1979—2017年北半球溫帶氣旋活動(dòng)時(shí)空特征統(tǒng)計(jì)分析?

孫瑞鵬， 刁一娜

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

溫帶氣旋是出現(xiàn)在南北半球中高緯度的斜壓性低壓渦旋，它是氣象學(xué)的中心[1]，是每日天氣的重要成員，對(duì)天氣和氣候具有重要的影響。溫帶氣旋是影響中緯度地區(qū)大范圍天氣變化的天氣系統(tǒng)之一，并能造成激烈的天氣現(xiàn)象，其移動(dòng)和發(fā)展能夠在熱帶和極地之間傳輸熱量、水汽和動(dòng)能。亞洲、北美東部、北太平洋和北大西洋均是受溫帶氣旋影響較大的區(qū)域。此外地中海區(qū)域也有很多的溫帶氣旋活動(dòng)，但其通常為次天氣尺度系統(tǒng)，持續(xù)時(shí)間較短，強(qiáng)度較弱[2]。菲茨洛依在100多年前就較真實(shí)的描述了溫帶氣旋的地面氣流結(jié)構(gòu)。隨著地面觀測(cè)網(wǎng)的完善，挪威氣旋模式得以提出，第一次概括出描述氣旋內(nèi)三維空氣運(yùn)動(dòng)、降水和地面鋒之間的關(guān)系的天氣學(xué)模式。至20世紀(jì)30年代，隨著高空觀測(cè)的發(fā)展，高空波動(dòng)和溫帶氣旋之間的聯(lián)系得以被發(fā)現(xiàn)，溫帶氣旋的發(fā)生發(fā)展、大尺度結(jié)構(gòu)和能量收支得到了更深入的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于溫帶氣旋的研究，早期主要依靠人工主觀判斷的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，利用基于計(jì)算機(jī)客觀識(shí)別的特征追蹤方法被廣泛的應(yīng)用在溫帶氣旋研究中，通常用于追蹤溫帶氣旋的要素場(chǎng)包括海平面氣壓場(chǎng)[3-5]、位勢(shì)高度場(chǎng)[6-7]和對(duì)流層低層渦度場(chǎng)[8-9]。運(yùn)用海平面氣壓或位勢(shì)高度的識(shí)別容易受到大尺度系統(tǒng)的影響，至氣旋強(qiáng)烈發(fā)展時(shí)才容易被判定；而渦度場(chǎng)上包括的噪聲則較多，資料分辨率的提高對(duì)依靠氣壓場(chǎng)或位勢(shì)高度場(chǎng)識(shí)別溫帶氣旋的方法之準(zhǔn)確率和識(shí)別能力的提高具有積極的作用[10]。但過(guò)高的分辨率會(huì)使相對(duì)渦度場(chǎng)上出現(xiàn)許多小尺度特征區(qū)[11]，不利于識(shí)別。此外，也有以氣旋形態(tài)識(shí)別溫帶氣旋的方法[10,12]，但這些方法的研究較為少見(jiàn)。運(yùn)用這些要素均能給出溫帶氣旋生命史中的詳細(xì)特性，但由于追蹤方法、數(shù)據(jù)分辨率的不同，很容易造成結(jié)果上的差異。

