西风气流波动加深时，低槽发展，并于槽底部形成冷性闭合低压中心，称为切断低压。东北冷涡即是出现在东亚地区最常见的切断低压，是影响我国东北地区的主要天气系统之一，它一年四季均可出现，以夏季最为频繁。据统计，东北地区夏季(6～ 8月)受冷涡活动影响的时段达42％。冷涡活动能够造成雷雨大风、暴雨等强对流性天气过程，其长时间维持及频繁发生易对东北地区造成重大的洪涝灾害(孙力等，1994；张立祥和李泽椿，2009)。

东北冷涡不仅是影响我国东北地区的天气系统，而且作为北半球大气环流异常的重要组成部分，还与中高纬天气系统和中低纬天气系统间关系密切。首先，东北冷涡是大尺度环流形势在东北地区特定条件下的产物。我国东北地区处于大兴安岭东侧，高空急流的北侧，独特的地形、锋区急流的动力和热力作用使得东北地区上空经常出现冷性涡旋。同时，冷涡的形成和滞留对大气环流起着重要的反馈作用(王东海等，2007)。前人从不同角度指出，东北冷涡同鄂霍次克海高压、北半球环状模和西北太平洋海温等中高纬系统存在着显著的关系(孙力等，2002；苗春生等，2006a；刘宗秀等，2003)。其次，东北冷涡活动是中高纬大气环流影响我国南方地区的一种有效途径。已有 研究表明，东北冷涡活动能影响江淮梅雨以及 华南前汛期降水的多寡(孙力等，2000；何金海等，2006；王丽娟等，2010；苗春生等，2006b，胡开喜等，2011)。

大气运动极其复杂，有着不同的时间尺度。通常将时间尺度在7～10天以上、100天以内的大气运动称为大气季节内变化，它包括引起普遍注意的30～60天振荡和10～20天振荡。热带地区大气和中高纬地区大气都存在季节内振荡现象(Madden and Julian，1971，1972; Anderson，1983; Wen and Zhang，2007，2008; Wen et al.,2010，2011)。有别于热带 大气中低频环流多为热源(即对流)直接激发出的，大气非线性作用可能是中高纬大气季节内振荡的重要产生机制，且基本气流对扰动的结构和发展有重要影响，因而中高纬大气低频变化的驱动机制包含着扰动与基本气流的重要非线性相互作用。北半球中高纬度系统(如极涡、东亚和北美急流、东亚大槽、阿留申低压等)的变化都存在着明显的季节内振荡(李崇银，1993)。

作为中高纬大气环流的组成部分，东北冷涡的活动同样具有季节内振荡的特征。以1986年为例，孙力(1997)指出，500 hPa东北冷涡活动的主要区域也是大气准双周振荡较活跃的地区，在一定程度可以说明东北冷涡的活动与大气10～20天振荡存在着一定的联系。然而，是否大多数年份东北冷涡活动均具有季节内振荡周期，其季节内振荡的特点、相关环流结构特征及其对东北地区天气气候的可能影响如何，这些问题都有待进一步分析研究。季节内振荡还是中高纬度与低纬度系统相互作用的一种方式。孙力等(2000)和何金海等(2006)先后研究了东北冷涡与梅雨之间的关系，均指出冷涡南下冷空气与携带大量水汽的西南急流汇合有利于形成活跃的江淮梅雨形势。东北冷涡与江淮梅雨现象之间的联系是否能够从季节内振荡的角度得到解释？我们以这些问题作为本文研究的出发点。开展这些研究，能够加深对东北冷涡活动的了解，还可以为相关延伸期预报提供参考。 2 资料和方法 2.1 资料

本文取1979～2009年作为研究时段。以逐日的NCEP/NCAR再分析资料描述大尺度环流特征，资料的水平分辨率为2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996)；选用中国气象科学研究院提供的1979～2008年中国区域高分辨率格点化降水资料，用于探讨中国夏季降水的分布及演变情况，资料的水平分辨率为0.25°×0.25°(胡江林等，2008)。

