东北冷涡（Northeast Cold Vortex，NECV）是活动于我国东北地区及其附近的高空大型冷涡系统，一年四季均可出现，是影响东北地区天气气候的重要环流系统。研究表明，东北冷涡夏季可诱发局地暴雨、冰雹和雷雨大风等突发性强对流天气（才奎志等，2022；段云霞等，2024；靳振华等，2025），并可能造成低温冷害、洪涝或干旱等灾害（丁婷等，2015；史月琴等，2022；Zhou et al.，2023）。冬季，东北冷涡也是引发我国北方地区强降水的重要系统（王晓明等，2015；易笑园等，2023；徐庆喆等，2025）。

2021年11月6—9日，华北和东北地区先后受高空槽和冷涡接力影响，出现极端暴雪过程（何立富等，2022；赵婷婷等，2023；阎琦等，2024），在此期间哈尔滨等地甚至出现罕见冻雨（王宁等，2023；云天雨等，2024）。该次极端暴雪主要由中低层暖湿气流沿地面冷垫倾斜上升导致，斜压强迫及850 hPa强烈的水平锋生是其形成和发展的关键动力机制。东北地区冬季强降水通常与低层气旋强烈发展和暖锋锋生有关（任丽等，2016；杜晓丹和赵宇，2024），中尺度降水带的走向与锋生区平行（王艺杰等，2024），降水落区和强度与锋区结构及锋生函数大小较为一致。强降水期间常伴有低空急流发展，为降水区持续输送暖湿空气（黄子怡等，2023）；高、低空急流的耦合可进一步增强气旋中心上升运动，有利于强降雪持续和加强（任丽等，2015）。吴剑坤等（2021）基于2001—2018年北京市暴雪过程的统计研究指出，大部分暴雪个例均伴有超低空急流，超低空急流的存在对暴雪的产生与维持具有关键作用。东北三省处于中国第三级阶梯，整体地形起伏较小，低空及超低空急流对冬季降水亦具有显著影响（齐道日娜等，2024）。

现有对东北冷涡结构的研究多集中于暖季冷涡及其引发的强降水。暖季冷涡垂直方向发展高度较高，其冷中心位于对流层中高层，平流层低层呈暖心结构；成熟阶段经向风趋于对称，干侵入特征明显，有助于维持冷心结构促使系统进一步加强（刘英等，2012）。冬半年中，干侵入同样对冷涡的形成与维持具有重要作用；冷涡环流的发展不仅提供充足的水汽和垂直运动条件，冷暖平流交汇引发的锋面过程也有利于大范围降水的形成（刘丹玲和王黎娟，2022）。

2024年11月25—29日黑龙江省经历了一次东北冷涡引发的极端降水过程，7个国家级气象站日降水量突破当地11月历史极值。本次过程具有降水强度大、持续时间长、超低空急流显著且维持时间长、地形影响突出等特征。本文使用黑龙江省地面逐小时观测资料及ERA5再分析资料，系统分析本次东北冷涡的发展机理及其导致持续性强降水的动力与热力机制，拓展对东北冷涡不同类型降水的认识，以期为精细化预报服务。

资料：1）黑龙江省气象信息中心提供的2024年11月25日08：00（北京时，下同）至30日08：00经过质控的全省205个地面气象站逐小时观测资料。根据国家标准GB/T 28592—2012《降水量等级》（全国气象防灾减灾标准化技术委员会，2012），24 h降雪量P_{24 h}≥10 mm为暴雪，P_{24 h}≥20 mm为大暴雪，P_{24 h}≥30 mm为特大暴雪。2）环流背景分析采用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球再分析资料（ERA5）。时空分辨率分别为1 h和0.25°×0.25°，垂直方向共30层。使用要素包括位势高度、相对湿度、温度、垂直速度、风场及比湿。资料时段与地面观测时段一致。

东北冷涡的判识根据孙力等（1994）提出的传统定义，同时满足下列3个条件的事件视为一次东北冷涡过程（任丽和刘颖，2025）：1）500 hPa天气图上至少存在一条闭合等高线（间隔4 dagpm），并伴有冷中心或明显冷槽的低压环流系统；2）冷涡中心位于35°N—60°N、110°E—145°E区域内；3）冷涡在上述区域内至少持续3 d。

低空急流的定义尚无统一标准。参考华南暖区暴雨过程的标准（Du et al.，2014；Zhang and Meng，2019），本文定义600 hPa以下风速≥12 m·s^-1，长度≥100 km，且风速大于其上下两层的气流带为低空急流。低空急流可输送暖湿空气，在出口区产生动力辐合作用，为强降水提供能量源（Chen et al.，2018）。本文中低空急流（超低空急流）为850 hPa（925 hPa）等压面上出现的满足上述风速与空间尺度判据的气流带。

