东北冷涡是位于中国东北地区上空一种独特的切断低压系统,一般从中高纬西风急流中分离出来,表现为冷性涡旋(钟水新等,2011;Xie and Bueh,2017)。该系统表现出明显的准静止性,往往能够在东北地区上空维持数天,极大地影响局地天气状况(朱占云和何金海,2010)。东北冷涡的识别主要从其物理性质出发,也有学者利用与其密切相关的气象要素(如降水)来表征(He et al.,2007)。目前实际业务中定义东北冷涡为东北地区500hPa至少能分析出一条闭合等高线,伴有冷中心,且持续时间在3d以上的低压系统(王婉昭等,2017)。

东北冷涡的形成多发生在春夏季(Liu et al.,2015;杨鎛和王黎娟,2021),能够引发低温、连阴雨、强对流等复杂灾害性天气(Gao and Gao,2018)。关于夏季冷涡降水的形成已有较多研究,合适的高低空环流配置,如高层干冷空气入侵和低层强暖湿空气输送,对降水的形成具有极其显著的作用(刘英等,2012;应爽等,2014)。高位涡气流向低层大气下传使得冷涡加深发展为深厚的系统,而低层急流带来的暖湿空气增加了位势不稳定度和局地水汽含量,在高低空急流耦合的上升运动作用下,冷涡系统能够带来强降水和对流性天气(Lian et al.,2016)。虽然春季东北冷涡的强度低于夏季(王丽娟等,2010;刘志杰,2014),但其对于东北地区暴雨(袁媛等,2014)及极端低温事件(张霏燕和徐海明,2011)同样具有重要影响。

东北冷涡作为西风带环流系统异常的产物,受到高纬和低纬大气环流的调控(Nieto et al.,2005)。中高纬阻塞形势通过影响东北地区瞬变涡动异常导致夏季冷涡形成和维持,其与副热带异常Rossby波能够共同影响冷涡环流(Xie and Bueh,2016)。Fang et al.(2018)指出前期北大西洋海温能够通过遥相关波列影响中高纬阻塞形势,进而调控初夏冷涡降水。也有研究认为西太平洋遥相关型负位相引起的大气环流异常是初夏冷涡形成的关键因子(谢作威和布和朝鲁,2012)。春季冷涡的形成可能与背景环流及次天气尺度系统存在关联(Fu et al.,2014)。

综上,针对东北冷涡的研究多关注其在夏季的结构特征、形成原因及影响系统,少有关于初春东北冷涡及其降水过程的诊断分析,对冷涡系统如何在初春形成、发展的认识还不够。初春东北冷涡是在怎样的大尺度环流背景下发生的?初春冷涡降水的主要影响因子是什么?本文针对发生在2008年3月23—28日的东北冷涡天气过程,分析初春冷涡的结构特征,探讨东北冷涡的形成发展条件以及大尺度环流对初春冷涡系统的影响,研究初春冷涡触发降水的可能机制,以期揭示初春东北冷涡天气过程的形成原因及其与大尺度环流的关系。

1 资料和方法

采用欧洲中期数值预报中心提供1979—2010年ERA-interim逐日再分析资料(Dee et al.,2011)以及美国国家大气和海洋管理局提供的逐月扩展重建海表温度资料(ERSST Version 5,Huang et al.,2017)。地面降水数据来自国家气象信息中心提供的中国753站逐日降水资料,选取东北地区168个站点进行分析。为保证地面降水数据与再分析资料的时间相对应,日降水量使用当日08时—次日08时总降水量计算。

为诊断初春东北冷涡的形成和发展条件,本文计算了不同等压面上的涡度平流和温度平流(朱乾根等,1981),计算时已考虑了地球曲率的影响,空间差分方式采用中央差。某一等压面上涡度平流和温度平流的公式如下:

其中:V=(u,v)表示水平风场;$\xi =\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}$表示垂直涡度。

位势涡度P _V(Potential Vorticity,PV)是表征气块绝对涡度和静力稳定度的物理量,可用于诊断天气系统的发展条件(Holton and Hakim,2013),公式如下:

其中:ξ_a表示绝对涡度;θ表示位温;ρ表示气块密度,常用位势涡度单位(Potential Vorticity Units,PVU)来度量PV,1PVU=10^-6K·m²·s^-1·kg^-1。

整层水汽通量和水汽通量散度利用从地面到300hPa的比湿以及水平风场进行计算(Sun et al.,2011),公式如下:

其中:Q表示整层水汽通量;g表示重力加速度,p _s、p _t分别表示表面气压和大气层顶(此处为300hPa)气压,q表示比湿。

本文中锋生函数采用Miller(1948)锋生公式计算,速度势函数和散度风依据朱乾根等(1981)的计算方法。此外,根据Takaya and Nakamura(2001)的方法,利用逐月数据计算了波作用通量以研究Rossby波对大尺度环流异常的作用,公式如下:

其中:W表示波作用通量;p为标准化气压,即原始气压除以1 000hPa;φ、λ、a分别表示纬度、经度、地球半径;U=(U,V)表示基本流场;${\psi }^{\mathrm{\text{'}}}=\frac{{\mathrm{\Phi }}^{\mathrm{\text{'}}}}{f}$表示准地转扰动流函数;Φ为位势,上标“′”表示纬向偏差。

2 初春东北冷涡的三维结构特征

东北冷涡作为一个深厚的天气尺度环流系统,其结构特征对于天气过程的发生发展具有极其重要的作用(钟水新等,2011)。首先结合环流场的演变过程分析初春东北冷涡在不同阶段的特点。图1给出了2008年3月23—28日500hPa位势高度场和温度场、850hPa风场及200hPa纬向风场的演变,东北亚关键区(115°~145°E,35°~60°N;孙力等,1994)内冷涡环流清晰可见,且配合有闭合冷中心,符合业务中对于东北冷涡的识别方法(王婉昭等,2017)。23—24日,受贝加尔湖高压脊影响,亚欧大陆以经向环流为主,500hPa上关键区内有闭合低值系统形成,且伴有-32℃的冷中心,850hPa上气旋性环流位于高空冷涡前部,为东北冷涡的初生发展阶段。在这一阶段,亚欧大陆的倒“Ω”型环流导致了东北冷涡向南移动发展。25—26日,冷涡在关键区内维持,呈现出准正压结构,500hPa温度场冷中心与高度场低值中心基本重合,850hPa上气旋性环流加强,为东北冷涡的成熟阶段。需要指出的是,成熟阶段冷涡南侧的西风急流显著加强,急流核位于25°~30°N,中心风速超过70m/s。27—28日,冷涡主体减弱东移,低层气旋性环流减弱,西风急流略微减弱东移,为东北冷涡的消亡阶段。

此次初春东北冷涡天气过程持续时间达到6d,冷涡中心主体偏南,属于中涡过程(孙力等,1994),移动方向由东南转为偏东为主。一般研究认为,夏季持续性冷涡过程对应的高层环流场以纬向分布为主,冷涡西侧的低槽为冷涡长时间维持提供了必要的冷空气,而高空急流的加强与稳定维持则为冷涡发展创造了有利的环流背景(钟水新,2011)。但在此次冷涡过程中,高层环流场经历了由经向环流向纬向环流转变的过程。23—24日冷涡初生发展阶段,亚欧大陆中高纬以经向环流为主,冷涡上游的暖脊发展使得冷涡向南移动。在这一阶段,高空急流有加强趋势,冷涡主要向东南方向移动。25—26日冷涡成熟阶段,亚欧大陆中高纬主要表现为纬向环流,受西西伯利亚地区低槽东移影响,冷涡上游的暖脊消失,低槽不断引导高纬冷空气向冷涡中心输送,使得冷涡的冷心结构得以维持。27—28日冷涡衰亡阶段,低槽在移至贝加尔湖西侧后加深发展,导致冷涡系统减弱东移。在冷涡的成熟及衰亡阶段,高空急流经历了先加强后东移的过程。25—26日冷涡成熟阶段,西风急流较冷涡发展阶段显著加强,这有利于引导冷涡向南加强发展;27—28日,急流略微减弱,急流核明显东移,高空急流的变化能够引导冷涡东移减弱,东北冷涡逐渐消亡。因此,中高纬槽脊波动及高空急流对初春冷涡的发展和长时间维持有相当重要的作用。那么,初春东北冷涡形成发展的主要影响因子是什么?初春冷涡是在怎样的环流背景下形成的?大气环流异常对冷涡具有怎样调控作用?