小波分析是进行周期分析的重要工具，不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出各频段振荡随时间的变化特征(Torrence and Compo，1998)。本文中选用Morlet小波分析东北冷涡活动的振荡周期。为了提取时间序列中的季节内振荡信号，我们使用Lanczos带通滤波器对相关气象要素场进行滤波(Duchon，1979)。同时采用基于两组样本平均值显著差异的T检验方法，我们对低频位相合成要素场进行了显著不为零的统计检验(Jia et al.,2011)。统计量tj为

我们对每个位相j的合成场分别计算统计量tj。其中F'i，j为参与合成的要素场，为每个位相选取的总样本数，sj表示F'i，j的标准差。因每个位相的全部样本均来自不连续的时间序列，因此相互之间是完全独立的，故样本序列的自由度即为样本长度。

依照孙力等(1994)关于东北冷涡的定义，本文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的等高线，并有冷中心或明显的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)冷涡在上述地区生命史为三天或三天以上。以上条件主要从天气学特征来识别东北冷涡。然而，东北冷涡是移动的天气系统，具有时间上的不连续性和空间上的不固定性特征。为了定量描述东北冷涡的低频活动特征，必须选取时间上连续且与低涡活动关系密切的物理量来定义一个客观的东北冷涡活动指数。

首先，必须确定东北冷涡的主要活动区域。根据以上东北冷涡天气过程条件，我们按2.5°×2.5°的网格统计了1979～2009年夏季所有冷涡过程中冷涡中心位置的累积分布，如图 1所示。从图 1上可以看出，我国东北地区为冷涡中心出现大值区，其中(40°N～50°N，120°E～130°E)区域内累计最大值达35次以上，这暗示着该区域可能是反映东北冷涡主要活动特征的关键区域。

东北冷涡的主要特征为500 hPa等压面上较低的位势高度，为此，我们定义(40°N～50°N，120°E～ 130°E)区域平均的500 hPa位势高度为东北冷涡活动指数(NECVI)。为验证该指数能否描述东北冷涡的主要时空特征，我们统计了1979～2009年夏季该指数的变化与低涡活动的关系。图 2a给出了2009年5月1日～8月31日NECVI时间序列及冷涡过程示意图。由图 2a可见，冷涡过程大都出现在　NECVI[即(40°N～50°N，120°E～130°E)区域平均500 hPa位势高度]振荡的低值时期，少数出现在位势高度高值阶段的冷涡过程则是由于冷涡中心在移动过程中未经过上述关键区。经统计，1979～2009年夏季(6～8月)，出现在NECVI振荡谷值区的东北冷涡过程有179次，占总次数的74.6%。这说明了NECVI能够反映出东北冷涡的主要活动特征。

东北冷涡的另一个显著特征是低涡中心有冷中心或者冷槽配合。图 2a中还给出了2009年(40°N～50°N，120°E～130°E)区域平均500 hPa温度序列。可以看出，温度序列与位势高度序列具有同位相振荡的特征。图 2b为逐日NECVI序列与500 hPa温度场的相关分布，也可以看出，NECVI与我国东北地区500 hPa温度场有很好的正相关关系，正相关中心正好位于(40°N～50°N，120°E～130°E)区域，反应了东北冷涡的冷性涡旋特征，同时也说明，仅用(40°N～50°N，120°E～130°E)区域平均500 hPa位势高度即可很好地表征东北冷涡的活动特征。后文中我们均采用NECVI来研究东北冷涡的低频活动特征。

为了确定东北冷涡活动在季节内尺度上的主要振荡周期，我们对1979～2009年逐年的NECVI序列进行了小波分析。在小波分析之前，对NECVI时间序列去掉了季节循环(1～3波)。结果表明，NECVI序列具有明显的季节内振荡周期，但是各年周期并不完全一致(图 3)。