2024年11月25—29日，受东北冷涡活动影响，黑龙江出现持续性降水过程（图1）。强降水时段主要集中在25—26日，降水相态复杂，南部以混合态降水为主，其余地区为雪。黑龙江北部普降大暴雪，部分地区出现特大暴雪，暴雪中心位于鹤岗地区，多站累积降雪量超过50.0 mm，新增积雪深度最大达45 cm。7个国家级气象站日降水量突破当地11月历史极值。鹤岗十八号林场站累积降水量为65.0 mm，逐小时降水量呈双峰分布：主峰出现在26日15：00（4.8 mm），次峰出现在27日01：00（3.2 mm）。27—29日，全省持续有阵性降水，累积降水量普遍不超过10.0 mm，降水相态为雪。延寿安山乡站累积降水量最大达20.4 mm，逐小时降水量峰值出现在28日09：00及11：00，为2.2 mm，其他时段小时降水量均低于1.0 mm。

黑龙江省地形复杂，西南部为松嫩平原，西邻大兴安岭和蒙古高原，北侧为小兴安岭，东侧为长白山脉；东北部为三江平原，西侧为小兴安岭，南侧为长白山脉，北侧为黑龙江。强降水与局地地形密切相关，累积降水量超过20.0 mm的站点主要分布在小兴安岭南侧和东侧山麓，以及长白山脉东侧高海拔地区；累积降水量超过50.0 mm的站点全部位于小兴安岭东侧迎风坡，强降水期间维持东南或偏东风向的低空与超低空急流。

11月22日，极地冷涡位于亚州北部，其底部向南伸展的高空槽在中西伯利亚高原被切断，形成冷涡。冷涡缓慢东移过程中受到我国东北地区暖脊阻挡，向南的分量逐渐增大。25日08：00（图略），冷涡中心南移至60°N、110°E，达到东北冷涡判识标准，东北冷涡形成。25日20：00[图2（a）]，东北冷涡继续南移至贝加尔湖北侧，并向南伸展出较狭长的冷槽。槽后存在强冷平流，温度槽落后于高度槽，呈典型的斜压结构。槽前为偏南风的低空急流，尤其在黑龙江中西部显著加强，风速达16~20 m·s^-1。同时，高空西风急流平直，急流核位于30°N附近，此时，黑龙江中西部已开始出现降水，低空急流左侧和前侧降水量较大。随后东北冷涡向南偏东方向移动并持续加强。26日14：00[图2（b）]，冷涡中心位于内蒙古、吉林、辽宁交界处，强度增强至520 dagpm，冷中心（温度低至-42 ℃）位于其西南侧。冷涡周围低层风速迅速增大，日本海至黑龙江中东部形成东南风低空急流，最大风速超过20 m·s^-1，同时高空急流加强并北抬，135°E附近的43°N—48°N区域出现中尺度西南风高空急流核。高、低空急流的耦合作用使黑龙江东部出现本次过程的最强降水。东北冷涡随后向东偏北方向移动并继续增强。27日08：00（图略），冷涡强度达到510 dagpm并持续约36 h。27日14：00[图2（c）]，冷涡移至黑龙江东南部，其低层依然环绕大风速区，东南风低空急流东移至日本岛，高空急流南落至40°N以南。受偏东风暖平流影响，黑龙江北部降水量较大，其他地区则转为阵性降水。28日08：00[图2（d）]，冷涡中心变形为东北、西南向拉长的椭圆形，随后以冷涡长轴北侧为轴心向东旋转并向北收缩，导致黑龙江东南部降水再度加强[图1（d）]。

海平面气压场上，蒙古气旋东移并与携带暖湿空气北上的黄海气旋逐渐合并，在东北地区形成南北向低压带，黑龙江西部率先出现降水。气旋合并后快速加强，26日14：00[图3（a）]，气旋中心位于日本海，强度达995 hPa，向西北方向形成狭长倒槽，并在槽内形成锢囚锋，黑龙江北部位于锢囚锋附近，降水达到本次过程的最大值；黑龙江东南部山区存在强锋生区，局地小时降水量最大达4.1 mm，25—26日累积降水量超过30 mm。27日02：00[图3（b）]，气旋北移，其长轴由西北、东南向逆时针旋转为东西向，并在黑龙江省北部偏西和偏东地区形成两个中心。鹤岗地区位于东侧气旋中心西缘的强锋生区，降水再度得到加强。27日08：00[图3（c）]，气旋向西移至黑龙江西部，范围扩大但强度减弱，全省降水强度明显减小，逐渐转为阵性降水。28日08：00[图3（d）]，气旋主体移至黑龙江东北部并进一步北移，其底部不断有冷空气南下形成冷锋，使黑龙江维持阵性降水直至过程结束。