近幾十年來(lái)，一般認(rèn)為北半球溫帶氣旋路徑存在北移的趨勢(shì)。有研究指出，20世紀(jì)50年代后的北半球冬季氣旋發(fā)生頻數(shù)在高緯度增加，在中緯度減少，并將其歸因于全球變暖[13-14]。冬季西太平洋和大西洋地區(qū)的溫帶氣旋有發(fā)生頻率增高、強(qiáng)度增加、加深率增高的趨勢(shì)，東太平洋和北美的趨勢(shì)則相反[15]。北冰洋地區(qū)溫帶氣旋的數(shù)目呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這種變化可能與NAO有關(guān)[16-17]；外來(lái)氣旋的增加也可能是這一現(xiàn)象的原因，并可能由此對(duì)極地海冰造成較大影響[18-19]。北大西洋區(qū)域的溫帶氣旋數(shù)目呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)[11-15]，這可能與冬季靜止氣旋數(shù)目的增加有關(guān)[7]。1958—1998年，冬季北大西洋溫帶氣旋呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)。且氣旋密度大的區(qū)域氣旋強(qiáng)度大，移動(dòng)速度快，加深率高，這可能與NAO有關(guān)[20]。近50年，北太平洋冬季的強(qiáng)溫帶氣旋的強(qiáng)度和頻率有顯著增加，并可能與ENSO有關(guān)[21]。也有研究指出，東北太平洋溫帶氣旋自20世紀(jì)70年代后強(qiáng)度有增強(qiáng)趨勢(shì)，并向南偏移[15, 22-23]。2000年后，研究者利用客觀判定和追蹤方法對(duì)東亞溫帶氣旋的分布、年際和年代際變化等開(kāi)展了廣闊的研究。東亞地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目的變化與北太平洋風(fēng)暴軸的偏移具有相關(guān)性[24]。雖然溫帶氣旋活動(dòng)向極地偏移尚未正式歸因，但模式研究表明，至21世紀(jì)末北半球溫帶氣旋路徑仍將繼續(xù)向極地偏移[25]。

過(guò)去關(guān)于北半球溫帶氣旋的研究已經(jīng)有很多，但更多的是聚焦于某一地區(qū)的分析，利用0.5°的高分辨率資料識(shí)別氣旋并對(duì)長(zhǎng)時(shí)間溫帶氣旋變化的分析還比較少。本文利用1979—2019年ERA-interim高分辨率再分析資料，分析北半球溫帶氣旋活動(dòng)的氣候態(tài)分布及近40年來(lái)溫帶氣旋數(shù)量的時(shí)間變化特征，并分析了這種變化的特征是否一致，為進(jìn)一步更加細(xì)致的分析溫帶氣旋的活動(dòng)做準(zhǔn)備性工作。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用ERA-interim海平面氣壓數(shù)據(jù)、850和500 hPa位勢(shì)高度數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1979—2017年，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為6 h。

1.2 方法

1.2.1 氣旋客觀識(shí)別方法 為了研究北半球溫帶氣旋的活動(dòng)，本文使用了計(jì)算機(jī)客觀識(shí)別的方法[26]搜索1979—2017年北半球發(fā)生的溫帶氣旋，獲取其路徑、強(qiáng)度等信息。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，基于事先對(duì)溫帶氣旋移動(dòng)路徑的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，只使用海平面氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，在合理的篩選后，便可以得到較為可信的氣旋路徑數(shù)據(jù)[27]。其具體搜索條件為：

(1)潛在氣旋中心識(shí)別：

1)是5°范圍內(nèi)的局地最小值，且氣壓值小于1 020 hPa；

2)局地內(nèi)的氣壓差值大于2 hPa，并通過(guò)分析其分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其值大于0.1 hPa/(°2)時(shí)，該點(diǎn)一般位于閉合等壓線內(nèi)。故：

這三個(gè)條件保證了所搜尋的是具有一定強(qiáng)度的低壓中心。

(2)氣旋路徑搜索：

設(shè)：t時(shí)刻的位點(diǎn)A，t+1時(shí)刻的位點(diǎn)B，當(dāng)B滿足：

1)AB間氣旋平均移動(dòng)速率小于50 m/s；

2)AB的方向與t-1 ->t時(shí)刻的方向夾角小于閾值[26]；

3)B是滿足這些條件的距A最近的位點(diǎn)。

則視AB為同一個(gè)氣旋過(guò)程。

這三個(gè)條件是前人[26]基于對(duì)大量氣旋的統(tǒng)計(jì)分析得出的，旨在將相鄰時(shí)次的潛在中心連接成相對(duì)合理的氣旋路徑。

