進(jìn)入極區(qū)溫帶氣旋的時(shí)空變化特征分析

秦聽，魏立新，孫虎林（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

進(jìn)入極區(qū)溫帶氣旋的時(shí)空變化特征分析

秦聽，魏立新，孫虎林
（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

摘要：基于氣旋自動(dòng)追蹤方案，利用ERA-Interim逐日4次（每6 h一次）平均海平面氣壓再分析資料，對(duì)1979—2012年共34年生成于65°N以南，北上進(jìn)入極圈的氣旋的時(shí)空特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：（1）該類氣旋的數(shù)量與強(qiáng)度具有明顯的季節(jié)變化，呈現(xiàn)春夏多強(qiáng)度弱，秋冬少但強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)；（2）氣旋年總數(shù)呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)；（3）進(jìn)入極區(qū)的氣旋其主要源地在北大西洋一側(cè)，北上跨入極區(qū)的關(guān)鍵區(qū)域位于格陵蘭島以東的丹麥海峽以及冰島以東的海域（60°—30°W），氣旋在該區(qū)域一年四季都很活躍；（4）該類氣旋主要在50°—65°N生成，也有在中緯度生成，長(zhǎng)途跋涉進(jìn)入極區(qū)；（5）該類氣旋在陸地上生成的比例比海上高，尤其是在夏季，冬季海上氣旋源地相對(duì)變得活躍，生成比例接近陸地的生成比例，幾乎各占一半。

關(guān)鍵詞：北極；穿過65°N；溫帶氣旋；氣旋自動(dòng)追蹤；時(shí)空分布

1　引言

溫帶氣旋是出現(xiàn)在南北半球中高緯度地區(qū)，能帶來大范圍降水、大風(fēng)天氣的斜壓性的低壓系統(tǒng)。在北極地區(qū)，溫帶氣旋被證實(shí)是活躍于該地區(qū)大氣環(huán)流中重要的天氣系統(tǒng)之一[1]。極地地區(qū)的溫帶氣旋不能與極渦相混淆，溫帶氣旋是出現(xiàn)在對(duì)流層下部的天氣系統(tǒng)，極渦[2]是出現(xiàn)在中上層對(duì)流層和平流層大氣的持續(xù)性大尺度氣旋性環(huán)流，兩者都影響極地的大氣、海洋、海冰、生態(tài)環(huán)境。一次較強(qiáng)的溫帶氣旋過程會(huì)帶來降雪、大風(fēng)等劇烈天氣，對(duì)極地地區(qū)的天氣和氣候有重要影響，同時(shí)也給極地科考安全帶來挑戰(zhàn)。國(guó)外很早就展開了極區(qū)溫帶氣旋的研究工作，早在19世紀(jì)50—60年代，利用逐日的天氣圖分析溫帶氣旋的活動(dòng)，Reed等人[3]的分析表明溫帶氣旋是活躍于北極區(qū)域的天氣系統(tǒng)之一；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始通過逐日多次的再分析資料中的氣壓場(chǎng)或者風(fēng)場(chǎng)定義氣旋的中心低氣壓值或渦度的極值來識(shí)別氣旋，以及追蹤整個(gè)氣旋的生命過程。這些追蹤方法的開發(fā)者包括澳大利亞的Murray[4]和英國(guó)的Hodges[5]等，利用他們的方法，近些年各國(guó)的研究人員開展了許多氣旋的統(tǒng)計(jì)和相關(guān)的研究工作。Xiang Dong Zhang[6]統(tǒng)計(jì)了1948—2002年北極地區(qū)氣旋的逐年變化特征；Geng and Sugi[7]對(duì)北半球溫帶氣旋的頻數(shù)、路徑和強(qiáng)度的變化給出了統(tǒng)計(jì)。這些自動(dòng)追蹤氣旋方法的應(yīng)用避免了之前繁雜的人工分析天氣圖的工作量，同樣也能夠讓氣旋識(shí)別具有更加客觀的結(jié)果。盡管由于采用的追蹤方法和再分析數(shù)據(jù)的不同，結(jié)果會(huì)有一定的差異，但是對(duì)于氣旋的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)以及空間分布的研究是可以接受的。

