東北冷渦強(qiáng)度定義及特征分析

胡鵬宇 陳傳雷 林海峰 徐爽 孔令軍 劉青 紀(jì)永明 趙梓淇

(1.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中心，遼寧 沈陽 110166；2.遼寧省氣象臺，遼寧 沈陽 110168；3.沈陽市氣象局，遼寧 沈陽 110168；4.興城市氣象局，遼寧 葫蘆島 125100；5.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166)

引言

東北冷渦是影響中國東北地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，通常是在東亞地區(qū)阻塞環(huán)流形勢下形成并發(fā)展，同時也是東亞中高緯度地區(qū)大氣環(huán)流的重要影響因子[1-3]。東北冷渦多發(fā)展為深厚的冷性渦旋，給東北地區(qū)帶來持續(xù)陰雨、突發(fā)性強(qiáng)對流、洪澇、低溫冷害等天氣[4-7]。東北冷渦一年四季均可形成，夏季出現(xiàn)頻次最多，尤以6月最為頻繁[8-10]。在東北冷渦生命期的各個階段均可伴有雷暴、冰雹、雷雨大風(fēng)、暴雨[11-13]，甚至龍卷等強(qiáng)對流天氣[14-16]。

近些年，一些研究根據(jù)東北冷渦有冷中心及高度場是閉合環(huán)狀環(huán)流的特征，分別結(jié)合高度場和溫度場對東北冷渦的強(qiáng)度進(jìn)行了定量化分析和定義，如從高度場角度出發(fā)將40°—50°N、120°—130°E區(qū)域內(nèi)500 hPa位勢高度平均值定義為東北冷渦活動指數(shù)[17-18]。楊涵洧等[19]通過提取134次冷渦活動過程中位勢高度場的平均態(tài)從而構(gòu)建東北冷渦偏離指數(shù)，發(fā)現(xiàn)該指數(shù)可以表征冷渦活動中的低壓面積及其偏離平均態(tài)的程度，并認(rèn)為該指數(shù)能夠定量地描述東北冷渦強(qiáng)弱變化。劉剛等[20-21]采用相似的方法構(gòu)建了冷渦持續(xù)活動強(qiáng)度指數(shù)，指出該強(qiáng)度指數(shù)能夠較好地表征冷渦持續(xù)活動特征，并具有年代際變化特征。何金海等[22]從溫度場角度出發(fā)參照夏季中國東北地區(qū)氣溫變率，對夏季東北冷渦強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行定義。苗春生等[23]采用相似的方法定義了前汛期東北冷渦強(qiáng)度指數(shù)，并發(fā)現(xiàn)該指數(shù)與中國華南地區(qū)降水存在較好的正相關(guān)關(guān)系。翟晴飛等[24]對遼寧西部地區(qū)夏季標(biāo)準(zhǔn)化東北冷渦強(qiáng)度指數(shù)NECVI進(jìn)行定義，研究發(fā)現(xiàn)東北冷渦偏強(qiáng)年，該指數(shù)偏大，遼寧西部地區(qū)降水偏多；反之，東北冷渦偏弱年，該指數(shù)偏小，遼寧西部地區(qū)降水偏少。王迪[25]指出春季西亞地表熱力狀況會通過影響大氣環(huán)流而對東北冷渦活動強(qiáng)度造成影響。何金海等[26]提出可以通過對東亞地區(qū)梅雨期平均氣溫進(jìn)行旋轉(zhuǎn)EOF分解，提取其中重要影響因子，從而定義梅雨期東北冷渦強(qiáng)度指數(shù)。孫燕等[27]參照何金海等[26]的方法構(gòu)建冷渦強(qiáng)度指數(shù)，并進(jìn)一步分析了1960—2009年夏季淮河流域降水分布與東北冷渦強(qiáng)弱變化的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系，東北冷渦強(qiáng)度偏強(qiáng)時，淮河流域降水偏多。

