东北冷涡研究概述

简述了东北冷涡的形势特征、气候特征、天气特征与强对流特征;回顾、综述了东北冷涡形成、发展、维持、消退期的研究成果,特别是东北冷涡强对流特征的研究进展;讨论了东北冷涡强降水、强天气等预报业务的难点及其研究方面存在的问题。认为：需要依靠现代雷达、卫星等观测设备和数值模拟手段,加强东北冷涡暴雨及强天气机制研究,提高东北冷涡天气的预报水平。     

东北冷涡活动及其短期气候预测研究进展

东北冷涡是亚洲东部中纬度的重要天气系统之一,尤其在春末至初夏对我国东北、华北地区,甚至江淮及以南地区的气候异常具有举足轻重的影响。自20世纪70年代以来,国内对东北冷涡的研究,从着重天气结构、中尺度特征和暴雨发生的物理过程等,转向东北冷涡活动的机器自动监测、气候学特征、影响东北夏季低温的东北冷涡活动频率,以及预测信号等;今后,研究更可能关注于东北冷涡的天气尺度与气候尺度诊断并重、高相关与物理过程预测信号提取研究并重,以及诊断与数值预报方法密切结合。通过年际、季节与月等多时空尺度融合方法研究,对于进一步提高东北冷涡短期气候预测水平将是十分有益的。     

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。     

东北冷涡的最新研究进展

本文系统性回顾2010年以来关于东北冷涡的气候特征、暴雨特征、强对流特征、冷涡的结构和发生发展机制、冷涡与平流层相互作用等方面的最新研究成果。这些研究的范围不仅包括直接受冷涡控制的东北地区,还包括冷涡外围地区,如华北、华中、华东、华南、西北和西南地区,这有利于加深对东北冷涡天气系统的全面认识,从而提高冷涡天气的预报水平。并且展望了东北冷涡未来研究的重点方向,即采用新理论方法和较高分辨率资料,不局限于研究其内部结构、发生发展机制,以及冷涡产生的中尺度对流系统结构、运动特征、发展和触发机制,还应探讨冷涡与其他天气系统相互作用的物理机制,特别是冷涡外围地区。另外,冷涡与平流层的相互作用也值得进一步关注。     

一次强东北冷涡的分析

对2004年5月20日东北高空冷涡天气过程进行了分析,探讨冷涡天气演变的物理量场分布特征及其天气诊断分析,为日常预报业务提供了分析手段。     

1961-2010年5-9月东北冷涡气候特征及其对辽宁气温的影响

应用1961-2010年5-9月辽宁地区逐日气温和NCEP 2.5°×2.5°资料,分析了东北冷涡的气候特征及其与辽宁气温短期变化的关系。结果表明：近50 a东北冷涡气候趋势变化不明显;年平均东北冷涡过程8.3次,平均每次过程持续3.97 d;5月东北冷涡过程次数最多,9月东北冷涡过程次数最少;5-7月平均每年受东北冷涡影响分别为7.3、7.5 d和7.4 d;东北冷涡过程次数存在13、9 a和5 a的年际变化周期。按照结构,将东北冷涡分为深厚冷涡和浅薄冷涡;受深厚北涡、中涡和南涡过程影响时,辽宁地区气温距平均为负值,而深厚中涡负距平最明显,且深厚冷涡过程持续时间越长,辽宁地区气温负距平越显著;浅薄北涡影响时,辽宁气温距平均为正值,浅薄中涡、南涡影响辽宁时,气温为弱负距平,没有深厚中涡、南涡过程影响时负距平显著,而且浅薄冷涡过程日期长短对气温影响的差异不明显。     

东北冷涡移动路径的统计预报

东北冷涡是我国东北地区常见的天气系统,尤其是夏季其活动更为频繁。由于冷涡是一种深厚的冷性高空涡旋,常使受它控制的地区的气层呈上冷下暖的配置,造成气层的不稳定,产生强烈的对流性天气,甚至带来冰雹、暴雨、低温冷害及连阴雨等灾害性天气,对国防建设和国民经济建设影响很大。据吉林省资料统计:东北冷涡活动频繁的年份,往往是降水量偏多,农业相对减产的年份。因此对东北冷涡的预报是十分重要的。 而东北冷涡活动路径、直接决定了它所影响的地区,及该区天气的强烈程度。因此对     

2021年夏季我国气候异常特征及成因分析

2021年夏季我国天气气候异常特征突出,极端天气气候事件多,东部主要多雨区在我国北方,降水的季节内变化显著,华南前汛期开始偏晚、江淮流域梅雨和华北雨季开始偏早.东亚大气环流季节内变化对降水异常的空间分布影响较大.6月,东北冷涡活动频繁,导致东北及邻近区域降水异常偏多,黑龙江、嫩江流域发生严重汛情;东北冷涡的异常活跃可能...     

