冬季北太平洋的溫帶氣旋活動(dòng)及其與前期秋季北極海冰的關(guān)系?

任麗媛， 刁一娜

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

溫帶氣旋是產(chǎn)生于中高緯度地區(qū)具有斜壓性的低壓渦旋，是中高緯度地區(qū)天氣變化的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。通過(guò)熱帶和極地之間的熱量、動(dòng)量、水汽輸送，對(duì)全球氣候系統(tǒng)起著重要的作用[1]。溫帶氣旋的發(fā)展往往會(huì)伴隨明顯的天氣現(xiàn)象，如強(qiáng)風(fēng)、降水、溫度變化[2]。因此，研究溫帶氣旋的活動(dòng)特征及其變化規(guī)律是十分有意義的，這將幫助我們更好地認(rèn)識(shí)天氣變化和氣候特征。

早期對(duì)氣旋的識(shí)別和追蹤主要依靠對(duì)天氣圖的人工分析[3]，隨著再分析資料和數(shù)值模式資料的廣泛應(yīng)用以及數(shù)值算法的不斷發(fā)展，自動(dòng)和半自動(dòng)的客觀識(shí)別追蹤氣旋的算法發(fā)展了起來(lái)。對(duì)于氣旋的識(shí)別算法，一種是采用不斷與鄰近格點(diǎn)比較數(shù)據(jù)的方法來(lái)判斷氣旋的位置和中心強(qiáng)度[4-6]，另一種是選定一個(gè)變量作為分析場(chǎng)，通過(guò)識(shí)別變量的局地最小值來(lái)確定溫帶氣旋的中心。Blender 等[7]采用1 000 hPa的位勢(shì)高度場(chǎng)作為分析場(chǎng)，Hart[8]，Wernli and Schwierz[9]利用海平面氣壓場(chǎng)作為分析場(chǎng)，Hodges[10]和Sinclair[11]則使用對(duì)流層低層的相對(duì)渦度場(chǎng)作為分析場(chǎng)。Hodges 等[12]指出，相對(duì)渦度場(chǎng)適用于高頻天氣變化中的氣旋識(shí)別，而海平面氣壓場(chǎng)更適用于低頻天氣變化中的氣旋識(shí)別。Serreze[13]和Wang 等[14]同時(shí)考慮海平面氣壓和相對(duì)渦度來(lái)綜合判斷氣旋中心。更復(fù)雜的算法是在尋找分析場(chǎng)的局地最小值前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值[15-17]。利用氣旋追蹤算法可以統(tǒng)計(jì)氣旋的氣候特征，如氣旋的分布、生成頻率、加深率、中心氣壓、移動(dòng)速度、生命史等。研究中多采用以下方法：以某一時(shí)刻氣旋所在位置為中心，選擇一定的半徑進(jìn)行鄰近搜索，同時(shí)基于動(dòng)力作用考慮氣旋的移動(dòng)，即添加一些限制條件，找出下一時(shí)刻氣旋所在位置[6,15,18]。不同算法之間的差異主要在于搜索半徑和限制條件的不同。

Ulbruch等[2]利用1958—2006的NCEP-NCAR冬季數(shù)據(jù)(10月—次年3月)統(tǒng)計(jì)得出，北半球有兩個(gè)最主要的氣旋活動(dòng)區(qū)，北大西洋區(qū)和北太平洋區(qū)，此外，亞洲大陸和地中海地區(qū)也是氣旋活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域。McDonald[19]利用高精度的大氣模式研究了北半球的溫帶氣旋對(duì)氣溫異常的響應(yīng)，結(jié)論指出:對(duì)流層低層極地和赤道之間溫度梯度減小，會(huì)導(dǎo)致氣旋減少、減弱，而潛熱通量的增加會(huì)使氣旋加強(qiáng)。溫度梯度的改變引起斜壓性的改變，從而導(dǎo)致北美地區(qū)冬季的氣旋路徑向北極偏移，大西洋東北部的氣旋路徑則向南偏移。Harnik and Chang[20]采用探空資料研究了1949—1999年北半球的風(fēng)暴軸的年際變化，指出太平洋風(fēng)暴軸有加強(qiáng)和向東北偏移的趨勢(shì)。Wang 等[14]利用ERA-40數(shù)據(jù)集和NCEP-NCAR數(shù)據(jù)集的研究結(jié)果均表明，1958—2001年，1—3月北太平洋中緯度的強(qiáng)氣旋活動(dòng)加強(qiáng)。以上研究表明，氣旋的活動(dòng)存在著明顯的年際變化。

