东北冷涡气候研究进展及展望

房一禾 赵春雨 李杨 郭婷婷 李经纬 林益同，2 秦美欧 于怡秋

(1.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166； 2.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳 110166；3.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166； 4.沈阳中心气象台，辽宁 沈阳 110166；5.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁 沈阳 110166)

引言

当中纬度西风带中长波槽加深发展到一定程度，冷槽与其北部冷空气源地的联系被暖空气切断，在槽的南边形成的闭合冷性低压中心，即切断低压。切断低压多数发生在冷暖空气交换活跃的季节和地区，在春秋季节，欧洲西南部北大西洋沿岸、北美北太平洋地区及亚洲北部西北太平洋沿岸是北半球切断低压的多发区[1-2]。国内学者将出现在我国东北地区具有持续性和准静止性特征的切断低压称为东北冷涡。东北冷涡是我国东北地区重要的天气系统，其活动可以造成东北地区的暴雨洪涝和低温冷害，其对东北地区天气和气候影响巨大[3-5]。20世纪90年代以来，东北冷涡活动受到学者的广泛关注[6-11]。

在夏季，东北冷涡活动可引发突发性的局地强对流天气[12-16]，冬季东北冷涡也可以带来暴雪等极端天气[17]。很多学者从天气学角度，对东北冷涡的时空分布、环流形势、天气特征、形成机制等进行了大量分析[3,18-19]。随着数值模式的发展，学者利用中尺度模式对冷涡背景下的天气过程进行了模拟，更细致地研究了冷涡强天气的结构特征和产生机制[20-24]。东北冷涡持续性活动可能会造成东北地区的阴雨洪涝和低温冷害，同时由于东北冷涡具有明显的“气候效应”，可能对其他地区的天气和气候也形成重要影响[7-8]。学者从气候学角度对东北冷涡与其他系统的相互作用及影响机制等进行了研究，常通过建立指数的方法，表征东北冷涡的强弱变化及预测信号[7,25-28]。

本文主要从东北冷涡气候相关研究的角度，回顾和总结了东北冷涡在定义与识别、气候特征、影响因子、气候效应等方面的研究进展，并通过对比和分析，讨论东北冷涡研究现状中存在的问题以及未来可能的研究方向和发展趋势，为东北冷涡天气气候研究和预测业务发展提供参考。

1 东北冷涡的定义与识别

东北冷涡的定义和识别是对其进行研究的基础。国外学者曾用等熵面上最大位势涡度或切断低压概念模型的物理参数来识别切断低压[2,29-30]。国内学者主要从天气气候特征角度对东北冷涡进行界定，不同学者对于定义中的参数有细微差别[3,31-33]，目前多数研究和业务中使用的是孙力等[3]和郑秀雅等[33]的定义，即在中国东北附近区域，500 hPa高度场至少存在一条闭合的等高线，同时有冷中心或冷槽配合，能够持续3 d以上的深厚气旋性涡旋。但也有研究指出，目前的定义可能不满足最新的研究需求[13]，例如对于不严格满足定义中条件但仍造成强天气的非典型系统是否能归结为东北冷涡等问题存在分歧。因此，对于东北冷涡的判定可能需要更精细的标准。

东北冷涡的识别方法可以分为主观方法、客观方法或主客观相结合的方法，大多以定义为基础。早期以人工主观分析和识别为主，随着技术的发展，很多学者开始利用计算机对东北冷涡进行客观识别。客观识别方法中识别高度为500 hPa，范围即东北区域，多数研究与定义基本一致。冷涡中心识别时，判断某点周围8个格点全部[10-11,34-35]或至少有6个格点[18,36]的高度值大于等于该点值，另外有学者对中心高度[34]或高度差[37]进行气候阈值限定，使识别结果更为准确。冷中心或冷槽识别依据是认为在高度低值中心周围一定范围内存在任意纬向温度二阶导数大于等于0[10,13,35]、数学上定义暖锋参数TFP判断[36]，或仅主观判断中心附近有温度低值区域。对于持续时间的判断，一般认为在规定区域，低值中心需连续存在3 d或3d以上[6,18,38]，但部分研究识别时认为持续时间为2 d或2 d以上[10,35-36]。另外一些识别过程中加入了其他条件，如判断冷涡中心位置的连续性和风场特征等[18,36]。

值得注意的是，由于东北冷涡定义差异导致客观筛选标准不同，或是研究所使用数据和计算方法等不同，会使客观识别结果有所差异。识别结果如何能够更真实地表征冷涡实际特征，识别方法的对比、规范和完善是东北冷涡识别的重点问题，有待于利用时空分辨率更高的资料与以往的识别结果开展对比分析等。

