范子琪 朱科鋒 薛 明,3

1.南京大學(xué)中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/大氣科學(xué)學(xué)院，南京，210023

2.南京氣象科技創(chuàng)新研究院/中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京，210041

3.美國(guó)強(qiáng)風(fēng)暴分析預(yù)報(bào)中心/俄克拉何馬大學(xué)氣象學(xué)院，諾曼，73072

1 引言

東北冷渦是中國(guó)東北地區(qū)特有的天氣系統(tǒng)，一般持續(xù)不少于3 d，是一種深厚的天氣尺度冷性渦旋（孫力等，1994；劉英等，2012）。其移動(dòng)緩慢，具有較強(qiáng)的準(zhǔn)靜止性（孫力，1997），是造成中國(guó)東北地區(qū)急劇降溫、突發(fā)性短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)甚至龍卷等災(zāi)害天氣的主要系統(tǒng)（Zhao，et al，2007；Zhang，et al，2008；Hu，et al，2010；才奎志等，2022）。已有統(tǒng)計(jì)研究表明：中國(guó)東北地區(qū)50%以上的雷暴大風(fēng)天氣由東北冷渦引發(fā)（楊磊等，2023）；53%的暖季降雹是由東北冷渦過(guò)程直接導(dǎo)致的（Zhang，et al，2008）。

東北冷渦一年四季均可發(fā)生，但其發(fā)生頻率具有明顯季節(jié)特征，夏季發(fā)生頻率更高，秋末和初冬發(fā)生較少（鄭秀雅等，1992；閆玉琴等，1995；何金海等，2006）。孫力等（1994）對(duì)1956—1990 年?yáng)|北冷渦時(shí)、空分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，35 a 中4—10 月中國(guó)東北地區(qū)37%的時(shí)間受東北冷渦控制，特別是夏季（6—8 月），可達(dá)42%。東北冷渦持續(xù)時(shí)間也具有一定的季節(jié)周期，多數(shù)東北冷渦的持續(xù)時(shí)間小于一周，但夏季和冬季發(fā)生的東北冷渦持續(xù)時(shí)間往往更長(zhǎng)（Hu，et al，2010）。空間分布上，東北冷渦主要分布在東北平原和三江平原（孫力等，1994；王蕾等，2020），其活動(dòng)區(qū)域在夏季存在明顯月振蕩，5 月東北冷渦活動(dòng)區(qū)域偏北，主要集中在45°N 以北地區(qū)；6 月東北冷渦最南可擴(kuò)展到40°N 以南；7—8月，隨著東亞高空急流的減弱和北退，東北冷渦的活動(dòng)區(qū)域逐月向北收縮（謝作威等，2012）。

東北冷渦發(fā)展階段產(chǎn)生的短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害天氣最多（孫力等，1995；何晗等，2015），以往研究主要關(guān)注冷渦發(fā)展階段災(zāi)害天氣的機(jī)理與預(yù)報(bào)。研究（吳迪等，2010a；遲靜等，2021）發(fā)現(xiàn)，低空急流與東北冷渦伴隨的干侵入對(duì)冷渦各類(lèi)災(zāi)害天氣的產(chǎn)生起到關(guān)鍵作用。低空急流作為水汽輸送帶，持續(xù)不斷向冷渦系統(tǒng)輸送低層暖濕空氣，為強(qiáng)對(duì)流等提供充足的水汽。同時(shí)，低空急流輸送的暖濕空氣與冷渦西北側(cè)干侵入伴隨的中高層干冷空氣垂直疊加，增強(qiáng)了局地不穩(wěn)定度（吳迪等，2010b），配合局地抬升（Xia，et al，2019）、地形重力波（Su，et al，2017）、冷池陣風(fēng)鋒（Abulikemu，et al，2019）等，極易在冷渦發(fā)展階段造成災(zāi)害天氣。

然而，除東北冷渦發(fā)展階段外，冷渦消亡階段也常伴隨產(chǎn)生各類(lèi)災(zāi)害天氣。陳相甫等（2021）對(duì)2011—2020 年夏季東北冷渦短時(shí)強(qiáng)降水的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，有超過(guò)25%的冷渦短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在冷渦消亡階段。對(duì)東北冷渦消亡階段特征認(rèn)識(shí)不夠深入，是導(dǎo)致日常天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中常出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象的重要原因（張?jiān)频龋?008；應(yīng)爽等，2014）。

