夏季東北冷渦氣候特征及其對吉林省大豆生育期的影響

曹 玲，徐士琦，楊雪艷，劉柏鑫，王 航，房一禾，谷佳桐

（1.吉林省氣象服務中心，吉林 長春 130062；2.吉林省氣候中心，吉林 長春 130062；3.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，吉林 長春 130062；4.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽 110016；6.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，遼寧 沈陽 110161；6.東北冷渦研究重點開放實驗室，遼寧 沈陽 110016）

東北冷渦是東亞中高緯度地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)之一，也是中國東北地區(qū)特有的天氣系統(tǒng)[1-2]，生命期以3～6 d居多，其形成與東北地區(qū)特殊地形和一定的環(huán)流形勢有關。東北冷渦活動初期，擾動動能邊界通量至關重要；當大量擾動動能轉(zhuǎn)換成緯向平均動能時，東北冷渦減弱；隨著擾動有效位能向擾動動能轉(zhuǎn)換及邊界通量作用的減弱，冷渦逐漸衰亡[3]。20世紀80年代陶詩言[4]指出，東北冷渦是造成我國東北、華北地區(qū)暴雨或雷陣雨的主要環(huán)流形勢。另有研究表明，東北冷渦活動的多寡是造成東北地區(qū)干旱、洪澇和低溫冷害的重要原因[5-8]。例如，1998年夏季松嫩流域的暴雨洪澇災害[9]，2009年夏季的東北低溫[10]。

有關東北冷渦對氣候的影響，前人在天氣圖和再分析資料的基礎上開展了大量研究工作。東北冷渦作為天氣系統(tǒng)，其頻繁活動具有一定“氣候效應”，東北冷渦強弱對江淮地區(qū)梅雨量有顯著影響[11]。初夏冷渦活動強對應5月烏拉爾山阻塞高壓、貝加爾湖阻塞高壓和6月鄂霍次克海阻塞高壓活動頻繁；初夏東北冷渦降水具有顯著“累積效應”，可總體反映東北地區(qū)降水異常分布特征[12-13]。夏季東北冷渦活躍，東亞地區(qū)對流層保持深厚的偶極型位勢高度異常，高空急流偏南并略有加強，低層西北太平洋反氣旋和中緯度地區(qū)東風異常，局地水汽通量輻合增強，有利于降水偏多[14]。

近年來，有關氣候異常對作物生長和產(chǎn)量影響的研究逐漸成為熱點[15-16]。東北地區(qū)作為我國大豆、玉米、水稻等農(nóng)作物的主要生產(chǎn)基地，春、夏季節(jié)的水熱條件是生產(chǎn)工作順利開展的前提[17-20]。相應東北冷渦的氣候特征如何？冷渦出現(xiàn)位置對東北地區(qū)氣候影響差異如何？以往針對氣候變化對玉米等糧食作物影響研究較多[21-22]，針對大豆相關研究相對較少。吉林省大豆生長對氣候變化如何響應？與冷渦活動是否有關？本文從氣候?qū)W角度統(tǒng)計1981—2018年5—9月東北冷渦活動特征及對東北氣候的影響，結(jié)合吉林省大豆生育期特征，給出吉林省大豆生育期情況及對東北冷渦異?；顒拥捻憫?，為吉林省糧食安全生產(chǎn)以及實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供參考。

1 資料與方法

資料包括：（1）1981—2018年國家氣候中心160站月平均氣溫、降水資料；（2）同時期NCEP/NCAR逐日00時（UTC）、逐月500 hPa高度場和850 hPa風場再分析資料[23]，數(shù)據(jù)水平分辨率2.5°×2.5°；（3）農(nóng)作物資料選用同時期吉林省大豆生育期觀測數(shù)據(jù)。吉林省大豆主產(chǎn)區(qū)代表站點（圖1）包括榆樹（126.52°E，44.85°N）、樺甸（126.75°E，42.98°N）和延吉（129.50°E，42.87°N）。歷年作物發(fā)育期觀測按《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[24]進行，保持觀測方法的一致性。

圖1 吉林省大豆主產(chǎn)區(qū)代表站點地理分布

研究方法包括相關分析、合成分析等統(tǒng)計方法。東北冷渦[1]定義：（1）在500 hPa天氣圖上至少能分析出一條閉合等高線，并有冷渦中心或明顯冷槽配合的低壓環(huán)流系統(tǒng)；（2）冷渦出現(xiàn)在115°～145°E、35°～60°N；（3）冷渦在上述區(qū)域內(nèi)的生命史至少為3 d或3 d以上。按照東北冷渦出現(xiàn)緯度位置將其劃分為三種類型：北渦（50°～60°N）、中渦（40°～47.5°N）和南渦（35°～37.5°N）。

