东北冷涡暴雨

第1章 东北冷涡的气候学特征

 有关东北冷涡暴雨的问题，中国科学家很早就进行了研究，可查询到的文献可追溯到1950年杨纫章的《东北之气候》。陶诗言（1980）在《中国之暴雨》一书中对中国的暴雨做了比较详细的分析，书中阐述了在中国引起暴雨的天气系统，特别指出东北低压或冷涡系统对东北暴雨的影响，当有冷涡系统进入东北的时候，常给东北及华北北部带来暴雨或者雷阵雨。近年来，虽然对东北冷涡暴雨进行了不少研究(王东海等，2007)，但大多为个例的结构特征和演变规律的分析，很少有对其气候特征和年际变异的详细研究；同时，在研究中高纬环流异常对东亚地区天气气候异常的影响时，往往仅把东北冷涡作为中高纬环流异常的一个天气扰动异常信号，或间接地以低层温度等变量来表征东北冷涡的活动，而对于东北冷涡系统自身的活动异常在东亚天气气候中的可能作用关注较少。本章分析讨论了东北冷涡的季节气候态特征，着重分析了与东北冷涡有关的降水分布的季节性和区域性特征及东北冷涡的年际变率特征，并分析了其持续性活动造成的气候效应及其环流成因等。

 1.1 我国东北地区及其周边地区大尺度环流的一般特征

 众多学者的研究均指出，东北地区的强降水，特别是1998年夏季嫩江松花江流域的持续性强降水是与东北冷涡的频繁活动紧密相关的（陈德坤等，1999；孙力等，2000；张庆云等，2001；张顺利等，2001；Zhao and Sun，2007）。本节以1998年夏季东北地区持续性冷涡降水为例，分析了冷涡降水过程对应的大尺度环流形势的主要特征，着重对对流层不同层次的系统和水汽输送特征进行天气动力学分析。

 1.1.1 对流层低层环流

 1998年，东北地区夏季经历了三个阶段的持续降水过程，其共同特征为对流层低层的西南气流为中国东部地区输送大量的暖湿空气，为降水提供了必需的水汽条件（图1.1）。在中高纬地区，对流层低层存在低压系统，是深厚冷涡的低层信号，有利于水汽的辐合上升形成降水。此外，与低压相配合的气旋式风场东部的偏南支有利于气流的向北输送。第一持续降水阶段深厚低压伴随的切断形势更为显著，有利于低压槽后冷气流的向南输送。与第一持续降水阶段不同，后两个持续降水阶段的西南气流往北的水汽输送更为强盛，并与中纬度气旋式风场东部的偏南输送合为一体。

 图1.1 850hPa时间平均风矢量（箭头）、位势高度（实线，单位：gpm，即为位势米）和大于70%的相对湿度（阴影）的水平分布

 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日

 进一步分析三个持续降水阶段大气柱的整层水汽通量及其散度的分布可以看出（图1.2），对水汽源地而言，1998年夏季东亚地区强降水存在三个水汽来源通道：孟加拉湾、南海和西太平洋。此外，东亚地区的四个水汽通量辐合区与Lee等(2008)的四个梅雨降水带大值区大致上是一一对应的；水汽通量辐合区的季节南北偏移与梅雨雨带的南北推进也是一致的。相对而言，第一持续降水阶段的东北地区水汽输送特征具有更多的“局地”特征。随着东亚梅雨带的向北推进，后两个持续降水阶段的水汽输送与东亚夏季风水汽输送有更紧密的关联，水汽通量辐合显著地加强。

 图1.2 大气整层水汽通量［单位：g/(m s)］及散度［阴影，单位：g/(m s2)］水平分布

 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日1.1.2对流层高层环流

 从图1.3可以看出，对流层高层的环流系统主要表现为高纬度的槽脊、西风急流和低纬度的南亚高压。在第一持续降水阶段，中国东北西部高空存在闭合的切断低压，图1.3200hPa时间平均的位势高度（实线，单位：gpm）和20m/s以上的全风速（短虚线，单位：m/s）

 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日

 位势高度等值线间隔为50gpm，风速等值线间隔为10m/s其中心位势高度值为11850gpm。在第二、第三持续降水时段，东亚中高纬度地区都表现为“一槽一脊”的环流形势，其中，槽轴线自中国东北的西部向贝加尔湖的西北倾斜。

 在这三个持续降水阶段中，低纬度南亚高压的平均位置表现出明显的变化，其主体（12550gpm等值线）向东可伸至中国东南沿海地区。其中，后两个持续降水阶段南亚高压的位置比第一阶段更偏北、偏东，其东部边缘在第三持续降水阶段甚至可到达日本西部。

 与南亚高压相类似，高空西风急流的位置和强度在三个降水阶段也各不相同。其中，第一阶段的西风急流强度*强、范围*宽，其经向跨度可达15个纬度，*强风速可达40m/s。切断低压位于西风急流大风核的左前方，有利于对流云的发展。在第二持续降水阶段，西风急流强度明显减弱，中心平均*强风速为30m/s。相对于第一、第二持续降水阶段的西北—东南倾向，由于受到南亚高压北抬的影响，第三持续降水阶段的高空西风急流比较平直。

