東北冷渦氣候特征及其對內(nèi)蒙古降水的影響

劉煒

（1.內(nèi)蒙古氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.東北冷渦研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110166）

引言

東北冷渦是影響我國東北地區(qū)天氣氣候的重要天氣系統(tǒng)，其活動多寡是造成東北地區(qū)洪澇、干旱和低溫冷害的重要原因[1-2]。20 世紀(jì)80年代以來，東北冷渦活動強(qiáng)弱對我國東北地區(qū)夏季氣候的影響十分顯著[3]。頻繁的東北冷渦活動，不僅影響到中短期天氣，而且對短期氣候同樣有著較大影響，具有顯著的氣候效應(yīng)，這種氣候效應(yīng)主要體現(xiàn)在冷渦系統(tǒng)的頻繁出現(xiàn)會給東北地區(qū)夏季帶來低溫多雨天氣，甚至帶來洪澇災(zāi)害[4-6]。目前東北冷渦活動過程大都是針對本地區(qū)地理位置進(jìn)行識別，而內(nèi)蒙古還沒有針對本地區(qū)的冷渦活動序列。本文旨在通過客觀識別影響內(nèi)蒙古的東北冷渦活動日數(shù)和頻次，對冷渦活動進(jìn)行定量化描述并探討其與內(nèi)蒙古降水的關(guān)系，以期為影響內(nèi)蒙古的東北冷渦活動及月降水預(yù)測提供一定的預(yù)測依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為內(nèi)蒙古氣象信息中心1981—2017年5—8月內(nèi)蒙古116 個氣象觀測站逐日降水量以及美國國家環(huán)境預(yù)報中心/國家大氣科學(xué)研究中心1981—2017年逐月再分析資料，水平分辨率為2.5 °×2.5 °[7]，要素場包括緯向風(fēng)、位勢高度、溫度場。氣候平均值為1981—2010年30年平均。

1.2 東北冷渦客觀識別方法

本文對東北冷渦的客觀識別采用傳統(tǒng)東北冷渦定義，即東北冷渦為符合下述條件的一次天氣過程：在500 hPa天氣圖上至少能分析出一條閉合等高線，并有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環(huán)流系統(tǒng)；冷渦出現(xiàn)在115 °—145 °E，35 °—60 °N范圍內(nèi)；冷渦在上述區(qū)域內(nèi)的生命史至少為3 d或3 d以上[3]。在此傳統(tǒng)定義基礎(chǔ)上，參考劉剛[8]、蔣大凱等[9]對東北冷渦的判別方法，給出如下識別步驟：

（1）由于太偏北或偏東的冷渦對內(nèi)蒙古影響較小，所以本文研究的東北冷渦中心選擇區(qū)域?yàn)?15 °—135 °E，35 °—55 °N范圍。在此范圍內(nèi)找到位勢高度最低值，確定為東北冷渦中心。

（2）從東北冷渦中心向四周8個方位延伸，確定低值中心高度值均不高于該點(diǎn)所有周邊8 個點(diǎn)（至少有6 個），且每個方向上的遞增格點(diǎn)數(shù)至少為2 個。

（3）在8 個方向上，判斷位勢高度最低值的正北、東北和西北3 個方向的緯向風(fēng)是否為負(fù)；位勢高度最低值的正南、東南和西南3 個方向的緯向風(fēng)是否為正；若滿足條件，說明風(fēng)場閉合。

（4）在以位勢高度低值中心點(diǎn)為中心，在經(jīng)緯度15 °×10 °網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)存在任意緯向連續(xù)5 個格點(diǎn)溫度二階導(dǎo)數(shù)≥0。

