4—9月东北大陆型冷涡消亡方式及其统计特征.pdf
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1、49 月东北大陆型冷涡消亡方式及其统计特征*范子琪1朱科锋2薛明1,3FANZiqi1ZHUKefeng2XUEMing1,31.南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室/大气科学学院,南京,2100232.南京气象科技创新研究院/中国气象局交通气象重点开放实验室,南京,2100413.美国强风暴分析预报中心/俄克拉何马大学气象学院,诺曼,730721.Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather/Ministry of Education and School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nan
2、jing210023,China2.CMA Key Laboratory of Transportation Meteorology,Nanjing Joint Institute for Atmospheric Science,Nanjing 210041,China3.Center for Analysis and Prediction of Storms,School of Meteorology University of Oklahoma,Norman 73072,USA2022-10-24 收稿,2023-06-04 改回.范子琪,朱科锋,薛明.2023.49 月东北大陆型冷涡消亡
3、方式及其统计特征.气象学报,81(5):727-740Fan Ziqi,Zhu Kefeng,Xue Ming.2023.Decay processes and statistical characteristics of continental Northeast China Cold Vortex fromApril to September.Acta Meteorologica Sinica,81(5):727-740AbstractTheNortheastChinaColdVortex(NCCV)isamajorprecipitation-producingweathersystemi
4、nnorthernChina.BasedontheERA-Interimreanalysisdata,theNCCVcasesfromApriltoSeptemberduring20092018areidentifiedandobjectivelyclusteredinto5categoriesaccordingtothelocationoftheNCCVcenter.Amongthem,thenorthwesttype,northeasttypeandsoutheasttypecontinentalNCCVs,namedbasedontheirlocations,havesignifican
5、timpactsonnorthernChina.TheNCCVdecaymainlyinvolvestwoprocesses:TheerosionofupperlevelPV(potentialvorticity)bydiabaticheatingandreabsorptionofthevortexPVbackintothestratospheric reservoir.Statistical characteristics of the three types of continental NCCV that decay in the above two waysrespectivelyar
6、ecomparedandanalyzed.Itisfoundthat:(1)Thedecayofthenorthwestandsoutheastvortexesismostlycausedbydiabaticprocesses,whilethedecayoftheNCCVsismostlyattributedtoreabsorption;(2)theintensityofthereabsorptiondecaytypeisgenerallystrongerthanthatofdiabaticdecaytype,asthenorthstratosphericreservoiriscloserto
