1979—2019年持续性东北冷涡过程特征分析

阎琦 李爽 陆井龙 滕方达

（1.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳110166；2.辽宁省气象台，辽宁 沈阳110166）

引言

中国东北地区位于亚洲东部中高纬，大兴安岭东侧，特殊地形以及中纬度锋区的动力和热力作用，使得中国东北地区上空较易出现冷性涡旋，即东北冷涡。东北冷涡对中国东北乃至中国大部地区有重要影响。目前对东北冷涡及其引发的暴雨、强对流等天气过程一直是气象科技工作者关注的问题，也是气象预报业务中的工作重点。很多研究［1-2］对东北冷涡有关的气候特征、暴雨特征、强对流天气预报、冷涡发生发展机理及平流层与东北冷涡作用等方面的成果进行回顾。一些学者［3-5］对东北冷涡时空分布特征的分析表明，东北冷涡表现出两个密集区，在初春时候冷涡密集区集中在东北平原的北部，处于约52°N且为纬向分布，另一密集区在东北平原中部以及西北日本海沿岸；同时总结冷涡的路径分为3种，为西北、偏西和超极地路径。大量学者［6-11］从气候角度对东北冷涡持续性、异常性成因进行分析，而更多的研究［12-16］仍集中在东北冷涡引发的暴雨、强对流天气的成因分析。尽管前期进行了大量研究［16-20］，但东北冷涡暴雨、强对流天气仍然是预报业务中的难点，2018—2020年东北冷涡暴雨预报准确率不足2%。因此，利用高时空分辨率资料，对东北冷涡变化规律及其引发天气成因进行精细分析，对提高东北冷涡天气预报能力具有一定的业务应用价值。

通过整理大量文献并结合实际业务情况，目前影响东北冷涡及其天气形成机理的核心问题仍处于研究阶段。近年来，中国东北地区一些气象工作者的研究主要是对灾害性天气气候特征进行分析［21-25］，而气候变化背景下东北冷涡及其引发天气的强度、频率、空间分布等特征、造成的气象灾害程度及影响等，仍需要不断研究。本文利用高时空分辨率资料，分析1979—2019年近41 a持续时间在3 d及以上的东北冷涡过程的特征，旨在精细揭示其时空分布规律，为东北冷涡相关的预报预警工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源和研究方法

使用1979年1月至2019年12月的ERA5资料，要素包括500 hPa位势高度、温度、风，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°。采用线性倾向估计、小波分析、突变M-K检验等统计学方法，对持续性东北冷涡过程的特征进行分析。

1.2 持续性东北冷涡过程定义

500 hPa高空天气图上，在35°—60°N、105°—145°E范围内至少有一条闭合等高线，并有明显的冷槽或冷中心配合的气旋性环流系统，为东北冷涡。一天4个时次（02、08、14时和20时；北京时，下同），其中1个时次满足东北冷涡定义，该日就定义为一个东北冷涡日。对应同一个东北冷涡，持续3 d或以上满足东北冷涡日定义的过程，定义为一次持续性东北冷涡过程。参考蒋大凯等［4］研究方法，根据冷涡中心所在纬度不同，将冷涡分为北涡（50°—60°N）、中涡（40°—50°N）、南涡（35°—40°N）。

1.3 持续性东北冷涡过程筛选

按照蒋大凯等［4］对东北冷涡自动筛选的方法，对1979—2019年的持续性东北冷涡过程进行自动初选。发现机器自动筛选存在以下问题：当两个或两个以上冷涡中心同时存在时，跟踪的可能不是同一个冷涡；还存在一些弱冷涡识别不出来以及闭合等值线不完全在规定范围内等情况。通过人工核查去掉错误的冷涡过程并查缺补漏，得到的冷涡日与自动筛选结果对照发现，自动筛选出的数据68.8%是正确的，因此对自动初选结果进行人工核查和订正。本研究是基于人工核查后的结果进行分析。

2 结果分析

2.1 持续性东北冷涡过程频次变化

2.1.1 年和月变化

1979—2019年持续性东北冷涡过程年总频次曲线表明（图1a），年平均持续性东北冷涡过程为32.8次，最大值为41次（1980年），最小值为22次（1982年），年变化趋势不明显。3 a滑动平均曲线显示，年变化存在阶段性，东北冷涡过程偏多阶段为：1984—1990年、2005—2013年；东北冷涡过程偏少阶段为：1981—1983年、1991—1994年、1999—2004年；其他时段为小幅度波动期。

