5—8月東北冷渦降水過程統計特征及其降水特征對比研究

崔景琳 白愛娟

（1 成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；2 沈陽市氣象局，沈陽 110168）

0　引言

東北冷渦是影響我國東北地區的一種重要的切斷低壓系統，在夏季常帶來降水、大風甚至強對流天氣。據1956—1990年各月的資料統計分析，在4—10月東北地區37%的天數受東北冷渦影響，6—8月42%的天數受冷渦影響[1]。東北冷渦與中尺度天氣現象有較明顯的關系[2]。在冷渦的形成、發展、持續甚至消退期均可伴有暴雨、冰雹、雷暴、短時大風，甚至龍卷等強對流天氣[3]。近40%的東北冷渦能夠產生連陰雨天氣[4]。東北夏季70%的低溫時段是由冷渦造成的[5]。有些冷渦沒有降水出現，可能伴隨渦后的大風或者降溫天氣。東北地區獨特的地形特征，使得國內外研究其他切斷低壓的成果很難被直接借鑒。因此，本文對降水型冷渦進行分析，對了解東北冷渦的降水天氣具有很重要的意義。

國際上對中緯度切斷低壓的研究始于20世紀40年代[6]。隨后我國對東北冷渦也展開了研究[7]。但對冷渦降水的研究則起步較晚，陶詩言指出夏季在我國東北部和內蒙古的切斷低壓停滯少動，每隔12～24 h從冷渦中有小股冷空氣向南爆發，會帶來一次中間尺度的對流性天氣[8]。隨后學者們對東北冷渦的天氣學和氣候學特征展開研究，得到諸多成果[9-10]。

夏季冷渦降水是東北地區重要的天氣過程類型之一，尤其是當冷渦與副熱帶高壓、西南急流共同存在時，可導致強降水、區域性暴雨甚至致洪暴雨。如2010年7月27—29日冷渦暴雨過程，造成了吉林等地的洪澇災害等。因此冷渦產生的暴雨一直是被關注的重點。本文擬對夏季冷渦降水特征統計分析，對比研究冷渦環流形勢和其降水特征的差異，探究冷渦產生暴雨的原因，為冷渦強降水的預報提供依據。

1　資料選取與方法介紹

1.1　資料選取

東北地區夏半年中，5—8月冷渦活動頻繁[11]，降水量大，故本文選用2010—2014年5—8月的資料來分析冷渦降水過程特征。利用東北地區336個常規觀測站地面降水資料和NCEP提供的FNL再分析資料，對近5年5—8月的冷渦降水過程進行統計和分析。

1.2　東北冷渦降水過程的定義

東北冷渦常造成我國東北地區的低溫和降水天氣。朱乾根等[12]定義東北冷渦是指在我國東北地區附近具有一定強度（閉合等高線多于兩根）、能維持3～4 d，且有深厚冷空氣（厚度達300～400 m）的高空氣旋性渦旋。孫力等[1]根據研究需要，對東北冷渦給出了具體的定義：東北冷渦是指在500 hPa天氣圖上35°—60°N，115°—145°E范圍內出現等高線的閉合圈，并伴有冷中心或冷槽，且持續3 d及以上的低壓環流系統。

本文針對冷渦及其降水，確定了“東北冷渦降水過程”（簡稱冷渦降水過程）。該定義在上述定義的基礎上增加了伴隨降水生成的條件，同時為了盡可能多的保留冷渦過程個例，將冷渦持續時間調整為2.5 d。即選取在500 hPa天氣圖上，我國東北三省和內蒙古東部地區（35°—60°N，115°—145°E）范圍內有閉合低壓中心，并伴有冷中心或冷槽，持續2.5 d及以上，且在冷渦背景下產生降水的過程為一次冷渦降水過程。其中，冷渦過程中低渦中心和低壓槽所在的區域上，有10%以上的站次日降水量超過1 mm即為一次冷渦降水過程。定義后的冷渦降水過程更能突出其產生的降水特征。

1.3　冷渦降水過程的統計及個例選取方法

根據冷渦降水過程的定義，識別出2010—2014年5—8月的40次冷渦降水過程，對其月際變化、環流形勢特征及其降水進行統計分析。從分析結果出發，選取有代表性的個例進行對比分析，探究它們的降水形成機制。