在識(shí)別后的氣旋路徑中隨機(jī)挑選100條，觀察對(duì)應(yīng)的天氣圖，90%以上的個(gè)例具有合理的、與之對(duì)應(yīng)的環(huán)流，故認(rèn)為該方法可靠。

1.2.2 RSDt-test 方法 為了分析時(shí)間序列的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折情況，本文選用了RSDt-test方法[28]，其計(jì)算方式如文獻(xiàn)中所述。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，相比于最優(yōu)分段線性回歸法和滑動(dòng)趨勢(shì)檢驗(yàn)法，其能良好的識(shí)別出兩顯著正趨勢(shì)或兩顯著負(fù)趨勢(shì)之間由于趨勢(shì)值差異導(dǎo)致的轉(zhuǎn)折信號(hào)，并能將每一段趨勢(shì)的長(zhǎng)度指定到我們感興趣的尺度。本文將趨勢(shì)的時(shí)間尺度設(shè)定為10年，以尋找年代際尺度的趨勢(shì)及轉(zhuǎn)折。

1.2.3 氣旋活動(dòng)頻數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和持續(xù)時(shí)間指數(shù) 為描述溫帶氣旋活動(dòng)的空間分布，參照前人[18]的研究，本文使用了氣旋活動(dòng)頻數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和持續(xù)時(shí)間指數(shù)。他們的計(jì)算方法如下：

(1)氣旋活動(dòng)頻數(shù) 在識(shí)別到的氣旋中心周圍5°×5°的格點(diǎn)內(nèi)累加1次。

(2)氣旋強(qiáng)度指數(shù) 在識(shí)別到的氣旋中心周圍5°×5°的格點(diǎn)內(nèi)累加氣旋中心氣壓值，并最終除以對(duì)應(yīng)的氣旋活動(dòng)頻數(shù)。

(3)氣旋持續(xù)時(shí)間指數(shù) 在識(shí)別到的氣旋中心周圍5°×5°的格點(diǎn)內(nèi)累加氣旋的持續(xù)時(shí)間，并最終除以對(duì)應(yīng)的氣旋活動(dòng)頻數(shù)。氣旋持續(xù)時(shí)間是指從識(shí)別到氣旋生成至消失為止經(jīng)歷的時(shí)間。

本文使用的其他方法包括EOF分析、線性回歸等氣象統(tǒng)計(jì)分析中常用的方法。本文研究的溫帶氣旋是指識(shí)別到的源地位于30°N以北的區(qū)域的氣旋。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，能達(dá)到30°N的熱帶氣旋遠(yuǎn)少于本文識(shí)別到的30°N附近生成的氣旋，因此認(rèn)為本文的分析主要反映了溫帶氣旋的特征；本文所稱以上、以下等均包括本值，超過(guò)、不滿則不包括本值；本文所稱四季，是指自然分季法所劃分的四季：春季：3～5月，夏季：6～8月，秋季：9～11月，冬季：12月及次年1、2月，冬季所屬的年份為12月所在的年份；由于本文僅研究北半球溫帶氣旋，為避免贅述，氣旋有時(shí)也會(huì)代指北半球溫帶氣旋。

2 北半球溫帶氣旋活動(dòng)的氣候態(tài)特征

在分析北半球溫帶氣旋活動(dòng)的時(shí)間變化特征前，有必要了解其氣候態(tài)上的空間分布情況，活動(dòng)頻數(shù)的緯向分布狀況如圖1所示。為使得各自的數(shù)量能夠比擬,將活動(dòng)頻數(shù)平均至月，其在40°N～70°N之間活動(dòng)最頻繁，向極地和赤道活動(dòng)逐漸減弱;夏季活動(dòng)最為活躍，春季和秋季次之，冬季活動(dòng)較弱；秋冬兩季活動(dòng)最頻繁的緯度為60°N附近，夏季最活躍區(qū)域范圍較廣，春季則稍偏南。

