东北冷涡强度定义及特征分析

胡鹏宇 陈传雷 林海峰 徐爽 孔令军 刘青 纪永明 赵梓淇

(1.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳 110166；2.辽宁省气象台，辽宁 沈阳 110168；3.沈阳市气象局，辽宁 沈阳 110168；4.兴城市气象局，辽宁 葫芦岛 125100；5.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166)

引言

东北冷涡是影响中国东北地区重要的天气系统，通常是在东亚地区阻塞环流形势下形成并发展，同时也是东亚中高纬度地区大气环流的重要影响因子[1-3]。东北冷涡多发展为深厚的冷性涡旋，给东北地区带来持续阴雨、突发性强对流、洪涝、低温冷害等天气[4-7]。东北冷涡一年四季均可形成，夏季出现频次最多，尤以6月最为频繁[8-10]。在东北冷涡生命期的各个阶段均可伴有雷暴、冰雹、雷雨大风、暴雨[11-13]，甚至龙卷等强对流天气[14-16]。

近些年，一些研究根据东北冷涡有冷中心及高度场是闭合环状环流的特征，分别结合高度场和温度场对东北冷涡的强度进行了定量化分析和定义，如从高度场角度出发将40°—50°N、120°—130°E区域内500 hPa位势高度平均值定义为东北冷涡活动指数[17-18]。杨涵洧等[19]通过提取134次冷涡活动过程中位势高度场的平均态从而构建东北冷涡偏离指数，发现该指数可以表征冷涡活动中的低压面积及其偏离平均态的程度，并认为该指数能够定量地描述东北冷涡强弱变化。刘刚等[20-21]采用相似的方法构建了冷涡持续活动强度指数，指出该强度指数能够较好地表征冷涡持续活动特征，并具有年代际变化特征。何金海等[22]从温度场角度出发参照夏季中国东北地区气温变率，对夏季东北冷涡强度指数进行定义。苗春生等[23]采用相似的方法定义了前汛期东北冷涡强度指数，并发现该指数与中国华南地区降水存在较好的正相关关系。翟晴飞等[24]对辽宁西部地区夏季标准化东北冷涡强度指数NECVI进行定义，研究发现东北冷涡偏强年，该指数偏大，辽宁西部地区降水偏多；反之，东北冷涡偏弱年，该指数偏小，辽宁西部地区降水偏少。王迪[25]指出春季西亚地表热力状况会通过影响大气环流而对东北冷涡活动强度造成影响。何金海等[26]提出可以通过对东亚地区梅雨期平均气温进行旋转EOF分解，提取其中重要影响因子，从而定义梅雨期东北冷涡强度指数。孙燕等[27]参照何金海等[26]的方法构建冷涡强度指数，并进一步分析了1960—2009年夏季淮河流域降水分布与东北冷涡强弱变化的对应关系，结果表明两者之间存在正相关关系，东北冷涡强度偏强时，淮河流域降水偏多。

然而，以上对东北冷涡强度的定义多是从季节角度入手，反映的是东北冷涡在夏季、梅雨期等一段时期内的平均强度，不能描述东北冷涡过程或逐日的强弱特征。本文根据东北冷涡温度场有冷中心及高度场是闭合环状环流的特征，同时选取位势高度差和温度差两个指标，制定一种物理意义明确、能客观定量描述东北冷涡逐日强度的定义方法，以期为东北冷涡逐日强度的监测分析提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文根据东北冷涡温度场有冷中心及高度场是闭合环状环流的特征，选取冷涡最外围闭合等高线与冷涡中心的位势高度值差、冷涡最外围闭合等温线与冷涡中心的温度差两个指标，制定东北冷涡逐日强度定义。按照孙力等[28]关于东北冷涡的定义，利用1951—2015年08时和20时的NCEP/NCAR 1.0°×1.0°的再分析格点资料，挑选出符合条件的8611个东北冷涡个例，计算逐个个例的位势高度差和温度差，将东北冷涡强度划分为弱、中等、强、特强四个等级，分析按此定义划分的不同强度东北冷涡的变化特征。