7、theformer.Besides,thelatteriscontinuouslyweakenedbylatentheatreleaseassociatedwithprecipitation;(3)thelifetimeaswellasthefractionofthedecayphaseforthediabaticdecaytypearelongerthanthoseofreabsorptiondecaytype;(4)thelocationofthehigh-leveltroughrelativetotheNCCVandprecipitationwithintheNCCVaretwomain
8、factorsthatimpacttheNCCVdecay.StrongprecipitationneartheNCCVcentercandirectlyerodethecoreofthevortex,resultingindiabaticdecay.WhentheNCCVisaheadoforatthebottomofthehigh-leveltrough,theNCCVcanbeeasilyadvectednorthward,leadingtoitsabsorptionbythestratosphericreservoir.Key wordsNortheastChinaColdVortex
9、,Statisticalcharacteristics,Reabsorption,Diabaticdecay,Potentialvorticity摘要利用 ERA-Interim 再分析数据,主观识别了 20092018 年 49 月东北冷涡,并根据冷涡所在位置将其客观聚类为 5 类,其中 3 类大陆型冷涡主要影响中国东北地区,称为西北类、东北类和东南类冷涡。东北冷涡的消亡方式主要有 2 种,一是系统高层受非绝热加热侵蚀,二是被平流层高位涡源再吸收。对比分析非绝热消亡和再吸收消亡方式 3 类大陆型冷涡统计特征的差异及原因。结果表明:(1)西北类和东南类冷涡以非绝热消亡为主而东北类冷涡以再吸收消
10、亡为主;(2)再吸收消亡冷涡强度一般*资助课题:国家自然科学基金项目(41730965)、国家重点研发计划重点专项(2018YFC1507303)。作者简介:范子琪,主要从事东北冷涡及其强对流研究。E-mail:通信作者:薛明,主要从事强对流天气机理和预报研究。E-mail:mxueou.edudoi:10.11676/qxxb2023.20220171气象学报强于非绝热消亡冷涡,这主要是由于前者的北侧平流层高位涡源持续向冷涡系统补充高值位涡,而后者强度不断被降水潜热释放削弱;(3)非绝热消亡冷涡持续时间比再吸收消亡冷涡长,且前者消亡阶段时间占生命期的比例更大;(4)降水和高空槽与冷涡的位置关
11、系是影响冷涡消亡的主要因素。在冷涡气旋环流内部接近冷涡中心的较强降水能直接侵蚀高层冷涡内核区,导致其非绝热消亡;冷涡位于高空槽前或槽底有利于冷涡向北平流以被高位涡源再吸收而消亡。关键词 东北冷涡,统计特征,再吸收消亡,非绝热消亡,位涡中图法分类号P468P4341引言东北冷涡是中国东北地区特有的天气系统,一般持续不少于 3d,是一种深厚的天气尺度冷性涡旋(孙力等,1994;刘英等,2012)。其移动缓慢,具有较强的准静止性(孙力,1997),是造成中国东北地区急剧降温、突发性短时强降水、冰雹、雷雨大风甚至龙卷等灾害天气的主要系统(Zhao,etal,2007;Zhang,et al,2008;
12、Hu,et al,2010;才 奎 志 等,2022)。已有统计研究表明:中国东北地区 50%以上的雷暴大风天气由东北冷涡引发(杨磊等,2023);53%的暖季降雹是由东北冷涡过程直接导致的(Zhang,etal,2008)。东北冷涡一年四季均可发生,但其发生频率具有明显季节特征,夏季发生频率更高,秋末和初冬发生较少(郑秀雅等,1992;闫玉琴等,1995;何金海等,2006)。孙力等(1994)对 19561990 年东北冷涡时、空分布进行统计分析发现,35a 中 410 月中国东北地区 37%的时间受东北冷涡控制,特别是夏季(68 月),可达 42%。东北冷涡持续时间也具有一定的季节周期,
