基本介紹
- 中文名：東北冷渦
- 外文名：Northeast cold vortex
- 北緯：35-60度
- 東經：115-145度
- 從地面到上空：6000米
時空分布,影響天氣與危害,近年出現情況,相關研究,東北冷渦及其氣候影響,資料和方法,梅雨期東北冷渦和降水量的關係,東北冷渦影響梅雨的可能機制分析,研究結論,
時空分布
東北冷渦一年四季都可能出現，但夏季出現的幾率要明顯大於冬季。東北冷渦活動的最大密集帶從4月份開始逐漸向南移動。冷渦密集區初春主要在東北平原的北部，大約位於北緯52度左右，且呈緯向分布。另一個主要的密集區位於東北平原的中部和西北日本海沿岸。一般情況下，在北緯40-45度區域內的東北冷渦常常給遼寧帶來連續幾天的間斷性降水、持續多日的氣溫下降天氣，40-45度區域內的東北冷渦在初春時節出現頻率較低。
影響天氣與危害
東北冷渦是從地面到6000米上空的一個冷性氣柱，在500百帕天氣圖上至少能分析出一條閉合等高線，並有冷中心或明顯冷槽配合。冷渦中的空氣柱處於上冷下暖的不穩定狀態，常會產生陣雨、雷陣雨甚至雷雨大風或冰雹等不穩定天氣，有時，強烈發展的冷渦也會造成較大範圍的暴雨天氣。由於東北冷渦是個深厚的天氣系統，移動緩慢維持時間比較長，一般為3～5天，最長可達10餘天，帶來連續數日的低溫陰雨天氣 ，或造成連續數天的陣性降雨天氣。
東北冷渦是造成東北地區低溫冷害、持續降雨洪澇、冰雹和雷雨大風等突發性強對流天氣的重要天氣系統，對東北地區的天氣氣候有重大影響。
春夏季節出現的東北冷渦天氣，對農牧業生產危害極大。因氣溫偏低影響水稻、高粱、玉米、大豆等作物的春播或幼苗的發育生長，因而造成秋糧減產。在牧區，牧草不能及時返青，牛羊由於飼料不足而掉膘。 根據低溫出現的時間不同，對農作物造成的影響亦不同。6月份的低溫使農作物不能正常生長而推遲生育期；8 月份農作物正處在灌漿乳熟乾物質積累階段，正需溫度高， 陽光充足的天氣，低溫易造成籽粒不飽滿或空殼而減產。
近年出現情況
2008年3月24-28日，東北冷渦造成了遼寧持續5天的連續性小雨或雨夾雪天氣，24-28日全省平均降水量4.5毫米，居歷史同期第六位，冷渦影響期間全省平均氣溫為4℃，較前期下降了2.4℃。從統計分析資料來看，初春季節出現如此偏南且維持時間較長的東北冷渦屬歷史少見，歷史上僅在1975年3月29-31日、1994年3月24-25日、1997年3月29-30日出現過，為十年一遇。
相關研究
對東北冷渦及其引發的天氣現象一直是氣象科技工作者關注和研究的問題，我國對東北冷渦暴雨的研究可追溯到1950年，先後有多位氣象學家對東北冷渦產生的暴雨、雷暴、冰雹等進行研究。但由於東北冷渦的“不定性”，導致預報員對東北冷渦對流性降水的強度、落區、時間很難把握，以致東北冷渦的強對流預報一直成為困擾預報員的難點。近年來，東北地區氣象工作者在借鑑前輩研究成果的基礎上，針對東北冷渦強對流天氣的預報問題，開展對東北冷渦誘發中尺度系統的機制及其演變規律的研究，希望通過研究，揭示東北冷渦的內部結構特徵及其中尺度系統發生髮展的物理機制、東北冷渦中尺度對流系統的結構特徵等，提高東北冷渦強對流天氣的整體預報水平。相信在氣象工作者的努力下，揭開東北冷渦的面紗之日很快就會到來。
東北冷渦及其氣候影響
梅雨(在韓國被稱為Changma，在日本被稱為Baiu)是東亞夏季風推進的產物，它發生於北半球夏季6～7月份，梅雨區範圍從我國長江中下游地區向東延伸直達朝鮮半島和日本。梅雨長期以來一直是我國乃至世界短期氣候預測的重要內容。許多國家和地區的科學家們對其進行了大量研究。綜觀這些研究，對於熱帶低緯地區的影響因子考慮較多，而對源自北半球中高緯地區的環流系統關注較多，詳細研究較少。事實上，中高緯大氣環流對包括梅雨在內的東亞夏季風降水同樣有著重要的影響。眾所周知，東北冷渦是亞洲中高緯大氣環流系統中的重要組成部分，一次東北冷渦活動的生命周期一般為5～7天，因此它是一個天氣尺度的系統。然而，從空間上看東北冷渦不僅對東北地區的天氣氣候有著很大影響，而且可引導高緯的冷空氣南下影響中低緯度地區；從時間上看頻繁的東北冷渦活動所產生的“氣候效應”，不僅影響到中短期天氣，而且對長期天氣同樣有著重大影響。所有這些也是本文的研究出發點。開展這些研究，不僅可以了解亞洲中高緯環流系統對梅雨的作用，而且可以為梅雨區的短期氣候預測提供具有參考意義的結果。
