引言

高空冷涡是东亚地区主要天气系统之一，它是大尺度环流形势在我国东部特定条件下的产物，常给华北、东北、东蒙地区等地造成雷暴、冰雹、短时强降水和暴雨等灾害性天气，因此对我国北方高空冷涡进行研究有十分重要的现实意义（宗志平等，2009；吴迪等，2010；李江波等，2011；马素艳等，2016；符娇兰等，2019）。

冷涡属于比较深厚的系统，从低空到高空都有表现，活动范围包括东北、华北以及东蒙地区，因此可以划分为东北冷涡、华北冷涡和东蒙冷涡（王丛梅和丁治英，2006；王东海等，2007；武威和牛淑贞，2017；蔡雪薇等，2019）。华北、东蒙和东北冷涡的发生、发展、演变及引发的强对流天气有一定的相似性，冷涡的发展受到阻塞高压的影响，两者时间分布具有同步性（郜彦娜和何立富，2013；王宇欣和宋瑶，2014）。Zhang等（2008）研究得到，我国东北20%~60%的暖季降水和53%（22.4%）的雹暴（暴雨）是由冷涡引起的。目前针对东北冷涡的研究较多，其定义也较为完善，气象学者在研究中多采用郑秀雅等（1992）对东北冷涡的定义，即东北冷涡是500 hPa高度上115°— 145°E，35°—60°N范围内出现等高线的闭合圈，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。但该种划分方式为了满足持续3 d以上的条件，在范围的划分上有所扩大，包括了华北地区和东蒙地区。华北冷涡一般多指活动在华北和内蒙古东部附近地区的高空冷涡系统，是造成京津冀夏季突发性强对流天气的重要天气系统（李银娥等，2007；田秀霞和邵爱梅，2008；杨珊珊等，2016）。郁珍艳等（2011）给出了华北冷涡的一种定义方式：500 hPa上110°—130°E，35°—55°N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。丁力等（2004）将东蒙冷涡定义为由西风槽加深切断而成，在500 hPa高度上生成于蒙古国中部，东移过程中，前方受暖脊阻挡，在蒙古东部维持少动的冷性低涡。但与东北冷涡相比，华北冷涡和东蒙冷涡的定义相对还有所欠缺，由于地理分布的关系，两者在区域的划分上还存在一些问题。

本文在前人研究的基础上，结合地理区域的划分，给出东北冷涡、东蒙冷涡以及华北冷涡一种明确的划分方式，统计分析三类冷涡的活动规律，并采用动态合成的方法对比分析冷涡的结构特征和降水分布。

1 冷涡划分、资料和方法

前人研究中一般将冷涡定义为500 hPa高度上出现等高线的闭合圈，且有冷中心或者冷槽相配合，持续存在3 d及以上的低压环流系统，并根据所在区域的不同，给予不同的名称，例如东北冷涡、华北冷涡、东蒙冷涡等。在前人研究的基础上，考虑地理区域的划分，对我国北方的高空冷涡进行定义和划分。在区域的划分上，需要考虑各类冷涡过程实际影响的区域从而进行划分，并且划分区域的方式需要尽可能的简单，例如使用矩形进行划分，方便研究工作的进行，因此几类冷涡的区域会有一定的重叠。这里的重叠区域为过渡区域，考虑到不同冷涡系统之间的演变有一个过渡的过程，因此需要有一个过渡区域，演变过程就在这个过渡区域进行，在该区域的冷涡同时具有两种或者三种冷涡的性质。此外几类冷涡划分区域之间重叠的面积需要尽可能的小，减少冷涡在过渡区域逗留的时间，减少重复的情况，即在某个时间段出现一个冷涡可以同时被命名为多个名称。在时间方面，冷涡需要维持一定的时间，一般是3 d及以上，但考虑到存在一种情况：冷涡整个过程维持3 d以上，但由于其运动在各个划分区域内存在时间不足3 d。针对这种情况，需要对每个区域内的冷涡持续时间进行一定的修改，减少筛选过程中的遗漏。通过对2000—2018年19 a三类冷涡的统计分类，综合考虑各种情况，主要调整定义区域范围和持续时间，将北方三类高空冷涡定义为：

