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^[1-3]，此类冷低涡经常从西风带中切断出来。郁珍艳等^[4]将华北冷涡定义为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, 本研究也采用此定义。华北冷涡常给我国北方地区带来大风、冰雹、暴雨、雷暴、飑线等强对流天气^[5-7]。由于其突发性强、影响范围大而且往往会持续数天，导致受影响地区严重的经济损失和人员伤亡，如2005年5月31日北京局地强冰雹、“96·8”河北特大暴雨及洪水、2005年5月25日赤峰市龙卷风等。统计发现，北京接近70%的雷暴大风与冷涡有关^[8]。

华北冷涡同中纬度温带气旋的发生、发展不同，温带气旋是发生在中低层的低压系统，通常在地面有对应的地面气旋，其快速发展主要是由于斜压扰动^[9-10]；而华北冷涡属于中高层的深厚冷性低涡系统^[11-12]，影响其发生、发展的因子被认为有多种：Petterssen等^[13]认为高空涡度平流是其发展的主要影响因子；丁一汇等^[14]、王欢等^[15]、郁淑华等^[16]则指出，500 hPa冷空气入侵是冷涡发生、发展的动力条件之一；Hsieh^[17]分析表明, 冷涡的发展和加强主要取决于沿冷中心四周和上部的风场是否维持和加强，如强西风带进入冷涡北部时冷涡气旋性风场将减弱，使得冷涡迅速消亡。对于冷涡影响下的强天气发生、发展条件，已有不少学者进行了研究：陶诗言等^[18]将卫星云图上的华北冷涡划分为预兆、发生、成熟、消散4个阶段，指出在成熟阶段降水范围和强度达到最大；刘英等^[19]则指出在冷涡的发展、维持以及消退期均可发生强对流天气；孙力等^[20]对16个东北冷涡降水个例的合成对比分析后发现，暴雨类冷涡其暴雨发生在冷涡发展阶段，而非暴雨类冷涡的暴雨通常发生在成熟阶段；张云等^[21]提出暴雨也可能发生在冷涡的衰退阶段；Hsieh^[17]给出了与高空冷涡相联系的降水分布, 构成冷涡的云以对流云为主，大多位于冷涡中心的东侧。由于华北冷涡在不同季节和不同发展阶段上其动力、热力结构及天气特征等方面存在差异，但到目前为止，相关研究成果鲜见报道。2011年7月12—20日一次华北冷涡天气过程在内蒙古东北部附近地区和华北西部长时间回旋，给华北地区造成长达9 d的雷雨天气，部分地区出现雷暴大风和冰雹，其持续时间之长十分罕见。本文利用常规天气资料、地面危险天气报资料、逐小时自动站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料, 对此次冷涡过程分阶段探讨冷涡的天气特征及动力热力结构，对其在发展阶段及减弱阶段的维持机制进行深入分析，以揭示其阶段性特征，为精细化预报提供参考。

2011年7月12—20日是一次生命史超长、移动路径特殊、对流性天气频繁发生的华北冷涡过程。从生成到消亡持续9 d，给内蒙古东部、华北等地带来持续性雷雨天气，部分地区出现雷暴大风和冰雹。分析表明 (图 1)，此次冷涡系统7月12日20：00 (北京时，下同) 生成于内蒙古东北部附近地区，500 hPa位势高度场出现闭合中心，其后部有温度槽配合；其后可划分为3个阶段：7月13—15日冷涡系统在蒙古国东部地区回旋，温度槽落后于高度槽，冷中心维持在-12℃左右，500 hPa冷涡平均中心强度为5720 gpm，冷涡处于发展阶段；16—17日冷涡向西南方向大幅移动，500 hPa冷涡平均中心强度为5745 gpm，相应的冷中心强度为-10℃左右，为移动阶段；18日20：00—20日08：00冷涡进入华北西部，此后回旋少动，温度槽逐渐赶上高度槽，冷中心减弱至-8℃左右，冷涡强度也随之减弱至5760 gpm，为减弱阶段；至20日20：00冷涡系统填塞消亡。

