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本文利用较长时间的资料(1965-2007),研究了夏季东北冷涡活动的主要时空分布特征,并揭示了四类东北冷涡活动的关键环流特征和天气影响、形成和维持的物理机理以及季节变化特征。
东北冷涡是东亚地区的一个持续时间较长且较为频繁的系统,冷涡天数在夏季里占到总天数将近三分之一。与东亚急流减弱北移及强西风等值线向急流轴收缩对应,冷涡频数在6月6日附近达到峰值。东北冷涡活跃期为5月1日至6月14日,强冷涡事件主要分布在这一时期。在整个夏季,西太平洋遥相关型(WP)是东北冷涡活动的背景遥相关型,其负位相有利于冷涡的生成和维持。夏季东北冷涡天数存在准两年振荡,这对东北冷涡活动的短期气候预测具有参考价值。另外,夏季的冷涡活动还有显著6年的振荡频率。1965-2007年夏季东北冷涡天数为增加的趋势,以梅雨期(6月15日至7月14日)最为明显。
由于东北冷涡活动存在多样性,其形成和维持的物理机理及天气影响也不同,有必要对这些冷涡进行分类。本文中,基于经验正交函数(EOF)分解及与冷涡活动相联系的阻塞型环流特征,将东北冷涡分为若干类型。东北冷涡在其活跃期可分为贝加尔湖型(BKL)、叶尼塞型(YNS)、乌拉尔型(UR)和雅库茨克/鄂霍茨克海型(YO)四种类型。活跃期的冷涡活动以BKL型和YNS型冷涡为主,其对应的欧亚大陆中高纬异常环流具有Rossby波列特征,波长较短。与UR型和YO型对应的异常环流在整体上表现经向型环流特征,其中与UR型冷涡相联系的异常环流也含有Rossby波特征。在非活跃期,冷涡可分为YNS、UR和YO型三种类型,对应的阻塞型环流位置均偏北,欧亚大陆上空Rossby波列也位于偏高纬度。梅雨期的冷涡活动以UR型为主,盛夏(7月15日至8月31日)三类冷涡活动的出现次数相当。
东北冷涡活动的天气影响不仅在不同类型中存在差异,而且在不同时段也显出不同特征。在活跃期,BKL型、YNS型和YO型在东北地区引起较强的低温现象,并在冷涡峰值日附近引起局地降水。而UR型仅对东北中西部地区产生低温影响,在冷涡峰值日附近导致局地降水。另外,BKL型和YNS型冷涡在其峰值日附近,还使中国南方地区温度的下降;在梅雨期,三类冷涡对东北地区的降温效应有所减弱,但对局地降水过程的影响加强。其中,UR型冷涡主要对东北中北部地区具有降温影响。另外,冷涡环流往往在其减弱阶段转变为“梅雨槽”,对长江中下游降水过程产生重要影响;在盛夏,YNS和YO型冷涡仅对东北中南部地区产生低温影响,而UR型冷涡引起的低温影响在范围和强度上都加强,覆盖了整个东北地区。这一时段,三类冷涡活动对东北地区降水过程的影响都有所加强。特别是,YNS和YO型冷涡活动在其减弱阶段转变为“梅雨槽”,对长江中下游降水过程产生重要影响。
本文主要从Rossby波能量频散和瞬变涡动反馈强迫的角度探讨了不同类型冷涡的形成和维持机理。在活跃期,源自上游阻塞型环流的Rossby波能量频散过程是BKL、YNS和UR型冷涡发展和维持过程的主要原因,不论是移动型(3~5天)还是持续型(5天以上)冷涡过程。至于这三类冷涡上游的阻塞型环流的发展,也与Rossby波的传播有关,但Rossby波的起源位置有所不同。BKL型冷涡的波列起源于斯堪的纳维亚半岛及周围地区,YNS型冷涡的波列起源于北大西洋地区,UR型冷涡的波列起源于格陵兰岛。对于移动型冷涡,瞬变强迫作用主要有利于东北冷涡上游阻塞性环流的维持;而对于持续型冷涡,瞬变强迫还有利于东北冷涡本身的发展和维持。YO型冷涡的发展主要取决于瞬变强迫作用,对于持续型的YO型冷涡而言,东北地区上空的局地瞬变强迫作用更为持久。与东北地区低温效应相对应,冷空气活动较强,局地激发出较强的上传Rossby波。
东北冷涡活动不仅在其天气影响上存在季节性特征,而且其形成和维持的动力学机理也存在季节性特征。首先,在活跃期,欧亚大陆上空的定常涡旋结构以较强的西风气流为背景,波状环流显著。这一时段,源自上游的Rossby波能量的注入,使得东北冷涡活动较为强盛。与此对应,冷涡环流西侧的偏北风强盛,其冷空气影响可到达中国华南地区。在非活跃期,东亚地区上空的定常涡旋结构转变为类似于“梅雨槽”的形态,对应的冷涡结构也东北-西南向倾斜。因此,冷涡在其减弱阶段易于转变为“梅雨槽”,影响长江中下游的降水过程。其次,与活跃期相比,非活跃期欧亚大陆偏高纬地区上空的西风气流波导的位置偏北,对应的纬向Rossby波也在偏高纬地区传播,这使得与冷涡相联系的阻塞型环流生成于偏高纬度东北亚地区上空。同时,由于东亚急流的北进,非活跃期的北地区上空为局地静止波数(Ks)的大值区,源自东北亚地区上空的Rossby波可以经向传播到东北地区,有利于东北冷涡的维持。此外,源自副热带地区的Rossby波也向东北地区经向传播,有利于冷涡的维持;最后,在非活跃期(尤其在盛夏),在准纬向Rossby波能量向东北地区频散较弱的情况下,瞬变波强迫为东北冷涡的形成和发展提供了能量来源,它对各类冷涡的发展均有贡献。