东北冷涡：500 hPa高度上120°—145°E，35°—60°N范围内出现等高线的闭合圈，并有冷中心或冷槽相配合，持续54 h或以上的低压环流系统。

华北冷涡：500 hPa高度上100°—130°E，30°—45°N范围内出现等高线的闭合圈，并有冷中心或冷槽相配合，持续48 h或以上的低压环流系统。

东蒙冷涡：500 hPa高度上100°—130°E，40°—55°N范围内出现等高线的闭合圈，并有冷中心或冷槽相配合，持续48 h或以上的低压环流系统。

为检验上述分类方式的合理性，在按照定义筛选出2000—2018年三类冷涡个例的同时，也筛选出2000—2018年北方高空冷涡（500 hPa高度上100°— 145°E，30°—60°N范围内出现等高线的闭合圈，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）个例进行对比。对比筛选出的490例高空冷涡个例和东北、华北以及东蒙冷涡个例，发现使用上述定义进行筛选，出现遗漏的冷涡个例2个，重复个例13个。

遗漏的个例，即按照高空冷涡的定义可以将其筛选出来，但使用三类冷涡的定义却无法将其筛选出来，其出现主要是由于冷涡过程总体持续时间较短，且在每个区域的活动时间较少，使得该个例在筛选过程中被遗漏。分析2个遗漏个例，2005年12月23—25日，冷涡在东蒙区域北侧生成，活动24 h后进入东蒙区域，在东蒙区域活动18 h后进入东北区域，最后在东北区域维持30 h后消亡。2006年2月20日到23日，冷涡在东蒙区域北侧生成，活动18 h后进入东蒙区域，在东蒙区域活动24 h后进入东北区域，最后在东北区域活动30 h后减弱消亡。

重复的个例，即冷涡在划分的过渡区域活动了较长时间，导致在同一个时间段内同时被定义成两种甚至三种冷涡。为排除冷涡转变过程经过过渡区域的情况（例如东蒙冷涡转变为东北冷涡过程中也会在过渡区域运动一段时间），定义重复时间达到48 h以上的个例为重复个例。最后得到重复个例13个，其中在华北和东蒙过渡区域活动导致重复的为10个，在东北和东蒙过渡区域活动导致重复的为2个，在三者共同过渡区域活动导致重复的有1个。这里重复的13个冷涡属于复合型冷涡，此类冷涡能影响到不同区域，也同时具有多种冷涡的性质。例如位于华北和东蒙过渡区域的冷涡，同时具有华北冷涡和东蒙冷涡的性质，也同时影响华北区域和东蒙区域。

排除重复和遗漏的个例，19 a三类冷涡的475个个例情况在表 1中给出。三类冷涡中东北冷涡最多，华北冷涡最少。而在冷涡转变方面，从表 1中可以看出有大量东蒙冷涡向东移动，最后转变为东北冷涡，此外也存在华北冷涡东移转变为东北冷涡，以及东蒙冷涡向南运动转变成华北冷涡的情况。还存在个别冷涡活动时间较长，多次进行转变的情况，例如存在东北冷涡西移转变为东蒙或华北冷涡，随后又东移变回到东北冷涡的情况。可见三种冷涡之间存在互相转变，转变区域即为三类冷涡的过渡区域，当冷涡通过过渡区域，并在不同的定义区域存在足够时间时，会发生不同冷涡之间的转变。