冷渦的消亡方式主要分為2 種：非絕熱消亡和再吸收消亡。前者為冷渦內(nèi)部降水潛熱釋放等非絕熱過(guò)程導(dǎo)致的系統(tǒng)消亡（Gouget，et al，2000；Portmann，et al，2018）。具體過(guò)程為：中層非絕熱加熱在垂直方向產(chǎn)生“上負(fù)下正”非絕熱位渦擾動(dòng)對(duì)，其中正位渦擾動(dòng)一般產(chǎn)生在對(duì)流層中、低層，負(fù)位渦擾動(dòng)位于對(duì)流層高層；負(fù)位渦擾動(dòng)在對(duì)流層高層侵蝕冷渦對(duì)應(yīng)的高位渦區(qū)，導(dǎo)致系統(tǒng)消亡（Uccellini，1990）。再吸收消亡主要是在平流作用下，冷渦被平流層高位渦源吸收，即其并入高位渦源而導(dǎo)致的消亡（Hoskins，et al，1985）。此處冷渦消亡方式分類(lèi)的依據(jù)是冷渦消亡中起主導(dǎo)作用的方式，實(shí)際上2 種消亡方式可能同時(shí)存在，只是另一種消亡方式作用相對(duì)較小。Portmann 等（2021）首次根據(jù)2 種消亡方式對(duì)1979—2018 年全球冷渦進(jìn)行區(qū)分，指出再吸收消亡與非絕熱消亡的比例約為1:1；再吸收消亡冷渦強(qiáng)度明顯大于非絕熱消亡冷渦，且再吸收消亡冷渦位置相對(duì)非絕熱消亡冷渦明顯偏北。該工作初步建立了全球冷渦消亡方式與冷渦強(qiáng)度、位置等特征的聯(lián)系。如前所述，消亡階段是東北冷渦發(fā)展演變過(guò)程的重要組成部分，但目前關(guān)于東北冷渦消亡階段及消亡方式的統(tǒng)計(jì)分析較少，加強(qiáng)該方面的研究，將有利于提升對(duì)東北冷渦消亡階段特征、降水分布等的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提高對(duì)東北冷渦背景下的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。

考慮到東北冷渦在夏季發(fā)生頻率最高，且包括冰雹在內(nèi)的冷渦背景下強(qiáng)對(duì)流天氣在春末、秋初也相對(duì)多發(fā)（張仙等，2013），本研究以2009—2018 年4—9 月東北冷渦為研究對(duì)象，針對(duì)東北冷渦消亡階段特征及冷渦消亡方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，旨在揭示不同消亡方式東北冷渦強(qiáng)度、位置、持續(xù)時(shí)間等的差異，并探究該差異的主導(dǎo)環(huán)境因素，為東北冷渦消亡階段的預(yù)報(bào)提供理論支撐。

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 數(shù) 據(jù)

東北冷渦的主觀識(shí)別和結(jié)構(gòu)、演變特征統(tǒng)計(jì)分析采用ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)（Berrisford，et al，2011）。該數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為6 h、水平分辨率為0.75° × 0.75°，已被廣泛用于中國(guó)區(qū)域氣候環(huán)境特征分析（Song，et al，2015；Liu，et al，2018；Xu，et al，2021）、數(shù)值預(yù)報(bào)模式環(huán)境場(chǎng)評(píng)估等研究（Chen，et al，2017；Cai，et al，2021）。

東北冷渦過(guò)程的降水分布研究選用中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的地面站點(diǎn)與CMORPH衛(wèi)星（Joyce，et al，2004）二源融合的格點(diǎn)降水產(chǎn)品（Shen，et al，2014）。該產(chǎn)品的空間分辨率為0.1° ×0.1°，時(shí)間分辨率為逐小時(shí)，覆蓋（15°—60°N，70°—140°E）區(qū)域。相比于未融合的地面站點(diǎn)和CMORPH衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，該融合產(chǎn)品具有均方根誤差小、系統(tǒng)和隨機(jī)偏差小的特點(diǎn)（沈艷等，2013）。該產(chǎn)品已被廣泛用于中國(guó)降水日變化特征分析、高分辨模式降水預(yù)報(bào)評(píng)估等研究（Wu，et al，2018；Zhu，et al，2021）。

2.2 東北冷渦的定義

東北冷渦的定義參考鄭秀雅等（1992），即在（35°—60°N，105°—145°E）范圍（中國(guó)東北地區(qū)）內(nèi)，500 hPa 高度上至少包含一條閉合等高線，并有冷中心或冷槽相配合的氣旋系統(tǒng)為東北冷渦。同時(shí)，結(jié)合東北冷渦位置及演變過(guò)程，對(duì)東北冷渦演變過(guò)程給出以下定義：500 hPa 冷渦中心進(jìn)入東北地區(qū)或冷渦在東北地區(qū)內(nèi)生成的時(shí)刻為東北冷渦過(guò)程初始時(shí)刻；離開(kāi)東北地區(qū)或處于東北地區(qū)內(nèi)但不包含閉合等高線的時(shí)刻為東北冷渦過(guò)程消亡時(shí)刻；東北冷渦持續(xù)時(shí)間定義為東北冷渦過(guò)程初始時(shí)刻至消亡時(shí)刻的時(shí)段；利用500 hPa 閉合低壓環(huán)流最外圍閉合的位勢(shì)高度等值線的值與冷渦中心最低位勢(shì)高度的差值代表冷渦強(qiáng)度，定義冷渦強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)刻為東北冷渦過(guò)程成熟時(shí)刻。以成熟時(shí)刻為界，規(guī)定初始時(shí)刻至成熟時(shí)刻為冷渦發(fā)展階段，而成熟時(shí)刻至消亡時(shí)刻為冷渦消亡階段。本研究在選取東北冷渦個(gè)例時(shí)，與以往判別方法中對(duì)冷渦持續(xù)時(shí)間的限定稍有不同，文中定義為“至少持續(xù)1 d”（而非多數(shù)定義的3 d）。這是因?yàn)樵谥饔^識(shí)別過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)東北冷渦的持續(xù)時(shí)間受數(shù)據(jù)時(shí)、空分辨率和東北地區(qū)范圍限定的影響較大，大量持續(xù)時(shí)間短于3 d 的東北冷渦過(guò)程也能發(fā)展得十分旺盛并造成較強(qiáng)的降水。其次，受東北地區(qū)空間限定的影響，主觀識(shí)別所得的冷渦初始時(shí)刻可能并不是冷渦真正的初生時(shí)刻，為盡可能選取包含整個(gè)生消過(guò)程的冷渦個(gè)例，冷渦成熟時(shí)刻晚于初始時(shí)刻少于1 d 的冷渦過(guò)程也不予考慮。綜上，選取持續(xù)時(shí)間大于1 d，冷渦成熟時(shí)刻晚于初始時(shí)刻至少1 d 的201 次東北冷渦過(guò)程作為研究對(duì)象。

