东北冷涡是指在500hPa天气图上，115°E-145°E，35°N-60°N范围内出现闭合等高线，并有冷中心或冷槽相配合，持续3天及以上的低压天气尺度系统^[1].Nieto等^[2]和Reboita等^[3]分别研究了北半球和南半球切断低压的气候特征，指出我国东北地区是全球切断低压的高发区之一.东北地区的切断低压由于动力、热力学上的特点，常符合东北冷涡的定义.近年来，学者们从多方面研究了东北冷涡的发展特点、冷涡降水特征等^[4-6].对于东北冷涡自身发展中的动力、热力结构，也有相当研究^[7-9]，但同步结合冷涡云系和降水的精细三维结构分析，由于缺乏大范围高分辨率探测资料，比较少见.齐彦斌等^[10]利用飞机穿云观测资料对一次东北冷涡对流云带的宏微物理结构进行了探测，但类似研究仅限于特定时刻观测，可用观测资料有限.Posselt等^[11]通过分析一次北美温带气旋过程，认为新的卫星云雷达资料Cloudsat的出现，能改善温带气旋结构的认识.钟水新^[12]尝试把Cloudsat云廓线雷达的卫星资料应用到东北冷涡的结构分析，观测到了一次类似经典温带气旋（NorwegianCyclone Model^[13]）的冷涡结构及其演变.由于冷涡本身的形态变化多端，一些非经典结构的冷涡常造成天气预报上的困难.如Singleton等^[14]分析了南非一次强切断低压与低空急流作用引起破纪录的降水灾害.因此，针对某些区域性背景环流的非经典结构冷涡的研究，对提高冷涡天气灾害预测水平有积极意义.

2009年6月10日至12日，我国东北地区经历了一次冷涡天气过程，这次冷涡具有特殊的天气形势，发展演变后冷涡本身的三维结构和降水形态也与经典冷涡有较大的差异.本文将采用多种常规和遥感资料，对本次天气过程进行全方位的分析，弄清本次冷涡的三维精细结构，揭示冷涡内不同位置降水的属性和强度.

ERA-Interim资料是ECMWF一种新的全球分析资料，文中采用水平分辨率0.75°×0.75°，垂直方向37个气压层（从1000~1hPa）的逐6小时资料.该资料相对ERA40资料有较大改进^[15].做垂直剖面时，采用距离反比法插值到轨道剖面.

云顶黑体温度（BlackBodyTemperature，简称TBB）能很好地反映各种尺度的对流活动，本文所使用的由国家卫星气象中心提供的FY2C逐时TBB产品，分辨率是0.1°×0.1°.

中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量数据集，由中国气象科学数据共享服务网提供，基于全国3万余个自动观测站（包括国家级自动站和区域自动站）逐小时降水量和CMORPH卫星反演降水产品相互融合的中国区域逐小时、0.1°× 0.1°分辨率的降水量融合产品.地理范围：70°E-140°E；15°N-59°N.

2006年发射的Cloudsat卫星，搭载了唯一有效载荷是云剖面雷达CPR（CloudProfileRadar），该雷达为94GHz的毫米波（3mm）雷达，它的灵敏度是标准天气雷达的1000倍^[16].Cloudsat卫星主要提供两类数据，标准数据和辅助数据，标准数据按反演程度分为两个等级，初级产品是通过卫星搭载的云雷达直接得到的数据产品，二级产品结合初级产品其它卫星产品反演得到的云参数资料，包括雷达后向散射剖面、云的几何剖面、云分类、云水含量、云光学路径、云光学厚度、长短波辐射通量及本文用到的云液态水含量及冰水含量资料.目前，该资料在天气分析和云观测分析中已经得到广泛使用^{[11-12, 17-18]}.本文主要用到了2B-GEOPROF，2B-CWC-RO，2B-CLDCLASS，ECMWF-AUX资料.

由于本文使用了多种资料，为了统一资料时间，文中给出的时间均为国际标准时.降水是指该时刻之前一段时间内的降水总量.

本次冷涡天气与中纬度大气长波异常调整相联系的.500hPa形势演变图（图 1）表明，该天气过程中，500hPa的经向流场异常发展.9日00时（图 1a），贝加尔湖以东南地区为一倒“Ω”位势场所控制，其南端底部5720位势米（gpm）的浅槽，位于华北上空.贝加尔湖北侧的高纬度系统在东移过程，受东、西方向鄂霍次克海高压和乌拉尔高压的阻挡作用，向赤道异常发展，形成北槽.10日00时北槽快速向南发展后切断，形成闭合低压（图 1b）并逐渐加强东移至我国东北地区.该低压中心在南槽后部北风气流作用下快速南下与南槽合并加强，11日00时（图 1c）开始，冷涡逐渐成熟，移动减慢.由于冷涡的发展和成熟阶段是其暴雨的多发段，10日开始处于发展中的冷涡，主体已位于东北上空，其锋面降水成为影响本地的关键.

