2001—2017年北極秋季低云變化及其可能原因*

劉 雪， 刁一娜， 孫瑞鵬

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

全球變暖在北極呈現(xiàn)放大效應(yīng)[1-2]。北極的增暖導(dǎo)致北極海冰在1980年以后持續(xù)減少，2000年以來(lái)更是呈現(xiàn)加速減少的趨勢(shì)[3-6]。北極云通過(guò)調(diào)節(jié)輻射和湍流熱交換在海冰的生消過(guò)程中起了關(guān)鍵作用[7-8]。除了夏季的短暫幾周，在一年大部分時(shí)間內(nèi)，北極云都通過(guò)長(zhǎng)波輻射效應(yīng)加熱地面[9-10]。在北極，大約70%的云底高度在2 000 m以下，云底高度頻率的最大值在200 m以下，云頂高度頻率的最大值在對(duì)流層低層600～1 200 m處[11]。北極的低云全年盛行，尤其是初秋由于表面蒸發(fā)增加和海冰減少而導(dǎo)致低云的強(qiáng)烈增加[12]。北極以低云為主，且終年都存在液態(tài)水，在云的輻射強(qiáng)迫中占主導(dǎo)地位[13]。因此，本文將主要圍繞低云的變化展開(kāi)討論。

在秋季，北極海冰融化到最小范圍并重新凍結(jié)，太陽(yáng)高度角降低，短波輻射作用減弱，云的長(zhǎng)波輻射作用開(kāi)始占主導(dǎo)。由于秋季云在輻射反饋和海冰變化中的重要作用，前人已對(duì)北極秋季云的變化開(kāi)展一些研究。對(duì)北極秋季云變化的研究主要基于站點(diǎn)觀(guān)測(cè)和衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)，但由于衛(wèi)星反演算法的差異和站點(diǎn)數(shù)據(jù)的缺乏，人們對(duì)秋季云的認(rèn)識(shí)還存在很多不確定性。Eastman和Warren[14]綜合了各類(lèi)地面觀(guān)測(cè)，分析了整個(gè)北極陸地(1971—2007年)和海洋(1954—2007年)云的長(zhǎng)期變化，指出秋季云量在陸地上有增加的趨勢(shì)，而海洋上有減少的趨勢(shì)。但APP-x和TOVS Path-P衛(wèi)星數(shù)據(jù)卻顯示秋季云有增加的趨勢(shì)[15]，這與地面觀(guān)測(cè)的長(zhǎng)期趨勢(shì)并不一致。Wu 和Lee[16]利用了MISR和CALIOP兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在2000—2010年間北極低云顯著增加，與Eastman和Warren[15]的結(jié)論相一致。而Philipp等[17]分析了1979—2015年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)海冰減少區(qū)域低云有增加的趨勢(shì)。關(guān)于秋季北極云的變化原因，Kay和Gettelman[18]認(rèn)為，由于近地靜態(tài)穩(wěn)定性降低、氣-海溫度梯度減少以及水汽的湍流垂直輸送增加使得2006—2008年間秋季的低云量增加。Eastman 和Warren[14]指出，北極濤動(dòng)(Arctic oscillation， AO)的正相位的可增加向北極的水汽輸送，與AO有關(guān)的表面風(fēng)異常導(dǎo)致的海冰分布的變化也可能影響秋季云量。北極海冰狀況通過(guò)影響海洋對(duì)大氣的加熱影響云的高度。在無(wú)冰海面上，海洋熱通量會(huì)通過(guò)感熱和潛熱通量等直接進(jìn)入大氣[19]。由于地表加熱，對(duì)流過(guò)程相對(duì)較多，行星邊界層加深，因此無(wú)冰海面上云的高度更高[20]。而在有冰海面上，海冰大大地抑制了海洋向大氣的熱量傳輸，較強(qiáng)的靜態(tài)穩(wěn)定性更有利于將云保持在較低水平[19-20]。

人們對(duì)溫帶氣旋所對(duì)應(yīng)的云分布已有比較全面的認(rèn)識(shí)[21]。在中緯度，由于其伴隨強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，氣旋被認(rèn)為是形成中高云的重要天氣過(guò)程。在北半球，隨著中緯度氣旋發(fā)展到成熟，暖鋒云量和降水增加[22]，溫帶氣旋大部分區(qū)域的云量在0.7以上，低氣壓中心和沿暖鋒區(qū)的云量最高可達(dá)0.9以上[23]。由于中緯度入極氣旋增加等原因[24-25]，20世紀(jì)中期以后北極氣旋呈增加的趨勢(shì)。北極氣旋的生成區(qū)域和路徑有明顯的分布特征和季節(jié)變化。北極氣旋在夏季氣旋多形成于歐亞大陸，而秋冬季氣旋主要表現(xiàn)為北大西洋北部向格陵蘭和巴倫支海的移動(dòng)[26]。北極云以低云為主，但相比于對(duì)溫帶氣旋云分布的熟知，人們對(duì)北極氣旋對(duì)北極云的影響并不是很清楚，尤其是對(duì)低云。Naud 等[24]認(rèn)為，氣旋云量在開(kāi)闊的海洋上較為穩(wěn)定，而在海冰或陸地上移動(dòng)時(shí)不確定。Curry 等[27]指出，北冰洋中高云的形成與氣旋活動(dòng)有關(guān)。Liu 等[28]的研究表明，挪威-巴倫支-喀拉海地區(qū)冬季云量的減弱與該地區(qū)氣旋活動(dòng)的減少有關(guān)。