大多数年份中(以1981年为例)NECVI的季节内振荡周期以10～30天为主，30天以上的振荡相对较弱(图 3a)；也有部分年份如1985年夏季，主要存在着10～30天和30～70天两个低频周期(图 3b)；还有少数年份(以2004年为例)，季节内振荡周期主要为10～20天。我们计算了31年序列的平均小波功率谱(图 3d)，可以看出小波能量主要集中于10～30天的周期范围之内。计算还表明，NECVI序列10～30天振荡对原始序列的方差贡献率达40.58%。很多研究认为30天以下的季节内振荡(10～20天，20～30天等)在主要特征上没有明显区别，可视为同一较宽频带的季节内振荡(Kikuchi and Wang，2009; Wu et al.,2009)。因此，虽然图 3d显示在10～30天范围内NECVI有两个明显的小波能量中心，本文仍将10～30天作为整体进行研究。同时我们注意到在30～70天的周期范围内有一个相对较弱的小波能量极值分布，在本文中暂不作分析。 4 东北冷涡活动的低频特征及其与环流和降水的关系 4.1 东北冷涡活动的低频特征

上一节中我们已经指出，NECVI［即(40°N～50°N，120°E～130°E)区域平均500 hPa位势高度］与东北冷涡活动过程有很好的对应关系。分析还发现，NECVI具有明显的10～30天振荡周期，这就预示东北冷涡的活动可能同样具有10～30天周期变化。

图 4展示了31年10～30天带通滤波的NECVI和(40°N～50°N，120°E～130°E)平均500 hPa温度序列，同时还给出了东北冷涡过程情况。可以看出东北冷涡中心活动高频区(40°N～50°N，120°E～ 130°E)内的500 hPa位势高度和温度的10～30天振荡具有明显的同步特征，而且也多与东北冷涡的活动相联系。统计表明，出现在NECVI和500 hPa温度10～30天振荡负位相的冷涡过程共有179次，而出现在正位相仅有61次，再次说明NECVI可以很好地表征东北冷涡的活动，同时也显示东北冷涡的活动同样具有10～30天周期变化。下面，我们就将利用10～30天带通滤波的NECVI指数讨论东北冷涡及其相关环流和中国区域降水的低频特征。

每年夏季的低频序列都呈现出几个不同振幅(强度)的波动，为了得到较为明显的结构特征，我们仅选取NECVI经10～30天滤波后振幅超过31年滤波序列一个标准差(图 4中的横线所示)的波动。共选取了正位相107个、负位相115个(其中有东北冷涡过程103个)，然后按8个位相分别进行合成，如图 5所示。其中，第3位相为NECVI 10～30天振荡谷值，即冷涡中心位于关键区内，称之为东北冷涡最强位相；第7位相为NECVI 10～30天振荡峰值，关键区内为高压中心，称之为东北冷涡最弱位相；第5位相是NECVI低频振荡由负位相到正位相的转换阶段，而第1位相为由正转负阶段。在下文中，我们将同样对环流和降水场进行10～30天滤波处理，然后按NECVI的10～30天振荡位相进行合成，讨论与东北冷涡过程相联系的环流和降水的变化特征。

为了讨论东北冷涡活动的低频变化与环流和降水变化的关系，我们给出了选取的1979～2009年所有个例合成的10～30天带通滤波的500 hPa风场和温度场、降水场随NECVI 10～30天振荡位相演变情况(图 6和图 7)。

第1位相为NECVI的10～30天振荡由正位相到负位相的转换阶段。对应500 hPa环流场上，低频低涡中心位于中俄边界的(50ºN，117.5ºE)附近，我国的东北地区处于低涡前部的异常西南气流控制。值得注意的是，此时500 hPa冷中心落后于低涡中心，这使得低涡西南部有明显的异常冷平流。低涡前部有一西南—东北向呈带状分布的暖性低频反气旋式环流，其上有两个中心，分别位于我国东部黄淮之间和俄罗斯的海参崴附近。我国长江以南地区受反气旋前部的异常东北气流控制。与500 hPa环流对应，我国长江以北的东北、华北地区为正的降水异常，而长江以南的华南地区为负降水异常。