2　冷渦降水過程的統計和分析

2.1　各月冷渦降水過程的天數變化特征

表1給出了5—8月各月冷渦降水過程的統計結果。其間共發生冷渦降水過程40例，每次過程平均持續3.6 d，共145 d，占全部天數的23.6%，達到孫力[1]統計的夏季全部冷渦過程的天數百分比的2/3左右。其中5月的冷渦降水過程最多，有14例，日數達到53 d，占5月天數的34.2%。7月次之，共發生11例冷渦過程，達到39 d，占全部日數的25.2%。6和8月的冷渦降水過程天數相當，且相對其他月份偏少。各月的冷渦降水過程平均天數相差不大，均在3.6 d左右，從5月至8月逐月稍有遞減。

表1　2010—2014年5—8月冷渦降水過程的統計Table 1 Statistics of the NECV precipitation for May to August in 2010-2014

2.2　冷渦降水過程的降水特征

表2分析了冷渦產生降水的特征與冷渦的發生月份、移速間的關系。按照冷渦降水過程的強度，將上述40例過程分為暴雨型（有一個以上測站降水量達到50 mm以上）和非暴雨型（各站均未達到50 mm以上）兩類。在40例冷渦降水過程中，暴雨型和非暴雨型的冷渦各有20例。在暴雨型的20例冷渦降水過程中，有10例發生在7月，5例發生在8月，4例發生在6月，僅有1例發生在5月。在非暴雨型的20例冷渦中，有13例發生在5月，4例發生在6月，2例發生在8月，僅有1例發生在7月。

表2　2010—2014年5—8月冷渦移速與降水量級的統計分析Table 2 Statistical analysis of the NECV velocity and rainfall-level for May to August in 2010-2014

根據冷渦低壓中心的移速進行分類。其24 h內緯向移速大于4個經度，或經向移速大于2個緯度的冷渦為快速型；反之為慢速型。在40例冷渦降水過程中，快速型有25例，其中5月有11例，6和8月均有5例，7月僅有4例。慢速型冷渦有15例，其中7月有7例，5和6月均有3例，8月僅有2例。非暴雨型冷渦則在5月最多、7月最少。總之，5月的冷渦以弱降水為主，而且冷渦多移速快。相反7月的冷渦以強降水為主，冷渦多移速慢。6和8月冷渦移速和降水強度較為適中。

為探究冷渦降水強度與冷渦位置變化之間的關系，將冷渦初生（閉合中心形成時）和強盛（中心氣壓達到最低值時）對應的冷渦中心標注在圖1中。其中除去了冷渦初始時刻低壓中心位置不明顯，或強盛階段因冷渦中心位置擺動很大而無法確定中心位置的12例過程。針對余下的28例（非暴雨16例，暴雨12例）冷渦降水過程分析發現，初生時刻中心位置在50°N以北時，產生非暴雨的冷渦數量偏多。初生時刻中心位置在50°N以南時，產生暴雨或者非暴雨的個例數量差異不大。圖1與表2共同分析發現，非暴雨型冷渦大多移速快，在其初生至強盛過程中，位置變化也較大。暴雨型冷渦的快速型與慢速型數量相當，但其初生至強盛時刻位置變化不會太大。具體統計50°N以北的冷渦數目，共有14例，其中5例暴雨型冷渦均為慢速型，其余9例快速型冷渦中有5例未產生暴雨。

可見，冷渦是東北地區5—8月主要的天氣系統之一，其間約1/4的天數有冷渦降水，一半的冷渦產生較強天氣，其余為弱降水過程。其中非暴雨冷渦多移動較快，而暴雨型冷渦移速相對緩慢。偏北位置生成的冷渦通常會產生非暴雨天氣，而位置偏南的冷渦，可能產生暴雨或者非暴雨天氣，降水強度差異較大。鑒于冷渦產生的降水強度差異很大，暴雨和弱降水都有可能出現，以下選取兩次降水強度明顯不同的冷渦過程，對比分析冷渦產生強降水的有利條件。

