一次初春東北冷渦的結(jié)構(gòu)特征及其降水成因

劉丹玲 王黎娟

摘要 利用ERA-Interim逐日再分析資料及中國(guó)753站逐日降水資料，對(duì)2008年3月23—28日的東北冷渦天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，并探討了冷渦降水的主要影響因子。結(jié)果表明：1）與夏季冷渦過(guò)程不同，此次初春冷渦過(guò)程高層環(huán)流場(chǎng)由經(jīng)向環(huán)流向緯向環(huán)流轉(zhuǎn)變;冷渦發(fā)展初期，經(jīng)向環(huán)流的建立使得冷渦向南移動(dòng)，而成熟階段冷渦后部的低槽引導(dǎo)冷空氣向冷渦輸送，導(dǎo)致了冷渦環(huán)流的維持。2）亞歐大陸上空強(qiáng)阻塞形勢(shì)的發(fā)展是初春東北冷渦形成的關(guān)鍵因子;烏拉爾山和鄂霍次克海阻塞高壓分別受到前期北大西洋和熱帶太平洋海溫異常的調(diào)控，為冷渦向南發(fā)展維持提供了有利的環(huán)流背景，并影響了高低空急流的配置，有利于冷渦降水的形成。3）渦度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的高低空配置使得東北冷渦發(fā)展成深厚的環(huán)流系統(tǒng)，干侵入對(duì)冷渦的形成和維持同樣有重要作用。冷渦環(huán)流的發(fā)展為東北地區(qū)降水提供了有利的水汽和垂直運(yùn)動(dòng)條件，冷暖平流交匯引起的鋒面過(guò)程則促進(jìn)大范圍降水的形成。

關(guān)鍵詞東北冷渦;初春;降水;阻塞高壓

東北冷渦是位于中國(guó)東北地區(qū)上空一種獨(dú)特的切斷低壓系統(tǒng)，一般從中高緯西風(fēng)急流中分離出來(lái)，表現(xiàn)為冷性渦旋（鐘水新等，2011;Xie and Bueh，2017）。該系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)靜止性，往往能夠在東北地區(qū)上空維持?jǐn)?shù)天，極大地影響局地天氣狀況（朱占云和何金海，2010）。東北冷渦的識(shí)別主要從其物理性質(zhì)出發(fā)，也有學(xué)者利用與其密切相關(guān)的氣象要素（如降水）來(lái)表征（He et al.，2007）。目前實(shí)際業(yè)務(wù)中定義東北冷渦為東北地區(qū)500 hPa至少能分析出一條閉合等高線，伴有冷中心，且持續(xù)時(shí)間在3 d以上的低壓系統(tǒng)（王婉昭等，2017）。

東北冷渦的形成多發(fā)生在春夏季（Liu et al.，2015;楊鎛和王黎娟，2021），能夠引發(fā)低溫、連陰雨、強(qiáng)對(duì)流等復(fù)雜災(zāi)害性天氣（Gao and Gao，2018）。關(guān)于夏季冷渦降水的形成已有較多研究，合適的高低空環(huán)流配置，如高層干冷空氣入侵和低層強(qiáng)暖濕空氣輸送，對(duì)降水的形成具有極其顯著的作用（劉英等，2012;應(yīng)爽等，2014）。高位渦氣流向低層大氣下傳使得冷渦加深發(fā)展為深厚的系統(tǒng)，而低層急流帶來(lái)的暖濕空氣增加了位勢(shì)不穩(wěn)定度和局地水汽含量，在高低空急流耦合的上升運(yùn)動(dòng)作用下，冷渦系統(tǒng)能夠帶來(lái)強(qiáng)降水和對(duì)流性天氣（Lian et al.，2016）。雖然春季東北冷渦的強(qiáng)度低于夏季（王麗娟等，2010;劉志杰，2014），但其對(duì)于東北地區(qū)暴雨（袁媛等，2014）及極端低溫事件（張?chǎng)嗪托旌Ｃ鳎?011）同樣具有重要影響。

