夏季降水通常分为初夏和盛夏降水.近年来，海河流域初夏降水明显增多，且呈现降水过程频繁、局部降水强度较大的特征.这使得对流域初夏降水的预测在整个夏季降水预测中愈加重要，而且预测难度加大.

诊断分析表明，海河流域盛夏降水主要受到热带、副热带系统影响(段丽瑶等，2008；翟颖佳等，2013)，而初夏降水不仅与低纬度的西太平洋副热带高压、厄尔尼诺-南方涛动等环流异常有关，还可能受到中高纬度环流系统的影响(张庆云和陶诗言，1998；Li and Wang, 2003；Ju et al., 2005)，但目前海河流域初夏降水预测对中高纬度系统的关注还较少.

东北冷涡作为东亚中高纬度地区的重要天气系统，其频繁活动能引起明显的气温和降水异常，具有显著的“气候效应”(何金海等，2006a).以往，东北冷涡活动多用于东北当地气温和降水异常的预测和研究(孙力等，2000；何金海等，2006b；Zhao and Sun, 2007)，但近年来诸多研究表明，东北冷涡活动不仅能显著影响东北气候，亦能够引起非局地气候异常，影响到我国南方一些地区降水，如江淮梅雨降水和华南前汛期降水的异常等(孙力等，1994；张庆云等，2001；何金海等, 2006a, 2006b；苗春生等，2006；胡开喜等，2011).因此，开展东北冷涡对海河流域降水异常的影响研究，对提高流域初夏降水的预测能力有积极作用，是十分必要的.

本文着眼于东北冷涡活动最为活跃的初夏，在分析冷涡活动特征的基础上，研究其对同期海河流域降水异常的可能影响及机制，以期为海河流域初夏降水预测提供具有参考意义的结果.

本文选用国家气象信息中心提供的全国738个气象台站逐日降水资料，其中海河流域地区为34站，以及NCEP/NCAR逐日和逐月再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°(Kalnay et al., 1996).

依照孙力等(1994)关于东北冷涡的定义，以满足下列条件的低涡活动为一次东北冷涡天气过程：① 在500 hPa等压面上至少能分析出一根闭合等高线，并有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统；② 冷涡中心出现在35°N—60°N，115°E—145°E范围内；③ 冷涡在上述地区的生命史为三天或三天以上.

定义出现在115°E—125°E，125°E—135°E，135°E—145°E的东北冷涡为西涡、中涡和东涡(段春峰，2012).

海河流域位于东北冷涡活动区域的西南侧，根据上述东北冷涡天气过程条件，统计出1961—2010年初夏(6月，下同)逐年冷涡过程中东北冷涡低压中心在偏西区域(西涡，115°E—125°E)达到的最南位置，如图 1所示.可以看到，这些冷涡中心达到的最南位置集中在38°N—48°N，因此，(38°N—48°N，115°E—125°E)区域可能是反映东北冷涡活动对初夏海河流域降水影响的关键区域.

图 1

Fig. 1

图 1 1961—2010年逐年初夏(6月，下同)东北冷涡500 hPa位势高度低压中心在115°E—125°E区域的最南位置 Fig. 1 Southernmost locations of the low pressure center at 500 hPa during the NECV (Northeast Cold Vortex) events over 115°E—125°E in annual early summer (June, the same below) from 1961 to 2010

据此，本文定义在(38°N—48°N，115°E—125°E)区域内，满足孙力等(1994)界定的东北冷涡天气过程条件的冷涡中心频次标准化值为东北冷涡活动指数(NECVI, Northeast Cold Vortex Index).并统计出1961—2010年初夏标准化东北冷涡活动指数(NECVI).

在统计初夏标准化东北冷涡活动指数(NECVI)的基础上，选取海河流域34站，给出了初夏NECVI指数与海河流域降水量的相关系数，如图 2a所示.可见，海河流域北部的大范围地区为显著正相关区，表明当NECVI值越高(即东北冷涡活动频次偏多)时，海河流域北部初夏降水可能偏多，当NECVI值越低(即东北冷涡活动频次偏少)时，海河流域北部初夏降水可能偏少.如果将海河流域北部地区阴影所覆盖的16个站的平均降水量标准化值定义为初夏海河流域降水指数HRBPI(Haihe River Basin Precipitation Index)，由图 3a所见，HRBPI时间序列与NECVI时间序列具有相似的变化趋势，计算1961—2010年初夏东北冷涡NECVI指数和海河流域HRBPI指数两者时间序列的相关系数可达0.56，通过99.9%的置信度检验，说明初夏东北冷涡活动和海河流域降水确实存在显著的相关关系.

