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关于2010年中国一次春季东北冷涡演变过程的研究

摘要:

基于国家环境预报中心网格分辨率为1° x 1°的最终分析数据，对2010年春季一次典型的东北冷涡过程进行了准拉格朗日模式涡度通量环流预报方程检验。结果显示，气旋生成发展、维持、衰亡的机制在不同层次和阶段是不一样的。气旋的移动以及环境流场的传输作用控制着低涡中高层的变化，而气旋位移及与之相联系的散度则控制着东北冷涡中低层的演变。而且，东北冷涡与其他次天气尺度系统之间的相互作用对于气旋的发展也至关重要，背景流场的形势也对低涡发展有重要影响，因为当气旋从低涡度场移动到高涡度场时，它将会加强。

关键词：中国东北冷涡 准拉格朗日模式涡度通量环流预报方程

1、引言：

形成于中国东北主要出现在36-60°N, l 15-145°E区域，且在对流层中层有冷中心与之相配合的切断低压(Hsieh, 1949; Price and Vaughan, 1992; Bell and Keyer, 1993; Trigo et al., 1999; Nieto et al., 2005)，被中国气象学家定义为中国东北冷涡(Zheng et al., 1992)。 从时间上来看，东北冷涡可以出现于一年四季，并且在夏季影响最大(Sun et al., 1994; Zhao and Sun, 2007)；从空间上看，东北冷涡可以影响中国东北地区，朝鲜半岛，俄罗斯东部，甚至日本，造成强对流性降水以及低温冷害(He et al., 2006; Zhao and Sun, 2007; Zhang and Li, 2009)。

因为东北冷涡是东亚地区重要的天气系统之一，目前对其的研究已经有很多，其中包括东北冷涡的气候学及统计学特征(Liu et al., 2002; He et al., 2006)；东北冷涡形成与维持的有利背景环境条件(Liu et al., 2002; He et al., 2006)；与东北冷涡相联系的灾害性天气(Qiao et al., 2007; Zhao and Sun, 2007; Zhang et al., 2008)；以及东北冷涡与其他天气系统之间的联系等(Liu et al., 2002; He et al., 2006)。

虽然众所周知背景环境场及其他次天气尺度系统对于东北冷涡的演变至关重要(He et al., 2006; Qiao et al., 2007; Zhao and Sun, 2007)，但对于其影响的具体形式及机制仍很模糊。因此，本次研究的目的是从通量的角度揭示东北冷涡与环境场及次天气尺度系统的相互作用，从而有助于理解东北冷涡的形成与演变过程。本篇论文所用的主要诊断方式是涡度通量平衡方程(Davis and Galarneau, 2009)，这种诊断方式非常适用于研究气旋的演变及其与其他系统的相互作用。

2、数据和方法

2.1 数据

本文利用国家环境预测中心的最后分析资料进行计算与分析，数据水平网格分辨率为1°x 1°，时间间隔为6小时。从中国气象局获取的传统降水观测资料也被用于该研究。

2.2 涡度通量预报方程

由Davis和Galarneau推导出的欧拉格式预报方程可以被改写成准拉格朗日模式如下：

上式中左边一项是系统环流的准拉格朗日变量，Mh是系统的水平运动速度，

代表水平风场（u为纬向风，v为经向风）

为系统边界的环流，eta;为绝对涡度，delta;为系统区域平均散度，A为

目标系统的面积，omega;为P坐标系下的垂直速度，n为系统边界的单位向量，k为垂直方向的单位向量，P为气压。RES中包含摩擦以及其他次网格过程，并且它们不能被直接计算出来。用overbars来定义系统边界的平均值，用primes来表示扰动量。根据方程（1）中的定义，背景流场可以揭示背景环流的作用，涡度流场可以表示出其他次天气尺度系统的影响。

3、天气分析

2010春季东北冷涡很活跃，本文选取了2010年5月17~20日造成多次强降水的东北冷涡个例进行研究。图一中展示了本次过程的演变过程、中心位置(KAs)以及气旋的垂直伸展高度，他们决定于与气旋相联系的降水量(Fig. 1 )，位势高度场，流场，以及绝对涡度(Fig. 2)。

在初始阶段，中国东部有一个短波槽东移(Fig. la)，同时500hPa上有一个落后的温度槽（图中未展示），200hPa上40°N附近有一高空急流。5月18日00时，500hPa上有一个中心气压5480位势十米的东北冷涡形成（图中未显示），并且配合有一个较强的低空急流（图 1a）。500hPa有由温度槽切断而成的冷中心，中心温度为-20°C（图中未显示）。东北冷涡形成以后，300hPa以上为温度脊，350hPa以下为温度槽（图 3a）。与低压相联系的冷暖平流都很强烈，由此可见系统的斜压性是很强的。上升运动很强烈，并且主要位于低压中心的东部，与降水区相一致（图 1a）。此外，水汽由西南风自渤海和黄海输送而来，低压东部有一个较强的水汽辐合中心，有利于降水的形成（图中未展示）。

