北極超強氣旋活動及其大氣環流特征

丁瑞昌，黃菲,4*

(1.物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學 海洋高等研究院，山東 青島 266100；3.中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100；4.寧波大學 寧波市非線性海洋和大氣災害系統協同創新中心，浙江 寧波 315201)

1 引言

北極氣旋在調節北極的能量和水循環方面起著至關重要的作用[1-2]，從而影響諸多水文和氣象要素，如溫度、濕度、風和海冰等參量[3-4]。最近的諸多研究證實無論是通過觀測還是再分析資料，北極地區正在發生更強烈和更持久的氣旋過程[5-7]，從而導致更強的風應力和更高的海冰氣能量通量[4]；氣旋產生的波浪會破壞冰蓋，上層海水與下層較暖水混合可能促進海冰底層與側面的融化[4,8-9]；海冰不斷變薄也使得氣旋活動導致的海冰減少更為劇烈[4]；此外異常的氣旋活動也會通過影響大氣與海洋環流狀態進一步影響海冰變化[10]。

通過歐拉方法[11]與拉格朗日追蹤識別氣旋方法[4,12]得以分析北極地區的氣旋活動特征。空間分布上，北極氣旋在冬季主要生成于巴芬灣、加拿大西部、北歐海和巴倫支海，而夏季則生成于歐亞大陸東側與北太平洋阿拉斯加灣，通過向極輸送進入北冰洋與加拿大北極群島[4,13-14]。這些向極輸送進入極區的溫帶氣旋即廣義的北極氣旋，主要生成于50°～60°N 之間，夏季陸地上生成的氣旋更多，秋季到春季氣旋在海洋上生成的比例小于陸地[15]，而北極氣旋數量本身沒有季節變化，強度上冬強夏弱[5-6]。從時間趨勢來看，北極氣旋的頻數并沒有顯著變化，其強度在增強，持續時間在增長，同時氣旋路徑向極一側偏移，極區的海平面氣壓（Sea Level Pressure,SLP）呈降低趨勢[1,4,15-17]，在年代際變化尺度上，大尺度環流系統與北極氣旋的活動有著密切的聯系，北極氣旋活動在北極濤動（Arctic Oscillation,AO）正位相期間增強[3]。

隨著對北極氣旋研究的不斷深入，人們也注意到近幾年在北極出現的極端氣旋過程，即北極超強氣旋（Arctic Super Cyclone,ASC），例如2012 年和2016 年夏季北極發生的ASC 過程，這些極端事件的個例無論是發生發展過程還是氣旋空間結構都符合上述北極氣旋的特征，甚至更強[7,18-21]。ASC 與北極放大效應和海冰快速融化關系密切，其更強的熱力動力過程對北極海冰的調制作用也更為顯著[22-23]。前人對ASC 的研究多集中于個例分析，缺少對這一類極端事件的定量分析，探究統計分析與環流特征對理解北極冰-海-氣相互作用有著重要意義。本文對1979-2016 年ASC 活動進行統計分析，旨在揭示極端氣旋過程的分布特征及其對應的大氣環流形勢特征。

2 資料和方法

Tanaka 等[24]通過分析3 個典型北極氣旋，將北極氣旋的定義歸納總結為：北極發生的單一極地氣團構成的正壓渦旋系統，但在討論北極超強氣旋時則需要考慮氣旋自身強度是否達到極端事件的標準。SLP是衡量氣旋強度的重要指標之一，通過SLP 閾值來定義極端氣旋不僅可以考慮某一時刻氣旋的峰值強度，還可以觀察到其移動演變過程所影響的區域，Vavrus[18]將中心最低氣壓低于局地月平均氣候態40 hPa 的氣旋定義為極端氣旋，這一閾值來源于Chang 等[25]通過SLP 瞬變波擾動值定義極端氣旋的方法。但考慮到極地氣旋的強度具有顯著的季節變率，冬季氣旋強度顯著強于夏季[5]，因此使用統一的閾值定義各個季節的極端氣旋會導致夏季幾乎沒有極端氣旋生成[18]，但夏季較薄的冰層、較大的開闊水域和較高的海表面溫度與近地面溫度使得夏季海冰更容易受到氣旋的影響，因此在定義ASC 時也應當考慮SLP 季節變率對閾值的影響。因此本文使用美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）與美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research,NCAR）1979-2019 年 共31 a 的逐日SLP 2.5°×2.5°再分析資料（https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html），統計1979-2016年北極（60°N 以北）逐日最低SLP 及其統計參量（表1），選取概率密度5%分位數對應的氣壓值作為該月ASC 的定義閾值，若格點SLP 低于該值則認為存在ASC 影響這一格點。結合表1來看，ASC 閾值存在顯著的季節變化，冬季（JFM）與秋季（OND）都低于970.0 hPa，最小值為956.9 hPa（1 月），春夏季則相對較高，最大值為982.9 hPa（7月）。這也與北極氣旋冬季顯著強于夏季相符[5]。