Blunden and Arndt[21]的研究表明，北極的氣候變化速度至少是全球氣候變化的兩倍。北極增暖最顯著的特征就是北極海冰的減少，包括海冰覆蓋范圍、海冰厚度和冰季的持續(xù)時(shí)間等。其中，以夏季和秋季的變化最為顯著。海冰聯(lián)系著海洋與大氣之間的熱量、動(dòng)量、水汽和其他物質(zhì)的交換，所以海冰的變化不僅是氣候變化的產(chǎn)物，也會(huì)對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反饋?zhàn)饔肹22]，如造成低溫和多雪天氣[23-25]。

北極海冰減退會(huì)產(chǎn)生一系列氣候效應(yīng)。Jaiser 等[26]利用歐洲中心(ECMWF)的海冰密集度數(shù)據(jù)和哈德萊中心的海冰數(shù)據(jù)集(HadISST1)研究得出，海冰的減少使海洋向大氣釋放的熱量增加，進(jìn)一步導(dǎo)致大氣的垂直靜力穩(wěn)定性減弱，也就是大氣的斜壓不穩(wěn)定性增加。Francis 等[27]和Overland and Wang[28]進(jìn)一步指出，額外增加的熱量使得1 000～500 hPa氣層的厚度的南北梯度減弱。根據(jù)熱成風(fēng)原理，緯向風(fēng)隨高度減弱[22]。這樣的氣候效應(yīng)又會(huì)對(duì)溫帶氣旋的活動(dòng)產(chǎn)生什么樣的影響呢？

本文將首先統(tǒng)計(jì)冬季北太平洋溫帶氣旋的活動(dòng)特征及變化，然后探討風(fēng)暴路徑與前期秋季北極海冰的關(guān)系。

1 資料和方法

1.1 資料介紹

本文采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的全球大氣再分析數(shù)據(jù)集ERA_interim從1979—2014年冬季(12月—次年2月，下同)共36年的數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為6 h，垂直方向共19層，從1 000～50 hPa，間隔50 hPa。使用變量包括海平面氣壓場(chǎng)，月平均的海冰密集度、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)。

1.2方法介紹

1.2.1 溫帶氣旋的客觀識(shí)別和追蹤算法 本文采用的氣旋識(shí)別和追蹤算法均以Hart[8]為基礎(chǔ)，并做了適當(dāng)修正。具體的識(shí)別算法為：(1)5°×5°的范圍內(nèi)，海平面氣壓的最小值小于1 020 hPa。(2)生命史維持24 h以上。(3)5°×5°的范圍內(nèi)海平面氣壓梯度達(dá)到2 hPa。此外，本文通過(guò)敏感性試驗(yàn)，得到了海平面氣壓的普拉斯的閾值來(lái)剔除過(guò)度識(shí)別的溫帶氣旋，最后，設(shè)定了海拔高度閾值為1 500 m，以剔除部分局地?zé)岬蛪合到y(tǒng)。

假設(shè)t-△t時(shí)刻存在一氣旋A，t時(shí)刻存在一氣旋B，二者距離為△d，那么氣旋追蹤準(zhǔn)則為：(1)△t≤24 h。(2)t時(shí)刻的氣旋B是距離t-△t時(shí)刻的氣旋A最近的氣旋。(3)氣旋的移動(dòng)速度小于40 m/s。(4)△d<△dmax，△dmax= Max(500 km，3×△t×Vprev)，Vprev是氣旋A 在t-2△t～t-△t時(shí)段內(nèi)的移動(dòng)速度。(5)氣旋A 在t-2△t～t-△t時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向與其在t-△t～t時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角要在一定的角度范圍內(nèi)。(6)氣旋生成范圍在120°E～120°W，20°N～80°N區(qū)域內(nèi)。

1.2.2 溫帶氣旋的客觀識(shí)別和追蹤結(jié)果的檢驗(yàn) 為了驗(yàn)證上述氣旋識(shí)別和追蹤算法的準(zhǔn)確性，參考前人的驗(yàn)證方法[29]，在120°E～120°W，20°N～80°N范圍內(nèi)，使用隨機(jī)抽取的客觀算法結(jié)果與人工分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

