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东北冷涡——爱折腾的“幕后Boss”
2022-08-10

  专家顾问:

  东北冷涡研究重点开放实验室主任、

  中国气象局沈阳大气环境研究所所长 陈力强

  辽宁省气象台副台长、首席预报员 阎琦

  编者按:“2022年第16号东北冷涡于7月8日08时(北京时,下同)形成,8日08时其中心位于贝加尔湖东部地区(北纬50.3度、东经116.7度),中心位势高度为562位势什米……”近日,由中央气象台、沈阳中心气象台、东北冷涡研究重点开放实验室共同发布的东北冷涡监测预报公报,就今年第16号东北冷涡信息进行通告。

  我国对东北冷涡的研究始于20世纪50年代,由于监测预报等能力不足,进展较为缓慢。为强化相关研究,推动实现对东北冷涡的精准预报预警,2019年,东北冷涡研究重点开放实验室(以下简称“重点实验室”)获批成立;2021年,中国气象局开始为东北冷涡编号;2022年,第一份东北冷涡监测预报公报出炉……随着研究不断深入及预报水平持续提高,东北冷涡的神秘面纱逐步被揭开——

  东北冷涡剖白

  什么是东北冷涡?

  按照气象学名词解析将“东北冷涡”逐字拆解开来,很容易明白其本质——多发于我国东北地区的、较冷的、旋转的气团。

  或者根据其定义展开来说,东北冷涡是多发于我国东北地区的,从地面到6000米上空的一个冷性气柱,这个冷性气柱呈逆时针方向不断旋转。

  而按照东北冷涡监测标准,出现在北纬35度至60度,东经105度至145度,且持续时间在3天以上的冷性涡旋就可以称为东北冷涡。

  天气图上,东北冷涡在500百帕位势高度图中至少存在一条闭合等压线,并有冷中心或明显冷槽配合;而在卫星云图上,东北冷涡特征鲜明,常呈非对称的涡旋结构,尺度庞大,其伸出的冷锋云系有时可长达几千公里。

  当然,这些可能无法完整描述东北冷涡。东北冷涡一年四季都有可能生成,在夏季的活跃度最高。它是个深厚的天气系统,移动缓慢,维持时间比较长,生命周期平均为3至4天,最长可达十余天。东北冷涡一般分为东北、北、西北、西、西南五条路径,其中西南路径最为少见。当低层有暖平流或太阳辐射增温时,常常形成“上干下湿”“上冷下暖”的不稳定层结,导致暴雨、冰雹、雷暴大风甚至龙卷等强对流天气发生,这些强对流天气过程往往尺度不大,但能量很强。

  预报员眼中,东北冷涡就像烧开的一锅水,大家都明白水泡会冷不丁地炸裂,但又很难判断哪个水泡会先炸裂。对东北等深受其害的地区而言,它总是时不时闯点小祸,一年四季都不消停。统计显示,在东北地区,由东北冷涡引发的雷暴天气最多。

  “小弟”众多的“大佬”

  冬季的寒潮、春秋季的沙尘大风、夏季的暴雨雷电,一年四季的灾害性天气常常跟东北冷涡挂钩,甚至远在华北、江南的灾害性天气也有东北冷涡的影子,东北冷涡冤吗?

  实际上,这些罪名”并非空穴来风。东北冷涡是一个非常深厚的环流背景,其覆盖范围广、持续时间长,很多灾害性强的天气都是在这个大背景下发生的。冷涡系统一般在大气中高层,温度比较低,当冷空气沿涡旋后部偏北气流向南侵入时,若遇到低层大气加热增温条件较明显,就会形成“上冷下暖”的不稳定层结,易形成强对流天气。且由于大尺度冷涡移动缓慢,类似的天气可以在同一地点反复发生。

  也就是说,绝大部分的灾害性天气并不是东北冷涡“本人”亲自闹事所致的,而是派出“小弟”——一个个小系统兴风作浪,折腾点动静出来。这些小系统往往尺度不大,持续时间也不长,但威力不小,若在空间上叠加,其破坏性也不容小觑。

  东北冷涡主要影响我国东北地区,引起寒潮、强对流等灾害性天气过程。统计显示,在东北地区,由东北冷涡引发的雷暴天气最多,64%的飑线与冷涡过程有关,冷涡引发的冰雹日数更是占东北总降雹日数近一半。

  东北冷涡不仅仅影响东北地区,也会跨区域“作案”,和其他天气系统联合,影响华北、华中、华东等地。例如,作为东亚大气环流的重要组成部分,东北冷涡可以与欧亚中高纬度阻塞高压、东亚夏季风、西太平洋副热带高压相互配合,共同影响冷暖气流的对峙位置,进而影响我国夏季的主雨带分布和移动。