資料和方法
研究所用再分析資料取自歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的ERA—40資料集 (水平解析度為2.5°×2.5°)，海溫資料取自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的擴展重建海溫(ERSST) (水平解析度為2.0°×2.0°)。
表1
表1統計分析表明，東北冷渦對夏季天氣影響最為顯著的特徵是影響地區出現持續低溫連陰雨，尤以持續低溫特徵更為顯著。東北冷渦活動越頻繁，強度越強，低溫事件也越頻發，累積低溫時間也越長，進而導致東北冷渦影響區域季節平均氣溫偏低，反之當東北冷渦活動較少，強度較弱時，東北冷渦影響區域季節平均氣溫則偏高。基於此，我們將因東北冷渦活動異常所引起的季節平均氣溫和降水異常，稱為東北冷渦活動的“氣候效應”。為定量描述東北冷渦活動的“氣候效應”對東亞梅雨的影響，這裡定義了一個梅雨期(6～7月份)東北冷渦強度指數NECVI(NortheastColdVortexIndex)，具體做法如下：對東亞地區(100°E～145°E，20°N～160°N)1000hPa梅雨期平均氣溫進行旋轉EOF分解，初始旋轉的主分量取EOF分解的前6個主分量，旋轉後第一模態的方差貢獻占總方差的22.9%(圖1所示)，可以看到在(127°E—145°E，37°N～145°N)區域為負值中心所覆蓋(圖1中的陰影區)，該地區正是東北冷渦活躍的區域之一【161。我們將圖1中陰影區範圍內的6—7月份1000hPa平均氣溫的相反數，定義為梅雨期東北冷渦強度指數NECVI(表1)。這裡取相反數的目的是為了使指數更符合通常的使用習慣，即指數越高，東北冷渦越強，指數越低，東北冷渦越弱。研究將標準化NECVI值大於1和小於一1的分別定義為梅雨期高、低NECVI指數年。
圖1
圖1梅雨期東北冷渦和降水量的關係
圖2給出了梅雨期NECVI與降水量的相關係數。從長江中下游地區經東海至朝鮮半島和日本，為大範圍顯著正相關區，表明當NECVI值越高(即東北冷渦越強)時，上述區域的降水很可能偏多，當NECVI值越低(即東北冷渦越弱時)，上述區域的降水很可能偏少。圖2中顯著正相關區基本與東亞梅雨區重合，因此梅雨期東北冷渦偏強年，梅雨量很可能偏多，而東北冷渦偏弱年，梅雨量很可能偏少。由於梅雨降水分布是一種偏態分布，並非常態分配，所以在許多降水分析中，用z指數來描述降水量的變化。為進一步驗證東北冷渦與梅雨的相關關係，研究引用文獻所定義的梅雨z指數，具體的做法就是根據文獻所劃定的梅雨區範圍，先求出梅雨量y分布機率，再計算其常態分配的逆累積分布函式，並對其進行標準化即得到z指數值。z指數值越大，則表示梅雨降水越偏多，z指數值越小，則表示梅雨降水越偏少。圖3給出了1958～2002年東北冷渦NECVI指數時間序列和梅雨z指數時間序列，可以看到z指數時間序列和NECVI時間序列具有相似的變化趨勢，計算兩者的相關係數達到了0.44，超過了99%的置信度檢驗，表明NECVI值越大，則z指數值很可能也偏大，NECVI值越小，則z指數值很可能也偏小。
圖2
圖2綜上所述，梅雨期東北冷渦和梅雨存在顯著的相關關係，東北冷渦越強，梅雨量很可能偏多，東北冷渦越弱，梅雨量很可能偏少。