2.3 東北冷渦的分類(lèi)

利用K-means（Lloyd，1982）客觀聚類(lèi)方法，根據(jù)成熟時(shí)刻?hào)|北冷渦500 hPa 中心位置對(duì)其聚類(lèi)。由于K-means 方法無(wú)法確定最優(yōu)聚類(lèi)數(shù)，故在文中預(yù)先測(cè)試將東北冷渦分成3 至9 類(lèi)。進(jìn)一步參考Fang 等（2021）的研究，計(jì)算輪廓系數(shù)（Rousseeuw，1987），該系數(shù)通過(guò)向量間距離，結(jié)合類(lèi)別內(nèi)聚合性和類(lèi)別間差異，判斷聚類(lèi)效果的好壞；系數(shù)值的變化為 [-1，1]，系數(shù)值越接近1 聚類(lèi)效果越好。計(jì)算了3—9 類(lèi)輪廓系數(shù)值，發(fā)現(xiàn)分為5 類(lèi)時(shí)輪廓系數(shù)值最大，因此確定最優(yōu)聚類(lèi)為5 類(lèi)。

圖1 給出了成熟時(shí)刻?hào)|北冷渦中心的空間分布，大部分冷渦中心位于45°N 以北，小部分可達(dá)45°N 以南，與已有研究結(jié)果（孫力等，1994；謝作威等，2012）基本一致。前3 類(lèi)東北冷渦成熟時(shí)刻主要分布在亞歐大陸上，占57.2%，稱(chēng)為大陸型冷渦，第4—5 類(lèi)東北冷渦主要位于亞歐大陸東側(cè)的海上，稱(chēng)為海洋型冷渦。第1—2 類(lèi)冷渦位置相對(duì)偏北，其中第1 類(lèi)冷渦主要位于大興安嶺以西，以下稱(chēng)為西北類(lèi)冷渦，第2 類(lèi)冷渦位于大興安嶺以北至小興安嶺北側(cè)區(qū)域，在大陸型東北冷渦中，該類(lèi)冷渦平均位置最偏北，以下稱(chēng)為東北類(lèi)冷渦；第3 類(lèi)冷渦位置偏南，位于東北平原南部及黃、渤海區(qū)域，以下稱(chēng)為東南類(lèi)冷渦。第4 和第5 類(lèi)海洋型冷渦位于日本海以北。東北冷渦成熟時(shí)刻降水主要分布在冷渦的東至東南側(cè)，相比大陸型冷渦，海洋型冷渦東至東南側(cè)的降水對(duì)中國(guó)東北地區(qū)影響較小。此外，海洋型冷渦下墊面與大陸型冷渦存在明顯差異，冷渦的演變發(fā)展過(guò)程可能也存在較大差異?；谏鲜鲈?，文中的分析暫不考慮后2 類(lèi)冷渦，重點(diǎn)分析前3 類(lèi)對(duì)中國(guó)東北地區(qū)有重要影響的大陸型東北冷渦。

圖1 2009—2018 年4—9 月500 hPa 東北冷渦中心成熟時(shí)刻空間分布（不同顏色數(shù)字和圓點(diǎn)代表K-means 客觀聚類(lèi)后的冷渦類(lèi)別，其中較大黑邊彩色點(diǎn)代表各類(lèi)平均冷渦中心位置）Fig.1 Spatial distribution of the NCCV center at its mature phase from April to September during 2009—2018（colored dots and numbers represent different kinds of the NCCV objective clusters，large colored dots with black edge represent mean locations of the objective clusters）

3 東北冷渦消亡階段統(tǒng)計(jì)特征

不同類(lèi)別東北冷渦的統(tǒng)計(jì)特征，如持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、移動(dòng)路徑等存在明顯差異。圖2 給出3 類(lèi)大陸型冷渦持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的頻率與頻次分布，此處某一時(shí)長(zhǎng)或強(qiáng)度區(qū)間的頻率為該區(qū)間內(nèi)的某類(lèi)大陸型冷渦樣本數(shù)與該類(lèi)冷渦總數(shù)的比?？梢钥吹剑錅u持續(xù)時(shí)間以2—5 d 為主；3 類(lèi)冷渦強(qiáng)度頻率分布都呈雙峰型，峰值分別為60—90 gpm 和120—150 gpm。其中，西北類(lèi)冷渦持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，超過(guò)4 d的冷渦頻率最大，且超過(guò)7 d 的多數(shù)為西北類(lèi)冷渦。相比而言，東北類(lèi)冷渦的持續(xù)時(shí)間略短于西北類(lèi)冷渦，60%以上的東北類(lèi)冷渦持續(xù)時(shí)間短于4 d，但東北類(lèi)冷渦在3 類(lèi)冷渦中強(qiáng)冷渦占比最大，其中有15%左右超過(guò)210 gpm。東南類(lèi)冷渦則是3 類(lèi)冷渦中強(qiáng)度最弱的冷渦，絕大多數(shù)東南類(lèi)冷渦強(qiáng)度低于180 gpm，但其持續(xù)時(shí)間略長(zhǎng)于東北類(lèi)冷渦，80%以上的東南類(lèi)冷渦持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于3 d?？傮w而言，3 類(lèi)冷渦中西北類(lèi)冷渦持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，而東北類(lèi)冷渦的強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖2 大陸型冷渦（a）持續(xù)時(shí)間和（b）強(qiáng)度頻率（柱狀）與頻次（折線）分布Fig.2 Probability（bars）and number（lines）of（a）lifetime and（b）intensity of continental NCCVs

