1979—2017年北半球溫帶氣旋活動時空特征統計分析?

孫瑞鵬， 刁一娜

(中國海洋大學海洋與大氣學院， 山東 青島 266100)

溫帶氣旋是出現在南北半球中高緯度的斜壓性低壓渦旋，它是氣象學的中心[1]，是每日天氣的重要成員，對天氣和氣候具有重要的影響。溫帶氣旋是影響中緯度地區大范圍天氣變化的天氣系統之一，并能造成激烈的天氣現象，其移動和發展能夠在熱帶和極地之間傳輸熱量、水汽和動能。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域。此外地中海區域也有很多的溫帶氣旋活動，但其通常為次天氣尺度系統，持續時間較短，強度較弱[2]。菲茨洛依在100多年前就較真實的描述了溫帶氣旋的地面氣流結構。隨著地面觀測網的完善，挪威氣旋模式得以提出，第一次概括出描述氣旋內三維空氣運動、降水和地面鋒之間的關系的天氣學模式。至20世紀30年代，隨著高空觀測的發展，高空波動和溫帶氣旋之間的聯系得以被發現，溫帶氣旋的發生發展、大尺度結構和能量收支得到了更深入的認識。

對于溫帶氣旋的研究，早期主要依靠人工主觀判斷的方式進行統計分析。自上世紀80年代以來，利用基于計算機客觀識別的特征追蹤方法被廣泛的應用在溫帶氣旋研究中，通常用于追蹤溫帶氣旋的要素場包括海平面氣壓場[3-5]、位勢高度場[6-7]和對流層低層渦度場[8-9]。運用海平面氣壓或位勢高度的識別容易受到大尺度系統的影響，至氣旋強烈發展時才容易被判定；而渦度場上包括的噪聲則較多，資料分辨率的提高對依靠氣壓場或位勢高度場識別溫帶氣旋的方法之準確率和識別能力的提高具有積極的作用[10]。但過高的分辨率會使相對渦度場上出現許多小尺度特征區[11]，不利于識別。此外，也有以氣旋形態識別溫帶氣旋的方法[10,12]，但這些方法的研究較為少見。運用這些要素均能給出溫帶氣旋生命史中的詳細特性，但由于追蹤方法、數據分辨率的不同，很容易造成結果上的差異。

近幾十年來，一般認為北半球溫帶氣旋路徑存在北移的趨勢。有研究指出，20世紀50年代后的北半球冬季氣旋發生頻數在高緯度增加，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的溫帶氣旋有發生頻率增高、強度增加、加深率增高的趨勢，東太平洋和北美的趨勢則相反[15]。北冰洋地區溫帶氣旋的數目呈現出增加的趨勢，這種變化可能與NAO有關[16-17]；外來氣旋的增加也可能是這一現象的原因，并可能由此對極地海冰造成較大影響[18-19]。北大西洋區域的溫帶氣旋數目呈現出減少的趨勢[11-15]，這可能與冬季靜止氣旋數目的增加有關[7]。1958—1998年，冬季北大西洋溫帶氣旋呈現出增強的趨勢。且氣旋密度大的區域氣旋強度大，移動速度快，加深率高，這可能與NAO有關[20]。近50年，北太平洋冬季的強溫帶氣旋的強度和頻率有顯著增加，并可能與ENSO有關[21]。也有研究指出，東北太平洋溫帶氣旋自20世紀70年代后強度有增強趨勢，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東亞溫帶氣旋的分布、年際和年代際變化等開展了廣闊的研究。東亞地區溫帶氣旋數目的變化與北太平洋風暴軸的偏移具有相關性[24]。雖然溫帶氣旋活動向極地偏移尚未正式歸因，但模式研究表明，至21世紀末北半球溫帶氣旋路徑仍將繼續向極地偏移[25]。

過去關于北半球溫帶氣旋的研究已經有很多，但更多的是聚焦于某一地區的分析，利用0.5°的高分辨率資料識別氣旋并對長時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的氣候態分布及近40年來溫帶氣旋數量的時間變化特征，并分析了這種變化的特征是否一致，為進一步更加細致的分析溫帶氣旋的活動做準備性工作。

1 數據和方法

1.1 數據

本文使用ERA-interim海平面氣壓數據、850和500 hPa位勢高度數據，時間范圍為1979—2017年，空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為6 h。