然而，以上對東北冷渦強(qiáng)度的定義多是從季節(jié)角度入手，反映的是東北冷渦在夏季、梅雨期等一段時期內(nèi)的平均強(qiáng)度，不能描述東北冷渦過程或逐日的強(qiáng)弱特征。本文根據(jù)東北冷渦溫度場有冷中心及高度場是閉合環(huán)狀環(huán)流的特征，同時選取位勢高度差和溫度差兩個指標(biāo)，制定一種物理意義明確、能客觀定量描述東北冷渦逐日強(qiáng)度的定義方法，以期為東北冷渦逐日強(qiáng)度的監(jiān)測分析提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文根據(jù)東北冷渦溫度場有冷中心及高度場是閉合環(huán)狀環(huán)流的特征，選取冷渦最外圍閉合等高線與冷渦中心的位勢高度值差、冷渦最外圍閉合等溫線與冷渦中心的溫度差兩個指標(biāo)，制定東北冷渦逐日強(qiáng)度定義。按照孫力等[28]關(guān)于東北冷渦的定義，利用1951—2015年08時和20時的NCEP/NCAR 1.0°×1.0°的再分析格點(diǎn)資料，挑選出符合條件的8611個東北冷渦個例，計算逐個個例的位勢高度差和溫度差，將東北冷渦強(qiáng)度劃分為弱、中等、強(qiáng)、特強(qiáng)四個等級，分析按此定義劃分的不同強(qiáng)度東北冷渦的變化特征。

1.2 東北冷渦強(qiáng)度計算

1.2.1 確定評估指標(biāo)

根據(jù)孫力等[28]關(guān)于東北冷渦的定義，東北冷渦的定義需滿足下列條件:(1)在500 hPa等壓面上至少能分析出一根閉合的等高線，并配合有明顯的冷槽或冷中心的低值環(huán)流系統(tǒng)；(2)低壓中心位于(35°—60°N、115°—145°E)范圍內(nèi)；(3)低壓環(huán)流系統(tǒng)在上述地區(qū)的生命史為3 d或以上。

根據(jù)東北冷渦溫度場有冷中心或冷槽和高度場是閉合環(huán)狀環(huán)流兩個基本特征，在35°—60°N，115°—145°E范圍內(nèi)，選取在500 hPa等壓面上以4 dagpm間隔的位勢高度低值中心最外圍閉合等高線與位勢高度低值中心的位勢高度差(H差)、500 hPa等溫面上以4 ℃間隔的冷中心最外圍閉合等溫線與溫度低值中心的溫度差(T差)兩個因子作為東北冷渦強(qiáng)度評估指標(biāo)，計算公式如下：

位勢高度差指標(biāo)：

H差=H外圍-H中心

(1)

式(1)中，H外圍為位勢高度低值中心最外圍閉合等高線的位勢高度值，單位為dagpm；H中心為位勢高度低值中心的位勢高度值，單位為dagpm。

溫度差指標(biāo)：

T差=T外圍-T中心

(2)

式(2)中，T外圍為冷中心最外圍閉合等溫線的溫度值，單位為℃；T中心為冷中心的溫度值，單位為℃。在溫度場只有冷槽沒有閉合等溫線情況下，溫度差為冷槽中心外圍的格點(diǎn)溫度值與冷槽中心的格點(diǎn)溫度值的差。

1.2.2 東北冷渦強(qiáng)度計算1.2.2.1 兩個因子單位量綱說明

圖1為2009年109個冷渦個例日位勢高度差和溫度差的變化。經(jīng)無量綱處理后，從數(shù)值大小看，高度差的變化幅度約為溫度差變化幅度的2倍，同時考慮兩個因子對東北冷渦強(qiáng)度變化的貢獻(xiàn)，溫度因子為2倍的權(quán)重。

圖1 2009年109個冷渦個例日位勢高度差和溫度差變化

1.2.2.2 東北冷渦強(qiáng)度計算

在綜合指標(biāo)計算前，分別對H差和T差進(jìn)行無量綱處理：

H差=H差/1dagpm

T差=T差/1℃

在此基礎(chǔ)上，東北冷渦強(qiáng)度綜合評估指標(biāo)為：

D=H差+2×T差

(3)