(1)識(shí)別算法檢驗(yàn)。隨機(jī)抽取多個(gè)時(shí)刻，利用ERA-interim海平面氣壓資料，人工分析識(shí)別出該時(shí)刻的氣旋個(gè)數(shù)和中心位置，并與客觀識(shí)別算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。定義如下兩個(gè)指標(biāo)：識(shí)別成功率=客觀識(shí)別出的真實(shí)氣旋個(gè)數(shù)/人工識(shí)別氣旋個(gè)數(shù)，識(shí)別差額率=客觀識(shí)別出的不真實(shí)氣旋個(gè)數(shù)/人工識(shí)別氣旋個(gè)數(shù)。表1列出了2010年12個(gè)時(shí)刻(以該年1月1日00時(shí)作為第一個(gè)時(shí)刻)的結(jié)果?？梢钥吹?，在12個(gè)時(shí)刻中，10個(gè)時(shí)刻的識(shí)別成功率達(dá)到100%，剩余2個(gè)時(shí)刻的識(shí)別成功率為80%和85.7%。10個(gè)時(shí)刻的識(shí)別差額率為0，剩余2個(gè)時(shí)刻的識(shí)別差額率分別為20%和25%。由以上結(jié)果可以看到，本文所采用的氣旋客觀識(shí)別算法基本可以把真實(shí)存在的溫帶氣旋識(shí)別出來(lái)，但識(shí)別差額率也反映出一定的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為當(dāng)氣旋尺度較小，強(qiáng)度較弱或者有氣旋分裂的情況時(shí)，識(shí)別不夠準(zhǔn)確。

(2)追蹤算法檢驗(yàn)。隨機(jī)抽取多個(gè)氣旋，利用追蹤算法得到其移動(dòng)軌跡，并與人工分析得到的軌跡進(jìn)行對(duì)比。圖1是隨機(jī)選取的2010年的4個(gè)氣旋的對(duì)比圖?？梢郧宄乜吹?，客觀追蹤算法和人工識(shí)別得到的真實(shí)情況雖然有一些細(xì)微的差別，但總體上看，兩種方法得到的氣旋移動(dòng)路徑吻合的很好。所以本文認(rèn)為，客觀追蹤算法能夠很好地追蹤氣旋的移動(dòng)路徑，具有較高的可靠性。

表1 2010年溫帶氣旋人工識(shí)別和客觀算法識(shí)別部分結(jié)果對(duì)比Table 1 Partial results of artificial compared to objectivealgorithm inextratropical cyclone detection in 2010

Note：①Numbers by arti- ficial identification；②Numbers by objective identification；③Real numbers of objective identi-fication；④Success rate of identification；⑤Difference rate of identification

((a)，(b)，(c)，(d)分別代表4個(gè)氣旋個(gè)例。(a)、(b)、(c)、(d) represent four extratropical cyclone cases.)圖1 2010年氣旋移動(dòng)路徑的人工追蹤結(jié)果(藍(lán)線)與客觀算法追蹤結(jié)果(黑線)的抽樣對(duì)比Fig.1 Sampling comparison of artificial(blue line) compared to objective algorithm(black line) in extratropical cyclone tracking in 2010

2 冬季北太平洋溫帶氣旋活動(dòng)特征及其變化

2.1 冬季北太平洋溫帶氣旋的活動(dòng)特征

利用上述氣旋識(shí)別和追蹤算法，得到120°E～120°W，20°N～80°N區(qū)域內(nèi)，1979—2014年冬季的溫帶氣旋集。圖2(a)、(b)分別給出了1979—2014年冬季該區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋生成頻率和活動(dòng)頻率空間分布的氣候態(tài)。生成頻率定義為：當(dāng)某一個(gè)格點(diǎn)上有氣旋生成時(shí)，該格點(diǎn)及與其相鄰的8個(gè)格點(diǎn)都算作有一次氣旋生成?；顒?dòng)頻率定義為：在整個(gè)氣旋生命周期中，氣旋所在中心位置4°×4°lon.格點(diǎn)范圍內(nèi)的格點(diǎn)都算作該氣旋的活動(dòng)范圍?？梢钥吹?，該區(qū)域溫帶氣旋的生成頻率(見(jiàn)圖2(a))主要有兩個(gè)大值中心，分別位于日本以東的太平洋洋面和阿拉斯加灣北部，次大值中心位于堪察加半島兩側(cè)和日本海中部。北太平洋溫帶氣旋活動(dòng)頻率的氣候態(tài)顯示為自日本以東洋面至阿拉斯加灣北部的風(fēng)暴路徑(見(jiàn)圖2(b))，這與Ulbrich 等[2]得到的北半球溫帶氣旋的活動(dòng)特性一致?；顒?dòng)頻率存在兩個(gè)明顯的大值中心，分別位于堪察加半島東南的洋面和阿拉斯加灣北部?？梢?jiàn)，阿拉斯加灣北部既是氣旋生成也是氣旋活動(dòng)的最頻繁的區(qū)域之一。另一個(gè)氣旋生成頻率最大的區(qū)域位于日本以東，相應(yīng)的活動(dòng)頻率位于堪察加半島東南的洋面上，這可能是因?yàn)榘⒗辜訛潮辈康臍庑珊笥捎谙驏|移入陸地，發(fā)展和移動(dòng)速度緩慢，因此氣旋生成區(qū)也是活動(dòng)區(qū)。而對(duì)于日本以東洋面生成的氣旋，由于海面上摩擦力較小，有利于氣旋快速發(fā)展和移動(dòng)，氣旋從初始位置向東北移動(dòng)至堪察加半島東側(cè)且同時(shí)有內(nèi)陸的氣旋也移動(dòng)至此[30]，使得這一區(qū)域成為氣旋活動(dòng)最頻繁的區(qū)域之一。