圖1　28例冷渦初生（a）和強盛（b）時刻冷渦中心位置分布（R：暴雨過程；N：非暴雨過程）Fig. 1 Center locations at primary time (a) and at strong powerful time (b) of 28 cases of the NECV (R: rainstorm process; N: nonrainstorm process)

3　兩次不同強度冷渦降水過程的對比分析

選取2010年7月25—29日暴雨過程（下稱過程一）和2013年5月28日—6月1日非暴雨過程（下稱過程二）進行對比，探究冷渦產生強降水的有利條件。

3.1　兩次冷渦降水過程的選取

兩次過程的降水實況對比見表3。兩次過程降水均持續4 d。過程一中產生降水的323個站次中，有122個站次為中雨以上量級，有10個站次發生暴雨，4個站次發生大暴雨，最大降水量達到147 mm，為一次暴雨型冷渦過程。過程二共有224個站次發生降水，以小雨和中雨為主，最大降水量僅為34 mm，為一次非暴雨天氣過程。

表3　兩次冷渦降水過程常規觀測站降水概況對比Table 3 Comparison of precipitation in two observations of the NECV

兩次降水過程的降水落區也存在一定差異，如圖2。將過程降水量與冷渦流場圖（圖3）對比，過程一的降水落區主要位于冷渦中心附近地區，以及東南側的槽前偏西氣流中；而過程二的降水落區位于冷渦中心附近區域。

圖2　兩次冷渦過程累積降水量分布（單位：mm）

對比兩次過程的環流形勢（表4），發現它們具有較大的相似性。兩次冷渦均在內蒙古東北部邊界處生成，沿黑龍江北側邊界發展和移動，其強度相當。冷渦形成3 d過后，均從黑龍江東北界移出我國。過程一最終在鄂霍茨克海以西消亡，過程二在俄羅斯東部消亡。冷渦均有500 hPa副熱帶高壓和200 hPa高空急流相配合。但過程一的副高和急流均較過程二的偏北，這一差異將在下面的環流形勢中具體分析。

上述兩次冷渦降水過程降水的強度和落區差異甚大，但其冷渦系統強度及其環流形勢相似。故選取這兩次降水過程進行研究，對比分析相似的冷渦強度和環流形勢下造成降水強度差異的原因，探究冷渦產生強降水的有利條件。

3.2　兩次過程的環流形勢簡介及高空輻散特征對比

3.2.1環流形勢對比分析

根據冷渦閉合等壓線的條數和中心位勢高度值的強弱變化定義冷渦的各個階段：將冷渦形成和維持一個閉合環流圈的時段定義為初生階段，將閉合環流圈數增加和中心位勢高度變低的時段定義為發展階段，將冷渦低壓環流圈條數和中心強度維持的時段稱為成熟階段，冷渦的減弱時段為消亡階段。

過程一2010年7月26日02—08時，在黑龍江與內蒙古北部的交界處生成一個閉合環流圈，低渦后有冷中心配合，為冷渦初生階段（圖3a）。26日08日—27日20時，冷渦中心發展加深，最強達552 dagpm，冷中心稍落后于低壓中心，沿黑龍江北界向東南方向移動，為冷渦的發展階段（圖3c）。27日20日—28日20時冷渦中心穩定維持在556 dagpm，位置移動緩慢，溫度中心與高度中心接近重合，為冷渦的成熟階段（圖3e）。這一階段中產生的降水最強，有9個站次6 h降水量超過50 mm。隨后冷渦在黑龍江東側移出我國并減弱，為冷渦消亡階段（圖3g）。在冷渦發展和成熟階段，均有3～4個閉合環流圈。各階段中，500 hPa西太平洋副熱帶高壓維持在35°—40°N的日本至黃海地區。200 hPa高空急流位于45°—51°N，急流核位于蒙古西部地區，冷渦位于高空急流出口區的左前側，此處存在的高層輻散有利于冷渦背景下中尺度系統的垂直上升運動。