2 东北冷涡气候学特征

在东北冷涡的气候学特征方面，学者们根据不同数据和方法，分别从冷涡日数、年月际变化趋势、空间分布及环流特征等方面开展了大量的统计分析工作，虽然研究结果有所差异，但总体气候特征较为一致。

2.1 时间变化特征

日数方面，4—10月平均每次东北冷涡活动过程大约为3—6 d左右，个别过程可达10 d以上[3,11,18-19,39]，具有持续性和准静止性的特点[3]，研究表明其持续性活动与东亚大气准双周10—20 d振荡有密切关系[3-4]。

月际变化方面，东北冷涡在各季节均可出现，但多发于4—10月，其中以5—6月发生频次最多，月均可达15—20 d[3,11,18,39-40]，几乎占时段内总天数的50%以上。在东北冷涡活动多发期，月均日数有先增大后减小的趋势，谢作威和布和朝鲁[38]研究发现，夏季随东亚急流的减弱和北进，冷涡日数逐渐增加，6月6日前后达到峰值，入梅后冷涡频数有所减少，随着梅雨期结束，冷涡频数进一步降低。

年际变化方面，东北冷涡每年平均可出现20—80 d左右[3,11,19,25,39]，年均东北冷涡过程为5—15次不等[11,18-19,25]。很多研究表明,东北冷涡具有很明显的年际变率，夏季冷涡天数存在准2 a和6.2 a的振荡周期[10,18,38]，但其没有显著的长期变化趋势[10,18]。

年代际变化方面，有研究指出20世纪50年代至21世纪初，夏季东北冷涡发生频次和活动天数均存在显著增长趋势[11,38]。刘刚等[39]研究表明，20世纪70年代前期东北冷涡年发生频次和活动日数呈增长趋势，20世纪70年代至21世纪初发生频次逐步递减，21世纪后再次呈增多趋势。王迪等[41]也指出2000年前，冷涡活动总体偏强，之后总体减弱。

2.2 空间分布特征

刘刚等[11]根据5—8月的统计结果发现，东北冷涡经度活动集中位于121°—131°E，纬度活动集中位于48°—53°N。孙力等[4]研究发现存在两个东北冷涡发生的密集区，位于大兴安岭背风坡东北平原北部和三江平原，并指出其发生明显受下垫面差异的影响，与东北地区地形分布有关。

另外，东北冷涡空间分布与季节变化有密切联系，与东亚夏季风环流中副热带高压的北进、江淮梅雨期的结束几乎同时进行。冷涡活动密集带4月从45°N开始逐渐向南移动，6月时到达最南端，约为40°—43°N，此时对应冷涡活动的最强盛时期，之后又缓慢北移。进入盛夏后(7—8月)，随着东亚急流的减弱和北进，东北冷涡活动区域向北收缩，冷涡活动高频轴线会出现一次不连续北跳，移动至52°N附近，并在此维持到10月以后[3,18-19,42-43]。

2.3 结构特征

东北冷涡是中高纬度西风带中重要的天气系统，很多学者研究东北冷涡平均态的三维特征表明：东北冷涡是典型的深厚冷性涡旋系统[25,44]。高度场从1000 hPa至200 hPa都有闭合中心，在对流层体现为深厚的涡旋系统，高度中心从下至上向西北方向倾斜，斜压性特征明显。风场上看，中心南侧大于北侧，东侧大于西侧。另外，对流层中、高层为高位涡区域，高位涡中心向低层伸展侵入，在系统移动前方激发出上升运动。温度场从850 hPa至400 hPa出现低值闭合中心，体现为对流层中层对应冷槽或冷中心，呈现冷心结构；在对流层高层300 hPa至250 hPa及其上空，温度场逐渐变为暖脊或暖中心，位于高度中心东南侧。与同层位势高度相比，温度低值区处于高度低值区的西北部，相对滞后，并且冷涡冷心结构最初始于高层，随后逐渐向下伸展。水汽和能量条件方面，冷涡东侧、南侧低层有西南风低空急流和偏东气流提供水汽输送，有时气流汇合使地面有明显的湿舌自南向北伸展，冷涡东侧的暖湿气流通常伴随有高的不稳定能量。对于东北冷涡结构特征的分析和研究，多见于东北冷涡天气方面的研究[12-16]，这里不再赘述。

