[科普中国]-东北冷涡

东北冷涡是造成东北地区低温冷害、持续阴雨洪涝、冰雹和雷雨大风等突发性强对流天气的重要天气系统，对东北地区的天气气候有重大影响。他的老家在在东北，在这一范围内产生天气影响；生成后也集中在东北地区及其附近上空活动。东北冷涡是的一个冷性气柱，在500百帕天气图上至少能分析出一条闭合等压线，并有冷中心或明显冷槽配合；这个冷性气柱呈逆时针方向且不断旋转，在它旋转的过程中，会有一股股冷空气甩出来，产生降水。由于东北冷涡是个深厚的天气系统，移动缓慢维持时间比较长，其影响一般为3～5天，甚至更长。

时空分布东北冷涡一年四季都可能出现，但夏季出现的几率要明显大于冬季。东北冷涡活动的最大密集带从4月份开始逐渐向南移动。冷涡密集区初春主要在东北平原的北部，大约位于北纬52度左右，且呈纬向分布。另一个主要的密集区位于东北平原的中部和西北日本海沿岸。一般情况下，在北纬40-45度区域内的东北冷涡常常给辽宁带来连续几天的间断性降水、持续多日的气温下降天气，40-45度区域内的东北冷涡在初春时节出现频率较低。

影响天气与危害东北冷涡是从地面到6000米上空的一个冷性气柱，在500百帕天气图上至少能分析出一条闭合等高线，并有冷中心或明显冷槽配合。冷涡中的空气柱处于上冷下暖的不稳定状态，常会产生阵雨、雷阵雨甚至雷雨大风或冰雹等不稳定天气，有时，强烈发展的冷涡也会造成较大范围的暴雨天气。由于东北冷涡是个深厚的天气系统，移动缓慢维持时间比较长，一般为3～5天，最长可达10余天，带来连续数日的低温阴雨天气 ，或造成连续数天的阵性降雨天气。

东北冷涡是造成东北地区低温冷害、持续降雨洪涝、冰雹和雷雨大风等突发性强对流天气的重要天气系统，对东北地区的天气气候有重大影响。

春夏季节出现的东北冷涡天气，对农牧业生产危害极大。因气温偏低影响水稻、高粱、玉米、大豆等作物的春播或幼苗的发育生长，因而造成秋粮减产。在牧区，牧草不能及时返青，牛羊由于饲料不足而掉膘。 根据低温出现的时间不同，对农作物造成的影响亦不同。6月份的低温使农作物不能正常生长而推迟生育期；8 月份农作物正处在灌浆乳熟干物质积累阶段，正需温度高， 阳光充足的天气，低温易造成籽粒不饱满或空壳而减产。

近年出现情况2008年3月24-28日，东北冷涡造成了辽宁持续5天的连续性小雨或雨夹雪天气，24-28日全省平均降水量4.5毫米，居历史同期第六位，冷涡影响期间全省平均气温为4℃，较前期下降了2.4℃。从统计分析资料来看，初春季节出现如此偏南且维持时间较长的东北冷涡属历史少见，历史上仅在1975年3月29-31日、1994年3月24-25日、1997年3月29-30日出现过，为十年一遇。

相关研究对东北冷涡及其引发的天气现象一直是气象科技工作者关注和研究的问题，我国对东北冷涡暴雨的研究可追溯到1950年，先后有多位气象学家对东北冷涡产生的暴雨、雷暴、冰雹等进行研究。但由于东北冷涡的“不定性”，导致预报员对东北冷涡对流性降水的强度、落区、时间很难把握，以致东北冷涡的强对流预报一直成为困扰预报员的难点。近年来，东北地区气象工作者在借鉴前辈研究成果的基础上，针对东北冷涡强对流天气的预报问题，开展对东北冷涡诱发中尺度系统的机制及其演变规律的研究，希望通过研究，揭示东北冷涡的内部结构特征及其中尺度系统发生发展的物理机制、东北冷涡中尺度对流系统的结构特征等，提高东北冷涡强对流天气的整体预报水平。相信在气象工作者的努力下，揭开东北冷涡的面纱之日很快就会到来。