1.3 東北冷渦強(qiáng)度等級劃分

針對1951年1月1日至2015年12月31日期間符合定義條件的8611個東北冷渦個例逐日樣本，按照式(3)，計算得到8611個冷渦個例日的強(qiáng)度綜合指標(biāo)D。

根據(jù)強(qiáng)度綜合指標(biāo)D的距平(ΔHT)與標(biāo)準(zhǔn)差(σ)的比值，確定強(qiáng)度劃分的閾值區(qū)間，將強(qiáng)度劃分為弱、中等、強(qiáng)、特強(qiáng)四個等級，其分別對應(yīng)的強(qiáng)度閾值區(qū)間作為強(qiáng)度等級劃分指標(biāo)(表1)。

表1 東北冷渦強(qiáng)度等級、劃分標(biāo)準(zhǔn)、閾值區(qū)間及所占總樣本的百分比

2 結(jié)果分析

2.1 東北冷渦強(qiáng)度劃分結(jié)果驗(yàn)證

本標(biāo)準(zhǔn)定義的東北冷渦強(qiáng)度體現(xiàn)在等高線和等溫線的形態(tài)及密集程度上，因此為驗(yàn)證定義的東北冷渦強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)能否描述東北冷渦的強(qiáng)度，分別對4種強(qiáng)度的冷渦進(jìn)行驗(yàn)證。圖2a為2006年11月9日出現(xiàn)的特強(qiáng)冷渦，該冷渦等高線中心強(qiáng)度為508 dagpm，最外圍閉合等高線為544 dagpm，相應(yīng)的冷渦中心溫度為-40 ℃，最外圍閉合等溫線為-28 ℃，冷渦強(qiáng)度指數(shù)為60，其等高線和等溫線的分布最為密集；1952年3月20日出現(xiàn)的強(qiáng)冷渦(強(qiáng)度指數(shù)24)和2002年5月31日出現(xiàn)的中等強(qiáng)度冷渦(強(qiáng)度指數(shù)20)的冷渦強(qiáng)度次之，相應(yīng)等高線和等溫線的分布也更為稀疏；1980年9月10日出現(xiàn)的弱冷渦，其等高線中心強(qiáng)度為568 dagpm，冷渦中心溫度為-16 ℃，其外圍僅出現(xiàn)一個閉合等高線和等溫線，冷渦強(qiáng)度指數(shù)為3，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)文中定義的冷渦強(qiáng)度等級指標(biāo)能較好地反映出東北冷渦強(qiáng)度(圖2)。

圖2 2006年11月9日特強(qiáng)冷渦(強(qiáng)度指數(shù)60)(a)、1952年3月20日強(qiáng)冷渦(強(qiáng)度指數(shù)24)(b)、2002年5月31日中等強(qiáng)度冷渦(強(qiáng)度指數(shù)20)(c)和1980年9月10日弱冷渦(強(qiáng)度指數(shù)3)(d)高度場與溫度場

2.2 不同強(qiáng)度東北冷渦變化特征

1951—2015年不同強(qiáng)度等級的東北冷渦統(tǒng)計結(jié)果表明(圖3)，中等強(qiáng)度冷渦的出現(xiàn)頻次最多，每年中等強(qiáng)度冷渦出現(xiàn)的日數(shù)占全部的50%以上，弱冷渦出現(xiàn)的日數(shù)占全部的30%左右，強(qiáng)冷渦出現(xiàn)的日數(shù)僅占10%左右，超強(qiáng)冷渦出現(xiàn)的日數(shù)最少；1951—2015年弱冷渦活動所占比例呈下降趨勢，而強(qiáng)冷渦和超強(qiáng)冷渦活動所占比例呈較明顯的上升趨勢，據(jù)此推測近年來隨著氣候的不斷變化冷渦強(qiáng)度整體增強(qiáng)(圖3a和圖3b)。

圖3c和圖3d為1951—2015年各個月份和各個季節(jié)東北冷渦出現(xiàn)頻次分布，表明12月、5月和1月冷渦出現(xiàn)日數(shù)最多且強(qiáng)度偏強(qiáng)，7月和8月冷渦出現(xiàn)日數(shù)最少且強(qiáng)度最弱；與之相對應(yīng)，冬季冷渦出現(xiàn)的日數(shù)最多且強(qiáng)度較強(qiáng)，春季和秋季次之，夏季冷渦出現(xiàn)的日數(shù)最少且強(qiáng)度較弱。