图1 1979—2019年持续性东北冷涡过程频次年变化（a）及月变化（b）Fig.1 Annual（a）and monthly（b）variations in total frequencies of continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

由持续性东北冷涡过程41 a总频次逐月变化曲线可知（图1b），5月和6月持续性东北冷涡过程最多，分别为165次（年平均4次）和146次（年平均3.6次）；11月持续性东北冷涡过程最少，为79次，年平均1.9次；其他月份为95—120次，年平均为2.3—2.9次。

2.1.2 年总频次周期性和突变性

采用标准Morlet小波变换、突变M-K检验法，分析1979—2019年持续性东北冷涡过程年总频次的多时间尺度特征和突变性（图2）。由图2a可知，持续性东北冷涡过程年总频次存在17 a、9 a、5 a和3 a的年际变化周期。17 a的变化信号一直存在，强度自2001年开始有所增强。9 a的变化信号一直存在，强度自1999年开始减弱。5 a的变化信号一直存在且强度较强。3 a的变化信号强度1998—2004年较弱，2005年后再次增强。目前，所有周期均处于偏少阶段。

图2 1979—2019年持续性东北冷涡年总频次小波变换系数实部（a）和M ann-Kendall检验（b）Fig.2 The real part of M orlet wavelet transformation（a）and Mann-Kendall test（b）in multi-year total frequencies of continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

由图2b可知，1979—2019年UF有正值也有负值，且没有超过0.05的显著水平临界线，说明多年变化趋势不明显，与图1 a显示结果一致。在±0.05的显著水平临界线之间UF与UB多次相交，排除缓变阶段的相交情况，具有突变可能的交点出现在1980年和2013年附近。

2.2 持续时间特征

统计1979—2019年持续性东北冷涡过程不同持续时间出现的频次发现，近41 a持续时间最长的一次为13 d。由各持续时间出现频次占41 a总频次百分比分布情况可知（图3），持续时间越长冷涡过程出现的几率越小，持续3 d和4 d的过程最多，占总频次百分比分别为42%、26.7%，平均每年出现约14次、9次；持续5 d、6 d的过程占总频次百分比分别为14.8%、8.6%，平均每年出现约5.0次、3.0次；持续7 d、8 d的过程占总频次百分比分别为3.3%、2.4%，平均每年出现约1.0次、0.8次；持续9 d、10 d的过程占总频次百分比分别为0.9%、0.7%，接近十年一遇；持续12 d的过程没有出现过；持续13 d的过程，仅出现1次，为四十年一遇。

图3 1979—2019年东北冷涡过程持续时间及其出现频次百分比Fig.3 The duration and their frequencies ratios in the total ones from 1979 to 2019 for northeast cold vortex

持续10 d以上的过程出现月份为1980年1月和12月、1981年6月、1991年1月、6月和7月、1993年8月、1998年1月、2002年7月和8月、2005年11月、2006年6月、2010年12月、2012年6月、2014年6月、2016年6月，大多出现在冬、夏季，其中6月最多，其次是1月。

2.3 持续性东北冷涡过程的北涡、中涡和南涡日数变化

按照北涡、中涡和南涡定义，统计1979—2019年持续性东北冷涡过程的各月北涡、中涡和南涡日总频次。从北涡、中涡和南涡月变化特征来看（图4），南涡出现频次明显少于北涡和中涡，中涡除了2月、11月略少于北涡外，其他月份均比北涡多，尤其是5月和6月明显偏多，几乎可达北涡2倍。5月和6月中涡、南涡出现频次明显多于其他月份，而北涡各月频次差异不明显。因此，5月和6月冷涡偏多主要是由于中涡偏多造成的。从其年变化特征可知（图5），南涡和北涡多年下降趋势较中涡明显一些，但总体上下降趋势均不明显。

图4 1979—2019年持续性东北冷涡过程北、中、南涡频次月变化Fig.4 M onthly variations in the total frequencies of north，m iddle and south continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

图5 1979—2019年持续性东北冷涡过程北、中、南涡频次年变化Fig.5 Annual variations in the total frequencies of north，m iddle and south continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

2.4 东北冷涡中心强度、位置分布

选取东北冷涡气旋性环流中心附近位势高度最低的点为冷涡中心点，冷涡中心点的位势高度表征冷涡强度，统计1979—2019年持续性东北冷涡过程的冷涡中心强度和位置（图6和图7），分析东北冷涡中心空间分布及逐月强度变化特征。

