劉德昊 朱偉軍

(南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 210044)

引 言

東北冷渦作為我國東北地區(qū)典型的深厚高空冷渦系統(tǒng)，既能引發(fā)當?shù)乇┯?、低溫冷害以及連陰雨等災害性天氣，又對我國其他地區(qū)冷空氣活動和降水產(chǎn)生影響[1]。

對東北冷渦的研究最初主要集中在其對天氣過程的影響方面，如孫力等[2]針對暴雨天氣發(fā)現(xiàn)，暴雨類冷渦的降水發(fā)生在冷渦發(fā)展階段且與副熱帶低值系統(tǒng)聯(lián)系密切，非暴雨類冷渦的降水則主要發(fā)生在冷渦的成熟階段。而后，東北冷渦與?！獨庀到y(tǒng)關系引起了學術(shù)界的廣泛研究。如劉宗秀等[3]發(fā)現(xiàn)，東亞東北冷渦持續(xù)性活動是整個北半球環(huán)流異常區(qū)的重要組成部分，與前期、同期和后期北半球的大氣環(huán)流異常都密切相關。梁紅等[4]通過一點相關法發(fā)現(xiàn)夏季東北冷渦與鄂海阻高之間為負相關，且冷渦與西太平洋副熱帶高壓之間也有較弱的負相關關系。廉毅等[5]研究發(fā)現(xiàn)初夏東北冷渦活動顯著異常與烏拉爾山和日本附近的持續(xù)性環(huán)流異常密切相關。張霏燕等[6]表明東北夏季極端低溫事件頻數(shù)的年際變化與西太平洋暖池海溫異常密切相關，此處的海溫異常會影響東北地區(qū)上空的環(huán)流,致使東北夏季極端低溫異常。何金海等[7]通過定義夏季東北冷渦強度指數(shù)(Northeast Cold Vortex Index, NECVI)發(fā)現(xiàn)，東北冷渦與前期的中國近海海溫存在顯著負相關。此外，對于東北冷渦的形成及演變過程也有諸多研究，孫力[8]表明東北冷渦的發(fā)展階段是緯向平均動能向擾動動能轉(zhuǎn)換的過程，而冷渦衰減階段則是擾動動能轉(zhuǎn)換為緯向平均動能，繼而擾動有效位能又補充轉(zhuǎn)換為擾動動能的過程。FU， et al[9]發(fā)現(xiàn)東北冷渦的發(fā)展、維持及減弱的機制因垂直分層和變化階段不同而異，背景環(huán)流的渦度輸送作用主導了高層變化，而氣旋的位移和散度變化主要影響冷渦低層的演變。張樂楠等[10]通過對東北冷渦下槽后當?shù)氐膹妼α骰顒幼兓芯堪l(fā)現(xiàn)，新生冷渦的迅速東移南壓會導致高空急流加強，并使其入口區(qū)右側(cè)的颮線所在處累積大量對流有效位能，從而加快強對流系統(tǒng)的發(fā)展。

HU， et al[11]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)東北冷渦的出現(xiàn)頻率和維持時間有明顯的季節(jié)性差異，最易出現(xiàn)在夏季，秋末和初冬出現(xiàn)較少，因此目前對東北冷渦的研究多集中在夏季。而相對于夏季，冬季東北冷渦的出現(xiàn)頻率雖較低，卻也容易長時間維持，且更單一地受東北冷渦的影響。雖然胡開喜等[12]研究發(fā)現(xiàn)，冬季東北冷渦頻繁活動時，在強盛的東亞冬季風作用下，我國大部分地區(qū)往往低溫少雨。高潔[13]也得到了冬季東北冷渦發(fā)生天數(shù)變化與北太平洋風暴軸強弱變化呈顯著的負相關關系且冬季西太平洋遙相關型(Western Pacific, WP)可能是影響同期東北冷渦活動最重要的遙相關型，歐亞型其次。但多數(shù)研究僅基于簡單統(tǒng)計得到的冬季東北冷渦發(fā)生個數(shù)或維持天數(shù)來進行分析，不能反映東北冷渦具體結(jié)構(gòu)變化所造成的影響。本文將對冬季東北冷渦的結(jié)構(gòu)(位置和強度)變化進行研究，并結(jié)合經(jīng)驗正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function, EOF)分解，揭示其時空變化特征及其與環(huán)流和海溫之間的聯(lián)系，這對深入理解冬季東北冷渦的時空變化特征及其影響，具有重要的科學意義和應用價值。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為美國環(huán)境預報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析格點資料，包括高度場(z)、風場(u、v)、海平面氣壓場(p)、溫度場(T)，垂直分層為17層，水平分辨率為2.5°×2.5°，時段為1967年12月—2018年2月；Rayner, et al[14]開放共享的英國氣象局哈德來中心(Hadley Centre)的逐月海溫資料，水平分辨率為1°×1°，時間段為1967年12月—2018年2月；中國國家氣候中心整編的1967年12月—2018年2月160個氣象站逐月平均的氣溫及降水的站點數(shù)據(jù)；冬季定義為當年的12月至次年2月。

