一次东北冷涡降水的过程分析

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1、次东北冷涡降水的过程分析彭力河北省唐山市丰南区气象局，河北唐山063300摘要：本文采用2008年全国730站的逐日降水资料，结合NCEP/FNL6h 次的再分析资料，对2008年3月23日一28日一 次东北冷涡降水天气，从大尺度环流背景，降水影响系统，水汽条件，涡度散度，假相当位温等其他方面进行诊断进行分析， 结果表明，此次冷涡过程是由上游小槽东移发展而成，被上下两阻塞高压切断达到发展成熟；通过对冷涡发展过程中涡散度 剖面分析，发现冷涡发展过程中，冷涡中心和正涡度中心有着很好的对应，冷涡发展初期低层辐合、整层上升，成熟阶段整 层辐合上升运动与冷涡的发展十分吻合；此次冷涡降水的产生，伴随着良好

2、的水汽条件，24-25日大值区域的降水均由锋面 所致，其中，24日大值区域降水与对流不稳定有关。关键词：东北冷涡；降水；诊断分析一引言1东北冷涡的定义东北冷涡的基本定义如下:500hPa天气图上，(35 N60N,115E145E)范围内，有一条或一条以 上闭合等高线，并且有冷空气和明显的冷槽配合，维持3天或以上的冷性漩涡，定义为东北冷涡。2东北冷涡简介东北冷涡(NECV)是东亚大气环流的重要组成部分，也是我国东北地区特有的天气系统，是造成东北地 区低温冷害、持续阴雨、洪涝、突发性强对流天气的重要天气系统对东北地区的天气气候有重大影响1极地是东北冷涡形成的冷空气源地，东北冷涡形成于贝加尔湖附近

3、，一边旋转一边东移，在移动过程 中不断发生变化，有时加深，有时填塞，它途经我国东北地区，然后移向勘察加半岛。东北冷涡是在东亚 阻塞形势下于东北地区发生的较为深厚的冷性低值系统，其空间与时间尺度比低涡、西南低涡等要大一些， 一年四季均会出现，其中以初夏和盛夏出现频率最高。它的基本环流特征是对流层中高层为闭合系统，由 中高纬度基本西风气流中的深槽向低纬完全分离,在东北区域上空形成东北冷涡；东北冷涡的形成与大型 环流的分布和演变有密切关系，极涡、副咼、印巴低压、青藏咼原咼压、北非咼压等系统的有利配置是各 类阻塞形成的根本天气学条件;东西两半球的桥式打通必然导致大气环流的异常，阻塞形势的建立,引发东

4、北冷涡的形成。东北冷涡的生命周期一般为57d，但主要集中在夏季，尤以6月最多，因此它是一个一年四季都出现 天气尺度的系统。在中高纬行星波的发展过程中，高空冷槽不断向南加深，与极地冷源的联系会被低纬暖 气团所切断，在纬向平均西风带的南侧，将会形成一个闭合的冷性涡旋中心，这就是切断低压，在我国， 最常见的切断低压就是东北冷涡。它是一种深厚的冷性高空涡旋，常使受它控制地区的气层呈“上冷下暖” 的配置，造成气层的不稳定，产生强烈的对流性天气，甚至带来冰雹、暴雨、低温冷害及连阴雨等灾害性 天气。从地域上看，东北冷涡不仅对东北地区的天气气候有着很大影响，而且可引导高纬度地区冷空气 南下，影响中低纬度地区；

5、从时间上看，持续的东北冷涡活动，不仅影响到中短期天气，而且对长期天气 也有着重大影响。东北冷涡是一种深厚的冷性高空涡旋，常使受它控制地区的气层呈“上冷下暖”的配置， 造成气层的不稳定，产生强烈的对流性天气，甚至带来冰雹、暴雨、低温冷害及连阴雨等灾害性天气3。3东北冷涡研究现状陶诗言在1980曾指出过东北低压或冷涡型是我国主要暴雨的大形势之一，经常给我国东北、华北北部带 来暴雨或雷阵雨。钟水新得出东北冷涡是大尺度环流形势在东北特定条件下的产物，它是具有深厚冷中 心结构的低涡系统，干冷侵入对冷涡的发生、发展具有重要的作用，冷涡系统在配合有利的下界面情况下， 常带来大范围的持续性降水。梁红等发现东北

