4次，34.8 d，出现频率逐年上升。93%的冷涡维持时长为3～5 d。平均每次冷涡过程维持4.33 d，其中最长的一次东北冷涡过程持续13 d。5月冷涡出现次数最多，近30年共出现63次（28.4%），年平均2.1次，最多的一年出现4次（表1）。8—9月冷涡出现次数较少，约占总数的15%，平均每年1.2次。8—9月年平均每年受冷涡影响天数较少，为4.7 d和4.2 d，近30年总日数分别为143 d和128 d。5—7月平均每年受冷涡影响天数分别为9.9 d、8.8 d和7.0 d，月最多东北冷涡日数分别达到21 d、20 d和19 d，近30年总日数均达200 d以上，平均每次冷涡过程维持时长为4 d以上，表明东北冷涡在春末夏初影响最大，这一结论与前人研究结果一致。

强北涡过程略多于弱北涡，弱中涡与强中涡比例约为3∶2。因此，北涡中出现强冷涡的频率高于中涡，出现弱冷涡频率低于中涡。中涡对东北地区旱涝影响较大，与东北大部分地区的降水呈正相关分布，中涡偏弱的频率较高使得东北地区降水较少，这与郑秀雅和张廷治（1992）统计发现中涡带来的天气多为低温少雨这一结论相符合（图2）。

2.2 不同类型冷涡的月变化特征及联系

6月北涡相对较少，而4、8、9月占同期的一半或以上（郑秀雅和张廷治，1992）。北涡、中涡和南涡的出现有着较大的月际差别，5、8、9月北涡和中涡出现频率大致相同，6月很少出现北涡，7月较少出现中涡。南涡出现次数不多，集中在5—6月，近30年南涡未出现在9月。春末（5月）、秋初（9月）出现强冷涡的频率较高，夏季（尤其是7—8月）出现弱冷涡的频率较高（表2）。

6—7月弱中涡、5月强冷涡出现次数均达15次以上，其次是7月弱北涡和9月强北涡。春末（5月）、秋初（9月）的北涡偏强的频率较高，约为60%，这表明近30年春末秋初北涡对东北地区的影响较大，天气情况较为复杂（图3），与郑秀雅和张廷治（1992）研究结果一致。夏季（6—8月）中涡偏弱的频率较高，约为74%。近30年夏季中涡带来的天气多为低温少雨。综上，春末秋初强北涡、夏季弱中涡出现频率较高，这一结论对研究东北冷涡控制下的天气情况有重要作用，下文将简要分析其成因。

3 春末秋初强北涡、夏季弱中涡高频出现的成因

3.1 高空急流的影响

东亚高空西风急流是影响中国天气气候变化的重要系统。对我国降水，例如江淮梅雨、江南春雨等有重要影响（王黎娟和高龙龙，2017）。对东北冷涡的形成和发展也有重要作用（陶诗言和陈隆勋，1957），冷涡附近的垂直运动和高低空配置都与其有关。本文中的距平为春末秋初北涡、夏季中涡要素场减去近30年北涡、中涡的平均场。东北冷涡位于高空急流的北侧，其东侧位于左侧出口区，有利于高空辐散，加强低涡系统，促使冷涡继续发展（图4）。

春末秋初北涡高空急流范围及风速明显强于平均北涡，秋初北涡东侧及东南侧为风速较大区域，对流层高层的辐散作用更强，更有利于冷涡系统的加强（图4a、b）。而夏季中涡的高空急流弱于平均中涡，冷涡强度偏弱（图4c）。东亚西风急流多年来有明显的分支现象，南支急流分支通常是东亚急流分裂的结果（孙力等，2000）。增强的冷涡活动将迫使南支急流在高纬度地区向北移动。高空纬向距平大致呈纬向带状分布，北涡由南向北呈现“负-正-负”的距平分布。春末北涡风场具两个正距平中心，偏南（32°～50°N），范围更大，副热带西风急流更强盛（图4a）;秋初北涡正距平具有较大的中心值（图4b）。夏季中涡由南向北呈现“负-正”的距平分布，60°N以南多为负距平（图4c），中涡西风急流在夏季较弱。