圖3 給出了3 類(lèi)冷渦的路徑分布。西北類(lèi)冷渦的路徑主要為西北—東南向，大部分西北類(lèi)冷渦初始和成熟時(shí)刻所在位置距離較近，這可能是因?yàn)椴糠治鞅鳖?lèi)冷渦在冷渦中心移入中國(guó)東北地區(qū)前已經(jīng)得到一定發(fā)展，故進(jìn)入后迅速達(dá)到成熟階段。成熟后，西北類(lèi)冷渦繼續(xù)向東南移動(dòng)較遠(yuǎn)距離，其消亡階段路徑遠(yuǎn)長(zhǎng)于發(fā)展階段（圖3a）。東北類(lèi)冷渦的路徑以自西向東為主，在小興安嶺附近成熟后，繼續(xù)東移消亡，在3 類(lèi)冷渦中東北類(lèi)冷渦的消亡位置最偏北（圖3b），其中大部分東北類(lèi)冷渦在成熟后就迅速消亡。東南類(lèi)冷渦的路徑走向與西北類(lèi)冷渦類(lèi)似，以西北—東南走向?yàn)橹鳎▓D3c），其生成位置相對(duì)偏南，多數(shù)東南類(lèi)冷渦于50°N 以南生成，且其中部分冷渦的路徑表現(xiàn)為成熟后繼續(xù)向北移動(dòng)。由此可見(jiàn)，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的西北類(lèi)冷渦在消亡階段對(duì)應(yīng)的路徑相對(duì)較長(zhǎng)，而持續(xù)時(shí)間較短的東北類(lèi)和部分東南類(lèi)冷渦在消亡階段對(duì)應(yīng)的路徑則相對(duì)較短。

圖3 2009—2018 年4—9 月大陸型冷渦路徑分布（a.西北類(lèi)，b.東北類(lèi)，c.東南類(lèi)；黑線代表冷渦過(guò)程路徑，紅、黑和藍(lán)點(diǎn)分別代表初始、成熟和消亡時(shí)刻冷渦中心位置）Fig.3 Tracks of continental NCCVs（a.northwest vortex，b.northeast vortex，c.southeast vortex；black lines represent the tracks of the NCCVs；red，black and blue dots represent center locations of the NCCVs at their initial，mature，and decay phases，respectively）

圖4 是3 類(lèi)冷渦消亡階段時(shí)長(zhǎng)占該類(lèi)冷渦總持續(xù)時(shí)間比例（Fraction of Decay Phase，F(xiàn)DP）的頻率與頻次分布。3 類(lèi)冷渦FDP 在50%—60%的頻率和頻次均為最大，即冷渦消亡階段時(shí)長(zhǎng)略長(zhǎng)于發(fā)展階段。值得注意的是，雖然3 類(lèi)冷渦在FDP 峰值（50%—60%）的發(fā)生頻次相當(dāng)，但頻率有所差異，其中西北類(lèi)冷渦和東北類(lèi)冷渦在該區(qū)間的頻率為0.3左右，而東南類(lèi)冷渦則高達(dá)0.55，即一半以上的東南類(lèi)冷渦的消亡階段時(shí)長(zhǎng)略長(zhǎng)于發(fā)展階段。另外，西北類(lèi)冷渦在FDP＞70%時(shí)頻率和頻次存在次峰值，而東北類(lèi)冷渦在FDP＜40%存在次峰值。總體而言，3 類(lèi)冷渦消亡階段持續(xù)時(shí)間占比有明顯差異，西北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦主要表現(xiàn)為消亡階段持續(xù)時(shí)間（FDP＞50%）長(zhǎng)于發(fā)展階段，部分東北類(lèi)冷渦消亡階段持續(xù)時(shí)間（FDP＜50%）短于發(fā)展階段。該差異說(shuō)明冷渦消亡階段對(duì)冷渦總持續(xù)時(shí)間的貢獻(xiàn)不同，在一定程度上表明不同類(lèi)別冷渦的主導(dǎo)消亡過(guò)程效率可能存在差異。

圖4 大陸型冷渦消亡階段持續(xù)時(shí)間與總持續(xù)時(shí)間之比的頻率（柱狀）與頻次（折線）分布Fig.4 Probability（bars）and number（lines）of the continental NCCV decay phase