在冷涡筛选的基础上，将上述冷涡过程分为东北冷涡、华北冷涡和东蒙冷涡三类，存在转变的冷涡按照不同区域进行统计，例如东蒙冷涡转变为东北冷涡的个例，在东蒙区域的时间段按照东蒙冷涡统计，在东北区域的时间段按照东北冷涡统计（因此东北冷涡包含所有单独的东北冷涡个例和冷涡转变个例中的东北冷涡部分; 其他类同），采用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和日降水资料，统计分析2000—2018年19 a三类冷涡的活动规律。根据统计分析的结果，利用动态合成分析方法对三类冷涡的结构和降水特征进行对比分析，动态合成分析公式为：

$ \bar{S}(x, y)=\frac{1}{N} \sum\limits_{i=1}^{N} S_{t}(x, y) $

(1)

其中S_t(x, y)为t时刻的物理量场；S(x, y)为动态合成后得到的样本平均；(x, y)为所选区域的坐标，根据冷涡中心位置进行移动；N为样本总数。动态合成时以500 hPa高度上冷涡位势高度最低值所在的点为合成中心，向东南西北各取20个经纬度，在边长为41个经纬度的正方形区域进行动态合成(孙力等，1995；李爽等，2017）。

在冷涡物理量场的分析中，等熵位涡可以综合反映环流场和热力场的特征（李永生，2016），因此对三类冷涡的等熵位涡进行对比分析。等熵位涡表达式为

$ P=-g\left(f+\zeta_{g}\right)(\partial \theta / \partial p) $

(2)

其中P为等熵位涡，ζ_θ为等熵面上相对涡度的垂直分量，f为牵连涡度，p和θ分别为气压和位温，g为重力加速度。

2 三类冷涡统计特征分析

2000—2018年，按照上述分类方法，除去遗漏和重复的情况，总共筛选出东北冷涡个例418例，东蒙冷涡个例165例，华北冷涡个例28例。对三类冷涡的个例进行统计分析，计算各个月生成的冷涡个数（图 2），可以发现东北冷涡和东蒙冷涡在全年皆可生成，而华北冷涡在12月和2月没有发现。东北冷涡在4、5月生成最多，而在3月和8月生成较少。华北冷涡在5月生成最多，冬季生成较少。东蒙冷涡在5、6、9三个月生成较多，在2、3和11月生成较少。对三类冷涡进行比较，可以发现每月东北冷涡生成个数最多，东蒙冷涡次之，华北冷涡最少，且在夏季东北冷涡和东蒙冷涡数量相差较小，而在冬、春两季两者相差较大。

冷涡是东亚中高纬度地区重要的天气系统，其持续性频繁活动在一定程度上会影响局地和非局地的气候，冷涡活跃年分会带来更多的冷涡降水以及冷涡引发的中小尺度天气过程，冷涡活跃的年份在冷涡活动频繁的地区一般会对应有更多的降水和更低的温度。考察三类冷涡的年际变化特征，如图 3所示。可以看到每年发生的冷涡个例中，东北冷涡数量最多，东蒙冷涡次之，华北冷涡数量最少。东北冷涡年平均生成22个，其中2005年和2018年生成最多，达到28个；而2001年生成最少，为16个。华北冷涡生成较少，其中2006、2009、2013、2018和2019年均没有出现；而在2004、2007和2010年最多，每年有4个生成。东蒙冷涡年平均生成19个，其中2014年生成最少，为5个；而2012年和2018年生成最多，为13个。