随后，低频低涡沿西北—东南路径向下游移动，逐渐进入我国东北地区，强度也有明显增强，到第3位相时，低涡中心已位于关键区中心，强度达到最强。在这个过程中，冷中心的移动较低涡中心要快，在达到东北地区时已与环流中心重合。随着低频气旋的发展移动，原位于东北、华北地区的暖性低频反气旋式环流迅速减弱，两个中心逐渐分离，北侧中心继续向东偏南方向移动，南侧中心则迅速南压，于第3位相时达到台湾岛附近。伴随着环流的演变，我国东部的异常雨带也向东南方向移动，到第3位相时多雨区移到东北东部和长江流域，而受低涡后部的西北气流控制，华北地区已转为少雨区。我们同时注意到，在低涡的西北方向，另一异常暖性反气旋式环流也在逐渐东移。

第4至第5位相，异常冷涡继续东南移，到第五位相时，低涡中心已经移出关键区。第五位相环流形势与第一位相刚好相反，此时，东北大部分地区受到减弱的冷性低频气旋式环流后部控制。与第一位相的反气旋带类似，该低频气旋同样呈现出带状分布的特点，且分裂成南北两个中心。在随后的几个位相，两中心逐渐分离，分别向东和向南移动。低频气旋上游地区的暖性反气旋式环流中心已接近我国东北地区，暖中心同样落后于反气旋中心。第5位相的异常降雨分布也与第1位相正好相反，我国长江以北的华北和东北地区转为少雨区，而长江以南转为多雨区。

从第5到第8位相，与1～4位相的低频冷涡类似，位于贝加尔湖以东的低频暖性反气旋也由弱变强，并逐渐进入我国东北地区。到第7位相，即东北冷涡最弱位相，整个东北地区已为强大的异常暖性反气旋控制，少雨带已位于东北东部和长江流域，而华北地区又开始进入降水正位相。第8位相，反气旋减弱并向东南方向移动，异常少雨区基本移出东北地区，我国东部降水呈现南负北正的分布，已接近第1位相时的分布形势。

综上所述，从NECVI的10～30天振荡第1到第8位相，东北地区经历了一次由低频冷涡到低频暖性高压影响的转变。与此同时，我国东部地区也经历了一次多雨带从北向南的移动过程。由此可见，东北冷涡活动的低频活动，不仅能引起东北地区降水的低频变化，而且对我国长江流域甚至华南地区降水的低频变化产生影响。图 8给出了我国东北地区(40°N～50°N，120°E～130°E)、长江流域(28°N～32°N，105°E～120°E)和华南地区(20°N～ 27°N，105°E～120°E)10～30天低频降水在NECVI不同位相的演变图，可以看出，三个区域低频降水呈现明显的时间先后关联，东北地区、长江流域和华南地区先后出现了低频降水的峰值。由此可见，掌握东北冷涡活动的低频特征，有助于预测我国东部降水的中短期变化。

从上一小节已经得知，东北冷涡的低频活动与我国东部降水之间存在一定联系。本小节我们将从经向垂直环流的角度进一步了解东北冷涡活动对我国东部降水的影响。兼顾南北两个环流(气旋和反气旋)中心，我们沿117.5°E制作低频环流的垂直剖面图(图 9)，同样给出以NECVI的10～30天振荡合成的8个位相。

第1位相，30°N～60°N的对流层中均为上升气流控制，其中最强上升区位于30°N～40°N之间，为500 hPa低频冷涡前部、低频暖性反气旋后部的西南气流控制区，对应我国东部长江以北的多雨区。此时低涡中心位于50°N附近，同时注意到低涡下方的近地层和对流层低层为下沉气流控制。图 6中 显示出500 hPa冷中心落后于低涡中心，低涡中心南侧直至30°N附近均为异常暖气团控制，而垂直剖面图上这一区域低层的下沉气流则反映出冷空气在低层已经插入到暖气团下方，多雨区正好是冷暖气团交汇区，具有锋面降水性质。垂直环流还显示30°N～40°N的强上升气流大部分在20°N～30°N之间下沉，因此，虽然500 hPa低频流场上显示华南地区的异常环流很弱却对应着显著的降水负异常，其原因就在于低涡前部降水产生的强上升气流形成的垂直环流。由此可见，在季节内尺度上东北冷涡的活动也可以影响到较南地区的天气变化。