3 东北冷涡分类

早期学者根据冷涡发生位置的不同，将冷涡分为北涡、中涡和南涡3类[3,18,33]，统计发现东北冷涡主要以中涡和北涡的形式出现，南涡很少，并且平均来说中涡和北涡呈反相关分布。闫玉琴等[40]根据冷空气移动路径的不同将东北冷涡分为北方、西北方、西方、南方4种类型，其中以西北方和北方型占绝大多数，其他类型较少。北方型多发生在4—6月，西北方型多发生在6—9月，南方型和西方型多发生在7—8月。在东北冷涡环流型及形成原因等分类方面，谢作威和布和朝鲁[38,45]采用旋转主成分分析(REOF)方法，对东北冷涡峰值日的环流场进行了计算，将东北冷涡分为4种类型：叶尼塞河型、贝加尔湖型、乌拉尔—雅库斯克型和鄂霍次克海—北冰洋型，该分类侧重的是冷涡对应的不同环流型。Lian等[37]对东北冷涡不同类型的形成机制进行综述，将东北冷涡形成机理分为海陆、地形影响和大气热力作用影响两类。此外，Zhang等[43]对大小两个区域内的东北冷涡气候特征进行了对比分析。从研究进展来看，尚未有学者开展对东北冷涡活动路径分类的研究，对于不同路径下，东北冷涡气候学特征的对比分析工作尚未开展。

4 东北冷涡的影响因子

东北冷涡的形成、滞留和填塞对大气环流起到了重要的反馈作用[46]，同时大气环流等因素又会对东北冷涡的活动造成重要影响。东北冷涡的影响因子方面，学者从大气环流、海温以及陆面温度等方面开展了相关研究。

4.1 大气环流因子

孙力等[3,5]的研究指出，夏季东北冷涡持续性活动与大气环流异常的关系密切。在冷涡活跃年夏季，500 hPa存在以东北地区为中心的经向和纬向分布的正—负—正距平波列，而在冷涡少年存在相反的距平波列。冷涡持续性活动受东亚阻塞高压、西太平洋副热带高压、极涡和东亚大槽等大尺度环流系统异常的影响。其研究指出约有77%的东北冷涡与东亚阻高的发展变化有关，冷涡发生频数与贝加尔湖东部地区高度场为正相关关系。前汛期东北冷涡和东亚夏季风存在负相关关系，东北冷涡偏强时，东亚夏季风偏弱；反之则东亚夏季风偏强[26-29,47]。副热带高压偏南时，中涡出现的可能性较大，而副热带高压偏北时，生成北涡的机会增多[3,5]，说明东亚夏季风同样会对东北冷涡的活动造成影响。当前冬和前春东亚大槽偏强时，中高纬度环流多为径向环流，同时低纬和热带地区高度为明显正距平时，东亚地区夏季西太平洋副热带高压和鄂霍次克海阻塞高压强度偏强、位置偏南，贝湖阻高强度偏强、位置偏西，低涡不断与阻高伴随而生，使东北地区的冷涡强度加强[48]。在夏季，东北冷涡与鄂霍次克海阻塞高压之间互为生消，有较好的负相关关系；西太平洋副热带高压与鄂霍次克海阻塞高压之间有较好的负相关关系，是互相制约的；东北冷涡与西太平洋副热带高压之间虽然也有负相关关系，但显著性不是很好[42]。杨旭等[49]和刘刚等[11,39]揭示了东北冷涡与鄂霍次克海阻塞高压的密切关系。东北冷涡偏多年份，乌山阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压较为盛行，双阻活动有利于东北冷涡的维持和发展[50-51]。东北冷涡特少年份，贝湖阻塞高压多发，乌山阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压活动很弱，冷涡发生多滞后于阻塞高压。另外，Xie等[52]从季节内时间尺度上分析了东北冷涡与阻塞高压配合对气候影响的动力学特征及其与气候环流背景场的关系。