相比于對(duì)北極春夏云的研究，人們對(duì)秋季云的研究并不充分。同時(shí)，已有的關(guān)于北極云的研究多關(guān)注北極海冰變化對(duì)云的影響，著眼于海冰變化所導(dǎo)致的大氣邊界層結(jié)構(gòu)的變化、大氣水汽含量和溫度變化等對(duì)云的影響[29-31]。然而隨著北極氣旋活動(dòng)的增加，氣旋成為影響北極云量和云分布重要因素，但有關(guān)氣旋對(duì)云影響的研究仍缺乏。在中緯度，氣旋常被認(rèn)為是成云系統(tǒng)，而在北極氣旋活動(dòng)的變化會(huì)引起秋季低云的減少，而且氣旋與低云的關(guān)系比較復(fù)雜，其相關(guān)性會(huì)隨海冰條件而變化。因此，本研究將從大氣溫濕變化趨勢(shì)背景和氣旋活動(dòng)兩方面分析海冰發(fā)生急劇變化的2001年以來(lái)北極秋季云變化的可能原因。我們的研究將為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)北極秋季云的變化提供新的視角。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用云量數(shù)據(jù)反映云分布特征。云量數(shù)據(jù)是量值在0～1的無(wú)量綱數(shù)，它表征的是云在給定空間的占比。本文所使用的云量數(shù)據(jù)來(lái)自衛(wèi)星數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)，分別是CERES_SYN1deg- Ed4A[32]、CALIPSO-GOCCP[33]和ERA-interim再分析數(shù)據(jù)中的云量數(shù)據(jù)。以上云量數(shù)據(jù)都是格點(diǎn)化數(shù)據(jù)，某一給定高度的格點(diǎn)云量是指給定網(wǎng)格內(nèi)云的面積占比。

CERES是NASA安裝在近極地軌道衛(wèi)星Terra和Aqua上的衛(wèi)星傳感器，本文所使用的CERES-SYN1deg-Ed4A產(chǎn)品數(shù)據(jù)由MODIS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反演而來(lái)。CERES的低云指的是700 hPa以下的云，低云量(Cloud Area Fraction-Low Clouds)為2001—2017年秋季的逐日數(shù)據(jù)，水平分辨率為1(°)×1(°)(https://ceres-tool.larc.nasa.gov/ord-tool/jsp/SYN1degEd41Selection.jsp)。CALIPSO-GOCCP數(shù)據(jù)集的時(shí)間長(zhǎng)度為2006—2017年，雖然數(shù)據(jù)集較短，但具有很高的垂直分辨率。本文使用CALIPSO-GOCCP在2006—2017年秋季的逐日云量(Cloud Fraction)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的水平分辨率為1(°)×1(°)，垂直分辨率為480 m。(ftp://ftp.climserv.ipsl.polytechnique.fr/cfmip/CALIPSO-GOCCP_v3/3D_CloudFraction/grid_1x1xL40/)。

本文還使用了ERA-interim再分析數(shù)據(jù)中的低云量(Low Cloud Cover)和分層云量(Fraction of Cloud Cover)數(shù)據(jù)。其中低云量指的是0.8倍表面氣壓等壓面層以下的所有模式等壓面層上的云量。分層云量使用的是垂直方向上1 000—100 hPa共27層的逐層云量。本文所使用的大氣垂直速度、大氣溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)也來(lái)自ERA-interim再分析數(shù)據(jù)，垂直方向上取1 000—100 hPa共27層的逐層數(shù)據(jù)。另外，海平面氣壓值也來(lái)自ERA-interim數(shù)據(jù)。本文所使用的ERA-interim數(shù)據(jù)的水平分辨率均為1(°)×1(°)，時(shí)間分辨率均為6 h，本研究使用的是各變量在2001—2017年秋季的日平均值。(https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily)。

1.2 方法

本文參照Hart[34]的方案設(shè)計(jì)氣旋的客觀(guān)識(shí)別算法[35]，基于此識(shí)別算法獲取氣旋路徑、強(qiáng)度等信息。根據(jù)客觀(guān)識(shí)別的氣旋路徑，本文進(jìn)一步得到了基于格點(diǎn)的氣旋頻數(shù)分布：當(dāng)氣旋中心經(jīng)過(guò)一個(gè)格點(diǎn)，該格點(diǎn)周?chē)?(°)×5(°)經(jīng)/緯度范圍內(nèi)所有格點(diǎn)上氣旋頻數(shù)累加1。因?yàn)闇貛庑牡湫桶霃郊s為500 km[36]，在本文研究的巴倫支喀拉海和東西伯利亞海的緯度范圍內(nèi)5°經(jīng)度×5°緯度約為200 km×500 km。如果氣旋中心在此范圍內(nèi)，那么此范圍內(nèi)所有的格點(diǎn)都可視為受氣旋影響，因此所有格點(diǎn)上累加一個(gè)氣旋日。本研究還定義了某一特定區(qū)域的氣旋日為該日該區(qū)域范圍內(nèi)氣旋頻數(shù)n≥1；而該區(qū)域的非氣旋日為該期該區(qū)域內(nèi)上文所述的氣旋頻數(shù)n=0。