4 兩種消亡方式下冷渦特征及主要影響因子

4.1 兩種消亡方式下冷渦特征

現(xiàn)有研究（Portmann，et al，2018；Rossa，et al，2000）多從位渦角度描述冷渦的演變過(guò)程，主要因?yàn)槲粶u與絕對(duì)渦度和垂直位溫梯度的乘積成正比，具有同時(shí)表現(xiàn)熱力和動(dòng)力特征的優(yōu)勢(shì)。位渦在絕熱無(wú)摩擦條件下具有守恒性，在等熵面上冷渦系統(tǒng)更容易被識(shí)別和追蹤，降水潛熱釋放產(chǎn)生的位渦擾動(dòng)及其影響也更易被追蹤分析（Hoskins，et al，1985）。文中使用位渦來(lái)判定東北冷渦的消亡方式，并利用該變量對(duì)冷渦結(jié)構(gòu)、消亡特征進(jìn)行分析。

Portmann 等（2021）對(duì)不同消亡方式全球冷渦的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù)質(zhì)點(diǎn)向前軌跡追蹤結(jié)果對(duì)消亡方式進(jìn)行判別：若冷渦系統(tǒng)內(nèi)空氣質(zhì)點(diǎn)在消亡過(guò)程中50%以上進(jìn)入與平流層相連的高位渦源（大于2 PVU 的高位渦區(qū)域），該類(lèi)型屬于再吸收消亡，否則為非絕熱消亡。參考上述判別方式，本研究以250 hPa 位渦為基準(zhǔn)，若消亡時(shí)刻?hào)|北冷渦對(duì)應(yīng)高位渦區(qū)與北側(cè)平流層高位渦源相連并與其合并則認(rèn)定該冷渦的消亡方式為再吸收消亡，否則為非絕熱消亡。

如圖5 所示，西北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦均以非絕熱消亡為主，其中77.3%的東南類(lèi)冷渦受降水潛熱釋放等非絕熱過(guò)程作用直接消亡。西北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦的主要移動(dòng)路徑為西北—東南向（圖3），低層?xùn)|南部有來(lái)源于黃、渤海及日本海的暖濕空氣，較好的水汽條件有利于降水產(chǎn)生。該現(xiàn)象與李永生等（2016）的研究結(jié)果基本一致。然而，東北類(lèi)冷渦距離海岸線較遠(yuǎn)，其水汽條件相對(duì)較差，移動(dòng)路徑常偏東、偏北，消亡方式以再吸收消亡為主（占63%）。

圖5 大陸型冷渦消亡方式頻率分布（數(shù)字代表樣本數(shù)）Fig.5 Probability of the ways of decay for continental NCCVs（the number of NCCV cases is shown on the bar）

圖6 為兩種消亡方式冷渦強(qiáng)度、位置與持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在強(qiáng)度上（圖6a），再吸收消亡冷渦整體強(qiáng)于非絕熱消亡冷渦。再吸收消亡冷渦強(qiáng)度中位數(shù)約為125 gpm，而非絕熱消亡冷渦強(qiáng)度中位數(shù)則小于100 gpm。在位置方面（圖6b），再吸收消亡冷渦消亡時(shí)刻所處緯度高于非絕熱消亡冷渦。冷渦位置對(duì)應(yīng)關(guān)系可以部分解釋冷渦消亡方式的差異，冷渦系統(tǒng)位置偏北在一定程度上使其更加接近北側(cè)平流層高位渦源，更易被高位渦源吸收，故再吸收消亡冷渦在消亡階段尤其最終消亡時(shí)刻可能更偏北。以上發(fā)現(xiàn)與Portmann 等（2021）的研究結(jié)果一致。在持續(xù)時(shí)間上（圖6c），非絕熱消亡冷渦明顯長(zhǎng)于再吸收消亡冷渦，且在消亡階段時(shí)間占比略大于再吸收消亡冷渦（圖6d），說(shuō)明非絕熱消亡過(guò)程的速率慢于再吸收消亡。

圖6 不同消亡方式下大陸型冷渦平均（a）強(qiáng)度、（b）消亡時(shí)刻緯度分布、（c）冷渦持續(xù)時(shí)間及（d）消亡階段持續(xù)時(shí)間占比（FDP）（箱線的上、下限分別代表75 百分位和25 百分位，箱內(nèi)黑線代表中位數(shù)，箱上、下黑線分別代表最大值和最小值）Fig.6 Box-and-whiskers plots of the continental NCCV mean intensity（a），latitude at decay phase（b），lifetime（c），and FDP（d）under two decay scenarios（shaded boxes span over the 25th and 75th percentiles，and whiskers extend downward to the minimum and upward to the maximum of the data，median values are marked by black lines in the boxes）

進(jìn)一步分析不同消亡方式3 類(lèi)大陸型冷渦的強(qiáng)度、位置和持續(xù)時(shí)間差異。非絕熱消亡的冷渦強(qiáng)度差異較小，3 類(lèi)冷渦強(qiáng)度中位數(shù)基本一致（圖7a）；再吸收消亡的冷渦強(qiáng)度有明顯差異（圖7b），其中東南類(lèi)冷渦的強(qiáng)度分布最集中且中位數(shù)最大，東北類(lèi)和西北類(lèi)冷渦強(qiáng)度中位數(shù)差異不大，但東北類(lèi)冷渦的75 百分位數(shù)及最大值更大，說(shuō)明再吸收消亡東北類(lèi)冷渦中可能包含更多超強(qiáng)冷渦。