圖2 1979—2014年冬季北太平洋地區(qū)溫帶氣旋生成頻率((a) 單位：個(gè)數(shù)(1°×1°)-1·a-1)和活動(dòng)頻率((b) 單位：個(gè)數(shù)(4°×4°)-1·a-1)空間分布的平均Fig.2 Themean spatial distribution of generation frequency((a) Unit: number(1°×1°)-1·a-1) and activity frequency((b) Unit: number(4°×4°)-1·a-1) of extratropical cyclone in the North Pacific in minter during winter 1979—2014

2.2 冬季北太平洋溫帶氣旋活動(dòng)的變化

為了了解溫帶氣旋活動(dòng)特征的變化，本文對(duì)1979—2014年冬季北太平洋地區(qū)的氣旋活動(dòng)頻率異常做經(jīng)驗(yàn)正交分解，經(jīng)North檢驗(yàn)得到兩個(gè)獨(dú)立的顯著模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率分別為13.41%和9.25%。圖3(a)、 (b)、(c)分別為第一模態(tài)的空間分布和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)以及去趨勢(shì)后的時(shí)間系數(shù)的功率譜分析。圖3(d)、(e)、(f)同上，但為第二模態(tài)，圖中已經(jīng)將空間函數(shù)的特征向量乘以特征值之開(kāi)方。從第一模態(tài)的空間分布(見(jiàn)圖3(a))上可以看到，以零線為界，北太平洋冬季氣旋活動(dòng)頻率異常的第一模態(tài)主要表現(xiàn)為南北偶極子結(jié)構(gòu)，表示風(fēng)暴路徑南北擺動(dòng)的變化特征。正位相表現(xiàn)為：正值的大值區(qū)主要位于零線以北的太平洋上以及落基山脈的迎風(fēng)坡，負(fù)值的大值區(qū)主要位于30°N以北零線以南的太平洋上以及鄂霍次克海西部。時(shí)間系數(shù)(見(jiàn)圖3(b))的趨勢(shì)線的斜率為0.31/a，表現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢(shì)，即空間分布有由負(fù)位相向正位相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，但未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合空間分布(見(jiàn)圖3(a))可知，由負(fù)到正的位相轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)太平洋北部氣旋活動(dòng)頻率增多而南部氣旋活動(dòng)頻率減少，風(fēng)暴路徑有向北偏移的趨勢(shì)。從圖3(c)上看，第一模態(tài)去趨勢(shì)后的時(shí)間系數(shù)存在兩個(gè)較明顯的周期，分別是5和12年左右，即氣旋活動(dòng)頻率的第一模態(tài)存在年際和年代際變化，但周期未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。從圖3(d)上看，第二模態(tài)的空間分布表現(xiàn)為“夾心”狀分布，40°N～60°N之間的大陸沿岸和太平洋洋面上呈相反的分布形勢(shì)，正位相表現(xiàn)為，160°N～140°W，40°N～50°N的太平洋為正值大值區(qū)，而鄂霍次克海北部至勘察加半島和落基山脈的迎風(fēng)坡為負(fù)值大值區(qū)。從圖3(e)和(f)上看，時(shí)間系數(shù)沒(méi)有明顯的線性趨勢(shì)，去趨勢(shì)后的時(shí)間系數(shù)存在一個(gè)2～3 a的較明顯的周期，對(duì)應(yīng)其年際變化特征，但未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。

