东北冷涡背景下三类区域性强对流天气过程时空分布和环境特征对比分析*

曹艳察 郑永光 孙继松 华 珊 盛 杰

1 引 言

东北冷涡一般是指发生在中国东北地区附近具有持续和准静止特征的高空涡旋系统，属于切断低压，是东亚中、高纬度地区重要的天气系统（孙力，1997；王婉昭等，2017），也是造成中国春、夏季强对流天气的重要天气尺度系统之一（张立祥等，2009；郑永光等，2021）。在暖季，东北冷涡通常会给东北地区、华北、黄淮、江淮等地造成持续性暴雨、对流性大风、冰雹、龙卷等强对流天气（陶诗言，1980；白人海等，1997；张立祥等，2009），这些天气过程多次造成重大灾害，如2017 年7 月13—14 日吉林永吉持续性强降水引发的山洪灾害事件（于佳含等，2019）、2019 年7 月3 日辽宁开原EF4 级龙卷事件（郑永光等，2020；袁潮等，2021）、2021 年4 月30 日江苏南通47.9 m/s、45.4 m/s 极端大风事件（吴海英等，2023）等。

针对冷涡背景下的强对流天气时空分布已开展了相关研究，王宗敏等（2015）指出冷涡产生的强对流天气具有局地性和不对称性，统计数据表明强天气通常多发生在冷涡的东南象限和西南象限（郑媛媛等，2014；郑永光等，2021），并且在东北冷涡的形成、发展、维持以及消退期均可能伴有短时强降水、雷暴大风、冰雹、龙卷等强对流天气（刘英等，2012），但由于不同阶段冷涡结构特征和环境条件配置不同，其产生的强对流天气类型和特点也会存在差异（应爽等，2014；齐铎等，2020）。孙力等（1995）研究表明，东北冷涡暴雨一般出现在冷涡的发展阶段；白人海等（1997）则进一步统计分析发现，对流天气多发生在冷涡发展和维持阶段，该阶段温压场不对称、大气斜压性强。

可见，东北冷涡不同阶段、不同部位诱发的强对流天气过程及其环境特征的统计分析研究可为业务预报提供重要的物理基础和参考依据。虽然一些研究给出了冷涡背景下强对流天气的分布特征和环境条件（Zhang，et al，2008；郑永光等，2021；才奎志等，2022），但针对东北冷涡背景下区域性强对流天气过程仍以个例研究为主（王秀明等，2013；张桂莲等，2018；齐铎等，2020），缺乏定量化的统计研究，因此，文中针对东北冷涡背景下雷暴大风型、强降水型和混合型三类强对流过程的环流形势、环境条件及其与冷涡本身的结构演变特征的关系进行统计和对比研究，以期为提升业务预报能力提供参考。

2 资料说明

利用2017—2021 年4—9 月的欧洲中期天气预报中心第5 代大气再分析资料（ERA5）（表1）识别东北冷涡天气系统和进行东北冷涡背景下三类强对流天气过程的环流形势及环境条件对比分析。

表1 所用资料信息Table 1 Information of datasets

所用实况为中国国家气象信息中心提供的国家级气象站和自动气象站地面观测的逐时降水、大风数据以及由国家雷电监测定位网监测的地闪数据反演的逐时站点雷暴数据（表1）。

根据东北冷涡的影响范围，将研究区域设定在（30°—55°N，110°—136°E），实况具体信息详见表1。在此基础上，利用逐时降水数据，筛选出≥20 mm/h的短时强降水数据集；利用逐时大风和雷暴数据，建立了≥8 级雷暴大风数据集，在判定是否为雷暴大风时，若某个站的某一个小时时次同时有雷暴和≥8 级大风发生时，则判定其为雷暴大风。文中所用时间为北京时。

3 东北冷涡判识

3.1 东北冷涡判识标准

参考孙力等（1994）和郑秀雅等（1992）对东北冷涡的定义，满足以下条件的天气系统判识为东北冷涡：①500 hPa 等压面间隔4 dagpm 的等位势高度线必须有闭合低值中心，且该中心出现在（35°—60°N，115°—145°E）范围内；②该低压有冷中心或者明显冷槽配合；③该低压系统最短持续时间为72 h。

