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中国东北冷涡环流的不同类型及天气影响

ZUOWEI XIE

国际气候与环境科学中心，研究所大气物理，中国科学院，北京，中国

CHOLAW BUEH

国际气候与环境科学中心和激光研究所大气物理，中国科学院，北京，中国

投稿日期2014年6月13日，发表于2014年10月27日

摘要

深层的冷涡环流常发生在中国东北地区。被誉为中国东北冷涡（NCCV），这种现象是最活跃的五月至六月中旬，并导致温度急剧下降。这篇文章用---来把东北冷涡分为四个类型，分类的区别是区域脊（或块）：贝加尔湖（BKL），叶尼塞河流域（YNS），乌拉尔山脉（UR）和雅库茨克鄂霍茨克区（YO）。

在动力学上的时间尺度上，结果发现，当从北大西洋和欧洲传播到东亚的波列高度异常时BKL和YNS东北冷涡可以更好的形成。相反，YO和UR型东北冷涡的形成与东北亚地区的经向偶极子模式的发展有关。对于长期（超过5天）的四种东北冷涡，鄂海的阻塞型环流的存在有利于维持东北冷涡。东北亚的典型的循环在长期东北冷涡与碎波密切相关，而短暂的（3–5天）事件只显示波的传播。

该YNS型NCCV不仅引起了中国东北寒冷的气温（SAT），而且还在中国的中部和南部，而其他三种只会导致东北地区的冷SAT异常。所有四种类型的东北冷涡都造成了东北地区降水增加，而且UR和YO的影响比BKL和YNS的明显。

引言

切断低压（CL）是一个重要的中尺度天气系统，其在1940年就引起了研究人员的关注。切断低压在对流层中上层是一个封闭的气旋环流，被西风带完全分离(Palmeacute;n 1949;

Palmeacute;n and Nagler 1949)。有冷气流来源，它的特点在于有一个冷中心，因此，一个低空对流层顶，也被称为冷涡(Hsieh 1949)。Hoskins et al. (1985)提出了一个定义封闭空间的切断低压在同一个等熵表面，从区域来看，切断低压不仅仅是造成低温，并且有可能造成大量降水(Tao 1980; Nieto et al. 2007)。CL在平流层-对流层化学物质交换中扮演着重要角色，如臭氧和碳氢化合物(Bamber et al. 1984; Liu et al. 2013).

Nieto et al. (2005)表述了在北半球的三种明显的切断低压的主要发生地区：南欧和大西洋东部，东北太平洋，和中国东北-西伯利亚地区。从气候学上讲，这三种切断低压主要出现在围绕大型绕极流的大槽，这是和其他地区的切断低压的区别。中国东北冷涡（NCCV）盛行于5月-8月(Sun et al. 1994).因为它发生的最大振幅在5月到6月中旬,这一时期被认为是NCCV的活跃时期(Xie and Bueh 2012).东北冷涡能带来持续的较冷天气，甚至在东北冷涡年减少当地作物的生产量。(Zheng et al.1992).

东北冷涡可能会造成极端天气现象，已经有很多关于其环流特征的研究。东北冷涡与东亚急流密切相关(EAJ; Bell and Bosart1989).具体来说，持续性的东北冷涡倾向于发生在东亚急流强烈分裂的时期。阻塞环流的特征是分裂急流(Rex 1950),他认为它可能在维持东北冷涡方面有重要作用。Zheng et al. (1992)认为东北冷涡的形成与贝加尔湖的脊和雅库茨克的脊有关系，Sun et al. (1994)进一步指出，77%的东北冷涡与东北亚的阻塞性环流有关。特别是，在东北冷涡年，分别通过巴尔喀什湖到贝加尔湖，中国东北和鄂海地区观察发现，在对流层中心有有一个“加–减–加”分布，Wang and Lupo (2009)提出在初夏鄂海的脊通过罗斯贝波使东北冷涡环流得到增强。此外，Wanget al. (2011)注意到鄂海的脊和在青藏高原的罗斯贝波有利于东北冷涡环流的增强。Lian et al. (2010) 发现乌拉尔山的持续阻塞型循环也对东北冷涡的维持有利。Wuet al. (2009)提出鄂霍次克海的阻塞通过初夏罗斯贝波传播引起东北冷涡的加剧。此外, Wang et al. (2011)提出鄂海的维持与罗斯贝波的激发有利于青藏高原加热东北冷涡。Lian et al. (2010)发现乌拉尔山的阻塞环流的维持也有利于东北冷涡的维持。Wuet al. (2009)调查了2008年5月的东北冷涡的持续性，他们得出结论，乌拉尔山和贝加尔湖间的一个持久的脊导致东北冷涡复发。另一个nccvs东北冷涡极端时间发生在2009年6月，这期间东北冷涡循环反复出现27天在一个月内。Ren et al. (2010) and Zhao et al. (2010)研究这个案例，表明在乌拉尔山和鄂霍次克海的双阻塞环流是东北冷涡活跃的主要因素。至于下游环流背景， Xie and Bueh(2012) 认为，从5月到8月，西太平洋月遥相关系数（Barnston and Livezey 1987）处于负位相（以下简称WP2）是一个有利于东北冷涡的背景。虽然这些研究都是基于月平均环流，但是他们表明，东北冷涡环流的形成与不同类型的脊或阻塞型环流密切相关。因此，根据不同类型的脊或阻塞型环流的关系分类东北冷涡事件是很有必要的。

