东北冷涡气候研究进展及展望

本文主要从东北冷涡气候研究角度,回顾和总结了东北冷涡在定义、主客观识别方法、气候特征、分类研究、影响因子、气候效应等方面的研究进展,并探讨了东北冷涡研究现状中存在的问题及未来可能的研究方向和发展趋势。识别与量化是东北冷涡气候研究的基础,客观识别结果的对比分析及其技术的完善是未来冷涡识别研究的重点。今后有针对性地开展不同类别东北冷涡的气候特征、异常成因及气候影响等,深入探究东北冷涡与影响因子相互作用的物理机制,科学客观的定量化预测,可为东北区域气候异常成因诊断和预测提供更精细、准确的科学依据。     

东北冷涡降水集中期的客观识别研究

基于区域关键天气过程客观化识别和监测的需求及东北雨季应包括冷涡降水的事实,采用东北三省及内蒙古东四盟共147站逐日降水量资料,通过对东北区域多年平均5点平滑处理的逐日降水量序列的综合分析及对历年逐日滑动平均雨量的对比试验,确定了判别东北冷涡降水集中期开始日期的阈值及持续时间,进而研制了东北冷涡降水集中期开始日期的客观识别方法。基于该方法的客观识别,得到1981-2010年气候平均态的东北冷涡降水集中期的开始日期为每年的5月26日。同时,定义盛夏降水集中期开始日的前一日为冷涡降水集中期的结束日期,发现冷涡降水集中期的结束日期为6月25日。在此基础上,采用NCEP/NCAR逐日再分析的风场、位势高度场资料,通过对东北冷涡降水集中期前、中和后期各层大气环流场及各系统的逐日变化特征的对比分析,验证了该客观识别方法的合理性。     

5—6月东北冷涡持续活动及强度特征

利用1960—2012年5—6月NCEP/NCAR逐日再分析资料,基于冷涡经典定义,采取客观识别方法检索东北冷涡活动过程,根据东北冷涡活动时空变化特征给出东北冷涡持续活动过程标准, 通过冷涡强度指数进行定量化分析,该指数对冷涡持续活动过程具有较好表征意义。冷涡活动强对应5月乌拉尔山阻塞高压、贝加尔湖阻塞高压和6月鄂霍次克海阻塞高压活动频繁。通过强弱指数年合成,得到6月强指数年冷涡系统较深厚,集中于对流层中高层,冷心结构明显,具有一定大气斜压特征; 高层存在冷中心,低层有冷空气活动,中高层西风带呈明显的上游分流和下游汇合特征,分汇流之间呈东北高、西南低的偶极子阻塞形势;弱指数年冷涡系统较浅薄,主要集中在对流层中低层,冷心结构不明显,不存在阻塞形势。     

东北冷涡客观识别方法的研究

利用1991-2000年NECP/NCAR逐日再分析资料,根据其概念模型的3个物理特征来客观识别东北冷涡。结果表明：在500 hPa上,冷涡中心是极小值点,并且北部有相邻两个格点纬向风向为偏东或静风;冷涡东部的相对厚度高于冷涡中心;冷涡东部的暖锋参数（TFP）高于冷涡中心。当判断连续2d内是否为同一冷涡时,采用方法：前一日识别出有冷涡,那么第二日在与前一日位置相差的经度为（-10?,15?）;纬度为（-7.5?,7.5?）内识别出冷涡时,则认为是同一冷涡。将利用客观方法识别的东北冷涡气候特征与前人主观研究成果进行对比发现,二者识别的东北冷涡主要分布区域（40?-55?N ,115?-145?E）、持续时间、活跃期基本一致。将客观识别与主观方法对本资料识别的冷涡进行比较,完全一致的达72%。误差原因为主客观方法标准不一致,导致有无闭合等值线产生的空识别、中心定位差异的空漏识别和起止时间的空漏识别,以上误差对气候统计不会造成明显影响,可视为正确识别。另外,10 a间,有19例漏报情况,为错误识别,仅占全部冷涡的1.4%,因此,这一客观识别方法是比较合理的,可以应用到冷涡的气候统计中。     

