东北冷涡是活跃于我国东北及其邻近地区的深厚冷性切断低压系统，其异常发展和维持常常导致我国东部地区以及东北亚大范围持续性降水、低温、局地强对流等灾害性天气。在全球变暖背景下，深化对东北冷涡活动的物理机制理解并进一步提升其预测水平具有重要科学价值和现实意义。
硕士生屈文达，李娟教授等基于广度优先搜索算法改进了东北冷涡客观识别方法，统计了东北冷涡发生空间位置和频次，系统揭示了东北冷涡活动盛期5–7月各月频次的年际变率、物理机制及其可预报性来源，构建东北冷涡各月频次的季节预测模型并取得优异的独立预测技巧。
通过对1979–2023年东北冷涡活动的客观识别，首先明确5–7月东北冷涡频次明显高于其他月份，是气候态上全年最活跃的时期（图1a）。然而，东北冷涡在这三个月活动盛期内各月频次的年际变率完全独立，两两之间毫无关联（图1b）。这种月际显著差异提示东北冷涡盛期季节平均频次仅反映各月残差，东北冷涡在各月可能受到不同大尺度环流背景及热动力过程影响。因此，应从月际角度分析东北冷涡频次年际变化特征和成因，这对进一步厘清东北冷涡频次的年际变率机理、提升其季节预测水平具有重要科学价值和现实意义。
图1 （a）1979–2023年3月至8月气候态逐月平均的东北冷涡频次，（b）1979–2023年逐年5月（绿色）、6月（黄色）和7月（粉色）东北冷涡频次时间序列。（a）中粉色背景为东北冷涡活动盛期，（b）中右上角为东北冷涡频次各月间年际相关系数。
通过普查前期相关持续性和倾向性下垫面信号，结合逐步回归剔除与物理机制验证的双重标准，分别确定了5–7月东北冷涡频次的预测因子（图2）。2–3月平均的北大西洋经向海温三极子（NAT）持续至5月增强北大西洋中高纬瞬变涡旋活动，通过瞬变涡度通量的动力作用扰动大气，形成向东传播的大气遥相关波列导致5月东北冷涡频次增加（图2a）。3至5月欧洲东部土壤湿度变干（ESM）可以通过调节地-气热量收支加热低层大气，诱发高层高压异常和东传波列，同时4至5月赤道东太平洋海温变暖（EPT）有利于加强局地对流正异常，通过Gill响应激发类PNA型遥相关波列并沿西风急流形成东传波列（图2b–c）。二者共同通过下游波列导致6月东北冷涡频次增加。5–6月平均的河套地区土壤湿度正异常（HSM）通过近地表冷却诱发高层低压直接加强其东侧冷涡活动，而热带中太平洋海温正异常（CPT）通过对流激发Gill响应形成西北太平洋高层反气旋异常，继而在其北部东北亚地区产生气旋异常，两者均导致7月东北冷涡频次的增加（图2d–e）。
图2 1979–2010年5月东北冷涡频次与（a）2–3月平均海表温度（填色），6月东北冷涡频次与（b）5月减3月土壤湿度（填色）和（c）5月减4月海表温度（填色），7月东北冷涡频次与5–6月平均（d）土壤湿度（填色）和（e）海表温度（填色）的相关系数分布。打点区域通过了90%置信水平的显著性检验。红框为NAT（15°–75°N, 90°W–10°E）、ESM（50°–65°N，15°–65°E）、EPT（5°S–15°N, 115°–80°W）、HSM（35°–50°N, 100°–115°E）和CPT（15°S–25°N, 160°E–145°W）预测因子定义范围。
基于上述物理机制构建的逐月东北冷涡频次季节预测模型均表现出较高的预测技巧，尤其在6月和7月显著优于欧洲中期天气预报中心第五代季节预报系统（ECMWF-SEAS5）（图3）。然而，模型对诸如1983年5月、2020年6月和2011年7月东北冷涡频次的预测效果仍相对有限。因此，识别新兴可预测性来源、考虑非线性过程影响是进一步提高预测准确率的可能方向。
图3（a）5月观测（柱状）、PEM预测（红线）和ECMWF-SEAS5提前0月预测（蓝线）的冷涡频次。（b–c）同（a），但为6月和7月。图中左上为各月PEM预测模型，右下红色和蓝色分别为PEM和ECMWF-SEAS5在训练期和独立预测期时间相关系数和均方根误差。实线为训练期，虚线为独立预测期。
论文信息：
Qu W, Li J, Xu S, Fang Y, Zhu Z. Physics-based predictions of month-by-month variation in northeast cold vortex frequency during its peak season. Climate Dynamics, 64, 259 (2026). https://doi.org/10.1007/s00382-026-08212-1.
