進入極區溫帶氣旋的時空變化特征分析

秦聽，魏立新，孫虎林（國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

進入極區溫帶氣旋的時空變化特征分析

秦聽，魏立新，孫虎林
（國家海洋環境預報中心國家海洋局海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081）

摘要：基于氣旋自動追蹤方案，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1979—2012年共34年生成于65°N以南，北上進入極圈的氣旋的時空特征進行統計分析。結果表明：（1）該類氣旋的數量與強度具有明顯的季節變化，呈現春夏多強度弱，秋冬少但強度強的特點；（2）氣旋年總數呈現顯著減少趨勢；（3）進入極區的氣旋其主要源地在北大西洋一側，北上跨入極區的關鍵區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，長途跋涉進入極區；（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變得活躍，生成比例接近陸地的生成比例，幾乎各占一半。

關鍵詞：北極；穿過65°N；溫帶氣旋；氣旋自動追蹤；時空分布

1　引言

溫帶氣旋是出現在南北半球中高緯度地區，能帶來大范圍降水、大風天氣的斜壓性的低壓系統。在北極地區，溫帶氣旋被證實是活躍于該地區大氣環流中重要的天氣系統之一[1]。極地地區的溫帶氣旋不能與極渦相混淆，溫帶氣旋是出現在對流層下部的天氣系統，極渦[2]是出現在中上層對流層和平流層大氣的持續性大尺度氣旋性環流，兩者都影響極地的大氣、海洋、海冰、生態環境。一次較強的溫帶氣旋過程會帶來降雪、大風等劇烈天氣，對極地地區的天氣和氣候有重要影響，同時也給極地科考安全帶來挑戰。國外很早就展開了極區溫帶氣旋的研究工作，早在19世紀50—60年代，利用逐日的天氣圖分析溫帶氣旋的活動，Reed等人[3]的分析表明溫帶氣旋是活躍于北極區域的天氣系統之一；隨著計算機技術的發展，人們開始通過逐日多次的再分析資料中的氣壓場或者風場定義氣旋的中心低氣壓值或渦度的極值來識別氣旋，以及追蹤整個氣旋的生命過程。這些追蹤方法的開發者包括澳大利亞的Murray[4]和英國的Hodges[5]等，利用他們的方法，近些年各國的研究人員開展了許多氣旋的統計和相關的研究工作。Xiang Dong Zhang[6]統計了1948—2002年北極地區氣旋的逐年變化特征；Geng and Sugi[7]對北半球溫帶氣旋的頻數、路徑和強度的變化給出了統計。這些自動追蹤氣旋方法的應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別具有更加客觀的結果。盡管由于采用的追蹤方法和再分析數據的不同，結果會有一定的差異，但是對于氣旋的長期變化趨勢以及空間分布的研究是可以接受的。

北半球極區（65°N以北）氣旋包括在該區域生成的，以及在其南部不同區域生成移入極區的，這些氣旋伴隨的大風和降水，在極區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的，為該區域帶來熱量、水汽以及動量等，對極區的氣候變化有重要影響。ASGEIR[8]統計穿過70°N進入極區的氣旋與該區域水汽輸送之間的相互關系，得到了這類氣旋的活動與進入極區的水汽輸送之間有很好的相關。本文基于英國雷丁大學Hodges[9]的氣旋自動識別追蹤算法，利用歐洲中心（ECMWF）較高分辨率的海平面氣壓場資料，追蹤由南向北穿過65°N進入極區的天氣尺度的氣旋，并分析該類氣旋時空變化特征以及長期變化趨勢。

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，數據的水平分辨率為0.75°×0.75°，時間長度為1979—2012年，共34年。季節的劃分：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進入極區的氣旋。

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

3　結果分析

3.1氣旋數量

（1）氣旋平均個數的季節統計見表1：夏季個數最多，共45.1個，所占比例為28%；春季次之，共41.1個，所占比例為25%；秋季39.4個，所占比例為24%；冬季氣旋個數最少，為37.3個，占23%；年平均162.9個。

表1　氣旋季平均數以及年平均數

（2）圖1為氣旋年總數和季節個數的時間序列。1979—2012年總數呈現減少趨勢，經過線性傾向估計，相關系數r為-0.33，達到0.1的顯著水平，但未達到0.05的顯著水平。春季無明顯變化趨勢，其他季節均有不同程度的減少，冬季最明顯，4個季節的線性變化趨勢均未達到顯著水平。

3.2氣旋中心最低氣壓以及生命史

3.2.1中心最低氣壓

氣旋發展過程中最低中心氣壓值代表氣旋的強度，可以作為氣旋造成的災害性影響程度的判斷標準。提取每個氣旋從生成到消亡過程中的中心氣壓最低值，對不同季節進入北極圈的氣旋強度分布進行統計。圖2結果表明春、秋兩季氣旋強度分布較為相似，兩個季節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就會帶來災害性影響，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，強度越大，因此，平均而言，夏季強氣旋發生的頻率很低，秋冬季節，尤其是冬季，強氣旋活動頻繁，對極區天氣造成巨大的影響，同時在極區動量和和水汽的輸送方面有重要作用。