图 1

图 1. 2011年7月12—20日500 hPa冷涡中心移动路径 (a) 及冷涡中心强度和冷中心强度日变化 (b) Fig 1. The cold vortex center moving path (a) and daily variation of cold vortex center intensity and cold center intensity (b) from 12 July to 20 July in 2011

由冷涡活动期间降水量分布图和危险天气分布图 (图略) 可以看出，发展和减弱阶段的降水主要集中在内蒙古东北部、华北和东北南部，但发展阶段的降水量级明显弱于减弱阶段，发展阶段的过程降水量多为25~50 mm, 而减弱阶段多为50~100 mm，有的甚至达到100~200 mm。发展阶段雷暴天气主要分布在华北中北部、辽宁和内蒙古东部，其中18个站出现大风天气，7个站出现冰雹天气，且7月15日在华北地区引起的强对流天气最强烈。减弱阶段有17个站出现短时强降水，主要分布与东北西北部、内蒙古东北部的中部和华北西部；只有1个站出现大风天气，2个站出现冰雹天气。可以看出，发展阶段以对流性大风、冰雹天气为主，减弱阶段以短时强降水为主。

此次华北冷涡是由高空冷槽切断形成的，前期 (发展阶段) 在内蒙古东北部发展加强，回旋少动，后期 (减弱阶段) 西移南下进入华北地区，逐渐减弱消亡。由发展阶段和减弱阶段的平均形势场图 (图 2) 可以看出，发展阶段500 hPa冷涡中心位于47.4°N，115°E，中心强度达到5720 gpm，温度槽落后于高度槽，有冷中心与之相配合，冷中心强度为-10℃；200 hPa冷涡位于高空急流出口区的北侧，高空急流发展比较完整，急流中心超过40 m/s；850 hPa有强暖温度脊存在，有两条近似东西向的暖式切变线，位于内蒙古东北部和东北地区南部，切变线附近对应着气流的辐合，利于不稳定能量的积累。减弱阶段，500 hPa冷涡中心位于39.1°N，112.6°E，中心强度为5760 gpm, 温度槽和高度槽几乎重合，有冷槽与之配合; 200 hPa急流很弱，冷涡中心东南侧只有大风核存在，风速中心超过32 m/s，范围小；850 hPa暖脊明显减弱，存在东南和东北风的暖式切变线，低层东风有利于东部海区水汽向华北和东北地区输送，为降水提供了良好的水汽条件。

图 2

图 2. 冷涡发展阶段和减弱阶段500 hPa, 200 hPa, 850 hPa环流形势 (实线为高度场，单位：gpm; 虚线为温度场，单位：℃; 阴影为200 hPa水平风；850 hPa环流场虚粗线为温度脊，粗实线为切变线) Fig 2. 500 hPa, 200 hPa, 850 hPa geopotential height (solid line, unit:gpm), temperature (dash line, unit:℃), 200 hPa wind speed (the shaded), 850 hPa warm ridge (thick dash line), shear line (thick solid line) in the development stage and the weakening stage

由此可知，此次冷涡为深厚的冷性系统。发展阶段，温度槽落后于高度槽使得冷涡不断发展加强，850 hPa有强暖温度脊存在，为低层暖高层冷的不稳定结构，有利于强对流天气的发展，高层高空急流发展比较完整；减弱阶段，850 hPa虽然有切变线存在，但暖脊明显减弱，导致对流条件减弱，由于低层水汽条件的增强，有利于降水的发展加强。

冷心结构是华北冷涡的主要特征之一，为了揭示冷涡的热力结构特征，给出沿冷涡中心的温度场和位势高度场距平的纬向垂直剖面图 (图 3)，其方法为先计算研究区域垂直方向每层的温度和位势高度平均值，再用每层上各点的温度和位势高度值减去同层的相应平均值，最后将不同时间段相应值求平均^[22]。可以看出, 发展阶段 (图 3a) 位势高度距平中心位于250 hPa附近，中心值在-136 gpm以下, 200 hPa以下冷涡中心上空为一致的温度负距平，负距平最大区位于300~400 hPa，有两个中心存在，分别位于300 hPa和700 hPa附近，强度为-4℃和-3℃。冷涡南侧700 hPa以下为暖距平，暖中心位于边界层，距冷涡中心6个纬距。减弱阶段 (图 3b) 位势高度距平中心也位于250 hPa附近，但强度偏弱，中心值在-88 gpm以下。温度负距平最大区也位于300~400 hPa，强度略弱，为-3℃。冷涡北侧700 hPa以下为暖距平区，暖中心距冷涡中心3个纬距。

