2025, Vol. 51 
2. 五营国家气候观象台，黑龙江伊春 150030；
3. 哈尔滨市气象综合保障中心，哈尔滨 150028；
4. 黑龙江省气象台，哈尔滨 150030
2. Wuying National Climatological Observatory, Heilongjiang, Yichun 153030;
3. Harbin Meteorological Comprehensive Support Center, Harbin 150028;
4. Heilongjiang Meteorological Observatory, Harbin 150030
东北冷涡是发生在中国东北及其邻近地区，具有持续性及准静止性的切断低压，是中国暴雨主要的大气环流形势之一(陶诗言，1980)，常造成中国东北(齐铎等，2020；才奎志等，2022)、华北(郝立生等，2023)、江淮地区(杨吉等，2020)、华南(苗春生等，2006)暴雨、雷阵雨、冰雹(郑永光和宋敏敏，2021)、龙卷(郑永光等，2020)和雷暴大风(吴海英等，2023；曹艳察等，2024)。尽管东北冷涡是天气尺度系统，但是频繁的冷涡活动不仅会影响中期、短期和短时临近天气，也会对短期气候有较大影响，能引起月、季气温和降水异常，有显著的“气候效应”(何金海等，2006；He et al, 2006; 胡开喜等，2011；房一禾等，2022；石晨等，2023)。
东北冷涡识别主要分为主观和客观识别两大类。主观识别方法主要运用逐日(间隔24 h或6 h)的高空天气图进行人工识别(杨旭等，2023)，该识别方法难以完全重复且耗时费力。客观识别方法是基于等压面上位势高度、温度、风等数据，运用计算机技术进行自动识别，效率高，且易于修订，在近些年的东北冷涡研究中运用较多(黄璇和李栋梁，2020；Fang et al, 2021；Lin et al, 2023)。
东北冷涡气候研究主要关注气候特征、气候效应和影响因子(房一禾等，2022；范子琪等，2023)，研究发现：东北冷涡过程年均32.8个，5—6月最多，最长持续时间13 d(阎琦等，2022)；5—8月冷涡活动主要位于48°~53°N、121°~131°E(刘刚等，2015)；东北冷涡平均位置冬季以南北反相为主(刘德昊和朱伟军，2021)，夏季为西北多东南少，年代际变化明显(黄璇和李栋梁，2020)。东北冷涡活动对梅雨(何金海等，2006)、华南降水(苗春生等，2006)和海河流域降水(郝立生等，2023)都有影响。东北冷涡的强度变化可能与北大西洋涛动和西大西洋遥相关型的位相转换(刘德昊和朱伟军，2021)、贝加尔湖至鄂霍次克海阻塞高压(刘刚等，2015)有关，要素场高低空配置、高空急流强度和干侵入都可能影响东北冷涡的维持和加强(杨鎛和王黎娟，2021)。
较早的东北冷涡强度定义关注地面或近地面温度场。何金海等(2006)以东亚地区1000 hPa梅雨期平均气温第一模态时间系数的相反数表征梅雨期东北冷涡强度。苗春生等(2006)从中国160个台站中选取与东北地区5—6月地面温度变率一致的台站，定义其气温均值标准化时间序列的负数为前汛期东北冷涡强度指数。21世纪10年代以来，对东北冷涡强度的研究更关注冷涡的位势高度。杨涵洧等(2012)计算东北冷涡过程每天的冷涡中心30°×30°范围内逐格点位势高度均值，以位势高度均值偏离平均值的程度描述东北冷涡强度。刘刚等(2016)通过计算逐月东北冷涡在500 hPa场的平均态，以最外围闭合等值线高度值为阈值，圈内区域为选定区域，统计冷涡日低于阈值格点数的标准化值，定义为冷涡强度指数。胡鹏宇等(2021)定义东北冷涡强度为冷涡外围闭合等值线与中心位势高度差和两倍温度差的和。黄丽君和崔晓鹏(2023)以东北冷涡中心位势高度表达冷涡强度。受太阳辐射等影响，500 hPa位势高度自身也有年内和日内变化，如果剔除因季节等造成的影响，东北冷涡强度的时空分布特征如何，目前尚还未见到相关研究成果。
以往研究大多基于2.5°×2.5°或1°×1°网格点资料开展，缺少更高时空分辨率资料的分析结果(房一禾等，2022)。为更细致地判识和分析东北冷涡，并剔除因季节等造成的背景差异影响，增加不同时间东北冷涡强度的可比性，本文使用ERA5再分析数据识别东北冷涡，并定义能够剔除季节影响的冷涡强度指数，分析1979—2023年东北冷涡频数、活动范围、强度等特征及其对东北地区气温、降水的影响，为东北冷涡天气气候研究和预报预测业务发展提供参考。