本文使用SOM(Self-Organizing Map)方法和層次聚類(lèi)方法[37-38]對(duì)巴倫支-喀拉海(BKS, 68°N—77°N, 28°E—70°E)和東西伯利亞海(ES, 70°N—80°N， 140°E—171°W)區(qū)域2001—2017年秋季所有氣旋日區(qū)域緯向平均的云分布的經(jīng)向垂直剖面進(jìn)行圖像識(shí)別和聚類(lèi)分析。本文首先分別對(duì)2001—2017年秋季所有巴倫支-喀拉海1 114個(gè)氣旋日和東西伯利亞海825個(gè)氣旋日的云分布垂直剖面使用SOM方法得到所有氣旋日云剖面的神經(jīng)元優(yōu)勝向量，然后對(duì)SOM神經(jīng)元向量進(jìn)行層次聚類(lèi)得到氣旋日云分布的幾類(lèi)典型特征。SOM分析是一種有效提取典型圖像的非線(xiàn)性方法。SOM通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自組織將原始數(shù)據(jù)樣本在保持拓?fù)洳蛔冃缘臈l件下轉(zhuǎn)換成一個(gè)通常是二維的神經(jīng)元向量?；谠撋窠?jīng)元向量，可以進(jìn)一步把樣本聚類(lèi)成幾類(lèi)。聚類(lèi)結(jié)果滿(mǎn)足同一類(lèi)樣本之間盡可能達(dá)到最大程度的相似，而使不同類(lèi)間的樣本保持最大程度的不同。SOM得到的典型特征具有連續(xù)性和完備性并能反應(yīng)不同類(lèi)別之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[39]。因此通過(guò)SOM聚類(lèi)給出的能夠體現(xiàn)氣旋日云分布的全面典型特征，并能反應(yīng)所有氣旋日云分布因氣旋風(fēng)場(chǎng)的轉(zhuǎn)變和隨之轉(zhuǎn)變的特征。并且不同于EOF方法等線(xiàn)性分解，SOM使用的是非線(xiàn)性聚類(lèi)方法，因此所得到的氣旋日云的典型分布更接近真實(shí)的分布特征。

聚類(lèi)效果的好壞通常用聚類(lèi)的有效性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。由于聚類(lèi)分析基本上與分布理論無(wú)關(guān)，一般不從樣本推斷總體，因此一般都涉及不到有關(guān)統(tǒng)計(jì)量的分布,也不需要進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[40]。目前檢驗(yàn)聚類(lèi)的有效性指標(biāo)主要是通過(guò)類(lèi)間距離和類(lèi)內(nèi)距離來(lái)衡量，常用的有CH指標(biāo)(Calinski-Harabaz Index)等。CH指標(biāo)通過(guò)計(jì)算類(lèi)中各點(diǎn)與類(lèi)中心的距離平方和來(lái)度量類(lèi)內(nèi)的緊密度，通過(guò)計(jì)算各類(lèi)中心點(diǎn)與數(shù)據(jù)集中心點(diǎn)距離平方和來(lái)度量數(shù)據(jù)集的分離度，并由分離度與緊密度的比值得到。因此CH越大代表著類(lèi)自身越緊密，類(lèi)與類(lèi)之間越分散，即最優(yōu)的聚類(lèi)結(jié)果。本文中的聚類(lèi)結(jié)果，是利用CH有效性指標(biāo)得出的最優(yōu)聚類(lèi)。

CH指標(biāo)定義為：

(1)

式中：tr(B)表示類(lèi)間離差矩陣的跡；tr(W)表示類(lèi)內(nèi)距離差矩陣的跡。

(2)

(3)

式中：z是整個(gè)數(shù)據(jù)集的均值；zj是第j個(gè)簇的均值；N代表聚類(lèi)個(gè)數(shù)；K代表當(dāng)前的類(lèi)。

本文還采用了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法(EOF)、線(xiàn)性回歸、趨勢(shì)分析和合成分析等方法對(duì)大氣溫度、濕度要素，氣旋和云的時(shí)空分布特征和相關(guān)關(guān)系等進(jìn)行分析。

2 北極秋季云變化及低云減少的可能原因

2.1 大氣溫、濕背景變化對(duì)緯向平均云的影響

圖1給出了基于2001—2017年ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)的緯向平均云量趨勢(shì)，結(jié)果顯示，在60°N—70°N緯度帶云變化沒(méi)有明顯的趨勢(shì)。在70°N—80°N緯度帶，秋季950 hPa(500 m)以下云顯著減少，但950 hPa(500 m)以上到500 hPa云顯著增加。這意味著在該緯度帶，北極秋季云存在離地抬升的趨勢(shì)。而在80°N—90°N緯度帶——北冰洋區(qū)域，從地面附近到對(duì)流層中上層秋季云存在一致減少的趨勢(shì)，其中以850 hPa附近云的減少最顯著。

(黑色×表示通過(guò)95%顯著性水平,數(shù)據(jù)來(lái)自ERA-interim reanalysis。The black × denotes trend above 95% confidence level. Data is from the ERA-Interim Reanalysis.)