東北冷渦作為西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)異常的產(chǎn)物，受到高緯和低緯大氣環(huán)流的調(diào)控（Nieto et al.，2005）。中高緯阻塞形勢(shì)通過(guò)影響東北地區(qū)瞬變渦動(dòng)異常導(dǎo)致夏季冷渦形成和維持，其與副熱帶異常Rossby波能夠共同影響冷渦環(huán)流（Xie and Bueh，2016）。Fang et al.（2018）指出前期北大西洋海溫能夠通過(guò)遙相關(guān)波列影響中高緯阻塞形勢(shì)，進(jìn)而調(diào)控初夏冷渦降水。也有研究認(rèn)為西太平洋遙相關(guān)型負(fù)位相引起的大氣環(huán)流異常是初夏冷渦形成的關(guān)鍵因子（謝作威和布和朝魯，2012）。春季冷渦的形成可能與背景環(huán)流及次天氣尺度系統(tǒng)存在關(guān)聯(lián)（Fu et al.，2014）。

綜上，針對(duì)東北冷渦的研究多關(guān)注其在夏季的結(jié)構(gòu)特征、形成原因及影響系統(tǒng)，少有關(guān)于初春東北冷渦及其降水過(guò)程的診斷分析，對(duì)冷渦系統(tǒng)如何在初春形成、發(fā)展的認(rèn)識(shí)還不夠。初春東北冷渦是在怎樣的大尺度環(huán)流背景下發(fā)生的？初春冷渦降水的主要影響因子是什么？本文針對(duì)發(fā)生在2008年3月23—28日的東北冷渦天氣過(guò)程，分析初春冷渦的結(jié)構(gòu)特征，探討東北冷渦的形成發(fā)展條件以及大尺度環(huán)流對(duì)初春冷渦系統(tǒng)的影響，研究初春冷渦觸發(fā)降水的可能機(jī)制，以期揭示初春東北冷渦天氣過(guò)程的形成原因及其與大尺度環(huán)流的關(guān)系。

1 資料和方法

采用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心提供1979—2010年ERA-interim逐日再分析資料（Dee et al.，2011）以及美國(guó)國(guó)家大氣和海洋管理局提供的逐月擴(kuò)展重建海表溫度資料（ERSST Version 5，Huang et al.，2017）。地面降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心提供的中國(guó)753站逐日降水資料，選取東北地區(qū)168個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行分析。為保證地面降水?dāng)?shù)據(jù)與再分析資料的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，日降水量使用當(dāng)日08時(shí)—次日08時(shí)總降水量計(jì)算。

為診斷初春東北冷渦的形成和發(fā)展條件，本文計(jì)算了不同等壓面上的渦度平流和溫度平流（朱乾根等，1981），計(jì)算時(shí)已考慮了地球曲率的影響，空間差分方式采用中央差。某一等壓面上渦度平流和溫度平流的公式如下：

-V·SymbolQC@ξ=-uξx-vξy? 。（1）

-V·SymbolQC@T=-uTx-vTy? 。（2）

其中：V=（u，v）表示水平風(fēng)場(chǎng);ξ=vx-uy表示垂直渦度。

位勢(shì)渦度PV（Potential Vorticity，PV）是表征氣塊絕對(duì)渦度和靜力穩(wěn)定度的物理量，可用于診斷天氣系統(tǒng)的發(fā)展條件（Holton and Hakim，2013），公式如下：

PV=ξa·SymbolQC@θρ? 。（3）

其中：ξa表示絕對(duì)渦度;θ表示位溫;ρ表示氣塊密度，常用位勢(shì)渦度單位（Potential Vorticity Units，PVU）來(lái)度量PV，1 PVU=10-6K·m2·s-1·kg-1。

整層水汽通量和水汽通量散度利用從地面到300 hPa的比濕以及水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算（Sun et al.，2011），公式如下：

Q=Qxi+Qy j 。（4）

Qx=-1g∫ptpsqudp。（5）

Qy=-1g∫ptpsqvdp。（6）

-1g∫ptpsSymbolQC@·qVdp=-1g∫ptpsqux+qvydp=Qxx+Qyy。（7）

其中：Q表示整層水汽通量;g表示重力加速度，ps、pt分別表示表面氣壓和大氣層頂（此處為300 hPa）氣壓，q表示比濕。

本文中鋒生函數(shù)采用Miller（1948）鋒生公式計(jì)算，速度勢(shì)函數(shù)和散度風(fēng)依據(jù)朱乾根等（1981）的計(jì)算方法。此外，根據(jù)Takaya and Nakamura（2001）的方法，利用逐月數(shù)據(jù)計(jì)算了波作用通量以研究Rossby波對(duì)大尺度環(huán)流異常的作用，公式如下：

