李　爽，丁治英，戴　萍，劉云樺，韓　穎

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇　南京　210044；2.遼寧省鞍山市氣象局，遼寧　鞍山　114004；3.遼寧省氣象信息中心，遼寧　沈陽　110000；4.廣東省氣象服務(wù)中心，廣東　廣州　510080)

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東北冷渦的最新研究進(jìn)展

李爽1,2，丁治英1，戴萍3，劉云樺4，韓穎2

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044；2.遼寧省鞍山市氣象局，遼寧鞍山114004；3.遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽110000；4.廣東省氣象服務(wù)中心，廣東廣州510080)

摘要：本文系統(tǒng)性回顧2010年以來關(guān)于東北冷渦的氣候特征、暴雨特征、強(qiáng)對流特征、冷渦的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展機(jī)制、冷渦與平流層相互作用等方面的最新研究成果。這些研究的范圍不僅包括直接受冷渦控制的東北地區(qū)，還包括冷渦外圍地區(qū)，如華北、華中、華東、華南、西北和西南地區(qū)，這有利于加深對東北冷渦天氣系統(tǒng)的全面認(rèn)識，從而提高冷渦天氣的預(yù)報(bào)水平。并且展望了東北冷渦未來研究的重點(diǎn)方向，即采用新理論方法和較高分辨率資料，不局限于研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機(jī)制，以及冷渦產(chǎn)生的中尺度對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特征、發(fā)展和觸發(fā)機(jī)制，還應(yīng)探討冷渦與其他天氣系統(tǒng)相互作用的物理機(jī)制，特別是冷渦外圍地區(qū)。另外，冷渦與平流層的相互作用也值得進(jìn)一步關(guān)注。

關(guān)鍵詞：東北冷渦；暴雨；強(qiáng)對流；冷渦結(jié)構(gòu)；平流層

引言

東北冷渦是指在我國東北附近地區(qū)具有一定強(qiáng)度，能維持3~4 d，且有深厚冷空氣的氣旋性渦旋[1]。東北冷渦不僅能造成東北地區(qū)低溫冷害、持續(xù)性陰雨洪澇、突發(fā)性強(qiáng)對流等天氣，還會使華北、華中、華東，甚至西北和西南地區(qū)產(chǎn)生災(zāi)害性強(qiáng)的中尺度對流性系統(tǒng)，從而出現(xiàn)雷暴、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)和暴雨等災(zāi)害性天氣。因此，東北冷渦對東北、華北汛期及江淮梅雨和華南雨季影響重大，對東北冷渦天氣系統(tǒng)的研究有著極其重要而深遠(yuǎn)的意義。

對東北冷渦的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，我國最早的研究可追溯到1950年，張立祥[3]、朱占云[4]等分別總結(jié)了2008年和2010年之前的研究成果，本文系統(tǒng)性地回顧了2010年之后關(guān)于東北冷渦的最新研究進(jìn)展，包括東北冷渦的氣候特征、暴雨特征、強(qiáng)對流特征、冷渦的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展機(jī)制、冷渦與平流層相互作用等方面的科研成果，不僅包括了東北地區(qū)，還包括華北、華中、華東、華南、西北和西南地區(qū)，并且提出了研究中存在的一些問題，旨在提高氣象學(xué)者對東北冷渦系統(tǒng)及其天氣的認(rèn)識能力和整體預(yù)報(bào)水平。

1東北冷渦的氣候特征

在2010年之前，關(guān)于東北冷渦的氣候特征就得到了較為廣泛的關(guān)注，研究內(nèi)容主要包括東北冷渦的時(shí)空分布、環(huán)流特征和冷渦與其他天氣系統(tǒng)相互作用等方面。2010年以來，對東北冷渦的氣候特征研究進(jìn)一步深入，Hu等[5]統(tǒng)計(jì)了1958~2006年的東北冷渦活動，發(fā)現(xiàn)東北冷渦的出現(xiàn)頻率和維持時(shí)間有明顯的季節(jié)周期，其最易發(fā)生在夏季，而秋末和初冬出現(xiàn)較少，大多數(shù)東北冷渦的生命史小于一周，但夏季和冬季容易長時(shí)間維持，一般東北冷渦形成于貝加爾湖附近，消失在西北太平洋海岸。謝作威等[6]研究發(fā)現(xiàn)東北冷渦最易出現(xiàn)在大興安嶺的古利牙山和小興安嶺以北的黑河，這與2010年之前的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7-8]比較接近。另外，5月的冷渦活動比較偏北，可達(dá)到45°N以北地區(qū)，而6月可向南擴(kuò)展到40°N以南，在7~8月，隨著東亞高空急流的減弱和北進(jìn)，東北冷渦的活動區(qū)域向北收縮，當(dāng)急流減弱北移且強(qiáng)西風(fēng)等值線向急流軸收縮時(shí)，急流北側(cè)正渦度加強(qiáng)，冷渦頻數(shù)增加。