圖7 兩種消亡方式大陸型冷渦（a、b）強(qiáng)度和（c、d）消亡時(shí)刻緯度分布及（e、f）冷渦持續(xù)時(shí)間的對(duì)比（箱線的上、下限分別代表75 百分位和25 百分位，箱內(nèi)黑線代表中位數(shù)，箱上、下黑線分別代表最大值和最小值）Fig.7 Box-and-whiskers plots of the continental NCCV mean（a，b）intensity，（c，d）latitude at decay phase and（e，f）lifetime under two decay scenarios（shaded boxes span over the 25th and 75th percentiles，and whiskers extend downward to the minimum and upward to the maximum of the data，median values are marked by black lines in the boxes）

在冷渦位置上（圖7c、d），兩種消亡方式西北類(lèi)冷渦的緯度變化區(qū)間差異不大，再吸收消亡緯度中位數(shù)和75 百分位數(shù)略大于非絕熱消亡冷渦。與之不同，再吸收消亡的東北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦緯度變化區(qū)間整體大于非絕熱消亡冷渦。冷渦成熟時(shí)，西北類(lèi)和東北類(lèi)冷渦中心位置都偏北（圖1）；但西北類(lèi)冷渦路徑主要為西北—東南向（圖3a），而東北類(lèi)冷渦路徑主要為自西向東（圖3b），消亡時(shí)刻?hào)|北類(lèi)冷渦中心相較西北類(lèi)冷渦更加偏北（圖7c、d），更利于被北側(cè)高位渦源再吸收；同時(shí)，如圖5 所示，東北類(lèi)冷渦以再吸收消亡為主，而西北類(lèi)冷渦以非絕熱消亡為主，再次證明在消亡階段位置相對(duì)偏北的冷渦更易被高位渦源再吸收從而消亡。

在持續(xù)時(shí)間上（圖7e、f），西北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦均表現(xiàn)為非絕熱消亡持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于再吸收消亡。但東北類(lèi)冷渦的兩種消亡方式持續(xù)時(shí)間差異較小，其中非絕熱消亡持續(xù)時(shí)間的75 百分位數(shù)大于再吸收消亡，即非絕熱消亡類(lèi)型中包含更多長(zhǎng)持續(xù)冷渦，與圖3、4 具有一致性。結(jié)合圖6d 可以推測(cè)，東北冷渦的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短與冷渦消亡方式有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相較于平流過(guò)程導(dǎo)致的冷渦被北側(cè)高位渦源再吸收從而消亡，降水等非絕熱過(guò)程產(chǎn)生的中高層負(fù)位渦擾動(dòng)需經(jīng)平流和湍流混合等過(guò)程才能逐漸導(dǎo)致冷渦系統(tǒng)消亡（Shapiro，1978；Price，et al，1993；Wirth，1995），即，非絕熱加熱侵蝕高層位渦是漸進(jìn)的過(guò)程，消亡速度較慢。所以，再吸收過(guò)程能導(dǎo)致冷渦系統(tǒng)較快消亡，故冷渦持續(xù)時(shí)間較短；而非絕熱過(guò)程導(dǎo)致冷渦系統(tǒng)緩慢消亡而表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖8 利用200—300 hPa 平均位渦解釋兩種消亡方式下冷渦強(qiáng)度差異產(chǎn)生的原因。為了消除季節(jié)差異導(dǎo)致的位渦趨勢(shì)波動(dòng)影響，圖中的位渦為扣除東北地區(qū)氣候月平均后的距平。以強(qiáng)度差異最大的東南類(lèi)冷渦為例，整體上，非絕熱消亡冷渦高層位渦強(qiáng)度始終弱于再吸收消亡（圖7a、b）。由于對(duì)流層高層位渦場(chǎng)在一定程度上反映冷渦系統(tǒng)強(qiáng)度（Hoskins，et al，1985），從位渦角度來(lái)看，該強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系可能和再吸收消亡冷渦與平流層高位渦源相距較近有關(guān)。非絕熱消亡情況下，北側(cè)平流層高位渦源（圖8a 中50°N 以北等值線和灰階）與東南渦分離，高位渦很難補(bǔ)充到冷渦系統(tǒng)中，冷渦強(qiáng)度相對(duì)較弱。再吸收消亡情況下，北側(cè)平流層高位渦源南伸明顯（見(jiàn)圖8b 中50°N 以北等值線和灰階），能持續(xù)向冷渦系統(tǒng)補(bǔ)充高位渦，從而使該類(lèi)消亡方式下的冷渦位渦強(qiáng)度較強(qiáng)。

圖8 東南類(lèi)冷渦300—200 hPa 平均位渦距平水平分布（a.非絕熱消亡，b.再吸收消亡；紅色等值線、灰階和藍(lán)色等值線分別代表初始、成熟和消亡時(shí)刻位渦分布，單位：PVU；星形代表冷渦位置）Fig.8 Horizontal distributions of mean potential vorticity anomalies of southeast vortex between 200—300 hPa（a.diabatic decay，b.reabsorption；the red，gray and blue contours represent potential vorticity（unit：PVU）distribution at the initial，mature and decay phase，respectively；the stars represent the locations of the NCCVs）