((a)、(b)、(c)為第一模態(tài)；(d)、(e)、(f)為第二模態(tài)；(a)、(d)中的百分率為相應(yīng)模態(tài)的解釋方差，灰線為零線；(b)、(e)中灰色曲線為標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間系數(shù)，黑色直線為線性趨勢(shì)線；(c)、(f)中黑線表示功率譜值，藍(lán)線表示95%信度水平的白噪音檢驗(yàn)線。(a)、(b)、(c)represent the first EOFmode；(d)、(e)、(f)representthe second；The percentages in(a)、(d)represent explained variance and the gray lines mean their values are 0；The gray lines in(b)、(e)represent the standardized time coefficientsand the black lines represents the linear trend；The black lines in(c)、(f)represent power spectrum value and the blue linesrepresent 95% confidence level white noise tests.)

圖3 1979—2014年冬季北太平洋地區(qū)溫帶氣旋活動(dòng)頻率異常的EOF分解的前兩模態(tài)的空間分布
和標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間系數(shù)及去趨勢(shì)后的時(shí)間系數(shù)的功率譜分析
Fig.3 The first two EOF modes’ spatial distribution and standardized time coefficients of extratropical cyclone in North Pacific winter during 1979—2014 and the power spectrum analysis of the detrended time coefficients

3 冬季北太平洋溫帶氣旋活動(dòng)與前期秋季北極海冰的關(guān)系

3.1 影響冬季北太平洋氣旋活動(dòng)的海冰關(guān)鍵區(qū)

海冰異常偏少會(huì)使得地表向大氣釋放的熱量增加，中高緯度之間的溫度梯度減弱[27-28]。額外增加的熱量增加了低層大氣的垂直厚度，從而導(dǎo)致上層位勢(shì)高度增加，大氣厚度增加。同時(shí)也使北極急流呈減弱趨勢(shì)，冰島低壓和阿留申低壓這兩個(gè)半永久性低壓減弱，這種效應(yīng)會(huì)一直持續(xù)6個(gè)月，其機(jī)制已在Deser等[31]中闡明。Vihma[22]指出，北極海冰的減退會(huì)使對(duì)流層中層的緯向風(fēng)減弱。溫帶氣旋的活動(dòng)與大氣環(huán)流和引導(dǎo)氣流密切相關(guān)，因此，下面本文將探討秋季海冰異常對(duì)北太平洋冬季溫帶氣旋活動(dòng)的影響。

做氣旋活動(dòng)頻率異常EOF分解第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)與前期秋季海冰密集度異常的線性回歸(見(jiàn)圖4，第二模態(tài)與前期秋季海冰的關(guān)系較弱，圖略)。從圖中可以看到，氣旋活動(dòng)頻率異常的第一模態(tài)與前期秋季海冰存在密切的聯(lián)系，東西伯利亞海-波弗特海一帶的回歸系數(shù)通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。本文把150°E～120°W，70°N～80°N這塊區(qū)域稱(chēng)為海冰關(guān)鍵區(qū)，下同。結(jié)合圖3(a)、(b)可知，海冰關(guān)鍵區(qū)秋季海冰異常偏多，對(duì)應(yīng)第一模態(tài)的空間分布為負(fù)位相。相反地，海冰關(guān)鍵區(qū)秋季海冰異常偏少，對(duì)應(yīng)第一模態(tài)的空間分布為正位相，即北部氣旋活動(dòng)頻率增多而南部氣旋活動(dòng)頻率減少。由此得出結(jié)論：海冰關(guān)鍵區(qū)秋季海冰偏少會(huì)引起冬季北太平洋風(fēng)暴路徑偏北。圖4(b)是前期秋季關(guān)鍵區(qū)的海冰密集度異常和EOF分解第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)的年際序列，可以看到二者大致具有相反的變化特征，相關(guān)系數(shù)為-0.38，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，即關(guān)鍵區(qū)海冰偏少，對(duì)應(yīng)第一模態(tài)空間分布的正位相，即風(fēng)暴路徑偏北，與之前的結(jié)論一致。

(圖(a)中黑點(diǎn)的區(qū)域表示回歸系數(shù)通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)；圖(b)中的藍(lán)線代表時(shí)間系數(shù)，黑線代表海冰密集度異常。The black points in(a)indicate that the regression coefficients are statistically significant over 95% confidence level；The blue line in (b)represents time coefficients and the black line represents sea ice concentration anomaly(Unit: ×100%).)