随着低涡和冷空气的发展移动，下沉区逐渐扩大并于第3位相控制了30°N以北的整个对流层，长江流域上空还维持着弱的上升气流，但位置有明显的南移，由其产生的异常垂直环流也随之南移。垂直环流的分布和移动也正好对应了我国东部负—正—负的异常降水分布及其变化。

进入NECVI 10～30天振荡的正位相，低涡逐渐东移出关键区，与冷气团对应的下沉气流也逐渐减弱。同时后部暖性反气旋发展，对流层低层的上升运动也逐渐发展，并最后取代冷气团导致的下沉气流。与暖性反气旋相联系的垂直环流也同样影响了其南侧地区的降水异常分布。

西太平洋副热带高压(简称副高)是东亚夏季风系统的主要成员之一，已有大量研究表明副高中短期变化与我国长江流域和华南异常降水联系紧密。首先副高的位置是决定我国东部降水分布的主要因子，而同时降水激发的垂直环流会对副高的中短期东西进退起到一定的调节作用(吴国雄等，2002; Wen et al.,2003; Mao and Wu，2006; 温敏和施晓晖，2006; 司东等，2008)。东北冷涡活动 及其相关环流的变化与副高的中短期进退关系如何?又是否会对我国东部异常降水分布产生影响? 为此，我们对NECVI振荡中副高的活动进行了分析。

图 10给出了各个位相5860 gpm等位势高度线(简称586线)的演变。第1位相，586线西伸到105°E附近，副高控制了整个华南地区，因此华南为少雨区。长江以北受副高外围的西南气流控制，有充足的水汽供应，同时由于低层已有冷空气插入，形成明显降水。而前面垂直环流显示出长江以北降水产生的垂直环流在华南下沉可能是副热带高压增强西伸的原因之一(司东等，2008)。从1至4位相，副高逐渐减弱东退，与垂直环流的减弱和华南少雨区的收缩一致。第4位相，586线退至华南沿海，588线西脊点位于130°E附近，整个华南为副高外围的西南气流控制，因此整个华南转为降水正异常。同时由于长江以北受冷涡及其下沉气流控制，开始转为降水负异常。从5至8位相，586线显示副高逐渐增强西伸。当副高西伸至110°E附近，切断了华南地区的水汽来源，华南地区再次转为少雨区，同时长江以北则获得水汽输送，降水开始增多。Mao et al.(2010)分析了20～50天振荡中副高的变化，他们认为，首先，降水的季节内振荡是对副高季节内振荡的响应，反过来，降水异常激发的Rossby波又对副高的活动起到了一定调节作用。由此可见，在不同时间尺度上，副热带高压的季节内振荡都与降水的变化有密切联系，而且存在明显的相互作用。

通过对低频环流和降水的分析，可以看出东北冷涡活动及其相关的大气环流的季节内振荡与我国东部夏季降水异常具有明显的锁相关系，冷涡活动通过水平环流、垂直环流以及西太平洋副热带高压对雨带的位置起着重要的调制作用。

与热带地区季节内振荡多由对流激发不同，中高纬度的季节振荡是大气内部固有的一种运动，且可能与全球范围的遥相关型有关(李崇银，1993)。从上节的分析中，我们注意到进入东北地区的扰动信号来自于上游地区，而且具有明显的东移特征。这暗示着东北冷涡的活动与北半球中高纬大气活动有关。

图 11给出了较大范围内按NECVI低频位相合成的500 hPa低频流场演变图。在中纬度西风带中，从西北欧经蒙古高原到我国东部季风区的低频高度场呈现为如同Wallace等所提出的欧亚型(EU型)遥相关波列分布(Wallace and Gutzler，1981)。这个低频波列在NECVI的10～30天振荡循环过程中始终存在，且表现出明显地向下游传播，其传播的速度约为每天3～5个经度。而我们同时发现，除此之外，在东亚地区还存在一个经向波列。这个波列从西太平洋—华南地区向北经我国东北地区可一直伸到更高纬度，与Nitta(1989)以及黄荣辉(1990)提出的东亚/太平洋型(EAP型)遥相关极为相似。黄荣辉等(2011)在研究影响我国夏季降水年代际变化时，在异常水汽输送环流场上也发现了类似的两个波列相交、共同影响我国东部地区的水汽输送。Hoskins and Pearce(1983)指出，EU等遥相 关型通常出现在10天以上的低频流场中。我们还计算了200 hPa位势高度低频位相演变(图略)，以上两个波列都有体现，其中EU波列和EAP波列中高纬度部分的位置基本对应，由此说明在整个对流层中与东北冷涡活动相关的10～30天低频环流具有相当正压结构，且与北半球大气遥相关波列的活动有关。同时我们发现，200 hPa西风急流的强度和位置也随着低频位相发生相应的变化，表明东北冷涡环流系统与急流的强度和位置可能存在一定的相互作用和相互影响。因此，沿西风急流传播的波活动可能是引起东北冷涡相关低频环流变化的一个因子。