表1 北極（60°N 以北）海平面最低氣壓統計特征（單位：hPa）Table 1 The statistical characteristic of the lowest sea level pressure in the Arctic (north of 60°N,unit:hPa)

通過美國國家冰雪數據中心（National Snow and Ice Data Center,NSIDC）基于NCEP/NCAR 再分析資料計算的北半球氣旋及特征資料（https://nsidc.org/data/NSIDC-0423/versions/1），空間分辨率為250 km×250 km，時間格點為每日4 次，中心最低氣壓低于氣旋所在月份的氣壓閾值的氣旋定義為ASC，生成位置位于60°N 以南的ASC 認為是外部輸入氣旋，生成于60°N 以北的則認為是原生氣旋。分析北極超強氣旋時空分布統計特征，再將頻數場回歸到NCEP/NCAR月平均海平面氣壓、氣溫、500 hPa 位勢高度和300 hPa緯向風再分析資料以分析ASC 的大氣環流形勢及其與AO 的聯系。

3 北極超強氣旋統計特征

3.1 ASC 的頻數分布

從1979-2016 年ASC 頻數分布（圖1a）來看，主要的高頻區域分布在北大西洋、北冰洋大部和太平洋北部，這一結果與Zhang 等[5]對北極氣旋的分析一致，但極端事件的頻數遠小于后者；具體來看北大西洋高頻區主要分布在伊爾明厄海-格陵蘭海-挪威海，最大值位于格陵蘭海南側（257 次），高頻區向東北側延伸至斯瓦爾巴群島南側和巴倫支海西北側；北極中央區馬克洛夫海盆也存在極大值區域（52 次），白令海與阿拉斯加灣也存在極大值（118次），但極值中心在極圈外，對極區影響較小。ASC高頻區域具有顯著的不對稱性，大陸區域ASC 頻數較小且主要分布在北歐海沿岸、亞歐大陸北岸、加拿大北極群島及白令海沿岸，洋區分布上大西洋扇區明顯強于太平洋扇區，同時大西洋扇區高頻區域呈西南-東北向分布指向極區，太平洋扇區則為東西向分布，北極中央區附近高頻區則偏向于季節性融冰的亞歐一側。

分區域和季節來看（圖1b至圖1e），北大西洋各季節都有ASC 活動，尤其是冬季（98 次）和秋季（83 次）的伊爾明厄海與冰島南側，這兩個季節貢獻了該區域70%的ASC 活動；北極中央區ASC 活動則主要集中在春夏季，秋冬季也有極少數ASC，但位置則更趨向于岸界和大西洋扇區一側；北太平洋ASC多集中于60°N 以南且以東西向分布，在春季（45 次）達到最強，而60°N 以北的區域ASC 活動極少，這表明盡管冬春季阿留申低壓附近風暴活動頻繁[12]，但能夠通過白令海峽進入楚科奇海進而影響極區的ASC極少。

3.2 ASC 的生消位置

為了進一步分析ASC 的來源與消亡，通過閾值所篩選出的ASC 過程的生成消亡位置如圖2所示，ASC 主要的生成位置為北美大陸東岸至北歐海西南側，最大值出現在伊爾明厄海西側格陵蘭沿岸，此外亞歐大陸北部和東部、北美大陸中東部、北太平洋和極區也有生成，即影響北極的ASC 過程來源多樣復雜，既有沿中緯度風暴軸向北輸送進入極區的溫帶氣旋也有極區范圍內的原生氣旋，此外還可能有北太平洋和北大西洋低緯度由熱帶氣旋變性為溫帶氣旋、極地氣旋輸入到高緯度的情況（圖2a）。ASC 的消亡位置則主要分布在伊爾明厄海、北歐海及北極中央區大西洋扇區一側，其附近的格陵蘭島、加拿大北極群島、歐亞大陸北岸和太平洋扇區也有分布（圖2b），相對于生成位置來說消亡位置更加集中，幾乎都在60°N 以北，表明進入極區的ASC 大多在極區消亡且很難再回到中緯度地區，而太平洋扇區的消亡位置大多數位于阿拉斯加半島與堪察加半島南側，楚科奇海及波弗特海西側的消亡位置偏少，表明北太平洋強氣旋難以通過陸地屏障進入極區[26]。