1 数据与方法 1.1 数据东北冷涡的客观识别和气候特征统计分析，采用ECMWF提供的ERA5每日24次定时500 hPa高度场、温度场再分析资料，水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为小时，时间为1979—2023年，空间范围为30°~80°N、90°~170°E。本文采用空间分辨率为0.25°、时间分辨率为小时的资料，对于识别和追踪冷涡更为客观和有效，不易发生冷涡系统遗漏或轨迹间断误判。月气温和降水数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)，取自东北区域40°N以北、120°E以东的20个气象台站(图 1)，区域平均为20个台站的算术平均。
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图 1 东北区域气象台站空间分布 Fig. 1 Spatial distribution of meteorological stations in Northeast China |
考查1979—2023年逐小时500 hPa位势高度场和温度场，发现持续3 d以上的低涡，仅有极少数是没有冷空气配合的低涡系统。因此本文主要基于位势高度场对东北冷涡进行识别，温度场作为辅助判别条件，例如利用温度场判别是否有暖中心配合以剔除台风等热带气旋系统。
东北冷涡的定义参考国家气候中心东北冷涡监测方法(http://cmdp.ncc-cma.net)和Fang et al (2021)识别方法，冷涡中心活动区域取35°~60°N、100°~140°E，逐小时监测一次。低涡环流系统要求500 hPa天气图上至少存在一条闭合等高线(以40 gpm为间隔)，最内圈闭合等高线上各点的纬度、经度平均值对应点为低涡中心，如果连续6 h内有低涡中心，两个低涡中心南北方向距离 < 7个纬距，低涡中心西移 < 7个经距或东移 < 10个经距，并且中心3 h变温的绝对值小于5℃，认为是同一个系统。一次东北冷涡过程至少维持3 d(第一次和最后一次监测到的时间间隔大于等于72个时次)，间断时间不超过6 h判定为连续。监测连续低涡系统路径，如果有暖中心与30°N以南移来的系统配合，则判断其为热带气旋中心，剔除相应时次再予以识别。
1.3 东北冷涡生命期以东北冷涡过程持续时间为生命期，东北冷涡第一次(最后一次)监测出来的时次时冷涡中心对应的位置为生成位置(结束位置)。若某月识别范围内有n个东北冷涡过程，则记当月东北冷涡个数为n；对于跨月东北冷涡，将其记入该东北冷涡日数较多的那个月，若该东北冷涡在两个月的日数相同，则记为前一个月，年统计同此方法。东北冷涡过程月(年)平均持续时间为月(年)内东北冷涡过程持续时间的平均值。
1.4 东北冷涡强度定义东北冷涡生命期内，冷涡中心位置水平10个经(纬)距范围位势高度均值相对于气候期(1991—2020年)位势高度距平的标准化值定义为东北冷涡强度指数，为便于理解，取标准化的负值为东北冷涡强度指数。强度指数越大，东北冷涡强度越强。月(年)东北冷涡强度为当月(年)全部东北冷涡强度指数的算术平均，计算步骤如下：(1)基于500 hPa逐小时位势高度场得到1979—2023年全部东北冷涡过程；(2)统计全部东北冷涡过程中涉及到的冷涡中心记录(时间分辨率为小时)；(3)计算每个冷涡中心记录的水平10个经(纬)距范围位势高度均值；(4)计算气候期1991—2020年分析区域(35°~60°N、100°~140°E)每个格点逐小时水平10个经(纬)距范围位势高度均值；(5)计算30年平均，得到分析区域逐格点、逐小时，水平10个经(纬)距范围位势高度均值的气候平均值场，时间序列为366(d)×24(h)，1979—2023年有11个闰年，计算气候平均时非闰年用365天代替366天；(6)将小时冷涡中心位势高度均值减去逐小时气候均值，得到冷涡中心位势高度距平值；(7)对全部冷涡中心位势高度距平值做标准化得到标准化值，标准化的负值即是冷涡中心强度指数。逐月东北冷涡强度为月内全部东北冷涡过程冷涡强度的平均值。