以冷涡中心为纬向和经向剖面点，对温度距平、位势高度距平及涡度进行剖面诊断（图4），结果表明，冷涡在不同发展阶段具有明显的垂直与经纬向结构演变特征。26日14：00，位势高度负距平中心位于300 hPa处，强度达-32 dagpm；冷中心位于800~500 hPa的对流层中低层，温度距平最大达-14 ℃，300 hPa以上迅速转为暖中心，250 hPa暖距平最大达10 ℃，该暖中心位于冷涡南侧。温度槽落后于高度槽，两者皆向西倾斜；部分-12 dagpm高度槽甚至向东伸展至近地面，高空高位涡沿高度槽向低层传递并在冷涡东侧诱发新的低压发展，27日02：00形成新的低压中心，从而增强降水。27日08：00，冷涡发展到最强，位势高度负距平中心下移并增强至约-44 dagpm；冷中心分裂为上下两个，下层冷中心位于800~700 hPa，温度距平最大达-16 ℃，而平流层暖中心的范围与强度均增大。此时中上层温度槽与高度槽基本重合，轴线近垂直；-12 dagpm高度槽向北伸展至地面，地面低压中心位于冷涡中心北侧。28日08：00，冷涡减弱，位势高度负距平中心继续上抬至约350 hPa，强度减弱至-40 dagpm，槽区更宽广并向下伸展；冷中心范围减小并上移至500 hPa，温度槽超前于高度槽，中上层轴线呈垂直结构，同时平流层暖中心开始减弱。

综上所述，东北冷涡自地面至对流层高层存在显著的温度负距平区，形成深厚的冷心结构，而在平流层转为暖心结构。冷涡发展阶段具有明显斜压特征，温度槽落后于高度槽且两者均向西倾斜；成熟阶段高度槽和温度槽基本呈垂直结构，冷中心位于对流层中低层并达到最强。减弱阶段冷涡强度减弱但向下伸展的深度达到最大，冷心厚度减小、冷中心高度上升，温度槽逐渐超前于高度槽。总体来看，冷涡冷心结构最初出现在对流层中层，随冷涡发展向下延伸，并在减弱阶段重新回到中层。与典型夏季冷涡相比，本次东北冷涡过程温度更冷、强度更大、槽区更宽广、重心更低，反映出冬季对流层具有高度更低和斜压性更强的特点。

分析不同发展阶段的冷涡中心风场结构特征发现，冷涡具有显著的高、低空急流配置与随时间演变的斜压结构。冷涡发展阶段，对流层高层在东西方向分别出现南风和北风的大风速中心（风速最大达60 m·s^-1），构成高空急流核[图5（a）]。大风速区向下传递，尤其是128°E以东区域，南风下传增强，形成低空急流，并与上层南风急流耦合，在地形抬升的共同作用下，该区域产生强上升气流。中低层东南风持续从海上输送暖湿水汽，使低层比湿显著增大（比湿达4 g·kg^-1），上升气流进一步使湿层增厚。此阶段副热带西风急流核位于200 hPa[图5（d）]。低层零风速线位于冷涡中心东北侧，中高层随高度向西倾斜，可视作冷涡轴线，表明冷涡处于典型的斜压结构阶段。冷涡最强阶段[图5（b）、（e）]，低层零风速线距冷涡中心更近，并位于冷涡中心东南侧。600 hPa以下随高度向东南倾斜，表明冷涡中低层依然具有一定斜压性。高空副热带西风急流显著增强，下传作用加强，冷涡中心及南侧形成较强的西风和下沉运动；而冷涡北侧的偏东气流同样增强，并下传至低层，伴随大范围上升运动和较深厚的湿层。冷涡减弱阶段[图5（c）、（f）]，零风速线位于冷涡中心，近似垂直分布，冷涡结构向正压转变。冷涡东侧与北侧低层的南风和东风迅速减小，上升运动也减弱，而西侧和南侧在地形作用下仍可见局地上升运动。

总体而言，冷涡中心始终维持西北风和低层弱上升运动；发展至强盛阶段时，其北侧和东侧受东南风暖湿输送影响，形成强上升气流和深厚湿区，为强降水提供有利条件；减弱阶段低层风速减小，冷涡各部位均存在浅薄的上升气流。风场结构的阶段性演变清晰反映了降水的空间分布特征。本次过程中，强降水区持续处于冷涡东侧的东南风输送带中[图2（a）、（b）]，该区域湿区深厚、上升运动强烈，使降水维持时间长、强度大。