图 3

图 3. 沿发展阶段 (a) 和减弱阶段 (b) 冷涡中心温度距平 (等值线，单位：℃; ) 和位势高度距平 (阴影) 的经向垂直剖面图 Fig 3. Meridional section of temperature anomaly (contour, unit:℃) and height anomaly (the shaded, unit:gpm) along the cold vortex center in the development stage (a) and the weakening stage (b)

由沿冷涡中心经向风和垂直速度纬向剖面图 (图 4) 可以看到，发展阶段 (图 4a) 冷涡西侧以北风为主，大值区位于200 hPa附近，离中心比较远；冷涡东侧为南风，风速随高度加强；南风大值中心位于250 hPa附近，达到16 m/s，低层700 hPa以下主要为东南风；零风速线代表了冷涡的轴线，700 hPa以下斜压结构明显，700 hPa以上为正压结构；垂直上升运动区主要位于冷涡中心附近及冷涡东部。减弱阶段 (图 4b) 西侧北风大值中心增大，超过18 m/s，离中心较近；东侧中高层的南风风速增大，南风大值中心仍位于250 hPa附近，为26 m/s；斜压结构与发展阶段类似，但中心斜压性减弱；冷涡中心东侧3~7个经距处500 hPa以下为下沉运动，最大上升区距冷涡中心8个经距。

图 4

图 4. 沿500 hPa冷涡中心发展阶段 (a) 和减弱阶段 (b) 经向风速 (等值线，单位：m/s) 垂直剖面图 (阴影为垂直上升区) Fig 4. Vertical cross-section of meridional wind (black line, unit:m/s) along the cold vortex center in the development stage (a) and the weakening stage (b)(the shaded denotes ascending motion)

分析表明，发展阶段和减弱阶段700 hPa以下斜压结构明显，700 hPa以上为正压结构，其东侧均为主要的上升运动区，但减弱阶段冷涡中心东侧3~7个经距处500 hPa以下为下沉运动，且低层700 hPa以下东南风明显增大。

冷涡是一个天气尺度的正涡度系统，由沿500 hPa冷涡中心的相对涡度经向剖面图 (图 5) 可以看到，发展阶段 (图 5a) 涡度最大值位于300 hPa附近，中心值达到8×10^-5s^-1，800 hPa以上为一致的正涡度，500 hPa涡度值为7×10^-5s^-1，冷涡中心涡度随高度几乎垂直，向南略倾斜; 减弱阶段 (图 5b) 涡度最大值位于250 hPa附近，为14×10^-5s^-1，较发展阶段增强，500 hPa涡度值为3×10^-5s^-1，500 hPa涡度值较发展阶段减小。

图 5

图 5. 沿500 hPa冷涡中心发展阶段 (a) 和减弱阶段 (b) 相对涡度的经向垂直剖面图 (等值线为涡度，单位：10-5s-1；阴影为正涡度) Fig 5. Meridional cross-section of the relative vorticity (contour, unit:10-5s-1; the shaded denotes the positive value) along the cold vortex center in the development stage (a) and the weakening stage (b)

分析表明，发展阶段和减弱阶段冷涡系统深厚，减弱阶段涡度大值中心比发展阶段向对流层上层抬升，但中低层涡度值减弱。

相对湿度反映了空气中水汽的饱和程度，对降水有很好的指示作用。将相对湿度小于60%视为干空气^[19], 由沿冷涡中心的相对湿度场经向剖面图 (图 6) 可知，发展阶段 (图 6a)800 hPa以下为干层，250~800 hPa为湿区，有两个显著湿层，分别位于300 hPa和700 hPa附近，中层400~500 hPa湿度很小接近干区。边界层冷涡南部4个纬距处有1个干中心，其上空500 hPa以上存在明显的干空气侵入，北侧从低层到高层几乎均为湿区。减弱阶段 (图 6b) 冷涡中心附近整层相对湿度均较大，400 hPa干空气侵入不明显，800 hPa以下的干层位于冷涡北侧。