分析各个季节冷涡移动过程中冷涡中心经过各经纬度位置的次数（图 4），该数值的大小主要与冷涡存在的时间以及冷涡路径的重合程度有关。可以发现东北冷涡中心主要集中在40°—58°N范围内运动，且夏、冬两季经过区域次数多的大值区较为集中，如果以130°E为分界线，可以看到夏季东北冷涡主要集中在130°E以西，而冬季主要集中在130°E以东，夏季东北冷涡更容易在大陆上徘徊，而冬季相反。春季东北冷涡大值区较为分散，而秋季东北冷涡大值区较少，表明冷涡中心移动位置重合较少。东蒙冷涡在夏季经过区域最为集中，最大集中区域主要位于110°E— 120°E，其他几个季节经过区域较为分散，但主要经过定义区域的东北部。与东北冷涡夏、冬两季有明显的集中区域分界线相比，东蒙冷涡所在区域范围主要集中在大陆上，各个季节集中区域的分布没有明显的分界。华北冷涡出现次数和存在时间在三类冷涡中最少，且中心主要在35°N以北运动，但在在春、夏两也有一些华北冷涡在华北南部区域出现。华北冷涡夏季最为集中，春、秋两季相当分散，冬季因为出现较少，没有得到路径重合的位置。对比来看，春季东北冷涡移动路线重合较多，且分布较为分散，而东蒙冷涡移动路线主要经过定义区域的东北部，华北冷涡路线重合最少；夏季东北冷涡路线主要集中在定义区域的西部，东蒙冷涡路线主要位于定义区域的中部和东部，华北冷涡主要经过定义区域的北部；秋季东北冷涡和东蒙冷涡移动路线都较为分散；冬季东北冷涡主要经过定义区域的东部，而东蒙冷涡定义区域的西南部很少有冷涡经过。

3 三类冷涡合成对比分析

以500 hPa高度上冷涡位势高度最低值所在的点为合成中心，将东北冷涡、华北冷涡和东蒙冷涡所有存在时刻进行动态合成分析，借此考察三类冷涡的结构。图 5a—c给出了三类冷涡在500 hPa高度位势高度场和位温场的分布特征，可以看到三类冷涡都存在明显的等高线闭合圈，东北冷涡和东蒙冷涡的低压中心有冷中心相配合，而华北冷涡的低压中心有冷槽相配合。就强度来看，一般情况下东北冷涡强度最强，合成得到的东北冷涡存在四条闭合等高线，中心的最低位势高度达到5 280 gpm，所在环境平均温度和冷涡中心的平均温度也最低，综合之前的分析结果，可能是由于东北冷涡冬季出现的频率多于华北冷涡和东蒙冷涡；东蒙冷涡强度次于东北冷涡，合成中心出现两条闭合等高线，中心最低位势高度达到5 480 gpm，环境平均温度和冷涡中心平均温度也高于东北冷涡；华北冷涡强度最弱，合成中心有两条闭合等高线，中心最低位势高度达到5 640 gpm，所在环境平均温度相对较高，冷涡中心的冷空气强度也明显弱于东北冷涡和东蒙冷涡，可能是由于华北冷涡在冬季出现较少。从温度梯度角度来看，三者在纬向上的温度梯度相差不大。

考察三类冷涡过程引发的降水情况，为减少东北、华北雨季降水的影响，同时认为冷涡强度达到最大时冷涡附近的降水主要是由冷涡引起的，因此选取冷涡中心位势高度最低的时段进行动态合成分析。图 6给出了冷涡最强时刻涡度、扰动温度、垂直速度的垂直剖面图和315 K等位温面上的等熵位涡分布，可以看到三类冷涡中心位置在从对流层低层到高层都有明显的正涡度区域，且正涡度最大值出现在400 hPa高度附近，且东北冷涡涡度最强，东蒙冷涡次之，华北冷涡最弱。为对比冷涡中心位置与冷暖中心位置的对应关系，对合成区域所在范围做纬向平均，进而求得合成区域的扰动温度，用以得到冷暖中心的位置和强度。结果表明在对流层中、低层，涡度中心对应着冷中心，而到了对流层高层，涡度中心则与暖中心相对应，且冷暖过渡区域恰在涡度最强的400 hPa高度附近。而在强度方面，三类冷涡中、低层的冷中心温度扰动相差不大，而在对流层高层，华北冷涡暖中心的温度扰动稍弱于东北冷涡和东蒙冷涡。考察冷涡垂直运动分布，在冷涡东侧有明显的上升运动区域，冷涡西侧则多为下沉气流，与温度场相配合，可以得到冷涡东侧的上升气流容易将低层暖空气进行抬升。对比三类冷涡，东北冷涡和东蒙冷涡在低层涡度中心主要与上升气流对应，上升运动与下沉运动的分界主要在冷涡中心偏西的位置，而华北冷涡上升运动与下沉运动的分界主要位于冷涡中心位置。315 K等熵面接近500 hPa高度，能较好的反冷涡的环流场和热力场特征，因此采用315 K等熵面进行分析。从315 K等位温面的位涡分布来看，三类冷涡在该高度都存在正位涡的闭合圈，与垂直运动相对应，在正位涡中心左侧以下沉气流为主，而在正位涡中心右侧主要对应有上升运动，考察三类冷涡的位涡强度，可以发现东北冷涡中心位涡最大，东蒙冷涡次之，华北冷涡最弱。