2 东北冷涡气候特征 2.1 东北冷涡频数变化识别出1979—2023年东北冷涡897个，累计4591 d；气候平均(1991—2020年)的东北冷涡频数为每年20个，没有明显的变化趋势(图 2a)。20世纪90年代初期和21世纪00年代中期东北冷涡过程较多，2005年最多(31个)，其次是1991年(29个)和1993年(27个)；21世纪00年代前期和2010年代相对较少，2004年最少(14个)，其次是1987年、1989年和2015年，均为15个。年内分布暖季多于冷季(图 2b)，其中5—7月较多(全年占比40.0%)，6月最多(全年占比14.8%)，3月最少(全年占比4.1%)。
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图 2 1979—2023年东北冷涡频数(a)年、(b)月分布 Fig. 2 Distribution of (a) annual and (b) monthly northeast cold vortex frequencies from 1979 to 2023 |
东北冷涡过程多年平均(1991—2020年)持续时间为106 h，变化趋势不明显，但年际差异较大(图 3a)，1992年最长(126 h)，1979年最短(93 h)。月平均持续时间(图 3b)4月最短，为94 h；1月最长，为118 h。最长持续时间为322 h，出现在1980年1月。
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图 3 1979—2023年东北冷涡过程(a)年、(b)月平均持续时间 Fig. 3 (a) Annual and (b) monthly average durations of northeast cold vortex process from 1979 to 2023 |
东北冷涡过程持续时间多在1周以内(图 4)，其中在80~90 h的过程最多，超过240 h的极少，仅在1980年、1991年、1993年、2009年和2012年出现过。
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图 4 1979—2023年东北冷涡持续时间的密度分布 Fig. 4 Density distribution of the duration time of northeast cold vortex from 1979 to 2023 |
东北冷涡中心位置高密度区集中分布在分析区域中部(45°~55°N、115°~135°E), 即我国内蒙古东北部和黑龙江省以及紧邻黑龙江省的俄罗斯部分区域(图 5)。东北冷涡开始时冷涡中心出现位置频数最多的区域在分析区域西北部(45°~60°N、100°~120°E)，结束时冷涡中心出现位置在分析区域东边界附近，其中在40°~55°N频数最多。
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图 5 1979—2023年分析区域内东北冷涡(a)过程中及(b)生成、(c)结束时逐小时冷涡中心位置密度分布 Fig. 5 Density distribution of center position of northeast cold vortex (a) during the process, and (b, c) at the time of (b) generation and (c) end in the study area from 1979 to 2023 |
以东北冷涡结束位置相对生成位置的方向表示东北冷涡的移动方向，如图 6所示，分别以第一、二、三、四象限代表东北冷涡向东北、西北、西南和东南方向移动。1979—2023年，东北冷涡以向东移动为主，占比82.8%，其中58.1%是向东南方向移动，24.7%向东北方向移动；向西移动的东北冷涡占比17.2%，其中8.7%是向西北方向移动，8.5%向西南方向移动。
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图 6 1979—2023年东北冷涡结束位置相对生成位置的方向分布 Fig. 6 Azimuth distribution of the end position of northeast cold vortex relative to the generation position from 1979 to 2023 |