  据阎琦介绍,不同时段东北冷涡活动带来的影响也不同。4月上中旬,东北冷涡移动速度快、位置偏北,主要影响北方地区,以大风降温为主,可能伴随有沙尘天气。影响期间东北北部多中等强度降水,华北南部有弱对流天气,以闪电为主,局部伴随雷暴大风。4月下旬到5月中旬,东北冷涡中心位置相对偏南,其最南影响范围可达江浙一带,典型的灾害性天气以风雹等强对流天气为主。其中,苏皖北部、华北南部出现极端大风的概率较大,并可能出现龙卷。5月下旬到6月,东北冷涡造成的灾害性天气在北方地区以风雹等强对流天气为主,可能出现龙卷;南方的灾害性天气则以短时强降水和雷暴大风为主,龙卷出现的频次也明显增多。7月到9月,东北冷涡造成的灾害性天气以暴雨为主,这一时段东北冷涡常与北上台风和季风相互作用,造成强降水,主要影响北方地区,灾害性天气以暴雨为主,东北平原可能出现风雹、龙卷等强对流天气。

  预报之路仍漫漫

  我国气象工作者早在上世纪50年代就开始了对东北冷涡的研究,多年来,相关科研与业务取得丰硕成果。

  2019年,东北区域气象中心组建重点实验室,聚焦东北冷涡对东亚气候的影响机理及气候异常预测方法、东北冷涡强对流天气机理及预报预警方法、东北典型灾害性天气机理及预报预警技术和中高纬度区域中尺度数值天气预报等关键技术,力图在东北冷涡预报预警精准化上寻求突破。

  结合东北冷涡预报预警业务和服务需求,实验室组织搭建了“东北冷涡强降水预报技术业务集成平台”,功能包括冷涡暴雨个例查询、冷涡研究成果查询、冷涡自动识别、冷涡暴雨预报和冷涡暴雨检验。该平台在国内首次实现了对东北冷涡的业务定义和编号监测,在全国范围内开展东北冷涡的预报预警业务,为强对流天气预报提供关键技术支撑。

  重点实验室针对冷涡强降水和强对流预报难题,利用自动气象站观测资料订正国家级智能网格实况资料,建立地面气象要素格点实况分析系统,输出10分钟、1千米分辨率的地面气象要素分析产品。

  应用改进光流法外推预报产品和本地最优化定量降水预报算法,研发0至2小时降水外推预报技术;基于双线性插值方法,将睿图东北模式处理成0至2小时逐小时滚动更新的预报产品,为冷涡强降水的监测提供技术支撑。

  基于降水分区和天气分型,以及数值模式降水消空技术,开展多模式的降水预报集成研究,建立辽宁省智能网格降水预报技术体系和预报产品。

  基于东北冷涡强对流天气预报技术指标、多源资料以及雷达外推、本地最优化法QPF技术动态,订正强对流潜势预报结果,形成短时强降水等分类强对流天气预报产品,改进辽宁省智能网格降水和强对流预报质量。

  开展东北冷涡规律和影响机制分析技术研究,研发次季节-季节尺度东北冷涡日数的客观化气候预测方法;基于多源模式产品的应用,建立东北冷涡月、季客观化预测模型;定义东北冷涡南涡和北涡强度指数,并确定南涡和北涡的大气环流因子和外强迫因子及外强迫因子与大气环流因子的关系,揭示南涡和北涡的异常成因机理,并采用数值模式敏感性实验对其机理进行模拟验证。

  完成东北冷涡年鉴编制,分析冷涡过程的环流形势、降水总量、降水日数、强对流天气、移动路径图表。筛选1961—2020年东北冷涡过程,建立东北冷涡多源监测数据库,包括常规及非常规探测、短时大风等灾害性天气实况资料和灾情资料。

  申报气象行业标准1项,吉林省地方标准1项,开展东北冷涡野外观测试验两次,为东北冷涡的业务和科研工作的逐步开展积累了基础。

  ……

  近年来,靶向攻关快速推进——

  2021年,中国气象局出台《东北冷涡科研业务能力提升工作方案(2021—2025年)》,以进一步提升东北冷涡及其高影响天气的精准预报预测能力。

  2022年,重点实验室联合中央气象台、沈阳中心气象台对东北冷涡正式开展编号,并于4月5日发布了第一期《东北冷涡实时监测预报公报》,提供了实时监测、未来24小时具体预报、未来48至72小时趋势预报及服务等内容,并配有东北冷涡路径预报图、全国降水量预报图、雷暴大风、冰雹、短时强降水及大风降温预报图等,各类信息一目了然。

  虽然我们至今仍无法做到对东北冷涡的100%预测,但随着更多资源和力量的投入,源头科技支撑更加有力,对东北冷涡诱发灾害天气的监测和预报预警能力还将进一步提高。

  预报之路漫漫,但相信,终有一天,东北冷涡将被永无懈怠的气象工作者彻底捕获。

  (作者:张艺博 王美丽 马东雷 来源:中国气象报社)