分析冷涡降水的分布和条件，对对流层低层的相对湿度、水汽通量等要素进行分析。图 7给出了三类冷涡最强时刻850 hPa高度上要素的动态合成分布。可以看到，在冷涡强度最强时刻，冷涡在对流层低层也存在明显的闭合环流圈，且有冷中心或冷槽与之配合。从湿度场可以看到，冷涡中心区域为相对湿度高值区，这与冷涡的中心的温度有关，冷涡中心温度低，饱和水汽压相对较小，同等情况下冷涡中心的水汽更容易达到饱和，相对湿度较大。而冷涡中心西侧偏南区域的相对湿度较低，对应的在冷涡最强时刻平均降水量也较少。从水汽通量的角度来看，三类冷涡的东南侧和东侧都有较大的水汽输送，为冷涡东侧提供充足的水汽条件，与图 6的垂直上升运动区域相对应，在三类冷涡的东侧都存在有较大的降水中心。

对比来看，在850 hPa上，东北冷涡强度最强，冷涡中心的平均位势高度最低值达到1 320 gpm以下、平均位温达到266 K，平均相对湿度达到90%；东蒙冷涡次之，冷涡中心的平均位势高度最低值达到1 360 gpm以下、平均位温达到274 K，平均相对湿度达到85%；华北冷涡最弱，冷涡中心的平均位势高度达到1400 gpm、平均位温达到282 K，平均相对湿度达到80%。从相对湿度分布来看，东蒙冷涡和东北冷涡相对湿度较小的干区位于冷涡中心西南侧，但东蒙冷涡湿度梯度更大，干区更加接近冷涡中心，而华北冷涡干区位于冷涡中心西侧。从水汽通量来看，华北冷涡东南侧水汽通量最大，且受南方的水汽影响较大，在冷涡东侧形成有更多的降水，而东北冷涡东南侧水汽通量略大于东蒙冷涡。对应的东北冷涡的降水的大值中心主要集中在冷涡中心东北侧、东侧、东南侧和南侧，华北冷涡降水的大值中心主要集中在冷涡中心东侧，而东蒙冷涡降水的大值中心主要集中在冷涡中心东侧和东北侧，三者的降水强度方面，华北冷涡平均降水强度最大，东北冷涡次之，东蒙冷涡相对较弱。

分析三类冷涡主要降水区域的上升气流和散度分布，沿相对经距为10o的线做垂直剖面图（图 8），可以看到在冷涡主要降水区，对流层中、低层有明显的辐合，对应有强烈的辐合上升运动。以冷涡中心的0°相对纬距为界，在0°线以南的对流层高层以辐散为主，约在200 hPa高度存在辐散中心，而在0°线以北对流层高层以辐合为主。上升气流在上升过程中受冷涡东侧偏南风的影响，在0°相对纬线附近及其北侧区域形成降水大值中心。

