引言

冷涡是指存在于中、高纬地区对流层中、上层的冷性闭合低压环流系统。由于冷涡经常能带来诸如暴风雪、雷暴、大风、冰雹、暴雨等灾害性天气，很早以前就为气象学家所重视。孙力等(1994)统计分析了东北冷涡时间分布：主要出现在春末夏初，空间分布主要出现在大兴安岭背风坡东北平原的北端和三江平原。东北冷涡的发生频数一般主要与贝加尔湖以东地区的高度场呈正相关分布，表明该地区有高压脊异常发展而形成稳定的阻塞形势，东北地区容易有冷涡生成。冷涡是造成京津冀暖季突发性强对流天气的重要天气系统，并且其影响范围较广，往往会持续数日，在其生成、发展成熟、消亡阶段均可伴随暴雨、大风、冰雹及龙卷等强对流天气，例如2005年5月31日的北京局部强冰雹。郁珍艳等(2011)指出京津冀地区除短时强降水外，其余的强天气一半以上是在华北冷涡背景下发生的。华北冷涡(东蒙冷涡)是河北降雹的主要影响系统，与冷涡相关的降雹占90%(河北省气象局，1987)。张春喜等(2005)指出与冷涡有关的北京地区雷暴大风占到总的雷暴大风天气的将近70%，而与冷涡环流直接影响的占到42%。

符琳等(2011)研究表明我国降雹主要集中在北方和青藏高原，降雹主要集中在4—10月。张芳华等(2008)对中国冰雹日数的时空分布特征分析得到1971—2000年华北的东北部降雹日数呈非常显著的减少趋势。杨贵名等(2003)研究表明华北地区降雹构成了“T”型，降雹峰值出现在6月，日变化的峰值在15—17时。胡淑兰等(2006)利用关中东部各气象站和各县防雹站的资料，统计分析了连续性降雹的时空分布、环流特征、物理量场以及强回波移动规律, 并指出低涡型天气形势占52%，连续降雹一般出现在冰雹多发期，连续性降雹主要出现在5月下旬至8月中旬。丁一汇等(1982)指出冷涡强对流天气一般发生在午后到傍晚。冷涡长时间维持，会造成连续降雹，连续性降雹一般持续时间长、影响范围广，常给农业生产造成毁灭性的危害。

冷涡属于天气尺度系统，但冷涡所造成的强对流却带有明显的局地性和不对称性。对于冷涡引起的连续性强对流给预报业务带来了很大的困难，强对流天气的强度、落区和时间容易出现空报和漏报。对于连续降雹过程的研究多为个例研究，许多研究(廖晓农等，2008；王华等，2007；闵晶晶，1997)都是关于降雹本身，冷涡背景下的连续降雹研究较少，研究冷涡背景下连续降雹的气候态特征有助于更好地理解其发生规律，是强对流预报得以依赖的大尺度背景，更好地开展冰雹的预测、预警工作。因而本文对2000—2011年4—9月冷涡进行时空分布特征分析及生命史分析，利用京津冀地区176站灾害天气报资料及分辨率为1°×1° NCEP再分析资料，对冷涡背景下京津冀地区连续降雹的空间分布和时间变化特征进行统计分析，以便了解这一区域冷涡背景下冰雹活动规律及宏观特征，以期为京津冀地区冷涡背景下连续降雹预报提供理论依据。

1 冷涡特征分析 1.1 冷涡的定义

春夏季出现在我国北方地区的冷涡常给北方地区带来暴雨、大风、冰雹等强对流天气。郑秀雅等(1992)指出了冷涡可从切断低压发展而来，也可从地面气旋发展而来，但切断低压是冷涡的主要组成部分。对于冷涡的定义，多数研究都是对东北冷涡的定义：郑秀雅等(1992)、孙力等(1994)按照当地地方气象台的业务规定，将500 hPa等压面上，35°~60°N、115°~145°E范围内至少出现一条闭合的等高线，并有冷中心或冷槽相配合，持续3 d或以上的低压环流系统定义为冷涡。郁珍艳等(2011)对华北冷涡的定义为500 hPa上35°~55°N、110°~130°E范围内出现闭合等高线，并有冷中心或冷槽相配合，持续2 d或以上的低压环流系统。

