東北冷渦氣候特征及其對內蒙古降水的影響

劉煒

（1.內蒙古氣候中心，內蒙古 呼和浩特 010051；2.東北冷渦研究重點開放實驗室，遼寧 沈陽 110166）

引言

東北冷渦是影響我國東北地區天氣氣候的重要天氣系統，其活動多寡是造成東北地區洪澇、干旱和低溫冷害的重要原因[1-2]。20 世紀80年代以來，東北冷渦活動強弱對我國東北地區夏季氣候的影響十分顯著[3]。頻繁的東北冷渦活動，不僅影響到中短期天氣，而且對短期氣候同樣有著較大影響，具有顯著的氣候效應，這種氣候效應主要體現在冷渦系統的頻繁出現會給東北地區夏季帶來低溫多雨天氣，甚至帶來洪澇災害[4-6]。目前東北冷渦活動過程大都是針對本地區地理位置進行識別，而內蒙古還沒有針對本地區的冷渦活動序列。本文旨在通過客觀識別影響內蒙古的東北冷渦活動日數和頻次，對冷渦活動進行定量化描述并探討其與內蒙古降水的關系，以期為影響內蒙古的東北冷渦活動及月降水預測提供一定的預測依據。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為內蒙古氣象信息中心1981—2017年5—8月內蒙古116 個氣象觀測站逐日降水量以及美國國家環境預報中心/國家大氣科學研究中心1981—2017年逐月再分析資料，水平分辨率為2.5 °×2.5 °[7]，要素場包括緯向風、位勢高度、溫度場。氣候平均值為1981—2010年30年平均。

1.2 東北冷渦客觀識別方法

本文對東北冷渦的客觀識別采用傳統東北冷渦定義，即東北冷渦為符合下述條件的一次天氣過程：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流系統；冷渦出現在115 °—145 °E，35 °—60 °N范圍內；冷渦在上述區域內的生命史至少為3 d或3 d以上[3]。在此傳統定義基礎上，參考劉剛[8]、蔣大凱等[9]對東北冷渦的判別方法，給出如下識別步驟：

（1）由于太偏北或偏東的冷渦對內蒙古影響較小，所以本文研究的東北冷渦中心選擇區域為115 °—135 °E，35 °—55 °N范圍。在此范圍內找到位勢高度最低值，確定為東北冷渦中心。

（2）從東北冷渦中心向四周8個方位延伸，確定低值中心高度值均不高于該點所有周邊8 個點（至少有6 個），且每個方向上的遞增格點數至少為2 個。

（3）在8 個方向上，判斷位勢高度最低值的正北、東北和西北3 個方向的緯向風是否為負；位勢高度最低值的正南、東南和西南3 個方向的緯向風是否為正；若滿足條件，說明風場閉合。

（4）在以位勢高度低值中心點為中心，在經緯度15 °×10 °網格區域內存在任意緯向連續5 個格點溫度二階導數≥0。

（5）如果連續3 d均滿足以上條件，且連續存在的低值中心日移動距離≤10 個經度或緯度距離；若滿足條件，則確定為一次東北冷渦過程。

根據以上冷渦客觀識別方法對冷渦活動過程進行自動識別，相較于通過逐日天氣圖的人工識別方法更為方便和快捷。

2 東北冷渦活動特征

按照上述東北冷渦客觀識別方法，對東北冷渦過程進行篩選、追蹤，確定東北冷渦發生頻次、每一次冷渦過程持續日數等信息。將客觀識別出的冷渦活動日數與孫力等[10]通過人工識別方法統計的夏季東北冷渦發生日數做相關分析，發現二者在1981—1997年夏季冷渦日數相關系數為0.66，通過了0.001的顯著性檢驗，驗證了東北冷渦識別方法的合理性。此外，將1981—2017年5—8月東北冷渦活動日數分別與同期500 hPa高度場進行相關分析（圖1），發現在東北亞地區呈現出顯著的“南負北正”偶極型相關分布，顯著負相關區與冷渦客觀識別區域較為吻合，主要位于115 °— 140 °E，35 °— 50 °N范圍內。內蒙古東部乃至整個東北地區處于顯著負相關區域內，且鄂霍次克海地區存在顯著的正相關，這種偶極型的相關分布也從另一個角度驗證了東北冷渦客觀識別的科學性。

圖1 5—8月冷渦活動日數與同期500 hPa高度場相關（陰影區通過0.05顯著性檢驗）（a. 5月；b. 6月；c. 7月； d. 8月 ）

經過客觀識別，對近37年 5—8月東北冷渦活動過程進行了統計分析（表1）。6、7月的活動日數比例分別為44.3%和39.8%，5月和8月活動日數的比例較6、7月明顯減小，分別為36.8%和33.7%。6月和7月的平均活動日數分別為13.3、12.3 d，較5月和8月多1～3 d； 5—8月平均每次冷渦活動過程的持續時間為5～6 d。上述5—8月東北冷渦活動統計特征表明，東北冷渦為東北亞地區重要的天氣系統，其活動頻率可達40%左右。

表1 1981—2017年5—8月東北冷渦活動統計特征

圖2、3給出1981—2017年5—8月東北冷渦發生次數、活動日數的演變特征。5月東北冷渦活動日數在年際變化上呈現增多的趨勢特征，而過程次數呈現減少的趨勢特征，即每次冷渦活動的維持日數在增加。1993、2002、2005、2011年冷渦發生次數最多，均達4 次，而1987、2006、2009年無冷渦過程。2008、2011年冷渦發生日數較多，分別為20、22 d。5月東北冷渦過程次數和活動日數具有較好的一致性，相關系數達到0.86，通過0.001的顯著性檢驗。