图 2

Fig. 2

图 2 (a) 1961—2010年初夏NECVI指数(标准化东北冷涡活动指数，下同)与海河流域降水的相关分布(圆圈表示海河流域34个台站分布；阴影表示置信度水平达到95%的区域)；(b) 1961—2010年海河流域初夏降水量场EOF第二模态空间分布型 Fig. 2 (a) Distribution of correlation coefficients between the NECVI (Northeast Cold Vortex Index, the same below) and precipitation in the Haihe River Basin during early summer from 1961 to 2010. The circles indicate distribution of 34 stations in the Haihe River Basin. Shaded areas denote the values exceeding 95% confidence level. (b) The second empirical orthogonal function (EOF) spatial mode of precipitation in the Haihe River Basin during early summer from 1961 to 2010

图 3

Fig. 3

图 3 1961—2010年初夏NECVI指数和海河流域降水指数HRBPI时间序列(a)与海河流域初夏降水量场EOF第二模态标准化时间系数(b)的对应关系 上、下箭头分别表示NECVI指数大于、小于一个正、负标准差的年份及其对应的时间系数. Fig. 3 Standardized time series of the NECVI and the HRBPI (Haihe River Basin Precipitation Index) (a) and time coefficient of the second EOF mode of precipitation in the Haihe River Basin (b) during early summer from 1961 to 2010 The up and down arrows denote the years in which the NECVI greater or less than one positive or negative standard deviation respectively and their corresponding time coefficients.

此外，为分析海河流域初夏降水的年际变化时空特征，对1961—2010年流域初夏降水场进行EOF展开.前2个特征向量的累积方差贡献率达到50.9%，可以反映出海河流域初夏降水的主要特征.其中，第一模态(EOF1) 的解释方差为36.9%，其空间分布表现为流域一致变化型(图略)；第二模态(EOF2) 的解释方差为14.0%，其空间分布表现为北正南负的反相变化型(图 2b).当第二模态时间系数为正(负)时，海河流域初夏降水呈现出北多(少)南少(多)的分布特征，这与NECVI值偏高(低)年海河流域北部初夏降水偏多(少)表现出较为一致的空间分布.进一步比较NECVI值与海河流域初夏降水EOF第二模态时间系数的对应关系，如图 3所见，NECVI值大于一个正标准差的6年(图中向上箭头所指，分别为1962，1979，1986，1991，2001，2005年)，流域初夏降水第二模态的时间系数多为较大的正值，即对应典型的海河流域初夏降水北多南少的空间分布，而NECVI值小于一个负标准差的8年(图中向下箭头所指，分别为1965，1970，1981，1982，1990，1994，2007，2010年)中，有4年的时间系数为较大的负值，流域初夏降水呈现出北少南多的分布特点.计算NECVI指数时间序列与海河流域初夏降水第二模态时间系数序列的相关系数达到0.45，通过99.9%的置信度检验，进一步说明初夏东北冷涡活动对海河流域降水的空间分布确有重要的影响.

如上分析，初夏东北冷涡活动在很大程度上影响着海河流域降水及其分布，其中，影响最为显著的区域位于海河下游，即天津地区(图 2a).为进一步研究初夏东北冷涡活动与天津地区降水的关系，计算了初夏NECVI指数与天津地区9台站标准化平均降水量的15年滑动相关系数，如图 4所示.由图可见，在不同时段，NECVI指数与天津地区降水均为正相关，但其相关系数的长期变化仍存在阶段性和跃变现象.自20世纪80年代，NECVI指数与天津地区降水的滑动相关系数开始由弱的正相关期进入显著正相关期.统计1961—2010年历年初夏NECVI值与天津地区降水距平的对应关系发现，50年中，两者符号相同的年份共35年，符号一致率为72%，而在1981—2010年这30年中，两者符号相同的年份多达25年，符号一致率高达83%.上述可见，初夏的东北冷涡活动和天津地区降水不仅存在显著正相关，且这种相关关系在近30年尤为明显.