4.2 兩種消亡方式冷渦降水分布及高空環(huán)流特征

降水潛熱釋放和高層向北平流是促進(jìn)冷渦減弱并使其消亡的主要過(guò)程。圖9 為兩種消亡方式冷渦成熟階段日降水量平均分布?？梢?jiàn)，非絕熱消亡冷渦系統(tǒng)內(nèi)部包含較強(qiáng)降水，再吸收消亡冷渦內(nèi)幾乎無(wú)明顯降水。

圖9 兩種消亡方式大陸型冷渦成熟階段日累計(jì)降水量（a、b.西北類(lèi)冷渦，c、d.東北類(lèi)冷渦，e、f.東南類(lèi)冷渦；a、c、e.非絕熱消亡冷渦，b、d、f.再吸收消亡冷渦；紅色等值線為冷渦成熟時(shí)刻850 hPa 位勢(shì)高度，單位：gpm；色階為日累計(jì)降水量；箭頭為冷渦成熟時(shí)刻850 hPa 風(fēng)場(chǎng)）Fig.9 Composite daily accumulated precipitation at mature phase of continental vortex under the two decay scenarios（a，b.northwest vortex，c，d.northeast vortex，e，f.southeast vortex；a，c，e.diabatic decay NCCVs，b，d，f.reabsorption decay NCCVs；red contours represent geopotential height at 850 hPa，unit：gpm；shadings represents daily accumulated precipitation；and arrows represent horizontal wind at 850 hPa at the mature phase）

非絕熱消亡的西北類(lèi)（圖9a）和東北類(lèi)（圖9c）冷渦降水主要位于冷渦中心和其東南側(cè)，表現(xiàn)為典型的鋒面逗點(diǎn)狀降水結(jié)構(gòu)；東南類(lèi)冷渦（圖9e）降水主要位于冷渦中心附近，且主要降水帶和東北平原東側(cè)長(zhǎng)白山脈基本平行。對(duì)比兩種消亡方式下冷渦對(duì)應(yīng)的850 hPa 低層環(huán)流可以發(fā)現(xiàn)，非絕熱消亡冷渦系統(tǒng)環(huán)流相對(duì)較弱，降水主要分布在冷渦系統(tǒng)中心附近，降水中層加熱造成的高層負(fù)位渦擾動(dòng)直接侵蝕冷渦中心，導(dǎo)致冷渦強(qiáng)度減弱和消亡。然而，再吸收消亡冷渦對(duì)應(yīng)的低層氣旋式環(huán)流更強(qiáng)（圖9b、d、f），有利于將西北側(cè)干冷空氣輸送到冷渦系統(tǒng)東南側(cè)，使得冷鋒雨帶位置較非絕熱消亡冷渦更遠(yuǎn)離系統(tǒng)中心。由于再吸收消亡冷渦降水主要在冷渦氣旋環(huán)流外圍形成（如圖9f），其非絕熱加熱產(chǎn)生的高層負(fù)位渦擾動(dòng)在下游脊的影響下繼續(xù)向下游（東北方向）平流，無(wú)法直接侵蝕冷渦內(nèi)核的高位渦區(qū)，即降水等非絕熱過(guò)程很難對(duì)冷渦造成直接影響。

分析表明250 hPa 能較好反映冷渦系統(tǒng)與北側(cè)平流層高位渦源的位置關(guān)系，文中以250 hPa 為例探究?jī)煞N消亡方式冷渦系統(tǒng)附近高層環(huán)流特征。如圖10 所示，再吸收消亡冷渦對(duì)應(yīng)的高空槽明顯強(qiáng)于非絕熱消亡冷渦，且高位渦區(qū)也主要位于高層槽底或槽前，槽前南風(fēng)強(qiáng)于非絕熱消亡冷渦。

圖10 兩種消亡方式大陸型冷渦消亡時(shí)刻250 hPa 形勢(shì)場(chǎng)（a、b.西北類(lèi)冷渦，c、d.東北類(lèi)冷渦，e、f.東南類(lèi)冷渦；a、c、e.非絕熱消亡冷渦，b、d、f.再吸收消亡冷渦；黑色等值線為250 hPa 位勢(shì)高度，單位：gpm；紅色等值線為消亡時(shí)刻300—200 hPa 平均位渦距平分布，單位：PVU；色階為250 hPa 經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速，箭頭代表250 hPa 水平風(fēng)場(chǎng)）Fig.10 Continental vortex composite environmental conditions at decay phase under the two decay scenarios（a，b.northwest vortex，c，d.northeast vortex，e，f.southeast vortex；a，c，e.diabatic decay，b，d，f.reabsorption decay；geopotential height at 250 hPa，black contours，unit：gpm；v-component wind velocity at 250 hPa，shaded，horizontal wind at 250 hPa，vectors；and potential vorticity anomaly between 200—300 hPa，red contours，unit：PVU）