1.2 方法

對冬季東北冷渦采用了東北冷渦客觀識別方法，該方法采用了孫力等[15]提出的定義：(1)在500 hPa天氣圖上至少能分析出一條閉合等高線，并有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環(huán)流系統(tǒng)；(2)冷渦出現(xiàn)在(35°～60°N, 115°～145°E)區(qū)域范圍內(nèi)；(3)冷渦在上述區(qū)域內(nèi)生命史3 d以上。且該方法結(jié)合了Tibaldi, et al[16]識別阻塞高壓的方法和傳統(tǒng)的張豐啟[17]的八點判斷法。原本該方法是對于春季東北冷渦進行客觀定量識別，但由于其東西方向和南北方向位勢梯度閾值所取的是年平均位勢梯度，且經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)年平均位勢梯度與冬季平均位勢梯度相當，故本文用同樣的閾值標準識別冬季東北冷渦過程，識別過程如下：

(1)通過(35°～60°N, 115°～145°E)區(qū)域內(nèi)2.5°×2.5°網(wǎng)格的三圈判斷，選取1個格點、其相鄰點及其相鄰點的兩個延伸點為判別范圍，該范圍大致滿足北半球切斷低壓的水平尺度(600～1 200 km)。

(2)由于冷渦南側(cè)的高度梯度一般大于其他方向，計算中心格點與其他各點的位勢高度梯度值，保證冷渦正南側(cè)格點與中心點的位勢高度差大于等于40 gpm(實測為40 gpm等位勢高度)，其余點與中心點的位勢高度差大于等于8/10/15 gpm(內(nèi)圈/次外圈/最外圈)，這樣可使中心點周圍至少有一條閉合等值線；當存在閉合等高線時，冷中心的條件也基本滿足。

(3)選取中心位勢高度最低的點作為冷渦中心，冷渦中心連續(xù)出現(xiàn)3 d以上且日平移經(jīng)度小于10個經(jīng)度則為有效的冷渦過程，這樣保證每日只有一個冷渦中心，且冷渦穩(wěn)定存在3 d以上，而后計算每個冷渦過程中心的經(jīng)度、緯度、強度平均，最后對冬季出現(xiàn)的冷渦過程進行平均并統(tǒng)計冷渦過程出現(xiàn)的天數(shù)，作為客觀識別所得到的經(jīng)度、緯度、強度、發(fā)生天數(shù)指數(shù)。

為確保該客觀識別方法在冬季東北冷渦識別方面擁有較高的準確性，將客觀識別所得結(jié)果與東北冷渦實測日歷表進行了對比并計算了其與同期中國的氣溫、降水的相關關系。發(fā)現(xiàn)由該客觀識別方法所得到的冷渦經(jīng)度、緯度、強度、發(fā)生天數(shù)指數(shù)與吉林省氣象局科研所提供的東北冷渦日歷表中同類數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù)分別達到0.521、0.640、0.406(日歷表中冷渦只有近似的內(nèi)圈數(shù)值，并無中心數(shù)值，所以強度指數(shù)的相關系數(shù)略低)和0.723，均通過α=0.01的顯著性檢驗。且該客觀識別方法所得到的冬季東北冷渦出現(xiàn)天數(shù)與我國氣溫、降水的相關系數(shù)分布(圖1)顯示出，我國大部分地區(qū)氣溫、降水和東北冷渦發(fā)生天數(shù)呈負相關，即冬季東北冷渦頻發(fā)時我國大部分地區(qū)低溫少雨，這與前述胡開喜等[12]的研究結(jié)果一致，故該東北冷渦客觀識別方法合理適用。

