1981～2019 年吉林省暖季冷渦降水時空變化特征

李尚鋒 任航 高樅亭 尹路婷 楊旭

1 吉林省氣象科學研究所長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室/中高緯度環流系統與東亞季風研究開放實驗室，長春 130062

2 東北冷渦研究重點開放實驗室，沈陽 110016

3 吉林省氣象臺，長春 130062

1 引言

東北冷渦是東亞大氣環流中的重要組成部分，也是影響中國東北地區主要天氣系統之一，它是北半球中高緯度西風帶環流系統在東北地區特定條件下的產物（孫力等, 1994）。東北冷渦的本質為切斷低壓（鄭秀雅等, 1992），故又稱之為切斷低壓、東北低壓和冷低壓等，其形成、滯留和填塞對大氣環流又起著重要的反饋作用（張立祥和李澤椿,2009），并且與中高緯天氣系統和中低緯天氣系統關系密切（劉宗秀等, 2002; 劉剛等, 2015）。目前多采用《東北暴雨》（鄭秀雅等，1992）給出的東北冷渦定義：500 hPa 天氣圖上，范圍（35°～60°N, 115°～145°E）內有閉合等高線，配合有冷中心或冷槽，具有能夠持續維持3 d 或3 d 以上的低壓環流系統（鄭秀雅等, 1992）。東北冷渦的最主要特征之一是移動比較緩慢，不斷再生發展，具有較強的準靜止性，一般可維持四五天，最多可達十余天（孫力, 1997; 孫力等, 2000），其一年四季均有出現（周琳, 1991; Hu et al., 2010)，最為活躍的季節為夏季，尤以6 月份最多（孫力, 1997; Zhang et al., 2008），是造成東北地區夏季低溫冷害（丁士晟, 1980）、持續性的陰雨洪澇、突發性強對流天氣的重要天氣系統（陶詩言, 1980; 斯公望, 1988;朱乾根等, 2000; 何金海等, 2006a; 張立祥和李澤椿,2009）。

東北冷渦容易產生穩定的連續性降水，頻繁的冷渦活動往往會帶來持續數日的低溫陰雨天氣，甚至能造成大范圍區域持續性的強降水。研究發現東北地區著名的“冷渦雨季”就是由東北冷渦頻繁活動和持續造成的（孫力等, 1994, 1995; 孟慶濤等,2009），進一步的研究發現，東北地區夏季與冷渦有關聯的暴雨中，局地性暴雨達42.8%，區域性暴雨有35.8%（孫力等, 2010）。通過對吉林省汛期的洪澇與東北冷渦的關系研究發現，東北冷渦越活躍，吉林省汛期降水也偏多，冷渦出現得越少，吉林省汛期降水也偏少（蘇博穎, 1996）。持續的冷渦降水過程能造成洪澇災害，如：1998 年松嫩流域特大洪澇災害的主要影響系統就是東北冷渦反復出現和維持的結果（陳立亭等, 2000; 劉景濤等,2000; 孫力和安剛, 2001; 孫力等, 2002）；2017 年7 月13～14 日吉林省永吉縣出現破歷史記錄特大暴雨天氣，強降水引發山洪造成巨大的財產損失和人員傷亡，全省共有15 個縣市82 個鄉鎮的50 余萬人受災，緊急轉移人口12 萬多人，因災死亡或失蹤37 人，直接經濟損失達220 億元，此次暴雨過程就是穩定少動的東北冷渦配合副熱帶高壓西南暖濕氣流的環流背景下發生的（王寧等, 2018; 趙法存, 2018）。