牡丹江“11.18”东北冷涡特大暴雪天气分析

东北冷涡是影响牡丹江地区的主要天气系统之一。探讨东北冷涡暴雪形成是研究我国东北地区暴雪的一个切入点和突破口,对东北冷涡的系统研究将有利于提高东北冷涡暴雪天气预报水平。2013年11月17-18日牡丹江发生了特大暴雪天气过程,采用欧洲数值预报资料、常规观测资料及地面资料、t639资料、各类物理量等对这次暴雪天气过程进行了诊断分析研究。结果表明:范围广而强的偏东南急流不仅是水汽的强输送带,而且是低层锋区系统加强、移动的必要条件;此次暴雪过程高空急流、冷涡、低空急流、地面气旋及锋面相互配置;在降水前期有一干冷空气侵入对流层中下层,干冷气流入侵使不稳定能量释放,是此次暴雪的触发机制之一;干冷空气侵入对此次冷涡系统的发展起着重要的作用;红外云图和水汽图像配合,反映出此次东北冷涡发展移动过程中干冷空气和暖湿气流的运动特征。     

2000～2019年东北冷涡统计特征及其影响期间的降水分布

东北冷涡是影响我国东北地区天气和气候的重要环流系统。本文在前人研究工作基础上,构建了本文的东北冷涡识别与追踪方法。利用2000～2019年NCEP/NCAR再分析资料,对东北冷涡开展客观识别与追踪,进而分析东北冷涡的时空分布特征、持续时间、强度和尺度等,最后利用国家地面气象站小时降水观测数据,探讨了东北冷涡影响期间东北区域的暖季降水分布特征。东北区域内,东北冷涡频数和影响天数无明显长期变化趋势,但存在明显的年际变化和月际变化,东北冷涡更易发生在暖季;东北冷涡的持续时间主要集中在48～72小时,半径尺度范围主要分布在600～1200 km,冷季平均尺度大于暖季,冷季冷涡中心强度也强于暖季;东北冷涡中心活动高频区沿45°～55°N呈东—西走向带状分布;东北冷涡影响期间的暖季降水量占比基本在20%以上,不同强度降水档(0.1～5 mm h^-1,5～10 mm h^-1,10～20 mm h^-1和≥20 mm h^-1)中,占比空间分布不同,强降水局地性特征显著;东北冷涡影响期间的暴雨日降水量占比最大可超过70...     

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。     

1979—2018年5—8月中国东北冷涡建立的客观识别方法及变化特征

东北冷涡是中国东北地区重要的天气系统,采用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-Interim一日4次再分析资料,并改进现有的客观识别方法,将分析天气图的思路运用于对冷涡的客观识别中,检索出1979—2018年夏季（5—8月）516个东北冷涡过程。为了研究冷涡生成位置的差异,以45°N线为X轴,125°E线为Y轴将研究区划分为4个象限。结果表明:夏季东北冷涡生成位置以第2象限（西北部）最多,第4象限（东南部）最少,冷涡以向东移动为主。夏季东北冷涡的平均生命期为3.2 d,各象限生成的冷涡平均生命期有较大差异,第2象限最长,平均约为3.5 d;第4象限最短,平均约为2.9 d。72.1%的冷涡过程生命期少于4 d。夏季各月第2象限生成的冷涡频数均远多于其他3个象限,且具有很明显的逐月递减的季节内变化特征。东北冷涡的生成位置和频数具有明显的年代际变化,5月,1998—2007年偏北,2008—2018年偏南;6月,1980—1998年南移,2008—2018年北移,1993—2003年以偏东为主,2004—2018年以偏西为主;7月,1998—2010年北移,1985—2000年偏西,2005—2012年偏东;8月,2002—2010年偏北,2009—2018年偏东。就频数而言,特别是第2象限生成的冷涡,其年代际变化在季节内存在明显不一致,5月,1979—1985年冷涡偏多,1986—1992年冷涡偏少;6月,1979—1992年偏多,1993—2018年偏少;7月,1980—1991年偏多,1992—2000年偏少。      

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.     