緯向平均的2001—2017年秋季氣溫變化趨勢(shì)隨緯度和高度的分布(見(jiàn)圖1(b))顯示，秋季北極增暖顯著。65°N以北區(qū)域從近地面到對(duì)流層高層(1 000～3 00 hPa)大氣一致增暖，但增暖的趨勢(shì)在800 hPa以下最顯著，越接近地面增暖幅度越大，并且越接近北極點(diǎn)大氣增暖越明顯，大氣顯著增暖的厚度越大。很多研究顯示，北極大氣在增暖的同時(shí)水汽含量也在增加[41]。然而與云變化相關(guān)的是大氣相對(duì)濕度，因?yàn)橄鄬?duì)濕度大小反映的是空氣中水汽的飽和程度，也就是水汽接近凝結(jié)成云的程度。相對(duì)濕度隨水汽壓和氣溫的變化而變化，兩者的作用相反：水汽壓增加有利于相對(duì)濕度升高，而氣溫升高使得相對(duì)濕度降低。這意味著雖然海冰加劇融化導(dǎo)致北極大氣水汽含量在不斷增加，但由于大氣增暖，相對(duì)濕度并不一定增加。圖1(c)顯示，在60°N—70°N，對(duì)流層中、高層大氣相對(duì)濕度存在降低的趨勢(shì)，其中500～300 hPa更顯著。70°N—80°N，大氣相對(duì)濕度在近地面和對(duì)流層中、高層存在降低的趨勢(shì)。在80°N以北，整層大氣的相對(duì)濕度一致降低，且在地面附近和700～400 hPa顯著減少。對(duì)比圖1(b)和(c)，可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度的降低和大氣的增溫有較好的一致性。進(jìn)一步對(duì)比圖1(a)和(c)可知，云變化的趨勢(shì)和相對(duì)濕度變化的趨勢(shì)在80°N接近一致，在70°N—80°N緯度帶相對(duì)濕度減少的趨勢(shì)很弱，但云減少的趨勢(shì)顯著?；谏鲜龇治隹梢园l(fā)現(xiàn)，北極增暖可能導(dǎo)致北極中央?yún)^(qū)從低空到高空云的減少，以及北極大多數(shù)區(qū)域中-低云和中-高云的減少。但在北極邊緣海分布的緯度地區(qū)——70°N—80°N，大氣溫濕背景變化趨勢(shì)不能解釋此緯度地區(qū)低云的顯著減少。因此，我們進(jìn)一步從氣旋影響的角度，探討此典型緯度區(qū)域低云變化的可能原因。

2.2 氣旋對(duì)云分布變化的影響

2.2.1 低云變化的水平分布特征及其與氣旋的相關(guān)關(guān)系 由于北極常年以低云占主導(dǎo)，并且在秋季低云是導(dǎo)致北極大氣低層增溫的云輻射強(qiáng)迫(Cloud radiation forcing)的主要因素，因此我們進(jìn)一步對(duì)北極秋季低云變化的地理分布和年際變化特征進(jìn)行分析。CERES衛(wèi)星秋季低云量和CALIPOS-GOCCP中間高度(1 680 m)云量的經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF)結(jié)果顯示，CERES衛(wèi)星低云量EOF第一模態(tài)(解釋35.7%方差)和CALIPOS-GOCCP中間高度(1 680 m)云量第一模態(tài)(解釋20.5%方差)一致顯示，北極存在海上低云減少的趨勢(shì)。其中北冰洋、波弗特海和東西伯利亞海北部、以及格林蘭海秋季低云減少的趨勢(shì)最顯著(見(jiàn)圖2(a),(c))。然而在北大西洋-北極通道——挪威海、巴倫支-

(黑色虛線(xiàn)(b),(d)為時(shí)間序列趨勢(shì)線(xiàn)。線(xiàn)性趨勢(shì)通過(guò)95%顯著性水平。The black dashed lines in (b) and (d) are the linear trends, which are above the 95% confidence level.)