在发展阶段，短波槽东移并且明显加强，5月19日00时低压中心强度达11700位势十米（图 1e），也表明低压有较强的垂直伸展（表1）。低空急流明显加强，为低压降水提供有利的水汽条件（图1b和1e）。东北冷涡不断东移扩大，且伴随很强的正涡度（图2c~g）。温度平流随着气旋中北风和南风的加强而加强（图 3b~f）。上升运动也很强烈，并且上升区域相对于低压向东移动（图3b~f），这表明对流区主要位于东北冷涡的东部（图1）。降水强度起初很大，后逐渐减小，这是与低压中水汽输送的变化想联系的，23mm的6小时最大降水量也出现于低压整个生命史中的发展阶段（图1b）。水汽主要由西南风输送而来，水汽来源有渤海、黄海以及日本海。

图1 位势高度场（实线 单位：位势十米） 200hPa高空急流（虚线 单位ms-1）700hPa低空急流（阴影 单位ms-1） 以及3小时降水量（数字 单位mm）矩形虚线框为东北冷涡中心区域。（a）5月18日00时，（b）5月18日12时，（c）5月19日00时，（d）5月19日12时。

在低压的消亡阶段，短波槽继续东移但明显减弱（图 1d），与此同时，高低空急流也都减弱。东北冷涡中心收缩，正涡度迅速减弱（图 2h~j）。低涡内的温度平流、上升运动以及偏北和偏南风也逐渐减弱（图3g和3h）。水汽由西南风从黄海和日本海输送而来，水汽输送和水汽辐合明显减弱,故而6小时降水量也相应减少至小于8mm（图中未显示）。

4、结果

4.1 EFC方法和低涡中心结构的概述

东北冷涡生命史中的EFC是利用方程（1）在950hPa上计算而来的（950hPa位于地势之上并且包含低压中心），而后计算低压的平均中心位置。根据图4b和4c可知，忽略了残余项之后，除了在850和400hPa上有一些差异，方程的平衡性是很好的，因此EFC 的计算结果可以被用于更深层次的研究。在东北冷涡的整个生命史中，中心平均涡度始终为正，最大涡度位于300hPa上（图4a），表明东北冷涡主要位于对流层上部（图3）。在生成和发展阶段，辐合运动主要位于对流层中下层，而在消亡阶段辐合运动明显减弱且主要集中在对流层下层。生成和发展阶段在400hPa上有较强的辐散，而在消亡阶段辐散运动下移至对流层低层且明显减弱。

4.2 东北冷涡不同发展阶段的涡度通量环流

在东北冷涡形成之前，300hPa上有一个正涡度中心，200hPa有一个强辐散中心，同时600hPa上也有一个明显的辐合中心（图4a）。背景流场对涡度的输送

控制着EFC（图4f）。对流层中部的伸展项也有利于东北冷涡的形成，因为该处有辐合运动（图4a和4e）。倾侧项有利于250hPa上气旋环流的加强，因为这种配置有利于产生垂直风切变以及垂直运动（图中未展示）。东北冷涡形成以后，

运动流场控制着EFC（表1），同时伸展项和倾侧项也有利于气旋的发展。

表1

图2 500hPa流场和涡度场（阴影 单位：10-5 s-1）(a)5月17日18时; (b) 5月18日00时; (c) 5月18日06时;(d) 5月18日12时; (e)5月18日18时; (f) 5月19日00时; (g) 5月19日06时; (h) 5月19日12时；(i) 5月19日18时; (j)5月20日00时

图3 东北冷涡的纬向横截面，阴影区域为水平温度平流（单位：10-5 Ks-1），黑实线和虚线为南风风速（单位：m s-1），红色虚线为等温线（单位°C），箭头表示纬向风以及垂直速度（单位：x200m/s），底部的灰色部分表示地形，蓝色粗点线代表冷涡中心区域，(a) 5月18日00时; (b) 5月18日06时;(c) 5月18日12时; (d)5月18日18时; (e) 5月19日00时; (f) 5月19日06时; (g) 5月19日12时；(h) 5月19日18时;