W=pcosφ2UUa2cos2φψ′λ2-ψ′2ψ′λ2+Va2cosφψ′λψ′φ-ψ′2ψ′λφUa2cosφψ′λψ′φ-ψ′2ψ′λφ+Va2ψ′φ2-ψ′2ψ′φ2。（8）

其中：W表示波作用通量;p為標(biāo)準(zhǔn)化氣壓，即原始?xì)鈮撼? 000 hPa;φ、λ、a分別表示緯度、經(jīng)度、地球半徑;U=（U，V）表示基本流場(chǎng);ψ′=Φ′f表示準(zhǔn)地轉(zhuǎn)擾動(dòng)流函數(shù);Φ為位勢(shì)，上標(biāo)“′”表示緯向偏差。

2 初春東北冷渦的三維結(jié)構(gòu)特征

東北冷渦作為一個(gè)深厚的天氣尺度環(huán)流系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特征對(duì)于天氣過(guò)程的發(fā)生發(fā)展具有極其重要的作用（鐘水新等，2011）。首先結(jié)合環(huán)流場(chǎng)的演變過(guò)程分析初春東北冷渦在不同階段的特點(diǎn)。圖1給出了2008年3月23—28日500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)及200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的演變，東北亞關(guān)鍵區(qū)（115°～145°E，35°～60°N;孫力等，1994）內(nèi)冷渦環(huán)流清晰可見(jiàn)，且配合有閉合冷中心，符合業(yè)務(wù)中對(duì)于東北冷渦的識(shí)別方法（王婉昭等，2017）。23—24日，受貝加爾湖高壓脊影響，亞歐大陸以經(jīng)向環(huán)流為主，500 hPa上關(guān)鍵區(qū)內(nèi)有閉合低值系統(tǒng)形成，且伴有-32 ℃的冷中心，850 hPa上氣旋性環(huán)流位于高空冷渦前部，為東北冷渦的初生發(fā)展階段。在這一階段，亞歐大陸的倒“Ω”型環(huán)流導(dǎo)致了東北冷渦向南移動(dòng)發(fā)展。25—26日，冷渦在關(guān)鍵區(qū)內(nèi)維持，呈現(xiàn)出準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，500 hPa溫度場(chǎng)冷中心與高度場(chǎng)低值中心基本重合，850 hPa上氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，為東北冷渦的成熟階段。需要指出的是，成熟階段冷渦南側(cè)的西風(fēng)急流顯著加強(qiáng)，急流核位于25°～30°N，中心風(fēng)速超過(guò)70 m/s。27—28日，冷渦主體減弱東移，低層氣旋性環(huán)流減弱，西風(fēng)急流略微減弱東移，為東北冷渦的消亡階段。

此次初春東北冷渦天氣過(guò)程持續(xù)時(shí)間達(dá)到6 d，冷渦中心主體偏南，屬于中渦過(guò)程（孫力等，1994），移動(dòng)方向由東南轉(zhuǎn)為偏東為主。一般研究認(rèn)為，夏季持續(xù)性冷渦過(guò)程對(duì)應(yīng)的高層環(huán)流場(chǎng)以緯向分布為主，冷渦西側(cè)的低槽為冷渦長(zhǎng)時(shí)間維持提供了必要的冷空氣，而高空急流的加強(qiáng)與穩(wěn)定維持則為冷渦發(fā)展創(chuàng)造了有利的環(huán)流背景（鐘水新，2011）。但在此次冷渦過(guò)程中，高層環(huán)流場(chǎng)經(jīng)歷了由經(jīng)向環(huán)流向緯向環(huán)流轉(zhuǎn)變的過(guò)程。23—24日冷渦初生發(fā)展階段，亞歐大陸中高緯以經(jīng)向環(huán)流為主，冷渦上游的暖脊發(fā)展使得冷渦向南移動(dòng)。在這一階段，高空急流有加強(qiáng)趨勢(shì)，冷渦主要向東南方向移動(dòng)。25—26日冷渦成熟階段，亞歐大陸中高緯主要表現(xiàn)為緯向環(huán)流，受西西伯利亞地區(qū)低槽東移影響，冷渦上游的暖脊消失，低槽不斷引導(dǎo)高緯冷空氣向冷渦中心輸送，使得冷渦的冷心結(jié)構(gòu)得以維持。27—28日冷渦衰亡階段，低槽在移至貝加爾湖西側(cè)后加深發(fā)展，導(dǎo)致冷渦系統(tǒng)減弱東移。在冷渦的成熟及衰亡階段，高空急流經(jīng)歷了先加強(qiáng)后東移的過(guò)程。25—26日冷渦成熟階段，西風(fēng)急流較冷渦發(fā)展階段顯著加強(qiáng)，這有利于引導(dǎo)冷渦向南加強(qiáng)發(fā)展;27—28日，急流略微減弱，急流核明顯東移，高空急流的變化能夠引導(dǎo)冷渦東移減弱，東北冷渦逐漸消亡。因此，中高緯槽脊波動(dòng)及高空急流對(duì)初春冷渦的發(fā)展和長(zhǎng)時(shí)間維持有相當(dāng)重要的作用。那么，初春東北冷渦形成發(fā)展的主要影響因子是什么？初春冷渦是在怎樣的環(huán)流背景下形成的？大氣環(huán)流異常對(duì)冷渦具有怎樣調(diào)控作用？