本文所研究的冷涡不仅仅是东北冷涡，还包括出现在蒙古、华北地区的冷涡，因此将500 hPa上30°~60°N、85°~145°E范围内出现闭合等高线，并有冷中心或冷槽相配合，持续2 d或以上的低压环流系统定义为冷涡。这个范围就包括了蒙古冷涡、东北冷涡和华北冷涡。

1.2 冷涡生命期的定义

根据冷涡的定义，把500 hPa位势高度的演变趋势作为划分冷涡不同阶段的依据，即500 hPa低位势高度闭合低中心的位势高度值呈降低的趋势，定义为冷涡发展增强阶段，反之为冷涡减弱消亡阶段(包括冷涡中心消散后高空槽)。若500 hPa低位势高度中心较前后时刻增强或减弱趋势不明显，则认为是冷涡成熟维持阶段。

1.3 冷涡时空分布特征分析

利用2000—2011年4—9月500 hPa天气图普查得到冷涡123个，其中有91个在形成初期有阻塞高压的存在。孙力等(1994)统计表明：大约77%的东北冷涡与东亚地区阻塞高压的发展变化有关，而且这类冷涡的持续时间比一般冷涡生命周期平均长2.1 d。从图 1可以看到2000—2011年4—9月的冷涡生成的个数略呈增加趋势。2001—2004年冷涡个数少于平均值。冷涡个数最多的是2006年，有15个；最少的是2004年，仅为5个。从图 2可以看到4、5、6、7月冷涡个数都超过了20个。

通过统计500 hPa成熟期冷涡中心的位置可以看到(图 3)成熟期冷涡主要位于43°~53°N、107°~132°E范围内，即东北地区到贝加尔湖以东地区，华北主要处于冷涡成熟期中心以南的位置。孙力等(2005)研究得到冷涡系统东侧偏南和南侧偏东距中心大约300~400和700~800 km，这些区域处于低层辐合、高层辐散以及中低层涡度、水汽通量散度以及θ_se高值区，也是冷涡中尺度活动比较频繁的地方。而华北地区大致处于以上位置, 所以该地区天气受冷涡系统的影响比较显著。

1.4 冷涡生命史特征

对冷涡生命史统计可得(图 4)：冷涡生命史为2 d的有35个，3或4 d的均有27个，5 d的有13个，6 d的有9个，7 d以上的有12个。统计得到冷涡的生命史为2 d的最多，若定义生命史持续3 d以上的冷涡为长生命史冷涡(包括3 d)，长生命史的冷涡能占到总数的70%以上。张春喜等(2007)的研究得到，东亚地区61%的冷涡事件维持时间在1~3 d，31%的在4~7 d，只有8%的能超过7 d。本文工作结果与张春喜等的结论基本一致。由于冷涡生命史长，位置少动或缓慢移动，冷空气源源不断下来，造成连续数日的降雹。

2 冷涡背景下京津冀地区降雹特征分析 2.1 冷涡背景下京津冀地区连续降雹定义

冰雹是一种由强对流系统所引发的剧烈天气现象，通常发生在暖背景下(Knight et al, 1971；Changon et al, 2000)。根据2000—2011年京津冀地区176站灾害天气报资料，在冷涡存在的背景下以20时为日界，区域内某天至少1站出现降雹则为一个冰雹日，连续2 d以上出现降雹则定义为一次冷涡背景下连续性降雹过程。以下文中所指的连续降雹均为冷涡背景下京津冀地区的连续降雹过程。

2.2 京津冀地区降雹特征

利用京津冀地区2000—2011年4—9月176站灾害天气报资料，对京津冀地区的总降雹、冷涡背景下的降雹以及冷涡背景下的连续降雹分别进行了统计，以此分析冷涡对京津冀地区降雹的影响。