第一位相，在东北地区受到低频气旋式环流影响时，EU型低频波列与EAP型低频波列在日本海上空交汇。由于日本以东洋面上的低频气旋稳定存在，两条波列交汇并相互作用，形成一个主体位于我国东部到日本北部地区呈带状分布的低频反气旋(图 11a)，其上游的低频气旋系统的移动速度因此而显著变慢。随着波列的发展，该低频反气旋主体向东南方向移动，主要位于长江中下游和华南地区。受到上游系统进一步东移的影响，到第三位相时，低频反气旋东移入海，与中心位于菲律宾海以东洋面的反气旋合并，EAP型波列西移。与之类似，在NECVI正位相期间，同样出现了带状分布的低频气旋的东南向移动与合并。值得指出的是，10～30天的低频反气旋抑或是低频气旋的东南向移动都能使得我国东部地区的环流型呈规律性的变化，对应着雨带在中国东部地区规律性地由北向南推移。

通过以上的分析可以看出EU型与EAP型低频波列夏季在东亚中纬度地区交汇，东北冷涡的活动正是这两个低频波列相互作用的体现。而伴随与东北冷涡相联系的低频环流由北向南移动，我国东部 地区的低频雨带也经历一次由北向南的推移。因此，低频波列的发展及其相互作用对于夏季我国东部雨带的移动有着深远的影响，前期低频欧亚波列发展情况可能预示着后期中国东部各个区域降水的演变。

东北冷涡是东北地区重要的天气系统。已有很多研究针对东北冷涡的气候特征、天气特征与强对流特征，但是从季节内振荡的角度上对东北冷涡活动的研究较少。本文分析了东北冷涡低频活动的时空分布特征及其对降水的影响，并研究了与东北冷涡活动相关的大气低频波列的活动特征。

通过对东北冷涡活动特征的分析，我们定义了一个客观地描述东北冷涡活动的指数(NECVI)，并利用该指数分析了东北冷涡的低频活动特征。结果表明，1979～2009年，东北冷涡主要存在着10～30天周期的季节内振荡。伴随着东北冷涡的东南移动，500 hPa低频环流和低频温度信号也以波列的形式向东南移动，同时，我国东部的低频雨带也随之向南移动。穿过低频活动中心的低频垂直环流和500 hPa上西太平洋副热带高压的变化很好地解释了我国雨带的分布和移动。

进一步，我们分析了东北冷涡低频活动与北半球大气遥相关波列的关系。结果显示，东北冷涡及其相关的环流变化是欧亚型(EU)低频波列的一部分，并通过与东亚/太平洋型(EAP)低频波列的相互作用影响东亚地区低频环流的变化，进而影响我国东部地区的低频降水分布。因此，研究北半球EU型低频波列和EAP型低频波列的活动及相关关系，可能对我国降水的1～2周延伸期预报提供帮助。我们还注意到，低频EU波列在东亚地区正好位于 200 hPa西风急流的北侧，因此与冷涡有关的低频波列的活动可能与沿急流传播的波活动有关，我们将在下一步工作中做深入分析，这将有利于进一步理解低频振荡动力学机制。

致谢 本文作者感谢李建平研究员和陈军明博士在滤波方法上给予的帮助，感谢中国气象科学研究院牛涛博士提供高分辨率中国区域降水格点资料。特别感谢两位审稿人和编辑对本文的改进提出的宝贵意见。