喀拉海以及在北太平洋-北極通道——楚克奇海，低云減少的趨勢(shì)并不顯著，這表明北極低云的減少在有冰海面更為顯著。兩套衛(wèi)星數(shù)據(jù)均顯示本世紀(jì)來(lái)北極低云的年際變化在2010、2011年發(fā)生位相轉(zhuǎn)換。在此前海上低云偏于正異常而陸上偏于負(fù)異常，此后北極海上低云明顯偏少但陸上偏多(見(jiàn)圖2(b),(d))。

隨著氣旋活動(dòng)更加頻繁，在季節(jié)內(nèi)尺度上，瞬變氣旋將是影響云分布的重要因素。為分析云與北極氣旋活動(dòng)的關(guān)系，本文把2001—2017年秋季氣旋頻率空間分布回歸到CERES低云EOF第一模態(tài)時(shí)間序列上(見(jiàn)圖3)。結(jié)果顯示，在北極中央?yún)^(qū)、東西伯利亞海(ES)和格林蘭海氣旋的增加伴隨著低云的顯著減少。而在北大西洋-北冰洋通道上——挪威海和巴倫支-卡拉海(BKS)，北太平洋-北極通道上——楚克其海，以及北美大陸北部和歐洲北部氣旋頻率與低云變化第一模態(tài)呈負(fù)相關(guān)，其中以巴倫支-喀拉海最顯著，這說(shuō)明在上述區(qū)域氣旋頻率的增加伴隨低云的增加。在海上，氣旋-低云變化模態(tài)的正/負(fù)相關(guān)區(qū)正好對(duì)應(yīng)秋季有冰/無(wú)冰海面，因此我們以東西伯利亞海(ES, 70°N—80°N, 140°E—171°W)代表有冰海面，以巴倫支-卡拉海(BKS, 68°N—77°N, 28°E—70°E)代表無(wú)冰海面。以這兩個(gè)海區(qū)為例進(jìn)一步分析在有無(wú)海冰條件下氣旋與云的關(guān)聯(lián)。

(黑點(diǎn)表示95%顯著性水平。黑實(shí)線(xiàn)內(nèi)區(qū)域?yàn)楸疚倪x定的巴倫支喀拉海(BKS)區(qū)和東西伯利亞海(ES)區(qū)。Black dots denote the statistical significance above 95% confidence levels. The regions within the black solid line are the Barents Kara Sea (BKS) and East Siberian Sea (ES) regions selected in this paper. )

2.2.2 氣旋垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)云垂直分布的影響 EOF分析和線(xiàn)性回歸分析表明，低云的主導(dǎo)模態(tài)與氣旋變化顯著相關(guān)，且兩者的相關(guān)關(guān)系在有冰和無(wú)冰海面相反。然而低云的EOF主導(dǎo)模態(tài)只解釋了低云年際變率的主要部分方差，而且主要表現(xiàn)為趨勢(shì)特征。同時(shí)，EOF模態(tài)空間權(quán)重在BKS區(qū)很小，說(shuō)明該模態(tài)的時(shí)間序列所反映的變率并不能很好的解釋BKS區(qū)低云的變化。為進(jìn)一步驗(yàn)證氣旋是否對(duì)云分布存在影響，兩者的關(guān)系在不同海冰覆蓋狀況是否存在差異，本文對(duì)BKS海區(qū)和ES海區(qū)所有氣旋日云量的垂直分布進(jìn)行SOM聚類(lèi)分析，并對(duì)相應(yīng)的氣旋日垂直速度進(jìn)行合成。

在討論氣旋對(duì)云變化的影響前，本文首先分析沒(méi)有氣旋活動(dòng)時(shí)在有冰的ES區(qū)和無(wú)冰的BKS區(qū)云的垂直分布特征?；贓RA-Interim再分析數(shù)據(jù)在不同高度上的云量，本文合成了2001—2017年所有非氣旋日ES和BKS區(qū)域緯向平均的云量經(jīng)向垂直剖面(見(jiàn)圖4)。結(jié)果顯示，在沒(méi)有氣旋影響的條件下，兩個(gè)區(qū)域的云主要分布在700 hPa以下。這說(shuō)明沒(méi)有氣旋活動(dòng)時(shí)，北極秋季云以低云占主導(dǎo)。并且在該兩個(gè)海區(qū)，緯度越高云越多。然而有冰和無(wú)冰海面云分布存在明顯的差異。首先，低云在有冰的ES海面比無(wú)冰的BKS海面多；BKS區(qū)云量最大值約在35%～45%，而在ES區(qū)，最大云量在45%以上。其次，有冰和無(wú)冰海面云高度存在顯著差異；BKS區(qū)低云極大值在950 hPa(約500 m)以上，而在ES區(qū)云量極大值在950 hPa以下。最后，在BKS區(qū)有更多的中高云，大部分區(qū)域中高云云量在15%～25%；而在ES區(qū)大部分區(qū)域云中高云較少，云量在15%以下。

根據(jù)本文對(duì)氣旋日的定義和所選定的巴倫支喀拉海和東西伯利亞海的范圍，氣旋日意味著研究區(qū)域在氣旋流場(chǎng)影響范圍內(nèi)，但區(qū)域內(nèi)的氣旋環(huán)流可以是完整氣旋環(huán)流的一部分或全部。所以研究區(qū)域內(nèi)不同氣旋日的氣旋流場(chǎng)既可以是氣旋部分外圍流場(chǎng)的特征，也可以是氣旋中心附近的流場(chǎng)特征。本文在兩個(gè)海區(qū)所選取的氣旋日樣本分別為1 114和825個(gè)，這是能包含氣旋環(huán)流全面特征的足夠大的樣本，因此基于這些氣旋日的聚類(lèi)，分析能反映氣旋環(huán)流影響云分布的全面特征。根據(jù)已知的溫帶氣旋的環(huán)流特點(diǎn)，給定區(qū)域內(nèi)可以是氣旋上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，也可以是下沉運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)或者是氣旋鋒面區(qū)域所對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)并存。通過(guò)對(duì)氣旋日云分布特征的聚類(lèi)，我們將首先得到在給定區(qū)域內(nèi)氣旋影響下的云分布特征?；诓煌品植继卣鞯木垲?lèi)，我們可以進(jìn)一步合成該類(lèi)云分布對(duì)應(yīng)的大氣垂直速度場(chǎng)。上述聚類(lèi)和合成分析的結(jié)果將揭示氣旋垂直運(yùn)動(dòng)的不同部分對(duì)云分布的影響。