经统计得到(图 5a和5b)，2000—2011年京津冀地区总降雹站数呈减少趋势(图 5a)，日数略有减少(图 5b)。符琳等(2011)研究也指出近50年来我国冰雹呈显著下降趋势，20世纪70年代末大尺度环流系统的一系列调整是我国北方冰雹减少的主要原因，伴随着大尺度环流的调整，局地垂直温度场结构的变化是影响冰雹次数的一个重要原因。2000—2011年4—9月京津冀地区降雹总站数有1220站，总日数有407 d。其中2001年降雹站数最多达到了178站，其次2005年为159站；而2007年降雹站数最少，为55站。2003年降雹日数最多，为50 d；2010年降雹日数最少，为26 d。

对冷涡背景下京津冀地区降雹的统计得到，冷涡背景下京津冀地区的降雹站数有761站，占降雹总站数的62.4%，冷涡背景下的降雹日数有202 d，占降雹总日数的49.6%。其中2001和2007年冷涡背景下降雹站数占当年降雹站数的比例较大，分别为87.6%、80%；2003年冷涡背景下降雹站数仅占当年降雹总站数的19.8%。2006年冷涡背景下的降雹日数占同年降雹总日数的75%，2003年冷涡背景下降雹日数最少，占同年降雹总日数的16%(图 5a和5b)。

2000—2011年4—9月冷涡背景下京津冀地区的连续降雹有38次，连续降雹每年都有发生。连续降雹站数达到584站，占冷涡背景下降雹站数的76.7%；日数有135 d，占冷涡背景下降雹天数的66.8%。其中2001年连续降雹站数最多，为113站；2005年连续降雹日数最多，为22 d，2005年连续降雹站数、日数占冷涡背景下降雹站数、日数比例最大，均达到了88%；2010年连续降雹站数是占同年冷涡背景下降雹站数的比例最少，为61.5%；2003年连续降雹日数占同年冷涡背景下降雹日数的比例最少，为50%。

从京津冀降雹的4—9月的月分布图(图 6a和6b)可以看到6月降雹站数、日数均为最多。2000—2011年这12年6月降雹平均能达到30站以上和10 d以上。4和9月发生的降雹较少，冷涡背景下的连续降雹就更少了。其他各个月的降雹几乎有一半以上是发生在冷涡背景下，与郁珍燕等(2011)研究结论一致。其中4、5、6、7、8和9月发生连续降雹的次数分别为1、6、14、9、6、2次。6月由于冷暖空气的交汇频繁，冷涡系统的影响次数较多，出现的连续降雹过程较多。也可以看到冷涡背景下的降雹有2/3为连续降雹。统计过程也发现京津冀地区的连续降雹主要是发生在长生命史冷涡背景下的(表 1)。

综上可得，冷涡是京津冀地区发生降雹的主要影响系统，且降雹主要为长生命史冷涡背景下连续降雹，6月发生频率最大。

3 冷涡背景下京津冀地区连续降雹特征统计分析 3.1 连续降雹日变化特征

冷涡背景下连续降雹具有明显的日变化(图 7)，呈单峰曲线；而雷雨大风、短时暴雨日变化呈双峰曲线(苏永玲等，2011)。连续降雹主要发生在12—20时，高峰值在14—16时(121站，33%)。午后这时段地表吸收了一定的太阳辐射能量，空气垂直上升加快，形成绝对不稳定层结，为降雹强天气的产生创造了条件。

3.2 连续降雹空间分布特征

华北整个地势由西北向东南倾斜，高原和山地所占面积很多。从16次连续性降雹次数的空间分布(图 8)来看，有以下特点：连续降雹随地势高低从京津冀西北部像东南方向递减，山区要多于平原。同样是山区，北部的山区多于南部的山区。连续降雹大值中心主要集中在京津冀地区的西北部、东北部及中西部山区，海拔基本在800 m以上。连续降雹次数最多的是河北赤城站，达到了30次，赤城县平均海拔1000 m左右，整个地势由西北向东南倾斜下降。