圖4 EOF分解第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)與
北半球前期秋季海冰密集度異常的線性回歸
分布((a)單位：×100%)及時(shí)間系數(shù)(右側(cè)縱坐標(biāo))
與關(guān)鍵區(qū)海冰密集度異常(左側(cè)縱坐標(biāo))的年際時(shí)間序列(b)

Fig.4 The previous autumn arctic sea ice concentration anomalies regressed by first EOF mode’s standardized time coefficients in the northern hemisphere autumn
((a) Unit: ×100%)and the interannual sequences of the time coefficients (Y-axis on the right)
and sea ice concentrationanomaly(Y-axis on the left)of the sea ice key area(b)

3.2 冬季北太平洋氣旋活動(dòng)對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征

做氣旋活動(dòng)頻率異常EOF分解第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常和海平面氣壓場(chǎng)異常的線性回歸(見(jiàn)圖5)?？梢钥吹?，時(shí)間系數(shù)為正時(shí)，對(duì)應(yīng)500 hPa位勢(shì)高度呈正異常，海平面氣壓場(chǎng)上阿留申低壓有明顯的減弱。本文在上節(jié)中證明了關(guān)鍵區(qū)海冰密集度異常和第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)顯著的相關(guān)關(guān)系，因此作者認(rèn)為，秋季關(guān)鍵區(qū)的海冰主要是通過(guò)這一特征環(huán)流來(lái)影響冬季北太平洋的氣旋活動(dòng)的。秋季關(guān)鍵區(qū)海冰減少，使得阿留申低壓區(qū)呈高壓異常，對(duì)應(yīng)第一模態(tài)空間分布的正位相，即風(fēng)暴路徑北移。Rodionov 等[32]的研究表明，阿留申低壓這一大氣活動(dòng)中心的減弱會(huì)引起中緯度西風(fēng)帶位置的偏移，我們知道溫帶氣旋的移動(dòng)路徑與引導(dǎo)氣流密切相關(guān)，因此秋季關(guān)鍵區(qū)的海冰減少可以通過(guò)改變大氣環(huán)流從而影響風(fēng)暴路徑。

(圖中黑點(diǎn)的區(qū)域表示回歸系數(shù)通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。The black points in picture indicate that the regression coefficients are statistically significant over 95% confidence level.)

圖5 EOF分解第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列與冬季北半球500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)
異常((a)，單位：gpm)和海平面氣壓場(chǎng)異常((b)，單位：hPa)的線性回歸分布
Fig.5 The 500 hPa geopotential height anomalies((a) Unit: gpm) and sea level pressure anomalies ((b) Unit: hPa)
regressed by first EOF mode’s standardized time series in the northern hemisphere winter

4 秋季北極海冰異常對(duì)冬季北太平洋風(fēng)暴路徑偏移的影響機(jī)制

4.1 秋季北極海冰異常對(duì)冬季北太平洋西風(fēng)急流的影響

本文挑出了秋季海冰關(guān)鍵區(qū)的海冰密集度最小和最大的5年，分別合成其對(duì)應(yīng)年份的冬季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和急流(風(fēng)速≥18 m/s)位置，得到圖6(a)、(b)。做海冰偏少年與海冰偏多年500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)速之差，得到圖6(c)?？梢钥吹?，關(guān)鍵區(qū)海冰偏少的年份，500 hPa高度上東亞大槽的位置偏西，阿拉斯加沿岸的高壓脊偏弱，并且180°以東的西風(fēng)急流有明顯的北抬(見(jiàn)圖6(a))。對(duì)應(yīng)了圖6(c)中堪察加半島以東處于正位勢(shì)高度異常中而北美處于明顯的負(fù)位勢(shì)高度異常中。從風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，45°N以北的風(fēng)速有正異常而45°N以南有負(fù)異常，同時(shí)180°～160°W，40°N以南和160°W～140°W，40°N以北的兩個(gè)區(qū)域有偏南風(fēng)異常，導(dǎo)致西風(fēng)急流向北偏移，急流的北抬又進(jìn)一步導(dǎo)致了風(fēng)暴路徑隨之北移。相反地，關(guān)鍵區(qū)海冰偏多的年份，500 hPa高度上堪察加半島以東處于負(fù)位勢(shì)高度異常中而北美處于明顯的正位勢(shì)高度異常中，180°以東有異常的偏北風(fēng)(見(jiàn)圖6(c))，因此東亞大槽的位置偏東，阿拉斯加沿岸的高壓脊偏強(qiáng)，西風(fēng)急流呈平直的東-西向且向南偏移(見(jiàn)圖6(b))，風(fēng)暴路徑隨之偏南。