3.2 东北冷涡识别方法

通过客观识别和人工核查相结合的方式，统计并记录2017—2021 年4—9 月东北冷涡的相关信息，包括冷涡影响时间、中心位置以及中心高度值等。最终共统计出94 个东北冷涡。

进一步根据刘英等（2012）总结的冷涡不同阶段温、压场的结构特征，根据500 hPa 位势高度场、温度场的结构配置和变化情况，将东北冷涡过程划分为形成、发展、成熟和减弱4 个阶段，其中，形成阶段为500 hPa 位势高度场开始出现闭合中心并后部有温度槽配合的时期；发展阶段为500 hPa 位势高度和冷中心均存在明显负距平的时期；成熟阶段为冷涡结构趋于正压，即500 hPa 位势高度中心和冷槽中心接近重合，500 hPa 位势高度和冷中心距平不明显的时期；减弱阶段则为500 hPa 位势高度和冷槽中心出现明显正距平，冷涡逐渐填塞减弱的时期。

4 东北冷涡背景下三类区域性强对流过程特点

4.1 三类区域性强对流过程筛选

基于雷暴大风和短时强降水实况数据，参照郑永光等（2021）定义的冷涡影响范围包含冷涡闭合环流系统主体和与冷涡相伴随的低槽影响区域，以此为依据筛选东北冷涡背景下雷暴大风型、强降水型以及混合型三类强对流天气过程。

根据中央气象台强对流天气预警标准，定义区域性雷暴大风过程为3 个及以上省（区、市）部分地区出现≥8 级、并有10 站·次及以上出现≥10 级雷暴大风天气的过程；区域性短时强降水过程为3 个及以上省（区、市）部分地区出现降水强度≥20 mm/h、并有10 站·次及以上降水强度≥50 mm/h 短时强降水天气的过程；为突出不同类型强对流过程的差异，进一步定义雷暴大风型过程为发生区域性雷暴大风但未观测到区域性短时强降水的过程，强降水型过程为发生区域性短时强降水但未观测到区域性雷暴大风的过程，混合型过程为既发生区域性雷暴大风同时又伴有区域性短时强降水的过程。

基于上述定义，共筛选出东北冷涡背景下雷暴大风型过程18 例、强降水型过程9 例、混合型过程8 例。为保证不同类型强对流过程样本数量的基本一致，进一步对雷暴大风型过程造成≥10 级雷暴大风的站次数进行统计，并由多到少排序，取其中的前9 例，和其他两类过程一起，用于统计分析东北冷涡背景下三类强对流过程，其中，9 例雷暴大风型过程共包含8—9 级和≥10 级雷暴大风总站次数分别为11833 和1156 个，9 例强降水型过程共包含20—49.9 mm/h 和≥50 mm/h 短时强降水总站次数分别为14297 和915 个，8 例混合型过程共包含8—9 级和≥10 级雷暴大风总站次数分别为5561和517 个、20—49.9 mm/h 和≥50 mm/h 短时强降水总站次数分别为8928 和739 个。

表2 给出了最终筛选出的三类强对流过程的具体信息。从发生时间来看，雷暴大风型过程主要集中在5—6 月，而强降水型和混合型过程则主要出现在7—8 月，这与中国季风气候背景下的水汽条件的季节性变化存在对应关系：5—6 月，副热带高压（以下简称副高）脊线一般位于22°N 以南，夏季风输送的充沛水汽主要影响中国长江以南地区，北方地区通常整层偏干，因此，当有东北冷涡活动时，多以弱降水雷暴大风过程为主（郑永光等，2007；Zheng，et al，2007；盛杰等，2020）；进入7—8 月，伴随着副高的北抬，低空急流北移，北方地区具备良好的水汽条件，华北、东北地区相继进入雨季，因此，东北冷涡背景下常会出现强降水型或混合型过程。

