1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程特征分析

閻琦 李爽 陸井龍 滕方達

（1.東北冷渦研究重點開放實驗室，遼寧 沈陽110166；2.遼寧省氣象臺，遼寧 沈陽110166）

引言

中國東北地區(qū)位于亞洲東部中高緯，大興安嶺東側(cè)，特殊地形以及中緯度鋒區(qū)的動力和熱力作用，使得中國東北地區(qū)上空較易出現(xiàn)冷性渦旋，即東北冷渦。東北冷渦對中國東北乃至中國大部地區(qū)有重要影響。目前對東北冷渦及其引發(fā)的暴雨、強對流等天氣過程一直是氣象科技工作者關(guān)注的問題，也是氣象預(yù)報業(yè)務(wù)中的工作重點。很多研究［1-2］對東北冷渦有關(guān)的氣候特征、暴雨特征、強對流天氣預(yù)報、冷渦發(fā)生發(fā)展機理及平流層與東北冷渦作用等方面的成果進行回顧。一些學(xué)者［3-5］對東北冷渦時空分布特征的分析表明，東北冷渦表現(xiàn)出兩個密集區(qū)，在初春時候冷渦密集區(qū)集中在東北平原的北部，處于約52°N且為緯向分布，另一密集區(qū)在東北平原中部以及西北日本海沿岸；同時總結(jié)冷渦的路徑分為3種，為西北、偏西和超極地路徑。大量學(xué)者［6-11］從氣候角度對東北冷渦持續(xù)性、異常性成因進行分析，而更多的研究［12-16］仍集中在東北冷渦引發(fā)的暴雨、強對流天氣的成因分析。盡管前期進行了大量研究［16-20］，但東北冷渦暴雨、強對流天氣仍然是預(yù)報業(yè)務(wù)中的難點，2018—2020年東北冷渦暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率不足2%。因此，利用高時空分辨率資料，對東北冷渦變化規(guī)律及其引發(fā)天氣成因進行精細(xì)分析，對提高東北冷渦天氣預(yù)報能力具有一定的業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。

通過整理大量文獻并結(jié)合實際業(yè)務(wù)情況，目前影響東北冷渦及其天氣形成機理的核心問題仍處于研究階段。近年來，中國東北地區(qū)一些氣象工作者的研究主要是對災(zāi)害性天氣氣候特征進行分析［21-25］，而氣候變化背景下東北冷渦及其引發(fā)天氣的強度、頻率、空間分布等特征、造成的氣象災(zāi)害程度及影響等，仍需要不斷研究。本文利用高時空分辨率資料，分析1979—2019年近41 a持續(xù)時間在3 d及以上的東北冷渦過程的特征，旨在精細(xì)揭示其時空分布規(guī)律，為東北冷渦相關(guān)的預(yù)報預(yù)警工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源和研究方法

使用1979年1月至2019年12月的ERA5資料，要素包括500 hPa位勢高度、溫度、風(fēng)，時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°。采用線性傾向估計、小波分析、突變M-K檢驗等統(tǒng)計學(xué)方法，對持續(xù)性東北冷渦過程的特征進行分析。

1.2 持續(xù)性東北冷渦過程定義

500 hPa高空天氣圖上，在35°—60°N、105°—145°E范圍內(nèi)至少有一條閉合等高線，并有明顯的冷槽或冷中心配合的氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，為東北冷渦。一天4個時次（02、08、14時和20時；北京時，下同），其中1個時次滿足東北冷渦定義，該日就定義為一個東北冷渦日。對應(yīng)同一個東北冷渦，持續(xù)3 d或以上滿足東北冷渦日定義的過程，定義為一次持續(xù)性東北冷渦過程。參考蔣大凱等［4］研究方法，根據(jù)冷渦中心所在緯度不同，將冷渦分為北渦（50°—60°N）、中渦（40°—50°N）、南渦（35°—40°N）。

1.3 持續(xù)性東北冷渦過程篩選

按照蔣大凱等［4］對東北冷渦自動篩選的方法，對1979—2019年的持續(xù)性東北冷渦過程進行自動初選。發(fā)現(xiàn)機器自動篩選存在以下問題：當(dāng)兩個或兩個以上冷渦中心同時存在時，跟蹤的可能不是同一個冷渦；還存在一些弱冷渦識別不出來以及閉合等值線不完全在規(guī)定范圍內(nèi)等情況。通過人工核查去掉錯誤的冷渦過程并查缺補漏，得到的冷渦日與自動篩選結(jié)果對照發(fā)現(xiàn)，自動篩選出的數(shù)據(jù)68.8%是正確的，因此對自動初選結(jié)果進行人工核查和訂正。本研究是基于人工核查后的結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 持續(xù)性東北冷渦過程頻次變化

2.1.1 年和月變化

1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程年總頻次曲線表明（圖1a），年平均持續(xù)性東北冷渦過程為32.8次，最大值為41次（1980年），最小值為22次（1982年），年變化趨勢不明顯。3 a滑動平均曲線顯示，年變化存在階段性，東北冷渦過程偏多階段為：1984—1990年、2005—2013年；東北冷渦過程偏少階段為：1981—1983年、1991—1994年、1999—2004年；其他時段為小幅度波動期。