圖1 冬季東北冷渦出現(xiàn)天數(shù)指數(shù)與我國氣溫(a)和降水(b)的相關系數(shù)分布(淺藍和深藍分別代表通過α=0.05和α=0.01的顯著性檢驗)

為探究冷渦變化的年際和年代際變化，使用諧波分析方法對 51 a冬季東北冷渦區(qū)域的500 hPa位勢高度場進行時間尺度分離，將第1～6個波的合成作為東北冷渦年代際分量，第7～25個波的合成作為東北冷渦年際分量。并分別對其年際和年代際的500 hPa位勢高度場進行EOF分解，討論冬季東北冷渦的空間分布特征。在研究東北冷渦與大氣環(huán)流、海溫的關系時應用了相關分析、顯著性檢驗、信息流等氣象統(tǒng)計方法，具體請參閱Storch, et al[18]和LIANG, et al[19]提出的研究方案。

2 冬季東北冷渦的時間分布特征

根據(jù)上述東北冷渦客觀識別方法，得到1967—2017年冬季東北冷渦的天數(shù)變化及長期趨勢(圖2)，此處定義的冷渦指數(shù)(d)代表冬季東北冷渦發(fā)生的天數(shù)。由圖2可見，冬季東北冷渦具有顯著的年際變化，1967、1969、1984、1985、2008、2009、2011年共7 a冬季東北冷渦發(fā)生天數(shù)超過40 d，為偏多年；而1972、1977、1978、1981、1982、1986、1988、1999、2007、2012、2016年共11 a冬季東北冷渦發(fā)生天數(shù)小于20 d，為偏少年，且整體呈現(xiàn)出顯著減少的長期趨勢。

圖2 冬季東北冷渦指數(shù)的時間演變曲線(其中藍線代表長期趨勢)

為剖析冬季東北冷渦這種年際、年代際變化特征，進一步利用時間尺度分離方法得到了冷渦的位置、中心高度以及發(fā)生天數(shù)各項指數(shù)的年際與年代際分量的標準化時間序列(圖3)。可見，冬季東北冷渦的位置、中心高度與天數(shù)都有顯著的年際與年代際變化特征，且各指數(shù)的年際分量的方差貢獻都顯著大于年代際分量的方差貢獻。經(jīng)度與緯度指數(shù)的年際與年代際分量的方差貢獻率比例最大，接近5∶1，且二者在2000年前變化趨勢相似。不同的是經(jīng)度指數(shù)在2000年前變化平穩(wěn)，之后冬季東北冷渦經(jīng)歷了先偏東后偏西的位置變化，而緯度指數(shù)則在2000年后變化趨勢趨于穩(wěn)定；中心高度指數(shù)的年際與年代際分量的方差貢獻率比例最小，接近2∶1，且緯度指數(shù)與中心高度指數(shù)的變化趨勢幾乎完全相反，1980s前冬季東北冷渦偏北但強度較強(中心高度較低)，而后直到2000年冬季東北冷渦偏南且強度較弱(中心高度偏高)；對于天數(shù)指數(shù)，1970s至2010年間冷渦天數(shù)持續(xù)偏少，但與其他指數(shù)之間的關系不明顯。

圖3 冬季東北冷渦的經(jīng)度指數(shù)(a)、緯度指數(shù)(b)、中心高度指數(shù)(c)和天數(shù)指數(shù)(d)的時間序列(其中黑色柱體代表原始數(shù)據(jù)；藍色虛線代表年際分量；紅色實線代表年代際分量；百分比代表年際分量與年代際分量的方差貢獻率)