图 6

图 6. 沿500 hPa冷涡中心发展阶段 (a) 与减弱阶段 (b) 相对湿度的经向垂直剖面图 (单位：%) Fig 6. Meridional cross-section of relative humidity (unit:%) along the cold vortex center at 500 hPa in the development stage (a) and the weakening stage (b)

由各层相对湿度分布图 (图略) 可知，发展阶段500 hPa主要为干区，冷涡北侧有一弱的湿区；850 hPa冷涡南侧干空气增强，湿区由冷涡东南呈气旋式向冷涡中心卷入，使得冷涡东侧湿度增大；减弱阶段500 hPa冷涡西南侧相对湿度进一步减少，但冷涡中心及东侧南风加大，湿区面积增大，相对湿度增大到80%以上；850 hPa西干东湿的特征更加明显。

分析低层水汽通量和水汽通量散度 (图 7) 可知，发展阶段 (图 7a) 水汽通量来源于东南和西南气流。在冷涡北部和远离其中心的东侧有水汽辐合，东南部也有1条东北—西南向的水汽通量辐合带，对照降水分布图，降水带出现在这一辐合带附近；减弱阶段 (图 7b) 水汽通量来源于偏东气流，水汽沿冷涡外围在北侧形成水汽通量的大值带，水汽源位于冷涡东部的渤海地区。冷涡环流周围均有水汽通量的辐合。

图 7

图 7. 850 hPa冷涡发展阶段 (a) 和减弱阶段 (b) 水汽通量 (矢量, 单位：g/(cm·hPa·s)) 和水汽通量散度 (阴影, 单位：g/(cm·hPa2·s)) Fig 7. The water vapor flux (vector, unit:g/(cm·hPa·s)) and the water vapor flux divergence (the shaded, unit:g/(cm·hPa2·s)) at 850 hPa in the development stage (a) and the weakening stage (b)

分析表明，发展阶段冷涡中心附近边界层为干区，700 hPa和300 hPa相对湿度较大，中层相对湿度弱，南侧500 hPa干空气侵入明显，500 hPa主要为干区，低层水汽来源于西南和东南气流输送。减弱阶段边界层附近存在干层，但整层湿度比较大，水汽通量来源于偏东气流，西干东湿的特征更为显著。

由850 hPa相当位温的分布 (图 8a, 8b) 可以看出，发展和减弱阶段115°E附近均有一相当位温密集带，呈东北—西南向，但发展阶段这一密集带梯度明显偏强，且122°E也有一弱的相当位温密集带。发展阶段θ_e锋区位于冷涡南部，离冷涡中心大约5个纬距。锋区南部有一暖舌，θ_e为328 K，暖舌由东南北上。减弱阶段θ_e锋区位于冷涡东部，在冷涡中心附近，东部暖舌梯度也弱很多，呈南北向。

图 8

图 8. 2011年7月13—20日冷涡发展阶段与减弱阶段相当位温分布 (单位：K) (a) 发展阶段，850 hPa相当位温，(b) 减弱阶段，850 hPa相当位温，(c) 发展阶段过锋区40°N, 115°E相当位温时间-高度剖面图，(d) 减弱阶段过锋区39°N, 114.5°E相当位温时间-高度剖面图 Fig 8. The potential temperature in the development stage and the weakening stage of cold vortex from 13 July to 20 July in 2011(unit:K) (a) potential temperature at 850 hPa in the development stage, (b) potential temperature at 850 hPa in the weakening stage, (c) height-time section of potential temperature at 40°N, 115°E in the development stage, (d) height-time section of potential temperature at 39°N, 114.5°E in the weakening stage