東北冷渦不僅影響東北本地區的降水，而且可引導高緯的冷空氣南下影響我國中緯度甚至低緯度地區。頻繁的東北冷渦活動既能引起當地氣溫和降水明顯的異常，也能夠影響到我國南方的梅雨、華南前汛期降水（朱占云和何金海, 2010）。研究表明東北冷渦的強弱對江淮梅雨期的降水量亦有明顯的影響，東北冷渦的加強和南壓對西伸的副熱帶高壓產生直接作用，導致江淮梅雨期降水的活躍（王麗娟等, 2010），而東北冷渦活動弱時，梅雨量則偏少（何金海等, 2006b）；胡開喜等（2011）研究發現，持續性的強東北冷渦活動不僅能造成東北地區春季和夏季局部降水偏多，也能導致長江流域往往降水顯著偏多。進一步的研究還發現，強的東北冷渦引導的冷空氣甚至能南下到達華南地區（蒙遠文, 1983），對華南降水產生顯著影響，通過對東北冷渦最強和最弱的10 年合成發現，強冷渦年份華南前汛期降水全部偏多，而冷渦最弱的10 年中則降水全部偏少（苗春生等, 2006a, 2006b）。

由于過去東北冷渦降水的研究多集中在基于逐日資料的基礎上對冷渦降水的天氣尺度和中尺度系統的環流背景研究，以及對冷渦形成、發展、維持、消退期過程中的動力和熱力過程研究方面，對逐小時資料冷渦降水的研究方面受限于觀測資料等因素，并未進行系統的梳理。隨著雷達、衛星探測和加密站等現代氣象觀測系統的發展，已有條件對冷渦降水的小時變化特征進行研究和分析，鑒于此，本文基于近40 年來吉林省的逐小時冷渦降水資料，對不同量級冷渦降水的時空特征進行了梳理。

2 資料與方法

本文采用1981～2019 年5～9 月（暖季）吉林省氣象信息中心的經過質量控制的51 個國家級地面氣象觀測站（圖1）的逐小時觀測數據集。采用中國氣象局的業務標準降水定義：1 h 降水量≥0.1 mm記為有降水，小時降水頻次為所有有效降水小時數（降水量≥0.1 mm）累加得出（簡稱：降水頻次）；日降水峰值（簡稱：降水峰值）為24 小時逐時刻的降水量最大值（宇如聰和李建, 2016）。文章采用中國氣象局氣象業務中常用的定義方式，以08～20 時（北京時，下同）為白天，該時段內發生的降水定義為白天降水，以20 時至次日08 時為夜間，該時段內發生的降水定義為夜間降水。本文將暖季冷渦環流背景下發生的降水定義為暖季冷渦降水。對小時降水量進行了分級：0.1 mm/h≤P（降水量）＜5 mm/h，5 mm/h≤P≤10 mm/h 和P＞10 mm/h 三類，分別對暖季冷渦降水期間這三類降水的降水頻次和降水貢獻進行了分析，其中測站降水貢獻定義為該站暖季不同量級的冷渦降水量占本暖季冷渦降水總量的百分比，而不是占暖季總降水的比例。鑒于獲取資料長度為39 年，為便于進行年代際分析，本文按如下方法劃分為四個年代際：1981～1990 年（1980 年代），1990～1999 年（1990 年代），2000～2009 年（2000 年代），2010～2019 年（2010 年代）。

圖 1 吉林省51 個國家級地面氣象觀測站（紅點）的分布情況，填色表示地形高度（單位：m）Fig. 1 Spatial distribution of the 51 national rain gauge stations (the red dots), the shadings denote the surface elevations (units: m)

3 冷渦降水頻次的空間分布特征

3.1 冷渦降水頻次白天和夜間空間特征

為了了解5～9 月份冷渦降水期間，吉林省不同量級冷渦降水在白天和夜間發生頻次的空間分布特征和年代際變化，該部分對吉林省三種不同量級冷渦降水的空間分布特征進行了討論。在降水量級為0.1～5 mm/h 的冷渦降水過程中，降水頻次的空間梯度分布特點很明顯（圖2），在1981～2019年整個時間段內，無論白天還是夜間吉林省東部山區均為降水高頻發生區，其次為中部地區，頻次最少的地區為吉林西部，即：由西向東呈現梯度增加的特點。這種分布特征與吉林省的地表類型相符：吉林省西部為干旱和半干旱的荒漠區，中部為農田區，東部為山地森林覆蓋區。而長白山山脈主體位于朝鮮境內，在吉林省境內的山地為其迎風坡，眾所周知，在迎風坡，由于地形對暖濕氣流的阻擋使其被迫抬升而降溫，易成云致雨，降水相對較多。整個吉林省降水頻次的年代際之間特點也很明顯，降水頻次最高的年代為2010 年代，其次為1980 年代，再次為1990 年代，降水頻次最低的年代為2000 年代。白天和夜間的降水頻次差值的年代際變化也很明顯：1980 年代和2000 年代吉林省西部白天均比晚上降水頻次高；1990 年代白天比夜間降水頻次高的地區主要集中在吉林省中部地區；2010 年代白天比夜間降水頻次高的地區則主要發生在吉林省南、北兩側。