图 1

Fig. 1

图 1 Interim500hPa等高线（单位：gpm） Fig. 1 Depiction of 500-hPa geopotential height (unit: gpm) ERA-Interim analysis valid from 0000 UTC 09 Jun 2009 to 0000 UTC 11 Jun 2009

从图 1发现，10日开始，冷涡逐步形成并影响我国东北地区.根据冷涡的定义^[1]，把10-11日500hPa位势高度场的演变趋势作为划分冷涡不同阶段的依据，如果500hPa低位势中心有减弱趋势，定义为冷涡发展增强阶段；反之为冷涡消亡减弱阶段；若500hPa低位势中心较前后时刻增强减弱趋势不明显，则认为是冷涡成熟维持阶段.考虑到本次冷涡过程的特点，主要从冷涡发展阶段的初期、冷涡发展阶段的后期（即由发展到成熟的过渡阶段）、成熟阶段来分析.

根据卫星观测资料的匹配和阶段区分标准，选取2009年6月10日06时作为发展初期的代表时期.从本时期图 2a的500hPa高度场看，在渤海湾地区原来存在一个南槽，而高纬的北槽异常发展后已经切断，中心5440gpm，抵达内蒙古东部，槽的后部对应了冷中心，温度场落后于高度场.

图 2

Fig. 2

图 2 2009年6月10日06时，（a）500hPa温度（阴影，间隔1K），位势高度（蓝线，单位：gpm）和风矢量；（b）同（a），但为850hPa；（c）Cloudsat轨道垂直剖面：云雷达反射率（彩色阴影，单位：dBz）和假相当位温（黑实线，单位：K）；（d）同（c），但为冰水含量（彩色阴影，单位：mg/m3），液水含量（黑点区表示大于50mg/m3），温度（黑实线，单位：℃），雨顶高度（红叉），地表降水位置（蓝叉）；（e）FY2C的TBB（绿线、蓝线和红线分别代表-20，-32，-50 ℃）；（f）自动站与CMORPH融合的2小时（前后各1小时）累积降水量（绿线、蓝线、桔色线、红线和黑线分别代表 1，3，5，7，10mm），品红实线为Cloudsat轨迹. Fig. 2 At approximately 0600 UTC 10 Jun 2009, (a) 500 hPa isotherms (shaded, interval value of 1 K), geopotential height (gpm, blue lines) and wind vector; (b) As in (a), but on 850hPa isobaric surface; (c) Cloudsat observed radar reflectivity (dBz, color shaded), overlaid with ECMWF analyzed equivalent potential temperature (K, solid black lines); (d) As in (c), but for ice water content (mg/m3, color shaded), liquid water content (greater than 50 mg/m3 marked with black spot), temperature (℃, solid black lines), rain-top height (red cross), surface precipitation position (blue cross); (e) TBB from FY2C (green, blue and red line denoting -20, -32, -50 ℃ respectively); (f) Two-hour rainfall from integration of automatic station rain gauges and CMORPH (green, blue, orange, red and black line denoting 1, 3, 5, 7, 10 mm respectively). Magenta solid line is Cloudsat ground track.

图 2b，850hPa图上，低压中心南北走向，东西两侧的风速较大.由于受前期南槽下低空南风的影响，低压东部外围为暖湿空气带.低压西北内部在强北风的温度平流作用下，细长冷舌从北部进入气旋，Cloudsat云雷达探测到了该冷舌区的垂直剖面.低压南部，是相对中性的空气.

图 2e的TBB资料显示，Cloudsat轨迹经过处，黑体亮温多在-20℃至-32℃之间，说明有云系发展，并且在图 2b冷舌前方右侧，有TBB小于-32 ℃的温带锋面对流云带.

由于图 2a中北侧的切断冷低压在南槽后北风的引导而快速南下，在地面高速推进的冷锋前，图 2cCloudsat云雷达反射率剖面和假相当位温剖面中，低层锋面（假相当位温线密集带）陡立，锋前云系表现为急性冷锋的对流云系特点，比NCM挪威气旋模型的冷锋云系更为迅猛^[13].44°N-46°N附近低层冷锋前的对流云柱得到发展，主要为深对流云和雨层云，在结构上体现为多个相对孤立的回波系统，反射率达到10dBz的云柱能发展到6km，上方0dBz的回波带一直延伸到9km以上高度.该冷锋随高度变化较大，低层等位温线的陡立主要在4km以下，4km以上的冷锋坡度要缓得多.47°N以北，厚约2km的高层云带从对流云系统的云顶向北延伸，漂浮在高空6km高度的平缓的锋面上.此外，在冷锋对流云系的前方，低层的假相当位温表现为对流不稳定，还有若干更小尺度的积云对流在发展.