圖1 1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程頻次年變化（a）及月變化（b）Fig.1 Annual（a）and monthly（b）variations in total frequencies of continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

由持續(xù)性東北冷渦過程41 a總頻次逐月變化曲線可知（圖1b），5月和6月持續(xù)性東北冷渦過程最多，分別為165次（年平均4次）和146次（年平均3.6次）；11月持續(xù)性東北冷渦過程最少，為79次，年平均1.9次；其他月份為95—120次，年平均為2.3—2.9次。

2.1.2 年總頻次周期性和突變性

采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波變換、突變M-K檢驗法，分析1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程年總頻次的多時間尺度特征和突變性（圖2）。由圖2a可知，持續(xù)性東北冷渦過程年總頻次存在17 a、9 a、5 a和3 a的年際變化周期。17 a的變化信號一直存在，強度自2001年開始有所增強。9 a的變化信號一直存在，強度自1999年開始減弱。5 a的變化信號一直存在且強度較強。3 a的變化信號強度1998—2004年較弱，2005年后再次增強。目前，所有周期均處于偏少階段。

圖2 1979—2019年持續(xù)性東北冷渦年總頻次小波變換系數(shù)實部（a）和M ann-Kendall檢驗（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

由圖2b可知，1979—2019年UF有正值也有負(fù)值，且沒有超過0.05的顯著水平臨界線，說明多年變化趨勢不明顯，與圖1 a顯示結(jié)果一致。在±0.05的顯著水平臨界線之間UF與UB多次相交，排除緩變階段的相交情況，具有突變可能的交點出現(xiàn)在1980年和2013年附近。

2.2 持續(xù)時間特征

統(tǒng)計1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程不同持續(xù)時間出現(xiàn)的頻次發(fā)現(xiàn)，近41 a持續(xù)時間最長的一次為13 d。由各持續(xù)時間出現(xiàn)頻次占41 a總頻次百分比分布情況可知（圖3），持續(xù)時間越長冷渦過程出現(xiàn)的幾率越小，持續(xù)3 d和4 d的過程最多，占總頻次百分比分別為42%、26.7%，平均每年出現(xiàn)約14次、9次；持續(xù)5 d、6 d的過程占總頻次百分比分別為14.8%、8.6%，平均每年出現(xiàn)約5.0次、3.0次；持續(xù)7 d、8 d的過程占總頻次百分比分別為3.3%、2.4%，平均每年出現(xiàn)約1.0次、0.8次；持續(xù)9 d、10 d的過程占總頻次百分比分別為0.9%、0.7%，接近十年一遇；持續(xù)12 d的過程沒有出現(xiàn)過；持續(xù)13 d的過程，僅出現(xiàn)1次，為四十年一遇。

圖3 1979—2019年東北冷渦過程持續(xù)時間及其出現(xiàn)頻次百分比Fig.3 The duration and their frequencies ratios in the total ones from 1979 to 2019 for northeast cold vortex

持續(xù)10 d以上的過程出現(xiàn)月份為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，大多出現(xiàn)在冬、夏季，其中6月最多，其次是1月。

2.3 持續(xù)性東北冷渦過程的北渦、中渦和南渦日數(shù)變化

按照北渦、中渦和南渦定義，統(tǒng)計1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程的各月北渦、中渦和南渦日總頻次。從北渦、中渦和南渦月變化特征來看（圖4），南渦出現(xiàn)頻次明顯少于北渦和中渦，中渦除了2月、11月略少于北渦外，其他月份均比北渦多，尤其是5月和6月明顯偏多，幾乎可達北渦2倍。5月和6月中渦、南渦出現(xiàn)頻次明顯多于其他月份，而北渦各月頻次差異不明顯。因此，5月和6月冷渦偏多主要是由于中渦偏多造成的。從其年變化特征可知（圖5），南渦和北渦多年下降趨勢較中渦明顯一些，但總體上下降趨勢均不明顯。

圖4 1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程北、中、南渦頻次月變化Fig.4 M onthly variations in the total frequencies of north，m iddle and south continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

圖5 1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程北、中、南渦頻次年變化Fig.5 Annual variations in the total frequencies of north，m iddle and south continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

2.4 東北冷渦中心強度、位置分布

選取東北冷渦氣旋性環(huán)流中心附近位勢高度最低的點為冷渦中心點，冷渦中心點的位勢高度表征冷渦強度，統(tǒng)計1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程的冷渦中心強度和位置（圖6和圖7），分析東北冷渦中心空間分布及逐月強度變化特征。