再吸收消亡的西北類(lèi)與東南類(lèi)冷渦（圖10b、f）在消亡時(shí)刻位于高空低槽底部或槽前，槽前強(qiáng)平流將冷渦對(duì)應(yīng)高值位渦迅速向北輸送，使其被平流層高位渦源吸收；相比之下，非絕熱消亡的西北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦（圖10a、e）在消亡時(shí)刻高層位渦強(qiáng)度則很弱，且環(huán)境風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為弱西北風(fēng)或較弱低槽，不利于系統(tǒng)被再吸收。東北類(lèi)冷渦（圖10c、d）兩種消亡方式對(duì)應(yīng)的高空環(huán)流特征差異較小，但緯度差異明顯，非絕熱消亡型（圖10c）所處位置相對(duì)偏南，很難被北側(cè)高位渦源吸收?？梢?jiàn)，冷渦系統(tǒng)與高空槽的相對(duì)位置一定程度上影響東北冷渦系統(tǒng)被再吸收消亡的可能性，若冷渦位于高層槽前或槽底，則更易被北側(cè)平流層高位渦源吸收消亡。如前所述，由于再吸收消亡冷渦系統(tǒng)距離平流層高位渦源更近，能持續(xù)從高位渦源獲得高值位渦以維持強(qiáng)度，而更強(qiáng)的冷渦系統(tǒng)本身也能促進(jìn)冷渦被再吸收。這是因?yàn)槔錅u強(qiáng)度越強(qiáng)，伴隨的氣旋式環(huán)流越強(qiáng)，有利于冷渦對(duì)應(yīng)的高值位渦核向北平流。同理，非絕熱消亡的冷渦，其受到平流層高位渦源的位渦補(bǔ)充較少，冷渦整體強(qiáng)度較弱，很難促進(jìn)向北平流，再加上距離高位渦源相對(duì)較遠(yuǎn)，較難被再吸收導(dǎo)致消亡。

5 結(jié)論

對(duì)暖季東北冷渦的時(shí)、空分布進(jìn)行了氣候統(tǒng)計(jì)，并研究了時(shí)、空統(tǒng)計(jì)特征與冷渦消亡方式的關(guān)系。利用ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)，主觀識(shí)別2009—2018 年4—9 月東北冷渦，根據(jù)冷渦所在位置將其客觀聚類(lèi)為5 類(lèi)并集中研究其中3 類(lèi)大陸型冷渦。針對(duì)冷渦2 種主要消亡方式即非絕熱和再吸收消亡，統(tǒng)計(jì)分析了東北冷渦的演變特征及其與消亡方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并初步探討了影響東北冷渦消亡方式的主要因素。得到如下結(jié)論：

（1）利用K-means 客觀聚類(lèi)方法，將影響中國(guó)東北地區(qū)的大陸型冷渦分為西北類(lèi)、東北類(lèi)、東南類(lèi)。西北類(lèi)冷渦位于大興安嶺以西，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且消亡階段占總持續(xù)時(shí)間比例較大；東北類(lèi)冷渦位于大興安嶺以北至小興安嶺北側(cè)區(qū)域，冷渦強(qiáng)度最強(qiáng)；東南類(lèi)冷渦位于東北平原南部及黃、渤海區(qū)域，持續(xù)時(shí)間最短且冷渦強(qiáng)度最弱。

（2）根據(jù)250 hPa 位渦分布特征將東北冷渦按照消亡方式分為非絕熱消亡和再吸收消亡。西北類(lèi)和東南類(lèi)冷渦由非絕熱消亡主導(dǎo)，東北類(lèi)冷渦由再吸收消亡主導(dǎo)，其中62.2%的西北類(lèi)冷渦和77.3%的東南類(lèi)冷渦為非絕熱消亡，63%的東北類(lèi)冷渦為再吸收消亡。

（3）冷渦消亡方式在一定程度上決定了東北冷渦強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。在冷渦強(qiáng)度方面，再吸收消亡冷渦距離北側(cè)平流層高位渦源更近，有利于高位渦源持續(xù)向東北冷渦輸送高值位渦，冷渦強(qiáng)度更強(qiáng)；非絕熱消亡冷渦與高位渦源切斷聯(lián)系，并受潛熱釋放產(chǎn)生高層負(fù)位渦侵蝕，強(qiáng)度較弱。在持續(xù)時(shí)間方面，兩種消亡方式東北冷渦持續(xù)時(shí)間差異主要體現(xiàn)在冷渦消亡階段非絕熱消亡過(guò)程慢于再吸收消亡過(guò)程，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

（4）降水和高空槽與冷渦的位置關(guān)系是影響東北冷渦消亡過(guò)程的兩個(gè)因素。若降水區(qū)域與冷渦中心距離相對(duì)較近，產(chǎn)生的高層負(fù)位渦擾動(dòng)直接侵蝕冷渦內(nèi)核區(qū)域，促進(jìn)冷渦非絕熱消亡。若冷渦系統(tǒng)強(qiáng)度較強(qiáng)，西部的環(huán)流將強(qiáng)干冷空氣向東南側(cè)平流，導(dǎo)致降水系統(tǒng)遠(yuǎn)離冷渦中心區(qū)域，產(chǎn)生的負(fù)位渦擾動(dòng)無(wú)法影響冷渦內(nèi)核而主要向下游平流。在對(duì)流層高層，若冷渦系統(tǒng)位于高層槽前或槽底，冷渦系統(tǒng)更易向北平流，被平流層高位渦源再吸收進(jìn)而消亡。同時(shí)，較強(qiáng)的東北冷渦對(duì)應(yīng)更強(qiáng)的氣旋式環(huán)流，在一定程度上也促進(jìn)其向北平流，更有利于冷渦被再吸收消亡。