圖2 5—8月冷渦過程發生次數

圖3 5—8月冷渦過程發生日數

6月東北冷渦活動日數在年際變化上呈現增加的趨勢特征，而過程次數呈現減少的趨勢特征。1981、1990、2009年冷渦發生最多，均達4 次，而1982、1994年無冷渦過程；從6月冷渦活動日數可知，1990、2009年冷渦發生日數較多，分別達到21、26 d。6月東北冷渦過程次數和活動日數具有較好的一致性，相關系數達到0.86，通過0.001的顯著性檢驗。

7月東北冷渦活動次數和冷渦過程日數均呈減少的趨勢。1986、1988、1991、1993、1998、1999、2000、2001、2002、2003、2009、2010年冷渦發生次數最多，均達3 次，而1994年無冷渦過程；1986、2003年冷渦活動日數較多，分別達到23 d和19 d。7月東北冷渦過程次數和活動日數具有較好的一致性，相關系數達到0.83，通過0.001的顯著性檢驗。

8月東北冷渦活動次數和日數呈現一致增多的趨勢特征。2013年冷渦發生次數最多，為5 次，而1982、1984、1989、1996、2008、2012年無冷渦過程；1986、2015年冷渦發生日數較多，分別為24、25 d。8月東北冷渦過程次數和活動日數具有很好的一致性，相關系數達到0.9，通過0.001的顯著性檢驗。

根據上述分析，5—8月冷渦活動次數和日數的演變具有較好的相關性，直觀地表明每一次冷渦過程平均維持期的穩定性特征。

3 東北冷渦活動日數與內蒙古降水的關系

對1981—2017年5—8月各月東北冷渦活動日數與同期降水進行相關分析后發現（圖4），5月冷渦活動日數與同期降水在東部偏北的大部地區存在顯著正相關；6月顯著正相關區域較5月略向北收縮，主要位于呼倫貝爾市北部和中部地區；7月冷渦活動日數與降水的顯著正相關區主要集中在呼倫貝爾市偏南部及興安盟北部地區；8月冷渦活動日數與降水存在顯著正相關的區域與5月基本一致。從5—8月各月冷渦日數與降水的顯著相關區域可以發現，冷渦活動對于內蒙古降水的顯著影響區域主要位于東部地區，其中5月和8月的相關區范圍最大，而6、7月的顯著區分別偏北和偏南，這可能是由于不同月份冷渦活動的位置變化引起的。

圖4 1981—2017年5—8月冷渦活動日數與同期降水的相關分布（陰影區通過0.05信度檢驗）（a.5月；b.6月；c.7月；d.8月）

為了進一步說明東北冷渦活動與內蒙古東部地區降水的關系，選取呼倫貝爾市、興安盟、通遼市北部、赤峰市東北部和錫林郭勒盟東北部共計36 個站點的降水量作算術平均（圖略），將該區域冷渦日累積產生的降水認定為東北冷渦降水。由于7、8月東部地區受夏季風北推的影響，冷渦日產生的降水不一定是由于冷渦活動造成的，故只對5、6月冷渦日累積降水與同期冷渦日數進行了對比分析。由圖5可知，冷渦活動日數與東部偏北地區冷渦日累積降水量均呈現較為一致的波動特征，二者相關系數為0.56，通過0.001的顯著性檢驗。5月冷渦日數較多的年份如1981、1982、2008、2011、2014年，相應的冷渦日累計降水量也顯著偏多；相反，無冷渦活動的年份如1987、2006、2009年，降水異常偏少。6月，冷渦活動日數與東部偏北地區冷渦日累計降水量的相關系數為0.64，通過0.001的顯著性檢驗。6月冷渦日數較多的年份如1989、1990、1992、1996、1998、2002、2003、2009、2016年，相應的冷渦日累計降水量顯著偏多；相反，無冷渦活動的1982、1994年，降水異常偏少。上述特征反映了冷渦雖然是天氣尺度系統，但由于其具有“累積效應”，所以在月尺度上與其影響地區的降水存在較好的對應關系。

圖5 1981—2017年東北冷渦活動日數（實線）與同期內蒙古東部偏北地區冷渦日累積降水量（柱形條）（a. 5月；b. 6月）

4 結論

通過以上分析，得出以下結論：

(1)東北冷渦活動日數與500 hPa高度場在東北亞地區呈現出顯著的“南負北正”偶極型相關分布，顯著負相關區與冷渦客觀識別區域較為吻合，驗證了東北冷渦客觀識別的科學性。

(2)東北冷渦作為東北亞地區重要的天氣系統，5—8月平均每次冷渦活動過程的持續時間為5～6 d，活動日數頻率達40%左右。

(3)5、6月冷渦活動次數呈現減少的趨勢特征，而活動日數呈增多的趨勢特征；7、8月冷渦活動次數和日數分別呈一致減少和一致增多的趨勢。5—8月冷渦活動次數和日數二者演變具有較好的相關性，代表每一次冷渦過程平均維持期的穩定性特征。

(4)5—8月東北冷渦活動日數與內蒙古同期降水存在顯著正相關的區域主要位于東部偏北地區。5、6月冷渦活動日數與冷渦日東部偏北地區累積降水量存在顯著正相關，這表明冷渦活動具有“累積效應”，在月尺度上與其影響地區的降水存在較好的對應關系。