圖2 1979-2016 年間北極超強氣旋生成（a）、消亡（b）分布位置及其與高空急流的關系Fig.2 Distribution locations of Arctic super cyclone generation (a) and extinction (b),and their relationship with the upper-level jet stream

分季節來看（圖3），ASC 的生成位置在秋冬季更為集中，絕大多數生成自海上，大致沿北大西洋與北太平洋急流軸分布，盡管太平洋急流平均風速遠大于大西洋急流平均風速，但ASC 的生成位置卻更偏向于大西洋一側；ASC 生成位置在春夏季更分散，海陸比例接近，且生成位置可以達到更北的區域。從區域上來看，北美東岸至北歐海全年都有生成點分布，冬季最多秋季次之，北大西洋暖流所產生的海洋鋒區強迫大氣斜壓性增強有利于氣旋擾動在這里發展增強，而亞歐大陸北部西伯利亞地區及其北側的喀拉海至東西伯利亞海的ASC 絕大多數在春夏兩季生成，這與北極海冰夏季融化、開闊水域增加及極地鋒區（Arctic Front Zone,AFZ）的增強有關[14]。

圖3 不同季節北極超強氣旋生成、消亡分布位置及其與高空急流的關系Fig.3 Distribution of formation or extinction position of Arctic super cyclone in different seasons and their relationship with the upper-level jet stream.

消亡位置的分布相對集中，但空間分布隨著季節演變逐漸由北極邊緣區向中央區延伸，秋冬季消亡點主要分布在伊爾明厄海至北歐海及白令海北部，ASC 在秋冬季自身很難進入極區給極區帶來直接影響，但可以通過改變大氣環流通過更大尺度的海-冰-氣耦合過程影響極區海冰凍結融化和漂流過程[27-30]；春季消亡位置的分布沿圖1的極大值區域自西向東延伸至東西伯利亞海，夏秋季時消亡位置幾乎覆蓋整個北極區域，但仍以兩大洋扇區入口處消亡點居多。

Crawford 和Serreze[26]對北極氣旋源地進行區分時發現影響北冰洋（包括中央區、巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海和東西伯利亞海）的氣旋有35%～40%是極區原生氣旋，且這個比例每個季節大致相同，但源地卻不盡相同，冬季多來源于北美、大西洋和太平洋扇區，夏季則有一半以上是通過亞歐大陸一側進入極區的，這樣的輸入氣旋能夠經過海陸邊界的AFZ 進而得到進一步加強。而ASC 較廣義上的北極氣旋的特殊之處在于，由于對其強度設定了閾值，因此要求存在更有利于其強度維持和發展的條件，因此ASC 的生成地多位于海上，且主要既位于平均急流軸偏北側即急流偏北偏強時，又位于急流出口區左側正渦度平流隨高度增強的區域，在這種環流配置下才有可能維持ASC 的強度的同時向極區輸入，因此極地原生和陸地生成的ASC 明顯偏少。

3.3 ASC 頻數的年代際變化

Rinke 等[31]認為北半球高緯度的海平面氣壓降低與全球變暖導致的風暴軸向極移動是極端氣旋事件增加導致的，尤其是冬季北極原生和向極輸送的強氣旋數量有所增加[1]，但通過設定5%極端閾值篩選出的ASC 過程卻無法看到這一趨勢（圖4a），即ASC 總體頻數并沒有顯著的年代際線性趨勢，但從不同時期和角度來看ASC 的年代際變化，仍然有較多特點值得探討。