3.3 冷涡背景下连续降雹个例挑选

为统计冷涡背景下京津冀地区连续降雹的特征，挑选了2000—2011年4—9月冷涡背景下京津冀地区连续降雹的站数在10站以上的连续降雹过程(表 2)，共有16个个例，均是发生在5—8月，6、7月各有6例，5、8月各有2例。16个个例中有13例连续降雹日数持续3 d以上的，影响范围较广；有3例连续降雹日数为2 d，影响范围相对较小。连续降雹总站数在10站左右的有7例，在20站以上的有9例(其中连续降雹总站数达到50站以上的有3例)。特别是2001年6月12—22日这次过程，连续降雹总站数有80站，连续降雹日数达到了11 d，日降雹最多站数达到了15站。此次过程冷涡移动较为缓慢，500 hPa上，50°N以北、贝加尔湖到东北以西为阻塞高压，从鄂霍次克海经东北至华北为一横槽，横槽中有闭合的低中心，与此配合的冷温度槽明显。850 hPa上，在河北地区有低涡或切变线，温度场上为暖脊。之后冷涡向东移动缓慢，受阻塞高压影响，从冷涡分裂出新的低压中心直接影响到京津冀地区，低压中心东移与冷涡合并，冷涡后部横槽继续影响到华北地区。受冷涡和横槽带来的冷空气的共同影响，造成京津冀地区连续11 d的降雹。在冷涡的发展期京津冀降雹主要位于冷涡中心的东南方向，在冷涡成熟阶段，冷涡东移，京津冀地区处于冷涡中心的西南方向，降雹位置向京津冀地区的东、南扩展。6月15日降雹站数最多，为15站。

根据连续降雹总站数与日数，我们可以得到日平均降雹站数最多的是2005年5月31日至6月2日这次过程，日平均降雹站数达到了13站，说明此次过程影响范围较广；而日平均降雹站数最少的是2011年7月12—17日，仅为2站，影响时间虽较长，但影响范围不大。单日降雹站数最多的是2000年5月17—19日、2005年5月31日至6月2日、2005年6月7—14日这3次过程，均达到了23站，单日降雹影响范围较广。

3.4 连续降雹与冷涡的生命史及发展阶段关系

16个个例均在长生命史冷涡背景下影响发生的(表 3)，长生命史冷涡的存在是连续降雹的持续性的重要条件。结合表 2与表 3可以看到，连续降雹日数与冷涡生命史相关，冷涡生命史愈长，连续降雹的天数愈长。冷涡在旋转、东移过程中不断有冷空气分离南下，中层干冷空气明显，冷空气侵入中高层促进层结不稳定，降雹过程地面几乎都伴有冷锋，触发对流，进而造成连续数日的降雹。之前对于冷涡的统计得到2000—2011年冷涡个数略有增加，但降雹却呈现递减的趋势，冷涡虽然是降雹的一个主要影响系统，但是影响降雹的因子较多，例如0℃与-20℃的高度等，这些因子的变化特征及冰雹过程减少的原因还需要做进一步的分析。

降雹能够发生在冷涡的发展、成熟、消亡的各个时期，但是发生在冷涡发展、成熟期连续降雹过程出现的几率大些(表 3)。当冷涡逐渐减弱，闭合等值线消失，槽后还有源源不断的冷空气补充，依然能够带来连续降雹，例如2001年8月23—25日这次过程，受冷涡中心消散后的槽的影响，发生了连续3 d的降雹。白人海等(1997)的研究也曾指出，中尺度天气多发生在冷涡发展和维持阶段, 即温压结构不对称、大气斜压性强时，而在冷涡减弱时相对较少。连续降雹在冷涡各个发展时期的发生影响范围有所不同。在冷涡成熟期发生的降雹有313站，要多于发展期的92站，消亡期发生最少，为54站(图 9)。发生在发展期的降雹日数有22 d，成熟期有42 d，消亡期有9 d，得到冷涡在各个阶段的降雹测站的平均数，分别为发展期4站，成熟期7站，消亡期6站。发生在成熟期的连续降雹日平均降雹站数最多，消亡期产生降雹总站数较少，但是消亡期连续降雹日平均站数却较大。