SOM和層次聚類(lèi)所揭示的氣旋垂直運(yùn)動(dòng)與云分布的關(guān)系(見(jiàn)圖5，6)首先反映了無(wú)冰的BKS區(qū)和有冰的ES區(qū)氣旋垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)云分布影響的一些共同特征。氣旋的上升運(yùn)動(dòng)伴隨云量正異常(云增加)，下沉運(yùn)動(dòng)伴隨云量負(fù)異常(云減少)。上升運(yùn)動(dòng)的極大值分別位于850 hPa附近和500 hPa，但下沉運(yùn)動(dòng)的極大值主要位于500 hPa附近。氣旋日云增加最顯著的區(qū)域位于兩個(gè)上升運(yùn)動(dòng)極大值附近和極大值上方，分別對(duì)應(yīng)于低云和中高云的增加。氣旋日云減少顯著的區(qū)域位于500 hPa以上和700 hPa以下，分別對(duì)應(yīng)高云和低云的減少。對(duì)于大部分氣旋日，近地面的云是減少的，這是因?yàn)闅庑绊懴逻吔鐚油牧靼l(fā)展，原有的邊界層逆溫狀態(tài)被破壞，因此近地面云抬升。除了以上云和氣旋垂直運(yùn)動(dòng)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的這些普遍特征，SOM聚類(lèi)還反映了有冰的ES區(qū)和無(wú)冰的BKS區(qū)云和氣旋關(guān)系的差異，以及同一個(gè)區(qū)不同的垂直運(yùn)動(dòng)分布對(duì)云分布的不同影響。

(黑色×表示通過(guò)95%顯著性水平。數(shù)據(jù)來(lái)自ERA-Interim reanalysis。The black × denotes trend above 95% confidence level. Data is from the ERA-Interim Reanalysis.)

在BKS區(qū)，SOM聚類(lèi)顯示的氣旋日大氣垂直運(yùn)動(dòng)分布可大致分為三大類(lèi)：鋒面附近的北側(cè)下沉南側(cè)上升(SOM1)、下沉運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)(SOM2、SOM3、SOM10)和上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)(SOM4-SOM9、SOM11)。在SOM1顯示的鋒面區(qū)附近，上升運(yùn)動(dòng)主要位于500 hPa以下，對(duì)應(yīng)中低云和975 hPa以上低云的增加，下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的主要是500 hPa以上高云的顯著減少，地面附近云少量減少。SOM2和SOM3顯示整個(gè)BKS區(qū)下沉運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，僅在南側(cè)存在狹窄的上升運(yùn)動(dòng)。與強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是云從高空到地面的一致減少，但以中、高云減少為主。SOM4-SOM9展示的是BKS全域上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)的垂直速度分布，其中占比最多的SOM4和SOM5顯示上升運(yùn)動(dòng)極大值在850 hPa以下，此類(lèi)上升運(yùn)動(dòng)伴隨低云和中低云的增加。SOM6中的上升運(yùn)動(dòng)在所有聚類(lèi)中最強(qiáng)且存在低空和高空兩個(gè)極大值，其中高空500 hPa附近上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)。這一類(lèi)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)伴隨云從950～300 hPa一致增加，但800 hPa以上低云增加更顯著。SOM7-SOM9上升運(yùn)動(dòng)極大值在高空500 hPa附近，這幾類(lèi)對(duì)應(yīng)中云和高云增加為主。與其他大多數(shù)上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)的類(lèi)型伴隨近地面云減少不同，SOM8和SOM9顯示上升運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)條件下也可以存在近地面云增加的現(xiàn)象，但占比很小。另外有兩類(lèi)占比更小的SOM類(lèi)別，SOM10顯示上升運(yùn)動(dòng)從地面延伸到800 hPa附近，但800 hPa以上下沉運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，這一類(lèi)對(duì)應(yīng)950 hPa以下/以上云減少/云增加。SOM11顯示下沉運(yùn)動(dòng)和上升運(yùn)動(dòng)緯度范圍都較小且南北間錯(cuò)分布，這一類(lèi)伴隨近地面云減少，900 hPa以上云增加。上述對(duì)SOM聚類(lèi)顯示的云分布和氣旋垂直運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的分析揭示在BKS區(qū)氣旋伴隨較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)和鋒面特征。對(duì)大多數(shù)氣旋日下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的云減少?gòu)母呖臻_(kāi)始，下沉運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，低空云減少越顯著。上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的云增加，但云增長(zhǎng)的分布與上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展的高度和強(qiáng)度有關(guān)，大部分上升運(yùn)動(dòng)低空強(qiáng)高空弱并伴隨低云的增加。雖然上升和下沉運(yùn)動(dòng)的發(fā)展均導(dǎo)致近地面云的減少，但由于BKS區(qū)域非氣旋日近地面的云較少(見(jiàn)圖4(a))，所以氣旋對(duì)低云的削弱作用不顯著(見(jiàn)圖5)。圖7(a)進(jìn)一步給出了BKS區(qū)每一個(gè)聚類(lèi)所有氣旋日總低云相對(duì)于非氣旋日的平均異常。由圖7(a)可知，61.6%氣旋日低云增加。因此，在BKS區(qū)氣旋主要導(dǎo)致低云的增加。