圖1 北半球溫帶氣旋活動(dòng)頻數(shù)緯向分布

由圖2(a)可知，溫帶氣旋活動(dòng)有明顯的地理分布：最顯著的是兩個(gè)海上活動(dòng)中心：從日本東部至阿拉斯加灣和從美國(guó)東海岸起至巴倫支、喀拉海；和高海拔的下游地區(qū)的次活躍中心：哈得孫灣和五大湖區(qū)、地中海、加利福尼亞灣附近以及阿拉伯海、孟加拉灣北部的緯度較低的地區(qū)、從蒙古至我國(guó)東北的區(qū)域和落基山脈東側(cè)的美國(guó)中部大平原區(qū)域也是氣旋較為活躍的區(qū)域。盡管分析的時(shí)間不同，但這一結(jié)果和前人[29-30]描述一致，也具有季節(jié)差異。由圖2(b)至圖2(e)可知，冬季時(shí)最為活躍的地區(qū)主要限于海上或開(kāi)闊水域，如太平洋、美國(guó)東海岸至巴倫支海、喀拉海的帶狀區(qū)域、哈得孫灣和五大湖區(qū)、地中海以及巴芬灣，這與前人[31]結(jié)果較為相似；至春季，陸上氣旋活動(dòng)增加,次活動(dòng)中心的氣旋活動(dòng)明顯起來(lái)；至夏季，陸上氣旋更加活躍，并向北擴(kuò)張。相比于陸地，海上氣旋活動(dòng)少得多，這與前人研究海盆上氣旋活動(dòng)的結(jié)果類似[1]；秋季活躍區(qū)的分布類似于春季，但陸上活躍區(qū)的范圍更小，海上活躍區(qū)更偏北。與前人的結(jié)果相比，本文在大地形附近識(shí)別到的結(jié)果相對(duì)更多一些，尤其是夏季，這可能是由于分辨率不同所導(dǎo)致的。

((a)～(e)分別為全年、冬季、春季、夏季和秋季的多年平均。邊界值為30°N。(a)～(e): annual, DJF, MAM, JJA and SON. The boundaries of spatial distribution are 30°N.)

除空間分布外，溫帶氣旋的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和移動(dòng)距離也是很重要的特征量，為此繪制了各特征的頻率分布圖(見(jiàn)圖3)。從圖中可以看到，溫帶氣旋各特征的分布在各季節(jié)具有一些一致性的特征：從強(qiáng)度上看，各季節(jié)分布均以1 000～1 005 hPa附近為峰值并向兩側(cè)減少，這與前人[26]給出的分布基本一致；從持續(xù)時(shí)間上看，各季節(jié)分布極為相似，以小于2日的氣旋最多，更長(zhǎng)的氣旋占比依次減少；從移動(dòng)距離上看，以500～600 km的氣旋占比最大，移動(dòng)距離更短的和更長(zhǎng)的氣旋占比依次減小。在分析南半球溫帶氣旋時(shí)[32]也給出了相似的分布，這似乎暗示南北半球的氣旋活動(dòng)具有一定的相似性。各季節(jié)在強(qiáng)度和移動(dòng)距離上的差異較為明顯，按冬、秋、春、夏的順序，中心氣壓值在990 hPa以上的氣旋占比依次增加，中心氣壓值低于990 hPa的氣旋占比依次減少。與全年平均相比，秋冬季稍強(qiáng)的氣旋占比更大，夏季較弱氣旋占比更大，春季分布于全年平均分布極為相似；按冬、秋、春、夏的順序，移動(dòng)距離在800 km以下的氣旋占比依次增加，移動(dòng)距離在800 km以下的氣旋占比依次減少。與全年平均相比，冬季移動(dòng)距離稍長(zhǎng)的氣旋占比更大，夏季則移動(dòng)距離短的氣旋占比更大，春秋兩季與全年平均的分布極為相似。從持續(xù)時(shí)間上看，各季節(jié)差異并不明顯，只是相比于全年平均，冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的氣旋占比略大，夏季持續(xù)時(shí)間短的氣旋占比略大。

(由于移動(dòng)距離橫坐標(biāo)過(guò)于密集，每隔4個(gè)顯示一個(gè)坐標(biāo)。 For the moving distance horizontal coordinates are too dense，one coordinate is displayed every four.)