刘宗秀等[6]、何金海等[7-8]和苗春生等[26-27]分别发现，前期北太平洋涛动(NPO)、北半球环状模(NAM)的异常与东北冷涡的异常关系密切。其研究表明东北地区前汛期东北冷涡和前期2—3月NAM为显著负相关关系，前期NAM偏强时，前汛期的东北冷涡一般偏弱。廉毅等[9]分析了初夏东北冷涡活动与北半球环流的关系指出，初夏东北冷涡活动异常与上游乌山和下游日本附近持续性的环流异常有关。冷涡异常多年5—6月以正涡度位相为主，与北太平洋中西部超长波槽西退相对应。北太平洋—北美—大西洋地区的驻波型长波活动有利于Rossby波能量传播，同时有利于乌山附近异常环流的长时间维持。冷涡活动区的下游存在异常环流，对应减弱的局地西风气流，从而有利于波能量在冷涡活动区聚集。刘慧斌等[28]指出夏季部分低频欧亚型(EU型)遥相关波列是与东北冷涡有关的低频环流型，EU型与东亚/太平型(EAP型)遥相关波列在东亚地区交汇，东北冷涡低频系统的移向移速以及中国东部降水的位置与持续时间受波列之间相互作用的影响。段春锋[53]研究指出，在多个季节，东北冷涡日数与鄂海阻塞高压、极涡面积指数及强度、纬向环流指数、EAP指数、NAM、太平洋西部WP型指数均存在明显的相关关系。布和朝鲁和谢作威[54]总结了各类东北冷涡形成和维持的深层动力学原因，发现西太平洋遥相关型是东北冷涡活动的下游背景环流型，其负位相有利于冷涡的生成和维持。初夏5—6月冷涡活动与太平洋/北美型(PNA)也有较显著的负相关，在8月，与北大西洋涛动型(NAO)和北极涛动(AO)的负相关也较显著。

4.2 海陆热力因子影响

与海温的关系方面，苗春生等[26-27]和何金海等[7-8]指出前汛期东北冷涡强度与前期北太平洋海温及前期中国近海海温为显著的负相关关系。在夏季东北冷涡异常强年，前期对应拉尼娜的发展或成熟阶段，西北太平洋、中国南海、孟加拉湾、阿拉伯海及印度洋北部海温持续偏低，认为上述海区前期海温异常可能是导致东北冷涡异常的原因之一。段春锋[53]研究表明，在月际尺度和不同区域，东北冷涡日数与同期北极海冰、全球海温的相关关系存在明显差异。前期喀拉海和巴伦支海海区、格陵兰海区，欧亚大陆北部和西部附近海域、东西伯利亚海区海冰与东北冷涡日数显著相关的月份数多。Fang等[55]对初夏东北降水异常成因进行了诊断分析和数值模拟，指出北大西洋海温三极子和黑潮区海温的异常通过海气相互作用造成东北冷涡上游和下游阻塞高压等环流系统的异常，进而影响东北初夏冷涡降水，数值模式的敏感性试验能够较好地验证前期海温对初夏大气环流的影响。Lu等[56]对东北春季降水进行了分析，揭示了热带北大西洋海温和西北太平洋海温在年际变率上影响春季东北上空低值系统的物理机制。

此外，王迪等[41]和陈海山等[57]分别揭示了春季西亚地表热力因子与下游大气环流的关系及其对初夏东北冷涡活动及东北地区降水的影响。在年代际尺度上，春季西亚地区地表热力异常与东北冷涡活动存在密切联系。西亚地表异常偏冷，东北冷涡活动偏强；而西亚地表异常偏暖则对应偏弱的冷涡活动。西亚地区春季陆面异常增暖能引起初夏贝加尔湖附近地区呈异常高压环流，使初夏东北冷涡活动偏弱，进而造成初夏东北降水的减弱。

综上，东北冷涡与同期以及前期大气环流形势异常、海温等影响因子密切相关，众多研究成果已给出其中各因子的相关关系。但针对不同类别冷涡影响因素的研究相对较少，例如尚未开展对不同活动路径冷涡异常成因的研究。因此，可能需要建立量化的预测指标，有针对性地对东北冷涡的活动特征进行更准确的预测。

5 东北冷涡的气候效应

东北冷涡是东亚中高纬地区的重要天气系统，从时空特征上来看，东北冷涡属于天气尺度系统，但由于东北冷涡具有持续性和准静止性的特征，其活动具有显著的“气候效应”[8]。东北冷涡不仅会影响东北区域的天气和气候，同时也可能对东北以外地区如江淮、长江中下游等地的天气和气候造成重要影响，其异常活动是造成相应地区洪涝或干旱等灾害的重要原因[6,13,58]。