東北冷渦影響梅雨的可能機制分析
已有研究表明東北冷渦在500hPa天氣圖上表現為冷性的低壓中心。為驗證研究所定義的東北冷渦強度指數(NECVI)是否能定量描述東北冷渦的物理圖像，刻畫其結構特徵，我們計算了前汛期東北冷渦異常強(高NECVI)年與異常弱(低NECVI)年的500hPa合成位勢高度和溫度差值場(如圖3所示)。從高度場來看(圖4(a))，從我國華北、東北經朝鮮半島至日本為大範圍的顯著差值低壓中心，說明高NECVl年上述地區有低壓中心發展，而低指數年上述地區為低壓填塞或高壓發展；從溫度場來看(圖4(b))，上述地區為顯著差值低溫中心所覆蓋，範圍比高度場的略小，表明高NECVl年該地區有冷中心發展，而低NECVl年則正好相反。從上述分析可以看到本文定義的東北冷渦強度指數(NECVI)值基本反映了東北低渦的主要特徵，因此可以用它來定量描述東北冷渦的強度。
圖3
圖4
圖3圖4圖5給出了梅雨期NECVl分別與850，100hPa相對渦度場的相關係數分布。從東北冷渦活動區域高、低空相對渦度場配置來看，低層從內蒙古的東部直至日本以東洋面基本為顯著正相關區所覆蓋(圖5(a))，高層該地區同樣為顯著的帶狀正相關區控制(圖5(b))，表明東北冷渦活躍地區高、低空相對渦度場基本上具有相同的變化趨勢，由此可以看出東北冷渦是一個深厚的系統，具有相當正壓結構特徵。在高NECVl年，上述地區正渦度發展，低NECVl年則有負渦度發展。我們還注意到，低層長江中下游地區存在一顯著正相關區，黃河中下游以南為一顯著負相關區(圖5(a))，高層情況正好相反(圖5(b))，表明這些地區高、低空相對渦度場變化趨勢相反，斜壓性加大，不難發現這些地區正好位於東北冷渦影響區域的底部，也是梅雨帶活躍的地區。此外，我們知道正(負)渦度往往伴隨著上升(下沉)運動發展。因此，東北冷渦強年，長江中下游地區往往對應著正渦度和上升運動的發展，而黃河中下游以南地區則對應著負渦度和下沉運動發展。東北冷渦弱年則情況相反。
圖5
圖5水汽輸送的強弱對梅雨量的多少有著重要影響。下面我們分析東北冷渦異常年梅雨期對流層低層的水汽輸送情況。圖6為梅雨期東北冷渦異常年850hPa合成水汽輸送差值場，從長江中下游—朝鮮半島—日本以東洋面為水汽輸送差值輻合線(圖中黑粗線)，輻合線以南為顯著的西一西南水汽輸送差值區所覆蓋，以北為顯著的偏北水汽輸送差值區所控制。東北冷渦偏強年，輻合線以南的西一西南水汽輸送差值和以北的偏北水汽輸送差值均增大，使得該區域低層水汽輸送和輻合均增強，為梅雨量的增多提供了有利的水汽條件；東北冷渦偏弱年情況正好相反。究其原因，在東北冷渦偏強年，由於對流層低層長江以北直至東北的大部分地區有正渦度發展(圖5(a))，有利於該地區氣旋性環流發展，長江以北地區正好位於氣旋性環流異常的底部，因而形成了異常的西一西北風水汽輸送(圖6)，而在副熱帶西太平洋(圖5(a))東北冷渦強年往往伴隨著異常的負渦度發展，有利於該地區反氣旋性環流增強，進而導致西太平洋副熱帶高壓的增強，梅雨區正好位於西太平洋副熱帶高壓的西北側邊緣，因而該地區的南側形成了異常的西一西南風水汽輸送(圖6)。從上面分析不難發現，東北冷渦和西太平洋副熱帶高壓的共同作用可能是導致東亞梅雨區水汽輻合增強的原因。
圖6
圖6層結狀況是梅雨降水的另一重要影響因素。我們計算了梅雨期NECVl分別與1000，100hPa相對濕度場的相關係數分布(圖7)。在東北冷渦偏強年，低層梅雨區(長江中下游—朝鮮半島—日本以東洋面)基本為正相關所覆蓋(圖7(a))，顯著正相關中心分別位於長江中下游及以南地區、東北至朝鮮半島和日本東南部洋面上，表明這些地區低層相對濕度增大，在高層(圖7(b))，30°N～150°N為顯著的帶狀負相關區，表明該地區相對濕度減小，這就形成了“上千下濕”的高低空配置，加劇了梅雨區的不穩定層結，有利於梅雨量增多。東北冷渦偏弱年情況相反。