2 冷渦時空分布特征

1981—2018年5—9月東北冷渦活動共發(fā)生490次，累積2 298 d，占總天數(shù)的39.5%，冷渦活動平均壽命為4.7 d，年均冷渦為12.9次（約60.5 d）。由此可知，東北冷渦是東亞地區(qū)持續(xù)時間較長、活動較頻繁的系統(tǒng)，夏季（5—9月）冷渦活動占比三分之一以上，是對東北地區(qū)天氣氣候有較大影響的天氣系統(tǒng)。

圖2為不同月份東北冷渦日數(shù)空間分布，5—9月冷渦活動集中區(qū)位于115°～130°E、40°～55°N；其中5月（圖2a）主要分布在小興安嶺以北的黑河一帶，6月（圖2b）主要分布在大興安嶺東麓及東北平原一帶，7、9月（圖2c、2e）主要在大興安嶺一帶，8月（圖2d）主要在大興安嶺—小興安嶺一帶。

圖2 1981—2018年東北冷渦天數(shù)的空間分布

1981—2018年5—9月各月冷渦天數(shù)年際變化（圖3）表明，6月東北冷渦活動天數(shù)最多，達602 d，平均15.8 d/a；8月冷渦天數(shù)最少，為347 d，平均9.1 d/a；5、7、9月平均活動天數(shù)分別為13.2、12.6、9.7 d/a。從冷渦活動過程來看，6月冷渦過程次數(shù)最多，達113次，年均出現(xiàn)3次；8月冷渦次數(shù)最少，共78次，年均2次；5、7、9月年均次數(shù)分別為2.7、2.6、2.1次/a。5—9月平均每次冷渦過程持續(xù)4～5 d，與孫力等[9]研究結(jié)果（夏季4.07 d）基本一致。5—7月冷渦過程最多，最多冷渦日數(shù)分別為23、25、23 d。除9月外，其他月份冷渦天數(shù)均有增多趨勢。由此可知，冷渦在春末夏初影響最大，其天數(shù)和頻次逐年增加。

圖3 1981—2018年東北冷渦天數(shù)的年際變化

3 冷渦天數(shù)與大氣環(huán)流的關系

東北冷渦發(fā)生的位置不同，對應的東北亞大氣環(huán)流存在較大差異。與中渦和北渦相比，南渦位于東北地區(qū)南部，對東北地區(qū)氣候及農(nóng)作物影響較小。因此，主要分析中渦和北渦。

圖4為中渦、北渦天數(shù)與500 hPa高度場和850 hPa風場的相關系數(shù)分布。中渦和北渦活動天數(shù)與500 hPa高度場在我國東北地區(qū)呈現(xiàn)顯著負相關。由圖4a可知，當5月冷渦位于30°～50°N，東北地區(qū)大部及其以東的日本?！魈窖蟮貐^(qū)均呈負距平特征，其北部貝加爾湖—鄂霍次克海一帶為異常顯著正距平；歐洲—鄂霍次克海地區(qū)環(huán)流特征呈“+-+”分布特征，東北地區(qū)環(huán)流自北向南表現(xiàn)為“+-+”分布。即5月中渦出現(xiàn)有利于歐洲地區(qū)和貝加爾湖—鄂霍次克海地區(qū)的高度場增強，而烏拉爾山地區(qū)高度場減弱，東北地區(qū)大部由負距平高度場控制，西太平洋副熱帶高壓增強；對應850 hPa風場表現(xiàn)為來自太平洋和日本海的氣流向東北地區(qū)輸送。

由圖4b可知，5月冷渦位于50°～60°N，500 hPa中高緯環(huán)流場上自西向東呈“-+-”的分布形勢，環(huán)流經(jīng)向型特征明顯，即歐洲高度場和貝加爾湖—鄂霍次克海地區(qū)高度場減弱，烏拉爾山地區(qū)高度場增強，東北地區(qū)北部由負距平高度場控制；對應850 hPa風場表現(xiàn)為東北地區(qū)以偏北氣流為主，有利于冷空氣向南輸送。

圖4c、4d為6月中渦和北渦對應環(huán)流場。中渦有利于鄂霍次克海高度場增強，東北大部地區(qū)由負距平高度場控制，低層來自太平洋和日本海地區(qū)的氣流向東北地區(qū)輸送；北渦東北北部由高度場負距平控制，其南部為異常顯著正距平場，東北地區(qū)以偏北氣流為主。