25日20：00，850 hPa黄海、日本海至黑龙江中东部出现偏南风低空急流[图2（a）]，并显著增强局地水汽输送，使降水逐渐加强。随后低空急流迅速增强，其北部偏东分量逐渐增大，至26日14：00达最大，43°N以北部分区域风向转为东南风，最大风速达30 m·s^-1。超低空急流也迅速增强，最大风速达28 m·s^-1，两者叠置区域风向随高度顺时针旋转，构成暖输送带[图6（a）]。

研究降水中心区域（46°N—49°N，130°E—133°E）的平均风速垂直结构特征[图6（b）]，结果表明，低空急流存在显著日变化，凌晨至午后急流增强并向下传递，26日08：00和14：00最大风速位于800 hPa，具有明显的垂直风切变特征；午后至夜间急流减弱，低层风速迅速减小、大风区上移，26日20：00与27日02：00最大风速位于700 hPa，仍维持一定的垂直风切变。

沿130°E做水平风场和风速的垂直剖面（图7）。26日08：00，整层大气以东南风为主，高、低空急流同时存在。高空急流核位于250 hPa，并向北伸展至47°N；低空急流核位于800 hPa 44°N附近，向北向下层伸展，最大风速达30 m·s^-1。47°N的强降水区在地形辐合抬升与高、低空急流耦合作用下，自地面至500 hPa的散度场呈“辐合、辐散、辐合、辐散”的垂直结构，形成随高度向南倾斜的上升气流。中低层在950~850 hPa和700~600 hPa分别存在两个上升运动大值区，低层比湿达3~4 g·kg^-1。26日14：00，东南风维持并进一步加强，高、低空急流加强。高空急流核下传至300 hPa，强度与范围均大幅增大，向北伸展至50°N，高空辐散增强。低空急流核增强至32 m·s^-1，北移至46°N，并向北向下传至49°N、900 hPa。低空急流增强、变薄，形成显著的垂直风切变并增强低空辐合。47°N的垂直散度结构维持，850 hPa和600 hPa的上升运动中心均明显升高，强度分别由-1.0 Pa·s^-1增至-2.5 Pa·s^-1和-1.5 Pa·s^-1增至-2.0 Pa·s^-1。925 hPa以下比湿增大至4 g·kg^-1，与强上升运动叠加，降水强度达到最大。26日20：00，整层风速大幅减小，高、低空急流减弱，高层辐散、低层辐合同步减弱。地面辐合层厚度减小、强度减弱，比湿降低，降水强度随之减弱。27日02：00，48°N以南低层转为西、西北风，风速增大至24 m·s^-1，与其北侧东南风低空急流之间形成强水平风切变，在47°N—49°N低层形成深厚的强辐合层，其上方为低空急流核所在的强辐散层，形成强上升运动，850 hPa上升运动中心强度增至-3.5 Pa·s^-1。此时低层比湿减小到2 g·kg^-1，但在低层强上升运动的配合下，仍出现强降水次峰[图1（c）]。

由于冬季对流层高度低、整层温度偏低，中低层湿度和垂直运动更具代表性（赵恩榕等，2023；王思慜等，2024），925 hPa水汽输送与辐合可更好地反映本次过程的水汽状况（图8）。26日08：00，日本海至黑龙江有南转东南的气流向北持续输送水汽，黑龙江中东部整层大气可降水量为20~35 mm，925 hPa比湿为3~5 g·kg^-1，高于此区域11月上旬极端冻雨过程（王宁等，2023）。长白山西侧至小兴安岭东侧为显著水汽辐合带，对应低层辐合与强上升运动，湿层持续增厚，支持强降水。26日14：00，东南气流加强北移，受山脉阻挡气流减弱，水汽向西输送加强。黑龙江中东部比湿为3~4 g·kg^-1，整层大气可降水量为20~30 mm。低层水汽在超低空急流左侧辐合，范围与强度达到最大，对应强上升运动及强度最大降水。26日20：00，41°N以北的东南气流北移并转为偏东气流，受俄罗斯锡霍特山脉阻挡，向西输送的水汽减小，整层水汽含量下降，强水汽输送与辐合主要位于黑龙江北部，6 h最大降水量（13.3 mm）出现在小兴安岭迎风坡。27日02：00，东南气流再次转为偏东气流并迅速向北收缩，向西输送的水汽量迅速减小，仅黑龙江东北部比湿保持在3 g·kg^-1、整层大气可降水量为20 mm。低层水汽辐合范围和强度迅速减小，全省大部6 h降水量降至5.0 mm以下。