1.2 东北冷涡强度计算

1.2.1 确定评估指标

根据孙力等[28]关于东北冷涡的定义，东北冷涡的定义需满足下列条件:(1)在500 hPa等压面上至少能分析出一根闭合的等高线，并配合有明显的冷槽或冷中心的低值环流系统；(2)低压中心位于(35°—60°N、115°—145°E)范围内；(3)低压环流系统在上述地区的生命史为3 d或以上。

根据东北冷涡温度场有冷中心或冷槽和高度场是闭合环状环流两个基本特征，在35°—60°N，115°—145°E范围内，选取在500 hPa等压面上以4 dagpm间隔的位势高度低值中心最外围闭合等高线与位势高度低值中心的位势高度差(H差)、500 hPa等温面上以4 ℃间隔的冷中心最外围闭合等温线与温度低值中心的温度差(T差)两个因子作为东北冷涡强度评估指标，计算公式如下：

位势高度差指标：

H差=H外围-H中心

(1)

式(1)中，H外围为位势高度低值中心最外围闭合等高线的位势高度值，单位为dagpm；H中心为位势高度低值中心的位势高度值，单位为dagpm。

温度差指标：

T差=T外围-T中心

(2)

式(2)中，T外围为冷中心最外围闭合等温线的温度值，单位为℃；T中心为冷中心的温度值，单位为℃。在温度场只有冷槽没有闭合等温线情况下，温度差为冷槽中心外围的格点温度值与冷槽中心的格点温度值的差。

1.2.2 东北冷涡强度计算1.2.2.1 两个因子单位量纲说明

图1为2009年109个冷涡个例日位势高度差和温度差的变化。经无量纲处理后，从数值大小看，高度差的变化幅度约为温度差变化幅度的2倍，同时考虑两个因子对东北冷涡强度变化的贡献，温度因子为2倍的权重。

图1 2009年109个冷涡个例日位势高度差和温度差变化

1.2.2.2 东北冷涡强度计算

在综合指标计算前，分别对H差和T差进行无量纲处理：

H差=H差/1dagpm

T差=T差/1℃

在此基础上，东北冷涡强度综合评估指标为：

D=H差+2×T差

(3)

1.3 东北冷涡强度等级划分

针对1951年1月1日至2015年12月31日期间符合定义条件的8611个东北冷涡个例逐日样本，按照式(3)，计算得到8611个冷涡个例日的强度综合指标D。

根据强度综合指标D的距平(ΔHT)与标准差(σ)的比值，确定强度划分的阈值区间，将强度划分为弱、中等、强、特强四个等级，其分别对应的强度阈值区间作为强度等级划分指标(表1)。

表1 东北冷涡强度等级、划分标准、阈值区间及所占总样本的百分比

2 结果分析

2.1 东北冷涡强度划分结果验证

本标准定义的东北冷涡强度体现在等高线和等温线的形态及密集程度上，因此为验证定义的东北冷涡强度等级标准能否描述东北冷涡的强度，分别对4种强度的冷涡进行验证。图2a为2006年11月9日出现的特强冷涡，该冷涡等高线中心强度为508 dagpm，最外围闭合等高线为544 dagpm，相应的冷涡中心温度为-40 ℃，最外围闭合等温线为-28 ℃，冷涡强度指数为60，其等高线和等温线的分布最为密集；1952年3月20日出现的强冷涡(强度指数24)和2002年5月31日出现的中等强度冷涡(强度指数20)的冷涡强度次之，相应等高线和等温线的分布也更为稀疏；1980年9月10日出现的弱冷涡，其等高线中心强度为568 dagpm，冷涡中心温度为-16 ℃，其外围仅出现一个闭合等高线和等温线，冷涡强度指数为3，经对比发现文中定义的冷涡强度等级指标能较好地反映出东北冷涡强度(图2)。