3 初春东北冷涡的形成发展条件

3.1 初春东北冷涡发展的主要影响因子

本文首先分析东北冷涡形成发展的动力和热力条件。考虑到冷涡系统不同部位物理量分布不均,这里对冷涡后部(115°~130°E,35°~55°N)和前部(130°~145°E,35°~55°N)的涡度平流和温度平流进行分析。在冷涡发展过程中,对流层高层冷涡后部有强负涡度平流和冷平流,冷涡前部则相反(图2)。高层涡度平流的配置促进了对流层低层气旋性环流在高层冷涡前部发展(朱乾根等,1981)。同时,冷涡系统前部的正涡度平流随高度增加,这与高层冷涡前部的暖平流相互配合,导致上升运动在高层冷涡前部进一步发展。上升运动的增强又加剧了对流层低层的辐合运动,使得低层气旋性环流加强。高层涡度平流的配置为对流层低层冷涡系统的发展提供了有利的动力条件。而冷涡系统后部的冷平流又使得高层冷涡环流进一步发展。在这样的涡度平流和温度平流的配置下,东北冷涡得以发展成一深厚且近乎稳定的系统。

除了涡度场和温度场的相互配置外,东北冷涡的发展还与干侵入有密切关系(吴迪等,2010;沈浩等,2014)。23—24日,冷涡初生及发展阶段,对流层高层的高位涡区逐渐向中层发展,高层干冷空气迅速向中层大气侵入,有明显的干舌向中层伸展(图3),强的干侵入过程促进了冷涡系统的发展;25—26日,冷涡成熟阶段,干侵入过程维持,高层高位涡下侵强度减弱,250hPa附近位涡增至5~7PVU,干冷空气的下侵同样减弱。27日之后,干侵入过程结束,高位涡区向对流层高层收缩,冷涡逐渐消亡。综上,以对流层高层高位涡区向中层发展和高层干冷空气向低层大气入侵为表征的干侵入过程对于东北冷涡的发展维持是至关重要的。

3.2 大尺度环流对初春东北冷涡的影响

以上探讨了动力和热力因子对东北冷涡形成发展的重要作用,下面分析初春东北冷涡发生发展的大尺度环流背景。2008年3月,500hPa上亚欧大陆中高纬均表现出位势高度正异常,其中鄂霍次克海地区最为显著(图4a)。鄂霍次克海阻塞高压表现为深厚的暖性高压系统,在对流层中高层最为明显,主体位于50°N附近,中心位势高度正异常超过160gpm(图4b)。与位势高度正异常相配合的是,鄂霍次克海上空对流层中层显著偏暖,300hPa以上则转为偏冷。乌拉尔山地区的阻塞形势类似(图略)。乌拉尔山-鄂霍次克海“双阻”形势使得中高纬经向环流显著加强(Xie and Bueh,2016),有利于东北冷涡在初春形成发展。同时,500hPa上西北太平洋存在位势高度负异常,其与鄂霍次克海阻塞形势相配合,类似于负位相的西太平洋遥相关型(谢作威和布和朝鲁,2012),为冷涡向南发展提供了必要条件。乌拉尔山-鄂霍次克海“双阻”控制了亚欧大陆中高纬,强大的鄂霍次克海阻塞高压改变了对流层中层的大气环流,为初春东北冷涡的发生发展创造了有利条件。

阻塞高压的维持除了能够改变大尺度环流形势外,还可以影响高低空急流的配置,从而对东北冷涡的发展和冷涡降水的形成产生重要作用(李爽等,2016)。阻塞高压的存在使得鄂霍次克海上空对流层内均表现为强暖异常,而西北太平洋则为冷异常(图4b),这使得东亚中高纬之间的经向温度梯度减小,对流层内盛行西风减弱(图5)。200hPa上东亚西风急流以南移为主,有利于引导东北冷涡向南发展。同时,高空急流的南移为东北地区上空辐散形势的发展创造了有利条件。而鄂霍茨克海上空的低层大气被异常反气旋环流所控制,东北地区出现东风异常,这加强了北太平洋及日本海向东北地区的水汽输送(图5b),为冷涡降水的形成提供了充足的水汽。

图6给出了2008年3月850hPa和200hPa速度势及散度风距平场。可以看出,热带西太平洋及海洋性大陆附近对流层低层有辐合风异常,而高层表现为辐散风异常。热带东太平洋则相反。这样的环流形势表明热带西太平洋上升运动与东太平洋下沉运动同时发展加强,与沃克环流偏强相对应,可能与2007/2008年拉尼娜事件存在联系(吴俊杰等,2014)。偏强的沃克环流使得西北太平洋中低层出现异常气旋性环流(图4a),同时热带西太平洋高层向北的辐散风有利于激发经向上向高纬传播的波列,这对于鄂霍次克海阻塞高压的形成和维持有相当重要的作用(刘刚等,2012)。此外,在沃克环流偏强的大尺度环流背景下,东北地区表现出低层风辐合和高层风辐散的形势,这促进了该地区上升运动的发展,有利于大范围冷涡降水的形成。因此,中低纬大气环流对热带太平洋海温异常的响应是影响初春冷涡及其天气过程的重要因素。