6、冷涡与鄂海阻塞高压之间有较好的负相关关系，鄂海阻高加 强，东北冷涡也会加强，东北冷涡的形成、发展、滞留与鄂海阻高的维持是密切相联系的。DoswelE得出与深对流系统联系最为密切的三个因子：（1）对流层低层有足够的湿层；（2）有较大的直减 率,从而保证在热力图解上有大片的正面积区；（3）要有足够的抬升力使气块能从湿层到达自由对流高度； 东北冷涡作为深厚的冷性对流系统，对流运动的产生与以上因素相关。Hsieh（1949）分析了与高空冷涡相联系的降水落区分布:构成冷涡的云系以对流云为主，多位于冷涡中 心的东侧；Hsieh并从动力和热力方面描述了冷涡对流系统最基本的配置,有下两点：1）冷涡东侧为正涡度

7、 平流区,由于冷涡平流的强迫作用,导致大尺度流场为上升运动区,是云雨发展的重要条件;2）冷涡东边的 低层大气中有能量很高的气团舌状流入,形成一个舌状的位势不稳定区域，造成了冷涡东侧有利于对流云 发生的重要条件。孙力等（2002）的研究发现，冷涡由于东侧阻高的存在，上升气流得到充分发展,该上升气流自西向东 倾斜，而系统中心及其西侧由于对流层中高层大范围和较强的西北下沉气流上升运动受到抑制。从涡度、 散度和螺旋度等物理量来讲，相对冷涡中心呈非对称分布东侧低层辐合和高层辐散，涡度远大于西侧，加 上高能湿舌轴线和水汽通量极大值分布于这一区域，使得冷涡中心东侧成为强降水区域。低空急流在冷涡降水中起着关键

8、作用。低空急流与暴雨的出现关系十分密切，绝大多数暴雨过程伴有 低空急流（陶诗言,1980）。高空急流入口、出口区与低空急流的相对位置很大程度上决定了强天气降水的 落区分布，低空急流的出现和冷涡对流层中的深厚程度有密切的关系,它不与夏季季风系统相联系,大多是 低涡本身的产物（杨红梅等,1993） 9,低空急流在冷涡天气中起着关键的作用。实际上,有半数的冷涡系统不 会产生对流天气,习惯称干冷涡，因此低空急流及其水汽成为冷涡暴雨发生的重要条件。低空急流不仅是水 汽的来源,而且能为冷涡暴雨提供热力或动力不稳定条件。研究表明，中尺度低空急流带来的水汽输送和水 汽辐合使850hPa以下达到准饱和状态，对强

9、对流风暴的发生发展提供了低层湿层的条件。假如没有其他天 气系统配合，不建立天气尺度的低空急流,东北冷涡将难以产生区域性强降水天气。特定的环流形势和充沛水汽能够产生区域性暴雨；持续的大范围的低涡暴雨过程和亚洲中高纬的阻塞 形势、低涡的维持、西太平洋副热带高压的位置及夏季风和低纬系统的水汽输送有着密切的联系（乔枫雪 等，2007） io o4 2008年3月24-28日冷涡天气简介由于东北冷涡是个深厚的天气系统，移动缓慢，维持时间比较长，其影响一般为35天，甚至更长， 俗话说，“东北冷涡性无常”，在东北冷涡的影响下，可能出现低温、连阴雨、冰雹和雷雨大风等强对流天 气，造成灾害。2008年3月24-

10、28日东北冷涡生成后自内蒙东部45 N向东南移动，冷涡中心在吉林东南 部维持了 4天，造成了辽宁持续5天的连续性小雨或雨夹雪天气，同时气温明显下降。24-28日全省平均 降水量4.5毫米，排历史同期第六位。冷涡影响期间平均气温为4C,较前期下降了 2.4C。冷涡密集区初春主要出现在东北平原的北部，大约位于北纬52度左右，且呈纬向分布。另一个主要的 密集区位于东北平原的中部和西北日本海沿岸。一般情况下，出现在北纬40-45度区域内的东北冷涡常常 给辽宁带来连续几天的间断性降水、持续多日的气温下降天气，40-45度区域内的东北冷涡在初春时节出 现频率较低。从东北冷涡的统计分析资料来看，初春季节出现

