中国东北地区冷涡的三维尺度在夏季和冬季之间存在显著差异，同时相关的热力学-动力学机制也有所不同

本研究利用ERA5再分析数据（2000-2020），通过统计分析和动力合成，揭示东北冷涡夏冬季节三维结构差异：夏季水平尺度更小（365 km，冬季496 km），垂直更深厚（8 km，冬季5 km）。热力机制显示夏季潜热释放引发中心PV异常，增强垂直运动；冬季热力较弱，动力上惯性稳定区更广抑制垂直发展。该研究为极端天气预测提供新视角。

赵晓涛|青一宇|周顺武|陈明星|马秀林|刘伟|姜琳|郝亮

国家气候系统预测与风险管理重点实验室/教育部气象灾害重点实验室/南京信息科学科技大学气象灾害预报与评估协同创新中心，中国南京210044

摘要

中国东北冷涡（NCCV）对区域天气有显著影响，但其三维（3D）季节性结构差异尚未得到系统量化。利用ERA5再分析数据（2000-2020年），我们通过统计和动力合成方法对这些差异进行了量化。研究结果表明：（1）夏季NCCV的水平尺度较小（365公里），比冬季平均值（496公里）小约26.4%；而其垂直尺度较大（8公里），比冬季（5公里）大约60%。（2）从热力学角度来看，夏季强烈的绝热加热（主要是潜热释放）在涡核附近产生位涡（PV）异常，而外围的PV异常则迅速消散。这增强了涡旋的汇聚和垂直PV传输，导致其结构“紧凑且深厚”；相比之下，冬季的绝热加热较弱，垂直PV传输也较弱，使得结构“宽广且浅薄”。（3）从动力学角度来看，夏季涡核的惯性稳定性更强，有利于PV的向上传输；而冬季较宽范围的惯性稳定性抑制了汇聚，限制了涡旋系统的垂直发展。这种结合热力学和动力学的视角有助于更好地理解和预测与NCCV相关的极端天气。

引言

中国东北冷涡（NCCV）是东亚最显著的气旋系统之一，其特征是在中对流层到上层对流层具有冷核结构（Lang和Chen，2025年）。它引发了众多极端天气事件（Liu等人，2024年）：夏季时，它经常在中国东北地区引发雷暴（Ding和Gao，2021年；Shen等人，2022年；Yang等人，2025年），并为区域性龙卷风提供了有利的天气背景（Meng等人，2018年）；冬季时，它主要导致极端低温和强降雪（Huang等人，2025年）。水平结构决定了冷涡的影响范围，而更大的垂直范围则带来更强的降水（Porcù等人，2007年；Xue等人，2022年）。因此，详细研究其结构对于提高预报能力至关重要。

NCCV的形成和发展涉及多种热力学和动力学因素（Xie和Bueh，2015年；Han等人，2023年；Lin等人，2023年）。例如，干空气侵入通过增强伪等效位温梯度和中低层对流层的汇聚来改变NCCV的结构（Yao等人，2007年；Fan等人，2024年）；降水的潜热释放通过影响位涡（PV）异常的垂直分布来影响涡旋（Fan等人，2023b）；高层正PV异常与低层正位温梯度的叠加有利于NCCV的增强（Gao和Cao，2007年；Zhong等人，2011年）。这些发现表明，热力学和动力学过程都对NCCV的形成有贡献，但由于其演变的复杂性（Portmann等人，2021年），这些过程如何共同塑造NCCV的结构仍不清楚。

NCCV的特征随季节变化（Fang等人，2022年）。其水平尺度从10^2公里（中尺度）到10^3公里（天气尺度）不等，通常通过位势高度场来确定。然而，方法上的差异导致了不同的估计：Hu等人（2010年）估计半径为500-1500公里，而Chen等人（2023年）提出了更小的范围（250-1000公里）。值得注意的是，冬季NCCV中半径大于1500公里的案例比例明显高于夏季（Hu等人，2010年），表明水平尺度存在明显的季节性差异。

尽管如此，大多数现有研究仅关注个别案例或对NCCV特征的定性描述（Liu和Wang，2022年）。对其三维（3D）结构的系统定量分析仍然有限。此外，尽管NCCV全年都会出现（Hu等人，2011年；Shi和Zhai，2024年），但对冬季NCCV的研究远少于夏季案例。为填补这些空白，本研究旨在定量分析NCCV三维结构的季节性差异及其背后的热力学和动力学机制。本文建立了一个综合分析框架，结合了干空气侵入强度、PV趋势诊断、绝热加热和惯性稳定性分析。

本文的其余部分安排如下：第2节描述数据和方法；第3节定量分析冬季和夏季NCCV的三维空间尺度；第4节从热力学和动力学的角度探讨导致季节性差异的机制；最后，第5节提出结论和讨论。

章节摘录

数据

本研究使用的NCCV事件数据集由东北冷涡研究重点实验室和辽宁气象局提供（Tong等人，2025年）。为确保数据可靠性，采用了严格的质量控制标准：每个事件必须包含闭合的位势高度等值线、明确的冷中心以及在500百帕高度处的气旋环流，并且持续时间至少为三天。从这个数据集中，我们选取了2000年至

统计分析

为了更直观地说明我们的NCCV涡核半径算法，选取了夏季和冬季各一个代表性案例进行演示。由于NCCV识别域的空间限制，NCCV可以进一步分为本地形成的案例和被输送到该区域的系统。对于本地形成的气旋（图1a），发生时间定义为闭合低压区的首次出现时刻，仅考虑闭合区域占主导的情况

季节性尺度变化的机制

如第3节所示，动力合成分析有效捕捉了夏季和冬季NCCV之间的空间尺度差异。在此基础上，本节继续使用合成方法，通过比较两个季节的热力学和动力学条件，进一步探讨这些差异的潜在机制。

结论与讨论

基于2000年至2020年的统计分析，本研究揭示了夏季和冬季NCCV在空间尺度上的显著差异。具体来说，夏季NCCV的覆盖范围更广（平均496公里），而冬季NCCV较小（平均365公里），减少了26.4%；在垂直尺度上，夏季NCCV更深厚（平均8公里），而冬季NCCV较浅（平均5公里）。夏季NCCV的深度约为冬季的60%

作者贡献声明

赵晓涛：撰写——初稿，可视化制作。青一宇：软件开发，方法论设计。周顺武：指导，概念构思。陈明星：方法论设计。马秀林：撰写——审稿与编辑。刘伟：可视化制作。姜琳：软件开发。郝亮：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41801017）、东北冷涡研究重点实验室开放研究计划（项目编号：2023SYIAEKFZD02）、内蒙古气象局科技创新项目（项目编号：nmqxkjcx202444）以及内蒙古自治区自然科学基金（项目编号：2024QN04007）的支持。