3 初春東北冷渦的形成發(fā)展條件

3.1 初春東北冷渦發(fā)展的主要影響因子

本文首先分析東北冷渦形成發(fā)展的動(dòng)力和熱力條件。考慮到冷渦系統(tǒng)不同部位物理量分布不均，這里對(duì)冷渦后部（115°～130°E，35°～55°N）和前部（130°～145°E，35°～55°N）的渦度平流和溫度平流進(jìn)行分析。在冷渦發(fā)展過(guò)程中，對(duì)流層高層冷渦后部有強(qiáng)負(fù)渦度平流和冷平流，冷渦前部則相反（圖2）。高層渦度平流的配置促進(jìn)了對(duì)流層低層氣旋性環(huán)流在高層冷渦前部發(fā)展（朱乾根等，1981）。同時(shí)，冷渦系統(tǒng)前部的正渦度平流隨高度增加，這與高層冷渦前部的暖平流相互配合，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)在高層冷渦前部進(jìn)一步發(fā)展。上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)又加劇了對(duì)流層低層的輻合運(yùn)動(dòng)，使得低層氣旋性環(huán)流加強(qiáng)。高層渦度平流的配置為對(duì)流層低層冷渦系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件。而冷渦系統(tǒng)后部的冷平流又使得高層冷渦環(huán)流進(jìn)一步發(fā)展。在這樣的渦度平流和溫度平流的配置下，東北冷渦得以發(fā)展成一深厚且近乎穩(wěn)定的系統(tǒng)。

除了渦度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的相互配置外，東北冷渦的發(fā)展還與干侵入有密切關(guān)系（吳迪等，2010;沈浩等，2014）。23—24日，冷渦初生及發(fā)展階段，對(duì)流層高層的高位渦區(qū)逐漸向中層發(fā)展，高層干冷空氣迅速向中層大氣侵入，有明顯的干舌向中層伸展（圖3），強(qiáng)的干侵入過(guò)程促進(jìn)了冷渦系統(tǒng)的發(fā)展;25—26日，冷渦成熟階段，干侵入過(guò)程維持，高層高位渦下侵強(qiáng)度減弱，250 hPa附近位渦增至5～7 PVU，干冷空氣的下侵同樣減弱。27日之后，干侵入過(guò)程結(jié)束，高位渦區(qū)向?qū)α鲗痈邔邮湛s，冷渦逐漸消亡。綜上，以對(duì)流層高層高位渦區(qū)向中層發(fā)展和高層干冷空氣向低層大氣入侵為表征的干侵入過(guò)程對(duì)于東北冷渦的發(fā)展維持是至關(guān)重要的。