11、如此偏南且维持时间较长的东北冷涡实属 历史少见，历史上较相似的个例有：1975年3月2931日、1994年3月2425日、1997年3月2930 日o二资料和方法本文采用2008年全国730站的逐日降水资料，结合NCEP/FNL6h 次的再分析资料对2008年3月23日一28日一次东北冷涡天气过程从其结构特征高低层配置、涡度和水汽收支等不同角度进行分析，本文采 用的范围取为：（3560N , 115145E）。三冷涡过程简述此次东北冷涡天气过程从2008年3月23日08时开始，至3月28日20时消亡结束，按冷涡发展强 度变化，将冷涡天气过程分为：初期发展阶段（3月23日0823日20时），发展

12、成熟阶段（3月24日08-26 日20时），消亡阶段11 （3月27日08-38日20时）。四冷涡天气过程分析1 500hPa形势分析此次冷涡过程由来自西西伯利亚的小槽向东移动发展形成12，从20日08时开始，先后有西移的冷槽 在蒙新高地处爬坡、发展形成阶梯槽的结构，冷槽后高压脊前冷空气的补充使得冷槽得以发展，到23日 08时，在内蒙古的东北部出现一闭合的低涡，与之相对应的是一冷中心，上游贝加尔湖以西地区为一暖脊， 下游鄂霍次克海也为一暖脊，等温线均落后于等高线；23日20时，低涡爬过大兴安岭减弱，低压槽后有 对应的冷中心，由于等温线落后于等高线，上下游的高压脊发展增强；2月24日08时，低涡

13、爬坡后发展， 在辽宁省西北部上空闭合，冷中心落后于低涡中心，上下游的高压脊，发展为阻塞高压，分别对应等温线 落后于等高线，阻塞形势继续发展；24日20时，冷涡中兴移动到辽宁东北部，冷涡中心强度5300gpm， 对应24C的冷中心；25日08时，冷涡中心位于吉林省上空，冷涡中心强度5300gpm,对应24C的冷中心， 上下两阻塞高压向北发展，高纬地区呈倒Q型，冷涡即将被阻塞高压所切断；25日20时冷涡被阻塞高压 切断，阻塞形势消失13； 26日08-20时冷涡中心维持在吉林省上空，对应24C的冷中心冷中心和冷涡中 心重合；27 日-28日冷涡继续向东移动，入海消亡。图1 500 hPa高度场(实

14、线，单位:gpm),温度场(短虚线，单位:K) (a)3月25日08时；(b)3月26日20时；Fig.1 500hPa Height field (The solid line， unit: gpm) Temperature field (Short dashed,unit: K) (a) 08:00 BT25 March (b) 20:00 BT 26 March2降水落区分布此次东北冷涡天气过程降水从23日到28日，23日为冷涡初期发展阶段，东北大部分地区出现小雨降 水天气，24-26日为冷涡发展增强阶段，为冷涡降水主要阶段，24日在吉林省西北部，内蒙古的东部部分地 区，出现小到中雨，2

15、5日降水集中在在辽宁省的北部，吉林省的西北部，黑龙江省的东北部大部分地区， 26日在吉林省的东南部，黑龙江省的东北部出现中雨，27-28日冷涡减弱移出，降水减弱，东北大部分地区 出现小雨降水天气。分析24日，25日08时地面两米温度，24日08时，黑龙江的西北部，地面2米温度线在零度以下，东 北其他地区地面2米温度线在2 C左右，25日08时，黑龙江省的西部，西北部，吉林省的大部分地区， 地面2米温度线在零度以下，其余地区地面2米温度线左右，根据降水落区分布，24-25日东北大部分地区 为雨转雨夹雪天气。-60N -S7N -117E UCE 123E 12E 129E U2E 135E 13