7月（圖4e、4f）冷渦對應環(huán)流型與6月相似，7月冷渦中心位置更偏東，北渦中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度更大。8月中渦（圖4g）不顯著，但其北部易出現(xiàn)顯著高壓中心，有利于低緯地區(qū)高度場增強；副高偏南有利于中渦活動，副高位置偏北有利于北渦活動，我國東北地區(qū)大部分區(qū)域高度場特征以負距平為主，低層有北方氣流向南輸送、太平洋氣流向東北地區(qū)輸送，不利于西太平洋副熱帶高壓增強。7—8月中渦副熱帶高壓相對偏南，北渦副熱帶高壓位置相對偏北。

9月兩種類型冷渦（圖4i、4j）較其他月份在500 hPa高度場上的表現(xiàn)均不顯著。中渦有利于其北部鄂霍次克海地區(qū)高度場增強，中高緯環(huán)流經(jīng)向型明顯，有利于北方冷空氣向南輸送；東北大部為負距平，有利于北太平洋氣流向東北地區(qū)輸送。

圖4 5—9月中渦、北渦天數(shù)與同期500 hPa高度場（等值線）和850 hPa風場（箭頭）的相關系數(shù)分布

4 冷渦活動對吉林省大豆生育期的影響

吉林省大豆播種時間通常在5月上、中旬，9月下旬收獲，將5—9月視為研究區(qū)域內(nèi)大豆的主要生長季。圖5為1981—2018年榆樹、樺甸和延吉站大豆生育期各階段平均日期。其中，平均播種期為5月8日、平均開花期為7月12日，平均成熟期為9月25日。3站平均發(fā)育期相差3～6 d，不同年份大豆的發(fā)育期差異可達一周左右。為進一步分析東北冷渦活動對大豆不同生育期的影響，本文對1981—2018年吉林省3個站點大豆主要生育階段歷年間隔日數(shù)、平均氣溫、降水量以及冷渦活動天數(shù)進行對比分析，3個站點從平均間隔日數(shù)看，播種—出苗期為延吉＜榆樹＜樺甸，出苗—開花期為延吉＜樺甸＜榆樹，開花—成熟期階段為榆樹＜樺甸＜延吉。

圖5 吉林省大豆生育期各階段的多年平均值

4.1 播種—出苗期

表1為3個站點歷年大豆播種—出苗期間隔日數(shù)、平均氣溫及降水量與冷渦活動天數(shù)的相關關系，3個站點播種—出苗期降水量越大、平均氣溫越低（榆樹除外），則間隔天數(shù)越長；同時冷渦活動時間越長，平均氣溫越低，降水量越大。冷渦持續(xù)活動對這一階段間隔天數(shù)同步變化，呈正相關。總體來說，冷渦活動時間越長、平均氣溫越低、降水量越大，大豆播種—出苗期間隔時間越長。

表1 1981—2018年大豆播種—出苗期間隔日數(shù)、氣象要素值和東北冷渦天數(shù)的相關系數(shù)

從氣溫和降水對間隔時間影響上可知，樺甸和延吉站平均氣溫與間隔天數(shù)呈顯著負相關，溫度越低，間隔時間越長；3站降水量與間隔天數(shù)呈一致顯著正相關，降水量越大，間隔天數(shù)越長。

從歷年大豆生長期平均氣溫與冷渦活動關系可知，榆樹站播種—出苗期的平均氣溫主要受北渦影響，北渦活動越多，播種—出苗期平均氣溫越低。延吉站播種—出苗期平均氣溫主要受中渦影響，中渦活動越多，播種—出苗期的平均氣溫越低。從歷年大豆生長期降水量與冷渦天數(shù)關系可知，榆樹站降水量受中渦影響顯著，相關系數(shù)達0.52（通過0.01的顯著性檢驗），延吉站降水量受冷渦活動影響顯著，與北渦和中渦天數(shù)的相關系數(shù)分別為0.31和0.35，均通過0.1的顯著性檢驗，北渦和中渦的持續(xù)活動均會增加延吉站的降水量。

冷渦活動對播種—出苗時間基本呈正相關，榆樹站中渦活動對間隔天數(shù)影響最為顯著，相關系數(shù)達0.55，通過0.1的顯著性檢驗，中渦活動越多，生長期間隔天數(shù)越長；樺甸站間隔天數(shù)主要受北渦影響，二者相關系數(shù)為0.29，通過0.1的顯著性檢驗；延吉站間隔天數(shù)與北渦和中渦天數(shù)均呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.44和0.50，均通過0.01的顯著性檢驗，即北渦和中渦的長時間持續(xù)均會對延吉站大豆播種—出苗期的間隔時間延長起到正貢獻。