北半球極區(qū)（65°N以北）氣旋包括在該區(qū)域生成的，以及在其南部不同區(qū)域生成移入極區(qū)的，這些氣旋伴隨的大風(fēng)和降水，在極區(qū)天氣氣候以及海氣相互作用方面起著重要的作用。特別是由南部移入極區(qū)的，為該區(qū)域帶來熱量、水汽以及動(dòng)量等，對(duì)極區(qū)的氣候變化有重要影響。ASGEIR[8]統(tǒng)計(jì)穿過70°N進(jìn)入極區(qū)的氣旋與該區(qū)域水汽輸送之間的相互關(guān)系，得到了這類氣旋的活動(dòng)與進(jìn)入極區(qū)的水汽輸送之間有很好的相關(guān)。本文基于英國(guó)雷丁大學(xué)Hodges[9]的氣旋自動(dòng)識(shí)別追蹤算法，利用歐洲中心（ECMWF）較高分辨率的海平面氣壓場(chǎng)資料，追蹤由南向北穿過65°N進(jìn)入極區(qū)的天氣尺度的氣旋，并分析該類氣旋時(shí)空變化特征以及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。

2　資料與方法

采用的資料來自歐洲中心（ECMWF）的ERA-Interim逐日4次（每6 h一次）平均海平面氣壓再分析資料，數(shù)據(jù)的水平分辨率為0.75°×0.75°，時(shí)間長(zhǎng)度為1979—2012年，共34年。季節(jié)的劃分：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12—2月；提取源地位于北半球65°N以南，生成以后穿過65°N進(jìn)入極區(qū)的氣旋。

文中氣旋的定位與追蹤基于雷丁大學(xué)Hodges的氣旋追蹤算法。該方案通過從海平面氣壓場(chǎng)中找出氣壓的極值或者從850 hPa渦度場(chǎng)中提取渦度極值來追蹤氣旋。整個(gè)計(jì)算的過程主要分為三個(gè)步驟，包括濾波，氣旋中心定位以及追蹤。文中采用海平面氣壓場(chǎng)追蹤氣旋的方案，詳細(xì)的算法可以參考Hodges[5]相關(guān)文獻(xiàn)。

3　結(jié)果分析

3.1氣旋數(shù)量

（1）氣旋平均個(gè)數(shù)的季節(jié)統(tǒng)計(jì)見表1：夏季個(gè)數(shù)最多，共45.1個(gè)，所占比例為28%；春季次之，共41.1個(gè)，所占比例為25%；秋季39.4個(gè)，所占比例為24%；冬季氣旋個(gè)數(shù)最少，為37.3個(gè)，占23%；年平均162.9個(gè)。

表1　氣旋季平均數(shù)以及年平均數(shù)

（2）圖1為氣旋年總數(shù)和季節(jié)個(gè)數(shù)的時(shí)間序列。1979—2012年總數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，經(jīng)過線性傾向估計(jì)，相關(guān)系數(shù)r為-0.33，達(dá)到0.1的顯著水平，但未達(dá)到0.05的顯著水平。春季無明顯變化趨勢(shì)，其他季節(jié)均有不同程度的減少，冬季最明顯，4個(gè)季節(jié)的線性變化趨勢(shì)均未達(dá)到顯著水平。