16、&E 14IE 14*E图2，25日24h累积的降水分布图，小黑点代表小于10mm降水，大黑点表示大于10mm小于30mm降水，Fig2 24h precipitation accumulation on 25 March .the small points mean precipitation which is less than 10mm,the big mean the precipitation which is from 10mm to 30mm,3水汽条件分析强的水汽输送是降水的发生必要条件，水汽通量代表水汽输送的强度，水汽通量散度代表水的汽辐合程 度，此次东北冷涡降水过程主要集中

17、在24-25日，根据850hPa水汽通量散度、水汽通量的叠加图，24日08 时到20时，水汽主要来自于冷涡东南侧的日本海上以及冷涡后部的阻塞高压，黑龙江和吉林省的交界处，是 强的水汽辐合中心和水汽通量大值所在地，24日08时吉林省的西部水汽通量散度达到-2510-8g -1scm-2 hPa-1，和24日降水大值区域对比相吻合；25日08-20时，冷涡中心位于黑龙江上空,在黑龙江省的西南方，吉林省的西部集中了大量的水汽，黑龙江，吉林省的西部也是水汽通量散度的辐合中1G图3 850hPa水汽通量和水汽通量散度场（阴影代表水汽通量散度，单位：10吗-1S cm-2 hPa-1，箭头代表水汽通量,单

18、位：g cm-i s-i hPa-i) (1) 3 月 24 日 20 时(2) 3 月 25 日 08 时Fig3 850hPa vapor flux and water vapor flux divergence field (the shaded means water vapor fluxdivergence,unit: 10-8g -is cm-2 hPa-i, the arrow means vapor flux,unit: g cm-i st hPa-i) , (1) 20:00 BT 24 March,(2) 08:00 BT 25 March,4低层温压场分析选取冷涡发展增强

19、时次低层850hPa温压场进行分析，24日08时在冷涡后部，吉林和辽宁省地区上空 为等温线的密集区，温度梯度比较大，吉林西北部850hPa上为暖平流，辽宁东北部850hPa上位冷平流，为 高空锋区的所在，对应地面为冷暖锋；24日20时，高空锋区向北有所移动，等温线的密集区位于吉林和黑 龙江省的西北部，与24日08时相比较，等温线变得稀疏，温度梯度有所减小，冷暖平流有所减弱；25日 08时到25日20时，吉林省的中部，北部，黑龙江省的中东部，等温线密集，相对!4日08时等温线密集程 度加大，温度梯度增加，为暖平流；对照24日，25日逐日降水站点图，根据高空等温线冷暖平分布，分析 可知这两日地面降

20、水是由锋面所致。5假相当位温、风场分析取低层850hPa24-25日假相当位温和风场叠加图分析，24日08时，东北地区为假相当位温的高值区， 在黑龙江的西北部，吉林省的西北部、东部，辽宁省的中东部，假相当位温线相当密集，结合风场图，从 黑龙江省的东南部到辽宁省的北部为一条明显切变线，结合24日降水图，降水的大值区正好位于切变线 附近，24日20时，在黑龙江省西北部，黑龙江和吉林省的交界处为等温线的密集区，与08时相比较，切 变形势不是很明显。25日08时，假相当位温的高值区位于黑龙江省上空，黑龙江省的东北部，和吉林省的交界区，假相 当位温线密集，根据风场图，在黑龙江和吉林省的存在一切变线，黑龙

21、江的东北部，吉林的西北部有部分 的辐合区，25日20时，假相当位温的高值区向北移动到东北地区以外，在辽宁和吉林的部分地区存在假 相当位温的密集区，在风场图上可以看出小的切变存在，和25日降水图相对应，降水落区位于假相当位 温线密集区，风场的切变、辐合区。从以上分析可以看出，24、25日降水过程主要集中在08时左右，20时降水的各种条件不是很充分， 以下主要针对24-25日08时降水阶段进行讨论分析。6散度、垂直速度分析对发展、增强阶段冷涡中心进行剖面分析，24日08时在对流层的低层散度比较大，在45N左右为强的辐合中心，在冷涡后部存在风场的切变区域；垂直速度也比较大，对应对流层的中高层垂直运动