各月冷涡日中心强度箱线图（图6）的中位数逐月变化显示，1—12月冷涡中心强度呈现单峰型分布，1—6月冷涡中心位势高度逐月增大，7月和8月达到全年最高阶段，从9月开始冷涡中心位势高度逐月减小。从所有冷涡日的中心位置分布可以看出（图7），在115°—140°E、45°—55°N范围冷涡中心相对密集，均达到250 d以上；特别是120°—130°E、45°—55°N范围总日数达到310 d以上，该区域恰好包含部分中国东北地区，因此东北冷涡对东北地区各类天气均有影响。105°—145°E、35°—40°N范围冷涡出现几率最小，其次是110°—135°E、55°—60°N以及105°—110°E、40°—60°N区域。

图6 1979—2019年持续性东北冷涡过程各月冷涡中心强度箱线图Fig.6 The box chart for themonthly center strength of the continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

图7 1979—2019年持续性东北冷涡过程冷涡中心出现频次空间分布Fig.7 The spatial distribution of the frequency of the center locations of the continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

2.5 极端多、少月份冷涡成因初步分析

统计近1979—2019年的492个月冷涡日数，取96分位数为极端多、少月份（表1）。极端偏多月份在5月和6月最多，其次是1月，2月、7月、8月、9月、10月各出现一次，其他月份没有出现。极端偏少月份在11月最多，其次是12月、3月、4月，1月、2月、5月、9月、10月各出现一次，其他月份没有出现。

分析东北冷涡极端偏多月的北涡、中涡和南涡日情况发现，中涡日最多，南涡日最少，且南涡中心多位于39°—40°N，由中涡向南移动形成，因此重点对东北冷涡极端多月夏（4—9月）、冬（10月至翌年3月）半年北涡、中涡日的500 hPa位势高度合成进行分析。东北冷涡极端多月夏、冬半年北涡日（图8）、中涡日（图略）的500 hPa高度场合成的结果比较相似，东亚地区均为两脊一槽形势，中涡日的高空槽、脊的位置较比北涡日偏南。其中，西部的高压脊位于贝加尔湖及其以南区域，冬半年强度强于夏半年。东部的高压脊位置、强度及成因有所不同，夏半年的高压脊是由副热带高压与中国东北以东地区的大陆高压脊共同形成；冬半年的高压脊由鄂霍茨克海阻塞高压形成，强度强于夏半年。两脊之间的槽，冬半年的强度强于夏半年。

造成东北冷涡极端偏少月的成因不尽相同，综合分析体现不出共性特征。因此，对极端偏少月的环流及天气系统进行逐月分析，发现其成因主要有4种：一是中高纬度环流较平直，高空槽未加强成涡或加强成冷涡的时间短；二是涡形成阶段中心在60°N以北，向东南方向移动进入东北冷涡定义范围内的持续时间达不到3 d；三是涡中心在145°E以东，涡后高空槽影响东北；四是有较强的东北冷涡形成，但移动速度比较快，在定义范围内停留时间达不到3 d。

3 结论

（1）1979—2019年持续性东北冷涡过程，年平均为32.8次，最多41次，最少22次。5—6月最多，11月最少。年总频次存在17 a、9 a、5 a和3 a的年际变化周期，在1980年和2013年附近出现突变。

（2）东北冷涡过程持续时间越长，出现的几率越小。持续3 d、4 d的过程最多，平均每年出现约14.0次、9.0次；持续5 d、6 d的过程平均每年出现约5.0次、3.0次；持续7 d、8 d的过程平均每年出现约1.0次、0.8次；持续9 d、10 d的过程发生频率接近十年一遇；持续时间最长的一次为13 d，为四十年一遇。出现10 d以上的冷涡过程6月最多，其次是1月。

（3）东北冷涡的南涡频次明显少于北涡和中涡，中涡除了2月、11月略少于北涡外，其他月份均比北涡多，尤其是5月、6月可达北涡2倍。北涡各月频次差异不明显，中涡、南涡5月、6月明显多于其他月份。5月和6月冷涡偏多主要是由于中涡偏多造成的。1—12月冷涡中心强度呈现单峰型分布。在120°—130°E、45°—55°N范围冷涡中心相对密集。

（4）夏、冬半年东北冷涡极端偏多月份的北涡、中涡日东亚地区均为两脊一槽形势，利于冷、暖气流交汇形成持续性东北冷涡。持续性东北冷涡极端偏少的主要原因有：中高纬度环流较平直，高空槽未加强成涡或加强成冷涡的时间短；涡中心在60°N以北、145°E以东时间长或东北冷涡移动速度快，导致东北冷涡在定义范围内停留时间达不到3 d。