為將這種關系定量化體現(xiàn)出來，并考慮冬季東北冷渦位置與強度之間的關系，表1主要通過計算其經(jīng)度、緯度、強度指數(shù)之間的相關關系以探究其中的物理意義,其中用強度指數(shù)替換中心高度指數(shù)(強度偏強，中心高度偏低)?？梢?，對于原始數(shù)據(jù)而言，冬季東北冷渦的經(jīng)向指數(shù)與緯向指數(shù)呈正相關，即冬季東北冷渦位置移動有向東北或向西南移動的協(xié)同趨勢(僅通過α=0.1的顯著性檢驗，表中未標注)，且冬季東北冷渦的強度指數(shù)與緯度指數(shù)和經(jīng)度指數(shù)都呈正相關；對于年際尺度分量和年代際尺度分量，這種經(jīng)度指數(shù)和緯度指數(shù)的正相關更為顯著，且分別與強度指數(shù)均呈顯著正相關。

表1 冬季東北冷渦各指數(shù)的相關關系

綜上，冬季東北冷渦各指數(shù)均有顯著的年際和年代際變化，且年際分量顯著大于年代際分量，無論是原始數(shù)據(jù)、年際分量還是年代際分量，冬季東北冷渦的經(jīng)度指數(shù)和緯度指數(shù)都呈正相關關系，且都與其強度指數(shù)呈正相關關系。表明冬季東北冷渦強度增強時伴隨其位置有向東北方向移動的趨勢，而強度減弱時位置有向西南方向移動的趨勢。

3 冬季東北冷渦的空間分布特征

3.1 EOF分解所體現(xiàn)出的冬季東北冷渦分布特征

為體現(xiàn)出冬季東北冷渦這種年際、年代際尺度的分布特征，使用諧波分析方法對冬季東北冷渦區(qū)域(35°～60°N,115°～145°E)的500 hPa位勢高度場進行時間尺度分離，并分別對冷渦的年際分量、年代際分量進行EOF分解,結(jié)果如圖4(年際)、5(年代際)所示。

圖4為冬季東北冷渦年際尺度分量的EOF分解第一模態(tài)和第二模態(tài)的解釋方差，分別為45.1%和38.3%，二者解釋方差較為接近，說明冬季東北冷渦年際尺度上分布存在多種表現(xiàn)形式。如第一模態(tài)特征向量場(圖4a)，50°N以北為負(正)異常區(qū)，而50°N以南為正(負)異常區(qū)，且由其時間序列(圖4c)與上述各指數(shù)的相關關系分析得到冷渦經(jīng)度指數(shù)與第一模態(tài)時間系數(shù)之間的相關系數(shù)為0.49，通過了α=0.01的顯著性檢驗，緯度指數(shù)與第一模態(tài)時間系數(shù)之間的相關系數(shù)也達到了0.18，這與第一模態(tài)特征向量場中冷渦位置偏東北(西南)且呈負(正)異常分布特征一致，因此第一模態(tài)主要反映出冷渦在氣候平均位置處以南和以北的反位相的變化特征(主要反映經(jīng)度變化特征)。對于第二模態(tài)特征向量場(圖4b)，可看出冬季東北冷渦區(qū)域內(nèi)幾乎全為負(正)異常區(qū)，負(正)值中心呈緯向東西分布且接近冷渦氣候平均位置，又通過其時間序列(圖4d)與上述各指數(shù)的相關關系分析得到冷渦中心高度指數(shù)與第二模態(tài)時間系數(shù)之間的相關系數(shù)達-0.53(通過α=0.01顯著性檢驗)，這與第二模態(tài)特征向量場顯示出的整體負(正)異常分布的形勢相符合，故第二模態(tài)特征向量場主要反映冬季東北冷渦的強度變化，即年際尺度上冬季東北冷渦在氣候平均位置附近的強度增強(減弱)的特征。

圖4 冬季東北冷渦年際分量EOF分解的第一模態(tài)(a、c)和第二模態(tài)(b、d)特征向量場及其對應的時間序列(陰影區(qū)代表空間向量場；等值線代表冬季東北冷渦的氣候平均位置，等值線間隔：8 dagpm)