3.2 大尺度環(huán)流對(duì)初春東北冷渦的影響

以上探討了動(dòng)力和熱力因子對(duì)東北冷渦形成發(fā)展的重要作用，下面分析初春東北冷渦發(fā)生發(fā)展的大尺度環(huán)流背景。2008年3月，500 hPa上亞歐大陸中高緯均表現(xiàn)出位勢(shì)高度正異常，其中鄂霍次克海地區(qū)最為顯著（圖4a）。鄂霍次克海阻塞高壓表現(xiàn)為深厚的暖性高壓系統(tǒng)，在對(duì)流層中高層最為明顯，主體位于50°N附近，中心位勢(shì)高度正異常超過(guò)160 gpm（圖4b）。與位勢(shì)高度正異常相配合的是，鄂霍次克海上空對(duì)流層中層顯著偏暖，300 hPa以上則轉(zhuǎn)為偏冷。烏拉爾山地區(qū)的阻塞形勢(shì)類似（圖略）。烏拉爾山-鄂霍次克?！半p阻”形勢(shì)使得中高緯經(jīng)向環(huán)流顯著加強(qiáng)（Xie and Bueh，2016），有利于東北冷渦在初春形成發(fā)展。同時(shí)，500 hPa上西北太平洋存在位勢(shì)高度負(fù)異常，其與鄂霍次克海阻塞形勢(shì)相配合，類似于負(fù)位相的西太平洋遙相關(guān)型（謝作威和布和朝魯，2012），為冷渦向南發(fā)展提供了必要條件。烏拉爾山-鄂霍次克?！半p阻”控制了亞歐大陸中高緯，強(qiáng)大的鄂霍次克海阻塞高壓改變了對(duì)流層中層的大氣環(huán)流，為初春東北冷渦的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

阻塞高壓的維持除了能夠改變大尺度環(huán)流形勢(shì)外，還可以影響高低空急流的配置，從而對(duì)東北冷渦的發(fā)展和冷渦降水的形成產(chǎn)生重要作用（李爽等，2016）。阻塞高壓的存在使得鄂霍次克海上空對(duì)流層內(nèi)均表現(xiàn)為強(qiáng)暖異常，而西北太平洋則為冷異常（圖4b），這使得東亞中高緯之間的經(jīng)向溫度梯度減小，對(duì)流層內(nèi)盛行西風(fēng)減弱（圖5）。200 hPa上東亞西風(fēng)急流以南移為主，有利于引導(dǎo)東北冷渦向南發(fā)展。同時(shí)，高空急流的南移為東北地區(qū)上空輻散形勢(shì)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。而鄂霍茨克海上空的低層大氣被異常反氣旋環(huán)流所控制，東北地區(qū)出現(xiàn)東風(fēng)異常，這加強(qiáng)了北太平洋及日本海向東北地區(qū)的水汽輸送（圖5b），為冷渦降水的形成提供了充足的水汽。

圖6給出了2008年3月850 hPa和200 hPa速度勢(shì)及散度風(fēng)距平場(chǎng)?？梢钥闯觯瑹釒魈窖蠹昂Ｑ笮源箨懜浇鼘?duì)流層低層有輻合風(fēng)異常，而高層表現(xiàn)為輻散風(fēng)異常。熱帶東太平洋則相反。這樣的環(huán)流形勢(shì)表明熱帶西太平洋上升運(yùn)動(dòng)與東太平洋下沉運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)展加強(qiáng)，與沃克環(huán)流偏強(qiáng)相對(duì)應(yīng)，可能與2007/2008年拉尼娜事件存在聯(lián)系（吳俊杰等，2014）。

偏強(qiáng)的沃克環(huán)流使得西北太平洋中低層出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流（圖4a），同時(shí)熱帶西太平洋高層向北的輻散風(fēng)有利于激發(fā)經(jīng)向上向高緯傳播的波列，這對(duì)于鄂霍次克海阻塞高壓的形成和維持有相當(dāng)重要的作用（劉剛等，2012）。此外，在沃克環(huán)流偏強(qiáng)的大尺度環(huán)流背景下，東北地區(qū)表現(xiàn)出低層風(fēng)輻合和高層風(fēng)輻散的形勢(shì)，這促進(jìn)了該地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，有利于大范圍冷渦降水的形成。因此，中低緯大氣環(huán)流對(duì)熱帶太平洋海溫異常的響應(yīng)是影響初春冷渦及其天氣過(guò)程的重要因素。

除了熱帶太平洋海溫異常的外強(qiáng)迫作用外，前期冬季北大西洋海溫異常對(duì)初春冷渦的形成發(fā)展同樣有重要作用（Fang et al.，2018）。2007年11—12月北大西洋海溫存在明顯正異常，暖海溫異常通過(guò)加熱大氣引起了低層風(fēng)場(chǎng)輻合與中高層位勢(shì)高度正異常（圖7a）。2008年1—2月，由于北大西洋地區(qū)局地海氣相互作用（Czaja and Frankignoul，2002），暖海溫異常得以維持，但強(qiáng)度略微減弱，大氣對(duì)海溫異常的響應(yīng)主要表現(xiàn)為北大西洋-歐洲阻塞形勢(shì)的發(fā)展，格陵蘭島上空則有低值系統(tǒng)形成，而烏拉爾山地區(qū)同樣出現(xiàn)阻塞形勢(shì)（圖7b）。