以东北冷涡中心位置相对前一个时次中心位置的角度代表东北冷涡逐时移动方向。以东向为0°，45°为间隔(如偏东向，即0°左右各22.5°范围)，统计东北冷涡中心移动方向占比为：偏东向22.1%，东北向6.7%，偏北向4.8%，西北向7.5%，偏西向8.4%，西南向7.0%，偏南向11.8%，东南向31.7%。可见，从东北冷涡逐小时移动方向看，冷涡中心向偏东、东南、东北方向移动的占比为60.5%，向偏南、东南、西南方向移动的占比50.5%，而向西、向北移动的冷涡频数则较少。
在120°E以东、40°N以北区域，即我国东北和俄罗斯远东地区东部，属于东亚大槽活跃区，东北冷涡强度平均偏强，120°E以西则偏弱。东北冷涡在分析区域刚出现时，强度较弱，随着冷涡东移，强度逐渐增强。
图 7为逐月不同网格平均冷涡强度分布。可以看出，夏季(6—8月)整个分析区域一致偏弱，9月分析区域中部向东北方向延伸偏强，10月偏强范围扩大；11—1月大部区域偏强，1月只有西南部、11—12月只有西北部偏弱；2月西南部强度偏弱范围扩大，3月偏弱范围向北部、东部延伸，4月又缩小，5月东北冷涡强度分布均匀，分析区域均较强。在空间分布差异方面，3月分析区域空间差异最大，其次是12月和1月; 6月空间差异最小，其次是5月和8月。
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图 7 1979—2023年逐月东北冷涡强度分布 注：圆点代表冷涡强度大小，红色为正，蓝色为负。 Fig. 7 Monthly distribution of northeast cold vortex intensity from 1979 to 2023 |
东北冷涡强度年内分布冷季强于暖季(图 8a)，其中7月、8月最弱，其次是6月；1月最强，其次是11月、12月、2月。1979—2023年东北冷涡强度呈波动性减弱趋势(图 8b)。从逐月东北冷涡强度趋势系数(图 9)可以看出，3月、6月、7月、9月、10月东北冷涡强度表现出减弱趋势，其中10月减弱趋势显著，通过0.05显著性水平检验[临界值P(a=0.05, n=45)=0.2875]；8月、12月表现出弱的加强，其他月份无明显趋势。
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图 8 1979—2023年东北冷涡强度逐(a)月、(b)年演变 注：图b中虚线为趋势线，通过0.05显著性水平检验。 Fig. 8 (a) Monthly and (b) annual evolution of northeast cold vortex intensity from 1979 to 2023 |
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图 9 1979—2023年东北冷涡强度逐月趋势系数 注：虚线为0.05显著性水平检验。 Fig. 9 Monthly trend coefficient of northeast cold vortex intensity from 1979 to 2023 |
分析东北冷涡环流变化趋势，统计1979—2023年东北冷涡500 hPa中心位置水平10个经纬距范围位势高度梯度、温度梯度和风速大小，结果如图 10所示，可以看出，年平均的东北冷涡中心位势高度梯度、温度梯度和风速都为显著减小趋势(通过0.05显著性水平检验)，这进一步表明东北冷涡呈明显减弱趋势。
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图 10 1979—2023年东北冷涡中心标准化(a)位势高度梯度，(b)温度梯度和(c)风速的变化 Fig. 10 Changes in standardized (a) geopotential height gradient, (b) temperature gradient and (c) wind speed at the northeast cold vortex center from 1979 to 2023 |
统计东北区域(40°N以北、120°E以东)气象台站月降水量、气温与东北冷涡强度的相关系数。东北区域月平均气温与东北冷涡强度相关性较好(图 11)，除5月和10月东北区域月平均气温与东北冷涡强度相关不显著外，其他月份都是显著负相关，东北冷涡强度越强，月平均气温越低。东北区域月平均气温与东北冷涡频数在1月、4月、7月、12月负相关显著(图略)，东北冷涡活动越频繁，相应月平均气温越低；东北区域月平均气温与东北冷涡日数在月际尺度上无显著相关(图略)。
