北大西洋溫帶氣旋的時空變化特征分析

秦聽，魏立新，張藝博，姚宇，馬靜，張慧娟

（1. 自然資源部海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京100081；2.國家海洋環境預報中心，北京100081；3.中國海洋大學，山東青島266100；4.湖北省孝感市氣象局，湖北孝感432000）

1 引言

北大西洋海域有全球各類大小船只往來，還有豐富的海上油氣資源，中高緯度的北大西洋東岸更是遍布了世界上的有名港口，是歐洲航線中重要的交通樞紐區域。該區域主要的災害性天氣系統為溫帶氣旋，氣旋過程常伴有多變天氣、較多降水和低能見度等惡劣的海況。尤其在冬季，強大的氣旋風暴常常帶來暴風雪，造成海上狂風巨浪，嚴重影響航運、海上漁業和石油工業生產安全。

國內外學者對氣旋的研究起步較早。早期的氣旋識別手段主要依靠實況天氣圖，人工定位氣旋的位置與強度。宋家喜[1]通過分析1980——1982年的天氣圖實況，指出北大西洋溫帶氣旋活動受北美高空大槽的影響，槽位置偏北，氣旋生成源地也隨之偏北，反之位置偏南；文中同時總結了強氣旋發生、發展的幾種類型。早期人工氣旋統計方法工作量較大，若統計較長時間段內的氣旋將耗費大量時間，并且具有人為主觀性。隨著計算機技術的發展，人們陸續開展了多種氣旋自動追蹤算法的研究，并利用這些算法從大氣再分析數據中定位、追蹤氣旋，由此開展氣旋統計，在此基礎上研究氣旋活動與大氣環流和海冰變化等因子之間的關聯。國外較早開展氣旋追蹤算法的研究者包括Hodges 和Simmonds等[2-5]。Geng 等[6]采用自動追蹤氣旋的方法統計了1958——1998 年共40 a 冬季的北大西洋溫帶氣旋，發現該區域冬季溫帶氣旋無論從強度、移動速度還是數量都有著增強、增多的趨勢。Gulev 等[7]利用氣旋自動追蹤方法，統計了北半球冬季氣旋時空特征和強度特征。Sorteberg 等[8]統計了1948——2002 年從中緯度進入70°N 極區氣旋的逐年變化特征及其與北極逐年水汽輸送狀況的關系，認為北極極區的水汽輸送與該類氣旋活動有顯著相關，并且該類氣旋有減少趨勢。Gómara 等[9]揭示了北大西洋濤動指數（North Atlantic Oscillation，NAO）以及大西洋經向翻轉環流和爆發性氣旋的生成發展之間有著密切關聯。國內也開展了大量的氣旋追蹤研究工作。張穎嫻等[10]研究了北半球溫帶氣旋的風暴軸隨時間的變化，并得出西北太平洋地區的溫帶氣旋風暴軸有北移現象。任麗媛等[11]通過分析冬季北太平洋的溫帶氣旋活動與前期秋季北極海冰的關系，得出秋季的海冰減少導致冬季阿留申低壓區呈高壓異常，西風急流北移，風暴路徑向北偏移的結論。本文基于氣旋追蹤算法，較全面地分析北大西洋的氣旋數量和空間等特征，針對氣旋強度方面也做了詳細統計，特別是對不同爆發性程度的氣旋進行統計分析，同時分析了大西洋氣旋進入極區的比例情況，這些都為以后更加深入的研究做了初步工作。

2 資料與方法

2.1 數據及研究區域

氣旋追蹤采用歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）ERA-Interim 逐日4 次的平均海平面氣壓場，基于雷丁大學（University of Reading）的氣旋追蹤算法計算氣旋數據集。該海平面氣壓場的水平分辨率為0.75°×0.75°。文中氣旋的統計區域為23.5°～66.5°N，100°W～40°E（見圖1）。文中統計的時間長度為1979——2016 年，季節劃分為：春季3——5 月，夏季6——8 月，秋季9——11 月，冬季12月——次年2月。