图 4

Fig. 4

图 4 1961—2010年初夏NECVI指数与天津地区平均降水量的15年滑动相关系数(曲线) 虚线表示相关系数的95%显著性水平. Fig. 4 15-year sliding correlation coefficients (curve) between the NECVI and average precipitation in Tianjin during early summer from 1961 to 2010 Dashed line denotes 95% significance level for correlation coefficients.

东北冷涡的频繁活动，在很大程度上影响着海河流域初夏降水.为更好地理解冷涡活动影响流域降水的可能机制，分析了初夏东北冷涡活动所关联的大尺度环流特征.

选取初夏东北冷涡NECVI指数大(小)于一个正(负)标准差的年份.其中，大于一个正标准差的6年分别为：1962，1979，1986，1991，2001，2005年.小于一个负标准差的8年分别为：1965，1970，1981，1982，1990，1994，2007，2010年.

计算初夏东北冷涡活动异常偏多(NECVI高值)年与异常偏少(NECVI低值)年的位势高度场合成，如图 5所示.在东北冷涡频发性活动的初夏，对流层的高低不同层次(200 hPa、500 hPa和850 hPa)，东亚中高纬度地区均表现为一个北正南负的偶极位势高度异常.其中，正位势异常区域中心位于贝加尔湖北侧，负位势异常区域中心位于海河流域北部，40°N左右.位势高度异常在对流层高低层相似的偶极分布，表明东北冷涡是一个深厚的系统，具有相当正压结构特征.

图 5

Fig. 5

图 5 200 hPa(a)、500 hPa(b)和850 hPa(c)位势高度场在初夏东北冷涡活动异常偏多和偏少年的合成差异(单位：gpm) 阴影表示置信度水平达到95%的区域. Fig. 5 Composite differences in geopotential height at 200 hPa (a), 500 hPa (b), and 850 hPa (c) pressure levels between more and less cold vortex years chosen by early summer over Northeast China (unit: gpm) Shaded areas denote the values exceeding 95% confidence level.

从500 hPa高度场来看(图 5b)，海河流域北部及其以北的大范围地区为负差值区控制.在东北冷涡活动偏多年，上述地区有低压中心发展，有利于该地区气旋性环流增强，海河流域北部地区正好位于该气旋性环流异常的底部，因此偏北气流增强(图 7a)，引导北方冷空气南下，推进至海河流域一带，流域北部为低温区所覆盖(图 6)；而东北冷涡活动偏少年，上述地区为低压填塞或高压发展，与偏多年情况相反.

图 7

Fig. 7

图 7 850 hPa水平风场(a，单位：m·s-1)和整层水汽输送(矢量，单位：kg·m-1·s-1)及其散度(等值线，单位：10-6kg·m-2·s-1)(b)在初夏东北冷涡活动异常偏多和偏少年的合成差异 阴影表示置信度水平达到95%的区域. Fig. 7 Composite differences in 850 hPa winds (a) (unit: m·s-1) and the whole layer water vapor transportation (vector, unit: kg·m-1·s-1) and its divergence (contour, unit: 10-6kg·m-2·s-1) (b) between more and less cold vortex years chosen by early summer over Northeast China Shaded areas denote the values exceeding 95% confidence level.

图 6

Fig. 6

图 6 850 hPa温度场在初夏东北冷涡活动异常偏多和偏少年的合成差异(单位：℃) 阴影表示置信度水平达到95%的区域. Fig. 6 Composite difference in 850 hPa temperature field between more and less cold vortex years chosen by early summer over Northeast China (unit: ℃) Shaded areas denote the values exceeding 95% confidence level.

水汽输送对海河流域初夏降水的多少也有十分重要的影响.图 7b给出了初夏东北冷涡活动异常年整层水汽输送及其散度的合成差值场，可见，海河流域地区整层的异常水汽输送，主要源自中纬度西风带(40°N左右)(Simmonds et al., 1999；田红等，2002；梁萍等，2007；周晓霞等，2008).在东北冷涡活动偏多年，源于流域西侧的西风带水汽输送增强，海河流域为水汽辐合区，辐合强度亦增强，为该地区降水增多提供了有利条件；而东北冷涡活动偏少年情况正好相反.