东北冷涡气候特征及其对内蒙古降水的影响

基于内蒙古116个气象观测站1981—2017年5—8月逐日降水资料及NECP逐月再分析资料,采用传统东北冷涡定义,对5—8月东北冷涡活动过程次数、日数进行客观识别,并分析了东北冷涡活动日数与内蒙古降水的关系。结果表明:(1)东北冷涡活动日数与500 hPa高度场在东北亚地区呈现出显著的“南负北正”偶极型相关分布,内蒙古东部地区处于显著负相关区。(2)5—8月平均每次冷涡活动过程的持续时间为5～6 d,且5、6月冷涡活动维持日数呈增加的趋势。(3)5—8月东北冷涡活动日数与降水存在显著正相关的区域主要位于内蒙古东部偏北地区,其中5、6月冷涡活动日数与冷涡日东部偏北地区累计降水量存在显著正相关,表明冷涡活动具有气候“累积效应”。     

东北冷涡特征及其关键区的计算机识别

根据东北冷涡的定义及其在等压面上高度的变化特征，利用计算机在等压面网格点高度上自动识别东北冷涡的中心经纬度、中心高度和半径，确定东北冷涡的位置、强度和面积。还给出了在任意形状关键区中自动识别是否存在冷涡的方法。业务应用的实践证明，该方法对东北冷涡特征的识别准确，简便可靠，对观测错误具有较强的识别、处理能力。     

初夏东北地区冷涡降水“累积效应”

采用1960~2012年5~6月中国东北地区实况降水资料,依据东北冷涡活动客观识别方法,研究东北冷涡活动对东北地区初夏降水的影响,结果表明:5~6月每次东北冷涡过程维持时间以3~7天为主,且具有频发特征,东北冷涡降水累计量占总降水量的62.5%,给出冷涡降水月强度指数,与同期月降水量年际变化具有很好一致性;东北地区初夏降水与东北冷涡降水EOF分解主要模态十分相近,前两个模态分别为全区一致和东北、西南降水相反分布,各占方差贡献的46.8%与42.7%。冷涡降水具有显著“累积效应”,该累计效应可总体反映初夏东北地区降水异常分布特征,进一步揭示东北冷涡活动的气候学特征。     

东北冷涡活动的季节内振荡特征及其影响

东北冷涡是造成我国东北地区低温冷害、持续性阴雨和突发性强对流的重要天气系统.利用1979～2009年NCEP/NCAR逐日再分析资料和中国气象科学研究院提供的中国区域高分辨率格点降水资料,定义了一个客观描述东北冷涡活动的指数 (NECVI),并基于该指数分析了东北冷涡活动的低频特征及其与相关环流和降水的关系.结果表明,东北冷涡活动具有显著的10～30天振荡周期.与东北冷涡活动相关的大气环流的10～30天振荡和我国东部夏季降水异常具有明显的锁相关系,对雨带的位置起着重要的调制作用,在东北冷涡及其相关低频环流由西北向东南的移动过程中,我国东部也经历一次由北至南的降水过程.本文还进一步讨论了东北冷涡的低频活动与中高纬大气环流遥相关型的关系.与东北冷涡相联系的低频环流是夏季低频欧亚 (EU) 型遥相关波列的一部分,低频欧亚型 (EU型) 与东亚/太平型 (EAP型) 遥相关波列在东亚地区交汇,并通过波列之间的相互作用影响东北冷涡低频系统的移向和移速,进而影响中国东部降水的位置与维持时间.因而前期EU型和EAP型低频波列的发展情况可能预示着后期中国东部各个区域降水的演变.本文研究结果将为提高我国东部强降水的1～2周延伸期天气预报提供参考.     