13、多数东北冷涡的持续时间小于一周,但夏季和冬季发生的东北冷涡持续时间往往更长(Hu,etal,2010)。空间分布上,东北冷涡主要分布在东北平原和三江平原(孙力等,1994;王蕾等,2020),其活动区域在夏季存在明显月振荡,5 月东北冷涡活动区域偏北,主要集中在 45N 以北地区;6 月东北冷涡最南可扩展到 40N 以南;78月,随着东亚高空急流的减弱和北退,东北冷涡的活动区域逐月向北收缩(谢作威等,2012)。东北冷涡发展阶段产生的短时强降水等灾害天气最多(孙力等,1995;何晗等,2015),以往研究主要关注冷涡发展阶段灾害天气的机理与预报。研究(吴迪等,2010a;迟静等,2021)发现
14、,低空急流与东北冷涡伴随的干侵入对冷涡各类灾害天气的产生起到关键作用。低空急流作为水汽输送带,持续不断向冷涡系统输送低层暖湿空气,为强对流等提供充足的水汽。同时,低空急流输送的暖湿空气与冷涡西北侧干侵入伴随的中高层干冷空气垂直叠加,增强了局地不稳定度(吴迪等,2010b),配合局地抬升(Xia,etal,2019)、地形重力波(Su,etal,2017)、冷池阵风锋(Abulikemu,etal,2019)等,极易在冷涡发展阶段造成灾害天气。然而,除东北冷涡发展阶段外,冷涡消亡阶段也常伴随产生各类灾害天气。陈相甫等(2021)对20112020 年夏季东北冷涡短时强降水的统计结果表明,有超过
15、25%的冷涡短时强降水发生在冷涡消亡阶段。对东北冷涡消亡阶段特征认识不够深入,是导致日常天气预报业务中常出现错报、漏报现象的重要原因(张云等,2008;应爽等,2014)。冷涡的消亡方式主要分为 2 种:非绝热消亡和再吸收消亡。前者为冷涡内部降水潜热释放等非绝热过程导致的系统消亡(Gouget,etal,2000;Portmann,etal,2018)。具体过程为:中层非绝热加热在垂直方向产生“上负下正”非绝热位涡扰动对,其中正位涡扰动一般产生在对流层中、低层,负位涡扰动位于对流层高层;负位涡扰动在对流层高层侵蚀冷涡对应的高位涡区,导致系统消亡(Uccellini,1990)。再吸收消亡主要是
16、在平流作用下,冷涡被平流层高位涡源吸收,即其并入高位涡源而导致的消亡(Hoskins,etal,1985)。此处冷涡消亡方式分类的依据是冷涡消亡中起主导作用的方式,实际上2 种消亡方式可能同时存在,只是另一种消亡方式作用相对较小。Portmann 等(2021)首次根据 2 种消亡方式对 19792018 年全球冷涡进行区分,指出再吸收消亡与非绝热消亡的比例约为 1:1;再吸收消亡冷涡强度明显大于非绝热消亡冷涡,且再吸收消亡冷涡位置相对非绝热消亡冷涡明显偏北。该工作初步建立了全球冷涡消亡方式与冷涡强度、位置等特征的联系。如前所述,消亡阶段是东北冷涡发展演变过程的重要组成部分,但目前关于东北72
17、8Acta Meteorologica Sinica气象学报2023,81(5)冷涡消亡阶段及消亡方式的统计分析较少,加强该方面的研究,将有利于提升对东北冷涡消亡阶段特征、降水分布等的认识,进而提高对东北冷涡背景下的强降水预报准确度。考虑到东北冷涡在夏季发生频率最高,且包括冰雹在内的冷涡背景下强对流天气在春末、秋初也相对多发(张仙等,2013),本研究以 20092018 年49 月东北冷涡为研究对象,针对东北冷涡消亡阶段特征及冷涡消亡方式进行统计分析,旨在揭示不同消亡方式东北冷涡强度、位置、持续时间等的差异,并探究该差异的主导环境因素,为东北冷涡消亡阶段的预报提供理论支撑。2数据和研究方法
18、2.1 数据东北冷涡的主观识别和结构、演变特征统计分析采用 ERA-Interim 再分析数据(Berrisford,etal,2011)。该数据的时间分辨率为 6h、水平分辨率为 0.750.75,已被广泛用于中国区域气候环境特征分析(Song,etal,2015;Liu,etal,2018;Xu,etal,2021)、数值预报模式环境场评估等研究(Chen,etal,2017;Cai,etal,2021)。东北冷涡过程的降水分布研究选用中国气象局国家气象信息中心提供的地面站点与 CMORPH卫星(Joyce,etal,2004)二源融合的格点降水产品(Shen,etal,2014)。该产品
19、的空间分辨率为 0.10.1,时间分辨率为逐小时,覆盖(1560N,70140E)区域。相比于未融合的地面站点和 CMORPH卫星降水数据,该融合产品具有均方根误差小、系统和随机偏差小的特点(沈艳等,2013)。该产品已被广泛用于中国降水日变化特征分析、高分辨模式降水预报评估等研究(Wu,etal,2018;Zhu,etal,2021)。2.2 东北冷涡的定义东北冷涡的定义参考郑秀雅等(1992),即在(3560N,105145E)范围(中国东北地区)内,500hPa 高度上至少包含一条闭合等高线,并有冷中心或冷槽相配合的气旋系统为东北冷涡。同时,结合东北冷涡位置及演变过程,对东北冷涡演变过程