3.5 连续降雹与冷涡中心的距离及方向关系

在统计中发现发生连续降雹的位置与冷涡中心的距离主要在200~1200 km(图 10)。高值区在600~800 km之间，其次是400~600和800~1200 km。易笑园等(2010)研究指出冷涡中心距研究代表点的距离(L)与强对流天气的强弱有关，弱对流过程时，L>1260 km。本文得到的结果中虽然有距离>1260 km，但是个数较少。

在统计分析中发现，京津冀地区发生降雹时处于冷涡的中心偏南方向。这是因为冷涡的南部为上升区，通常是冷暖空气的交界处，也是暖湿舌的后部，从高度场看位于风切变处，地面对应于低压或冷锋。冷涡西部常有冷空气不断补充南下，有利于冷涡的西、西南、南到东南部发生强对流天气。

3.6 冷涡对连续降雹的影响分类

将冷涡对于京津冀地区的连续降雹影响大致分为是直接影响(即冷涡中心闭合等压线能够影响到京津冀地区)、冷涡中分裂冷空气影响(即冷涡的低压槽能够影响到京津冀地区)、冷涡后部横槽影响(即冷涡处于京津冀东北部，从日本海到华北存在横槽)。其中有13例会受到冷涡直接影响，有12例会受到冷涡后部横槽影响，有3例受到冷涡中分裂冷空气影响，因此冷涡后部横槽影响产生强对流天气是不容忽视的。统计得到(图 11)16个个例中受冷涡直接影响的日数和站数分别为43 d和306站，冷涡中分裂冷空气影响的日数和站数分别为5 d和17站，冷涡后部横槽影响的日数和站数为30 d和135站。因此京津冀地区连续降雹主要受冷涡直接影响和冷涡后部横槽影响。随着冷涡系统向东向南方向移动，16个个例冰雹落区均是向东向南移动扩展。

3.7 连续降雹与冷涡移动关系

冷涡移动的快慢及原地旋转与京津冀地区发生降雹处于冷涡中心位置相关，故根据冷涡移速及冷涡的不同发展阶段将冷涡分为3类：A类指冷涡快速移动，移动距离24 h达到5个经距；B类指冷涡移动缓慢或维持在原地；C类指冷涡中心闭合线消失后，高空槽依然能影响到京津冀地区产生降雹。

表 3可见，在这16个个例中有5个个例是冷涡向东南方向移动(A类)；有8个个例是冷涡基本维持在原地或缓慢东移(B类)；有3个个例冷涡维持一段时间后，逐渐减弱，闭合等值线消失，受高空槽的影响也发生降雹天气过程(C类)。例如2001年6月12—22日这次过程，冷涡缓慢向东移动，在19日之后冷涡中心消散后，横槽继续影响到京津冀地区，造成降雹, 这次过程连续降雹日数达到了11 d，总站数80站，而在冷涡消亡期中连续降雹日数为3 d，降雹站数达到了22站。

为了更清楚地了解冷涡移动对于连续降雹的影响，选用了动态合成方法。采用移动的格点坐标，经纬范围30°×20°和40°×20°。本章参考Gray(1979)的合成方法，后来一些研究者将此方法运用到台风中，得到了较好的研究结果，公式如下：

$ {\bar S_t}\left({x, y} \right) = \frac{1}{N}\sum\limits_{n - 1}^N {{S_t}\left({x, y} \right)} $

式中, $ {\bar S_t}\left({x, y} \right) $为样本平均场，S_t(x, y)为t时刻物理量场，本文的t=1，即只有一个时刻，(x, y)为所选区域的坐标，N为样本个例总数。在动态坐标中，系统的中心位置始终是位于研究区中心的。这种合成方法的物理意义与一般意义的合成显著不同，此方法可以减少在平均时造成样本物理量的相互抵消作用，在合成过程中避免因将各系统之间混合一起导致合成结果被平滑，使得系统结构保持相对的完整。