除了热带太平洋海温异常的外强迫作用外,前期冬季北大西洋海温异常对初春冷涡的形成发展同样有重要作用(Fang et al.,2018)。2007年11—12月北大西洋海温存在明显正异常,暖海温异常通过加热大气引起了低层风场辐合与中高层位势高度正异常(图7a)。2008年1—2月,由于北大西洋地区局地海气相互作用(Czaja and Frankignoul,2002),暖海温异常得以维持,但强度略微减弱,大气对海温异常的响应主要表现为北大西洋-欧洲阻塞形势的发展,格陵兰岛上空则有低值系统形成,而乌拉尔山地区同样出现阻塞形势(图7b)。2008年3月,北大西洋地区暖海温异常仍然存在,暖异常中心主要位于北美东岸,北大西洋上空的强阻塞形势维持,乌拉尔山阻塞高压则进一步发展(图7c)。北大西洋暖海温异常从前期冬季一直持续到初春,影响了乌拉尔山阻塞高压的形成。而乌拉尔山阻塞高压与鄂霍次克海阻塞高压相配合,共同调控着欧亚大陆中高纬的大气环流,是东北冷涡在初春形成发展的关键因素。

为了进一步分析乌拉尔山-鄂霍次克海阻塞高压的形成与Rossby波能量传播之间的关系,本文分别计算2007年11—12月、2008年1—2月以及2008年3月250hPa准地转流函数距平和波作用通量场(图8)。2007年11—12月,北大西洋上空存在明显的准地转流函数正异常,且波动能量不断向西欧地区传播(图8a)。2008年1—2月,在北大西洋地区局地海气相互作用的影响下,北大西洋-欧洲上空表现为准地转流函数正异常,格陵兰岛上空出现负异常(图8b)。前期冬季北大西洋地区的异常Rossby波活动导致了波动能量不断向下游的西欧地区传播。2008年3月,北大西洋向欧洲地区的波动能量传播使得乌拉尔山附近出现强阻塞形势(图8c)。与此同时,西北太平洋地区出现准地转流函数负异常,鄂霍次克海地区则为正异常,这种模态与负位相的西太平洋遥相关型类似。西北太平洋向鄂霍次克海的波动能量传播加强了鄂霍次克海阻塞高压,对东北冷涡的形成有重要作用。鄂霍次克海阻塞高压西侧,贝加尔湖附近有从高纬向低纬传播的波活动,这可能是导致冷涡过程中低槽快速东移发展的重要因子,为东北冷涡的长时间维持提供了有利条件。因此,前期冬季持续的北大西洋海温异常改变了局地大气环流,北大西洋-欧洲阻塞形势调控着中高纬高层环流场,进而引发初春中纬度Rossby波活动异常,导致了下游乌拉尔山地区强阻塞形势的发展。而热带太平洋海温异常通过影响中低纬环流系统激发了经向上向高纬传播的波列,导致了鄂霍次克海阻塞高压的形成和维持。乌拉尔山阻塞高压与鄂霍次克海阻塞高压的同时发展会引起中高纬度大气环流的组合性异常(李崇银和顾薇,2010),亚欧大陆中高纬所呈现出的“双阻”形势对初春冷涡的发展和长时间维持是有利的。

综上,初春东北冷涡在涡度平流和温度平流的相互配置下逐渐发展成深厚的环流系统,干侵入过程同样是冷涡发展维持的关键因子。在热带太平洋和前期北大西洋海温异常的外强迫作用下,乌拉尔山至鄂霍茨克地区出现强阻塞形势,这为初春冷涡向南发展和维持提供了有利的环流背景,并通过改变对流层内高低空急流为大范围冷涡降水创造了有利条件。

4 初春冷涡降水的影响因子

4.1 初春冷涡降水概况

受东北冷涡影响,我国东北地区出现了一次大范围降水过程,内蒙古东部及黑龙江、吉林和辽宁大部出现小到中雨(图9)。东北地区大范围降水主要发生在24—26日,基本对应于东北冷涡的成熟阶段。这一结论与夏季冷涡降水的研究一致(钟水新,2011)。大范围降水落区位于冷涡中心附近,降水大值区主要位于冷涡中心偏西侧,24日黑龙江东部两站点日降水量超过15mm。与夏季冷涡降水中心主要位于冷涡东南侧不同,此次初春冷涡降水中心位于冷涡偏西侧,这可能与冷涡成熟阶段中心位置偏东及初春高空急流有关。