在大豆播種—出苗期，冷渦活動異常對延吉站影響最為顯著，榆樹站次之，對樺甸站影響相對最小。

4.2 出苗—開花期

由表2可知，間隔天數(shù)與氣溫變化呈負相關，與降水變化呈顯著正相關，即溫度越低、降水越多，大豆出苗—開花期的間隔時間越長。這一階段，北渦活動與平均氣溫呈正相關，中渦則相反，冷渦活動對降水的影響基本以正相關為主。冷渦活動與間隔天數(shù)呈正相關。延吉站平均溫度既受中渦影響，又受北渦影響（相關系數(shù)分別為-0.32和0.30），即北渦天數(shù)多、中渦天數(shù)少，有利于出苗—開花期平均氣溫偏高。榆樹站降水量受北渦影響顯著，相關系數(shù)為0.44，通過0.01的顯著性檢驗，此外，北渦活動還對延吉站降水量具有一定影響。

表2 1981—2018年大豆出苗—開花期間隔日數(shù)、氣象要素值和東北冷渦天數(shù)的相關系數(shù)

因此，冷渦活動與對這一階段間隔天數(shù)呈正相關，并以北渦影響更為顯著。榆樹站間隔天數(shù)均與冷渦活動存在顯著相關，與北渦關系最為顯著（相關系數(shù)為0.53，通過0.1的顯著性檢驗），冷渦天數(shù)越多，間隔天數(shù)越長。樺甸站間隔天數(shù)主要受北渦影響，二者相關系數(shù)為0.33，通過0.1的顯著性檢驗。

具體到出苗—開花期大豆3個生長階段出苗—三真葉、三真葉—分枝以及分枝—開花期冷渦活動和對應間隔天數(shù)、平均氣溫以及降水的相關關系，可知冷渦活動對大豆出苗—開花期各階段影響的詳細特征（表3）。

表3 1981—2018年大豆出苗—開花期不同階段間隔日數(shù)、氣象要素值和東北冷渦天數(shù)的相關系數(shù)

降水和氣溫對3個階段間隔天數(shù)影響以降水影響最為顯著，3個站3個階段降水與間隔天數(shù)基本呈顯著正相關，降水越多，間隔天數(shù)越長；氣溫則以負相關為主，溫度越低，間隔時間越長。

這3個生長階段冷渦活動與氣溫以負相關為主，與降水呈正相關。中渦活動對平均氣溫的影響呈現(xiàn)較為一致的負相關（除榆樹分枝—開花期），均通過顯著性檢驗，冷渦對降水的影響亦為一致正相關，但也存在個別差異。

冷渦活動對3個階段的影響與對出苗—開花期的影響關系總體一致，冷渦活動與間隔天數(shù)均為正相關，在出苗—三真葉期，僅中渦活動對榆樹間隔天數(shù)呈顯著正相關，分枝—開花期冷渦活動對其間隔天數(shù)呈顯著的正相關。

總體而言，在大豆出苗—開花期，冷渦活動對其間隔天數(shù)影響反映到具體的3個成長階段總體呈現(xiàn)趨勢一致。

4.3 開花—成熟期

開花—成熟期基本發(fā)生在7月中下旬及以后，東北地區(qū)逐漸由受中高緯環(huán)流系統(tǒng)影響為主轉(zhuǎn)為受東亞夏季風影響為主，東北冷渦活動逐漸減弱或?qū)|北天氣氣候影響逐漸減小。由3個站點歷年大豆開花—成熟期間隔日數(shù)、平均氣溫及降水量與冷渦活動天數(shù)的相關關系（表4）可知，在大豆開花—成熟期，從氣溫和降水對間隔時間影響上看，氣溫影響為負相關，降水影響仍然為顯著正相關。但此階段降水已不是由冷渦活動主導，冷渦活動與這一期間間隔天數(shù)、平均氣溫和降水的關系顯著性明顯減弱，冷渦活動對降水和氣溫的影響顯著性均不高，除北渦對榆樹和樺甸降水呈顯著正相關外，其他關系均不顯著。因此，冷渦活動對間隔天數(shù)的影響也呈現(xiàn)較弱的相關性特點，僅中渦對延吉這一時期間隔天數(shù)呈顯著正相關。

表4 1981—2018年大豆開花—成熟期間隔日數(shù)、氣象要素值和東北冷渦天數(shù)的相關系數(shù)