暴雪中心鹤岗附近[图7（a）、（b）、（e）、（f）]在整个过程中持续位于气旋倒槽辐合区，叠加地形抬升及高、低空急流耦合作用，使低层上升运动更强、伸展高度更高、持续时间更长，导致持续性强降水。2024年11月26日08：00—14：00降水量为25.3 mm，14：00—20：00降水量为23.2 mm。

强降水时段，黑龙江东北部中低层始终维持东南、偏东风，强降水中心位于小兴安岭东侧山麓迎风坡，沿47.5°N做水平风的垂直剖面（图9）研究地形在降水中的增幅作用。26日14：00，130°E以东近地面为8 m·s^-1以上东南风，风速随高度迅速增大，东南风低空急流核位于875 hPa，风速达32 m·s^-1。小兴安岭东侧近地面大风速区在130°E附近风速迅速减小，950 hPa以下形成随高度向西倾斜的强水平风切变。这一区域对应低层强上升运动（950~850 hPa最大上升速度达-1.6 Pa·s^-1）及最大6 h降水量（14.1 mm）。小兴安岭东麓为低山丘陵地貌，平均海拔约348 m、坡度约14°，风向与地形基本垂直，容易形成强迫抬升。根据地形对垂直运动影响的计算公式（朱乾根等，2007），当地形高度、水平风速及风向与山脊夹角较大时，地形对垂直运动的增幅达-0.2~-0.1 Pa·s^-1，增强低层抬升并放大降水。小兴安岭南侧与长白山脉交界处风向与地形夹角较小，降水明显偏弱。

27日02：00，130°E以东近地面风向转为偏东，风速减小，东南风低空急流核向东、向上移动。130°E附近900~850 hPa西侧为偏西风大风速区（最大风速12 m·s^-1），东侧为东南、偏东风大风速区，两者之间形成强水平风切变，诱发狭窄而强烈的低层上升运动（850 hPa最大上升速度-3.6 Pa·s^-1）。但由于水汽减少[图8（d）、（h）]，且上升中心上移，6 h降水量降至5.2 mm。此时三江平原西侧与小兴安岭交界处存在气旋性风切变，6 h降水量最大达12.7 mm，强降水主要受局地环流影响而非地形控制。

根据以上分析可构建东北冷涡背景下的强降水三维结构模型（图10）。强降水区西侧中低层为深厚冷涡结构，涡中心随高度向西倾斜，冷中心或温度槽落后于涡中心，具有较强斜压特征。冷涡东南侧暖区内锋面气旋强烈发展，地面冷暖锋对应850 hPa“人”字形切变线，切变线南侧700 hPa与850 hPa存在东南低空急流，向北输送水汽和热量。急流在切变线附近辐合抬升，同时近地面东风回流在小兴安岭迎风坡强迫抬升，增强低层垂直运动，加之高、低空急流耦合作用，使小兴安岭迎风坡出现极端降水。气旋中心西北侧锢囚锋附近亦出现强降水。

2024年11月25—29日，黑龙江省发生一次东北冷涡极端降水过程，7个国家气象站日降水量突破11月极值。此次降水过程降水强度大、持续时间长，超低空急流强且维持时间长，地形作用显著。基于东北冷涡完整的演变过程，对冷涡结构及黑龙江东北部持续性强降水成因进行综合分析，得到以下主要结论。

（1）东北冷涡在对流层内表现为深厚冷心、平流层为暖心。冷心最初出现于中层，发展阶段向下延伸，减弱阶段重新回到中层。冷涡中心始终维持西北风和弱上升气流。冷涡发展及强盛阶段其南侧为下沉气流，北侧和东侧存在较强上升运动与深厚湿区，导致降水集中；减弱阶段整体上升运动减弱，降水减弱。

（2）东南风低空急流与超低空急流构成暖输送带，是强降水的核心动力条件。低空急流强度具有明显日变化特征，凌晨至午后增强且大风区向下传递，垂直风切变明显；午后至夜间急流减弱、低层风速迅速减小、大风区上移。

（3）强降水与925 hPa水汽辐合具有较好对应关系。鹤岗附近强降水中心持续处于倒槽辐合区，高、低空急流耦合及地形抬升协同作用，使低层上升运动更强、伸展高度更高、持续时间更长，造成极端降水。地形能显著增强降水，极端降水出现在小兴安岭东侧迎风坡。