东北冷涡气候特征及其对内蒙古降水的影响

刘炜

（1.内蒙古气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳 110166）

引言

东北冷涡是影响我国东北地区天气气候的重要天气系统，其活动多寡是造成东北地区洪涝、干旱和低温冷害的重要原因[1-2]。20 世纪80年代以来，东北冷涡活动强弱对我国东北地区夏季气候的影响十分显著[3]。频繁的东北冷涡活动，不仅影响到中短期天气，而且对短期气候同样有着较大影响，具有显著的气候效应，这种气候效应主要体现在冷涡系统的频繁出现会给东北地区夏季带来低温多雨天气，甚至带来洪涝灾害[4-6]。目前东北冷涡活动过程大都是针对本地区地理位置进行识别，而内蒙古还没有针对本地区的冷涡活动序列。本文旨在通过客观识别影响内蒙古的东北冷涡活动日数和频次，对冷涡活动进行定量化描述并探讨其与内蒙古降水的关系，以期为影响内蒙古的东北冷涡活动及月降水预测提供一定的预测依据。

1 资料与方法

1.1 资料

所用资料为内蒙古气象信息中心1981—2017年5—8月内蒙古116 个气象观测站逐日降水量以及美国国家环境预报中心/国家大气科学研究中心1981—2017年逐月再分析资料，水平分辨率为2.5 °×2.5 °[7]，要素场包括纬向风、位势高度、温度场。气候平均值为1981—2010年30年平均。

1.2 东北冷涡客观识别方法

本文对东北冷涡的客观识别采用传统东北冷涡定义，即东北冷涡为符合下述条件的一次天气过程：在500 hPa天气图上至少能分析出一条闭合等高线，并有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统；冷涡出现在115 °—145 °E，35 °—60 °N范围内；冷涡在上述区域内的生命史至少为3 d或3 d以上[3]。在此传统定义基础上，参考刘刚[8]、蒋大凯等[9]对东北冷涡的判别方法，给出如下识别步骤：

（1）由于太偏北或偏东的冷涡对内蒙古影响较小，所以本文研究的东北冷涡中心选择区域为115 °—135 °E，35 °—55 °N范围。在此范围内找到位势高度最低值，确定为东北冷涡中心。

（2）从东北冷涡中心向四周8个方位延伸，确定低值中心高度值均不高于该点所有周边8 个点（至少有6 个），且每个方向上的递增格点数至少为2 个。

（3）在8 个方向上，判断位势高度最低值的正北、东北和西北3 个方向的纬向风是否为负；位势高度最低值的正南、东南和西南3 个方向的纬向风是否为正；若满足条件，说明风场闭合。

（4）在以位势高度低值中心点为中心，在经纬度15 °×10 °网格区域内存在任意纬向连续5 个格点温度二阶导数≥0。

（5）如果连续3 d均满足以上条件，且连续存在的低值中心日移动距离≤10 个经度或纬度距离；若满足条件，则确定为一次东北冷涡过程。

根据以上冷涡客观识别方法对冷涡活动过程进行自动识别，相较于通过逐日天气图的人工识别方法更为方便和快捷。

2 东北冷涡活动特征

按照上述东北冷涡客观识别方法，对东北冷涡过程进行筛选、追踪，确定东北冷涡发生频次、每一次冷涡过程持续日数等信息。将客观识别出的冷涡活动日数与孙力等[10]通过人工识别方法统计的夏季东北冷涡发生日数做相关分析，发现二者在1981—1997年夏季冷涡日数相关系数为0.66，通过了0.001的显著性检验，验证了东北冷涡识别方法的合理性。此外，将1981—2017年5—8月东北冷涡活动日数分别与同期500 hPa高度场进行相关分析（图1），发现在东北亚地区呈现出显著的“南负北正”偶极型相关分布，显著负相关区与冷涡客观识别区域较为吻合，主要位于115 °— 140 °E，35 °— 50 °N范围内。内蒙古东部乃至整个东北地区处于显著负相关区域内，且鄂霍次克海地区存在显著的正相关，这种偶极型的相关分布也从另一个角度验证了东北冷涡客观识别的科学性。

图1 5—8月冷涡活动日数与同期500 hPa高度场相关（阴影区通过0.05显著性检验）（a. 5月；b. 6月；c. 7月； d. 8月 ）

经过客观识别，对近37年 5—8月东北冷涡活动过程进行了统计分析（表1）。6、7月的活动日数比例分别为44.3%和39.8%，5月和8月活动日数的比例较6、7月明显减小，分别为36.8%和33.7%。6月和7月的平均活动日数分别为13.3、12.3 d，较5月和8月多1～3 d； 5—8月平均每次冷涡活动过程的持续时间为5～6 d。上述5—8月东北冷涡活动统计特征表明，东北冷涡为东北亚地区重要的天气系统，其活动频率可达40%左右。

表1 1981—2017年5—8月东北冷涡活动统计特征

图2、3给出1981—2017年5—8月东北冷涡发生次数、活动日数的演变特征。5月东北冷涡活动日数在年际变化上呈现增多的趋势特征，而过程次数呈现减少的趋势特征，即每次冷涡活动的维持日数在增加。1993、2002、2005、2011年冷涡发生次数最多，均达4 次，而1987、2006、2009年无冷涡过程。2008、2011年冷涡发生日数较多，分别为20、22 d。5月东北冷涡过程次数和活动日数具有较好的一致性，相关系数达到0.86，通过0.001的显著性检验。