东北冷涡过程对江淮梅雨期降水的影响机制

利用1954--2003年中国740站逐日降水资料以及NCEP／NCAR再分析资料,对东北冷涡影响江淮梅雨的机制进行了研究。结果发现,东北冷涡出现以后,随着它的东移南压与西伸的副热带高压之间相互作用,使我国江淮地区南侧对流层中上层的气压梯度力加强,气压梯度力做功使得动能增大,随后动能向下输送,导致江淮以南地区的西南低空急流形成;低空急流引导的北上暖湿气流与东北冷涡引导的南下干冷空气相互作用,有利于梅雨锋的形成和维持,激发江淮地区低层对流不稳定增加,上升运动出现,从而导致江淮梅雨期降水活跃。     

东北冷涡背景下飑线发展机制的理论分析和数值研究

在CM1模式动力框架基础上,推导出结合尺度分析得到的强对流天气发生发展的必要条件,并选择典型东北冷涡背景下的飑线过程,以200 m的高精度水平网格距进行数值模拟和对比试验,验证理论结果的同时得到东北冷涡飑线形成的条件。通过模式数据做尺度分析,得到飑线系统中平流、对流以及沉降作用对水汽变量的影响最大,飑线的出现需要水汽分布和上升气流的配合,水汽相变影响次之,湍流作用相对较小。东北冷涡不同区域的模拟验证了理论分析的结果,冷涡西南侧受冷涡引导南下的冷空气影响,配合低层暖平流出现不稳定层结,结合有横向梯度的湿度场,可以形成飑线。在上升气流强的区域受水汽浓度和温度的影响在中高层容易形成强的雷达回波,两侧和积分一段时间后的低层受沉降作用的影响也会出现强的雷达回波。     

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。     

北半球环状模(NAM)、东北冷涡与前汛期华南旱涝

利用中国气象局国家气象信息中心提供的1951-2004年全国160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年华南前汛期降水、东北冷涡、前期北半球环状模和海温的关系进行了统计分析，定义了一个前汛期东北冷涡强度指数（NECVI），结果表明：前汛期东北冷涡强度与华南降水存在显著的正相关，东北冷涡强年，华南降水偏多，前期2-3月份北半球环状模（NAM）偏弱；反之，东北冷涡偏弱年，华南降水偏少，前期2-3月份NAM偏强。此外，前汛期东北冷涡的强度和前期的中国近海海温存在显著的负相关，前期的NAM和中国近海海温的异常可以作为前汛期东北冷涡异常的一个前兆信号，进而为华南地区前汛期降水异常的预测提供参考依据。     

BCC_CSM1.1(m)模式对初夏东北冷涡的模拟及应用

利用1991-2017年BCC_CSM1.1（m）模式模拟数据和NCEP/NCAR逐月再分析资料,评估了BCC_CSM1.1（m）对初夏东北冷涡的模拟能力。结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式可以对500 hPa位势高度场气候态进行模拟,均方根误差显示该模式对中国东北南部地区500 hPa位势高度场的模拟要优于东北北部地区。EOF第一模态结果显示,该模式可以较好地模拟出500 hPa位势高度场的主要时空变化特征。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出近27 a东北冷涡指数的上升趋势和年际变化,但模拟的上升趋势较实况偏强,年际变率较实况偏弱。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出东北冷涡指数的年代际突变,但是对突变开始时间的模拟较实况偏晚。BCC_CSM1.1（m）模式能够模拟出东北冷涡指数和500 hPa位势高度场在东北及其附近地区的显著正相关,不能模拟出东北冷涡指数与东北初夏降水之间的显著负相关。此外,模式东北冷涡指数对东北初夏降水的预测能力十分有限。     

副热带东南太平洋海温对东北夏季降水的影响及可能机制

诊断分析表明,前期副热带东南太平洋海温尤其是前春海温与东北夏季降水存在持续稳定的负相关关系。无论是在年际时间尺度还是年代际尺度上,冬、春、夏季海温演变趋势与降水均呈反位相。尺度分离结果显示,关键区海温与降水的显著负相关主要依赖于其年代际分量,但年际分量也起到较重要贡献。相关分析和合成分析结果都发现,当副热带东南太平洋海温偏低时,其上空可激发出反气旋式距平风场,而在关键区海域西北部激发出气旋式距平环流。同时在所罗门群岛和菲律宾南部分别出现反气旋式和气旋式距平环流。西太平洋副热带高压(副高)位置较常年偏西,副高区为反气旋式距平环流。在东北地区西侧则为气旋式距平环流。在这样的环流背景下,副高西侧的南风加强了源自南海和西太平洋的暖湿气流和北方冷空气在东北地区的交汇,从而使东北夏季多雨。反之,当东南太平洋海温偏高时,其激发的气旋及反气旋距平中心和偏低年刚好相反,副高位置偏东,其西侧的南方水汽输送偏弱,同时东北冷涡也偏弱,冷暖空气汇合形成的低空辐合弱,东北降水因此偏少。这表明,副热带东南太平洋海温异常时确实能激发出一个从关键海区到东北地区的跨越南北半球的气旋-反气旋交替波列,引发北半球中高纬度大气环流异常,从而影响东北夏季降水。