考察对流层高层200 hPa的急流和散度的分布特征（图 9），从图中可以发现，在三类冷涡的南侧都存在有高空急流，强度在30~45 m·s^-1，冷涡主要降水区域位于高空急流区域出口区的北侧。受急流的影响，在高空急流出口区对应高层空气的辐散，这解释了在0°线以南对流层高层以辐散为主，同时高层的辐散导致了大气质量的调整，在低层出现辐合上升运动。对比来看，华北冷涡高空急流的平均强度较弱，但急流核更加靠近冷涡中心，同时高空辐散的平均强度也最强，对应在华北冷涡东侧有强降水中心，东北冷涡高空急流相对较强，但急流核位置与东蒙冷涡较为一致，高空辐散区域的强度和分布也较为相似，造成两者降水不同的主要原因还是低层水汽的分布和输送。

综上所述，在结构方面，考察位势高度、温度、涡度、位涡等分布，可以发现在强度方面，东北冷涡最强，东蒙冷涡次之，华北冷涡最弱，而冷涡中心的温度扰动三者强度相当，且在对流层中低层为冷中心，对流层高层为暖中心。在降水方面，对流层高层冷涡中心南侧存在有高空急流，冷涡中心东南侧对应急流的出口区北侧，有明显的空气辐散，低层则有空气的辐合上升运动。对流层低层冷涡中心东侧存在较大的水汽通量，为降水提供充足的水汽，而上升气流将低层的暖湿空气抬升，成云致雨，在冷涡东侧形成降水区域。由于低层湿度分布以及水汽输送强度的不同，三类冷涡的降水大值中心位置有所差别，并且华北冷涡平均降水强度最大，东北冷涡次之，东蒙冷涡相对较弱。

4 结论

本文将中国北方的高空冷涡划分为东北冷涡、华北冷涡以及东蒙冷涡三类，结合地理分布的同时综合考虑多种条件，给出了三类冷涡相应的范围和持续时间，明确了三者的定义，并根据2000—2018年NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料和日降水资料统计分析了三类冷涡的活动规律，利用动态合成分析方法分析三类冷涡的结构和降水特征，得到以下结论：

(1) 利用所给定义对2000—2018年三类冷涡个例进行筛选，并与北方高空冷涡筛选结果进行对比，发现在490例高空冷涡个例中，遗漏的冷涡个例有2个，重复的个例有13个，剩下的475例个例都能较好的被选出和归类，给出的三类冷涡定义较为合理。

(2) 考察三类冷涡在时间上的分布规律，东北冷涡和东蒙冷涡在全年皆可生成，而华北冷涡在12月和2月没有发现。东北冷涡在4、5月生成最多，而在3月和8月生成较少。华北冷涡在5月生成最多，冬季生成较少。东蒙冷涡在5、6、9三个月生成较多，在2、3和11月生成较少。

(3) 利用动态合成分析方法研究冷涡结构，发现东北冷涡平均强度最强，对应有最低的中心气压和温度，东蒙冷涡次之，华北冷涡最弱。对冷涡强度最强的时次进行合成分析，考察位势高度、温度、涡度、315K等熵面位涡等要要素的分布，发现东北冷涡平均强度最强，东蒙冷涡次之，华北冷涡最弱，而冷涡冷中心的温度扰动三者相差不大，华北冷涡对流层上层暖中心强度稍弱。

(4) 分析三类冷涡降水及其成因，在对流层高层冷涡中心东南侧对应高空急流出口区北侧，有明显的大气辐散，低层则有空气的辐合上升。对流层低层冷涡中心东侧有较大的水汽通量，带来充足的水汽，而上升气流将低层的暖湿空气抬升，在冷涡东侧形成降水的主要区域。由于低层湿度分布以及水汽输送强度的不同，三类冷涡的降水大值中心位置有所差别，华北冷涡水汽通量相对较大，有更好的水汽条件，因此华北冷涡平均降水强度最大，而东北冷涡次之，东蒙冷涡相对较弱。