图2 5—8月冷涡过程发生次数

图3 5—8月冷涡过程发生日数

6月东北冷涡活动日数在年际变化上呈现增加的趋势特征，而过程次数呈现减少的趋势特征。1981、1990、2009年冷涡发生最多，均达4 次，而1982、1994年无冷涡过程；从6月冷涡活动日数可知，1990、2009年冷涡发生日数较多，分别达到21、26 d。6月东北冷涡过程次数和活动日数具有较好的一致性，相关系数达到0.86，通过0.001的显著性检验。

7月东北冷涡活动次数和冷涡过程日数均呈减少的趋势。1986、1988、1991、1993、1998、1999、2000、2001、2002、2003、2009、2010年冷涡发生次数最多，均达3 次，而1994年无冷涡过程；1986、2003年冷涡活动日数较多，分别达到23 d和19 d。7月东北冷涡过程次数和活动日数具有较好的一致性，相关系数达到0.83，通过0.001的显著性检验。

8月东北冷涡活动次数和日数呈现一致增多的趋势特征。2013年冷涡发生次数最多，为5 次，而1982、1984、1989、1996、2008、2012年无冷涡过程；1986、2015年冷涡发生日数较多，分别为24、25 d。8月东北冷涡过程次数和活动日数具有很好的一致性，相关系数达到0.9，通过0.001的显著性检验。

根据上述分析，5—8月冷涡活动次数和日数的演变具有较好的相关性，直观地表明每一次冷涡过程平均维持期的稳定性特征。

3 东北冷涡活动日数与内蒙古降水的关系

对1981—2017年5—8月各月东北冷涡活动日数与同期降水进行相关分析后发现（图4），5月冷涡活动日数与同期降水在东部偏北的大部地区存在显著正相关；6月显著正相关区域较5月略向北收缩，主要位于呼伦贝尔市北部和中部地区；7月冷涡活动日数与降水的显著正相关区主要集中在呼伦贝尔市偏南部及兴安盟北部地区；8月冷涡活动日数与降水存在显著正相关的区域与5月基本一致。从5—8月各月冷涡日数与降水的显著相关区域可以发现，冷涡活动对于内蒙古降水的显著影响区域主要位于东部地区，其中5月和8月的相关区范围最大，而6、7月的显著区分别偏北和偏南，这可能是由于不同月份冷涡活动的位置变化引起的。

图4 1981—2017年5—8月冷涡活动日数与同期降水的相关分布（阴影区通过0.05信度检验）（a.5月；b.6月；c.7月；d.8月）

为了进一步说明东北冷涡活动与内蒙古东部地区降水的关系，选取呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市北部、赤峰市东北部和锡林郭勒盟东北部共计36 个站点的降水量作算术平均（图略），将该区域冷涡日累积产生的降水认定为东北冷涡降水。由于7、8月东部地区受夏季风北推的影响，冷涡日产生的降水不一定是由于冷涡活动造成的，故只对5、6月冷涡日累积降水与同期冷涡日数进行了对比分析。由图5可知，冷涡活动日数与东部偏北地区冷涡日累积降水量均呈现较为一致的波动特征，二者相关系数为0.56，通过0.001的显著性检验。5月冷涡日数较多的年份如1981、1982、2008、2011、2014年，相应的冷涡日累计降水量也显著偏多；相反，无冷涡活动的年份如1987、2006、2009年，降水异常偏少。6月，冷涡活动日数与东部偏北地区冷涡日累计降水量的相关系数为0.64，通过0.001的显著性检验。6月冷涡日数较多的年份如1989、1990、1992、1996、1998、2002、2003、2009、2016年，相应的冷涡日累计降水量显著偏多；相反，无冷涡活动的1982、1994年，降水异常偏少。上述特征反映了冷涡虽然是天气尺度系统，但由于其具有“累积效应”，所以在月尺度上与其影响地区的降水存在较好的对应关系。

图5 1981—2017年东北冷涡活动日数（实线）与同期内蒙古东部偏北地区冷涡日累积降水量（柱形条）（a. 5月；b. 6月）

4 结论

通过以上分析，得出以下结论：

(1)东北冷涡活动日数与500 hPa高度场在东北亚地区呈现出显著的“南负北正”偶极型相关分布，显著负相关区与冷涡客观识别区域较为吻合，验证了东北冷涡客观识别的科学性。

(2)东北冷涡作为东北亚地区重要的天气系统，5—8月平均每次冷涡活动过程的持续时间为5～6 d，活动日数频率达40%左右。

(3)5、6月冷涡活动次数呈现减少的趋势特征，而活动日数呈增多的趋势特征；7、8月冷涡活动次数和日数分别呈一致减少和一致增多的趋势。5—8月冷涡活动次数和日数二者演变具有较好的相关性，代表每一次冷涡过程平均维持期的稳定性特征。

(4)5—8月东北冷涡活动日数与内蒙古同期降水存在显著正相关的区域主要位于东部偏北地区。5、6月冷涡活动日数与冷涡日东部偏北地区累积降水量存在显著正相关，这表明冷涡活动具有“累积效应”，在月尺度上与其影响地区的降水存在较好的对应关系。