22、比较大， 在700hPa左右存在上升运动的大值中心，高层的辐合运动不明显，700hPa以上散度基本为零，低层强烈 辐合上升的运动说明冷涡正处于发展阶段,24日08时中冷涡的辐合区和上升区并不对称，说明冷涡发展阶 段的不对称性；25日08时，从对流层的低层到高层，散度分布不是很均匀，散度的负值区对应此时此风 场的切变区，冷涡中心自下而上均为垂直上升运动，在对流程中层500hPa附近为垂直上升运动的中心， 此时冷涡发展到成熟阶段，从图（4B）还可以看出，冷涡成熟阶段辐合区从低层到高层是向后倾斜的，对 应的上升区域和辐合区域并不重合，垂直上升区位于辐合区的前部。hPahPaABSflH 3flh 4

23、4 hl 龍 N 4+h5Dh 52NMM Mh GDhl图4沿冷涡中心的散度（等值线）（单位：10-5S-1）和垂直速度（小于0为阴影）（单位：IPa/s）剖面图，A（24日08沿123 E)、 B (25 日 08 沿 45 N)Fig.4 divergence(contours,unti: 10-5S-1) and vertical velocity(less than 0 for the shadow,unit: 1Pa/s) profilealong the cold vortex center,A(BT 08-24 along 123 E ),B(BT 08-25 along 45

24、 N)7涡度剖面分析对冷涡发展不同阶段涡度剖面进行分析：冷涡初始发展阶段，冷涡涡度中心从对流层高空到低层轴线向后倾斜，在对流层的高低层各有一个大的 正涡度中心，对流层高层的涡度中心比低层涡度中心强许多，对流层低层的正涡度中心形成和冷涡后部的风 切变相关，这向后倾斜的结构显示出冷涡的斜压特性。到发展成熟阶段，（图5.1）冷涡从对流层高层到低层轴线成垂直分布，首先对流层低层的正涡度中心 消失，在对流层的中高层正的涡度中心仍然存在，且数值不变；随后到冷涡发完全成熟阶段，（图5.2）对流 层中高层的涡度中心消失，对流层上下涡度分布基本一致。冷涡减弱消亡阶段，首先，低层的涡度逐渐减弱，对流层的高层有一正

25、涡度中心，低层的涡度量值很小， 冷涡从高层到低层轴线有向前倾斜的结构，随后，高层涡度逐渐减弱，上下分布逐渐一致，冷涡消失。图5涡度垂直剖面，1 （3月24日08时），2 （3月25日20时），沿43 NFig.5 vorticity vertical profile along 43 N, 1(08 BT 24 March), 2(20 BT 25 March),8假相当位温剖面分对24日08时10mm以上30mm以下主要降水落区经向、纬向剖面分析，（图6a,6b,）在降水大值区的 上空风随高度逆转，由风随高度变化与冷暖平流之间的关系1可知，24日08时降水落区的上空为冷平流, 结合高空等假相

26、当位温线分布，在，区为假相当位温线的密集区，结合冷平流，该区域为冷锋所控制。 对对流不稳定分析，在24日降水落区的北侧，在850hPa附近存在假相当位温的大值中心.25日08时，对降水大值1区（123-125E,43-45N）,降水大值2区（128-132E,46-49N）经向纬向 高度剖面分析，降水1区上空风随高度顺转，对应暖平流，降水2区上空风也随高度顺转，对应暖平流； 1,2两区的假相当位温线分布不是很密集，锋区不是很明显。对对流不稳定进行分析，25日08时降水1,2 区上空假相当位温线随高度增加，没有出现明显的大气对流不稳定。hPaahPa图6 a (沿125E) ,b (沿44N)为

27、24日08时大值降水区假相当位温风场剖面图，Fig.6 Pseudo-equivalent temperature and Wind profiles above Large values of precipitation zone,a(along124.5E),b(along 44N)at 08 BT 24 March,9湿位涡分析hPa图7 （沿44N ）为24日08时大值降水区湿位涡正压项垂直剖面图，Fig.7,MPV barotropic vertical section above large values of precipitation region at BT 08-24（al