20、给出以下定义:500hPa 冷涡中心进入东北地区或冷涡在东北地区内生成的时刻为东北冷涡过程初始时刻;离开东北地区或处于东北地区内但不包含闭合等高线的时刻为东北冷涡过程消亡时刻;东北冷涡持续时间定义为东北冷涡过程初始时刻至消亡时刻的时段;利用 500hPa 闭合低压环流最外围闭合的位势高度等值线的值与冷涡中心最低位势高度的差值代表冷涡强度,定义冷涡强度最强时刻为东北冷涡过程成熟时刻。以成熟时刻为界,规定初始时刻至成熟时刻为冷涡发展阶段,而成熟时刻至消亡时刻为冷涡消亡阶段。本研究在选取东北冷涡个例时,与以往判别方法中对冷涡持续时间的限定稍有不同,文中定义为“至少持续 1d”(而非多数定义的 3d)
21、。这是因为在主观识别过程中,发现东北冷涡的持续时间受数据时、空分辨率和东北地区范围限定的影响较大,大量持续时间短于 3d 的东北冷涡过程也能发展得十分旺盛并造成较强的降水。其次,受东北地区空间限定的影响,主观识别所得的冷涡初始时刻可能并不是冷涡真正的初生时刻,为尽可能选取包含整个生消过程的冷涡个例,冷涡成熟时刻晚于初始时刻少于 1d 的冷涡过程也不予考虑。综上,选取持续时间大于 1d,冷涡成熟时刻晚于初始时刻至少 1d 的 201 次东北冷涡过程作为研究对象。2.3 东北冷涡的分类1,1利用 K-means(Lloyd,1982)客观聚类方法,根据成熟时刻东北冷涡 500hPa 中心位置对其聚
22、类。由于 K-means 方法无法确定最优聚类数,故在文中预先测试将东北冷涡分成 3 至 9 类。进一步参考Fang 等(2021)的研究,计算轮廓系数(Rousseeuw,1987),该系数通过向量间距离,结合类别内聚合性和类别间差异,判断聚类效果的好坏;系数值的变化为,系数值越接近 1 聚类效果越好。计算了 39 类轮廓系数值,发现分为 5 类时轮廓系数值最大,因此确定最优聚类为 5 类。图 1 给出了成熟时刻东北冷涡中心的空间分布,大部分冷涡中心位于 45N 以北,小部分可达45N 以南,与已有研究结果(孙力等,1994;谢作威等,2012)基本一致。前 3 类东北冷涡成熟时刻主要分布在
23、亚欧大陆上,占 57.2%,称为大陆型冷涡,第 45 类东北冷涡主要位于亚欧大陆东侧的海上,称为海洋型冷涡。第 12 类冷涡位置相对偏北,其中第 1 类冷涡主要位于大兴安岭以西,以下范子琪等:49 月东北大陆型冷涡消亡方式及其统计特征729称为西北类冷涡,第 2 类冷涡位于大兴安岭以北至小兴安岭北侧区域,在大陆型东北冷涡中,该类冷涡平均位置最偏北,以下称为东北类冷涡;第 3 类冷涡位置偏南,位于东北平原南部及黄、渤海区域,以下称为东南类冷涡。第 4 和第 5 类海洋型冷涡位于日本海以北。东北冷涡成熟时刻降水主要分布在冷涡的东至东南侧,相比大陆型冷涡,海洋型冷涡东至东南侧的降水对中国东北地区影响
24、较小。此外,海洋型冷涡下垫面与大陆型冷涡存在明显差异,冷涡的演变发展过程可能也存在较大差异。基于上述原因,文中的分析暂不考虑后 2 类冷涡,重点分析前 3 类对中国东北地区有重要影响的大陆型东北冷涡。3东北冷涡消亡阶段统计特征不同类别东北冷涡的统计特征,如持续时间、强度、移动路径等存在明显差异。图 2 给出 3 类大陆型冷涡持续时间和强度的频率与频次分布,此处某一时长或强度区间的频率为该区间内的某类大陆型冷涡样本数与该类冷涡总数的比。可以看到,冷涡持续时间以 25d 为主;3 类冷涡强度频率分布都呈双峰型,峰值分别为 6090gpm 和 120150gpm。其中,西北类冷涡持续时间较长,超过
25、4d的冷涡频率最大,且超过 7d 的多数为西北类冷涡。相比而言,东北类冷涡的持续时间略短于西北类冷涡,60%以上的东北类冷涡持续时间短于 4d,但东北类冷涡在 3 类冷涡中强冷涡占比最大,其中有 15%左右超过 210gpm。东南类冷涡则是 3 类冷涡中强度最弱的冷涡,绝大多数东南类冷涡强度低于 180gpm,但其持续时间略长于东北类冷涡,80%以上的东南类冷涡持续时间长于 3d。总体而言,3 类冷涡中西北类冷涡持续时间较长,而东北类冷涡的强度最强。图 3 给出了 3 类冷涡的路径分布。西北类冷涡的路径主要为西北东南向,大部分西北类冷涡初始和成熟时刻所在位置距离较近,这可能是因为部分西北类冷涡
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