东北冷涡及其气候影响梅雨(在韩国被称为Changma，在日本被称为Baiu)是东亚夏季风推进的产物，它发生于北半球夏季6～7月份，梅雨区范围从我国长江中下游地区向东延伸直达朝鲜半岛和日本。梅雨长期以来一直是我国乃至世界短期气候预测的重要内容。许多国家和地区的科学家们对其进行了大量研究。综观这些研究，对于热带低纬地区的影响因子考虑较多，而对源自北半球中高纬地区的环流系统关注较多，详细研究较少。事实上，中高纬大气环流对包括梅雨在内的东亚夏季风降水同样有着重要的影响。众所周知，东北冷涡是亚洲中高纬大气环流系统中的重要组成部分，一次东北冷涡活动的生命周期一般为5～7天，因此它是一个天气尺度的系统。然而，从空间上看东北冷涡不仅对东北地区的天气气候有着很大影响，而且可引导高纬的冷空气南下影响中低纬度地区；从时间上看频繁的东北冷涡活动所产生的“气候效应”，不仅影响到中短期天气，而且对长期天气同样有着重大影响。所有这些也是本文的研究出发点。开展这些研究，不仅可以了解亚洲中高纬环流系统对梅雨的作用，而且可以为梅雨区的短期气候预测提供具有参考意义的结果。

资料和方法研究所用再分析资料取自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA—40资料集 (水平分辨率为2.5°×2.5°)，海温资料取自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的扩展重建海温(ERSST) (水平分辨率为2.0°×2.0°)。

统计分析表明，东北冷涡对夏季天气影响最为显著的特征是影响地区出现持续低温连阴雨，尤以持续低温特征更为显著。东北冷涡活动越频繁，强度越强，低温事件也越频发，累积低温时间也越长，进而导致东北冷涡影响区域季节平均气温偏低，反之当东北冷涡活动较少，强度较弱时，东北冷涡影响区域季节平均气温则偏高。基于此，我们将因东北冷涡活动异常所引起的季节平均气温和降水异常，称为东北冷涡活动的“气候效应”。为定量描述东北冷涡活动的“气候效应”对东亚梅雨的影响，这里定义了一个梅雨期(6～7月份)东北冷涡强度指数NECVI(NortheastColdVortexIndex)，具体做法如下：对东亚地区(100°E～145°E，20°N～160°N)1000hPa梅雨期平均气温进行旋转EOF分解，初始旋转的主分量取EOF分解的前6个主分量，旋转后第一模态的方差贡献占总方差的22.9%(图1所示)，可以看到在(127°E—145°E，37°N～145°N)区域为负值中心所覆盖(图1中的阴影区)，该地区正是东北冷涡活跃的区域之一【161。我们将图1中阴影区范围内的6—7月份1000hPa平均气温的相反数，定义为梅雨期东北冷涡强度指数NECVI(表1)。这里取相反数的目的是为了使指数更符合通常的使用习惯，即指数越高，东北冷涡越强，指数越低，东北冷涡越弱。研究将标准化NECVI值大于1和小于一1的分别定义为梅雨期高、低NECVI指数年。

梅雨期东北冷涡和降水量的关系图2给出了梅雨期NECVI与降水量的相关系数。从长江中下游地区经东海至朝鲜半岛和日本，为大范围显著正相关区，表明当NECVI值越高(即东北冷涡越强)时，上述区域的降水很可能偏多，当NECVI值越低(即东北冷涡越弱时)，上述区域的降水很可能偏少。图2中显著正相关区基本与东亚梅雨区重合，因此梅雨期东北冷涡偏强年，梅雨量很可能偏多，而东北冷涡偏弱年，梅雨量很可能偏少。由于梅雨降水分布是一种偏态分布，并非正态分布，所以在许多降水分析中，用z指数来描述降水量的变化。为进一步验证东北冷涡与梅雨的相关关系，研究引用文献1所定义的梅雨z指数，具体的做法就是根据文献1所划定的梅雨区范围，先求出梅雨量y分布概率，再计算其正态分布的逆累积分布函数，并对其进行标准化即得到z指数值。z指数值越大，则表示梅雨降水越偏多，z指数值越小，则表示梅雨降水越偏少。图3给出了1958～2002年东北冷涡NECVI指数时间序列和梅雨z指数时间序列，可以看到z指数时间序列和NECVI时间序列具有相似的变化趋势，计算两者的相关系数达到了0.44，超过了99%的置信度检验，表明NECVI值越大，则z指数值很可能也偏大，NECVI值越小，则z指数值很可能也偏小。