4.2 初春冷涡降水的形成过程及成因

首先分析影响冷涡降水的水汽和垂直运动条件。23—26日,在冷涡逐渐发展的过程中,东北地区上空对流层低层气旋性环流加强,800hPa以下辐合运动不断增强(图10),而高层则以辐散形势为主,这是由东北冷涡与高空急流的相对位置决定的(图1)。在对流层低层辐合运动发展,高层辐散运动占主导的形势下,上升运动得以在东北地区上空发展维持。23—26日,东北地区900hPa以上均表现为上升运动(图10)。大范围降水的形成不仅仅需要强烈的上升运动,还需要充足的水汽条件和持续的水汽输送与之配合。图11给出了3月24—25日东北地区整层水汽通量及水汽通量散度。24日,受冷涡影响,东北地区出现强水汽辐合,水汽辐合中心主要位于吉林西北部与黑龙江东部,与该日降水大值区相吻合。25日,东北冷涡发展至成熟阶段,水汽输送的气旋式结构显著,这使得日本海上的水汽能够不断地向东北地区输送,局地水汽辐合导致东北地区上空相对湿度显著偏高(图3),大范围降水得以维持。

除了水汽与垂直运动条件的相互配合外,冷暖平流交汇引起的锋面过程对于大范围降水的形成也有相当重要的作用(施春华等,2013)。24—26日,东北地区出现了强烈的锋面活动,42°N附近有强的冷暖平流交汇,锋生函数持续为正(图12a)。特别是在24日,冷涡降水最强的时段,120°E与130°E附近分别出现强的锋生现象(图12b),这与该日大范围降水落区一致(图9a)。25日,120°E附近的锋面向东移动,雨带相应地东移(图9b);而130°E附近的冷暖平流均减弱,锋生函数减小,降水略微减弱。因此,与冷涡活动相伴随的冷暖平流交汇导致了强烈的锋面活动,大范围降水落区与锋生区具有较好的一致性,且锋面的生消能够与雨带的移动相对应。此外,冷暖平流交汇引起的锋面抬升加强了东北地区上升运动的发展(图10)。由于东北地区上空对流层高层存在明显的干侵入(图3),高层干冷大气不断向对流层中层入侵。而低层冷涡的气旋式环流在东北地区引起了强烈的水汽辐合(图11)。与冷涡活动相对应的高低空环流变化使得东北地区出现“上干下湿”的现象,对流层内不稳定能量不断积累。当锋面过程触发不稳定能量的释放时,地面出现了大范围降水过程(图9)。

5 结论

2008年3月23—28日,我国东北地区经历了一次持续时间长达6d的冷涡天气过程,大范围冷涡降水给初春时节的农业生产带来了极其不利的影响。本文研究了初春东北冷涡的结构特征,分析了大尺度环流对初春冷涡系统的可能影响机制及冷涡降水的主导因子,得出以下结论:

1)初春冷涡的高层环流场由经向环流向纬向环流转变。在冷涡发展阶段,其上游的暖脊加强使得冷涡向南移动;成熟阶段冷涡后部的低槽不断引导冷空气向冷涡中心输送,导致了冷涡的长时间维持。

2)对流层内涡度场和温度场的相互配置为冷涡发展成深厚的环流系统提供了动力和热力条件,而干侵入对于冷涡的发展维持同样有重要作用。2008年3月大尺度环流异常表现为乌拉尔山至鄂霍茨克海上空的强阻塞形势,强大的鄂霍次克海阻塞高压改变了对流层内的大气环流,影响了高低空急流的配置,这为初春冷涡向南发展和维持,以及冷涡降水的形成提供了有利的环流背景。热带太平洋和前期北大西洋海温异常的外强迫作用引起Rossby波活动异常,促使了鄂霍次克海和乌拉尔山阻塞高压在初春形成发展。贝加尔湖附近从高纬向低纬传播的波活动可能是导致初春冷涡偏南并维持的重要因子。

3)此次初春冷涡降水主要发生在冷涡的成熟阶段,冷涡的发展维持为大范围降水提供了有利的环流背景,包括低层风场辐合与高层辐散的形势,持续的水汽输送等。此外,冷涡过程中冷暖平流交汇引起了锋面过程,促使大范围降水在东北地区形成。

致谢:本文的数值计算得到了南京信息工程大学高性能计算中心的计算支持和帮助。

参考文献