2.2 氣旋追蹤算法

圖1 本文氣旋統計區域

計算氣旋數據集所用的氣旋自動識別算法來自雷丁大學[2-4]。該算法被廣泛應用于溫帶氣旋的氣候統計[12-13]，大量的研究統計結果都證明了該方案較好的可信度，為研究奠定了可靠的基礎。氣旋追蹤的基本原理是從平均海平面氣壓場中找出氣壓場的極值或850 hPa 渦度場中的渦度極值，從而追蹤氣旋的整個生命過程。該算法的計算過程主要分為3個步驟：濾波、氣旋中心定位以及追蹤。濾波在氣旋中心識別前進行，目的是消除大尺度環流背景場的影響以挑選出感興趣尺度的氣旋，尤其是中尺度的氣旋。濾波采用的計算方法是離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT），這是基于對稱過程下的不連續傅里葉變換的計算方法。在濾波后的場域進行氣壓低值中心定位，定位方法為首先采用多運動目標的連通域進行標記，最后通過定位后的中心位置，采用最近鄰的方法連接極值點，形成氣旋的整體路徑。具體算法可參考Hodges 相關文獻[2-4]。

2.3 爆發性氣旋

大西洋爆發性氣旋活動較為頻繁，這類氣旋也稱為“氣象炸彈”，其迅速發展加深會給周圍區域的天氣帶來災害性的影響。20 世紀80 年代初Sanders[14]首次提出爆發性氣旋的定義：當某一個氣旋的中心氣壓值在24 h 內下降24×（sin?/sin60°）hPa 以上。式中：? 為氣旋中心所在緯度，取24 h 內的緯度平均值，定義60°N為標準緯度，1貝吉隆（B）=24 hPa/24 h。針對更短時段內爆發的氣旋，Sanders補充了12 h的新標準，加深率為12×（sin?/sin45°）hPa。式中：?為氣旋中心12 h 內的緯度平均值，45°N 為標準緯度。本文也沿用了該12 h的新統計方法計算爆發性氣旋。

3 結果與分析

3.1 氣旋基本統計特征

表1統計了各季節氣旋的數量和強度的基本情況。統計結果表明：各季節北大西洋氣旋的平均個數達到140～150，但各季節之間存在差異，春季氣旋個數最多，該季節的年平均個數達到147.2 個，夏季次之，達到145.5 個，冬季最少，為140.9 個。在統計的時間段內氣旋出現最多的季節為1979年夏季，達到166 個，各季節最少的氣旋數也有120 個以上。另一方面，為了反映出該區域受氣旋破壞性影響的頻率，我們對強氣旋數量進行統計。冬季大西洋統計區域內的氣旋個數雖然少，但是氣旋平均強度在各個季節中居首，曾出現過最低中心氣壓達到912.8 hPa 的氣旋，該強度堪比熱帶氣旋中的超強臺風，其給海上造成的災害性影響不容小覷，并且該季節內爆發性氣旋占總氣旋的比例高達42.8%，低于980 hPa 氣旋的比例也高達33%。對比4 個季節，夏季氣旋強度最弱，38 a以來最強的氣旋中心氣壓為958.1 hPa，爆發性氣旋所占比例僅為5.2%，980 hPa以下的氣旋比例也僅為3.6%。冬季與夏季強度相差較大，秋季和春季分別是氣旋強度轉變的過渡季節，秋季強度僅次于冬季，爆發性氣旋以及強氣旋所占比例都略強于春季。自南向北進入北極地區的氣旋對北極的天氣、氣候以及海冰都有一定的影響。從大西洋進入北極的氣旋將會為北極輸送大量的水汽與熱量，其伴隨的大風對極區的海冰漂移以及冰的堆積都會產生動力作用。因此，本文統計了北大西洋進入極區的氣旋比例（見表1），除夏季外其他3 個季節該比例均達19% 以上，夏季比例較低，為16.8%。由此可見，有將近1/5 的大西洋氣旋會進入極區，并對極地的大氣、海洋和海冰造成直接影響。

表1 北大西洋氣旋基本情況統計表（1979——2016年）

圖2 為逐季節的氣旋個數時間序列，圖中紅色虛線是時間序列的趨勢變化。由圖可知，春季、秋季以及冬季的氣旋個數均呈現不顯著的增長趨勢（在α=0.05 的標準下），氣旋個數的傾向率為春季1.27 個/（10 a），秋季0.7 個/（10 a），冬季0.5 個/（10 a），夏季變化趨勢不明顯。年總氣旋數呈現不顯著的增長趨勢（在α=0.05 的標準下），氣旋個數的傾向率為2.5個/(10 a)。

從氣旋數量時間序列的變化可以看出氣旋總個數的變化趨勢不明顯（見圖2），但是年際變化趨勢較強。為了進一步探討氣旋年總個數的周期性變化規律，對氣旋總數進行小波分析，分析結果如圖3 所示。計算結果表明：氣旋年總數的變化存在3～4 a的顯著性變化周期（在α=0.05的標準下，陰影區域達到顯著檢驗水平）。氣旋個數的周期性隨著時間尺度的增加表現得越來越弱，5 a以上的周期性變化均未達到顯著。