综上所述，梅雨期东北冷涡和梅雨存在显著的相关关系，东北冷涡越强，梅雨量很可能偏多，东北冷涡越弱，梅雨量很可能偏少。

东北冷涡影响梅雨的可能机制分析已有研究表明东北冷涡在500hPa天气图上表现为冷性的低压中心。为验证研究所定义的东北冷涡强度指数(NECVI)是否能定量描述东北冷涡的物理图像，刻画其结构特征，我们计算了前汛期东北冷涡异常强(高NECVI)年与异常弱(低NECVI)年的500hPa合成位势高度和温度差值场(如图3所示)。从高度场来看(图4(a))，从我国华北、东北经朝鲜半岛至日本为大范围的显著差值低压中心，说明高NECVl年上述地区有低压中心发展，而低指数年上述地区为低压填塞或高压发展；从温度场来看(图4(b))，上述地区为显著差值低温中心所覆盖，范围比高度场的略小，表明高NECVl年该地区有冷中心发展，而低NECVl年则正好相反。从上述分析可以看到本文定义的东北冷涡强度指数(NECVI)值基本反映了东北低涡的主要特征，因此可以用它来定量描述东北冷涡的强度。

图5给出了梅雨期NECVl分别与850，100hPa相对涡度场的相关系数分布。从东北冷涡活动区域高、低空相对涡度场配置来看，低层从内蒙古的东部直至日本以东洋面基本为显著正相关区所覆盖(图5(a))，高层该地区同样为显著的带状正相关区控制(图5(b))，表明东北冷涡活跃地区高、低空相对涡度场基本上具有相同的变化趋势，由此可以看出东北冷涡是一个深厚的系统，具有相当正压结构特征。在高NECVl年，上述地区正涡度发展，低NECVl年则有负涡度发展。我们还注意到，低层长江中下游地区存在一显著正相关区，黄河中下游以南为一显著负相关区(图5(a))，高层情况正好相反(图5(b))，表明这些地区高、低空相对涡度场变化趋势相反，斜压性加大，不难发现这些地区正好位于东北冷涡影响区域的底部，也是梅雨带活跃的地区。此外，我们知道正(负)涡度往往伴随着上升(下沉)运动发展。因此，东北冷涡强年，长江中下游地区往往对应着正涡度和上升运动的发展，而黄河中下游以南地区则对应着负涡度和下沉运动发展。东北冷涡弱年则情况相反。

水汽输送的强弱对梅雨量的多少有着重要影响。下面我们分析东北冷涡异常年梅雨期对流层低层的水汽输送情况。图6为梅雨期东北冷涡异常年850hPa合成水汽输送差值场，从长江中下游—朝鲜半岛—日本以东洋面为水汽输送差值辐合线(图中黑粗线)，辐合线以南为显著的西一西南水汽输送差值区所覆盖，以北为显著的偏北水汽输送差值区所控制。东北冷涡偏强年，辐合线以南的西一西南水汽输送差值和以北的偏北水汽输送差值均增大，使得该区域低层水汽输送和辐合均增强，为梅雨量的增多提供了有利的水汽条件；东北冷涡偏弱年情况正好相反。究其原因，在东北冷涡偏强年，由于对流层低层长江以北直至东北的大部分地区有正涡度发展(图5(a))，有利于该地区气旋性环流发展，长江以北地区正好位于气旋性环流异常的底部，因而形成了异常的西一西北风水汽输送(图6)，而在副热带西太平洋(图5(a))东北冷涡强年往往伴随着异常的负涡度发展，有利于该地区反气旋性环流增强，进而导致西太平洋副热带高压的增强，梅雨区正好位于西太平洋副热带高压的西北侧边缘，因而该地区的南侧形成了异常的西一西南风水汽输送(图6)。从上面分析不难发现，东北冷涡和西太平洋副热带高压的共同作用可能是导致东亚梅雨区水汽辐合增强的原因。

层结状况是梅雨降水的另一重要影响因素。我们计算了梅雨期NECVl分别与1000，100hPa相对湿度场的相关系数分布(图7)。在东北冷涡偏强年，低层梅雨区(长江中下游—朝鲜半岛—日本以东洋面)基本为正相关所覆盖(图7(a))，显著正相关中心分别位于长江中下游及以南地区、东北至朝鲜半岛和日本东南部洋面上，表明这些地区低层相对湿度增大，在高层(图7(b))，30°N～150°N为显著的带状负相关区，表明该地区相对湿度减小，这就形成了“上千下湿”的高低空配置，加剧了梅雨区的不稳定层结，有利于梅雨量增多。东北冷涡偏弱年情况相反。