表2 三类强对流天气过程Table 2 List of three types of severe convective weather processes

4.2 三类强对流过程与东北冷涡的时空关系

为研究东北冷涡与三类强对流过程的时空关系，将整个研究区域划分为0.5°×0.5°的网格，通过使用邻近插值法将过程期间逐时的雷暴大风和短时强降水站点观测数据转换为网格数据；结合判识得到的东北冷涡中心位置信息，计算雷暴大风和短时强降水相对冷涡中心位置的分布情况，最终以500 hPa 高度场上冷涡位势高度最低值所在点为合成中心，向东、南、西、北各20 个经纬度，将各时次进行动态合成（孙力等，1995；沈新勇等，2020），从而获得东北冷涡影响下三类强对流天气过程中雷暴大风和短时强降水相对于冷涡中心位置的累计发生站次数空间分布。结果（图1）表明，雷暴大风型过程的大风多发生在东北冷涡的西南到南部象限，而混合型过程的大风则主要发生在东北冷涡的南部至东南象限，强降水型和混合型过程的降水均多发生在东北冷涡的东南象限，只是前者降水位置会相对冷涡中心更偏东、偏南。从具体位置范围来看，雷暴大风型过程的大风多分布于冷涡中心偏南5—16 个纬距、偏西0—8 个经距范围内，混合型的大风则主要位于冷涡中心偏南5—16 个纬距、偏东0—5 个经距范围内；强降水型过程的降水大多分布在冷涡中心偏南5—15 个纬距，偏东0—10 个经距范围内，混合型的降水则主要位于冷涡中心偏南2—12 个纬距、偏东0—6 个经距范围内。

图1 （a） 雷暴大风型过程地面阵风风力≥8 级雷暴大风、（b） 强降水型过程≥20 mm/h 短时强降水、（c） 混合型过程地面阵风风力≥8 级雷暴大风、（d） 混合型过程≥20 mm/h 短时强降水站点相对冷涡中心各个方位累计发生站次数 （色阶） 的合成分布 （以冷涡中心为坐标原点，向东、西、南、北各20 个经纬度范围）Fig. 1 Synthetic station distributions for cumulative frequencies （shaded） of （a） thunderstorm wind gust processes with wind gust≥Grade 8， （b） heavy precipitation processes with precipitation intensity ≥20 mm/h， （c） hybrid type processes with wind gust≥Grade 8， （d） hybrid type processes with precipitation intensity ≥20 mm/h relative to the center of cold vortex （horizontal and vertical coordinate axes represent 20 longitudes and latitudes from the vortex center to the east，west，north and south respectively with the center of cold vortex as the coordinate point）

在此基础上，进一步计算了三类强对流过程相对于冷涡中心不同方位、不同量级的雷暴大风、短时强降水的累计发生站次的百分比分布。具体方法如下：以冷涡中心为坐标原点，参照“风向十六方位图”平均划分16 个方位角，计算相对冷涡中心每个方位角内不同量级雷暴大风、短时强降水的累计发生站次与总站次的比值，绘制各方位角百分比分布（图2）。该图更加清晰的给出了相对于冷涡中心不同方位上出现的雷暴大风和短时强降水的占比情况。其中，雷暴大风型过程，超过70%的大风出现冷涡中心南部到西南部，而混合型过程，超过70%的大风则出现在冷涡中心的南部到东南部，但两类过程类似的是阵风风力≥10 级的极端雷暴大风都分别有超过30%或40%集中发生在冷涡中心南部地区；强降水型和混合型过程中短时强降水相对冷涡中心位置分布基本一致，超过75%出现在冷涡中心南部到东南部，只是强降水型过程不同量级短时强降水在冷涡东南象限发生比例相对更高一些。

图2 雷暴大风型过程 （a）、混合型过程 （c） 不同量级雷暴大风 （8—9 级、≥10 级），以及强降水型过程 （b）、混合型过程（d）不同量级短时强降水 （20—49.9 mm/h、≥50 mm/h） 相对冷涡中心各个方位累计发生频次百分比的合成分布 （同心圆等值线代表间隔10%的百分比值，色阶表示各方位角上累计发生站次数所占的百分比分布）Fig. 2 Synthetic distribution of cumulative frequency percentages （shaded） for different magnitudes thunderstorm wind gusts （Grade 8—9，≥Grade 10） of thunderstorm wind gust processes （a），hybrid type processes （c） and different magnitudes heavy precipitation （20—49.9 mm/h，≥50 mm/h） of heavy precipitation processes （b），hybrid type processes （d） relative to the center of cold vortex （concentric contours represent the percentage ratio of 10% interval，and shaded areas represent the percentage distribution of cumulative occurrence frequency at each azimuth）