正如前面提到的，东北冷涡对降水分布和气温的影响很大。因为东北冷涡的多种多样的配置，这些与预期是不同的。由于东北冷涡环流的影响，研究者们正在关注东北冷涡影响降水的位置。Sun et al. (1995)发现，降水趋于集中在东北冷涡的东南方，这里东北冷涡的南风或西南风异常会引起丰富的水汽和强烈的上升运动。Sun et al. (2002)也发现暴雨区一般在东北冷涡中心的东部。通过调查一个典型的2007年7月的东北冷涡， Wang et al. (2012)发现东北冷涡的东北部也是大降雨区。通过比较三例1998夏天的东北冷涡环流和他们的降雨模式，Zhaoand Sun (2007）认为降水模式与随着多种类型的东北冷涡阻塞的变化相关。至于不同种的东北冷涡对温度的影响的原因也不同，造成不同类型东北冷涡的天气的影响还没有被详细的记载和广泛的研究。

一些研究试图根据它们的位置将东北冷涡分成若干组。例如，Sun et al. (1994)根据东北冷涡的地理位置将其分为三组。然而，由于一个东北冷涡位置与东亚急流密切相关，东亚急流的季节变化对东北冷涡的地理分布影响很大。而zhang（2008）研究东北冷涡对中国东北地区中尺度对流系统的影响，他用冷涡的方向将东北冷涡分为经向型和纬向型。此外zhang（2011）根据冷涡的寿命将东北冷涡分为持续性和暂时性，他指出，一个东北冷涡如果持续倾斜，并且在其右有一个槽，那么冷空气将有利于涡的形成，另一方面，位于上游侧的脊对其发展是不利的。 然而，sun等（1994）注意到一个鄂海的封闭型东北冷涡的持续时间比正常的东北冷涡平均时间（4天）多2天。尽管如此，东北冷涡的特征和演化的一个完整的过程不在上述各种分类方案中提到。 特别是，短寿命和长寿命的东北冷涡之间的本质差异需要更深入的了解和描述。

在本研究中，我们用旋转经验正交函数（REOF）将东北冷涡分为4组，对冷涡活跃期（5月1日-6月15日）进行分析。如图所示，这种分类不仅捕捉到不同类型的东北冷涡的鲜明的特点，并且说明了随着脊或阻塞型环流的不同时他们的密切关系。 在下面的章节中，我们描述了数据和分类的方法。第3节研究了不同泪洗过的东北冷涡的特征。在第4节中，我们提出了对季节内时间尺度的东北冷涡的不同类型的生命周期。 根据他们的生命周期，探讨了短期和长期的东北冷涡的区别，并对阻塞活动的关联进行了讨论。在第5节中，天气的影响导致了不同类型的东北冷涡。在最后一节中提供了一个总结和讨论。

图1 图示的方法在500hPa上用于检测/识别（a）涡（b）冷槽（c）冷中心在网格（i，j）

a和c中的圈表示封闭的轮廓，b中的曲线代表冷槽

2、资料与方法

在这项研究中所使用的日常观测数据是40年的NCAR-NCEP再分析项目（kalnay等人。1996），包括高度，水平风，空气温度。这些数据是水平分辨率为2.58*3*2.58的网格和的垂直压力水平为17的。我们采用了一套高质量的网格的日降水量和由中国气象局存档的SAT数据，它是从2400站的观测值(Zhao et al. 2014)。数据空间分辨率0.58*3*0.58，日期从1961年至今。分析周期是1965-2011年东北冷涡的活动活跃期。低通滤波器的截止时间是8天应用描述大规模异常的季节内演变。（1994年中村）