1.2 方法

1.2.1 氣旋客觀識別方法 為了研究北半球溫帶氣旋的活動，本文使用了計算機客觀識別的方法[26]搜索1979—2017年北半球發生的溫帶氣旋，獲取其路徑、強度等信息。該方法的優勢在于，基于事先對溫帶氣旋移動路徑的統計基礎上，只使用海平面氣壓場數據，在合理的篩選后，便可以得到較為可信的氣旋路徑數據[27]。其具體搜索條件為：

(1)潛在氣旋中心識別：

1)是5°范圍內的局地最小值，且氣壓值小于1 020 hPa；

2)局地內的氣壓差值大于2 hPa，并通過分析其分布，發現當其值大于0.1 hPa/(°2)時，該點一般位于閉合等壓線內。故：

這三個條件保證了所搜尋的是具有一定強度的低壓中心。

(2)氣旋路徑搜索：

設：t時刻的位點A，t+1時刻的位點B，當B滿足：

1)AB間氣旋平均移動速率小于50 m/s；

2)AB的方向與t-1 ->t時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。

則視AB為同一個氣旋過程。

這三個條件是前人[26]基于對大量氣旋的統計分析得出的，旨在將相鄰時次的潛在中心連接成相對合理的氣旋路徑。

在識別后的氣旋路徑中隨機挑選100條，觀察對應的天氣圖，90%以上的個例具有合理的、與之對應的環流，故認為該方法可靠。

1.2.2 RSDt-test 方法 為了分析時間序列的趨勢轉折情況，本文選用了RSDt-test方法[28]，其計算方式如文獻中所述。該方法的優勢在于，相比于最優分段線性回歸法和滑動趨勢檢驗法，其能良好的識別出兩顯著正趨勢或兩顯著負趨勢之間由于趨勢值差異導致的轉折信號，并能將每一段趨勢的長度指定到我們感興趣的尺度。本文將趨勢的時間尺度設定為10年，以尋找年代際尺度的趨勢及轉折。

1.2.3 氣旋活動頻數、強度指數和持續時間指數 為描述溫帶氣旋活動的空間分布，參照前人[18]的研究，本文使用了氣旋活動頻數、強度指數和持續時間指數。他們的計算方法如下：

(1)氣旋活動頻數 在識別到的氣旋中心周圍5°×5°的格點內累加1次。

(2)氣旋強度指數 在識別到的氣旋中心周圍5°×5°的格點內累加氣旋中心氣壓值，并最終除以對應的氣旋活動頻數。

(3)氣旋持續時間指數 在識別到的氣旋中心周圍5°×5°的格點內累加氣旋的持續時間，并最終除以對應的氣旋活動頻數。氣旋持續時間是指從識別到氣旋生成至消失為止經歷的時間。

本文使用的其他方法包括EOF分析、線性回歸等氣象統計分析中常用的方法。本文研究的溫帶氣旋是指識別到的源地位于30°N以北的區域的氣旋。經過統計分析，能達到30°N的熱帶氣旋遠少于本文識別到的30°N附近生成的氣旋，因此認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、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，氣旋有時也會代指北半球溫帶氣旋。

2 北半球溫帶氣旋活動的氣候態特征

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

圖1 北半球溫帶氣旋活動頻數緯向分布

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

((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，溫帶氣旋的強度、持續時間和移動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(見圖3)。從圖中可以看到，溫帶氣旋各特征的分布在各季節具有一些一致性的特征：從強度上看，各季節分布均以1 000～1 005 hPa附近為峰值并向兩側減少，這與前人[26]給出的分布基本一致；從持續時間上看，各季節分布極為相似，以小于2日的氣旋最多，更長的氣旋占比依次減少；從移動距離上看，以500～600 km的氣旋占比最大，移動距離更短的和更長的氣旋占比依次減小。在分析南半球溫帶氣旋時[32]也給出了相似的分布，這似乎暗示南北半球的氣旋活動具有一定的相似性。各季節在強度和移動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，移動距離在800 km以下的氣旋占比依次增加，移動距離在800 km以下的氣旋占比依次減少。與全年平均相比，冬季移動距離稍長的氣旋占比更大，夏季則移動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。從持續時間上看，各季節差異并不明顯，只是相比于全年平均，冬季持續時間長的氣旋占比略大，夏季持續時間短的氣旋占比略大。