2008年3月，北大西洋地區(qū)暖海溫異常仍然存在，暖異常中心主要位于北美東岸，北大西洋上空的強(qiáng)阻塞形勢(shì)維持，烏拉爾山阻塞高壓則進(jìn)一步發(fā)展（圖7c）。北大西洋暖海溫異常從前期冬季一直持續(xù)到初春，影響了烏拉爾山阻塞高壓的形成。而烏拉爾山阻塞高壓與鄂霍次克海阻塞高壓相配合，共同調(diào)控著歐亞大陸中高緯的大氣環(huán)流，是東北冷渦在初春形成發(fā)展的關(guān)鍵因素。

為了進(jìn)一步分析烏拉爾山-鄂霍次克海阻塞高壓的形成與Rossby波能量傳播之間的關(guān)系，本文分別計(jì)算2007年11—12月、2008年1—2月以及2008年3月250 hPa準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)距平和波作用通量場(chǎng)（圖8）。2007年11—12月，北大西洋上空存在明顯的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)正異常，且波動(dòng)能量不斷向西歐地區(qū)傳播（圖8a）。2008年1—2月，在北大西洋地區(qū)局地海氣相互作用的影響下，北大西洋-歐洲上空表現(xiàn)為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)正異常，格陵蘭島上空出現(xiàn)負(fù)異常（圖8b）。前期冬季北大西洋地區(qū)的異常Rossby波活動(dòng)導(dǎo)致了波動(dòng)能量不斷向下游的西歐地區(qū)傳播。2008年3月，北大西洋向歐洲地區(qū)的波動(dòng)能量傳播使得烏拉爾山附近出現(xiàn)強(qiáng)阻塞形勢(shì)（圖8c）。與此同時(shí)，西北太平洋地區(qū)出現(xiàn)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)負(fù)異常，鄂霍次克海地區(qū)則為正異常，這種模態(tài)與負(fù)位相的西太平洋遙相關(guān)型類似。西北太平洋向鄂霍次克海的波動(dòng)能量傳播加強(qiáng)了鄂霍次克海阻塞高壓，對(duì)東北冷渦的形成有重要作用。鄂霍次克海阻塞高壓西側(cè)，貝加爾湖附近有從高緯向低緯傳播的波活動(dòng)，這可能是導(dǎo)致冷渦過(guò)程中低槽快速東移發(fā)展的重要因子，為東北冷渦的長(zhǎng)時(shí)間維持提供了有利條件。因此，前期冬季持續(xù)的北大西洋海溫異常改變了局地大氣環(huán)流，北大西洋-歐洲阻塞形勢(shì)調(diào)控著中高緯高層環(huán)流場(chǎng)，進(jìn)而引發(fā)初春中緯度Rossby波活動(dòng)異常，導(dǎo)致了下游烏拉爾山地區(qū)強(qiáng)阻塞形勢(shì)的發(fā)展。而熱帶太平洋海溫異常通過(guò)影響中低緯環(huán)流系統(tǒng)激發(fā)了經(jīng)向上向高緯傳播的波列，導(dǎo)致了鄂霍次克海阻塞高壓的形成和維持。烏拉爾山阻塞高壓與鄂霍次克海阻塞高壓的同時(shí)發(fā)展會(huì)引起中高緯度大氣環(huán)流的組合性異常（李崇銀和顧薇，2010），亞歐大陸中高緯所呈現(xiàn)出的“雙阻”形勢(shì)對(duì)初春冷渦的發(fā)展和長(zhǎng)時(shí)間維持是有利的。

綜上，初春東北冷渦在渦度平流和溫度平流的相互配置下逐漸發(fā)展成深厚的環(huán)流系統(tǒng)，干侵入過(guò)程同樣是冷渦發(fā)展維持的關(guān)鍵因子。在熱帶太平洋和前期北大西洋海溫異常的外強(qiáng)迫作用下，烏拉爾山至鄂霍茨克地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)阻塞形勢(shì)，這為初春冷渦向南發(fā)展和維持提供了有利的環(huán)流背景，并通過(guò)改變對(duì)流層內(nèi)高低空急流為大范圍冷渦降水創(chuàng)造了有利條件。