28、ong 44 ON）,（unit: 1PVU =10-6 m2 s-1 K kg-i）p坐标系中考虑大气垂直速度的水平变化比水平速度的垂直切变小得多，当忽略3的水平变化时，湿 位涡的守恒方程为：MPV=MPVl+MPV2=const;MPV1为湿位涡的垂直分量，取决于空气块绝对涡度的垂直分量 和相当位温垂直梯度的乘积，MPV2是湿位涡的水平分量（斜压项），它的数值由风的垂直切变（水平涡度） 和8 se的水平梯度决定，表示大气的斜压性。湿位涡的分布对强对流暴雨的发生、落区有较强的指示意义，MPV1 “正负值区垂直叠加”有利于强对 流暴雨的发生发展。850hPa上MPV、MPV1、MPV2正负值过

29、渡带附近，是对流不稳定与斜压不稳定相结合的 地区，有利于暴雨的发生16。对降水大值区域不同时段进行湿位涡剖面分析，（图7）24日08时，大值降水 区域上空800hPa到500hPa为湿位涡正压项的负值区，为对流不稳定区，高层450hPa以上为MPV1的正值区域， 对应着对流稳定区，对流层高层大值区对应着低层的负值区，有利于低层对流不稳定的发展。在132E附近 为MPV1的正值中心，125-132E之间为MPV1的正负交界区域，交界区域有利于水汽的辐合，垂直涡度的发展， 大的降水区域出现在交界区域附近。至到25日08时,MPV1正负中心交界区域消失，入侵到850hPa的冷空气强 度也减弱，大值降

30、水减弱。湿位涡的斜压项MPV2,由水平风的垂直切变和和相当位温的梯度决定，负值越大，表明斜压性越强a。 24日08时，比较大的降水区上空500hPa左右存在一个比较大的负值中心，大小为-0.4PVU，向下延伸到 850hPa左右，表明斜压项较强，至到25日08时，负值中心值减小变为-0.2PVU,大气的斜压性减弱。综上可以看出，此次降水过程中，24日大值的降水产生原因与正压和斜压项有关，25日大值降水只与斜压项有关。五总结1、冷涡的稳定发展必须要有冷涡后部冷空气的补充，此次冷涡过程中冷涡两侧的阻塞高压的发展使冷 涡切断，发展到达成熟阶段；随后冷涡沿西北-东南方向继续移动，入海消亡。2、冷涡发展

31、过程中正涡度中心和冷涡中心相互联系，高低层散度和垂直速度分布与冷涡发展密切相关; 此次冷涡发展过程中，冷涡中心和正涡度中心有着很好的对应，冷涡发展初期低层辐合、整层上升，成熟 阶段整层辐合上升运动与冷涡的发展相吻合。3、冷涡降水的产生需要有充足的水汽来源和相应的水汽辐合，伴随风场切变、辐合、垂直运动等不稳 定条件，降水发生，此次冷涡降水过程中，24日(黑龙江-辽宁)，25日(黑龙江-吉林)，850hPa降水大 值区域附近均存在相应的切变和辐合。4、分析降水大值区域假相当位温风场剖面叠加图，通过风随高度转向判断冷暖平流和冷暖锋，通过假 相当位温随高度的变化、湿位涡垂直分布图，判断对流不稳定和大气

32、的斜压性；24日大值降水区由冷锋所 致，伴随有对流不稳定，与湿位涡的正压斜压项都有关系，25日大值降水区由暖锋导致，对流不稳定不明 显，产生只与斜压项相关。参考文献:1 孙力、安刚、廉毅等夏季东北冷涡持续性活动及其大气环流异常特征的分析J.气象学报,2000,55(6):704-714.2 刘成歧，李贵臣，陈连友东北冷涡移动路径的统计预报J.大气科学，1976, 1 (1)： 6871.3 陶诗言.1980.中国之暴雨M.北京:科学出版社,1980.7, 225.4 钟水新，王东海，张人禾等.一次东北冷涡降水过程的结构特征与影响因子分析J 高原气象，2011，30 (4)： 951-960.5

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