3.2 氣旋的空間活動特征

3.2.1 氣旋的密度分布特征

圖2 北大西洋各季節氣旋數量的時間序列

圖4 與圖5 分別是統計區域氣旋的源地數密度以及路徑數密度。數密度值的高低表征了氣旋生成地以及氣旋移動趨勢的大致分布。綜合兩類圖能夠判斷氣旋大致的活動區域，數密度的計算方法采用雷丁大學追蹤算法中自帶的核密度分布方案，其單位為：個/a×5°Cap（Cap 為球冠單位面積）。從氣旋的源地分布圖可知（見圖4），大洋中部氣旋生成較少，氣旋主要生成于近岸，主要生成地包括北大西洋西海岸（即北美的東南沿海，大致位于35°～45°N，70°～80°W 區域）以及北大西洋東海岸沿岸，尤其是歐洲的西南沿岸（25°～30°N，0°～10°E）在春季、夏季和秋季3 個季節都出現了氣旋的密度高值區；另一個較為明顯的氣旋生成源地位于中高緯度格陵蘭島的東南沿岸，該區域除夏季外的3 個季節都存在明顯的密度高值。夏季，北美大陸東岸50°N附近的高緯度區域也有一個氣旋的高密度生成區域。氣旋生成后的移動可以通過圖5 判斷，主要路徑位于大西洋的西北象限，4 個季節該路徑的密度高值區域都非常明顯，這條高密度帶的形成主要是因為北美東海岸生成的氣旋受西風帶的影響，沿岸生成后沿西南-東北路徑向大西洋中高緯度的海域移動。歐洲西南部的氣旋生成后由于西風環流背景的影響，不會向其東側的大西洋移動，而主要移向地中海及歐洲大陸一帶，影響陸地區域。

圖3 北大西洋年總氣旋數量的小波分析（顯著性檢驗水平α=0.05）

圖4 北大西洋氣旋源地密度（單位：個/a×5° Cap）

基于氣旋的路徑密度，進一步計算了1986——2015 年共30 a 逐季節內的氣旋氣候平均路徑，以及每10 a的平均路徑。該方法基于圖3 所得的氣旋路徑密度，計算所有格點的密度平均值，并以此值作為臨界閾值，統計大西洋區域所有格點密度在該閾值以上的網格點；計算該類格點的平均緯度，得到氣旋運動的平均路徑，以此反映氣旋運動的平均緯度分布，并通過對比每10 a 的氣旋平均路徑與氣候平均路徑來分析氣旋路徑的變化趨勢，計算的結果如圖6 所示。通過與30 a 的氣候平均態對比發現，1986——1995 年10 a 的氣旋平均路徑（藍線）與氣候態（黑線）在各個季節路徑都比較一致。1996——2005 年的氣旋平均路徑（黃線）與氣候平均態相比，春、秋兩季位于大西洋區域內的氣旋路徑比氣候平均路徑略微偏南；冬、夏兩季的路徑則與氣候平均路徑比較一致。2006——2015 年的平均路徑（紅色）與氣候平均路徑比較而言，春、秋兩季較氣候平均路徑有向極偏移趨勢，尤其是位于高緯度的格陵蘭島以東，其平均路徑更加偏北，因此在春、秋季節北極海冰的外圍影響也更加明顯。但是這10 a的平均路徑顯示，夏季氣旋在大西洋上的平均路徑有向南偏移的趨勢；相比其他3個季節，冬季路徑30 a來變化不大，都比較接近氣候平均路徑。從平均路徑還可以發現，氣旋進入大西洋以后，各季節的路徑都表現為西南-東北的走向，春、冬季的平均路徑比夏、秋季路徑的傾斜角度更加明顯，氣旋活動最為頻繁的區域集中在50°～60°N 之間，這與大西洋風暴軸位置相對應。