（5）如果連續(xù)3 d均滿足以上條件，且連續(xù)存在的低值中心日移動距離≤10 個經(jīng)度或緯度距離；若滿足條件，則確定為一次東北冷渦過程。

根據(jù)以上冷渦客觀識別方法對冷渦活動過程進(jìn)行自動識別，相較于通過逐日天氣圖的人工識別方法更為方便和快捷。

2 東北冷渦活動特征

按照上述東北冷渦客觀識別方法，對東北冷渦過程進(jìn)行篩選、追蹤，確定東北冷渦發(fā)生頻次、每一次冷渦過程持續(xù)日數(shù)等信息。將客觀識別出的冷渦活動日數(shù)與孫力等[10]通過人工識別方法統(tǒng)計的夏季東北冷渦發(fā)生日數(shù)做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)二者在1981—1997年夏季冷渦日數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.66，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)，驗(yàn)證了東北冷渦識別方法的合理性。此外，將1981—2017年5—8月東北冷渦活動日數(shù)分別與同期500 hPa高度場進(jìn)行相關(guān)分析（圖1），發(fā)現(xiàn)在東北亞地區(qū)呈現(xiàn)出顯著的“南負(fù)北正”偶極型相關(guān)分布，顯著負(fù)相關(guān)區(qū)與冷渦客觀識別區(qū)域較為吻合，主要位于115 °— 140 °E，35 °— 50 °N范圍內(nèi)。內(nèi)蒙古東部乃至整個東北地區(qū)處于顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域內(nèi)，且鄂霍次克海地區(qū)存在顯著的正相關(guān)，這種偶極型的相關(guān)分布也從另一個角度驗(yàn)證了東北冷渦客觀識別的科學(xué)性。

圖1 5—8月冷渦活動日數(shù)與同期500 hPa高度場相關(guān)（陰影區(qū)通過0.05顯著性檢驗(yàn)）（a. 5月；b. 6月；c. 7月； d. 8月 ）

經(jīng)過客觀識別，對近37年 5—8月東北冷渦活動過程進(jìn)行了統(tǒng)計分析（表1）。6、7月的活動日數(shù)比例分別為44.3%和39.8%，5月和8月活動日數(shù)的比例較6、7月明顯減小，分別為36.8%和33.7%。6月和7月的平均活動日數(shù)分別為13.3、12.3 d，較5月和8月多1～3 d； 5—8月平均每次冷渦活動過程的持續(xù)時間為5～6 d。上述5—8月東北冷渦活動統(tǒng)計特征表明，東北冷渦為東北亞地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，其活動頻率可達(dá)40%左右。

表1 1981—2017年5—8月東北冷渦活動統(tǒng)計特征

圖2、3給出1981—2017年5—8月東北冷渦發(fā)生次數(shù)、活動日數(shù)的演變特征。5月東北冷渦活動日數(shù)在年際變化上呈現(xiàn)增多的趨勢特征，而過程次數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢特征，即每次冷渦活動的維持日數(shù)在增加。1993、2002、2005、2011年冷渦發(fā)生次數(shù)最多，均達(dá)4 次，而1987、2006、2009年無冷渦過程。2008、2011年冷渦發(fā)生日數(shù)較多，分別為20、22 d。5月東北冷渦過程次數(shù)和活動日數(shù)具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 5—8月冷渦過程發(fā)生次數(shù)

圖3 5—8月冷渦過程發(fā)生日數(shù)

6月東北冷渦活動日數(shù)在年際變化上呈現(xiàn)增加的趨勢特征，而過程次數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢特征。1981、1990、2009年冷渦發(fā)生最多，均達(dá)4 次，而1982、1994年無冷渦過程；從6月冷渦活動日數(shù)可知，1990、2009年冷渦發(fā)生日數(shù)較多，分別達(dá)到21、26 d。6月東北冷渦過程次數(shù)和活動日數(shù)具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

7月東北冷渦活動次數(shù)和冷渦過程日數(shù)均呈減少的趨勢。1986、1988、1991、1993、1998、1999、2000、2001、2002、2003、2009、2010年冷渦發(fā)生次數(shù)最多，均達(dá)3 次，而1994年無冷渦過程；1986、2003年冷渦活動日數(shù)較多，分別達(dá)到23 d和19 d。7月東北冷渦過程次數(shù)和活動日數(shù)具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

8月東北冷渦活動次數(shù)和日數(shù)呈現(xiàn)一致增多的趨勢特征。2013年冷渦發(fā)生次數(shù)最多，為5 次，而1982、1984、1989、1996、2008、2012年無冷渦過程；1986、2015年冷渦發(fā)生日數(shù)較多，分別為24、25 d。8月東北冷渦過程次數(shù)和活動日數(shù)具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。

根據(jù)上述分析，5—8月冷渦活動次數(shù)和日數(shù)的演變具有較好的相關(guān)性，直觀地表明每一次冷渦過程平均維持期的穩(wěn)定性特征。