圖 2 0.1～5 mm/h 量級的暖季東北冷渦降水頻次在白天（左）、夜間（中）的空間分布以及白天與夜間差值場（右）的空間分布：（a1-c1）1980 年代；（a2-c2）1990 年代；（a3-c3）2000 年代；（a4-c4）2010 年代。數字表示每個測站觀測結果，陰影為測站插值結果Fig. 2 Spatial distributions of the precipitation frequency for 0.1-5 mm/h precipitation during the northeast cold vortex process in the warm season(PNCVPWS) during the daytime (left), night time (middle), the difference between day and night (right) in (a1-c1) 1980s, (a2-c2) 1990s, (a3-c3)2000s, and (a4-c4) 2010s. The numbers denote the results from the observation stations, shadings denote the results interpolated from the observations

降水量級為5～10 mm/h 的冷渦降水過程（圖3），降水發生頻次明顯比降水量級為0.1～5 mm/h 的要低得多，幾乎每個年代際均少了一個數量級。整體而言，5～10 mm/h 量級降水頻次發生最高的年代為2010 年代，其次為1980 年代，再次為1990 年代，最低的為2000 年代，該特點與0.1～5 mm/h相一致。

圖 3 同圖2，但為5～10 mm/h 量級的暖季東北冷渦降水頻次的年代際分布Fig. 3 As in Fig. 2, but for decadal distributions of the precipitation frequency for 5-10 mm/h precipitation during the northeast cold vortex process in the warm season

白天和夜間的降水頻次差值的年代際空間變化特點比較一致，均為吉林省東南部白天降水頻次低于夜間，1980 年代除外。空間降水頻次梯度年代際變化特點與0.1～5 mm/h 量級的降水明顯不同，后者降水梯度呈現由西向東逐漸增加的特點，而前者則是東、西部降水頻次低，中部降水頻次高的特點。

對降水量級＞10 mm/h 的冷渦降水過程（圖4）而言，降水頻次發生最高的年代為2010 年代，其次為1990 年代，再次為2000 年代，最低的為1980 年代，該量級降水頻次最高的年代與其他兩種量級降水一致。對于白天和夜間降水頻次來說，兩者的空間分布特征一致，在所有年代際時間尺度上均呈現吉林中部區降水頻次高，東部和西部降水頻次低的分布特征，且白天降水頻次大于夜間，該分布特點與5～10 mm/h 量級降水空間分布的年代際特點一致，與0.1～5 mm/h 量級降水頻次空間分布特點不同。

圖 4 同圖2，但為10 mm/h 以上量級的暖季東北冷渦降水頻次的年代際分布Fig. 4 As in Fig. 2, but for decadal distributions of the precipitation frequency for more than 10 mm/h precipitation during the northeast cold vortex process in the warm season

3.2 不同量級降水日變化特征

為了研究暖季吉林省小時降水頻次和降水量日變化的年代際特征，在圖5 中給出了其日變化曲線。本文對降水量和降水頻次的日變化進行了無量綱化處理，使其可以在同一縱坐標中顯示便于比較。以降水量為例，其無量綱處理方法為：用24 小時的逐時降水量除以24 小時降水量均值，所得時間序列即為降水量無量綱序列。總體而言，從1980 年代到2010 年代期間，逐時降水量的日變化均顯示一個“單峰”的位相特征，峰值主要發生在16～18 時，該結論與宇如聰和李建（2016）對華北—東北日降水峰值的研究結論一致。對降水頻次的日變化特征而言，在1980 年代到2010 年代期間，顯示一個“主峰”和一個“次峰”的“雙峰”位相特征，降水頻次“主峰”發生時刻與降水日變化峰值的相同均為16～18 時，夏季午后局地對流性降水頻發是形成該現象的一個主要因素（方德賢等,2020），“次峰”的發生時間為05 時，復雜的局地地形是形成該降水日變化的一個重要因子（宇如聰和李建, 2016）。