3 北半球溫帶氣旋活動(dòng)的時(shí)間變化特征

3.1 北半球溫帶氣旋數(shù)量的時(shí)間變化特征

為了解北半球溫帶氣旋的時(shí)間變化特征，計(jì)算其各年的總數(shù)，并使用RSD t-test方法分析了趨勢(shì)及轉(zhuǎn)折情況，結(jié)果如圖4所示。各季節(jié)溫帶氣旋數(shù)量除夏季均有一定的上升趨勢(shì)，春秋季上升趨勢(shì)比較明顯，能通過(guò)顯著性水平為0.05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，其中秋季整體上一直存在上升的趨勢(shì)，春季則以1995年前后為界，前后的趨勢(shì)分別較為平緩，總體上的線性趨勢(shì)春季大于秋季；冬夏季上升趨勢(shì)不明顯。溫帶氣旋年總數(shù)以1995年為界，存在一個(gè)由減少至增加的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折。這種轉(zhuǎn)折在四季中并不完全一致，如圖4(b)～(e)，在冬季和秋季并沒(méi)有顯著的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，雖然在冬季以1995年為界前后趨勢(shì)似乎不一致，但并不能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)；在秋季則完全觀察不到這種轉(zhuǎn)折的特征。而在夏季則存在明顯的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，其中夏季趨勢(shì)轉(zhuǎn)折與年總數(shù)的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折情況基本一致。可以看到，溫帶氣旋年總數(shù)的增加趨勢(shì)主要由春季、秋季提供，春季貢獻(xiàn)最大；轉(zhuǎn)折趨勢(shì)則主要由夏季提供。觀察總體的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，可以看到各季節(jié)在1995年前后均經(jīng)歷了一次趨勢(shì)轉(zhuǎn)折。這一趨勢(shì)轉(zhuǎn)折特征似乎與20年周期的周期變化有關(guān)。雖然由于本文分析年限，20年周期在邊界效應(yīng)外，但經(jīng)小波分析，確實(shí)有相應(yīng)周期存在，前人在研究中闡述了這一周期，并認(rèn)為該周期與AO有關(guān)[24]。

在此基礎(chǔ)上，本文希望進(jìn)一步了解這種變化特征在各種氣旋上是否是普適的，例如各強(qiáng)度的氣旋是否一致性地增加，為此本文對(duì)各年的氣旋頻數(shù)分布進(jìn)行了EOF分解，并考察其最主要的第一模態(tài)。

3.2 北半球不同強(qiáng)度溫帶氣旋頻數(shù)分布的時(shí)間變化特征

為考察各強(qiáng)度溫帶氣旋頻數(shù)分布的時(shí)間變化，對(duì)各年各強(qiáng)度的氣旋頻數(shù)分布進(jìn)行了EOF分析，如圖5(a)～(e)所示，其解釋方差分別為19.5%，21.1%，20.4%，26.4%和14.3%。從模態(tài)分布可以看到主要表現(xiàn)為較強(qiáng)氣旋與較弱氣旋數(shù)量的位相相反，各個(gè)季節(jié)雖時(shí)間系數(shù)有所不同，但分布相對(duì)一致，但這種強(qiáng)弱差別的閾值在各個(gè)季節(jié)上有一定差異，夏季較高，在995 hPa附近，其他季節(jié)在985 hPa附近。前人通過(guò)模式分析發(fā)現(xiàn)，1958—2001年溫帶氣旋的強(qiáng)度有增強(qiáng)的趨勢(shì)[25]。雖然時(shí)間段和資料不同，但在本文的結(jié)果中1979—2001年之間時(shí)間系數(shù)線性趨勢(shì)確實(shí)為負(fù)，這與前人結(jié)果較為一致。結(jié)合時(shí)間系數(shù)，以最低中心氣壓值985 hPa為界， 北半球溫帶氣旋有弱氣旋增加，強(qiáng)氣旋減少的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)經(jīng)歷過(guò)兩次趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，分別在1990年附近和2010年附近。