东北冷涡的特征、影响及其可能机制的研究

对东北冷涡的天气气候特征及其影响和可能机制进行了回顾与综述。关于东北冷涡的研究主要经历了三个阶段:天气学分析阶段、诊断分析和数值模拟阶段以及东北冷涡的气候效应研究阶段。为了研究东北冷涡的变化及其对我国天气气候的影响,定量表征东北冷涡是一项重要的基础性工作。提出可以利用计算机自动识别东北冷涡过程的持续时间、中心强度(高度场、温度场)及活动区域等特征参数,并由此建立冷涡综合指数,以便更加客观、全面地表征东北冷涡,有利于在实际工作中应用。     

中国夏季东北冷涡强度的定量化分析

本文利用NCEP/NCAR发布的1981~2010年全球日平均再分析位势高度场资料对东北冷涡进行检索并提取其平均态, 在此基础上定义东北冷涡的偏离指数, 并探讨其对东北冷涡强度特征的描述。结果表明: (1) 东北冷涡500 hPa闭合中心位势高度的概率分布近似为高斯分布, 以其期望值提取的东北冷涡平均态具有东北冷涡的共性, 表现出明显的大气斜压性及有利于系统维持和发展的温压配置关系特征; (2) 基于东北冷涡平均态定义的东北冷涡偏离指数不仅能够表征东北冷涡偏离平均态的程度, 还包含了低压面积的信息, 即能够直观地显示东北冷涡的强弱特征。     

东北冷涡强度定义及特征分析

利用NCEP 1°×1°格点再分析资料,根据东北冷涡温度场有冷中心及高度场是闭合环状环流的特征,同时选取位势高度差和温度差两个指标,制定东北冷涡逐日强度定义方法,并分析了按此定义划分的不同强度东北冷涡的变化特征。结果表明：中等强度冷涡的出现频次最多,占全年冷涡出现日数的50%以上,其次是弱冷涡,超强冷涡出现日数最少;弱冷涡生命史约为3 d左右;超强冷涡活动期间中心位移变化较大,且生命史长,影响范围更为广泛。     

北京地区冰雹云生成的宏观条件分析

通过对北京地区1980～2000年出现的重灾雹日中尺度影响系统形势特征、温、湿层结状况及局地条件的综合分析，对冰雹云生成和降雹宏观条件进行了阐述，并介绍了不同影响系统的特征和降雹特点。北京地区冰雹云生成的宏观条件、生成源地及移动路径表现出明显的局地特征。北京地区降雹天气的主要影响系统分别是：低槽冷锋、蒙古涡、西北气流和东北涡天气型。在各降雹系统中，低槽冷锋带来降雹机会最多，东北涡最少。     

北半球环状模和东北冷涡与我国东北夏季降水关系分析

利用国家气象信息中心提供的1951～2004年全国160个测站月平均降水资料和欧洲中心提供的ERA-40再分析资料,对近50多年东北地区夏季降水、东北冷涡与前期北半球环状模和海温的关系进行了统计分析,定义了一个夏季(6～8月)东北冷涡强度指数(NECVI)。结果表明:NECVI能够较好表征东北低涡的气候效应;夏季东北冷涡强度与降水存在显著的正相关,东北冷涡强年,降水偏多,前期2月北半球环状模(NAM)偏弱;东北冷涡偏弱年,降水偏少,前期2月NAM偏强。此外,夏季东北冷涡与前期的中国近海海温存在显著的负相关,前期NAM和中国近海海温的异常可以作为夏季东北冷涡异常的一个前兆信号,进而为东北地区夏季降水异常的预测提供参考依据。     