圖7
圖7除此之外，上升運動也是影響梅雨降水的一個主要因子。這裡給出了東北冷渦異常年經向(沿120°E)和緯向(沿27°50N)的垂直剖面差值流場(圖8)。從經向剖面來看(圖8(a))，在25°N～30°N東亞地區的對流層主要為顯著的差值上升氣流所控制，而在30°N—35°N之間對流層基本上為顯著的差值下沉氣流所控制。從緯向剖面來看(圖8(b))，105°E—135°E低層(850hPa以下)為顯著的差值上升氣流所控制，高層(100hPa附近)為顯著的差值下沉氣流所控制。所有這些表明，在東北冷渦強年，(25°N～30°N，105°E～135°E)區域內對流層上升運動發展，(30°N～35°N，105°E～135°E)區域內下沉運動發展。東北冷渦弱年，情況正好相反。
圖8
圖8通過上述分析，可以得到東北冷渦影響梅雨的可能機制：東北冷渦強年，東北冷渦引導北方“乾冷”空氣南侵，與低層強盛西南暖濕氣流在梅雨區北緣交匯，形成“上乾下濕”的不穩定層結，在上升運動的觸發下，最終導致梅雨量偏多；東北冷渦弱年情況正好相反。
圖9
圖9北太平洋海溫與東北冷渦異常之問的聯繫鑒於大氣環流異常與海溫異常之間的緊密聯繫，我們計算了梅雨期NECVI與全球海溫在前期6個月(從前一年12月份到當年5月份)和同期(當年6～7月份)中的相關，發現與北太平洋的海溫相關最為顯著(如圖9所示)。前一年12月份(圖9(a))北太平洋中部出現了小範圍的負相關區，其後範圍逐月擴大並向西北方向擴展(圖9(b)-(g))，至當年7月份(圖9(h))整個西北太平洋為大範圍負相關區所覆蓋，中心大致位於40°N—45°N之間，表明當梅雨期東北冷渦偏強的前期或同期時，上述海區海溫往往顯著偏低，這有利於上述海區異常的下沉運動發展。與此同時，隨著東亞大陸的熱力性質發生由冬到夏的轉變(冬季東亞大陸為冷源，風由大陸吹向海洋，夏季東亞大陸轉變為熱源，風由海洋吹向大陸)，由於東北冷渦偏強年夏季西北太平洋海溫往往偏低，西北太平洋和東亞大陸之間主要為東西向的海陸熱力差異，因而低層東亞大陸和西北太平洋之間會產生東風異常。同時西北太平洋的海溫偏低，使得該地區與東亞中低緯地區的熱力差異加大，造成高層西風急流增強。在東北冷渦出現時，東亞中高緯地區原本就存在上升運動，這樣就在東亞中高緯和西北太平洋之間就形成了一個異常氣流的閉合環流，有利於東北冷渦的進一步活躍和加強。反之，則東北冷渦偏弱。因此，前期北太平洋海溫的異常可能是導致梅雨期東北冷渦異常的因素之一。
不難看出夏季的海陸熱力對比對東北冷渦起著促進作用，而冬季的則對東北冷渦起著抑制作用。這是因為，在冬季西北太平洋是熱源，而東亞大陸是冷源，因而在低層風由東亞大陸吹向西北太平洋，即為偏西風，其方向與高層一致，不利於東亞中高緯地區上升運動的發展，這可能也是東北冷渦在夏季的發生頻率遠遠多於其他季節的原因。
研究結論
東北冷渦在東亞中高緯地區夏季時有發生，長期以來從天氣學角度出發對其開展了一些研究，但對頻繁東北冷渦活動產生的“氣候效應”研究不多。本文重點分析了東北冷渦的“氣候效應”對梅雨的影響，提出了可能的物理機制，從海氣相互作用的角度分析了導致梅雨期東北冷渦異常的原因。根據以上的分析，我們可以得出以下一些結論：
(1)梅雨期東北冷渦和降水量存在顯著的相關關係，東北冷渦越強，梅雨量很可能偏多，東北冷渦越弱，梅雨量很可能偏少。
(2)東北冷渦強年，東北冷渦引導北方“乾冷”空氣南侵，與低層強盛西南暖濕氣流在梅雨區北緣交匯，形成“上千下濕”的不穩定層結，在上升運動的觸發下，最終導致梅雨量偏多；東北冷渦弱年情況正好相反。
(3)前期北太平洋海溫的異常可能是導致梅雨期東北冷渦異常的因素之一。夏季的海陸熱力對比對東北冷渦起著促進作用，而冬季的對東北冷渦起著抑制作用。