(紅色為分段趨勢(shì)線，整體趨勢(shì)線灰色表示未通過(guò)顯著性水平為0.1的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；綠色表示通過(guò)顯著性水平為0.1的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；藍(lán)色表示通過(guò)顯著性水平為0.05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。Gray lines: not significant, Green lines: significant at the 90% confidence level； Blue lines: significant at 95% confidence level； Red lines: segmented trends.)

3.3 北半球不同移動(dòng)距離的溫帶氣旋頻數(shù)分布的時(shí)間變化特征

為考察各移動(dòng)距離溫帶氣旋頻數(shù)分布的時(shí)間變化，對(duì)各年各移動(dòng)距離的氣旋頻數(shù)分布進(jìn)行了EOF分析，如圖6(a)～(e)所示，線條與顏色的含義與圖5一致，方差貢獻(xiàn)率分別為12.7%、14.3%、13.5%、13.3%和14.2%。就分布模態(tài)而言，可以看到主要表現(xiàn)為移動(dòng)距離較短的氣旋與較長(zhǎng)氣旋數(shù)量的位相相反，這種長(zhǎng)短差別的閾值在各季節(jié)相對(duì)一致，約在1 350～1 600 km之間。結(jié)合時(shí)間系數(shù)，可以看到總的來(lái)講各季節(jié)均有移動(dòng)距離短的氣旋增加，移動(dòng)距離長(zhǎng)的氣旋減少的傾向。

3.4 北半球溫帶氣旋活動(dòng)的時(shí)空變化特征

為了考察溫帶氣旋活動(dòng)變化在空間上是否具有一致性，對(duì)氣旋活動(dòng)頻數(shù)進(jìn)行了EOF分析，如圖7(a)～(e)所示，方差貢獻(xiàn)率分別為8.03%、7.17%、6.15%、10.27%和6.96%。上方為空間模態(tài)，下方為時(shí)間系數(shù)。黑色陰影表示通過(guò)顯著性水平為0.1的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；時(shí)間系數(shù)中，整體趨勢(shì)線灰色表示未通過(guò)顯著性水平為0.1的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，綠色表示通過(guò)顯著性水平為0.1的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，藍(lán)色表示通過(guò)顯著性水平為0.05的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，紅色為分段趨勢(shì)線。各季節(jié)僅有第一模態(tài)通過(guò)North檢驗(yàn)。從整體上看各季節(jié)空間模態(tài)均類似地表現(xiàn)為從中緯度至極地的正-負(fù)-正(負(fù)-正-負(fù))分布，反映了南北溫帶氣旋活動(dòng)變化位相相反的特征。這種環(huán)狀的模態(tài)在冬季春季和年均的氣旋活動(dòng)頻數(shù)上表現(xiàn)的最為明顯，夏季秋季則不甚明顯。同時(shí)，這種環(huán)狀模態(tài)的中心并不在極地中央，且隨季節(jié)有所偏移。

(左側(cè)(1)為第一模態(tài)分布；右側(cè)(2)為時(shí)間系數(shù)。(a)～(e)分別為全年、冬季、夏季、春季和秋季。Left (1) is the distribution of the leading mode; Right side (2) is the time series of principal component (PC). (a)～(e): annual, winter, summer, spring and autumn.)