东北冷涡在其形成、发展、维持以及消退期均可能伴有雷暴大风、短时强降水、冰雹甚至龙卷等强对流天气。根据前文所述的东北冷涡不同阶段划分标准，分别统计三类强对流过程与冷涡的时间对应关系，结果表明，雷暴大风型过程，阵风风力8—9 级（≥10 级）的雷暴大风有51.14%（39.27%）发生在冷涡发展阶段，有38.4%（51.04%）发生在冷涡成熟阶段；强降水型过程，降水强度20—49.9 mm/h（≥50 mm/h）的短时强降水有51.79%（53.44%）发生在冷涡发展阶段，有46.9%（45.36%）发生在冷涡成熟阶段；混合型过程，不同量级雷暴大风和短时强降水均有超过85%的比例发生在冷涡成熟阶段；因此可见，无论是雷暴大风型或是混合型过程，≥10 级的极端雷暴大风均主要集中在冷涡成熟阶段，但强降水型过程，降水强度≥50 mm/h的极端短时强降水则更多地出现在冷涡发展阶段。

5 环流形势及环境条件对比

5.1 环流形势对比

如前类似，将三类强对流天气过程对应的东北冷涡系统按照形成、发展、成熟和减弱4 个阶段，以冷涡中心为原点对500 hPa 位势高度、气温、850 hPa与500 hPa 温差、850 hPa 假相当位温、下沉对流有效位能（DCAPE）等要素进行动态合成，对比分析三类强天气过程环流配置和垂直结构的差异和特点。

图3 给出了9 例雷暴大风型过程合成的500 hPa环流形势及850 hPa 和500 hPa 温度差配置。该类型过程环流形势的特点主要归纳如下：（1）相对于强降水型过程，东北冷涡系统更深厚、冷中心温度更低，尤其是在冷涡发展阶段，闭合等高线最小值达544 dagpm，冷中心平均气温低于-20℃，500 hPa等高线相对密集；（2）雷暴大风主要发生在冷涡发展和成熟阶段的后部或底部等高线密集区内，多与中层急流相伴随；其中冷涡发展阶段，由于温度槽落后于高度槽，系统呈现较强的斜压结构，中空冷平流带来层结不稳定，因此，雷暴大风出现在距离冷涡中心相对较近的位置，至冷涡成熟阶段，温度中心和高度中心趋于重合，涡旋中心附近呈现近似正压特征，雷暴大风多出现在相对冷涡中心较远的后部或底部的中层冷平流区域内；（3）环境场上，雷暴大风基本发生在576 dagpm 等高线以内或其附近且850 hPa 和500 hPa 温度差≥28℃的区域中，强的高、低层温差往往是系统垂直方向的前倾导致的。因此，对于这类干环境下的强雷暴大风过程，东北冷涡后部或底部的500 hPa 等高线密集带和850 hPa 与500 hPa 气温差≥28℃的叠加区域，可作为预报雷暴大风落区的重要参考。

图3 雷暴大风型过程对应的东北冷涡不同发展阶段动态合成的环流形势配置 （a—d 分别对应东北冷涡形成、发展、成熟、减弱四个阶段；黑色实线为500 hPa 等高线，单位：dagpm；红色虚线为500 hPa 等温线，单位：℃；灰阶为850 hPa 和500 hPa 温度差，单位：℃；蓝色圆点表示雷暴大风实况位置；b、c 中的黑色虚线表示图6a、b 的经向剖面位置；坐标原点为冷涡中心）Fig. 3 Circulation patterns of thunderstorm wind gust processes by dynamic synthesis at different stages of the Northeast China cold vortex （a—d，corresponding to formation，development，mature and weakening stages，respectively；black solid lines represent 500 hPa geopotential height，unit：dagpm；red dotted lines represent 500 hPa temperature，unit：℃；gray shaded areas represent temperature difference between 850 hPa and 500 hPa；blue dots represent the observation location of thunderstorm wind gust；the black dotted lines in Fig. b and c represents the section position of Fig. 6a and b，respectively； the origin of coordinates is the center of cold vortex）