圖3 1951—2015年不同強(qiáng)度等級的東北冷渦頻次(a)、比例(b)、月變化(c)和季節(jié)變化(d)

在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計了1951—2015年不同強(qiáng)度等級的東北冷渦各個季節(jié)的頻次分布(圖4)，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，弱的東北冷渦更集中出現(xiàn)在春季和夏季，四季的差別并不明顯；中等強(qiáng)度冷渦四季活動較為頻繁，其中冬季最為活躍，春季次之；其余兩個強(qiáng)度的東北冷渦集中出現(xiàn)在冬季，其次是春季和秋季，夏季出現(xiàn)頻次最少。這一結(jié)果與前文得出的結(jié)論一致。

圖4 1951—2015年弱冷渦(a)、中等強(qiáng)度冷渦(b)、強(qiáng)冷渦(c)、和超強(qiáng)冷渦(d)頻次季節(jié)變化

通過不同強(qiáng)度等級的東北冷渦活動特征對比可知(表2)，弱冷渦的平均持續(xù)日數(shù)為3 d左右，超強(qiáng)冷渦的平均持續(xù)日數(shù)約為6 d，可見冷渦強(qiáng)度越強(qiáng)，其持續(xù)日數(shù)也越長；通過分析冷渦活動的中心位移變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著冷渦強(qiáng)度增強(qiáng)，冷渦的中心變化范圍也相對增大。圖5為持續(xù)時間超過10 d的不同強(qiáng)度冷渦中心的位移變化，由圖5可知，弱冷渦活動其持續(xù)日數(shù)通常不超過10 d，超強(qiáng)冷渦中心軌跡分布最為集中，中等強(qiáng)度冷渦中心的運(yùn)動軌跡相對較為稀疏，結(jié)合表2可以推斷隨著冷渦強(qiáng)度增強(qiáng)，冷渦持續(xù)時間越長，對其覆蓋區(qū)域會帶來更大的持續(xù)性影響。

表2 不同強(qiáng)度等級的東北冷渦屬性對比

圖5 1951—2015年持續(xù)日數(shù)超過10 d的弱冷渦(a)、中等強(qiáng)度冷渦(b)、強(qiáng)冷渦(c)、超強(qiáng)冷渦(d)中心軌跡分布

3 結(jié)論與討論

(1)本文定義的東北冷渦強(qiáng)度指標(biāo)能夠反映出東北冷渦的強(qiáng)弱變化特征。其中，中等強(qiáng)度冷渦的出現(xiàn)頻次最多，占全年冷渦出現(xiàn)日數(shù)的50%以上，其次是弱冷渦，超強(qiáng)冷渦出現(xiàn)的日數(shù)最少。

(2)12月、5月和1月東北冷渦出現(xiàn)日數(shù)最多且強(qiáng)度偏強(qiáng)，7月和8月冷渦出現(xiàn)日數(shù)最少且強(qiáng)度最弱；與之相對應(yīng)，冬季冷渦出現(xiàn)的日數(shù)最多且強(qiáng)度較強(qiáng)，春季和秋季次之，夏季冷渦出現(xiàn)的日數(shù)最少且強(qiáng)度較弱。

(3)弱冷渦的平均持續(xù)日數(shù)為3 d左右，持續(xù)時間通常不會超過10 d；隨著冷渦強(qiáng)度增加，持續(xù)時間也隨之增長。此外，冷渦強(qiáng)度越強(qiáng)，冷渦中心的變化范圍也相對增大。

(4)本文的東北冷渦強(qiáng)度定義可針對一次過程或單日冷渦強(qiáng)度，由于冬季高度場的變化幅度遠(yuǎn)大于夏季，導(dǎo)致冬季冷渦活動偏強(qiáng)，因此不同季節(jié)冷渦天氣過程的強(qiáng)度變化及其所帶來的天氣影響，尚需進(jìn)一步探討。