就年均氣旋活動(dòng)頻數(shù)來(lái)看，這種環(huán)狀模態(tài)的中心偏向于北美大陸。極地、歐亞大陸較低緯度、北美大陸大部分地區(qū)、太平洋較高緯度和大西洋較高緯度主要表現(xiàn)為正位相，歐亞大陸較高緯度、中緯度太平洋和北美大陸較低緯度主要表現(xiàn)為負(fù)位相；結(jié)合時(shí)間系數(shù)，表明溫帶氣旋活動(dòng)整體上有向極地偏移的趨勢(shì)，同時(shí)歐亞較低緯度的溫帶氣旋活動(dòng)也有增加的趨勢(shì)。

冬季的環(huán)狀模態(tài)的中心也偏向于北美大陸，但正負(fù)位相的區(qū)域有所不同。波弗特海附近為正位相，歐亞大陸一側(cè)的極區(qū)、大西洋和太平洋高緯度地區(qū)和北美大陸大部為負(fù)位相，中緯度太平洋、中緯度大西洋和歐亞大陸大部分地區(qū)為正位相；結(jié)合時(shí)間系數(shù)，冬季溫帶氣旋活動(dòng)整體上并沒(méi)有明顯的偏向，主要表現(xiàn)為中緯度與高緯度之間氣旋活動(dòng)的反位相震蕩?？梢钥吹剑笪餮蠛吞窖蠖練庑顒?dòng)的變化具有一定的一致性，這與前人[33]所述基本一致。

圖6 同圖5，但為各移動(dòng)距離段

春季這種環(huán)狀模態(tài)的中心相對(duì)而言位于極地中央，稍偏向于大西洋。結(jié)合時(shí)間系數(shù)，春季溫帶氣旋的活動(dòng)具有趨勢(shì)性的移動(dòng)，總體來(lái)講向極地移動(dòng)，太平洋較低緯度的溫帶氣旋活動(dòng)也有所增加。

夏季溫帶氣旋活動(dòng)頻數(shù)的空間模態(tài)相對(duì)零散，但夏季主要的陸上氣旋源地通常是較為明顯的負(fù)位相區(qū)域?？紤]到夏季溫帶氣旋有向強(qiáng)度低，持續(xù)時(shí)間短變化的趨勢(shì)，這種零散的分布也是合理的。結(jié)合時(shí)間系數(shù)，這一模態(tài)表明了夏季溫帶氣旋最主要源地產(chǎn)生的強(qiáng)度低，持續(xù)時(shí)間短的氣旋的顯著增加的趨勢(shì)。

秋季這種環(huán)狀模態(tài)并不很明顯，其中心似乎偏向于歐洲-大西洋一側(cè)。極地邊緣海、歐洲大陸較高緯度為正位相，歐洲較低緯度、亞洲中緯度、太平洋較高緯度、北美大陸大部和格陵蘭海為負(fù)位相，太平洋中緯度、北美大陸較低緯度和大西洋大部地區(qū)主要為正位相；結(jié)合時(shí)間系數(shù)，秋季溫帶氣旋的活動(dòng)具有一定的趨勢(shì)性移動(dòng)，在太平洋和大西洋上，溫帶氣旋活動(dòng)有向北移動(dòng)的趨勢(shì)，在大陸上表現(xiàn)為歐洲大陸氣旋活動(dòng)減少，亞洲中緯度氣旋活動(dòng)增加。

在此基礎(chǔ)上，為了考察隨氣旋活動(dòng)的時(shí)空變化，氣旋強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的在空間上變化情況，將氣旋活動(dòng)頻數(shù)EOF第一模態(tài)時(shí)間序列與氣旋強(qiáng)度指數(shù)、氣旋持續(xù)時(shí)間指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，以與年均氣旋強(qiáng)度指數(shù)、氣旋持續(xù)時(shí)間指數(shù)的相關(guān)為例，得到如圖8所示的分布。各季節(jié)反映的特征相似，為避免贅述在此省略。

(邊界線為30°N。 The boundaries of spatial modes are 30°N.)