图4 给出了9 例强降水型过程合成的500 hPa环流形势及850 hPa 假相当位温配置。与雷暴大风型过程相比，该类型对应的东北冷涡等高线相对稀疏，中心闭合线数值更高（最强发展阶段为564 dagpm），冷中心温度偏高（为-12—-10℃）；短时强降水多出现在冷涡底部或前部的东南象限中。与雷暴大风型过程相同的是，强对流天气在冷涡发展阶段的出现位置会比冷涡成熟阶段距离冷涡中心更近，分布更加集中，但对应的环境条件显示，短时强降水主要出现在冷涡发展和成熟阶段所对应的576—588 dgpam、850 hPa 假相当位温≥336 K 的区域内，可见该类过程一定程度上受到西太平洋副热带高压系统的影响，副高西北侧低空急流作用下有利于暖湿气流的输送，高温、高湿的环境条件利于产生强降水天气。因此，冷涡底部或前部叠加850 hPa假相当位温≥336 K 的区域可作为短时强降水落区的重点参考。

图4 强降水型过程对应的东北冷涡不同发展阶段动态合成的环流形势配置 （a—d 分别对应东北冷涡形成、发展、成熟、减弱四个阶段；黑色实线为500 hPa 等高线，单位：dagpm；红色虚线为500 hPa 等温线，单位：℃；色阶为850 hPa 假相当位温，单位：K；绿色圆点表示短时强降水实况位置；b、c 中的黑色虚线表示图6c、d 的经向剖面位置；坐标原点为冷涡中心）Fig. 4 Circulation pattern of heavy precipitation processes by dynamic synthesis at different stages of the Northeast China cold vortex （a—d，corresponding to formation，development，mature and weakening stages，respectively；black solid lines represent 500 hPa geopotential height，unit：dagpm；red dotted lines represent 500 hPa temperature，unit：℃；shaded areas represent potential pseudo-equivalent temperature at 850 hPa，unit：K；green dots represent observation locations of short-term heavy precipitation；the black dotted lines in Fig. b and c represent the section position of Fig. 6c and d，respectively；the origin of coordinates is the center of cold vortex）

图5 给出了8 例混合型过程合成的500 hPa 环流形势及下沉对流有效位能（DCAPE）的配置。从500 hPa 冷涡中心强度和等温线密集程度来看，混合型过程与强降水型过程更加接近，只是该类型过程中强对流天气更多地倾向于出现在冷涡底部的高能区域中。

图5 混合型过程对应的东北冷涡不同发展阶段动态合成的环流形势配置 （a—d 分别对应东北冷涡形成、发展、成熟、减弱四个阶段；黑色实线为500 hPa 等高线，单位：dagpm；红色虚线为500 hPa 等温线，单位：℃；色阶为DCAPE，单位：J/kg；绿色圆点和蓝色圆点分别表示短时强降水、雷暴大风实况位置，坐标原点为冷涡中心）Fig. 5 Circulation pattern of hybrid type processes by dynamic synthesis at different stages of Northeast China cold vortex（a—d，corresponding to formation，development，mature and weakening stages，respectively；black solid lines represent 500 hPa geopotential height，unit：dagpm；red dotted lines represent 500 hPa temperature，unit：℃；shaded areas represent DCAPE unit：J/kg；green dots and blue dots represent the observation locations of short-term heavy precipitation and thunderstorm wind gust，respectively；the origin of coordinates is the center of cold vortex）

为进一步对比雷暴大风型和强降水型过程造成的两类强对流天气环境特点的差异，从经过东北冷涡中心和两类主要对流天气区的经向垂直剖面（图6）可以看到：（1）在两类强对流过程的合成结果中，虽然冷涡中心附近均表现为最大的水汽辐合中心，但是在冷涡的发展和成熟阶段，冷涡中心的斜压强迫较弱，呈现出对流中性的层结特征，冷涡北侧大气斜压性则更弱，表现为对流稳定层结且整层大气偏干的特征，而冷涡南侧则表现出较强的斜压性和低层暖湿的特征，因此，两类强天气均主要出现在冷涡南侧；（2）对比两类强天气主要发生区域对应的冷涡垂直结构特征表明，雷暴大风一般发生在锋区附近，对应等假相当位温线的密集区内，低层850 hPa 以下存在较强的水汽辐合，但中、高层则表现为有明显的来自其北侧的干冷空气，呈现出相对锋区南侧明显偏低的比湿和假相当位温。这些特征表明，对流层中高层的干冷空气叠加在低层较为浅薄的暖湿空气之上，有利于锋区内层结不稳定的加强；与此同时，中层干冷空气影响下，对流系统下沉气流导致的蒸发降温叠加锋区辐合和强温度梯度更有利于对流系统的组织化，从而形成区域性的地面强风；而短时强降水则大多发生在锋前靠近暖区一侧的强层结不稳定区，对应低层环境更加暖湿，整层大气的水汽含量更高，且与图4 结合来看，冷涡南侧锋前暖区同时受到副热带高压边缘的低空西南暖湿气流影响，存在有利的水汽辐合条件，为强降水提供了充分的水汽供应。