4 初春冷渦降水的影響因子

4.1 初春冷渦降水概況

受東北冷渦影響，我國(guó)東北地區(qū)出現(xiàn)了一次大范圍降水過(guò)程，內(nèi)蒙古東部及黑龍江、吉林和遼寧大部出現(xiàn)小到中雨（圖9）。東北地區(qū)大范圍降水主要發(fā)生在24—26日，基本對(duì)應(yīng)于東北冷渦的成熟階段。這一結(jié)論與夏季冷渦降水的研究一致（鐘水新，2011）。大范圍降水落區(qū)位于冷渦中心附近，降水大值區(qū)主要位于冷渦中心偏西側(cè)，24日黑龍江東部?jī)烧军c(diǎn)日降水量超過(guò)15 mm。與夏季冷渦降水中心主要位于冷渦東南側(cè)不同，此次初春冷渦降水中心位于冷渦偏西側(cè)，這可能與冷渦成熟階段中心位置偏東及初春高空急流有關(guān)。

4.2 初春冷渦降水的形成過(guò)程及成因

首先分析影響冷渦降水的水汽和垂直運(yùn)動(dòng)條件。23—26日，在冷渦逐漸發(fā)展的過(guò)程中，東北地區(qū)上空對(duì)流層低層氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，800 hPa以下輻合運(yùn)動(dòng)不斷增強(qiáng)（圖10），而高層則以輻散形勢(shì)為主，這是由東北冷渦與高空急流的相對(duì)位置決定的（圖1）。在對(duì)流層低層輻合運(yùn)動(dòng)發(fā)展，高層輻散運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)的形勢(shì)下，上升運(yùn)動(dòng)得以在東北地區(qū)上空發(fā)展維持。23—26日，東北地區(qū)900 hPa以上均表現(xiàn)為上升運(yùn)動(dòng)（圖10）。大范圍降水的形成不僅僅需要強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，還需要充足的水汽條件和持續(xù)的水汽輸送與之配合。

圖11給出了3月24—25日東北地區(qū)整層水汽通量及水汽通量散度。24日，受冷渦影響，東北地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)水汽輻合，水汽輻合中心主要位于吉林西北部與黑龍江東部，與該日降水大值區(qū)相吻合。25日，東北冷渦發(fā)展至成熟階段，水汽輸送的氣旋式結(jié)構(gòu)顯著，這使得日本海上的水汽能夠不斷地向東北地區(qū)輸送，局地水汽輻合導(dǎo)致東北地區(qū)上空相對(duì)濕度顯著偏高（圖3），大范圍降水得以維持。

除了水汽與垂直運(yùn)動(dòng)條件的相互配合外，冷暖平流交匯引起的鋒面過(guò)程對(duì)于大范圍降水的形成也有相當(dāng)重要的作用（施春華等，2013）。24—26日，東北地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的鋒面活動(dòng)，42°N附近有強(qiáng)的冷暖平流交匯，鋒生函數(shù)持續(xù)為正（圖12a）。特別是在24日，冷渦降水最強(qiáng)的時(shí)段，120°E與130°E附近分別出現(xiàn)強(qiáng)的鋒生現(xiàn)象（圖12b），這與該日大范圍降水落區(qū)一致（圖9a）。25日，120°E附近的鋒面向東移動(dòng)，雨帶相應(yīng)地東移（圖9b）;而130°E附近的冷暖平流均減弱，鋒生函數(shù)減小，降水略微減弱。因此，與冷渦活動(dòng)相伴隨的冷暖平流交匯導(dǎo)致了強(qiáng)烈的鋒面活動(dòng)，大范圍降水落區(qū)與鋒生區(qū)具有較好的一致性，且鋒面的生消能夠與雨帶的移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。此外，冷暖平流交匯引起的鋒面抬升加強(qiáng)了東北地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展（圖10）。由于東北地區(qū)上空對(duì)流層高層存在明顯的干侵入（圖3），高層干冷大氣不斷向?qū)α鲗又袑尤肭?。而低層冷渦的氣旋式環(huán)流在東北地區(qū)引起了強(qiáng)烈的水汽輻合（圖11）。與冷渦活動(dòng)相對(duì)應(yīng)的高低空環(huán)流變化使得東北地區(qū)出現(xiàn)“上干下濕”的現(xiàn)象，對(duì)流層內(nèi)不穩(wěn)定能量不斷積累。當(dāng)鋒面過(guò)程觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放時(shí)，地面出現(xiàn)了大范圍降水過(guò)程（圖9）。