3 東北冷渦活動日數(shù)與內(nèi)蒙古降水的關(guān)系

對1981—2017年5—8月各月東北冷渦活動日數(shù)與同期降水進(jìn)行相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)（圖4），5月冷渦活動日數(shù)與同期降水在東部偏北的大部地區(qū)存在顯著正相關(guān)；6月顯著正相關(guān)區(qū)域較5月略向北收縮，主要位于呼倫貝爾市北部和中部地區(qū)；7月冷渦活動日數(shù)與降水的顯著正相關(guān)區(qū)主要集中在呼倫貝爾市偏南部及興安盟北部地區(qū)；8月冷渦活動日數(shù)與降水存在顯著正相關(guān)的區(qū)域與5月基本一致。從5—8月各月冷渦日數(shù)與降水的顯著相關(guān)區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，冷渦活動對于內(nèi)蒙古降水的顯著影響區(qū)域主要位于東部地區(qū)，其中5月和8月的相關(guān)區(qū)范圍最大，而6、7月的顯著區(qū)分別偏北和偏南，這可能是由于不同月份冷渦活動的位置變化引起的。

圖4 1981—2017年5—8月冷渦活動日數(shù)與同期降水的相關(guān)分布（陰影區(qū)通過0.05信度檢驗(yàn)）（a.5月；b.6月；c.7月；d.8月）

為了進(jìn)一步說明東北冷渦活動與內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水的關(guān)系，選取呼倫貝爾市、興安盟、通遼市北部、赤峰市東北部和錫林郭勒盟東北部共計36 個站點(diǎn)的降水量作算術(shù)平均（圖略），將該區(qū)域冷渦日累積產(chǎn)生的降水認(rèn)定為東北冷渦降水。由于7、8月東部地區(qū)受夏季風(fēng)北推的影響，冷渦日產(chǎn)生的降水不一定是由于冷渦活動造成的，故只對5、6月冷渦日累積降水與同期冷渦日數(shù)進(jìn)行了對比分析。由圖5可知，冷渦活動日數(shù)與東部偏北地區(qū)冷渦日累積降水量均呈現(xiàn)較為一致的波動特征，二者相關(guān)系數(shù)為0.56，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。5月冷渦日數(shù)較多的年份如1981、1982、2008、2011、2014年，相應(yīng)的冷渦日累計降水量也顯著偏多；相反，無冷渦活動的年份如1987、2006、2009年，降水異常偏少。6月，冷渦活動日數(shù)與東部偏北地區(qū)冷渦日累計降水量的相關(guān)系數(shù)為0.64，通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。6月冷渦日數(shù)較多的年份如1989、1990、1992、1996、1998、2002、2003、2009、2016年，相應(yīng)的冷渦日累計降水量顯著偏多；相反，無冷渦活動的1982、1994年，降水異常偏少。上述特征反映了冷渦雖然是天氣尺度系統(tǒng)，但由于其具有“累積效應(yīng)”，所以在月尺度上與其影響地區(qū)的降水存在較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 1981—2017年東北冷渦活動日數(shù)（實(shí)線）與同期內(nèi)蒙古東部偏北地區(qū)冷渦日累積降水量（柱形條）（a. 5月；b. 6月）

4 結(jié)論

通過以上分析，得出以下結(jié)論：

(1)東北冷渦活動日數(shù)與500 hPa高度場在東北亞地區(qū)呈現(xiàn)出顯著的“南負(fù)北正”偶極型相關(guān)分布，顯著負(fù)相關(guān)區(qū)與冷渦客觀識別區(qū)域較為吻合，驗(yàn)證了東北冷渦客觀識別的科學(xué)性。

(2)東北冷渦作為東北亞地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，5—8月平均每次冷渦活動過程的持續(xù)時間為5～6 d，活動日數(shù)頻率達(dá)40%左右。

(3)5、6月冷渦活動次數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢特征，而活動日數(shù)呈增多的趨勢特征；7、8月冷渦活動次數(shù)和日數(shù)分別呈一致減少和一致增多的趨勢。5—8月冷渦活動次數(shù)和日數(shù)二者演變具有較好的相關(guān)性，代表每一次冷渦過程平均維持期的穩(wěn)定性特征。

(4)5—8月東北冷渦活動日數(shù)與內(nèi)蒙古同期降水存在顯著正相關(guān)的區(qū)域主要位于東部偏北地區(qū)。5、6月冷渦活動日數(shù)與冷渦日東部偏北地區(qū)累積降水量存在顯著正相關(guān)，這表明冷渦活動具有“累積效應(yīng)”，在月尺度上與其影響地區(qū)的降水存在較好的對應(yīng)關(guān)系。