過程二2013年5月28日14時（圖3b），在內蒙古東北側形成閉合低壓中心，冷槽位于內蒙古中部地區，冷中心不明顯，至20時為冷渦初生階段。28日20時—29日08時，冷渦中心發展加深至540 dagpm，冷中心明顯，溫度槽稍落后于高度槽，共同沿黑龍江北界向東南移動，為冷渦的發展階段（圖3d）。29日08時—31日08時，冷渦強度維持，溫度槽與高度槽接近重合，為冷渦的成熟階段（圖3f）。31日08時后冷渦從黑龍江北側移出我國，為冷渦的消亡階段（圖3h）。冷渦的發展和成熟階段，均有3～4個閉合環流圈。過程二中副熱帶高壓588 dagpm線維持在30°N附近的黃海地區。200 hPa高空急流位于36°—41°N的我國華北地區。在發展和成熟階段，冷渦均位于高空急流核的北側，與過程一冷渦處于急流出口區的左前側相比，過程二對冷渦附近區域的輻合和上升運動并不十分有利。

圖3　兩次過程500 hPa高度場（實線，單位：dagpm）、溫度場（虛線，單位：℃）和200 hPa大風速帶（陰影，單位：m/s）的對比Fig. 3 Comparison of the 500 hPa height field (solid line, unit: dagpm), temperature field (dashed line, unit: ℃) and 200 hPa wind velocity zone (shading, unit: m/s) between the two NECV processes

對比兩次過程的環流形勢，冷渦發展和成熟階段冷渦強度和位置十分相似。過程一中冷渦位于高空急流出口區的左前側，高空急流出口區的次級環流有利于冷渦及其附近地區的輻合和上升運動。過程二中冷渦位于高空急流核的北側，與過程一相比，則冷渦的輻合上升條件稍差。過程一的副熱帶高壓更偏北，與過程二相比，可能具有更有利的水汽條件。

3.2.2高空急流及輻散特征對比分析

對比兩次過程初始階段高空急流和高空輻散場。如圖4a，過程一冷渦位于200 hPa高空急流出口區的左前側，在冷渦東側第二與第三條閉合圈內有一南北走向的強輻散中心，強度達到60×10-4kg·hPa-1·m-2·s-1，向南延伸至黑龍江、吉林西側的冷渦槽區。高空輻散為冷渦降水提供了良好的動力條件。過程二冷渦位于200 hPa急流核的東北側附近，輻散區則位于急流出口區的左前側，即冷渦最外層閉合圈的東側，且冷渦的低槽區域沒有高空輻散區配合，這樣的輻散條件則不利于提供上升運動的背景條件。

表4　兩次冷渦降水過程環流形勢對比Table 4 Comparison of circulation patterns in two NECV precipitation processes

圖 4 兩次過程500 hPa初生階段高度場（單位：dagpm）、200 hPa大風速帶（陰影，單位：m/s）和散度場（單位：10-4kg·hPa-1·m-2·s-1）對比分析Fig. 4 Comparison of the 500 hPa height field (solid line, unit: dagpm), 200 hPa wind velocity zone (shading, unit: m/s)and divergence field (solid line, unit: 10-4kg·hPa-1·m-2·s-1)

從冷渦的環流形勢來看，兩次過程冷渦各個階段的位置和強度十分相似，移動方向和持續時間也較相似。兩次過程200 hPa高空急流相對冷渦的位置有所差異，則高空急流的次級環流上升支對應的高空輻散區相對于冷渦的位置有差異，導致兩次過程的動力條件有所差異，過程一更有利于大氣的持續上升運動。

3.3　降水差異對比及其原因分析

兩次過程的顯著降水時段均在冷渦的發展階段和成熟階段。選取其中降水最強的24 h降水量對比分析（圖5），過程一降水中心位于冷渦槽前的吉林東南部，為暴雨量級。過程二降水落區位于冷渦附近地區的黑龍江與內蒙古交界處冷渦，降水強度以小雨到中雨為主。從對比分析環流形勢和降水差異的結果出發，分別對比分析冷渦各階段的動力條件和水汽條件，診斷分析兩次過程降水強度差異的原因。