圖5為冬季東北冷渦年代際尺度分量的EOF分解的特征向量場及時間序列。其第一模態(tài)和第二模態(tài)的解釋方差分別為72.0%和16.1%。如第一模態(tài)特征向量場(圖5a)，冬季東北冷渦活動區(qū)域內(nèi)幾乎全為負(正)異常，且其時間序列(圖5c)與中心高度指數(shù)的相關系數(shù)為-0.66(通過α=0.01的顯著性檢驗)，這與大范圍的負(正)異常區(qū)分布相一致，說明其第一模態(tài)主要反映的是冬季東北冷渦強度的變化，即反映年代際尺度上冬季東北冷渦在氣候平均位置附近的強度增強(減弱)。其第二模態(tài)與年際尺度分量的第一模態(tài)近似，時間序列(圖5d)與經(jīng)度、緯度、中心高度指數(shù)相關系數(shù)為0.57、0.63、-0.54(通過α=0.01的顯著性檢驗)，說明年代際尺度上冬季東北冷渦在氣候平均位置也有一定的強度增強(減弱)時伴隨位置向東北(西南)移動的趨勢，但因第二模態(tài)解釋方差較第一模態(tài)相差很多，故年代際尺度上主要以第一模態(tài)所體現(xiàn)的強度變化特征為主。此外，將年代際尺度冷渦第一模態(tài)時間序列(圖5c)結(jié)合冷渦強度指數(shù)可發(fā)現(xiàn)，1980s—1990s前冷渦強度偏強，而此后冷渦強度偏弱，這與從圖3的中心高度指數(shù)的時間序列分析所得的結(jié)果基本一致。

圖5 冬季東北冷渦年代際分量EOF分解的第一模態(tài)(a、c)、第二模態(tài)(b、d)特征向量場及其對應的時間序列(陰影區(qū)代表空間向量場；等值線代表冬季東北冷渦的氣候平均位置，等值線間隔：8 dagpm)

3.2 東北冷渦年際、年代際EOF時間序列與環(huán)流指數(shù)、海溫指數(shù)的關系

為分析冬季東北冷渦與環(huán)流、海溫的相關關系，表2提供了計算所得的環(huán)流指數(shù)、海溫指數(shù)與年際、年代際時間尺度冬季東北冷渦EOF分解的時間序列之間的相關系數(shù)。其中所使用的數(shù)據(jù)包括：美國氣候預報中心(CPC)的北大西洋濤動(NAO)指數(shù)；根據(jù)Wallace， et al[20]定義計算得到的太平洋西部型指數(shù)(WP)、西大西洋指數(shù)(WA)；采取祁春娟等[21]的方法，計算(4.5°N～4.5°S，149.5°～90.5°W)區(qū)域內(nèi)海表面溫度平均值所得到的El Nio3區(qū)指數(shù)(Nio3)；計算(15.5°～32.5°N，120.5°～150.5°E)區(qū)域內(nèi)海表面溫度平均值所得到的黑潮指數(shù)(HC)。此處兩個海溫指數(shù)的計算因考慮到Hadley中心數(shù)據(jù)的存取方式，選取區(qū)域略有調(diào)整。而且，因各指數(shù)具有多時間尺度特征，故本文并未進一步分離這些指數(shù)的年際與年代際分量。

由表2可以看出，年際尺度的冬季東北冷渦的位置東移北抬并強度加強時對應較強的WP遙相關型負位相，對應北太平洋東岸海溫上升的El Nio現(xiàn)象。而對于年代際尺度(僅關注第一模態(tài))，冬季東北冷渦強度加強時對應較強的NAO負位相，同期上空對流層對應較強的WA正位相，海溫方面對應北太平洋東岸海溫下降的強La Nia現(xiàn)象。

表2 部分環(huán)流、海溫指數(shù)與各EOF時間序列的相關系數(shù)