(由于移動距離橫坐標過于密集，每隔4個顯示一個坐標。 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的時間變化特征

3.1 北半球溫帶氣旋數量的時間變化特征

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

在此基礎上，本文希望進一步了解這種變化特征在各種氣旋上是否是普適的，例如各強度的氣旋是否一致性地增加，為此本文對各年的氣旋頻數分布進行了EOF分解，并考察其最主要的第一模態。

3.2 北半球不同強度溫帶氣旋頻數分布的時間變化特征

為考察各強度溫帶氣旋頻數分布的時間變化，對各年各強度的氣旋頻數分布進行了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%。從模態分布可以看到主要表現為較強氣旋與較弱氣旋數量的位相相反，各個季節雖時間系數有所不同，但分布相對一致，但這種強弱差別的閾值在各個季節上有一定差異，夏季較高，在995 hPa附近，其他季節在985 hPa附近。前人通過模式分析發現，1958—2001年溫帶氣旋的強度有增強的趨勢[25]。雖然時間段和資料不同，但在本文的結果中1979—2001年之間時間系數線性趨勢確實為負，這與前人結果較為一致。結合時間系數，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，強氣旋減少的趨勢，這種趨勢經歷過兩次趨勢轉折，分別在1990年附近和2010年附近。

(紅色為分段趨勢線，整體趨勢線灰色表示未通過顯著性水平為0.1的統計檢驗；綠色表示通過顯著性水平為0.1的統計檢驗；藍色表示通過顯著性水平為0.05的統計檢驗。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 北半球不同移動距離的溫帶氣旋頻數分布的時間變化特征

為考察各移動距離溫帶氣旋頻數分布的時間變化，對各年各移動距離的氣旋頻數分布進行了EOF分析，如圖6(a)～(e)所示，線條與顏色的含義與圖5一致，方差貢獻率分別為12.7%、14.3%、13.5%、13.3%和14.2%。就分布模態而言，可以看到主要表現為移動距離較短的氣旋與較長氣旋數量的位相相反，這種長短差別的閾值在各季節相對一致，約在1 350～1 600 km之間。結合時間系數，可以看到總的來講各季節均有移動距離短的氣旋增加，移動距離長的氣旋減少的傾向。

3.4 北半球溫帶氣旋活動的時空變化特征

為了考察溫帶氣旋活動變化在空間上是否具有一致性，對氣旋活動頻數進行了EOF分析，如圖7(a)～(e)所示，方差貢獻率分別為8.03%、7.17%、6.15%、10.27%和6.96%。上方為空間模態，下方為時間系數。黑色陰影表示通過顯著性水平為0.1的統計檢驗；時間系數中，整體趨勢線灰色表示未通過顯著性水平為0.1的統計檢驗，綠色表示通過顯著性水平為0.1的統計檢驗，藍色表示通過顯著性水平為0.05的統計檢驗，紅色為分段趨勢線。各季節僅有第一模態通過North檢驗。從整體上看各季節空間模態均類似地表現為從中緯度至極地的正-負-正(負-正-負)分布，反映了南北溫帶氣旋活動變化位相相反的特征。這種環狀的模態在冬季春季和年均的氣旋活動頻數上表現的最為明顯，夏季秋季則不甚明顯。同時，這種環狀模態的中心并不在極地中央，且隨季節有所偏移。

(左側(1)為第一模態分布；右側(2)為時間系數。(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.)

就年均氣旋活動頻數來看，這種環狀模態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、太平洋較高緯度和大西洋較高緯度主要表現為正位相，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為負位相；結合時間系數，表明溫帶氣旋活動整體上有向極地偏移的趨勢，同時歐亞較低緯度的溫帶氣旋活動也有增加的趨勢。

冬季的環狀模態的中心也偏向于北美大陸，但正負位相的區域有所不同。波弗特海附近為正位相，歐亞大陸一側的極區、大西洋和太平洋高緯度地區和北美大陸大部為負位相，中緯度太平洋、中緯度大西洋和歐亞大陸大部分地區為正位相；結合時間系數，冬季溫帶氣旋活動整體上并沒有明顯的偏向，主要表現為中緯度與高緯度之間氣旋活動的反位相震蕩。可以看到，大西洋和太平洋冬季氣旋活動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，但為各移動距離段