全年來看極區原生ASC 占比較少，其頻數只有外部輸入ASC 的50.52%，其中這一比例在春季最高（71.24%），夏季次之（59.54%），秋季最少（30.6%），這其中也有較為極端的年份，例如1983 年和1992 年的春季原生ASC 頻數分別是外部輸入的2 倍與5 倍，而1994 年、2003 年、2011 年和2016 年的夏季原生ASC 是外部輸入的1.7 倍、2.5 倍、2 倍和1 倍；Simmonds 和Keay[3]揭示除北冰洋夏季氣旋活動與北極夏季海冰的關系為北極9 月海冰范圍（Sea Ice Extent,SIE）最低值的減小與氣旋強度和空間尺度的增加呈正相關，與氣旋自身的頻率變化關系不大，本文的統計結果中無論是原生ASC 還是輸入ASC（圖4b,圖4c）的頻數都沒有顯著的趨勢，而ASC 本身作為超強氣旋其自身的頻數（圖4a）也沒有顯著趨勢，但如果區分氣旋壽命來看，夏季生命史超過3 d 以上的長時間ASC 在增加，短時間ASC 在減少（圖4d，圖4e），而近些年來尤其是2012 年極端ASC[6]和2016 年多個氣旋合并維持超長時間ASC[1,27]等持續時間異常偏長ASC 的出現也體現了這一趨勢。

圖4 北極超強氣旋頻數年代際變化特征Fig.4 The time series and decadal variation trend of the seasonal frequency of Arctic super cyclone

4 ASC 環流特征及其與AO 的聯系

4.1 ASC 環流特征

將1979-2016 年各季節ASC 頻數回歸到大氣物理量場以分析ASC 發生發展同期的大氣環流形勢（圖5），從海平面氣壓場、氣溫場、500 hPa 位勢高度場及300 hPa 緯向風急流來看，所有季節都表現為類似AO 正位相的環流型。冬季（JFM）極區（60°N 以北）出現顯著低壓異常，中緯度則為高壓異常，對應區域的500 hPa 位勢高度極區極渦偏強、中緯度位勢高度正異常，溫度場上極區出現不對稱的偶極子分布即北極群島、格陵蘭地區冷異常和亞歐大陸暖異常，從300 hPa 緯向風上來看副極地（45°～60°N）呈氣旋式環流西風增強，中緯度西風急流南側減弱北側增強對應其北抬，尤其是在北大西洋急流出口區，西風異常向東延伸至北歐和西伯利亞沿岸，即急流北翹的同時向東進一步延伸。秋季（OND）的回歸場幾乎與冬季的空間模態相同，但對應的異常值偏小，海平面氣壓場除了格陵蘭附近的低壓中心外在白令海峽、西西伯利亞也存在兩處負異常，表明秋季ASC 能夠向東進一步深入極區（圖5d），與之對應的兩個低壓異常區的西側出現冷異常、東側出現暖異常，而500 hPa位勢高度場副極地地區呈三波分布，這一點與冬季ASC 主要在北大西洋活動有明顯不同。春夏季極區的SLP 負異常仍然很顯著，對應高空極渦也偏強，這與北極氣旋的正壓垂直結構相符，同時急流軸主軸都減弱，其北側出現緯向西風正異常[21]，一方面有利于ASC 向極輸送，另一方面地面氣旋與高空極渦耦合的正壓結構也增強了副極地區域的緯向西風。

4.2 ASC 與AO 的聯系

AO 作為北半球秋冬季行星尺度大氣環流變率的首要模態在春夏季的表現較弱，因此春夏兩季（AMJ/JAS）回歸出的空間模態并不顯著，但對應的回歸場在極區仍具有顯著的低壓、低溫、位勢高度負異常和急流偏北、急流主軸偏弱的異常特征（圖5），這表明ASC 活動與AO 存在一定的聯系。對ASC 各項頻數的分析中無論是分析總的頻數變化、極區原生/輸入ASC 還是氣旋壽命都似乎能將整體的時間序列看作是雙峰分布，ASC 頻數第一個峰值出現在20 世紀90 年代早期而第二個峰值出現在21 世紀00 年代后期（圖4），這與AO 的年代際轉換極為類似，Thompson和Wallace[32]發現AO 在90 年代早期為正位相，Overland 和Wang[33]發現1996-2004 年AO 接近中性或負位相，從時間序列上來看在AO 顯著正位相期間AO 指數與ASC 頻數的滑動相關指數都很高（圖6a），對應地AO 正位相年份ASC 頻數偏多。分季節來看冬季的正相關性始終較好，90 年代后期至00 年代正相關性減弱實際上是由其他季節兩者的不一致變化貢獻的。將ASC 頻數與同期AO 指數做相關（表2）可以看到冬季無論是極區原生、外部輸入、長短生命史的ASC 頻數及總頻數與AO 指數的關系都很好，但在AO 空間模態不顯著的春夏季兩者的關系則較弱。此外，沒有達到ASC強度的常規氣旋的頻數則不具有這樣的關系。