除此之外，上升运动也是影响梅雨降水的一个主要因子。这里给出了东北冷涡异常年经向(沿120°E)和纬向(沿27°50N)的垂直剖面差值流场(图8)。从经向剖面来看(图8(a))，在25°N～30°N东亚地区的对流层主要为显著的差值上升气流所控制，而在30°N—35°N之间对流层基本上为显著的差值下沉气流所控制。从纬向剖面来看(图8(b))，105°E—135°E低层(850hPa以下)为显著的差值上升气流所控制，高层(100hPa附近)为显著的差值下沉气流所控制。所有这些表明，在东北冷涡强年，(25°N～30°N，105°E～135°E)区域内对流层上升运动发展，(30°N～35°N，105°E～135°E)区域内下沉运动发展。东北冷涡弱年，情况正好相反。

通过上述分析，可以得到东北冷涡影响梅雨的可能机制：东北冷涡强年，东北冷涡引导北方“干冷”空气南侵，与低层强盛西南暖湿气流在梅雨区北缘交汇，形成“上干下湿”的不稳定层结，在上升运动的触发下，最终导致梅雨量偏多；东北冷涡弱年情况正好相反。

北太平洋海温与东北冷涡异常之问的联系鉴于大气环流异常与海温异常之间的紧密联系，我们计算了梅雨期NECVI与全球海温在前期6个月(从前一年12月份到当年5月份)和同期(当年6～7月份)中的相关，发现与北太平洋的海温相关最为显著(如图9所示)。前一年12月份(图9(a))北太平洋中部出现了小范围的负相关区，其后范围逐月扩大并向西北方向扩展(图9(b)-(g))，至当年7月份(图9(h))整个西北太平洋为大范围负相关区所覆盖，中心大致位于40°N—45°N之间，表明当梅雨期东北冷涡偏强的前期或同期时，上述海区海温往往显著偏低，这有利于上述海区异常的下沉运动发展。与此同时，随着东亚大陆的热力性质发生由冬到夏的转变(冬季东亚大陆为冷源，风由大陆吹向海洋，夏季东亚大陆转变为热源，风由海洋吹向大陆)，由于东北冷涡偏强年夏季西北太平洋海温往往偏低，西北太平洋和东亚大陆之间主要为东西向的海陆热力差异，因而低层东亚大陆和西北太平洋之间会产生东风异常。同时西北太平洋的海温偏低，使得该地区与东亚中低纬地区的热力差异加大，造成高层西风急流增强。在东北冷涡出现时，东亚中高纬地区原本就存在上升运动，这样就在东亚中高纬和西北太平洋之间就形成了一个异常气流的闭合环流，有利于东北冷涡的进一步活跃和加强。反之，则东北冷涡偏弱。因此，前期北太平洋海温的异常可能是导致梅雨期东北冷涡异常的因素之一。

不难看出夏季的海陆热力对比对东北冷涡起着促进作用，而冬季的则对东北冷涡起着抑制作用。这是因为，在冬季西北太平洋是热源，而东亚大陆是冷源，因而在低层风由东亚大陆吹向西北太平洋，即为偏西风，其方向与高层一致，不利于东亚中高纬地区上升运动的发展，这可能也是东北冷涡在夏季的发生频率远远多于其他季节的原因。

研究结论东北冷涡在东亚中高纬地区夏季时有发生，长期以来从天气学角度出发对其开展了一些研究，但对频繁东北冷涡活动产生的“气候效应”研究不多。本文重点分析了东北冷涡的“气候效应”对梅雨的影响，提出了可能的物理机制，从海气相互作用的角度分析了导致梅雨期东北冷涡异常的原因。根据以上的分析，我们可以得出以下一些结论：

(1)梅雨期东北冷涡和降水量存在显著的相关关系，东北冷涡越强，梅雨量很可能偏多，东北冷涡越弱，梅雨量很可能偏少。

(2)东北冷涡强年，东北冷涡引导北方“干冷”空气南侵，与低层强盛西南暖湿气流在梅雨区北缘交汇，形成“上千下湿”的不稳定层结，在上升运动的触发下，最终导致梅雨量偏多；东北冷涡弱年情况正好相反。

(3)前期北太平洋海温的异常可能是导致梅雨期东北冷涡异常的因素之一。夏季的海陆热力对比对东北冷涡起着促进作用，而冬季的对东北冷涡起着抑制作用。2

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学