圖 5 （a）1980 年代、（b）1990 年代、（c）2000 年代、（d）2010 年代暖季東北冷渦無量綱化的降水頻次（黑線）和降水量（紅線）日變化Fig. 5 Diurnal variations of dimensionless precipitation frequency (black lines) and amounts (red lines) for PNCVPWS during (a) 1980s, (b) 1990s,(c) 2000s, and (d) 2010s

4 不同量級冷渦降水貢獻分布特征

為了研究這三種量級降水對總降水的貢獻，對三種量級冷渦降水的貢獻進行了討論。圖6 中可以看出對0.1～5 mm/h 量級的降水來說，和夜間相比，白天其對冷渦總降水量的貢獻在全省分布較為均勻，特別是在1980 年代，在白天，貢獻超過35%的大值區在吉林省的西部、中部、和東部均有出現（圖6a1）；而在夜間，大值區則主要集中在東部地區（圖6b1）。這可能是因為該量級的冷渦降水大都是以穩定性的大范圍層狀云降水過程為主，并不是局地性比較強的對流性降水過程；而同一降水過程的夜間，由于東部山區輻射冷卻作用較平原更加明顯，導致山區高空水汽更容易凝結產生降水，增加了夜間降水量（尹宏和賈逸勤, 2000），進而使得該地區夜間降水貢獻較大。就年代際貢獻特征而言，貢獻最大的年代為1980 年代，其次為2010年代，再次為1990 年代，最后為2000 年代，該處貢獻最大的年代為1980 年代指的是0.1～5 mm/h量級的冷渦降水占1980 年代暖季冷渦降水的比率最大，并不是指該量級冷渦降水主要發生在1980年代，下文中關于貢獻最大年代的結論皆是該意思。對于夜間而言，吉林東部山區為貢獻最大的區域，此外，在相同的年代際上夜間貢獻均要小于白天，西部地區尤其明顯；另外，吉林西部、中部和東部的年代際變化呈現不一致的特征，對于吉林西部來說，夜間該量級降水貢獻最大的為2010 年代，其次為1980 年代，再次為1990 年代，最小的為2000 年代，對于吉林中部而言，貢獻最大的年代為1980 年代，其次為2010 年代，再次為1990 年代，最小的為2000 年代，對于吉林東部山區而言，夜間所有年代貢獻均較大，其中貢獻最大的年代為1980 年代，其次為2000 年代，再次為1990 年代，最小的為2010 年代。

圖 6 0.1～5 mm/h 量級的暖季東北冷渦降水量對降水總量的貢獻在白天（左）、夜間（中）的空間分布以及白天與夜間差值場（右）的空間分布：（a1-c1）1980 年代；（a2-c2）1990 年代；（a3-c3）2000 年代；（a4-c4）2010 年代。數字表示每個測站降水貢獻，陰影為測站插值結果Fig. 6 Spatial distributions of the contributions of precipitation amounts for 0.1-5 mm/h precipitation to total amounts of PNCVPWS during the daytime (left), night time (middle), the difference between day and night (right) in (a1-c1) 1980s, (a2-c2) 1990s, (a3-c3) 2000s, and (a4-c4) 2010s.The numbers denote the results from the observation stations, shadings denote the results interpolated from the observations

對于5～10 mm/h 量級的降水（圖7）來說，其貢獻明顯比0.1～5 mm/h 量級的貢獻小得多。此外，白天全省該量級降水的貢獻平均10%左右，白天貢獻最大的年代為1980 年代，其次為1990 年代，再次為2010 年代，貢獻最小的年代為2000 年代；白天貢獻大值區主要集中在吉林中部地區。夜間降水貢獻明顯比白天少，其年代際特點也與白天不同，降水貢獻最大的年代為2010 年代，其次為1980 年代，再次為2000 年代，最小的為1990 年代。