图6 合成的雷暴大风型 （a、b），强降水型 （c、d） 过程穿过东北冷涡中心的经向垂直剖面 （a、c 对应冷涡发展阶段，b、d 对应冷涡成熟阶段；红色等值线：假相当位温，单位：K；黑色等值线：等比湿线，单位：g/kg；色阶：水汽通量散度，单位：10-5 s-1；粉色粗线对应雷暴大风或短时强降水的主要区域，坐标原点为冷涡中心）Fig. 6 Vertical cross sections of thunderstorm wind gust processes （a，b） and heavy precipitation processes （c，d） by dynamic synthesis along the center of the cold vortex （a and c correspond to the development stage，b and d correspond to the mature stage of Northeast China cold vortex；red lines represent potential pseudo-equivalent temperature，unit：K；black lines represent specific humidity，unit：g/kg；shaded areas represent water vapor flux divergence，unit：10-5 s-1；thick pink lines correspond to major areas of thunderstorm wind gust or short-term heavy precipitation；the origin of coordinates is the center of cold vortex）

5.2 环境条件对比

基于筛选的三类强对流过程实况数据和ERA5再分析资料，对比分析三类过程在水汽、热力和风垂直切变等方面的环境条件的差异。由于实况资料集均为逐时分辨率的离散站点资料，ERA5 再分析资料为逐时的0.25°×0.25°格点资料，因此，利用时空匹配方法，通过双线性插值，得到各个站的物理量值，进一步选取三类过程中强天气发生时刻前一小时的物理量值开展统计对比分析。

整层水汽条件统计结果（图7a）表明，三类强对流过程对应的大气可降水量（PWAT）差异明显，混合型介于雷暴大风型和强降水型之间。相对于雷暴大风型过程，强降水型发生环境显著偏湿，PWAT 中位数达62 mm，约75%的短时强降水出现在PWAT 大于50 mm 的环境中，这与Tian 等（2015）统计得到的中国中东部地区短时强降水的结果基本一致；而雷暴大风型过程发生环境则明显偏干，PWAT 中值约为25 mm，主要区间为11—35 mm，与郑永光等（2021）研究得出的冷涡背景下风雹天气对应的PWAT 主要在15—35 mm 的结论基本一致，比方翀等（2017）统计的华北地区雷暴大风对应的PWAT数值略小一些，而在Tian 等（2015）的研究中，28 mm的整层可降水量已被认为是中国中东部发生短时强降水天气的下限。此外，雷暴大风型过程中，约95%以上的大风出现在PWAT 小于50 mm 的环境中，而强降水型过程中，75%的短时强降水则出现在PWAT 大于50 mm 的环境中。因此，50 mm 大致可以用来区分东北冷涡背景下干环境下雷暴大风型过程和湿环境下强降水型过程的整层水汽含量阈值，这与郑淋淋等（2013）在区分黄淮、江淮流域干、湿环境下两类强对流过程的整层可降水量阈值一致。而对于混合型过程而言，尽管雷暴大风对应的各个百分位上PWAT 数值都要比短时强降水小一些，但总体上，混合型过程的PWAT 更接近于强降水型过程，中值基本在50 mm 左右。低层相对湿度和中层相对湿度统计结果也表现出类似的特点，即强降水型过程出现在水汽更加丰富的情况下，95%的短时强降水出现在低层相对湿度超过70%的条件下；而雷暴大风型过程中，75%的雷暴大风则出现在低层相对湿度低于70%的环境中。因此，70%的低层相对湿度可作为区分两类强对流过程的阈值，而对于中层相对湿度，区分两类过程的阈值约为75%。混合型过程对应的中、低层相对湿度介于上述两类过程之间，但其雷暴大风天气相对于短时强降水均表现为更干的环境，可见，无论是中层或是低层，干区的存在是有利于雷暴大风出现的环境条件之一。