3.2氣旋中心最低氣壓以及生命史

3.2.1中心最低氣壓

氣旋發(fā)展過程中最低中心氣壓值代表氣旋的強(qiáng)度，可以作為氣旋造成的災(zāi)害性影響程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)。提取每個(gè)氣旋從生成到消亡過程中的中心氣壓最低值，對(duì)不同季節(jié)進(jìn)入北極圈的氣旋強(qiáng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖2結(jié)果表明春、秋兩季氣旋強(qiáng)度分布較為相似，兩個(gè)季節(jié)氣旋最低氣壓主要處于970—1000 hPa；夏季氣旋較弱，更為集中分布于980—1000 hPa；冬季則是較為平均的分布于945—1000 hPa。一般來說，氣旋中心氣壓低于975 hPa就會(huì)帶來災(zāi)害性影響，春季這類氣旋比例為18%，夏季為2%，秋季為28%，冬季為50%。氣壓值越低，強(qiáng)度越大，因此，平均而言，夏季強(qiáng)氣旋發(fā)生的頻率很低，秋冬季節(jié)，尤其是冬季，強(qiáng)氣旋活動(dòng)頻繁，對(duì)極區(qū)天氣造成巨大的影響，同時(shí)在極區(qū)動(dòng)量和和水汽的輸送方面有重要作用。

3.2.2氣旋生命史

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，北上進(jìn)入極區(qū)的溫帶氣旋中，氣旋的生命史最短為1天，最長(zhǎng)的有21天。4個(gè)季節(jié)平均而言，生命史1—7天的氣旋比例為82.0%，生命史超過10天的氣旋比例為4.2%，然而冬季僅為2%，遠(yuǎn)低于平均水平，夏季大于10天的比例為8%，遠(yuǎn)高于平均水平。夏季氣旋生命史較長(zhǎng)是因?yàn)橄募緲O區(qū)海冰融化，有利于海洋為大氣提供更多的熱量，促進(jìn)對(duì)流不穩(wěn)定性的發(fā)展，有利于氣旋的維持和發(fā)展（見圖3）。

3.3氣旋源地以及進(jìn)入極區(qū)位置分布

3.3.1氣旋源地

氣旋源地密度的統(tǒng)計(jì)方案采用了雷丁大學(xué)Hodges的核密度估計(jì)算法，該算法屬于非參數(shù)密度估計(jì)方法，目的是生成一個(gè)連續(xù)、平滑、可視性較好的氣旋密度分布圖；概率密度值單位為無量綱，其物理意義是其值的大小對(duì)應(yīng)了氣旋密度分布的疏密狀況，它的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)已知?dú)庑恢命c(diǎn)Xi，以Xi點(diǎn)周圍的未知點(diǎn)距Xi的距離作為衡量指標(biāo)，建立估計(jì)函數(shù)，估計(jì)已知點(diǎn)Xi周圍的氣旋密度分布。詳細(xì)的算法參考Hodges[10]1996年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)。

圖1　氣旋年總數(shù)以及各個(gè)季節(jié)氣旋數(shù)時(shí)間變化序列圖

統(tǒng)計(jì)1979—2012年所有穿過65°N的氣旋生成源地，發(fā)現(xiàn)這類氣旋的源地極其廣泛，氣旋生成以后可以移動(dòng)很長(zhǎng)距離進(jìn)入極區(qū)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，氣旋主要生成于50°—65°N之間，氣旋最低生成緯度達(dá)到26.5°N。圖4為4個(gè)季節(jié)的氣旋源地概率密度圖，經(jīng)過進(jìn)一步對(duì)氣旋生成位置的海陸分布計(jì)算分析得到，該類氣旋生成的區(qū)域具有季節(jié)的變化和空間的不均勻分布特征，春季氣旋主要生成于大西洋一側(cè)的格陵蘭島南端到北歐，氣旋在海洋和陸地生成的比例分別為42%和58%；與其他季節(jié)相比，夏季在陸地，特別是歐亞大陸高緯度地區(qū)生成的氣旋明顯多于其他季節(jié)，此時(shí)氣旋在海洋和陸地上生成比例分別為38%和62%；到了秋季，海上的氣旋源地開始變得活躍，氣旋在海洋和陸地上生成比例分別為45%和55%，亞歐大陸東部以及北美的西部氣旋生成頻率明顯減少，氣旋生成區(qū)主要位于70°W—70°E；冬季的分布延續(xù)了秋季海上氣旋活躍的特點(diǎn)，氣旋在海洋和陸地上生成比例分別為52%和49%，冬季是海上氣旋生成最活躍的季節(jié)；丹麥海峽及其以南的地區(qū)，由于有大西洋暖流經(jīng)過，有利于氣旋的發(fā)生發(fā)展，4個(gè)季節(jié)都是氣旋的高發(fā)區(qū)，冬季尤為明顯。