东北冷涡的定义是以下三条，其发生区域在35°-55°N，115°-140°E：首先，在500hPa位势高度场上有可识别的最小中心（或冷中心），具体地说，一个网格点（i，j）被视为一个最小中心，如果其日均气压（Zi,j）低于周围其他八格，如图1A；其次，如果冷槽或冷中心围绕着相同压力水平的最小中心。 确定一个冷槽的方法是图1A中的低压中心的周围的九个点如果delta;²T_ij/delta;x²gt;0（T表示500 hPa的气温）。例如，图b1中一个网格点（i，j）有个冷槽。一个冷中心定义很简单如果T的9个点都是正的。例如，如图1c，冷中心位于网格点（i，j），因为在该图的拉普拉斯温度为正；第三，如果最小中心伴随冷槽或冷中心持续至少三天。读者可以参考Hu etal. (2010) and Xie and Bueh (2012)的文章找寻更多细节。我们的研究期间共确定了113件东北冷涡事件。东北冷涡的振幅通常由其中心相对于气候的季节性周期（31天）高度异常来判别。

一个东北冷涡高峰日被定为东北冷涡振幅达到最大的一天。使用Schwierz等（2004）的修改阻塞指数日线阻塞事件对东北冷涡进行了鉴定，取决于150-500hPa的平均PV异常。该指数认为阻断事件作为大型准三维图案与寿命超过5天。垂直平均PV异常（mAPV）是用来识别一个阻塞高压最相关的物理特征：对流层下的消极PV数值。异常是指相对于每个高度的纬向平均PV，来确保选定的特征不在对流层，而在平流层。我们发现每一个封闭的mAPV异常都超过-1.0PV单元，（PVU;1PVU=10^-6Kkg^-1m²s^-1）从40°到75°N横穿北半球并绘制它的边框，丢掉小于15times;15的边框。如果在15times;15的矩形中重叠5天那么可以确定有一个阻塞中心，这种方法不仅可以辨别阻塞而且可以辨别高度脊。该指数是在夏天急流时更有效的只局限于对流层上层的辨别阻塞事件方法。

我们用学生的实验（wilks 1995）来评估线性回归系数和500hPa的复合异常的统计意义。由于降水是不正态分布， bootstrap方法（wilks 1995）--一种非参数检验，被用来评估综合降水异常的统计意义。

3、对东北冷涡的分类

1. 分类

考虑到东北冷涡和欧亚环流之间的密切关系，我们采用REOF来分析东北冷涡的主要模式。REOF分析采用的数据是103个500hPa高峰日异常的东北冷涡，纬度余弦的平方根的面积加权是异常事件。传统的EOF分析，基于日常Z500异常的协方差矩阵。由于物理模式不一定是正交的 (Horel 1981; Simmons et al. 1983),我们旋转EOF模式，以避免在解释所获得的EOF空间格局的困难。然而，当数被旋转经验正交函数增加，REOF主导模式失去结构成为本地化(Hannachi et al. 2006)。为了获得适宜的空间模式，我们使用Kaiser行规范化和最大方差法标准(Kaiser 1958)旋转不同数目的主EOFs。共有10个领先的EOF，约占总方差的78.7％，我们认为是适当的轮换。获得REOF模式被命令根据相应的旋转主成分的方差(rpc)。

图2 东北冷涡的高峰日与之前4个欧亚大陆的RPC的东北冷涡500hPa图：（a）REOF1（b）REOF2（c）REOF3（d）REOF4,等高线间隔为10.阴影表示该地区是95%置信水平，东北地区多边形置顶的区域并且每一个面的最低点在20°N，90°E

图2显示了在东北冷涡500hPa异常事件的回归对四个领先的归一化的RPC高峰日。正如预期的那样，领先的四种模式显示四种截然不同的配置。第一种模式的特点是在乌拉尔山脉有一个明显的正异常中心，和贝加尔湖和大西洋/西欧的相反的中心。（图2a）同样，REOF2模式相对于REOF1模式“减-加-减”高度异常要偏东一点，在叶尼塞河流域具有明显的正异常中心（图2b），与这两个主导模式形成鲜明对比的是，第三REOF显示了在东北亚地区明显的正异常中心，和一个在乌拉尔山脉的一个正中心（图2c）。在这个模式中，两个相对的正负中心分别位于贝加尔湖和西北太平洋日本东。在REOF4的特殊模式中，高度异常分布在北大西洋到贝加尔湖，而首要的正异常在贝加尔湖。剩下的REOF6模式在某种程度上，与之前四个REOF模式相似。例如，与reof5，reof8，和reof9模式类似的reof1模式，虽然相比REOF1他们表现出新的次生异常中心在最上游侧或波列状高度异常的最下游侧（图中未显示），我们强调的四个REOF不仅代表差异最大的四个，但也显示局部特征。基于这样的事实，邻近的脊或阻塞在特定的位置将直接影响东北冷涡活动，在第1节讨论的，我们将东北冷涡分为reof1，reof2，reof3，

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