资料时段为2000—2011年4—9月的NCEP再分析资料，时间分辨率为6 h，空间分辨率1°×1°。通过选取A类每例中的其中3 d的06 UTC时分别进行动态合成(图 12)，并将5个个例冷涡中心位置取平均，得到京津冀地区与冷涡中心的位置关系。我们可以看到连续降雹的位置从冷涡中心位置的第Ⅳ象限移动到第Ⅲ象限。当京津冀地区处于冷涡中心的东南方向时，温度场落后于高度场，京津冀地区处于槽前上升区，冷暖空气交汇，产生降雹；冷涡向东移动24 h左右后，冷槽加强为冷中心，京津冀受到槽后干冷空气影响促进层结不稳定，触发对流天气，产生降雹天气。冷涡继续东移仍然受到冷空气影响，京津冀地区依然能产生降雹。

选取B类每例中的其中3 d的06 UTC时分别进行动态合成(图 13)，同样将8个个例冷涡中心位置取平均，得到京津冀地区与冷涡中心的位置关系。温度场落后于高度场，冷槽带来冷空气南下，冷涡移动缓慢或维持在原地旋转一段时间，冷槽加强为冷中心，与A类不同的是温度场依然落后于高度场，有可能也是冷涡能够维持较长时间的原因之一。冷涡位于京津冀地区的以北地区，冷涡后部不断有冷空气补充，进而给京津冀地区带去影响范围较广的连续降雹过程，降雹位置处于冷涡中心偏南方向。

冷涡维持一段时间后，冷涡中心闭合线消失后受到高空槽的影响发生降雹(C类)。选取C类每例中2 d的06 UTC时次进行了动态合成(图 14)，因高空槽影响范围较广，将冷涡中心消散后高空槽的动态合成经纬范围取为40°×20°。冷涡东移过程中，京津冀地区受冷涡影响在冷涡中心的偏南方向产生降雹，而在冷涡中心闭合线消失后，高空槽后又有新的冷空气中心形成，仍然能给京津冀地区补充冷空气，降雹位置由冷涡中心位置偏南方向甚至西南方向移到高空槽后位置。由此可见在冷涡移动的各个时期都能产生降雹，给预报工作带来较大的难度。对于冷涡不同移速对降雹位置产生的影响及原因有待进一步的研究。

4 结论与讨论

本文重点研究分析了2000—2011年4—9月冷涡天气系统及其背景下京津冀地区连续降雹天气过程的统计特征，得到下面几点结论：

(1) 冷涡的时空分布特征：2000—2011年4—9月冷涡生成的个数略呈增加趋势，主要发生在东北地区到贝加尔湖以东地区，长生命史冷涡占到70%。京津冀地区的降雹主要为长生命史冷涡背景下连续降雹过程。

(2) 冷涡背景下京津冀地区连续降雹过程的时空分布特征：连续降雹过程具有明显的日变化，主要发生在12—20时，高峰值在14—16时。连续降雹次数从西北向东南方向随高度递减，山区多于平原，北部多于南部。

(3) 冷涡与连续降雹的关系：连续降雹能够发生在冷涡的发展、成熟、消亡期等各个时期，发生在成熟期的日平均降雹站数最多，在消亡期的降雹总站数较少，但是消亡期连续降雹日平均站数却较大；连续降雹主要是位于冷涡中心的偏南方位；连续降雹的位置与冷涡中心的距离大约在偏南地区的200~1200 km，主要集中在600~800 km之间。可能与这些区域冷涡中尺度活动比较频繁，高低层配置有利于降雹发生有关。降雹主要受冷涡直接影响和冷涡后部横槽影响。在不同移速的冷涡背景下产生的连续降雹位置距离冷涡中心南部的位置不同。在快速移动的冷涡背景下，连续降雹开始产生于冷涡的东南部，随着冷涡的移动，连续降雹发生在冷涡的偏南及西南方向。缓慢移动的冷涡背景下，连续降雹主要发生在冷涡的偏南方向。京津冀地区也会受冷涡中心消散后的横槽影响产生降雹。

由于京津冀地区危险报资料时间较短，长期的年际变化特征等方面没有做研究，对于冷涡背景下连续降雹机理有待于做进一步研究，并对不同冷涡类型下连续降雹的差异进行深入的分析。

致谢：感谢河北省气象局在资料方面提供的帮助。