5 結(jié)論

2008年3月23—28日，我國(guó)東北地區(qū)經(jīng)歷了一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 d的冷渦天氣過(guò)程，大范圍冷渦降水給初春時(shí)節(jié)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了極其不利的影響。本文研究了初春東北冷渦的結(jié)構(gòu)特征，分析了大尺度環(huán)流對(duì)初春冷渦系統(tǒng)的可能影響機(jī)制及冷渦降水的主導(dǎo)因子，得出以下結(jié)論：

1）初春冷渦的高層環(huán)流場(chǎng)由經(jīng)向環(huán)流向緯向環(huán)流轉(zhuǎn)變。在冷渦發(fā)展階段，其上游的暖脊加強(qiáng)使得冷渦向南移動(dòng);成熟階段冷渦后部的低槽不斷引導(dǎo)冷空氣向冷渦中心輸送，導(dǎo)致了冷渦的長(zhǎng)時(shí)間維持。

2）對(duì)流層內(nèi)渦度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的相互配置為冷渦發(fā)展成深厚的環(huán)流系統(tǒng)提供了動(dòng)力和熱力條件，而干侵入對(duì)于冷渦的發(fā)展維持同樣有重要作用。2008年3月大尺度環(huán)流異常表現(xiàn)為烏拉爾山至鄂霍茨克海上空的強(qiáng)阻塞形勢(shì)，強(qiáng)大的鄂霍次克海阻塞高壓改變了對(duì)流層內(nèi)的大氣環(huán)流，影響了高低空急流的配置，這為初春冷渦向南發(fā)展和維持，以及冷渦降水的形成提供了有利的環(huán)流背景。熱帶太平洋和前期北大西洋海溫異常的外強(qiáng)迫作用引起Rossby波活動(dòng)異常，促使了鄂霍次克海和烏拉爾山阻塞高壓在初春形成發(fā)展。貝加爾湖附近從高緯向低緯傳播的波活動(dòng)可能是導(dǎo)致初春冷渦偏南并維持的重要因子。

3）此次初春冷渦降水主要發(fā)生在冷渦的成熟階段，冷渦的發(fā)展維持為大范圍降水提供了有利的環(huán)流背景，包括低層風(fēng)場(chǎng)輻合與高層輻散的形勢(shì)，持續(xù)的水汽輸送等。此外，冷渦過(guò)程中冷暖平流交匯引起了鋒面過(guò)程，促使大范圍降水在東北地區(qū)形成。

致謝：本文的數(shù)值計(jì)算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心的計(jì)算支持和幫助。

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Analysis on the structural characteristics of an early spring cold vortex event in northeastern China and the formation mechanism of vortex precipitation

LIU Danling，WANG Lijuan

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

In this study，based on the daily ERA-Interim reanalysis data and daily precipitation data from 753 stations throughout China，the synoptic process of the northeast cold vortex during the period of March 23—28，2008 was analyzed.In addition，the main factors influencing the cold vortex precipitation were also discussed.The results showed that，unlike the summer cold vortex，the upper-level circulation of the early spring cold vortex event underwent a transition from meridional circulation to zonal circulation.The establishment of the meridional circulation during the early stage guided the cold vortex to move southward，while the low trough to the rear （west） of the cold vortex supplied cold air for the development and maintenance of the cold vortex circulation.The blocking systems over the Eurasian continent were key factors influencing the early spring cold vortex.The Okhotsk Sea blocking high and Ural blocking high were respectively regulated by the tropical Pacific and preceding North Atlantic Sea surface temperature anomalies，which provided a beneficial background for the southward development and maintenance of the cold vortex.The jets at the lower and upper levels were also modulated by the Okhotsk blocking high，which was conducive to the formation of cold vortex precipitation.The configurations of the vorticity field and temperature field caused the cold vortex to develop into a deep circulation system，while the dry-air invasion also played an important role.The development of cold vortex circulation provided favorable vertical motion and water vapor conditions for precipitation in northeastern China.Finally，the frontal process induced by the cold and warm advection promoted the formation of large-scale precipitation.

northeast cold vortex;early spring;precipitation;blocking high

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200727001

（責(zé)任編輯：袁東敏）