圖 7 同圖6，但為5～10 mm/h 量級暖季東北冷渦降水對降水總量貢獻的年代際分布Fig. 7 As in Fig. 6, but for decadal distributions of the contributions of precipitation amounts for 5-10 mm/h precipitation to total amounts

對于＞10 mm/h 量級的降水來說（圖8），就全省平均而言，該量級降水貢獻白天在10%左右，與5～10 mm/h 量級的降水貢獻相當，與東北冷渦容易產生穩定的連續性降水（孫力等, 1994, 1995）特征比較吻合，但對于吉林西部地區而言，該量級的降水貢獻明顯大于5～10 mm/h 量級的貢獻；同5～10 mm/h 和0.1～5 mm/h 兩個量級降水的貢獻相比，＞10 mm/h 量級的降水在吉林省東部地區明顯要小的多。

圖 8 同圖6，但為10 mm/h 以上量級暖季東北冷渦降水對降水總量貢獻的年代際分布Fig. 8 As in Fig. 6, but for decadal distributions of the contributions of precipitation amounts for more than 10 mm/h precipitation to total amounts

為了比較不同量級冷渦降水貢獻之間的關系，該處給出了這三種量級降水貢獻的時間序列曲線（圖9a）和平均降水貢獻（圖9b）。很明顯可以看出，0.1～5 mm/h 量級降水貢獻在2000 年前后呈現相反的變化趨勢，2000 年以前為明顯的減弱趨勢，2000 年以后為弱的增加趨勢，而在整個時間段1961～2019 內，該量級降水呈現弱的下降趨勢；對于＞10 mm/h 量級降水貢獻，整體而言，其貢獻呈現弱的上升趨勢，此外，在2000 年前后出現相反的變化趨勢，在2000 年以前呈明顯的增加趨勢，而后出現弱的減少趨勢，總體而言這兩個量級的降水呈現明顯的反位相特征；對于5～10 mm/h量級降水的貢獻來說，在整個時間段內，其趨勢變化不明顯，且振幅變化也不明顯，說明隨著全球變暖的影響，暖季吉林地區冷渦降水中的強降水的貢獻在增加，而弱降水的貢獻則呈減少趨勢。此外，在吉林省暖季冷渦降水中，對這三種量級降水的貢獻而言（圖9b），0.1～5 mm/h 量級的降水所占比例最大，占冷渦降水總量的61%，而5～10 mm/h和0.1～5 mm/h 這兩個量級降水的貢獻比例相當，均在20%左右。0.1～5 mm/h 降水占暖季冷渦降水總量的61%，說明冷渦降水多以穩定性降水為主，而非對流性強降水性質。根據以往的東北冷渦研究可知，冷渦多發月份為6 月份（張立祥和李澤椿,2009; 劉剛等, 2015），該時段為東北地區的主要冷渦雨季（朱其文等, 1997），該時段東北地區降水過程中的水汽條件和熱力條件均較受副高影響的季風降水階段要弱，故此，降水強度不大。

圖9 1981～2019 年暖季不同量級東北冷渦（a）降水貢獻的時間序列、（b）平均降水貢獻。圖a 中藍線、黑線和紅線分別表示0.1～5 mm/h、5～10 mm/h 和＞10 mm/h 量級降水貢獻，虛線表示降水貢獻趨勢線Fig. 9 (a) Time series of precipitation contributions, (b) mean precipitation contributions for 0.1-5 mm/h, 5-10 mm/h, more than 10 mm/h magnitudes of PNCVPWS during 1981-2019. In Fig. a, blue line, black line, and red line represent 0.1-5 mm/h, 5-10 mm/h, and more than 10 mm/h magnitudes, respectively. The dashed lines represent the trend lines of precipitation contributions

從該三種量級降水量的時間序列曲線（圖10）可以看出，總的來說，這三種量級降水均呈現明顯的上升趨勢，5～10 mm/h 和＞10 mm/h 降水量的上升趨勢相當，均大于0.1～5 mm/h 量級的降水；此外，就降水量年際間的變化位相而言，0.1～5 mm/h和5～10 mm/h 量級的降水位相變化基本一致，而＞10 mm/h 量級的降水在1993～2003 年和2009～2015 年期間與另外兩個量級的降水位相相反。