3.3.1冷渦動力條件對比分析

沿冷渦中心做經向垂直剖面，對比分析系統的南北風分量以及垂直運動條件（圖6）。過程一初期冷渦低層及其南側為偏北氣流區，高層及冷渦北側為偏南氣流區。在冷渦初生階段（圖6a），在冷渦南側400 hPa附近的偏南氣流與偏北氣流的交匯區，形成了較強的上升運動區中心，強度達到－0.6 Pa/s。在冷渦發展階段（圖6c），冷渦上空的偏南氣流區被偏北氣流切斷，在冷渦南側，上空形成一個強盛的偏南氣流中心，中層為偏北氣流區，超低空為另一偏南氣流區。這樣的南北方向氣流在垂直方向上的耦合疊加，產生了強烈的垂直上升運動，達－1.2 Pa/s，上升區對應降水中心所在的區域。在冷渦成熟階段（圖6e），高空偏南氣流減弱，但高低空的風向切變以及空氣的上升運動仍然維持。在成熟階段后期（圖6g），高空偏南氣流消失，上升運動強度維持，但其區域開始縮小。這一過程中，冷渦南北氣流的高低空切變區及上升運動區，一直與6 h降水中心（圖略）區域位置對應。至消亡階段（圖略），上升運動區域縮小，強度驟減至－0.6 Pa/s，冷渦降水也隨之減弱。

圖5　兩次冷渦過程中顯著降水時段的24 h降水量（單位：mm）（a）2010年7月27日20時—28日20時，（b）2013年5月28日20時—29日20時Fig. 5 The 24-hour precipitation during the main precipitation period in the two NECV (a) 20 BT 27 to 20 BT 28 July 2010,(b) 20 BT 28 to 20 BT 29 May 2013

在過程二的初生階段（圖6b），經過冷渦中心的經向垂直方向上以偏南氣流為主，在冷渦北側的低層區域有小范圍的偏北氣流區，在南北氣流交匯的500 hPa附近存在上升運動的強中心，達－1.2Pa/s。在冷渦發展階段（圖6d），冷渦北側的中低層有偏北氣流侵入，南北氣流交匯明顯，該處的上升運動區也明顯增大，這一區域與冷渦的6 h降水中心吻合，且降水強度在這一時段內相對最強。冷渦成熟階段，強盛的偏北氣流由低層至高層侵入到冷渦內部（圖6f），冷渦中層和下層均為偏北氣流控制，上升運動也僅存于冷渦北側的弱切變區，強度微弱，降水強度也隨之驟減。至成熟階段后期（圖6h），冷渦由低層至300 hPa均為強盛的偏北氣流控制，冷渦的垂直運動微弱。冷渦成熟階段后期及消亡階段，盡管冷渦低壓中心強度仍在維持，但其內部被偏北氣流占據，使冷渦主體變得干冷，降水微弱。

兩次過程冷渦中心附近的南北氣流分布明顯不對稱。過程一垂直方向上，南北氣流切變位于冷渦的南側，且偏南氣流和偏北氣流在較長的時間內強度差異不大，這樣使得風向的垂直切變強烈且持續存在，上升運動則在冷渦南側得以維持。而過程二南北氣流的切變區位于冷渦的北側，且在冷渦發展階段后期，偏北氣流開始大范圍侵入，阻礙并切斷了南北氣流的交匯，冷渦系統下的切變和垂直運動也隨之減弱和停止。

可見，在不同的冷渦過程中，南北氣流交匯區的位置差異可能很大，位于冷渦的南側或北側均有可能。降水中心則位于南北氣流交匯的強上升運動區內，這是造成兩次過程降水中心落區差異的原因之一。冷渦內部的偏北氣流的大范圍增強，會導致切變、上升運動以及降水強度的驟減。關注冷渦內部南北氣流的強度和位置變化對于冷渦降水的強度和落區變化十分重要。

3.3.2水汽條件的對比分析

對比分析兩次過程發生顯著降水前期的相對濕度和整層可降水量（圖7）發現：在顯著降水發生的前期，降水中心及附近的相對濕度均達到90%。過程一降水區域的整層可降水量達到600～900 g/m2，過程二的整層可降水量為600～1200 g/m2。兩次過程降水初期的水汽條件良好且相似。可見降水初期的水汽條件并不是導致降水強度差異的原因。