(邊界為30°N。The boundaries of spatial distribution are 30°N.)圖8 北半球溫帶氣旋活動(dòng)頻數(shù)EOF分解第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)與氣旋強(qiáng)度指數(shù)(a)、氣旋移動(dòng)距離指數(shù)(b)的相關(guān)系數(shù)分布

由圖8可以看到，在持續(xù)時(shí)間指數(shù)上的正相關(guān)區(qū)一般對(duì)應(yīng)強(qiáng)度指數(shù)上的負(fù)相關(guān)區(qū)，并與氣旋活動(dòng)頻數(shù)EOF第一模態(tài)的正位相區(qū)相對(duì)應(yīng)。這表明一般來(lái)講當(dāng)溫帶氣旋活動(dòng)頻繁時(shí)，氣旋強(qiáng)度偏強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)偏長(zhǎng)，這與前人[15]在分析冬季北大西洋氣旋活動(dòng)時(shí)得到的結(jié)論相似。從本文的結(jié)果可以看到這種分布特征在北半球溫帶氣旋活動(dòng)上具有一般性。

4 結(jié)論

本文利用ERA-interim的數(shù)據(jù)，得到了1979—2017年溫帶氣旋路徑數(shù)據(jù)集，計(jì)算了溫帶氣旋活動(dòng)頻數(shù)，分析了北半球溫帶氣旋活動(dòng)的氣候態(tài)與時(shí)空變化及與該變化相對(duì)應(yīng)的溫帶氣旋的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的變化和與此相關(guān)的環(huán)流分布。本章主要結(jié)論如下：

(1)1979—2017年間，北半球溫帶氣旋數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這一趨勢(shì)在春秋兩季最明顯；北半球溫帶氣旋數(shù)量主要經(jīng)歷過(guò)一次趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，在1995年前后。這一轉(zhuǎn)折在夏季最明顯。

(2)北半球溫帶氣旋數(shù)量的增加在強(qiáng)度和移動(dòng)距離的頻數(shù)分布上并非均一的?？疾鞖庑龔?qiáng)度、移動(dòng)距離的頻數(shù)分布的變化情況，從整體上看，主要表現(xiàn)為較弱氣旋增加、較強(qiáng)氣旋減少；移動(dòng)距離短的氣旋數(shù)量增加，移動(dòng)距離長(zhǎng)的氣旋數(shù)量減少。并通過(guò)EOF分析，在第一模態(tài)上，強(qiáng)弱氣旋、移動(dòng)距離長(zhǎng)短氣旋的分界鮮明，分別為約985 hPa和約1 600 km，在閾值兩側(cè)則呈現(xiàn)一致性的變化。

(3)北半球溫帶氣旋數(shù)量的變化具有空間特征。EOF空間模態(tài)整體上表現(xiàn)為從中緯度至極地的正-負(fù)-正(負(fù)-正-負(fù))分布，反映了溫帶氣旋活動(dòng)的南北擺動(dòng)特征。但在本文分析中，夏季溫帶氣旋最主要的變化特征是其最主要源地產(chǎn)生的強(qiáng)度低，持續(xù)時(shí)間短的氣旋的顯著增加的趨勢(shì)，這可能是分辨率不同所導(dǎo)致的。

(4)當(dāng)某處氣旋活動(dòng)偏多時(shí)，一般對(duì)應(yīng)該處氣旋強(qiáng)度偏高，持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)，這在北半球一般成立。

本文分析了北半球溫帶氣旋活動(dòng)氣候態(tài)特征及其時(shí)空變化的基礎(chǔ)，并經(jīng)EOF分析發(fā)現(xiàn)強(qiáng)弱氣旋、移動(dòng)距離長(zhǎng)短的氣旋之間具有截然不同的變化趨勢(shì)，且在EOF分析得到的模態(tài)分布上，強(qiáng)弱氣旋、移動(dòng)距離長(zhǎng)短氣旋之間的分界十分清晰。這暗示兩者在機(jī)制上可能有較大差異，可能值得進(jìn)一步分析；在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，本文得到了一些北半球溫帶氣旋活動(dòng)的特征，這些特征可能對(duì)進(jìn)一步細(xì)致的分析溫帶氣旋活動(dòng)背后的物理機(jī)制有益。