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图 11 1979—2023年东北区域月平均气温与冷涡强度的相关系数 注：灰色圆点为相关不显著，蓝色圆点为负相关显著(通过0.05显著性水平检验)。 Fig. 11 Correlation coefficient between monthly average temperature and northeast cold vortex intensity in Northeast China from 1979 to 2023 |
月平均降水量与东北冷涡强度的相关性较气温偏低(图 12)，仅4月和6月降水量与东北冷涡强度正相关显著，当4月或6月东北冷涡强度较强时，东北区域降水量易偏多。另外，东北区域2月、8月和9月平均降水量与东北冷涡频数正相关显著(图略)；各月降水量与东北冷涡日数都无明显相关(图略)。
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图 12 1979—2023年东北区域月平均降水量与冷涡强度的相关系数 注：灰色圆点为相关不显著，蓝色圆点为正相关显著(通过0.05显著性水平检验)。 Fig. 12 Correlation coefficient between monthly average precipitation and northeast cold vortex intensity in Northeast China from 1979 to 2023 |
Fang et al(2021)在1979—2018年6月期间识别出118个东北冷涡过程，本文同期识别119个，仅有1个东北冷涡过程的差异，说明东北冷涡的水平尺度较大，使用高分辨率资料并不一定会得到更多的东北冷涡个数，1°和0.25°分辨率造成的差异几乎可以忽略不计，可能在过程开始、结束时间以及开始、结束位置方面会有些差异。
本文分析的东北冷涡年内分布特征，与前人研究的东北冷涡在5月、6月最多以及3月最少的结论(刘刚等，2015；房一禾等，2022)一致。东北冷涡过程持续时间多在1周以内，其中在80~90 h(3~4 d)的过程最多，与已有研究结果(阎琦等，2022；郝立生等，2023)一致。
东北冷涡中心位置频数最多的区域为45°~55°N、115°~135°E，阎琦等(2022)统计指出45°~55°N、120°~130°E区域东北冷涡中心相对密集，刘刚等(2015)统计5—8月东北冷涡活动集中在48°~53°N、121°~131°E，孙力等(2002)研究指出东北冷涡密集区位于大兴安岭背风坡东北平原北部和三江平原，都在本文研究的冷涡频数最多范围内。
本文以逐小时冷涡中心10个经(纬)距范围位势高度相对气候态偏差表征东北冷涡强度，得出冷涡强度冷季强于暖季的结论，黄丽君和崔晓鹏(2023)及阎琦等(2022)研究结果虽然与此结论一致，但相关定义不同。本文通过计算冷涡中心逐小时位势高度相对气候平均值的偏差，去除了500 hPa背景场时空分布差异的影响，使得东北冷涡强度在时间和空间尺度上有可比性，结果更客观。
4 结论(1) 1979—2023年，东北冷涡频数没有明显的变化趋势，20世纪90年代初期和21世纪00年代中期东北冷涡过程较多，21世纪10年代相对较少。年内分布6月最多，3月最少。东北冷涡平均持续时间4 d，4月最短，1月最长。
(2) 东北冷涡开始出现时多位于分析区域的西北部(45°~60°N、100°~120°E)，最后出现时多位于分析区域东边界140°E附近的40°~55°N，东北冷涡中心位置主要集中分布在45°~55°N、115°~135°E。东北冷涡以向东和向东南方向移动为主。
(3) 以120°E为界，以东的东北冷涡强度平均偏强，以西偏弱；东北冷涡强度年内分布冷季强于暖季，分析区域3月空间差异最大，6月最小。1979—2023年东北冷涡强度减弱趋势显著，年平均东北冷涡中心位势高度梯度、温度梯度和风速减小，即冷涡环流也表现出显著的减弱趋势。
(4) 东北冷涡强度与东北区域大多数月份的气温呈显著负相关，东北冷涡强度越强，月平均气温越低；与4月和6月降水量呈显著正相关，东北冷涡强度较强时，东北区域降水量易偏多。2月、8月和9月东北冷涡频数与降水量正相关显著；1月、4月、7月、12月东北冷涡频数与气温负相关显著。
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