東北冷渦是東亞中高緯度地區(qū)重要的天氣系統(tǒng)，其持續(xù)性頻繁活動在一定程度上會影響局地和非局地的氣候。在東北冷渦最為活躍的夏季，我國東北和華北大部分地區(qū)往往氣溫異常偏低，東北中西部和長江流域降水顯著偏多[9]。而且，東北冷渦活動具有顯著的10～30 d振蕩周期，這與我國東部夏季降水異常明顯相關(guān)，對雨帶位置起著重要的調(diào)制作用，在東北冷渦及其相關(guān)低頻環(huán)流由西北向東南的移動過程中，我國東部也經(jīng)歷一次由北至南的降水過程[10]。為了進(jìn)一步了解東北冷渦對降水的影響，Xie等[11]根據(jù)東北冷渦上游高壓脊的位置，將冷渦分為葉尼塞河、貝加爾湖、烏拉爾山和雅庫茨克—鄂霍茨克海4種類型，并指出當(dāng)冷渦為烏拉爾山和雅庫茨克—鄂霍茨克海型時(shí)，會造成東北地區(qū)的降水異常偏多。

在冷渦頻發(fā)的夏季，東北地區(qū)的中部和南部以及華北大部地區(qū)更易出現(xiàn)氣溫異常偏低，即所謂的“冷夏”天氣[9]。東北冷渦偏強(qiáng)時(shí)，也會造成長江中下游以北、河套以東地區(qū)的低溫，尹姍等[12]定義了北半球環(huán)狀模指數(shù)，采用奇異值分解法得出前冬北半球環(huán)狀模對春季長江中下游以北、河套以東地區(qū)的極端低溫有重要影響，兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)，當(dāng)前冬北半球環(huán)狀模偏弱時(shí)，東北冷渦偏強(qiáng)，極端低溫事件偏多，強(qiáng)度偏強(qiáng)。另外，阻塞高壓(貝加爾湖和鄂霍茨克海附近)與冷渦的配置及大氣低頻Rossby波擾動的同位相強(qiáng)迫，增強(qiáng)了500 hPa環(huán)流由北向南的“+、-”異常，這是極端低溫事件的強(qiáng)弱與范圍大小的重要動力機(jī)制[13]。

大氣環(huán)流對東北冷渦活動有著重要作用，廉毅等[14]探討了初夏大氣環(huán)流低頻變化對東北冷渦異常活動的影響，認(rèn)為冷渦與上游烏拉爾山阻塞形勢和下游西北太平洋異常環(huán)流有關(guān)。當(dāng)冷渦異常多年，Rossby波能量向下游頻散與瞬變擾動強(qiáng)迫致使烏拉爾山附近阻塞型環(huán)流盛行，此時(shí)正渦度位相占優(yōu)，對應(yīng)北太平洋中西部的超長波槽西退。而西太平洋遙相關(guān)型為東北冷渦活動的同期背景環(huán)流型，東北冷渦在其負(fù)位相易于生成[6]。冬季東北冷渦對北太平洋風(fēng)暴軸的強(qiáng)度有一定影響，冬季東北冷渦發(fā)生天數(shù)與北太平洋風(fēng)暴軸強(qiáng)弱變化呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)東北冷渦發(fā)生天數(shù)偏多(偏少)時(shí)，北太平洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度減弱(增強(qiáng))[15]。另外，黑潮海溫偏低將導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓區(qū)和東北冷渦區(qū)均形成氣旋式距平環(huán)流系統(tǒng)，從而減弱西太平洋副熱帶高壓并增強(qiáng)東北冷渦，因此黑潮海溫可被視為一個非常有效的前兆預(yù)測信號[16]。

2東北冷渦影響下的暴雨特征

暴雨是行星尺度、天氣尺度和中小尺度系統(tǒng)共同造成的，針對東北冷渦暴雨，許多學(xué)者從大中尺度形勢、物理量場診斷等方面進(jìn)行研究。早在1995年，孫力等[17]對暴雨類冷渦和非暴雨類冷渦合成對比分析，得出了暴雨發(fā)生區(qū)的一些物理量特征。而王黎黎等[18]對1961~2008年吉林省的冷渦暴雨過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)冷渦暴雨中心存在深厚持續(xù)的上升氣流，最大上升氣流多出現(xiàn)在500 hPa，具有低層輻合、高空向北向東輻散的特征，而且多有低空急流配合。另外，一些研究[19-21]指出東北冷渦暴雨常伴隨著高低空急流耦合，高空輻散和低空輻合的配置為暴雨提供了較好的動力條件。在東北地區(qū)的冷渦暴雨中，常以對流性降水為主，任麗等[22]模擬了一次冷渦暴雨，結(jié)果顯示，暴雨是由暖鋒云帶中多個對流云團(tuán)的發(fā)展移動造成的，地面中尺度切變線為暴雨云團(tuán)的發(fā)展和維持提供了有利條件，而且有2條中尺度切變線先后在同一區(qū)域發(fā)展并移動，切變線上存在與暴雨關(guān)系密切的中尺度垂直環(huán)流。