层结状况是影响海河流域初夏降水的另一重要因素.由初夏东北冷涡活动异常年高低不同层次(300 hPa和850 hPa)的合成相对湿度差值场可以看出(图 8)，在东北冷涡活动偏多年，低层(图 8a)海河流域北部至东北的大范围地区相对湿度明显增大，而在高层(图 8b)，包括海河流域北部地区在内的我国北方大部分地区为负值区，表明这些地区相对湿度减小，这就在海河流域尤其是其北部形成了“上干下湿”的高低空配置，加剧了该地区的不稳定层结，有利于流域北部降水增多.东北冷涡活动偏少年情况相反.

图 8

Fig. 8

图 8 850 hPa(a)和300 hPa(b)相对湿度场在初夏东北冷涡活动异常偏多和偏少年的合成差异(单位：%) 阴影表示置信度水平达到95%的区域. Fig. 8 Composite differences in relative humidity at 850 hPa (a) and 300 hPa (b) pressure levels between more and less cold vortex years chosen by early summer over Northeast China (unit: %) Shaded areas denote the values exceeding 95% confidence level.

除此之外，垂直运动也影响着海河流域初夏降水.为研究其运动特征，对初夏东北冷涡活动异常年的700 hPa垂直速度场进行差值合成，如图 9所示，东北至华北的大范围地区为差值上升运动区所覆盖，其中东北至华北北部的差值上升运动尤为显著.因此，在东北冷涡活动偏多年，海河流域对流层低层上升运动发展，且流域北部强于南部，这为流域北部地区初夏降水偏多提供了必要的动力条件；而在东北冷涡活动偏少年，整个流域对流层低层上升运动减弱、下沉运动发展，使得该地区降水偏少.

图 9

Fig. 9

图 9 700 hPa垂直速度场在初夏东北冷涡活动异常偏多和偏少年的合成差异(单位：10-3Pa·s-1) 阴影表示置信度水平达到95%的区域，浅色表示显著上升运动，深色表示显著下沉运动. Fig. 9 Composite difference in 700 hPa vertical velocity field between more and less cold vortex years chosen by early summer over Northeast China (unit: 10-3Pa·s-1) Light (dark) shadings denote ascending (descending) motion with 95% confidence level.

综上所述，得到东北冷涡活动影响海河流域初夏降水的可能机制：在东北冷涡活动偏多年，东北冷涡引导北方“干冷”空气南下推进至海河流域北部，伴随该地区源自西风带水汽输送和水汽辐合的增强，形成了“上干下湿”的不稳定层结，在上升运动的触发下，导致海河流域北部地区初夏降水偏多；而东北冷涡活动偏少年情况正好相反.

近年来海河流域初夏降水增多，对流域初夏降水的预测难度也有所增加.本文着眼于东北冷涡这一东亚中高纬度地区的重要天气系统，关注其发展变化对海河流域初夏降水的影响，并分析了可能的影响机制，得出如下结论：

(1) 初夏东北冷涡活动和海河流域降水存在显著的相关关系，对海河流域降水的空间分布也有重要影响.当东北冷涡活动偏多(少)时，海河流域北部初夏降水可能偏多(少)，这与时间系数为正(负)时海河流域初夏降水EOF第二模态北多(少)南少(多)的空间分布型较为一致.

(2) 初夏东北冷涡活动影响海河流域降水最显著的区域位于海河下游，即天津地区.在近30年(1981—2010年)，东北冷涡活动频次指数(NECVI指数)与天津标准化降水距平两者之间的关系进入显著正相关期，其符号一致率高达83%.

(3) 在东北冷涡活动偏多年，东北冷涡引导北方“干冷”空气南下推进至海河流域北部，伴随该地区源自西风带水汽输送和水汽辐合的增强，形成了“上干下湿”的不稳定层结，在上升运动的触发下，导致海河流域北部地区初夏降水偏多；而东北冷涡活动偏少年情况正好相反.