圖10 1981～2019 年暖季不同量級東北冷渦降水量標準化的時間序列。藍線、黑線和紅線分別表示0.1～5 mm/h、5～10 mm/h 和＞10 mm/h 量級降水，虛線表示降水量趨勢線Fig. 10 Standardized time series of precipitation amounts for 0.1-5 mm/h (blue line), 5-10 mm/h (black line), more than 10 mm/h (red line) magnitudes of PNCVPWS during 1981-2019. The dashed lines denote the linear trends precipitation amounts

從1981～2019 年東北冷渦[東北冷渦判識采用傳統定義（孫力等, 1994）]的發生個數的時間序列曲線（圖11）可以看出，冷渦發生個數最多的年代是2010 年代，該特征與三種量級的冷渦降水發生頻次最高的年代一致，其次，冷渦發生個數次多的年代為是1980 年代，該特征與0.1～5 mm/h和5～10 mm/h 量級冷渦降水發生頻次第二多的年代一致，說明這兩個年代內冷渦活動較容易產生降水。對于＞10 mm/h 量級的冷渦降水來說，其發生降水頻次最多的年代為2010 年代，次多的年代為1990 年代，第三多的年代為2000 年代，這三個年代均為全球變暖以后的時段，而冷渦發生個數第二多的年代為1980 年代，卻與該量級降水頻次并不對應，說明冷渦活動誘發的極端強降水，不僅需要冷空氣活動，還需要其他重要的動、熱力和水汽條件相配合。

圖11 1981～2019 年暖季東北冷渦發生個數的時間序列Fig. 11 Time series of cold vortex numbers during 1981-2019

5 結論

本文利用1981～2019 年吉林省氣象局信息中心經過質量控制的逐小時站點降水資料，研究分析了吉林地區暖季冷渦降水期間三種量級0.1～5 mm/h、5～10 mm/h 和＞10 mm/h 降水的頻次和貢獻的時空分布特征，主要結論如下：

（1）總體而言，吉林省地區暖季冷渦降水存在明顯的日變化特征，降水量和頻次的日變化顯示

一個單峰特征，峰值主要發生在下午16～18 時。就冷渦降水頻次而言，0.1～5 mm/h 和5～10 mm/h量級冷渦降水發生頻次最多的年代為2010 年代，次多的為1980 年代，該特征與冷渦多寡的年代際特征一致，說明這兩個年代內冷渦活動頻繁較容易產生降水；＞10 mm/h 量級的冷渦降水發生頻次最多的年代為2010 年代，其次為1990 年代，再次為2000 年代，這三個年代均為全球變暖以后的時段，說明冷渦活動誘發的極端強降水，不僅與冷空氣活動關系密切，同時與充沛的水汽供應關系更加密切。

（2）就降水貢獻而言，0.1～5 mm/h 量級降水白天的貢獻空間分布比較一致，均在30%左右，夜間該量級降水貢獻大值區在吉林省東部山區；對于5～10 mm/h 量級的降水，其貢獻大值集中在吉林省中部地區，且白天貢獻大于夜間；對于＞10 mm/h量級的降水，降水貢獻大值區主要位于吉林省中西部地區，白天貢獻也大于夜間。

（3）0.1～5 mm/h 量級降水占暖季冷渦降水總量的61%，5～10 mm/h 和＞10 mm/h 量級降水貢獻比例相當均在20%左右，0.1～5 mm/h 量級降水貢獻減弱趨勢明顯，而＞10 mm/h 量級降水貢獻增加趨勢明顯，5～10 mm/h 量級降水貢獻趨勢不明顯；對于降水量而言，這三種量級降水均呈現增加的趨勢，且5～10 mm/h 和＞10 mm/h 量級降水增加趨勢較大。

本文給出了吉林省地區精細的降水時空分布特征，對于提高該區域洪澇災害防御能力有積極作用，但對其發生、發展的物理機制等方面，還需在后續的工作中利用數值模式試驗來闡述和驗證。