對于東北冷渦的外圍地區(qū)，暴雨常是東北冷渦與槽線、切變線、臺風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓等其他天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。王思慜[23]分析山西省中部地區(qū)的一次暴雨天氣過程時(shí)，指出這次暴雨天氣由西太平洋副熱帶高壓東退、東北冷渦東移和臺風(fēng)北上共同影響形成，2014年第8號臺風(fēng)“浣熊”起重要作用，不僅為強(qiáng)降水區(qū)域提供水汽支持，并且直接造成強(qiáng)降水發(fā)生的有利形勢。西太平洋副熱帶高壓、高空冷渦以及短波槽是造成我國南方地區(qū)持續(xù)性暴雨過程的主要影響系統(tǒng)，其水汽輸送主要來源于西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的副熱帶季風(fēng)氣流、孟加拉灣的西南季風(fēng)氣流和南海北部的熱帶季風(fēng)氣流[24]。

我國提出教育強(qiáng)國的目標(biāo)，國家在高等教育上也加大了投資力度，但是過于強(qiáng)調(diào)教學(xué)，好像教育只跟教師掛鉤，長此以往，在人們的觀念中學(xué)校只有教師才是最為重要的，其他輔助人員都是作為教師的“陪襯”而存在的[2]。

羅玲等[25]對比東北冷渦背景下浙江省2次強(qiáng)降水過程，指出在冷渦背景下，由于中低層溫度場配置和上下游系統(tǒng)強(qiáng)弱不同，連續(xù)區(qū)域性暴雨和局地對流性暴雨都可產(chǎn)生。連續(xù)區(qū)域性暴雨過程的雨帶呈帶狀分布，以層狀云降水為主，其低層為大范圍的輻合、高層輻散，且低層輻合強(qiáng)于高層輻散，低空存在西南急流，為暴雨提供了重要的水汽和動力條件，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定。對流性暴雨過程降水分布不均勻、強(qiáng)度大、歷時(shí)短，高低空沒有大范圍的輻合輻散區(qū)，也沒有低空西南急流，前期水汽條件較差，降水過程以熱力作用為主，大氣層結(jié)不穩(wěn)定觸發(fā)了強(qiáng)對流天氣的發(fā)生，從而出現(xiàn)局地暴雨。苗愛梅等[26]分析冷渦影響下山西的一次暴雨過程，指出鋒生是這次區(qū)域性暴雨發(fā)生的主要原因，山西中部暴雨由2個β中尺度對流云團(tuán)生成，且在邊界層2條中尺度切變線附近觸發(fā)對流發(fā)展，形成2個暴雨中心；山西南部暴雨則由8個中尺度對流云團(tuán)生成、發(fā)展合并，在邊界層α中尺度人字形切變線附近觸發(fā)對流發(fā)展，α中尺度人字形切變線云系上4個γ中尺度氣旋是導(dǎo)致局地大暴雨和特大暴雨形成的直接原因。

東北冷渦、歐亞中高緯阻塞高壓、東亞夏季風(fēng)(包括熱帶夏季風(fēng)和副熱帶夏季風(fēng))及西太平洋副熱帶高壓這4個系統(tǒng)的不同配置影響著冷暖氣流的對峙位置，進(jìn)而形成我國夏季的主雨帶[27]。東北冷渦對江淮梅雨和華南汛期降水有較大影響，2009年異常的江淮梅雨與東北冷渦異常偏強(qiáng)且長時(shí)間持續(xù)有關(guān)，這使夏季風(fēng)難以北進(jìn)，導(dǎo)致第一階段梅雨期開始偏晚，而夏季風(fēng)水汽輸送影響偏弱引起該時(shí)段梅雨期降水量偏少[28]。對東北冷渦影響江淮梅雨的機(jī)制進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)東北冷渦出現(xiàn)以后，隨著它的東移南壓與西伸的西太平洋副熱帶高壓之間相互作用，形成江淮以南地區(qū)的西南低空急流，低空急流引導(dǎo)的北上暖濕氣流與東北冷渦引導(dǎo)的南下干冷空氣相互作用，有利于梅雨鋒的形成和維持，從而導(dǎo)致江淮梅雨期降水活躍[29]。將2011年江蘇梅汛期分為典型和非典型梅雨鋒降水2個階段，當(dāng)非典型梅雨鋒暴雨時(shí)，中高層江蘇處于天氣尺度深厚低槽前的西南氣流中，冷空氣來自東北冷渦后部，低層有倒槽輻合線，近地面鋒區(qū)較弱，異常強(qiáng)盛的暖濕氣流由南海經(jīng)臺灣海峽和東海北上，對流層低層經(jīng)向風(fēng)擾動為南風(fēng)，中高層為北風(fēng)，暴雨產(chǎn)生在低層南風(fēng)風(fēng)速輻合區(qū)[30]。除此之外，華南前汛期降水也同樣受東北冷渦影響，如果東北冷渦長時(shí)間盤踞，那么北方冷空氣與來自西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的暖濕氣流交匯在華南，此時(shí)以冷式鋒面降水為主，否則熱帶對流活躍，具有季風(fēng)降水的性質(zhì)[31]。