而后為進一步探究這種相關關系而應用了LIANG[19]的信息流方法，僅考慮二維平面流動，代表某物理因素從對象2到對象1傳輸?shù)男畔⒘魉?，該值?則代表二者之間無關，若為正則代表對象2使對象1愈加不穩(wěn)定，為負則代表對象2使對象1愈加穩(wěn)定，T2→1的關系以此類推，但并非與T2→1互為相反數(shù)。計算得到了年際、年代際尺度上述各指數(shù)(對象1)與冬季東北冷渦EOF分解的時間序列(對象2)之間的信息流，發(fā)現(xiàn)對于NAO指數(shù)，年代際尺度上第一模態(tài)T2→1=-0.257 0 nats/year，通過α=0.01信度的顯著性檢驗，而對于WA指數(shù)，年代際尺度上第一模態(tài)T2→1=-0.162 2 nats/year，通過α=0.05置信度檢驗，故認為年代際尺度冷渦強度加強對NAO正位相穩(wěn)定維持的同時還有對其上空對流層WA正位相穩(wěn)定維持的作用。將該信息流結(jié)果與前述表2顯示出的年代際尺度冬季東北冷渦強度與NAO指數(shù)為負相關、與WA指數(shù)為正相關的結(jié)論聯(lián)合分析，故認為北大西洋濤動(NAO)和西大西洋遙相關型(WA)的位相轉(zhuǎn)換可能與年代際尺度冬季東北冷渦強度的強弱變化有關。

以上分析初步討論了冬季東北冷渦與環(huán)流指數(shù)、海溫指數(shù)的關系，機理方面需另文討論。

4 結(jié)論

本文通過1967—2017年美國環(huán)境預報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析資料及英國氣象局哈德來中心(Hadley Centre)的海溫資料、中國國家氣候中心整編的160站逐月平均氣溫及降水的站點資料及美國氣候預報中心(CPC)提供的環(huán)流指數(shù)資料，利用冷渦的客觀識別、諧波分析、EOF等方法，研究了冬季東北冷渦在年際、年代際尺度下的時空變化特征，而后使用了相關分析、信息流等方法對冬季東北冷渦時空變化與環(huán)流、海溫變化之間的聯(lián)系。主要結(jié)論如下：

(1)冬季東北冷渦的經(jīng)度、緯度、強度、發(fā)生天數(shù)指數(shù)均有顯著的年際和年代際變化，且年際分量顯著大于年代際分量；原始數(shù)據(jù)、年際分量和年代際分量中，冷渦的經(jīng)、緯度指數(shù)之間都為正相關，且都與強度指數(shù)呈正相關，表明冬季東北冷渦強度增強時伴隨其位置有東北方向移動的趨勢，而強度減弱時位置有西南方向移動的趨勢。

(2)通過EOF分解發(fā)現(xiàn)，年際尺度的前兩模態(tài)方差貢獻相當，第一模態(tài)表現(xiàn)為冬季東北冷渦在氣候平均位置以南的正(負)異常區(qū)域，以北的負(正)異常區(qū)，反映了具有以此為界的南北反位相的變化特征，而第二模態(tài)表現(xiàn)為整體的負(正)異常區(qū)，反映了氣候平均位置冷渦強度強弱的變化特征；年代際尺度的第二模態(tài)方差貢獻率遠小于第一模態(tài)，故其特征主要體現(xiàn)在第一模態(tài)，其表現(xiàn)出整體的負(正)異常區(qū)，反映了氣候平均位置冷渦強度強弱的變化特征(第二模態(tài)不做討論)。

(3)通過對冬季東北冷渦時空變化與環(huán)流和海溫變化的聯(lián)系進行相關系數(shù)、信息流分析其相關性得到，北大西洋濤動(NAO)和西大西洋遙相關型(WA)的位相轉(zhuǎn)換可能與年代際尺度冬季東北冷渦強度的強弱變化有關。此外，年際尺度冬季東北冷渦的位置東移北抬且強度加強時對應較強的WP遙相關型負位相，這與之前高潔[13]得到的結(jié)論一致。

但需注意的是，本文雖在冬季東北冷渦的時空分布特征方面得到了較為完整的結(jié)論并對其與大氣環(huán)流、海溫之間的聯(lián)系進行了初步討論，但具體機理尚不清晰，仍需后續(xù)進一步研究。