Rodionov 等[32]的研究指出，阿留申低壓偏強(qiáng)年份，500 hPa上東亞大槽向東延伸，阿拉斯加沿岸的高壓脊加強(qiáng)，槽脊之間的距離縮短，位勢(shì)高度梯度增強(qiáng)，產(chǎn)生異常的偏北風(fēng)，西風(fēng)急流位置偏南，使得風(fēng)暴路徑隨之偏南。反之，阿留申低壓偏弱年份，急流位置偏北，風(fēng)暴路徑隨之偏北。本文在3.2節(jié)中已經(jīng)討論了秋季海冰偏少年份阿留申低壓明顯偏弱，所以得到海冰偏少年風(fēng)暴路徑北移的結(jié)論與Rodionov 等[32]是一致的。

4.2 秋季北極海冰異常對(duì)冬季北太平洋大氣斜壓性的影響

Yin[33]的研究表明，中緯度斜壓區(qū)域向極地偏移，同時(shí)向?qū)α鲗由蠈友由?，可引起風(fēng)暴軸的偏移。眾所周知，中緯度天氣尺度系統(tǒng)的主要啟動(dòng)機(jī)制是斜壓不穩(wěn)定。溫帶氣旋主要是在鋒區(qū)上發(fā)展起來(lái)的，鋒區(qū)中的大氣處于斜壓不穩(wěn)定狀態(tài)，非常容易產(chǎn)生鋒生鋒消，從而造成地面氣旋的發(fā)生[34]。所以溫帶氣旋的活動(dòng)必然與斜壓性的強(qiáng)弱有著密切的聯(lián)系。

(圖(c)中黑點(diǎn)的區(qū)域表示風(fēng)速差值通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。The black points in(c)indicate that the wind speed differences are statistically significant over 95% confidence level.)

圖6 秋季海冰關(guān)鍵區(qū)海冰密集度偏少年份(a)和偏多年份(b)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：gpm)、風(fēng)場(chǎng)(箭頭，單位：m/s)和急流范圍(黑色虛線)的合成及二者500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線，單位：gpm)、風(fēng)場(chǎng)(矢量，單位：m/s)和風(fēng)速(填色圖，單位：m/s)之差(c)
Fig.6 The composite of 500 hPa geopotential height (contour, Unit: gpm), wind (vector, Unit: m/s) and westerly jet area (black dashed line) of heavy sea ice concentration year (a) and light sea ice concentration year (b) in autumn sea ice key area and the difference of 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm), wind(vector, unit: m/s)and wind speed(shaded, unit: m/s)between the two(c)

本文用最大Eady波增長(zhǎng)率[35]來(lái)表示斜壓性的強(qiáng)弱，計(jì)算公式為σBI=0.31f|?U|?Z|/N-1。其中：f表示科里奧利參數(shù)；U表示緯向風(fēng)速；z表示垂直高度；N表示布倫特-維賽拉頻率。計(jì)算海冰關(guān)鍵區(qū)的秋季海冰與冬季各層150°E～120°W 范圍內(nèi)Eady斜壓增長(zhǎng)率的緯向平均的相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)的垂直剖面(見(jiàn)圖7)。可以看到，從對(duì)流層低層至300 hPa，高低層的分布形勢(shì)大致一致，45°N以南和75°N以北，二者呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系；45°N～75°N之間，二者呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。也就是說(shuō)，秋季關(guān)鍵區(qū)海冰異常偏少，會(huì)引起75°N以北和45°N以南Eady斜壓增長(zhǎng)率減小，大氣斜壓性減弱，而使45°N～75°N之間Eady斜壓增長(zhǎng)率增大，大氣斜壓性增加，從而有利于這一帶的氣旋活動(dòng)頻率增加，即風(fēng)暴路徑向45°N以北偏移。作者猜想，這可能是由于局地的斜壓擾動(dòng)產(chǎn)生后，一邊向正壓狀態(tài)調(diào)整，一邊向低緯度傳播又引起低緯度的斜壓擾動(dòng)。

(白色曲線范圍內(nèi)表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。The white line indicate that the correlation coefficients are statistically significant over 95% confidence level.)