由開花—成熟期內(nèi)的開花—結(jié)莢、結(jié)莢—鼓粒以及鼓粒—成熟期冷渦活動和相應間隔天數(shù)、平均氣溫以及降水的相關關系（表5）可知，冷渦活動對這一時期的影響特征更加清晰，僅在開花—結(jié)莢期降水對間隔天數(shù)呈顯著正相關，北渦活動有利于降水量的增加，進而使得此階段間隔天數(shù)增長。在結(jié)莢一鼓粒、鼓?！墒炱?，冷渦活動與相應大豆指標除在鼓?！墒炱谥袦u對榆樹和樺甸降水呈顯著正相關外均無顯著相關。這驗證了從初夏到盛夏階段冷渦活動對東北氣溫和降水影響的變化情況。

表5 1981—2018年大豆開花—成熟期不同階段間隔日數(shù)、氣象要素值和東北冷渦天數(shù)間的相關系數(shù)

冷渦活動主要對吉林省大豆播種—出苗期和出苗—開花期的間隔天數(shù)、平均氣溫和降水量影響較大。冷渦活動使氣溫降低、降水偏大，進而間隔時間偏長。播種—開花期主要集中在5月上旬—7月中旬，此階段東北冷渦活動最為活躍，表明東北冷渦作為影響東北地區(qū)的關鍵環(huán)流系統(tǒng)，其異常活動對東北天氣氣候有著十分重要的影響。

5 結(jié)論與討論

以吉林省大豆生長發(fā)育期為研究對象，研究氣溫和降水對生育期不同階段的差異性影響。通過分析東北冷渦活動，給出冷渦活動對氣溫和降水的不同影響，最終得出冷渦活動對吉林省大豆不同生長階段的影響。

（1）東北冷渦是一個持續(xù)時間較長且較為頻繁的天氣系統(tǒng)，平均壽命可達5 d。在夏季（5—9月）冷渦活動占到三分之一以上，主要出現(xiàn)在115°～130°E、40°～55°N。冷渦活動在6月最多、8月最少；5—8月冷渦活動呈增多趨勢。

（2）冷渦活動位置不同對大氣環(huán)流的影響亦不同，中渦對東北地區(qū)環(huán)流影響最為顯著。中渦活動有利于其北部鄂霍次克海地區(qū)高度場增強，中高緯度環(huán)流經(jīng)向型明顯，有利于北方冷空氣向南輸送；東北大部為高度場負距平區(qū)，有利于北太平洋氣流向東北地區(qū)輸送。

（3）冷渦活動主要對吉林省大豆播種—出苗期和出苗—開花期的間隔天數(shù)、平均氣溫和降水量有較大影響。冷渦活動時間越長使得平均氣溫越低、降水量越大，進而延長大豆不同生育期間隔時間。對于播種—出苗期，榆樹站平均氣溫主要受北渦影響、延吉站平均氣溫主要受中渦影響，榆樹和延吉站降水主要受中渦影響。對于出苗—開花期，延吉站平均氣溫受中渦和北渦共同影響，榆樹和延吉站降水主要受北渦影響，榆樹和樺甸間隔天數(shù)主要受北渦影響。

農(nóng)業(yè)是對氣候變化響應最敏感的行業(yè)之一[25]，吉林省大豆播種—開花期主要集中在5月上旬—7月中旬，是東北冷渦最為活躍和對東北氣候影響最大的時期，冷渦活動異常導致東北天氣氣候異常，進一步影響大豆的生育期。一般情況下冷渦降水對大豆生長發(fā)育比較有利，但低溫易造成大豆生育期延遲。東部延吉等地既受北渦影響又受中渦影響，在低溫年份，可造成出苗—開花期延長，因此要積極采取栽培措施，在允許播種的溫度條件下適時早播，避免因生育期延長造成減產(chǎn)；北部榆樹等區(qū)域地理位置偏北，受北渦影響較多，氣候冷涼，可適當選擇早熟抗寒品種，做好種子的精選和播種前的晾曬工作，控制最佳播種深度，做好田間管理，避免因冷渦天氣造成貪青晚熟乃至減產(chǎn)。東北氣候異常除受到東北冷渦影響外，還受到東北氣旋、內(nèi)蒙古氣旋等多種天氣系統(tǒng)的綜合影響，本文僅初步分析冷渦異常活動對吉林省大豆生育期氣候和間隔天數(shù)的影響；此外，不同農(nóng)作物本身由于品種、熟制等因素的差異，對氣候變化的響應均有不同，上述問題還有待進一步深入研究。致謝：特別感謝吉林省氣象科學研究所袁福香研究員的悉心指導！