(云量異常值為給定氣旋日云量值減所有非氣旋日平均的云量。圖中黑色等值線(xiàn)為每一聚類(lèi)內(nèi)所有氣旋日平均的垂直速度。圖上括號(hào)中為每一聚類(lèi)所包含的氣旋日樣本占總氣旋日的百分比。Fraction of cloud cover anomaly is the difference between the fraction of cloud cover on each cyclone day and the value averaging over all the no-cyclone days. The vertical velocities (black contours) averaging over all the cyclone days in each cluster is also superposed on each map. The number at the top of each map is the percentage of the cyclone days in each SOM cluster.)

與BKS區(qū)類(lèi)似，在ES區(qū)，氣旋日同樣存在上升、下沉運(yùn)動(dòng)以及兩者共存的鋒面區(qū)。但是與無(wú)冰的BKS區(qū)相比，在海冰覆蓋的ES區(qū)，氣旋下沉運(yùn)動(dòng)主要導(dǎo)致低云和近地面云的減少(SOM1、SOM2)。SOM2和SOM3顯示南側(cè)高空下沉北側(cè)低空上升的鋒面特征。但與BKS的鋒面垂直運(yùn)動(dòng)相比ES區(qū)鋒面區(qū)上升和下沉運(yùn)動(dòng)都較弱，并且上升速度極大值主要在850 hPa附近，因此主要伴隨700 hPa以下低云的增加。SOM2高空下沉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)低空上升運(yùn)動(dòng)弱，伴隨近地面云減少。而SOM3高空下沉運(yùn)動(dòng)弱低層上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，伴隨近地面云增加。由此可知，在ES區(qū)氣旋鋒面區(qū)環(huán)流是否伴隨近地面云的減少主要取決于下沉運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。SOM4-SOM8顯示上升運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)，伴隨低空到高空云的普遍增加，并且云增加的高度取決于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展的高度。在上升運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)區(qū)近地面云都是減少的，并且上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展越高，近地面云減少越顯著。由于在ES區(qū)非氣旋日云分布極大值在950 hPa以下(見(jiàn)圖4(b))，所以氣旋影響下低云的減少更顯著。計(jì)算每一聚類(lèi)氣旋日平均總低云相對(duì)于非氣旋日的異常，結(jié)果顯示77.2%的氣旋日ES區(qū)域低云減少(見(jiàn)圖7(b))。因此在ES區(qū)，氣旋活動(dòng)主要導(dǎo)致低云減少。

(云量異常值為給定氣旋日云量值減所有非氣旋日平均的云量。圖中黑色等值線(xiàn)為每一聚類(lèi)內(nèi)所有氣旋日平均的垂直速度。圖上括號(hào)中為每一聚類(lèi)所包含的氣旋日樣本占總氣旋日的百分比。Fraction of Cloud Cover anomaly is the difference between the craction of cloud cover on each cyclone day and the value averaging over all the no-cyclone days. The vertical velocities (black contours) averaging over all the cyclone days in each cluster is also superposed on each map. The number at the top of each map is the percentage of the cyclone days in each SOM cluster.)

圖7 (a)巴倫支喀拉海(BKS)區(qū)和(b)東西伯利亞海(ES)區(qū)氣旋日每一個(gè)SOM聚類(lèi)平均低云云量相對(duì)于非氣旋日平均云量的異常值(彩色色塊)以及每一聚類(lèi)所占百分比Fig.7 Sector diagrams of the fraction of cloud cover anomalies (colors) averaging over all the cyclone days in each SOM cluster over the Barents Kara Sea (BKS) (a) and the East Siberian Sea (ES) (b) respectively

3 結(jié)論與討論

在70°N—80°N緯度帶，秋季950 hPa(500 m)以下云顯著減少，但950 hPa(500 m)以上到500 hPa云增加。在80°N—90°N緯度帶——北冰洋區(qū)域，從地面附近到對(duì)流層中上層秋季云存在一致減少的趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)低云的時(shí)空變化進(jìn)行分析表明，低云減少的趨勢(shì)主要發(fā)生在北冰洋、波弗特海和東西伯利亞海北部以及格林蘭海。兩大洋-北極通道上的海區(qū)低云減少不顯著，并且歐亞大陸北部低云呈弱的增加趨勢(shì)。