3與東北冷渦有關(guān)的強(qiáng)對流天氣特征

3.1強(qiáng)對流天氣

東北冷渦最引人關(guān)注的特點(diǎn)是其誘發(fā)中小尺度系統(tǒng)的突發(fā)性和反復(fù)性，在東北冷渦的形成、發(fā)展、持續(xù)和衰減階段都能產(chǎn)生冰雹、雷暴、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水，甚至龍卷等強(qiáng)對流天氣。之前對于冷渦對流性天氣的研究多集中在形成、發(fā)展和持續(xù)階段，但近年來衰減階段的強(qiáng)對流天氣研究也取得了較大進(jìn)展，應(yīng)爽等[32]認(rèn)為東北冷渦不同階段產(chǎn)生的強(qiáng)對流天氣并不相同，主要因?yàn)槔渑諝獾闹鲗?dǎo)作用不同，從而造成不同的水汽分布、不穩(wěn)定層結(jié)和觸發(fā)機(jī)制。冷渦形成初期低空急流顯著，暖濕輸送明顯，但槽后冷空氣主體尚未到達(dá)，此時(shí)只產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴天氣，而發(fā)展期不但產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水和雷暴天氣，還產(chǎn)生冰雹天氣，這是因?yàn)樯蠈痈衫錃饬髋c下層暖濕氣流進(jìn)行劇烈交綏，衰減期的冷渦后部高空槽帶動大范圍冷空氣南下，以冷空氣為主，也同樣出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴和冰雹天氣，衰減期有明顯的地面輻合線，從而觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成中β尺度對流系統(tǒng)。冷渦背景下的強(qiáng)對流天氣，不一定具備很好的水汽條件，但一定需要大氣層結(jié)不穩(wěn)定、熱力作用明顯，所以這類局地強(qiáng)對流天氣有很強(qiáng)的隱蔽性、突發(fā)性和危險(xiǎn)性，只能把大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化和后部冷空氣的滲透作為預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)[25]。另外，蘇愛芳等[33]就一次冷渦背景下豫北出現(xiàn)的雷暴、冰雹、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水天氣進(jìn)行診斷，指出高空“上干下濕”層結(jié)結(jié)構(gòu)、適宜的0 ℃層和-20 ℃層高度、高層冷平流、低層暖平流的垂直配置以及北方明顯的負(fù)變溫區(qū)，對制作午后局地強(qiáng)對流天氣潛勢預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。

東北冷渦對華中、華東、西南和西北等地區(qū)強(qiáng)對流天氣的影響，主要是提供有利的環(huán)流背景引導(dǎo)冷空氣南下，而低層的偏南氣流向影響區(qū)輸送暖濕氣流，高層干冷和低層暖濕造成了層結(jié)不穩(wěn)定。2009年6月初晉豫魯皖蘇5省的一次強(qiáng)對流天氣就是在東北冷渦不斷引導(dǎo)冷空氣南下的有利天氣形勢下發(fā)生的，高空的干侵入疊加在低層較高假相當(dāng)位溫的暖濕空氣之上，這種較強(qiáng)的位勢不穩(wěn)定有利于對流系統(tǒng)的觸發(fā)[34-35]。隨后，鄭媛媛等[36]在安徽省強(qiáng)對流天氣的物理機(jī)制分析中，指出54.1%的強(qiáng)對流個例都為冷渦槽后類，即東北冷渦位于東北地區(qū)或朝鮮半島，安徽上空受西北氣流控制，具有較強(qiáng)的冷平流，低層往往有暖中心配合，強(qiáng)對流天氣主要出現(xiàn)在午后至上半夜冷鋒經(jīng)過的地區(qū)或熱低壓、均壓區(qū)的東南象限。蘇愛芳等[33]認(rèn)為豫北局地強(qiáng)對流天氣也是在東北冷渦背景下產(chǎn)生的，高低層中尺度影響系統(tǒng)(槽、切變線和大風(fēng)速軸)交匯處的右側(cè)為強(qiáng)對流發(fā)生潛勢區(qū)。

3.2中尺度對流系統(tǒng)