各月冷渦日中心強度箱線圖（圖6）的中位數(shù)逐月變化顯示，1—12月冷渦中心強度呈現(xiàn)單峰型分布，1—6月冷渦中心位勢高度逐月增大，7月和8月達到全年最高階段，從9月開始冷渦中心位勢高度逐月減小。從所有冷渦日的中心位置分布可以看出（圖7），在115°—140°E、45°—55°N范圍冷渦中心相對密集，均達到250 d以上；特別是120°—130°E、45°—55°N范圍總?cè)諗?shù)達到310 d以上，該區(qū)域恰好包含部分中國東北地區(qū)，因此東北冷渦對東北地區(qū)各類天氣均有影響。105°—145°E、35°—40°N范圍冷渦出現(xiàn)幾率最小，其次是110°—135°E、55°—60°N以及105°—110°E、40°—60°N區(qū)域。

圖6 1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程各月冷渦中心強度箱線圖Fig.6 The box chart for themonthly center strength of the continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

圖7 1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程冷渦中心出現(xiàn)頻次空間分布Fig.7 The spatial distribution of the frequency of the center locations of the continuous northeast cold vortex from 1979 to 2019

2.5 極端多、少月份冷渦成因初步分析

統(tǒng)計近1979—2019年的492個月冷渦日數(shù)，取96分位數(shù)為極端多、少月份（表1）。極端偏多月份在5月和6月最多，其次是1月，2月、7月、8月、9月、10月各出現(xiàn)一次，其他月份沒有出現(xiàn)。極端偏少月份在11月最多，其次是12月、3月、4月，1月、2月、5月、9月、10月各出現(xiàn)一次，其他月份沒有出現(xiàn)。

分析東北冷渦極端偏多月的北渦、中渦和南渦日情況發(fā)現(xiàn)，中渦日最多，南渦日最少，且南渦中心多位于39°—40°N，由中渦向南移動形成，因此重點對東北冷渦極端多月夏（4—9月）、冬（10月至翌年3月）半年北渦、中渦日的500 hPa位勢高度合成進行分析。東北冷渦極端多月夏、冬半年北渦日（圖8）、中渦日（圖略）的500 hPa高度場合成的結(jié)果比較相似，東亞地區(qū)均為兩脊一槽形勢，中渦日的高空槽、脊的位置較比北渦日偏南。其中，西部的高壓脊位于貝加爾湖及其以南區(qū)域，冬半年強度強于夏半年。東部的高壓脊位置、強度及成因有所不同，夏半年的高壓脊是由副熱帶高壓與中國東北以東地區(qū)的大陸高壓脊共同形成；冬半年的高壓脊由鄂霍茨克海阻塞高壓形成，強度強于夏半年。兩脊之間的槽，冬半年的強度強于夏半年。

造成東北冷渦極端偏少月的成因不盡相同，綜合分析體現(xiàn)不出共性特征。因此，對極端偏少月的環(huán)流及天氣系統(tǒng)進行逐月分析，發(fā)現(xiàn)其成因主要有4種：一是中高緯度環(huán)流較平直，高空槽未加強成渦或加強成冷渦的時間短；二是渦形成階段中心在60°N以北，向東南方向移動進入東北冷渦定義范圍內(nèi)的持續(xù)時間達不到3 d；三是渦中心在145°E以東，渦后高空槽影響東北；四是有較強的東北冷渦形成，但移動速度比較快，在定義范圍內(nèi)停留時間達不到3 d。

3 結(jié)論

（1）1979—2019年持續(xù)性東北冷渦過程，年平均為32.8次，最多41次，最少22次。5—6月最多，11月最少。年總頻次存在17 a、9 a、5 a和3 a的年際變化周期，在1980年和2013年附近出現(xiàn)突變。

（2）東北冷渦過程持續(xù)時間越長，出現(xiàn)的幾率越小。持續(xù)3 d、4 d的過程最多，平均每年出現(xiàn)約14.0次、9.0次；持續(xù)5 d、6 d的過程平均每年出現(xiàn)約5.0次、3.0次；持續(xù)7 d、8 d的過程平均每年出現(xiàn)約1.0次、0.8次；持續(xù)9 d、10 d的過程發(fā)生頻率接近十年一遇；持續(xù)時間最長的一次為13 d，為四十年一遇。出現(xiàn)10 d以上的冷渦過程6月最多，其次是1月。

（3）東北冷渦的南渦頻次明顯少于北渦和中渦，中渦除了2月、11月略少于北渦外，其他月份均比北渦多，尤其是5月、6月可達北渦2倍。北渦各月頻次差異不明顯，中渦、南渦5月、6月明顯多于其他月份。5月和6月冷渦偏多主要是由于中渦偏多造成的。1—12月冷渦中心強度呈現(xiàn)單峰型分布。在120°—130°E、45°—55°N范圍冷渦中心相對密集。

（4）夏、冬半年東北冷渦極端偏多月份的北渦、中渦日東亞地區(qū)均為兩脊一槽形勢，利于冷、暖氣流交匯形成持續(xù)性東北冷渦。持續(xù)性東北冷渦極端偏少的主要原因有：中高緯度環(huán)流較平直，高空槽未加強成渦或加強成冷渦的時間短；渦中心在60°N以北、145°E以東時間長或東北冷渦移動速度快，導(dǎo)致東北冷渦在定義范圍內(nèi)停留時間達不到3 d。