3.2 对流层中低层环流场的影响

不同天气尺度系统的发生发展都有其特定的环流背景。春末北涡的环流分布和平均北涡相似，阻塞形势明显，中心维持在52°N左右。春末冷涡环流经向性更明显，位置偏南，对流层中低层的中心位势高度更低（图5b、e）。秋初冷涡位置偏北，涡旋结构在高层表现更明显，500 hPa上低涡中心位势高度较低，但850 hPa上西南侧出现小高压（图5c、f）。春末秋初北涡中心附近，对流层整层均为正涡度距平，其轴线随高度南偏，300 hPa以上为大值区，中心出现在250 hPa，有利于气旋性环流的发展（图6a、b）。温度场方面，春末及平均北涡配合着较深的冷槽，温度槽落后于高度槽，有利于低涡发展，但春末時温度槽更深，尤其是高层。秋初时500 hPa上有冷中心，850 hPa上配合有近乎垂直的温度槽。夏季中涡涡度正负距平都较弱，150 hPa以上为负距平，气旋性弱于平均中涡（图6c），夏季中涡环流弱于平均中涡，中心位势高度较高，温度槽相对较浅，冷涡强度明显弱于平均中涡（图略）。

东北冷涡是深厚的低涡系统，中心附近有较强的上升气流，上升运动中心一般位于冷涡东南侧（钟水新等，2011）。北涡出现在春末秋初时风场更为强盛（图7a、b），冷涡中心附近为上升运动区，也是垂直速度正距平区域，更有利于冷涡的发展加强。春末北涡上升区域宽度可达15°N。秋初北涡上升区域较窄，但强度较强，可伸展至150 hPa，北侧下沉气流也较强。夏季中涡南侧为垂直速度正距平区，上升气流较强，下沉区较弱。这是因为夏季哈得来环流北移，上升支影响至35°N附近（符淙斌，1979），这正是图7c中垂直速度正距平中心所在的位置。

3.3 干侵入对冷涡强度的影响

干侵入的实质是高位涡的下传和侵入（刘英等，2012），是激发冷涡发生、发展的动力条件之一（吴迪等，2010）。高位势涡度在偏北偏西的气流引导下南下，在250 hPa影响最大，在300 hPa左右处向低层侵入（图8），促进低层辐合，加强上升运动。春末北涡中心附近，对流层中高层均为正位涡距平，有利于触发上升运动，形成强对流（图8a）;秋初时，对流层高层至顶层30°～42°N区域内为负距平，42°N以北为正距平（图8b）。春末秋初北涡高位涡下传和侵入更强，冷涡得以发展。夏季中涡对流层中低层为较弱的正距平，高层为负距平，高位涡下传较弱，干侵入机制对夏季中涡发生发展的促进较弱（图8c），对比图7c，上升运动主要受哈得来环流影响的推测是合理的。

干侵入在低层表现为强的冷平流侵入（钟水新等，2013），冷平流是冷涡低层系统发展的主要原因（刘英等，2012）。暖空气上升和冷空气下沉有助于扰动有效位能转换为扰动动能，使东北冷涡得以发展和维持（Xia et al.，2012）。以300 hPa为界，其上为暖平流区，其下为冷平流区，近地面层有较弱暖平流，冷平流中心一般出现在300～400 hPa。北涡出现在春末时，

300 hPa以上為负距平，冷平流更为强盛，400 hPa以下有较弱正距平，暖平流略强，上下层温差较大。北涡出现在秋初时，冷平流强度较大，范围向上延伸至200 hPa，向下伸展至800 hPa（图9b）。中涡出现在夏季时，300 hPa以上为正距平，500 hPa以下为较弱负距平，冷暖平流都较平均中涡弱（图9c）。