強(qiáng)對流天氣由中尺度對流系統(tǒng)直接產(chǎn)生，雖然東北冷渦是大尺度系統(tǒng)，但它可以提供有利于中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的條件。由于中尺度對流系統(tǒng)尺度小、生命史短，用常規(guī)資料難以分析其特征，所以多使用衛(wèi)星、雷達(dá)、數(shù)值模擬產(chǎn)品進(jìn)行分析。應(yīng)爽等[32]利用紅外云圖對東北冷渦不同演變階段強(qiáng)對流天氣過程對應(yīng)的中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出在冷渦形成期，高低空急流耦合產(chǎn)生的次級環(huán)流上升支觸發(fā)鋒前不穩(wěn)定能量釋放，導(dǎo)致中β尺度孤立深厚濕對流系統(tǒng)出現(xiàn)；在冷渦發(fā)展期，對流層高層干冷空氣向?qū)α鲗又邢聦忧秩?，形成高空露點(diǎn)鋒，觸發(fā)中α尺度對流系統(tǒng)；在冷渦消亡期，低渦減弱為高空槽并快速東移，其后部冷空氣置于低層大范圍暖濕空氣之上，地面中尺度輻合觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，形成中β尺度對流系統(tǒng)。王培[37]在研究東北冷渦中尺度對流系統(tǒng)時(shí)，指明在中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展成熟時(shí)，伴隨著強(qiáng)的降壓和降水過程。隨后，王培等[38]進(jìn)一步指出中尺度對流系統(tǒng)易發(fā)生在東北冷渦東南側(cè)和東北側(cè)的氣旋性曲率最大處，此處的對流層低層易形成強(qiáng)輻合區(qū)，而風(fēng)場的水平輻合運(yùn)動激發(fā)出垂直上升運(yùn)動，在對流不穩(wěn)定區(qū)配合著強(qiáng)上升運(yùn)動，有利于對流系統(tǒng)發(fā)展而產(chǎn)生降水，因此在低壓系統(tǒng)東南側(cè)及東北側(cè)的“氣旋曲度”區(qū)易形成降水。另外，葉更新等[39]研究出現(xiàn)在吉林的一次超級單體風(fēng)暴時(shí)，發(fā)現(xiàn)始終有一個中β尺度反氣旋環(huán)流相隨，而且風(fēng)暴發(fā)生在該環(huán)流的西北象限的西南氣流中。紀(jì)曉玲等[40]利用黑體亮溫和多普勒雷達(dá)資料分析了寧夏受東北冷渦后部橫槽影響的一次短時(shí)強(qiáng)降水過程，說明在有利的環(huán)境場和層結(jié)不穩(wěn)定條件下，石嘴山西北部不斷有對流單體生成、合并、發(fā)展為中尺度對流系統(tǒng)MCS，中尺度對流系統(tǒng)MCS經(jīng)歷了生成、發(fā)展、減弱3個過程，持續(xù)時(shí)間近6 h，云頂亮溫最亮?xí)r達(dá)到-47 ℃。

關(guān)于東北冷渦背景下颮線的研究取得了一些成果，白人海等[41]在1998年從天氣尺度環(huán)流背景、大尺度動力條件和中尺度天氣系統(tǒng)等方面對發(fā)生在東北地區(qū)的颮線天氣進(jìn)行了分析。而鄭媛媛等[42]指出冷渦影響下江淮地區(qū)颮線的生成應(yīng)具備以下特征：(1)存在明顯的中尺度氣旋式環(huán)流，850 hPa、925 hPa和地面有輻合線或干線存在；(2)靜力不穩(wěn)定，中低層溫度直減率大；(3)風(fēng)垂直切變強(qiáng)，風(fēng)隨高度強(qiáng)烈順轉(zhuǎn)，400~500 hPa有西風(fēng)急流存在，且與強(qiáng)對流天氣的發(fā)生區(qū)域緊密相關(guān)；(4)伴隨著颮線發(fā)展，在颮線后側(cè)有顯著升壓，雷暴高壓的強(qiáng)弱不僅指示了颮線發(fā)展的不同階段，同時(shí)可作為地面大風(fēng)預(yù)報(bào)的參考依據(jù)；(5)颮線的移動與對流回波的傳播、出流邊界和引導(dǎo)氣流密切相關(guān)。對2009年6月3日東北冷渦影響下河南的颮線天氣過程研究分析，劉香娥等[43]指出颮線系統(tǒng)是由一個較強(qiáng)對流單體發(fā)展和演變形成，颮線成熟期強(qiáng)回波帶中鑲嵌多個更小尺度的單體，颮線的組織方式具有斷線型特點(diǎn)，并且空間尺度不大。而吳海英等[44]指出在颮線的發(fā)展過程中，地面氣壓場呈明顯的中尺度擾動特征，颮線后部產(chǎn)生的中尺度雷暴高壓與風(fēng)場的輻散中心相伴是地面大風(fēng)形成的主要原因之一。