云減少的趨勢(shì)和相對(duì)濕度變小的趨勢(shì)在80°N以北接近一致，而相對(duì)濕度在70°N —80°N近地面和80°N以北整層大氣的變小對(duì)應(yīng)大氣溫度在上述區(qū)域的顯著升高。但溫度變化和相對(duì)濕度的變化并不完全一致，因?yàn)橄鄬?duì)濕度不僅決定于氣溫還決定于大氣水汽含量的大小。因此北極大氣增暖可解釋一部分北極云減少的趨勢(shì)，其中在80°N以北的北極中央?yún)^(qū)氣溫升高-相對(duì)濕度變小-云減少的關(guān)系最為顯著。但在北極邊緣海所在的70°N —80°N緯度帶，背景大氣要素變化的趨勢(shì)不足以解釋該區(qū)域云的變化。而隨著氣旋在北極活動(dòng)頻率的增加，氣旋對(duì)云分布的影響變得重要。本文的統(tǒng)計(jì)分析表明，氣旋和低云變化統(tǒng)計(jì)相關(guān)在有冰的ES區(qū)域?yàn)轱@著的負(fù)相關(guān)，但在無(wú)冰的BKS區(qū)兩者的統(tǒng)計(jì)相關(guān)不顯著。本文進(jìn)一步對(duì)所有氣旋日大氣垂直運(yùn)動(dòng)和云垂直分布的SOM聚類(lèi)分析從氣旋垂直運(yùn)動(dòng)角度給出了氣旋影響云垂直分布的一個(gè)解釋?zhuān)瑥亩糠纸忉屃藲庑c低云在有冰和無(wú)冰海面不同的相關(guān)關(guān)系。

本文通過(guò)對(duì)2001—2017年秋季BKS區(qū)和ES區(qū)所有氣旋日云分布和大氣垂直云動(dòng)的SOM聚類(lèi)分析得到以下結(jié)論?？偟膩?lái)說(shuō)大部分氣旋日上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)950 hPa(500 m)以上/以下的云增加/減少。上升運(yùn)動(dòng)的極大值在850和500 hPa附近，分別對(duì)應(yīng)低云和中高云的顯著增加。下沉運(yùn)動(dòng)的極大值中心在500 hPa附近，對(duì)應(yīng)其上方和下方云減少。在BKS區(qū)氣旋伴隨較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)和鋒面特征，對(duì)大多數(shù)氣旋日下沉運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)低空云減少越顯著。上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的云增長(zhǎng)的分布與上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展的高度和強(qiáng)度有關(guān)，大部分上升運(yùn)動(dòng)低空強(qiáng)高空弱并伴隨低云的增加。近地面云在上升和下沉運(yùn)動(dòng)中均減少，但由于BKS區(qū)域非氣旋日近地面的云較少，所以氣旋對(duì)低云的削弱作用不顯著。計(jì)算每一聚類(lèi)氣旋日平均總低云相對(duì)于非氣旋日的異常，在61.6%的氣旋日BKS區(qū)域的低云增加(見(jiàn)圖7(a))。ES區(qū)鋒面垂直運(yùn)動(dòng)比BKS區(qū)弱，主要伴隨700 hPa以下低云的增加。上升運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的氣旋日近地面云都是減少的，雖然低空到高空的云增加，但云增加的高度取決于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展的高度，并且由于ES區(qū)域非氣旋日云分布極大值在950 hPa以下(見(jiàn)圖4(b))，所以氣旋影響下低云的減少更顯著。在77.2%的氣旋日ES區(qū)域低云減少(見(jiàn)圖7(b))。本文以ES區(qū)代表有冰海區(qū)，研究了氣旋對(duì)有冰邊緣海的云的影響。但從回歸分析的結(jié)果(見(jiàn)圖3)來(lái)看，氣旋與云在北極中央?yún)^(qū)的關(guān)系與ES區(qū)相同。因此在北極中央?yún)^(qū)，氣旋對(duì)云的影響可能同樣重要。

北極云的形成和演化取決于許多因素，包括大規(guī)模的大氣環(huán)流、邊界層結(jié)構(gòu)、表面特征以及微物理過(guò)程等, 其變化非常復(fù)雜。本文通過(guò)SOM聚類(lèi)從氣旋的垂直運(yùn)動(dòng)角度解釋了云的變化。由于鋒面氣旋中暖空氣沿暖鋒面滑升,冷空氣在冷鋒面下沉，因此氣旋可以同時(shí)引起上升和下沉運(yùn)動(dòng)[42]。而反氣旋引起的垂直風(fēng)特征與氣旋不同。由于高壓區(qū)(反氣旋)是氣流輻散區(qū)[43]，以下沉運(yùn)動(dòng)為主，不利于云的形成。氣旋在北極地區(qū)的水分輸送中有重要作用，因此氣旋除了可以引起垂直運(yùn)動(dòng)變化而對(duì)云產(chǎn)生影響外，還可能通過(guò)影響進(jìn)入北極的水汽含量來(lái)影響云的形成。本文的研究顯示秋季氣旋對(duì)云分布存在顯著的影響，同時(shí)背景大氣的變化為云垂直分布的變化提供了部分可能的解釋。