图 2d同时给出了Cloudsat探测的云的水凝物的含量，在冷锋对流云系及高层云漂浮带中，分别分布着平均浓度为200和100mg/m³的冰晶.相对较低的冰晶含量，与细长结构冷舌的移向有关，此时冷锋纵向移动，锋前水凝物很容易滑移到相对缓慢的冷舌侧边界锋面上，但在横移冷锋前，该对流云系要强得多，如图 2b的42°N附近卫星轨道右侧的冷舌推进的冷锋对流会更强，图 2e也反映了该区-32 ℃的TBB范围较大.在图 2d卫星轨道探测的冷锋前方的更小尺度对流云团中，除了冰晶外，还分布有较多的液态水.卫星轨道的地表有效降水位置，主要在地面冷锋前的云系下，尤其是急性冷锋对流云系下方.

图 2f的自动站雨量计的分析资料给出了2小时（前后各1小时）累积降水量，发现在轨道地面冷锋的前部及右侧的冷锋区，有7mm/2h的降水区，集中在辽宁省（从辽东半岛向北延伸）.冷锋的后部，图中黑龙江北部的降水主要发生在冷舌左翼的暖区交界面上，是暖锋降水，本次云雷达轨道剖面并没有捕捉到该云系.图中其余部位的雨带，是冷涡影响下东亚季风雨带的延伸.

总之，本次冷涡形成初期，是由冷舌快速推进形成急性冷锋，陡立锋面前的对流云系产生了降水.地面测站发现，9日12时-10日12时，嫩江、富裕、齐齐哈尔，从北向南依次出现50mm左右的日降水.

选取2009年6月10日18时作为发展后期的代表时期分析.冷涡发展到本阶段，图 3a500hPa低压切断后位势高度进一步降低到5400gpm，低压长轴在南移中随气旋逆时针旋转，冷空气脱离低槽，主体位于低压中心及偏西北地区.850hPa上（图 3b），冷涡的冷中心处于低压的西北象限，东半部为暖空气，冷中心东界北部的暖平流显著，冷中心南侧和西南侧边界则为冷平流.

图 3

Fig. 3

图 3 同图 2，但为2009年6月10日18时 Fig. 3 Asin Fig. 2, but at approximately 1800 UTC 10 Jun 2009

Cloudsat云雷达卫星扫过冷中心的北部，从轨道剖面的雷达反射率与假相当位温剖面图可以看出（图 3c），此时低涡的近地面靠中心部位存在低温结构，比两侧低10 ℃左右，8km以上是暖中心，对流层顶在此下凹，图 3d的等温线表明该温度结构基本对称.地面冷中心的北侧是暖锋，南侧是冷锋.暖锋的锋面坡度较缓，其上方有连绵500多公里的包含众多弱对流形成的雨层云，比NCM挪威气旋模型的300km暖锋降水云系更宽广^[13]，高度能达到9km，其中主体10dBz回波的云层从地面发展到6km.云系结构表现为暖锋特征^{[11, 19-20]}，与传统的暖锋对流云结构有所差异，表现为多回波系统的雨层云.由于图 2a中原南槽前南风的引导，冷涡东侧的暖空气能到达更北的位置，相比NCM挪威气旋模型，地面暖锋主要处于地面气旋的北部（图 3b），而非中部^[13].

冷锋云系分布相对孤立，水平覆盖范围较小，且相对前一阶段大为减弱，冷锋的迎风坡上，45°N附近有一列飘在半空的高层云，从3km到6km，厚约3km，回波强度在10dBz.在42°N附近，低层的假相当位温表现为对流不稳定，有若干个发展相对强烈的积云对流系统，高度达到8km，回波强度达20dBz.在冷暖锋之间，冷中心部位，则是无云的晴空区.图 3eTBB图中，沿轨道温度低于-20 ℃的三个区域，分别对应了以上的三个云系.