图7 2017—2021 年4—9 月东北冷涡背景下三类区域性强对流过程对应的环境参数箱线图 （a. 整层可降水量，b. 低层相对湿度 （RHl），c. 中层相对湿度 （RHm），d. 850 hPa 与500 hPa 温度差 （∆T850－500），e. 下沉对流有效位能，f. 0—6 km 风垂直切变；最上端和最下端的星号分别表示最大值和最小值，短横线分别表示第95 和第5 百分位数值，箱体表示有50%的事件发生在这一范围内，箱子从上至下的三条横线分别表示第75、第50 和第25 百分位）Fig. 7 Box-and-whisker plots of （a） PWAT，（b） relative humidity in low levels （RHl），（c） relative humidity in middle levels （RHm），（d） temperature difference between 850 hPa and 500 hPa （∆T850—500），（e） DCAPE，（f） 0—6 km vertical wind shear for three types of severe convective weather processes associted with Northeast China cold vortiex from April to September of 2017—2021 （the asterisks at the top and bottom represent the maximum and minimum values respectively；the upper and lower horizontal bars represent the 95th and the 5th percentiles of the environmental parameters distribution，while the three horizontal lines of the boxes indicate the 75th，50th and 25th percentiles，respectively）

三类强对流过程对应的热力不稳定条件也存在明显差异。其中，850 hPa 与500 hPa 温度差是一个能够很好区分雷暴大风型和强降水型过程的热力环境特征参数，雷暴大风型过程中，超过95%的大风出现在850 hPa 和500 hPa 温度差高于25℃的环境中，而对于强降水型过程而言，则是75%的短时强降水出现在850 hPa 和500 hPa 温度差低于25℃的环境中，可见，大的中、低层气温垂直递减率是发生雷暴大风型过程的重要层结特征。本研究统计得出的雷暴大风型过程对应的850 hPa 与500 hPa温度差中位数为30℃，与樊李苗等（2013）统计的中国雷雨大风型过程对应的数值（30.5℃）相当。混合型过程对应的高、低层温差介于雷暴大风型和强降水型过程之间，但混合型过程中的雷暴大风要比短时强降水对应的高、低层温差大。下沉对流有效位能（DCAPE）表征未饱和空气中降水粒子因蒸发冷却作用下沉到地面时获得的动能，从而能够定量表征下沉气流可能达到的强度。因此，一般情况下，雷暴大风都对应较大的DCAPE。图7e 结果表明，雷暴大风型过程对应的DCAPE 中位数值（751 J/kg）要高于强降水型过程（526 J/kg），该数值比盛杰等（2020）给出的华北强雷暴大风型和强降水型线状对流系统对应的DCAPE 中值要偏低一些，可能与研究选择的地区不同有关。费海燕等（2016）统计表明，东北地区强雷暴大风对应的DCAPE 中值要明显小于华北地区，但雷暴大风需要更大的DCAPE值的结论和盛杰等（2020）的研究结论一致。此外，与其他物理量不同的是，混合型过程的雷暴大风天气对应的DCAPE 并非介于雷暴大风型和强降水型过程之间，而是三类过程中最大的，这可能是由于DCAPE 是综合了温度和湿度的物理量，其也与地形高度有关，而雷暴大风型过程一般发生在冷涡后部整层偏干的环境中，且多出现在内蒙古、山西高原一带。因此，该类雷暴大风的产生与中、低层大气温垂直递减率有利于下沉气流加强和动量下传有关，而混合型过程对应较暖湿的边界层、较干的对流层中层环境（图7b、c），因此该类过程中的雷暴大风多对应大的下沉对流有效位能。

风垂直切变是影响对流性风暴组织性和结构特征的重要因素，中等到强的风垂直切变有利于对流风暴的发展和增强。图7f 给出了0—6 km 风垂直切变的分布情况，结果表明，雷暴大风型过程对应的中值是22.4 m/s，达到了樊李苗等（2013）定义的强风垂直切变的等级（≥20 m/s），明显高于强降水型过程对应的中值（13.7 m/s）。因此，雷暴大风一般是由组织化更高的对流系统造成，而短时强降水相对而言并不需要太强的风垂直切变条件，这一结论与樊李苗等（2013）研究中得到的短时强降水风垂直切变以弱切变（≤15 m/s）为主，雷暴大风需要强风垂直切变（≥20 m/s）的结论一致。然而，混合型过程对应的0—6 km 风垂直切变则基本与强降水型一致，可能与部分湿下击暴流也可以出现在弱垂直切变和强条件不稳定条件下有关。