图2 2006年11月9日特强冷涡(强度指数60)(a)、1952年3月20日强冷涡(强度指数24)(b)、2002年5月31日中等强度冷涡(强度指数20)(c)和1980年9月10日弱冷涡(强度指数3)(d)高度场与温度场

2.2 不同强度东北冷涡变化特征

1951—2015年不同强度等级的东北冷涡统计结果表明(图3)，中等强度冷涡的出现频次最多，每年中等强度冷涡出现的日数占全部的50%以上，弱冷涡出现的日数占全部的30%左右，强冷涡出现的日数仅占10%左右，超强冷涡出现的日数最少；1951—2015年弱冷涡活动所占比例呈下降趋势，而强冷涡和超强冷涡活动所占比例呈较明显的上升趋势，据此推测近年来随着气候的不断变化冷涡强度整体增强(图3a和图3b)。

图3c和图3d为1951—2015年各个月份和各个季节东北冷涡出现频次分布，表明12月、5月和1月冷涡出现日数最多且强度偏强，7月和8月冷涡出现日数最少且强度最弱；与之相对应，冬季冷涡出现的日数最多且强度较强，春季和秋季次之，夏季冷涡出现的日数最少且强度较弱。

图3 1951—2015年不同强度等级的东北冷涡频次(a)、比例(b)、月变化(c)和季节变化(d)

在此基础上，统计了1951—2015年不同强度等级的东北冷涡各个季节的频次分布(图4)，由图4可以发现，弱的东北冷涡更集中出现在春季和夏季，四季的差别并不明显；中等强度冷涡四季活动较为频繁，其中冬季最为活跃，春季次之；其余两个强度的东北冷涡集中出现在冬季，其次是春季和秋季，夏季出现频次最少。这一结果与前文得出的结论一致。

图4 1951—2015年弱冷涡(a)、中等强度冷涡(b)、强冷涡(c)、和超强冷涡(d)频次季节变化

通过不同强度等级的东北冷涡活动特征对比可知(表2)，弱冷涡的平均持续日数为3 d左右，超强冷涡的平均持续日数约为6 d，可见冷涡强度越强，其持续日数也越长；通过分析冷涡活动的中心位移变化可以发现，随着冷涡强度增强，冷涡的中心变化范围也相对增大。图5为持续时间超过10 d的不同强度冷涡中心的位移变化，由图5可知，弱冷涡活动其持续日数通常不超过10 d，超强冷涡中心轨迹分布最为集中，中等强度冷涡中心的运动轨迹相对较为稀疏，结合表2可以推断随着冷涡强度增强，冷涡持续时间越长，对其覆盖区域会带来更大的持续性影响。

表2 不同强度等级的东北冷涡属性对比

图5 1951—2015年持续日数超过10 d的弱冷涡(a)、中等强度冷涡(b)、强冷涡(c)、超强冷涡(d)中心轨迹分布

3 结论与讨论

(1)本文定义的东北冷涡强度指标能够反映出东北冷涡的强弱变化特征。其中，中等强度冷涡的出现频次最多，占全年冷涡出现日数的50%以上，其次是弱冷涡，超强冷涡出现的日数最少。

(2)12月、5月和1月东北冷涡出现日数最多且强度偏强，7月和8月冷涡出现日数最少且强度最弱；与之相对应，冬季冷涡出现的日数最多且强度较强，春季和秋季次之，夏季冷涡出现的日数最少且强度较弱。

(3)弱冷涡的平均持续日数为3 d左右，持续时间通常不会超过10 d；随着冷涡强度增加，持续时间也随之增长。此外，冷涡强度越强，冷涡中心的变化范围也相对增大。

(4)本文的东北冷涡强度定义可针对一次过程或单日冷涡强度，由于冬季高度场的变化幅度远大于夏季，导致冬季冷涡活动偏强，因此不同季节冷涡天气过程的强度变化及其所带来的天气影响，尚需进一步探讨。