3.2.2氣旋生命史

統計結果表明，北上進入極區的溫帶氣旋中，氣旋的生命史最短為1天，最長的有21天。4個季節平均而言，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%，遠低于平均水平，夏季大于10天的比例為8%，遠高于平均水平。夏季氣旋生命史較長是因為夏季極區海冰融化，有利于海洋為大氣提供更多的熱量，促進對流不穩定性的發展，有利于氣旋的維持和發展（見圖3）。

3.3氣旋源地以及進入極區位置分布

3.3.1氣旋源地

氣旋源地密度的統計方案采用了雷丁大學Hodges的核密度估計算法，該算法屬于非參數密度估計方法，目的是生成一個連續、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應了氣旋密度分布的疏密狀況，它的實現是根據已知氣旋位置點Xi，以Xi點周圍的未知點距Xi的距離作為衡量指標，建立估計函數，估計已知點Xi周圍的氣旋密度分布。詳細的算法參考Hodges[10]1996年發表的相關文獻。

圖1　氣旋年總數以及各個季節氣旋數時間變化序列圖

統計1979—2012年所有穿過65°N的氣旋生成源地，發現這類氣旋的源地極其廣泛，氣旋生成以后可以移動很長距離進入極區。統計結果表明，氣旋主要生成于50°—65°N之間，氣旋最低生成緯度達到26.5°N。圖4為4個季節的氣旋源地概率密度圖，經過進一步對氣旋生成位置的海陸分布計算分析得到，該類氣旋生成的區域具有季節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%；與其他季節相比，夏季在陸地，特別是歐亞大陸高緯度地區生成的氣旋明顯多于其他季節，此時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，氣旋生成區主要位于70°W—70°E；冬季的分布延續了秋季海上氣旋活躍的特點，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；丹麥海峽及其以南的地區，由于有大西洋暖流經過，有利于氣旋的發生發展，4個季節都是氣旋的高發區，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　各個季節不同區域氣旋跨入65°N的個數百分比

3.3.2氣旋進入65°N的位置分布

僅統計氣旋的生成區域還不能夠清晰地表明氣旋進入極區的區域分布。將地球表面自經度0°開始每隔30°劃分為一個單元區域，360°球面被劃分為12個區域；將每次氣旋過程最初落入65°N或者65°N以北的點作為樣本點，統計這些樣本點落入某區域的個數占總體氣旋個數的百分比，得到圖5。（1）4個季節中最大比例為16.3%，位于冬季30°—0°W的格林蘭海區域；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論一致；冬季氣旋跨入極區的位置比其他3個季節更集中；（2）12個區域平均比例最大為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、冬季節的氣旋頻率最大，我們的研究結果也支持這一結論；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；（3）氣旋從90°W—120°E覆蓋的7個區域進入極區的比例達到總體的76.0%；相反，從120°E—90°W覆蓋的5個區域是氣旋進入極區的低比例區，所占比例僅24.0%；（4）氣旋跨入極區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　結論

北極圈的氣旋有一類是在極圈內生成的，另一類是在極圈外生成，移動過程中進入到極圈的。由于后面一類氣旋在極地與高緯度大氣系統之間相互作用中起到非常重要的作用，所以本文對這類氣旋進行了單獨的統計和分析。主要結論有以下幾點：

（1）這類氣旋具有明顯的年際變化和季節變化特征，呈現春夏多而秋冬少的特點。夏季雖然這類氣旋發生頻率高持續時間長，但是平均強度最弱，冬季是氣旋強度最強的季節，總體而言，秋冬季節氣旋造成災害性影響的頻率高于春夏季節；

（2）這類氣旋的生成地集中在50°—65°N高緯度地區，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，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個季節的比例，冬季海洋上氣旋生成比例也較另外3個季節高；

（3）1979—2012年這段時間氣旋的年總數呈現明顯的減少，這與Zhang等人對1960—2002年從中緯度進入70°N極區氣旋的統計結果是一致的。本文季節方面的分析結果表明，氣旋個數春夏季無明顯變化，秋冬季節明顯減少，但都沒有通過顯著性檢驗。這一減少的趨勢可能與北大西洋濤動（NAO）有關，Geng[7]等人分析了北大西洋氣旋活動的頻率與北大西亞濤動的關系，認為氣旋活動頻數與北大西洋濤動呈正相關，北大西洋區域的氣旋頻率、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域，因此認為北大西洋濤動對進入極地氣旋的數量也有影響。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被放大，夏季海冰融化加劇以及多年冰的減少等是極地內大氣、海洋、海冰系統以及與極區外系統相互作用的共同結果，進入極區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，比如強度、伴隨的降水等。

在65°N以南中高緯度生成、北上進入極區的溫帶氣旋是中高緯度地區對流層下部的斜壓性系統，承擔著中高緯度地區的熱量、水分向極區的輸送，強氣旋會給經過區域帶來大風和降水天氣，同時，對極區海氣交換、海冰分布與飄移、極區生態系統等都有重要的影響。氣旋數量以及分布的變化與北半球高緯度地區的大氣環流、海溫、海冰等有密切的關聯。本文僅僅對這類氣旋做了統計分析工作，還沒有深入的研究這類氣旋對極地地區帶來的影響的程度，之后的研究可以從該類氣旋對北極地區降水、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北極地區的影響。

參考文獻：

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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追蹤及其時空變化與海氣通量相互作用研究。E-mail: tingqin_123@126.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目（40930848）；國家自然科學基金青年基金（41206186）；國家海洋局極地專項（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：P443

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）01-0039-07