對比兩次過程顯著降水時段水汽輸送條件，選取兩次過程顯著降水時段中多個時次的850 hPa水汽通量散度和水汽通量場進行對比分析。過程一850 hPa（圖8a～8c）由遼寧向吉林南部地區有一較強的水汽通量帶。冷渦系統南側有一個強水汽輻合中心，強度達到－6×10-4kg·hPa-1·m-2·s-1，穩定位于吉林東南部地區，維持了24 h以上。過程二28日20時，在內蒙古東北部有較小的水汽通量和極小范圍的水汽輻合中心，位于冷渦氣旋北側（圖8d）。至29日02時水汽的輻合區東移至黑龍江北部，范圍略有增大（圖8e）。至29日08時，冷渦附近的水汽輻合中心消失（圖8f）。水汽輻合區在冷渦北側的持續時間不足6 h。

圖6　兩次過程沿冷渦中心所在經度的經向速度（實線：偏南風，虛線：偏北風，單位：m/s）和垂直速度（陰影，單位：Pa/s）垂直剖面（緯度軸上的標注為各時次冷渦中心所在位置）Fig. 6 Zonal velocity profile and vertical profiles of the center of the NECV (solid line: southerly wind, dashed line:northerly wind,unit: m/s. The location of the center of NECV marked on latitude axis)

綜合分析兩次過程的動力條件和水汽條件發現：過程一冷渦內部的南北氣流強度相當，在冷渦南側有持續的垂直風切變存在，冷渦南部的上升氣流強烈而持久，形成了持續且強盛的水汽輻合條件，這是過程一產生暴雨的原因。過程二在冷渦發展過程之后，偏北氣流強盛，迅速侵入到整個冷渦結構內，南北氣流的切變減弱消失。過程二切變的短暫存在，不利于產生強烈的上升運動和持續的水汽輻合，僅導致弱降水的形成。

4　結論

圖7　兩次冷渦過程中顯著降水時段初期850 hPa相對濕度（a，b，單位：%），整層可降水量（c，d，單位：g/m2）的對比（a，c：2010年7月27日12時； b，d：2013年5月28日00時）Fig 7 The contrast of relative humidity (a, b, unit: %) and the whole layer precipitable water vapor (c, d, unit: g/m2) before the main precipitation period at 850 hPa (a, c: 12 BT 27 July 2010; b, d: 00 BT 28 May 2013)

圖8　兩次冷渦過程中顯著降水時段的850 hPa水汽通量散度（陰影；單位：10-4 kg·m-2·s-1）和水汽通量的對比Fig. 8 The contrast of water vapor flux divergence (shaded, unit: 10-4 kg·m-2·s-1)and water vapor flux during the main precipitation period of two NCEV processes at 850hPa

本文定義了東北冷渦降水過程，利用常規觀測資料和FNL再分析資料，識別出了2010—2014年5—8月的40例冷渦降水過程，對其月際變化、冷渦及降水特征進行統計分析，選擇其中兩次冷渦強度和位置均十分相似的暴雨和非暴雨冷過程進行對比分析。主要結論如下：

1）東北地區5—8月約有1/4的天數有冷渦降水天氣。其中5月冷渦降水過程天數最多，但移速快，降水弱。7月次之，冷渦移速慢，降水強。6和8月天數相對各月最少，且數目相當，降水強度適中。暴雨型和非暴雨型冷渦降水過程數量相當。非暴雨冷渦多且移動較快，而產生暴雨的冷渦均移速相對緩慢。偏北位置生成的冷渦通常會產生非暴雨天氣，而位置偏南的冷渦可能產生暴雨或者非暴雨天氣，降水強度差異較大。

2）本文選取的兩次暴雨型和非暴雨型冷渦，產生降水的強度和落區差異甚大。但其初生、發展和消亡時所在的位置、強度和持續時間均十分相似。

3）兩次過程降水初期的水汽條件相似。暴雨型冷渦大尺度背景下的上升條件更佳。暴雨型冷渦其南部持續的垂直風切變，使得冷渦南部形成了持續的上升運動以及強水汽輻合，這是過程一產生暴雨的原因。非暴雨型冷渦過于強盛的偏北氣流破壞了冷渦北部的水汽輻合中心，過程中僅產生弱降水。

4）冷渦垂直方向上的溫壓結構和風場結構并不對稱，冷渦降水中心位于南北氣流交匯的一側。在冷渦降水預報中，關注冷渦垂直方向上南北氣流的交匯區域及其持續時間，對冷渦降水的量級和落區預報有很重要的意義。

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