圖7 關(guān)鍵區(qū)秋季海冰密集度與冬季150°E～120°W范圍內(nèi)Eady斜壓增長(zhǎng)率的緯向平均的相關(guān)系數(shù)(陰影)的垂直剖面

Fig.7 The vertical section of correlation coefficients(shaded) between key area sea ice concentration in autumn and the zonally averaged Eadybaroclinic growth rate of 150°E～120°W in winter

5 結(jié)論與討論

本文基于ECMWF的ERA_interim全球再分析數(shù)據(jù)集，利用Hart[8]提出的溫帶氣旋的客觀識(shí)別和追蹤算法，得到了1979—2014年共36年冬季北太平洋區(qū)域內(nèi)的氣旋集，經(jīng)過(guò)與人工識(shí)別的結(jié)果對(duì)比，可知該算法具有較高的可靠性。分析了該區(qū)域內(nèi)冬季溫帶氣旋的活動(dòng)特征和年際變化，最后研究了冬季風(fēng)暴路徑與秋季北極海冰異常的關(guān)系，并從大氣環(huán)流和大氣斜壓性變化兩個(gè)方面給出解釋。得到以下結(jié)論：

(1)冬季北太平洋區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋的生成頻率主要有兩個(gè)大值中心，分別位于日本以東的太平洋洋面和阿拉斯加灣北部，次大值中心位于堪察加半島兩側(cè)和日本海中部。太平洋氣旋活動(dòng)的氣候態(tài)顯示為自日本以東洋面至阿拉斯加灣北部的風(fēng)暴路徑，活動(dòng)頻率存在兩個(gè)明顯的大值中心，分別位于堪察加半島的東南洋面和阿拉斯加灣北部。

(2)為了進(jìn)一步了解氣旋活動(dòng)的年際變化，本文對(duì)冬季北太平洋的氣旋活動(dòng)頻率異常做EOF分解，第一模態(tài)顯示為30°N以北，氣旋活動(dòng)分布呈南北偶極子結(jié)構(gòu)，表示風(fēng)暴路徑的南北擺動(dòng)。時(shí)間系數(shù)表現(xiàn)出較顯著的上升趨勢(shì)，即空間分布有由負(fù)位相向正位相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，風(fēng)暴路徑有向北偏移的趨勢(shì)。去趨勢(shì)后的時(shí)間系數(shù)存在兩個(gè)較明顯的周期，分別是5和12年左右，即氣旋活動(dòng)頻率的第一模態(tài)存在年際和年代際變化，但周期未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。第二模態(tài)的空間分布表現(xiàn)為“夾心”狀分布，40°N～60°N之間的大陸沿岸和太平洋洋面上呈相反的分布形勢(shì)。時(shí)間系數(shù)沒(méi)有明顯的線性趨勢(shì)，去趨勢(shì)后的時(shí)間系數(shù)存在一個(gè)2～3 a的較明顯的周期，對(duì)應(yīng)其年際變化特征，但未通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。

(3)冬季太平洋風(fēng)暴路徑的南北擺動(dòng)與秋季(9—11月)東西伯利亞海-波弗特海海冰的減少顯著相關(guān)。該區(qū)域秋季海冰偏少，對(duì)應(yīng)第一模態(tài)的空間分布為正位相，即風(fēng)暴路徑北移。

(4)EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)和秋季關(guān)鍵區(qū)的海冰密集度具有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，時(shí)間系數(shù)的回歸圖顯示，關(guān)鍵區(qū)秋季海冰偏少，風(fēng)暴路徑北移時(shí)，冬季阿留申低壓減弱，對(duì)應(yīng)高空500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上呈高壓異常。合成圖顯示，海冰偏少年，東亞大槽西退，阿拉斯加沿岸的脊較弱，180°以東的太平洋上有偏南風(fēng)異常，西風(fēng)急流北抬，風(fēng)暴路徑也隨之偏北。

(5)秋季關(guān)鍵區(qū)海冰偏少，會(huì)使得45°N～75°N的斜壓性增強(qiáng)而45°N以南的斜壓性減弱，從而使風(fēng)暴路徑向45°N以北偏移。

本文只探討了冬季風(fēng)暴路徑偏移與秋季北極海冰異常的關(guān)系，沒(méi)有涉及強(qiáng)度的研究。此外，對(duì)北極產(chǎn)生的局地斜壓擾動(dòng)如何影響到中緯度僅做出了猜想，這些均有待于下一步繼續(xù)研究。

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