表2 各季節北極超強氣旋、常規氣旋頻數與同期北極濤動（AO）指數的相關系數Table 2 The correlation coefficient between frequency of Arctic super cyclones/ordinary cyclone and Arctic Oscillation index in the same period

圖5 北極超強氣旋大氣環流回歸場特征Fig.5 Regression characteristics of atmospheric circulation of Arctic super cyclone

圖6 北極濤動（AO）指數與北極超強氣旋（ASC）頻數的關系Fig.6 The relationship between the Arctic Oscillation (AO) index and the Arctic super cyclone (ASC) frequency

將1979-2016 年 共891 個ASC 過程前后1 周的日AO 指數挑選后進一步分析表明，幾乎所有的ASC（94.6%）在其達到中心氣壓最低時刻前后1 周內AO 指數極大值都為正，其中546 個（61.3%）ASC 對應AO 指數極大值超過1 倍標準差達到AO 正位相，546 個中有336 個（61.5%）的AO 指數極大值滯后于ASC中心氣壓發展到最低時刻，其余的則是在AO 正位相已經建立的前提下發展達到最強。綜上所述，盡管ASC 是偶發的極端天氣尺度過程，但仍能一定程度上反映同期季節尺度的大氣環流形勢甚至能夠反映AO 在年代際尺度上的正負位相突變，極端ASC 過程本身就可以作為一種衡量氣候變化的指標，同時它自身也將會對北極的海-冰-氣耦合過程造成深遠的影響。

5 總結與討論

本文通過NCEP/NCAR 的SLP 再分析資料，使用極區最低氣壓概率密度譜5%分位數作為閾值定義了北極地區超強氣旋過程，結合了NSIDC 基于NCEP/NCAR 再分析資料追蹤識別的北半球氣旋及特征資料分析了ASC 空間分布、生成消亡位置、年代際變化趨勢等活動特征，發現用于判別ASC 的極區最低氣壓概率密度譜5%分位數閾值具有冬季低夏季高的單峰型季節變化特征，表明ASC 在冬季遠強于夏季；ASC 的路徑分析表明其主要通過大西洋扇區經北歐海-巴倫支海-喀拉海輸送進入極區，也存在少部分從太平洋扇區輸入或在極區生成；ASC 大多數生成于兩大洋急流軸或急流出口區北側，極少數生成于大陸或低緯度，絕大多數ASC 在極區消亡很難回到中低緯度。此外，極區原生ASC 頻數占總數約1/3，外部輸入和極區原生ASC 的頻數沒有顯著增多趨勢，但長時間生命史ASC 頻數以0.49 次/(10 a)的速率增長，表明ASC 的持續時間在增長。

ASC 頻數與AO 指數的相關性很好，尤其是在冬季，當ASC 頻數偏高時，極區出現顯著低壓和冷異常，中緯度-副極地地區出現高壓和暖異常，北歐海東西兩側溫度梯度增加斜壓位能增強；高空極渦加深偏向北美一側，與ASC 中高緯向極輸送的主要路徑北大西洋扇區一致；北大西洋急流軸南北擺動增加，北美一側急流呈西南-東北走向深入極區，而北太平洋急流主軸減弱，北側副極地西伯利亞急流偏強。在這種環流型的配置下，有利于氣旋的發生發展并引導氣旋沿北大西洋扇區深入極區東部。Wallace[34]與Thompson等[35]從波流相互作用角度認為AO 的位相變化是大氣內部過程即大氣緯向流和天氣尺度波之間的相互作用所激發的，尤其在北大西洋區域天氣尺度波與緯向流發生劇烈相互作用時會發生波破碎過程并伴有AO 指數的極值出現，Benedict 等[36]認為北大西洋反氣旋式波破碎有利于AO 正位相的建立，對應AO 正位相時北大西洋急流軸與風暴軸偏北[37]。而向極輸送的ASC 很可能在波破碎過程中發揮著重要作用，其通過波流相互作用調制AO 位相，AO 正位相反饋增強ASC 生成發展的相互作用機制值得進一步探究。隨著北極放大背景下北極海冰快速融化、海冰厚度快速變薄及開闊水域增加，北極海冰越來越容易受到ASC 過程的熱力與動力強迫，ASC 過程與極區氣候、海冰快速變化的聯系也值得進一步探究。