从图 3d的水凝物含量来看，冷锋云系内，尤其是前方的对流系统中，冰水含量可达400mg/m³以上，且有较多的过冷水分布；而暖锋云系的冰水含量小得多，最大接近200mg/m³，没有过冷水分布.从云雷达给的地表降水分布来看，集中在暖锋的雨层云和冷锋前的积云中，而冷锋上的高层云基本无降水.图 3f的地面自动站2小时降水监测证实了暖锋雨带，黑龙江省内的降水带，就是该暖锋云系降水.图中外侧日本上空的雨带，是冷涡影响下东亚季风雨带的延伸.

冷涡成熟阶段，11日18时低涡中心500hPa位势高度维持在5400gpm（图 4a），低涡中心移动到我国吉林和朝鲜边境；强风速中心位于低涡南部，冷涡后部冷空气不再侵入，冷中心与低涡中心重合.

图 4

Fig. 4

图 4 2009年6月11日18时，（a）500hPa温度（阴影，间隔1K），位势高度（蓝线，单位：gpm），风矢量和Cloudsat轨迹（品红直线）；（b）沿Cloudsat轨迹的垂直剖面，垂直速度（阴影，单位Pa/s），等位温线（蓝色，间隔2K），散度（红色曲线，-2×10-5s-1到-8×10-5s-1）；（c-f）同图 2（c-f），但为2009年6月11日18时 Fig. 4 At approximately 1800 UTC 11 Jun 2009, (a) 500-hPa isotherms (shaded, interval value of 1K), geopotential height (gpm, blue lines), wind vector and Cloudsat ground track (magenta solid line); (b) Vertical section along Cloudsat track, vertical speed (Pa/s, shaded), isotherms (interval of 2 K, blue line), divergence (red lines for -2×10-5s-1 to -8×10-5s-1); (c-f) As in Fig. 2(c-f) but at 1800 UTC 11 Jun 2009

图 4b沿卫星轨道的垂直剖面，位温资料表明，冷中心在350hPa以下，其以上为暖中心.此阶段气旋中心等高线更密集，中心风速加强，在近地面摩擦辐合加强，41°N附近的气旋中心，低层散度达-6× 10^-5s^-1，低层的水平辐合促使上升运动加强，700hPa附近最大上升速度达-1.1Pa/s，为对流降水提供了条件.

TBB资料（图 4e）显示冷涡中心和外围有被分割开的小于-30 ℃的云层.从扫过冷涡中心的Cloudsat轨道剖面看（图 4c），该阶段相对集中的对流云系主要分布在冷涡中心处，厚度从地面到对流层顶7km处，回波强度在20dBz左右，大于前两个阶段的云系.副热带锋面以南有冷涡外云系，冷涡北部边远处有高层云和雨层云的多层结构云系.

从云中水凝物的含量分析（图 4d），中心对流云冰水含量能达到600mg/m³，北部多层浅薄层云中，在零度层以下分布着较多的液态水.Cloudsat地表降水分析表明此时冷涡中心的集中降水由对流云团提供，北部的层云降水相对零星分散.图 4f的地表 2小时降水资料证明了这两类降水的特征，对流区降水强度在7mm/2h以上.

图 4c、4d的位温线和等温线分布表明，该阶段冷涡中心的中下层依然为冷空气所占据，没有暖舌结构的NCM挪威气旋模型中的锢囚锋^[13].此外，本次北槽切断的冷涡与南槽叠加后，低层气旋锋面和高层副热带锋面重合，导致东亚副热带锋面异常发展，受强大副热带锋面影响，冷涡热力结构不再对称，中心冷轴随高度北倾.而在仅由北槽自身切断发展的阶段（图 3c）则是热力对称结构.

综合利用Cloudsat卫星云雷达等多种新一代遥感资料，分析了一次南槽背景的非典型东北冷涡的精细三维结构及演变特征.本次非典型冷涡的特殊锋面结构与背景环流有关.

与传统挪威气旋模型的锋面结构相比，由于南槽前、后的南、北风引导，冷低压初始切断后快速南下阶段，冷锋偏强；南下稳定后，锋前原南槽内的旧弱冷空气削弱了冷锋，无锢囚锋结构出现；暖锋的位置偏北.这直接导致了本次冷涡的非经典降水结构：发展初期，急性冷锋的深对流降水较强；发展后期，冷锋降水减弱，北部暖锋降水持续较强；成熟后，中心摩擦辐合加强诱发对流降水.

由于东北冷涡多变无常，其预报水平相对其它天气系统较低，难点在于冷涡背景的差异对冷涡锋面结构影响很大，难以用经典挪威气旋模型简单描述.通过对更多类型的非典型冷涡结构和演变的研究和归类，有助于提高对冷涡天气的认识.

感谢NASA，ECMWF，中国气象科学数据共享服务网，国家卫星气象中心提供的数据服务.