4 讨论与结论

利用NCEP逐6 h再分析资料以及中国气象局提供的MICAPS观测资料，采用客观与MICAPS观测相结合的方法，挑选出1989—2018年5—9月生成和维持的东北冷涡，按照冷涡的地理位置、物理特征等特性对东北冷涡进行分类，并分析了其统计特征及不同类型冷涡之间的关系。主要结论如下：

1）近30年来5—9月东北地区共计出现221次东北冷涡过程，总计1 044 d。97%的冷涡过程持续时间为3～5 d，最长可达13 d。东北冷涡在5月出现次数最多，8、9月最少。5—7月平均每次冷涡过程持续时间为4 d以上，月最多东北冷涡日数分别达到21、20和19 d，表明东北冷涡在春末夏初影响最大。6月很少出现北涡，7月较少出现中涡，南涡一般发生在5、6月。北涡在春末（5月）、秋初（9月）偏强的频率较高，中涡在夏季（6—8月）中涡偏弱的频率较高。

2）春末秋初强北涡和夏季弱中涡的频发有多种成因。春末秋初北涡的高空西风急流较强，加强对流层上部的辐散和低涡环流。整个对流层的气旋性环流较强，尤其是在冷涡的高层和西南侧。此外，低中心位势高度较低，高低空环流场配合较强的高空西风急流，使冷涡进一步发展和维持。这些都有利于北涡的加强。夏季中涡的西风急流偏弱，虽上升运动较强，但这主要受到夏季哈得来环流的影响，综合所有要素分析，冷涡强度较弱。

3）此外，干侵入是东北冷涡发生发展的重要机制之一，在对流层高层表现为高位涡发展、东移，在对流层低层表现为强的冷平流侵入。上部干冷气流在300 hPa上沿等熵面向下侵入。北涡出现在春末秋初时，高位涡下传和侵入更强，春末冷暖平流都较强，上下层温差较大，秋初冷平流更强盛，冷涡发展更为强盛。中涡出现在夏季时，与之相反，干侵入机制对其发生发展的促进作用较弱。

以上主要分析了1989—2018年5—9月不同类型东北冷涡的统计特征及其联系，发现春末秋初北涡、夏季中涡偏强的频率较高，并从各要素场高低空配置，高空西风急流强度，干侵入这三个方面研究分析了这一现象的成因。但对于不同类型冷涡特别是不同位置冷涡对我国降水的影响并没有涉及，这一点还需要在之后的工作中深入讨论。

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Statistical characteristics and causes of different types of northeast cold vortex from May to September

YANG Bo，WANG Lijuan

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

The method of the subjective and objective combination was used to detect and track Northeast China cold vortexes （NECVs） in May-September，based on 30-year NCEP/NCAR reanalysis data and MICAPS observation data provided by China Meteorological Administration.Over the past 30 years，the number of NECVs has steadily increased.NECV processes lasted 3 to 5 days on average in northeast China each year.In May，the frequency was highest，while in August and September，it was lowest.May-July，the longest time influenced by NECVs can exceed 19 days，with an annual average of 9.9 days，8.8 days，and 7.0 days，respectively.NECVs can be categorized according to their characteristics：north，middle，and south cold vortices （NCV，MCV，and SCV） as well as strong and weak cold vortices.SCVs mostly occur in May and June.Weak NECVs occurred about 1.2 times as often as strong NECVs.The NCVs in late spring and early autumn，as well as the weak MCVs in summer，occurred frequently.Researchers found that when NCVs occur in late spring and early autumn，the upper-level westerly jets are stronger，strengthening the divergence in the upper troposphere and the vortex circulation.During the upper and lower levels of circulation，strong jets cooperated with the circulation fields，enabling the cold vortices to develop and grow constantly.Other than the jets and circulation，the lower central potential height coupled with the obvious cold-core and stronger ascending motions were conducive to the development of NCV.Furthermore，the dry invasion was strongly promoted by lower-level cold advection and the downward intrusion of high potential vorticity （PV）.The MCVs happened in the summer when the opposite was true.

the Northeast cold vortex;statistical characteristics;dry intrusion;upper-level jet

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200708001

（責任编辑：袁东敏）