 1.1.3 对流层中层环流

 对流层中层的副热带高压（简称副高）的位置变动及中高纬度的大尺度波动对东亚地区夏季的降水起很重要的作用［图1.4(a)］。在第一持续降水阶段［图1.4(b)］，副高的主体在西太平洋，其北缘在我国华南沿海地区。图1.4500hPa时间平均的位势高度（实线，单位：gpm）和气温（细虚线，单位：℃）位势高度等值线间隔为30gpm，气温等值线间隔为2℃贝加尔湖以东为一深厚的东北冷涡，等高线和等温线近乎重合，因此高纬的冷空气便由槽后的西北气流源源不断地输送至中低纬地区。冷涡前部配合以阻塞高压脊，使得东北冷涡得以稳定维持。

 （a） 6月1日~8月31日；（b） 6月7~24日；（c） 7月17~30日；（d） 8月1~15日

 在第二持续降水阶段，中纬度的西北—东南向深厚低槽（冷涡）明显变弱，而低槽东部的高压脊向西伸展至100°E，副高南撤并在南海北部地区出现一个闭合高压中心［图1.4(c)］。

 在第三持续降水阶段，低纬度的副高异常加强，北上、西伸并控制了我国南方大部分地区，长江流域处在伏旱阶段［图1.4(d)］。受副高的影响，中纬度大尺度环流较为平直，冷空气向低纬地区的输送大为减弱。在东北亚地区，典型的阻塞形势的维持有利于中高纬度地区的冷暖空气的径向输送。

 1.2 东北冷涡的季节气候特征

 就冷涡的识别方法而言，基本都可归纳为三种：主观方法、客观方法及两种方法的结合。其中，主观方法主要是利用逐日观测的天气形势图、卫星云图等，根据冷涡的某些显著观测特征，逐一时刻地人为识别与判断，然后进行记录。主观方法有较强的直观性，但费时费力、带有很大的主观性，更不利于研究其长期规律（Gimeno et al.，2007）。

 基于冷涡的两个不同角度的物理本质，客观方法又可划分为两类：①从天气学概念模型角度，冷涡表现为对流层中、高层深厚的冷性低压涡旋中心；②冷涡表征为等熵面上的高位涡（PV）区。在比较了分别基于PV区和天气概念模型的北半球冷涡气候态后，Nieto等(2008)指出，两种方法得到的结果具有相当高的一致性。为便于与Zhang等(2008)研究东亚地区的结果进行比较，本书采用了基于天气概念模型的客观方法。

 尽管所采用的资料和识别方法各不相同，关于北半球冷涡气候特征的研究都得出了如下共性的结论(胡开喜等，2011)。

 （1） 北半球存在三个冷涡（或称切断低压）发生频次密集区：南欧和东大西洋沿岸、北太平洋东部、中国北部西伯利亚至西北太平洋沿岸（图1.5）。

 图1.5 1958~1998年冷涡（或称切断低压）发生总频数空间分布（Nieto et al.，2005）（2） 夏季较冬季更有利于发生。

 （3） 大部分仅能维持2~3天。

 （4） 移动规律较为复杂。

 1.2.1 东北冷涡的客观识别方法

 如上所述，采用不同资料和不同识别方法的北半球冷涡气候学研究都发现，中国北部西伯利亚是北半球冷涡的*有利发生区之一。值得注意的是，在东北亚地区，冷涡往往也被称为高层冷低压、低涡等（Matsumoto et al.，1982；Sakamoto and Takahashi，2005）。朱乾根等（2000）也指出，在中国，*常见的切断低压就是东北冷涡。然而，关于中国北部西伯利亚的冷涡气候学的研究中，多数关注发生频数的时空分布，很少关注其他特征，如持续期、生成和衰减区、有利路径。

 在本节中，利用水平分辨率为2.5°×2.5°、时间分辨率为6h的NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)再分析资料（Kalnay et al.，1996；Kistler et al.，2001），采用客观识别方法分析了东北冷涡的气候特征(胡开喜等，2011)。鉴于北半球冷涡一般水平尺度为600~1200km （Kentarchos and Davies，1998），因而在水平分辨率为2.5°×2.5°的格点资料中，东北冷涡是能够被识别的。此外，相对于更低时间分辨率，6h分辨率的数据在识别和追踪热带地区以外的气旋时往往更为客观和有效（Blender and Schubert，2000）。

 类似于郑秀雅等(1992)的东北冷涡天气学定义，这里将满足以下两个条件的天气系统归为一次冷涡事件:①在100°E~150°E、30°N~65°N区域内，500hPa等压面上存在闭合低压中心；②低压系统同时有冷中心或明显的冷槽相伴随。值得注意的是，为了更加准确地识别、追踪东北冷涡，相比于郑秀雅等（1992）的定义，向四周略扩展了研究区域，并降低了冷涡持续期的阈值下限。

 为在格点资料中具体地定量化以上冷涡定义，设计了三步算法(图1.6)。

 图1.6 从格点资料中客观识别和追踪东北冷涡的示意图

 实线和实心点分别为500hPa位势高度等值线和2.5°×2.5°水平分辨率格点；长虚线为t+dt(dt=6h)时刻的500hPa位势高度等值线；点划线箭头为相邻两时刻冷涡的移动距离；A、B、C、D和D′代表满足某些条件的格点，即