圖2　氣旋中心最低氣壓值分布直方圖

圖3　氣旋生命史分布直方圖

圖4　氣旋概率密度圖

圖5　各個(gè)季節(jié)不同區(qū)域氣旋跨入65°N的個(gè)數(shù)百分比

3.3.2氣旋進(jìn)入65°N的位置分布

僅統(tǒng)計(jì)氣旋的生成區(qū)域還不能夠清晰地表明氣旋進(jìn)入極區(qū)的區(qū)域分布。將地球表面自經(jīng)度0°開始每隔30°劃分為一個(gè)單元區(qū)域，360°球面被劃分為12個(gè)區(qū)域；將每次氣旋過程最初落入65°N或者65°N以北的點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)這些樣本點(diǎn)落入某區(qū)域的個(gè)數(shù)占總體氣旋個(gè)數(shù)的百分比，得到圖5。（1）4個(gè)季節(jié)中最大比例為16.3%，位于冬季30°—0°W的格林蘭海區(qū)域；最小值為1%，位于冬季120°—150°E的東西伯利亞，這與前面冬季陸地源地減少的結(jié)論一致；冬季氣旋跨入極區(qū)的位置比其他3個(gè)季節(jié)更集中；（2）12個(gè)區(qū)域平均比例最大為14%，位于30°—0°W的格林蘭海；前人的研究顯示挪威海一帶在春、秋、冬季節(jié)的氣旋頻率最大，我們的研究結(jié)果也支持這一結(jié)論；平均最低比例為2%，位于150°—120°W的北美大陸阿拉斯加半島以北的高緯度地區(qū)；（3）氣旋從90°W—120°E覆蓋的7個(gè)區(qū)域進(jìn)入極區(qū)的比例達(dá)到總體的76.0%；相反，從120°E—90°W覆蓋的5個(gè)區(qū)域是氣旋進(jìn)入極區(qū)的低比例區(qū)，所占比例僅24.0%；（4）氣旋跨入極區(qū)的通道東半球所占比例略高于西半球，分別為52.3%和47.7%，而且東半球的氣旋通道的分布比西半球平均。

4　結(jié)論

北極圈的氣旋有一類是在極圈內(nèi)生成的，另一類是在極圈外生成，移動(dòng)過程中進(jìn)入到極圈的。由于后面一類氣旋在極地與高緯度大氣系統(tǒng)之間相互作用中起到非常重要的作用，所以本文對(duì)這類氣旋進(jìn)行了單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)和分析。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

（1）這類氣旋具有明顯的年際變化和季節(jié)變化特征，呈現(xiàn)春夏多而秋冬少的特點(diǎn)。夏季雖然這類氣旋發(fā)生頻率高持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但是平均強(qiáng)度最弱，冬季是氣旋強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)，總體而言，秋冬季節(jié)氣旋造成災(zāi)害性影響的頻率高于春夏季節(jié)；

（2）這類氣旋的生成地集中在50°—65°N高緯度地區(qū)，總體來看，陸地上生成氣旋比例大于海上生成的比例，不同的季節(jié)，氣旋在陸上和海上的活躍程度不同，夏季大陸上氣旋的生成比例高于其他3個(gè)季節(jié)的比例，冬季海洋上氣旋生成比例也較另外3個(gè)季節(jié)高；