春季這種環狀模態的中心相對而言位于極地中央，稍偏向于大西洋。結合時間系數，春季溫帶氣旋的活動具有趨勢性的移動，總體來講向極地移動，太平洋較低緯度的溫帶氣旋活動也有所增加。

夏季溫帶氣旋活動頻數的空間模態相對零散，但夏季主要的陸上氣旋源地通常是較為明顯的負位相區域。考慮到夏季溫帶氣旋有向強度低，持續時間短變化的趨勢，這種零散的分布也是合理的。結合時間系數，這一模態表明了夏季溫帶氣旋最主要源地產生的強度低，持續時間短的氣旋的顯著增加的趨勢。

秋季這種環狀模態并不很明顯，其中心似乎偏向于歐洲-大西洋一側。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位相，太平洋中緯度、北美大陸較低緯度和大西洋大部地區主要為正位相；結合時間系數，秋季溫帶氣旋的活動具有一定的趨勢性移動，在太平洋和大西洋上，溫帶氣旋活動有向北移動的趨勢，在大陸上表現為歐洲大陸氣旋活動減少，亞洲中緯度氣旋活動增加。

在此基礎上，為了考察隨氣旋活動的時空變化，氣旋強度和持續時間的在空間上變化情況，將氣旋活動頻數EOF第一模態時間序列與氣旋強度指數、氣旋持續時間指數進行相關分析，以與年均氣旋強度指數、氣旋持續時間指數的相關為例，得到如圖8所示的分布。各季節反映的特征相似，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頻數EOF分解第一模態時間系數與氣旋強度指數(a)、氣旋移動距離指數(b)的相關系數分布

由圖8可以看到，在持續時間指數上的正相關區一般對應強度指數上的負相關區，并與氣旋活動頻數EOF第一模態的正位相區相對應。這表明一般來講當溫帶氣旋活動頻繁時，氣旋強度偏強，持續時間也相應偏長，這與前人[15]在分析冬季北大西洋氣旋活動時得到的結論相似。從本文的結果可以看到這種分布特征在北半球溫帶氣旋活動上具有一般性。

4 結論

本文利用ERA-interim的數據，得到了1979—2017年溫帶氣旋路徑數據集，計算了溫帶氣旋活動頻數，分析了北半球溫帶氣旋活動的氣候態與時空變化及與該變化相對應的溫帶氣旋的持續時間和強度的變化和與此相關的環流分布。本章主要結論如下：

(1)1979—2017年間，北半球溫帶氣旋數量呈現增加趨勢，這一趨勢在春秋兩季最明顯；北半球溫帶氣旋數量主要經歷過一次趨勢轉折，在1995年前后。這一轉折在夏季最明顯。

(2)北半球溫帶氣旋數量的增加在強度和移動距離的頻數分布上并非均一的。考察氣旋強度、移動距離的頻數分布的變化情況，從整體上看，主要表現為較弱氣旋增加、較強氣旋減少；移動距離短的氣旋數量增加，移動距離長的氣旋數量減少。并通過EOF分析，在第一模態上，強弱氣旋、移動距離長短氣旋的分界鮮明，分別為約985 hPa和約1 600 km，在閾值兩側則呈現一致性的變化。

(3)北半球溫帶氣旋數量的變化具有空間特征。EOF空間模態整體上表現為從中緯度至極地的正-負-正(負-正-負)分布，反映了溫帶氣旋活動的南北擺動特征。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生的強度低，持續時間短的氣旋的顯著增加的趨勢，這可能是分辨率不同所導致的。

(4)當某處氣旋活動偏多時，一般對應該處氣旋強度偏高，持續時間偏長，這在北半球一般成立。

本文分析了北半球溫帶氣旋活動氣候態特征及其時空變化的基礎，并經EOF分析發現強弱氣旋、移動距離長短的氣旋之間具有截然不同的變化趨勢，且在EOF分析得到的模態分布上，強弱氣旋、移動距離長短氣旋之間的分界十分清晰。這暗示兩者在機制上可能有較大差異，可能值得進一步分析；在統計分析的基礎上，本文得到了一些北半球溫帶氣旋活動的特征，這些特征可能對進一步細致的分析溫帶氣旋活動背后的物理機制有益。