4東北冷渦的結(jié)構(gòu)和發(fā)生發(fā)展機(jī)制

孫力等[45]在2002年對9例產(chǎn)生暴雨的東北冷渦進(jìn)行診斷，得出物理量呈非對稱分布的結(jié)論，冷渦東側(cè)的上升氣流較強(qiáng)，而冷渦中心附近及西側(cè)由于對流層中高層下沉氣流的存在，上升運(yùn)動受到抑制，而且冷渦東側(cè)的低層輻合和高層輻散以及渦度遠(yuǎn)強(qiáng)于西側(cè)。而鐘水新[46]在2011年合成分析了東北冷渦的結(jié)構(gòu)特征，并且總結(jié)歸納出冷渦的結(jié)構(gòu)模型，即(1)渦旋結(jié)構(gòu)：在對流層整層表現(xiàn)為深厚的渦旋，渦度在對流層中上層300 hPa附近最強(qiáng)；(2)熱力結(jié)構(gòu)：以300 hPa左右為界，以上為暖性結(jié)構(gòu)，以下為冷性結(jié)構(gòu)，冷中心在500 hPa附近表現(xiàn)最強(qiáng)；(3)水汽輸送：冷渦東側(cè)、南側(cè)低層有西南風(fēng)低空急流和偏東氣流向暴雨區(qū)提供水汽輸送，有時(shí)2股氣流匯合，地面自動站資料觀測到暴雨發(fā)生前有明顯的濕舌自南向北伸；(4)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：和冷渦東側(cè)的暖濕氣流相配合，當(dāng)發(fā)生有區(qū)域性暴雨時(shí)，低層有高能舌伸向暴雨區(qū)，假相當(dāng)位溫高值可達(dá)338 K或以上；(5)位渦結(jié)構(gòu)：冷渦中心對流層中、高層為高位渦區(qū)域，中高層的高位渦中心向低層伸展侵入，有利于在系統(tǒng)移動前方激發(fā)出上升運(yùn)動；(6)垂直運(yùn)動：沿冷渦移動方向，在冷渦的前方即東側(cè)、東南側(cè)為上升運(yùn)動中心，一般位于低空急流的前方，冷渦中心及西側(cè)為干冷的下沉氣流，有利于暴雨在冷渦東側(cè)、東南側(cè)生成。另外，冷渦冷心結(jié)構(gòu)最初始于高層，隨后逐漸向下伸展。成熟階段的冷渦，對流層整層為冷心結(jié)構(gòu)，冷中心位于對流層中高層，其上即平流層低層為暖心結(jié)構(gòu)，這與鐘水新[46]的結(jié)論一致，而且發(fā)展初期溫度槽落后于高度槽，且軸線向西傾斜，斜壓性特征明顯；至成熟階段，溫度中心與高度中心趨于重合，軸線近于豎直，顯示出正壓的特征；到減弱階段，由于低層偏北風(fēng)減弱明顯，軸線又略向西傾斜。冷渦環(huán)流內(nèi)多中小尺度對流云團(tuán)發(fā)展，且分布極不均勻[47]。除此之外，風(fēng)場對流輻合區(qū)與紅外云圖的發(fā)展演變對應(yīng)，在冷渦云系發(fā)展典型階段，風(fēng)場輻合帶呈螺旋帶分布在冷渦外緣，其結(jié)構(gòu)類似于臺風(fēng)螺旋云帶，但強(qiáng)度遠(yuǎn)小于臺風(fēng)螺旋雨帶[48]。施春華等[49]分析了一次非典型東北冷渦結(jié)構(gòu)，指出南槽背景的冷渦熱力結(jié)構(gòu)特殊，強(qiáng)冷空氣集中在渦內(nèi)西北象限，暖濕空氣在東北象限，南部為相對中性空氣，該配置導(dǎo)致北部暖鋒強(qiáng)盛，西部冷鋒僅在發(fā)展初期較強(qiáng)，冷渦過程沒有經(jīng)典挪威學(xué)派的氣旋錮囚鋒出現(xiàn)。