东北初夏和盛夏降水时空变化及大气环流因子新特征分析

基于东北区域1961—2019年245站逐日降水资料,利用经验正交函数方法（EOF）、累计距平方法、滑动t检验、小波分析和相关分析等分析了东北地区初夏（6月）和盛夏（7—8月）降水的时空特征。结果表明：东北盛夏降水主要集中于东北东南部地区,初夏北部和东北部降水量也较多。东北初夏和盛夏降水EOF第一和第四模态分别表现为全区一致和自北向南负—正—负（正—负—正）的变化特征。初夏降水在1972年和1995年左右发生了共两次突变。盛夏降水分别在1966年、1983年和1998年左右发生了共3次突变。东北初夏降水在20世纪80—90年代存在显著的准6 a振荡周期,90年代后期开始准3 a周期较为显著;盛夏降水存在12 a左右的主振荡周期,且20世纪90年代之后3—4 a左右的年际尺度振荡周期显著。通过分时段探讨与降水相关的环流场特征,发现了东北初夏降水受东北冷涡的影响增强,盛夏降水由主要受西太平洋副热带高压影响转为受中纬西风带系统影响为主的新特征。     

雷达特征参数在人工增雨(雪)决策中的应用

对2016-2018年大连市86次降水过程(≥5mm)天气资料统计和分析,得到了冬季降水形势为高空槽、东北冷涡和平直西风气流场,春夏秋季为高空槽、东北冷涡、副高西南气流、西北气流及江淮气旋形势场,且降水多为稳定层结(夏季副高、冷涡等除外)；对SA新一代多普勒雷达资料PUP处理和分析,获得了降水回波特征及特征参数值,以及主要降水云系(层云、积层混合云和对流云)；根据雷达回波强度、顶高和垂直积分液态水含量等特征参数及变化,结合冷云催化原理等综合分析,研究建立了基于SA多普勒雷达的人工增雨(雪)作业预警、决策判别指标体系。利用2019年41次降水过程雷达资料进行指标验证分析,得到了87% 以上确率；对4月13日一次实例进行火箭增雨指挥系统业务运行及雷达反演决策判别等综合分析,取得了较好预期效果。     

一次东北冷涡的天气学分析及基于HYSPLIT4模式的水汽通道特征

摘 要：利用连续一年旌德县负氧离子监测数据,分别以兔儿山公园、路西村茶园代表城市公园、高山茶园这两种生态环境,对城市公园和高山茶园负氧离子浓度特征以及气象要素对负氧离子浓度影响进行比较分析。结果表明：①高山茶园负氧离子浓度显著高于城市公园;②负氧离子浓度夏季最高,冬季最低,春秋季次之,6月负氧离子浓度达全年最高;③负氧离子浓度日变化整体呈“一峰一谷”变化趋势,峰值出现在上午,谷值出现在正午前后,夜间至上午负氧离子浓度较高,城市公园负氧离子浓度日较差较高山茶园偏小;④负氧离子浓度日变化与气温、风速呈显著负相关;⑤负氧离子浓度雨天最高,晴天次之,阴天和多云相对较低,暴雨天气条件下大气负氧离子浓度显著提高。     

Influence of the Northeast Cold Vortex on Flooding in Northeast China in Summer 2013

Severe flooding occurred in Northeast China (NEC) in summer 2013. Compared with the rainfall climatology of the region, the rainy season began earlier in 2013 and two main rainy periods occurred from late June to early July and from mid July to early August, respectively. During the summer season of 2013, the western Pacific subtropical high (WPSH) was located farther westward, which strengthened the southerly winds on its west side in the lower troposphere. Under this circulation pattern, more water vapor was transported to North China and NEC. Another moisture transport pathway to NEC was traced to the cross-equatorial flow over the Bay of Bengal. In mid–high latitudes in summer 2013, the Northeast Cold Vortex (NECV) was much stronger and remained stable over NEC. Thus, the cold air flow from its northwest side frequently met with the warm and wet air from the south to form stronger moisture convergence at lower levels in the troposphere, resulting in increased precipitation over the region. Correlation analysis indicated that the NECV played a more direct role than the WPSH. Synoptic analyses of the two heaviest flood cases on 2 and 16 July confirmed this conclusion. The four wettest summers in NEC before 2000 were also analyzed and the results were consistent with the conclusion that both the WPSH and the NECV led to the intense rainfall in NEC, but the NECV had a more direct role.