图4 平均中心涡度、散度以及EFC计算结果的横截面，其中图a描述了平均涡度（阴影 单位：10-5 s-1）以及散度（实线 单位：10-6 s-1），（b）不考虑RES的EFC计算方程中rhs项的影响，（c）平均拉格朗日变量，（d）运动流场，（e）垂直伸展，（f）背景流场，（g）涡度场，（h）倾侧项，（i）RES。（b）~(i)中的实线为零线，EFC中所有平均量的单位为10-9 s-2。

在发展阶段，东北冷涡伸展至900hPa（表1），运动流场和背景流场在发展阶段的初始期决定着对流层中上层的变化（图4d和4f）。与此同时，垂直和运动流场控制着气旋的向下伸展（图4d和4e）。因此位移对于气旋的发展至关重要。

如 所示，当Mh和 的夹角小于90°时，或者说当低涡从涡度较小的区域移动至涡度较大的区域，运动流场项起促进作用，也就是说此时位移有利于气旋环流的加强，而当低涡从涡度大的区域移至涡度小的区域则位移不利于气旋的发展。此外，对流层上部和下部的涡度场也利于低涡发展（图4g），并且倾侧项有利于低涡在对流层上部的发展（图4h）。

在发展阶段的后期，将正涡度向中心区域输送的主要是背景流场的西南风（图中未展示），运动流场决定着低涡在对流层上部的发展（图4f），同时与强辐合运动（图4a）相联系的伸展项也有利于东北冷涡向下伸展（图4e）。值得注意的是5月18日06时700hPa上有一个伸展项极大值中心（图4e），对应一个强辐合中心（图4a）。该辐合中心是迅速形成的（6小时前这里还是一个辐散中心）。但是这个辐合中心是如何在短时间内形成的呢？在5月18日00时，低涡中心附近有一个伴有弱辐合上升运动的槽（图中未展示），并且在低涡东部有一个辐合作用较强的中尺度涡旋和上升运动。6小时后，随着东北冷涡逐渐东移，槽逐渐移入低涡，辐合上升运动明显加强（图3b和4a）。然而上升运动的加强也促进了高层的辐散作用，导致200hPa上辐散运动加强（图4a），这抑制了低涡在高层的发展。此外，倾侧项促进了对流层上部低涡的发展（图4h），涡度输送在各个层面上都有利于低涡的发展（图4g）。

综上所述，很明显东北冷涡在不同层次上的发展机制不同。背景流场的位移输送、其它次天气尺度扰动以及倾侧项作用都可以促进低涡在对流层中上层的发展，槽与中尺度涡旋合并形成的强辐合作用、位移、涡度输送有利于低涡中低层的发展。运动流场将上层与中层相联系，伸展项将中层与低层联系到一起。

在消亡阶段，对流层中下层的辐合区辐合运动明显减弱，只有750hPa以下才有（图4a）。与此同时对流层中上部的辐散运动也明显减弱，在300hPa上出现了弱的辐合区（图4a）。低涡在不同层次的消亡过程有所不同：背景流场主要控制着东北冷涡对流层中上层部分的消亡（图4t），而与辐散相联系的运动流场（图4d）和伸展项（图4e）则控制着中低层的消亡过程。在对流层中上层，运动流场（图4d）和伸展项（图4e）与辐合运动相联系（图4a），它们抑制了低涡的减弱，在对流层中下层背景流场、倾侧项和涡度场也抑制东北冷涡的消亡过程。

5、结论总结

在本次研究中，利用2010年5月17至20日一次造成强降水的东北冷涡个例分析了东北冷涡的发展过程以及它与背景环境流场和其它次天气尺度系统之间的相互作用。

东北冷涡与中国东部的一个短波槽密切相关（图1），且与强高空急流和低空急流相联系。高空急流使温度平流加强，这有利于斜压性的增强（这对于东北冷涡的发展至关重要）；低空急流主要作用是输送水汽。强对流活动主要出现在低涡的东部或北部（图1），水汽来源主要是渤海、黄海和日本海。

东北冷涡在对流层中部中心区域有一个冷中心，因此被称为“冷涡”，但在对流层上部维持着一个有暖中心的温度脊。东北冷涡是一种有着强温度平流和垂直尺度的斜压系统（表1）。

东北冷涡自上而下发展，在对流层中上层最为强烈。除了表2中说明的主要因素外，应当注意到东北冷涡与其它次天气尺度系统的相互作用对其发展也十分重要，同时东北冷涡的位移将其中上部和中下部联系成为一个整体。

鸣谢：该研究由中国国家自然科学基金会以及中国国家重点基础研究项目支持。

参考文献

Bell, GD., and D. Keyser, 1993: Shear and curvature vorticity and potential-vo

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