在东北冷涡对东北地区的气候影响方面，胡开喜等[10]指出，持续性冷涡控制下的东北地区，可造成春夏季局部降水偏多。沈柏竹等[59]的研究发现，东北地区初夏(5—6月)降水主要的影响因子为东北冷涡，并对东北夏季低温成因进行了分析，表明东北冷涡异常频繁活动是最直接的影响因子。李尚锋等[60]探讨了东北初夏极端低温事件的特征发现，低温事件发生时环流形势上东北冷涡和乌拉尔山阻塞高压的形势均较为明显。李辑等[61]从不同高度的大尺度大气环流配置角度证明了2012年初夏辽宁降水异常偏多的主要原因是东北冷涡活跃。Han等[62]从年代际差别的角度，揭示了东北冷涡年代际变化与东北夏季降水年代际变化的密切关系。刘刚等[63]定义的冷涡强度指数与东北地区初夏和仲夏的冷涡降水有密切联系，在指数偏强年份，初夏和仲夏分别对应乌山和鄂霍次克海阻塞高压偏强，副热带高压强度偏弱、北上偏晚，进而有利于东北地区的冷涡维持。Gao等[64]分析了2013年东北冷涡对东北夏季降水的影响，指出东北冷涡对2013年东北夏季降水异常偏多起主要作用。Liu等[65]揭示了东北冷涡持续活动与月降水的密切关系。Ding等[66]分析了2018年中国夏季气温异常偏高的原因，指出东北冷涡偏弱是原因之一。

许多研究还发现，东北冷涡对我国其他地区气候也有显著影响。何金海等[8]指出，东北冷涡活动具有明显的“气候效应”，不仅会造成影响时段东北地区气温偏低，同时也对东亚梅雨期降水存在重要影响。苗春生等[27]研究表明，前汛期东北冷涡的活动强度与华南降水对应有显著的正相关关系。王丽娟等[67]研究表明，东北冷涡东移南压时引导冷空气南下，副热带高压引导的暖湿气流北上，两者之间相互作用有利于梅雨锋的形成和维持，同时加强江淮地区低层的不稳定条件，使江淮梅雨期降水增强。李超等[68]认为，夏季东北冷涡强度与同期淮河流域降水存在显著的正相关关系。另外也有研究指出，前冬北半球环状模与春季中国东部北方地区极端低温事件存在显著负相关，当前者偏弱时，春季东北冷涡偏强，对应极端低温事件发生的频次偏多、强度偏强[69]。此外，气象学者结合东北冷涡与我国夏季降水的密切关系，也开展了夏季气候预测方法研发等的延伸研究[70-75]，并取得了丰硕的成果。从研究进展来看，尚未有研究从趋势、量级和极端气候方面，分析东北冷涡对各地气候影响的差别，对其之间的相互作用机制还有待进一步研究。

6 总结与展望

(1)东北冷涡客观识别对比分析方面：在东北冷涡的界定和识别方面目前已形成了较完善的标准和方法，学者在此基础上进行了各方向的研究。值得注意的是，不同学者对东北冷涡定义中系统的空间范围、持续时间等条件有细微差别，或者由于主观判别的不确定性以及客观识别方法的不同，导致识别出的结果有所差异。因此对于东北冷涡的定义和识别有待进一步的规范和完善，可利用时空分辨率更高的资料与以往的识别结果开展对比分析等工作。

(2)东北冷涡分类研究方面：从研究进展来看，多数是对东北冷涡作为整体开展相关研究，对于东北冷涡分类的研究相对较少，不能很好地满足日益增长的精细化气候服务需求。由于不同性质(如生成源地、移动方向、移动速率、移动距离等)的东北冷涡过程，其形成原因、变化特点、影响因素及对东北不同区域的气候影响可能存在较大的差别。因此，可采用聚类分析等客观方法对东北冷涡进行有针对性的分类研究，并开展不同类别(不同生成源地或活动路径等)东北冷涡气候学特征、异常成因诊断、预测及其对东北气候影响等的研究，为气候预测提供更精细化的科学依据。

(3)东北冷涡预测方面：以往针对东北冷涡影响因子及气候效应方面的研究取得了很大的进展，研究表明大气环流、海温以及陆面温度等因子的异常与东北冷涡活动存在密切关系，但关于东北冷涡与阻塞高压、副热带高压、极涡等影响系统的协同作用及相互作用的物理机制还有待深入研究。今后从趋势、量级和极端性等方面，分析不同类别东北冷涡对各地气候影响的差别，针对东北冷涡气候效应的机理有必要开展进一步研究。未来研究中，如何科学地建立客观量化的指标来很好地表征不同类别的东北冷涡活动，从而有针对性地对各类东北冷涡的活动进行更精确的预测，亦是一个重要的科学问题。目前各类气候模式不断发展，利用诊断与数值预报相结合的方法，基于气候模式对东北冷涡的活动进行预测和研究可能是今后需要开展的工作内容之一[65]。此外，人工智能方法在气候预测领域应用较广，基于深度学习等方法来识别并预测东北冷涡过程也是未来有必要开展的工作之一。