总体而言，东北冷涡背景下的三类强对流过程出现在不同环境条件下，雷暴大风型过程大气环境偏干，中、低层需要有干层存在，气温垂直递减率大，下沉对流有效位能更大，需要较强的深层风垂直切变；而强降水型过程则出现在水汽充沛、整层暖湿的环境中，中、低层温差相对较小，0—6 km 风垂直切变较弱，混合型过程在水汽、高低层温差以及风垂直切变条件上基本介于上述两类过程之间，只是下沉对流有效位能在三类过程中表现为最大。

与以往研究对比，东北冷涡背景下的强对流天气过程对应的环境条件存在一定特点，主要表现在深层风垂直切变条件上，文中雷暴大风型和强降水型过程对应的0—6 km 风垂直切变中值分别是22.4 和13.7 m/s，要比田付友等（2022）研究的中国中、低海拔地区两类强天气对应的中值（雷暴大风对应12.6 m/s，短时强降水对应8.7 m/s）要大得多，可见东北冷涡作为天气尺度系统，为强对流天气发生提供了强的动力强迫条件。

6 结论和讨论

本研究基于ERA5 再分析资料和雷暴大风、短时强降水观测实况，筛选出2017—2021 年4—9 月东北冷涡背景下雷暴大风型、强降水型、混合型三类过程。通过动态合成分析，揭示了三类强对流过程与东北冷涡的时空关系，并对比分析了三类过程对应的环流形势和环境条件差异，主要结论如下：

（1）三类强对流过程相对于冷涡的空间分布差异明显。雷暴大风型过程，超过70%的大风出现在冷涡中心的西南部或南部，而混合型过程，超过70%大风则出现在冷涡中心的南部或东南部，但两类过程类似的是阵风风力≥10 级的极端雷暴大风分别有超过30%或40%集中发生在冷涡中心南部地区；强降水型和混合型过程中短时强降水相对冷涡中心位置分布基本一致，超过75%短时强降水出现在冷涡中心南部或东南部，但前者短时强降水发生在冷涡东南象限的比例相对更高。

（2）雷暴大风型和强降水型过程主要对应于东北冷涡的发展和成熟阶段，而混合型过程主要发生在东北冷涡的成熟阶段。极端雷暴大风（≥10 级）主要集中在冷涡成熟阶段，而≥50 mm/h 的极端短时强降水则更多出现在冷涡发展阶段。

（3）雷暴大风型过程集中出现在5—6 月，对应的东北冷涡更深厚，等温线更密集，中、低层需要有干层存在，气温垂直递减率大，下沉对流有效位能大，需要较强的深层风垂直切变，雷暴大风发生在锋区附近，对流层中层强烈发展的干冷平流和低层浅薄暖湿平流共同作用造成层结不稳定的增强，对流蒸发降温叠加锋区斜压不稳定发展更有利于形成区域性地面强风；而强降水型过程主要出现在7—8 月，对应的东北冷涡强度较弱，等温线较稀疏，强降水出现在锋前靠近暖区一侧的强层结不稳定区，对应水汽充沛、整层暖湿的环境，中、低层温差相对较小，0—6 km 风垂直切变较弱。混合型过程的发生月份和500 hPa 冷涡强度与强降水型过程更加接近，在水汽、高低层温差以及风垂直切变条件上基本介于上述两类过程之间，但下沉对流有效位能在三类过程中表现为最大。

（4）相较于以往中国中、低海拔地区雷暴大风和短时强降水的环境，东北冷涡背景下的两类强对流天气对应更强的深层风垂直切变，具有更强的天气尺度动力强迫。

相对于以往强对流个例分析，本研究对东北冷涡背景下区域性雷暴大风型、强降水型、混合型三类强对流过程的时空分布和环境条件差异开展了定量统计研究，特别是给出了三类过程与东北冷涡时空关系及环流形势等合成分析结果，是在已有研究中尚未见到的。此外，需要说明的是，对于三类强天气过程的环流形势和环境条件对比分析，除文中选取的前9 例雷暴大风型过程外，还针对筛选出的全部18 例雷暴大风型过程进行了统计分析，得出的结论和前9 例的统计结果基本一致，因此，这些结果完全能够表征东北冷涡背景下的三类强对流天气过程的环流形势和环境特点。