圖5 北大西洋氣旋路徑密度（單位：個/a×5°Cap）

圖6 北大西洋氣旋平均路徑分布

本文統計了1979——2016 年氣旋路徑密度的變化趨勢。由圖7 可知，各個季節路徑密度的變化趨勢在大西洋區域的分布并不一致，春季大部分區域呈現出較明顯的增長趨勢，中高緯度海域（60°～20°W，30°～60°N）的增長達到了顯著水平；夏季大西洋的東西兩側表現出相反的變化趨勢，大洋東側表現為顯著的增長，西側為顯著的下降（在α=0.05的標準下）；秋季的氣旋密度緯向、經向差異明顯，在大西洋的西側北美大陸沿岸，40°N 以南的低緯度地區主要表現為增長趨勢，40°N 以北表現為減少趨勢，而東側的歐洲大陸沿岸趨勢正好相反；冬季變化趨勢與秋季相反，北美大陸沿岸40°N 以南低緯度地區氣旋活動減少，40°N 以北氣旋活動增加，而歐洲大陸的趨勢相反。因此氣旋活動的年代變化并不是均勻的，具有明顯的季節性以及區域性特點。氣旋的生消活動往往與大氣環流和海氣相互作用之間的關系密切。因此，北大西洋濤動作為北大西洋區域最顯著的模態，其對氣旋的變化將會有一定的影響，當北大西洋濤動增加，北大西洋中緯度西風增強，這時墨西哥灣暖流及拉布拉多寒流均增強，西北歐和美國東南部地區因受強暖洋流影響，氣旋活動增多；反之北大西洋濤動減弱，對應氣旋活動的減少。

3.2.2 進入極區的氣旋分布特征

前文的統計已表明，北大西洋氣旋近1/5 能夠進入北冰洋，氣旋進入北極區域會直接造成明顯的降水及大風，對極區的大氣、海洋以及海冰都造成直接的影響，這部分氣旋也是中高緯度與極區進行熱量以及水汽交換的重要通道。因此文中統計了100°W～40°E 范圍每隔20°經度區間氣旋進入極區的比例。通過該統計，可以掌握氣旋對北極地區影響的關鍵海域，結果如圖7所示。4個季節中氣旋進入極區有兩個關鍵的區域，位于20°W～20°E，覆蓋了格陵蘭海海域和挪威海域，在各季節中所占比例幾乎都達到了20% 以上；其他較多的區域分別是格陵蘭島（20°～60°W）以及80°～100°W 巴芬島以西的一部分群島附近；巴倫支海以及巴芬灣都較少有氣旋進入極區，因此北大西洋氣旋進入極區的路徑相對較集中，從平均路徑也能看到其進入極區較為集中的分布位置。

圖7 北大西洋氣旋路徑密度變化趨勢（單位：個/a×5° Cap，黑色陰影區域為達到顯著水平區域）

3.3 爆發性氣旋的分布

圖8 氣旋進入北極極區的比例分布

前文統計了各季節爆發性氣旋的平均個數，為掌握爆發性氣旋的空間分布，為海上船只航行提供一定的航線參考，本文對大西洋區域活動的溫帶氣旋爆發性增長的位置進行統計。只要氣旋的增長達到爆發性的標準，其位置將被統計，結果如圖9所示。統計的單位網格為5°×5°，不同顏色的實心點代表落入該單位網格范圍內的氣旋數量。結果表明：北大西洋氣旋爆發性增長的位置集中分布在北大西洋的西海岸，特別是緊鄰北美洲東南海岸的近海沿岸，4 個季節的統計結果都明顯多于其他區域；相比而言，歐洲西側的北大西洋以東沿岸附近海域氣旋的爆發性增長少，增長位置多集中在沿岸附近海域，北大西洋中部僅部分海域出現氣旋的爆發性增長。氣旋爆發性發展的整體緯度集中于30°～50°N的中緯度范圍，50°N 以北的高緯度區域氣旋的爆發性增長相對少，僅存在于格陵蘭的東南側。氣旋的爆發性增長在冬季最頻繁，夏季最弱，春季北美沿岸爆發性氣旋的頻次略高于秋季。北大西洋爆發性氣旋集中分布在大西洋西岸的特征主要受到海洋和大氣的共同作用。一方面，由于墨西哥灣暖流起源于墨西哥灣，經過佛羅里達海峽沿著美國的東部海域與加拿大紐芬蘭省向北，這一途徑區域正好是氣旋爆發性發展的主要區域，暖流經過時提供了潛熱以及感熱能量，使得該區域大氣的穩定度減小，有利于氣旋的爆發性增長。自動追蹤計算的爆發性氣旋的分布與前人通過人工統計得出的區域也一致[13]。除了海洋熱力因素，大氣動力因素也不容忽視，通常高空西風槽前的正渦度平流有利于氣旋的發展，北大西洋的西海岸正好位于北美大槽前部，因此該區域的氣旋爆發性發展還受到大氣環流的渦度平流支撐。由于海洋與大氣的共同作用，使得北大西洋的西海岸成為氣旋爆發性增長的主要區域。