關(guān)于東北冷渦的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，在干侵入方面研究的最多，吳迪等[50]通過衛(wèi)星水汽圖像和大氣動力場相結(jié)合的方法，指出干侵入使得冷渦中心絕對渦度增大，冷渦加強(qiáng)發(fā)展，因此干侵入是激發(fā)冷渦發(fā)生、發(fā)展的動力條件之一。鐘水新[46]研究指出干侵入在對流層高層體現(xiàn)為高位渦發(fā)展、東移，對流層中層表現(xiàn)為干區(qū)侵入，在對流層低層表現(xiàn)為強(qiáng)的冷平流侵入。具體為對流層高層有高位渦舌氣流向?qū)α鲗又械蛯由煺梗鰪?qiáng)了對流層中低層系統(tǒng)的氣旋性環(huán)流，從而增強(qiáng)了冷渦中低層輻合，導(dǎo)致垂直上升運(yùn)動增強(qiáng)，高位渦向下伸展對應(yīng)于假相當(dāng)位溫高值區(qū)向下伸展，加強(qiáng)了此區(qū)域的對流不穩(wěn)定能量。劉英等[47]進(jìn)一步揭示了對流層高層的干冷空氣總是沿著等熵面從高層穿越等壓面向下侵入到冷渦中心附近，干侵入使冷渦加強(qiáng)發(fā)展并維持其冷心結(jié)構(gòu)。所以干侵入機(jī)制實(shí)際就是高位渦的侵入和下傳，對預(yù)報(bào)冷渦的發(fā)展演變具有重要指示意義。延伸到冷渦降水中，沈浩等[51]認(rèn)為密度較高的高層干冷空氣下沉迫使干侵入前沿暖濕氣流抬升，從而促進(jìn)了東北冷渦降水發(fā)展；另一方面，下沉冷空氣流向前推進(jìn)“擠壓”可導(dǎo)致冷空氣前沿界面較為陡峭、層結(jié)不穩(wěn)定，有助于云系垂直發(fā)展，降水主要集中于云系中部。

除此之外，冷暖平流在東北冷渦的形成和發(fā)展過程中扮演著很重要的角色，冷空氣下沉和暖空氣上升有助于擾動有效位能的釋放，而擾動有效位能將轉(zhuǎn)換為擾動動能，這種能量的轉(zhuǎn)換使東北冷渦得以發(fā)展和維持[52-53]。Jiang等[54]進(jìn)一步研究了東北冷渦演變過程的擾動增長機(jī)制，發(fā)現(xiàn)最開始的非線性擾動發(fā)生在高位渦區(qū)域，而且擾動在整個對流層都有很強(qiáng)的斜壓性，隨著時(shí)間的推移，擾動區(qū)域擴(kuò)大，并在成熟階段出現(xiàn)準(zhǔn)正壓狀態(tài)。

5東北冷渦與平流層的相互作用

與對流層相比，我們對平流層了解得相對較少。為了研究平流層環(huán)流異常對東北冷渦的影響，對平流層北半球環(huán)狀模(NAM)異常期間東北冷渦的活動特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和合成分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與平流層NAM正異常相比，在平流層NAM負(fù)位相異常期間，東北冷渦發(fā)生的頻次更多且持續(xù)天數(shù)更長，強(qiáng)度也更強(qiáng)[55]。陳丹等[56]模擬了與東北冷渦相伴的高空急流誘發(fā)平流層重力波的過程，結(jié)果顯示在東北冷渦的發(fā)展和維持階段，重力波活動與急流存在緊密聯(lián)系，在水平方向上，重力波呈顯著的二維結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)在急流出口區(qū)上部并逆背景流向西傳播，并且由于急流的存在，造成其與平流層中下部之間存在顯著的水平風(fēng)速垂直切變，與切變相伴的耗散使得上傳的重力波動量通量數(shù)值隨著高度升高而遞減。另外，東北冷渦可引起平流層—對流層質(zhì)量的交換，對流層頂?shù)馁|(zhì)量交換總效應(yīng)表現(xiàn)為平流層向?qū)α鲗拥膬糨斔?，具體表現(xiàn)為：在冷渦形成前期，存在較強(qiáng)的平流層空氣向?qū)α鲗虞斔瓦^程；隨著冷渦的形成發(fā)展，總通量表現(xiàn)為對流層向平流層輸送—平流層向?qū)α鲗虞斔汀獙α鲗酉蚱搅鲗虞斔?TST—STT—TST)的波動趨勢；冷渦發(fā)展后期，又表現(xiàn)為平流層空氣向?qū)α鲗虞斔?STT)[57]。

6總結(jié)與展望

綜上所述，對于東北冷渦的研究，無論是冷渦直接控制地區(qū)，還是外圍地區(qū)都取得了很大的研究進(jìn)展，但大多集中在用氣候統(tǒng)計(jì)、診斷分析、數(shù)值模擬等方法來研究冷渦的氣候特征、天氣尺度特征與中尺度系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的天氣尺度背景等方面。雖然已有一些關(guān)于冷渦結(jié)構(gòu)、發(fā)生發(fā)展機(jī)制和中尺度對流系統(tǒng)的研究，但主要局限于個例分析，因此今后在以下方面還需要進(jìn)一步深入研究：

(1)由于東北冷渦結(jié)構(gòu)的特殊性，個體差異較大，不同演變階段的特征也不同，所以除了分析個例，還應(yīng)當(dāng)合理地進(jìn)行合成分析，在不同中尋找相同性。而普通的平均合成容易使物理量相互抵消，所以應(yīng)當(dāng)多嘗試使用動態(tài)合成方法，它可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持相對完整。另外，東北冷渦的渦旋結(jié)構(gòu)和成熟階段的準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)與臺風(fēng)有一定的相似性，區(qū)別是臺風(fēng)為暖性系統(tǒng)，東北冷渦為冷性系統(tǒng)，因此可以嘗試把研究臺風(fēng)的一些理論方法應(yīng)用到冷渦的研究中；