给出过θ_e锋区 (40°N，115°E和39°N，114.5°E) 的相当位温随时间变化剖面图 (图 8c, 8d)，发展阶段400 hPa以下＜0，θ_e＜324 K区域顶部整个阶段维持在对流层顶300 hPa附近。2011年7月13日900 hPa以下为θ_e大值区，14日θ_e大值区伸展到550 hPa附近，15日维持在800 hPa，整个阶段几乎为上干冷、下暖湿的不稳定结构，且14—15日Δθ_e明显增大，不稳定结构加强。减弱阶段θ_e小值区随时间由低层向高层发展，且强度偏弱，边界层θ_e也有所减弱。

由35°~50°N温度和涡度平流的区域平均时间演变 (图 9) 可以看到，发展阶段850 hPa冷涡东侧有弱冷平流 (图 9a)。500 hPa冷涡东侧冷平流加强，西侧为暖平流 (图 9b)，根据位势倾向方程，冷涡东部冷平流随高度的加强使得冷涡不断发展加深。减弱阶段850 hPa冷平流从槽后进入冷涡中心，使得冷涡附近冷平流加强。而中层500 hPa东侧冷平流较发展阶段明显减弱。西侧由暖平流转换为冷平流，中层冷平流的减弱使得冷涡的强度减弱。

图 9

图 9. 2011年7月13—20日35°~50°N平均温度平流 (单位：10-5s-1) 和涡度平流 (单位：10-7s-2) 时间-纬向演变 (▲为冷涡中心所在位置) (a)850 hPa温度平流, (b)500 hPa温度平流, (c)500 hPa涡度平流, (d)300 hPa涡度平流 Fig 9. Evolution of thermal advection (unit:10-5s-1) and vorticity advection (unit:10-7s-2) averaged over 35°—50°N from 13 July to 20 July in 2011(▲ denotes the cold vortex center) (a) thermal advection at 850 hPa, (b) thermal advection at 500 hPa, (c) vorticity advection at 500 hPa, (d) vorticity advection at 300 hPa

考察涡度平流, 发展阶段500 hPa冷涡中心附近及东部为正的涡度平流 (图 9c)，300 hPa冷涡中心附近及东部正涡度平流明显加强 (图 9d)。冷涡中心及东部正涡度平流随高度增加使得冷涡不断发展加深。减弱阶段500 hPa冷涡附近正涡度平流较发展阶段减弱。300 hPa上冷涡中心东侧正涡度平流也比发展阶段减弱，至7月20日20：00，冷涡附近转为负涡度平流控制。可见，冷涡附近中高层正涡度平流的减弱及消亡是冷涡减弱消亡的主要原因。

本文对2011年7月12—20日持续9 d的华北冷涡过程阶段性特征进行了分析，结论如下：

1) 冷涡过程降水主要分布在内蒙古东北部、华北和东北南部，发展阶段对流性强，多雷暴大风和冰雹，低层水汽来源于西南和东南气流输送。减弱阶段以短时强降水为主，降水量级大，水汽通量来源于偏东气流。

2) 发展阶段850 hPa上有强暖温度脊存在，高空急流发展比较完整，对流层整层为冷心结构；减弱阶段低层东风明显增强，冷心结构维持，但强度有所减弱。发展阶段和减弱阶段700 hPa以下斜压结构明显，上升运动区主要位于东侧。

3) 发展阶段700 hPa和300 hPa相对湿度比较大，500 hPa主要为干区，冷涡南侧500 hPa存在干空气侵入和θ_e锋区，θ_e梯度垂直方向上表现为上干冷、下暖湿的不稳定结构；减弱阶段整层湿度比较大，西干东湿的特征显著，θ_e锋区位于冷涡中心附近，锋区梯度和不稳定度减弱。

4) 发展阶段中层冷平流和中高层正涡度平流随高度增强，是冷涡发展的主要因子；冷涡减弱是由于低层冷平流进入冷涡中心、中层冷平流逐渐减弱以及中高层正涡度平流减弱的共同影响所致。

本文仅通过对一次长生命史华北冷涡过程在发展阶段和减弱阶段的天气特征和动力热力结构进行分析，对华北冷涡阶段性特征的还需要对更多个例进行综合分析，同时此次过程中，2011年7月16—17日冷涡大幅向西南方向移动，与以往冷涡的回旋东移减弱明显不同，其移动机制较为复杂，仍需进行针对性分析。