（3）1979—2012年這段時(shí)間氣旋的年總數(shù)呈現(xiàn)明顯的減少，這與Zhang等人對(duì)1960—2002年從中緯度進(jìn)入70°N極區(qū)氣旋的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一致的。本文季節(jié)方面的分析結(jié)果表明，氣旋個(gè)數(shù)春夏季無明顯變化，秋冬季節(jié)明顯減少，但都沒有通過顯著性檢驗(yàn)。這一減少的趨勢(shì)可能與北大西洋濤動(dòng)（NAO）有關(guān)，Geng[7]等人分析了北大西洋氣旋活動(dòng)的頻率與北大西亞濤動(dòng)的關(guān)系，認(rèn)為氣旋活動(dòng)頻數(shù)與北大西洋濤動(dòng)呈正相關(guān)，北大西洋區(qū)域的氣旋頻率、加深率、中心氣壓也與NAO變化一致。而文中分析的北大西洋一帶是氣旋重要生成區(qū)域，因此認(rèn)為北大西洋濤動(dòng)對(duì)進(jìn)入極地氣旋的數(shù)量也有影響。北極是全球氣候變化最顯著的地方，全球氣溫升高在極地地區(qū)被放大，夏季海冰融化加劇以及多年冰的減少等是極地內(nèi)大氣、海洋、海冰系統(tǒng)以及與極區(qū)外系統(tǒng)相互作用的共同結(jié)果，進(jìn)入極區(qū)氣旋的減少是否表明極地與中高緯度的相互作用減弱，這還需要綜合分析氣旋的其它要素，比如強(qiáng)度、伴隨的降水等。

在65°N以南中高緯度生成、北上進(jìn)入極區(qū)的溫帶氣旋是中高緯度地區(qū)對(duì)流層下部的斜壓性系統(tǒng)，承擔(dān)著中高緯度地區(qū)的熱量、水分向極區(qū)的輸送，強(qiáng)氣旋會(huì)給經(jīng)過區(qū)域帶來大風(fēng)和降水天氣，同時(shí)，對(duì)極區(qū)海氣交換、海冰分布與飄移、極區(qū)生態(tài)系統(tǒng)等都有重要的影響。氣旋數(shù)量以及分布的變化與北半球高緯度地區(qū)的大氣環(huán)流、海溫、海冰等有密切的關(guān)聯(lián)。本文僅僅對(duì)這類氣旋做了統(tǒng)計(jì)分析工作，還沒有深入的研究這類氣旋對(duì)極地地區(qū)帶來的影響的程度，之后的研究可以從該類氣旋對(duì)北極地區(qū)降水、海冰變化的影響方面展開，從而更好地了解中高緯度生成的溫帶氣旋對(duì)北極地區(qū)的影響。

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Statistic and variability of cyclones in arctic in 1979—2012

QIN Ting，WEI Li-xin，SUN Hu-lin
(National Marine Environmental Forecasting Center, Key Laboratory of Research on Marine Hazards forecasting, SOA, Beijing 100081 China)

Abstract：Based on the 6 hourly sea level pressure data of ERA-Interim reanalysis over the period 1979—2012 and automated cyclone detection and tracking algorithm from Reading University, cyclones which generate south of 65°N and enter Arctic are examined, and the activities and variability are investigated. The results showed that: (1)The number and intensity of this kind of cyclones has obvious seasonal variations with more amount and weaker strength in spring and summer, less amount and stronger strength in Autumn and winter, (2) The annual number of cyclones is decreasing, and reaching significant level. (3) A large proportion of these cyclones generate from North Atlantic sector, especially, Denmark Strait is the key passage. (4) The cyclones mainly generate from 50°-65°N. (5)More cyclones generate on the sea than the land especially in summer,but almost the same in winter.

Key words：Arctic；extra-tropical cyclones；automated cyclone detection and tracking algorithm；temporal and spatial distribution

作者簡(jiǎn)介：秦聽（1988-），女，碩士研究生，助理工程師，主要從事溫帶氣旋自動(dòng)追蹤及其時(shí)空變化與海氣通量相互作用研究。E-mail: tingqin_123@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（40930848）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（41206186）；國(guó)家海洋局極地專項(xiàng)（CHINARE2013-04-01）

收稿日期：2013-10-23

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.006

中圖分類號(hào)：P443

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）01-0039-07