(2)對于東北冷渦的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，已得出干侵入和地形影響為其主要動力機(jī)制之一，然而對于其他的動力和熱力機(jī)制，了解得還很少。除了大尺度不穩(wěn)定，還應(yīng)當(dāng)注意一些中尺度不穩(wěn)定機(jī)制，如對流不穩(wěn)定、對稱不穩(wěn)定、開爾文—赫姆霍茲不穩(wěn)定等，因?yàn)闁|北冷渦天氣中常有幾種不穩(wěn)定同時(shí)出現(xiàn)，它們之間的作用機(jī)理，還需要進(jìn)一步探討；

(3)東北冷渦產(chǎn)生的強(qiáng)對流天氣具有局地性和不對稱性，這類天氣發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度都較難預(yù)報(bào)，所以對東北冷渦生成的中尺度對流性系統(tǒng)的研究尤為重要，中尺度對流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特征、發(fā)展機(jī)制、觸發(fā)機(jī)制以及冷渦與中尺度對流性系統(tǒng)之間的相互作用也是一個重要問題；

(4)在東北冷渦與其他天氣系統(tǒng)相互作用方面，特別是冷渦外圍地區(qū)，一般只涉及到大的環(huán)流形勢，很少有冷渦與其作用的物理機(jī)制。由于東北冷渦系統(tǒng)的出現(xiàn)常有鋒面伴隨，所以關(guān)于冷渦與鋒面的研究也許有重要意義，可以從鋒面次級環(huán)流、鋒生等方面著手進(jìn)行研究；

(5)東北冷渦背景下的平流層特征及其作用機(jī)理是一個新興方向，在此進(jìn)行深入研究可能會得到一些新的理論。另外，衛(wèi)星、雷達(dá)、自動站和數(shù)值模式資料雖然已經(jīng)應(yīng)用到東北冷渦的研究中，但只有個別分析能夠使用一些分辨率較高的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，因此可以多嘗試使用新資料，特別是區(qū)域自動站資料，其空間尺度小、時(shí)間間隔短，非常有利于中小尺度天氣系統(tǒng)的分析。另外，為了改善數(shù)值模擬效果，資料同化研究也不可忽視。

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Recent Advances in Research on Northeast China Cold Vortex

LI Shuang1,2, DING Zhiying1, DAI Ping3, LIU Yunhua4, HAN Ying2

(1.KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 2.AnshanMeteorologicalBureauofLiaoningProvince,Anshan114004,China; 3.LiaoningProvincialMeteorologicalInformationCenter,Shenyang110000,China;4.GuangdongProvincialMeteorologicalServiceCenter,Guangzhou510080,China)

Abstract:The advanced researches about climate characteristic, rainstorm characteristic, severe convection characteristic, structure and physical mechanism of occurrence and development of Northeast China Cold Vortex(NCCV), and interaction between NCCV and stratosphere are systematically reviewed in this paper. The summarized areas include not only Northeast China controlled directly by NCCV, but also the periphery of NCCV such as North, Central, East, South, Northwest and Southwest China, which can deepen comprehensive study and improve weather prediction of NCCV. In addition, the paper has looked forward to the key research direction about NCCV in the future, that is researches should not be limited to the inner structure, physical mechanism of occurrence and development of NCCV, and structure, movement characteristic, mechanism of occurrence and development of meso-scale convective systems in the context of NCCV by means of new theories and high resolution data. Physical mechanism of interaction between NCCV and other weather systems is also important, especially in the periphery of NCCV. Besides, more attention should be paid to the interaction between NCCV and stratosphere.

Key words:Northeast China Cold Vortex; rainstorm; severe convection; structure of NCCV; stratosphere

中圖分類號：P429

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-01-0013-07

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0013

作者簡介：李爽(1989-)，女，蒙古族，碩士研究生，研究方向?yàn)橹谐叨葰庀髮W(xué).E-mail:lishuangluck@126.com通訊作者：丁治英，女，教授，研究方向?yàn)橹谐叨葰庀髮W(xué).E-mail:dingzhiying@nuist.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB430103)及國家自然科學(xué)基金(41375058和41530427)共同資助

收稿日期：2015-08-11；改回日期：2015-09-28

李爽，丁治英，戴萍，等.東北冷渦的最新研究進(jìn)展[J].干旱氣象，2016，34(1)：13-19, [LI Shuang, DING Zhiying, DAI Ping, et al. Recent Advances in Research on Northeast China Cold Vortex[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):13-19], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0013