圖9 北大西洋爆發性氣旋分布

圖10 不同爆發性增長程度的氣旋時間序列

3.4 爆發性氣旋的變化特征

大西洋爆發性氣旋的增長存在強弱差別，文中分別統計了1979——2016 年不同強度級別的爆發性氣旋在各季節的變化情況。強度級別依據貝吉隆大小進行區分，分別按1、2、3 個貝吉隆的強度級別進行統計。統計的結果如圖10，總的爆發性氣旋（達到1個貝吉隆以上的氣旋個數）的整體趨勢除秋季以外都達到了顯著增長的水平，氣旋個數的傾向率分別為春季4.1個/（10 a）、夏季2.3個/（10 a）、秋季1.2個/（10 a）、冬季3.2個/（10 a）。2、3個貝吉隆的氣旋整體為不顯著的增長趨勢，但2010 年以后，特別是達到2貝吉隆爆發性增長程度的氣旋趨勢十分明顯（見圖10中藍色柱狀分布）。因此，近年來迅速發展的爆發性氣旋個數呈現明顯的增長趨勢。

4 總結與討論

本文通過自動追蹤算法，計算并建立了北大西洋1979——2016年的溫帶氣旋數據集，通過這套數據集，對北大西洋氣旋的數量、強度、位置以及爆發性氣旋的活動等基本特征進行統計分析，再通過相關分析，初步討論了不同程度爆發性氣旋與北大西洋濤動、厄爾尼諾指數等大氣和海洋影響因子之間的關系。結論如下：

（1）1979——2016 年38 a 的氣旋個數統計表明，統計區域內逐個季節的年總氣旋個數為140～150，其中春季氣旋個數最多，平均為147個，冬季氣旋個數最少，平均為141個，各個季節的氣旋活動都比較頻繁；年總氣旋個數整體表現為不顯著的增加趨勢；氣旋的年際變化明顯，氣旋總個數表現出3～4 a的主要變化周期；冬季雖然氣旋個數最少，但是冬季強氣旋、爆發性氣旋的個數所占比例最高，秋季、春季次之，夏季的氣旋強度最弱。

（2）氣旋的生成區域主要有兩處：一是位于北大西洋的西海岸，即北美的東南沿海，另一處位于北大西洋的東海岸，即歐洲的西南沿海。從平均氣旋的路徑可以看出，大西洋氣旋活動最為頻繁的區域集中在50°～60°N 之間，中高緯度的氣旋活動比低緯度地區更頻繁的受西風帶影響。北美大陸生成的氣旋主要以西南-東北路徑移入北大西洋，并成為北大西洋主要的氣旋路徑，歐洲西南沿海生成的氣旋主要移動至歐洲大陸以及地中海附近，對大西洋中部海域的影響較弱。氣旋移向東北后，有將近1/5 的氣旋從格陵蘭島、格陵蘭海等區域進入北極，從而影響北極的天氣和海冰變化。38 a 以來，氣旋的密度變化具有明顯的季節性和局地性，變化的趨勢并不是均一的。除夏季之外，氣旋在其他3 個季節的平均路徑有北移趨勢。之后我們將在氣旋進入較多的北極關鍵海區（格陵蘭海）與進入較少的跨極區域，針對降水、海冰漂移等變化做對比研究，以期更好地了解氣旋活動對海冰、當地天氣以及氣候的影響特征。

（3）北大西洋的爆發性氣旋除秋季外，其他季節都達到了顯著性的增長水平，較強程度的爆發性氣旋自2010 年來表現出較明顯的增長趨勢。冬季的爆發性氣旋最多，夏季最少。氣旋的爆發具有明顯的地域特點，主要爆發于北大西洋的西海岸，尤其是北美大陸沿岸附近；氣旋爆發集中在中緯度區域，高緯度區域較少。主要原因是受到墨西哥灣暖流的熱量輸送導致大氣的穩定度減小以及北美大槽的槽前正渦度平流的有力支撐的影響；另一方面，氣旋的爆發性增長可能與北大西洋經向翻轉環流的變化有關。研究發現，在現代氣候背景下，北大西洋經向翻轉環流減弱[15]，導致北大西洋區域低緯度向高緯度熱量輸送減少，同時向次表層及中深層海洋的熱量輸送也會減少，因此溫室氣體熱輻射作用形成的熱量更多地停留在海洋表面，使得海上的氣旋能獲得更多的熱量，促使其爆發性的增長，文中爆發性氣旋在近年來的確處于增長趨勢，并且氣旋爆發的位置也多位于海上。這一增長趨勢與北大西洋經向翻轉環流變化之間的關系還有待進一步研究。