进入极区温带气旋的时空变化特征分析

秦听，魏立新，孙虎林（国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081）

进入极区温带气旋的时空变化特征分析

秦听，魏立新，孙虎林
（国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081）

摘要：基于气旋自动追踪方案，利用ERA-Interim逐日4次（每6 h一次）平均海平面气压再分析资料，对1979—2012年共34年生成于65°N以南，北上进入极圈的气旋的时空特征进行统计分析。结果表明：（1）该类气旋的数量与强度具有明显的季节变化，呈现春夏多强度弱，秋冬少但强度强的特点；（2）气旋年总数呈现显著减少趋势；（3）进入极区的气旋其主要源地在北大西洋一侧，北上跨入极区的关键区域位于格陵兰岛以东的丹麦海峡以及冰岛以东的海域（60°—30°W），气旋在该区域一年四季都很活跃；（4）该类气旋主要在50°—65°N生成，也有在中纬度生成，长途跋涉进入极区；（5）该类气旋在陆地上生成的比例比海上高，尤其是在夏季，冬季海上气旋源地相对变得活跃，生成比例接近陆地的生成比例，几乎各占一半。

关键词：北极；穿过65°N；温带气旋；气旋自动追踪；时空分布

1　引言

温带气旋是出现在南北半球中高纬度地区，能带来大范围降水、大风天气的斜压性的低压系统。在北极地区，温带气旋被证实是活跃于该地区大气环流中重要的天气系统之一[1]。极地地区的温带气旋不能与极涡相混淆，温带气旋是出现在对流层下部的天气系统，极涡[2]是出现在中上层对流层和平流层大气的持续性大尺度气旋性环流，两者都影响极地的大气、海洋、海冰、生态环境。一次较强的温带气旋过程会带来降雪、大风等剧烈天气，对极地地区的天气和气候有重要影响，同时也给极地科考安全带来挑战。国外很早就展开了极区温带气旋的研究工作，早在19世纪50—60年代，利用逐日的天气图分析温带气旋的活动，Reed等人[3]的分析表明温带气旋是活跃于北极区域的天气系统之一；随着计算机技术的发展，人们开始通过逐日多次的再分析资料中的气压场或者风场定义气旋的中心低气压值或涡度的极值来识别气旋，以及追踪整个气旋的生命过程。这些追踪方法的开发者包括澳大利亚的Murray[4]和英国的Hodges[5]等，利用他们的方法，近些年各国的研究人员开展了许多气旋的统计和相关的研究工作。Xiang Dong Zhang[6]统计了1948—2002年北极地区气旋的逐年变化特征；Geng and Sugi[7]对北半球温带气旋的频数、路径和强度的变化给出了统计。这些自动追踪气旋方法的应用避免了之前繁杂的人工分析天气图的工作量，同样也能够让气旋识别具有更加客观的结果。尽管由于采用的追踪方法和再分析数据的不同，结果会有一定的差异，但是对于气旋的长期变化趋势以及空间分布的研究是可以接受的。

北半球极区（65°N以北）气旋包括在该区域生成的，以及在其南部不同区域生成移入极区的，这些气旋伴随的大风和降水，在极区天气气候以及海气相互作用方面起着重要的作用。特别是由南部移入极区的，为该区域带来热量、水汽以及动量等，对极区的气候变化有重要影响。ASGEIR[8]统计穿过70°N进入极区的气旋与该区域水汽输送之间的相互关系，得到了这类气旋的活动与进入极区的水汽输送之间有很好的相关。本文基于英国雷丁大学Hodges[9]的气旋自动识别追踪算法，利用欧洲中心（ECMWF）较高分辨率的海平面气压场资料，追踪由南向北穿过65°N进入极区的天气尺度的气旋，并分析该类气旋时空变化特征以及长期变化趋势。

2　资料与方法

采用的资料来自欧洲中心（ECMWF）的ERA-Interim逐日4次（每6 h一次）平均海平面气压再分析资料，数据的水平分辨率为0.75°×0.75°，时间长度为1979—2012年，共34年。季节的划分：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12—2月；提取源地位于北半球65°N以南，生成以后穿过65°N进入极区的气旋。

文中气旋的定位与追踪基于雷丁大学Hodges的气旋追踪算法。该方案通过从海平面气压场中找出气压的极值或者从850 hPa涡度场中提取涡度极值来追踪气旋。整个计算的过程主要分为三个步骤，包括滤波，气旋中心定位以及追踪。文中采用海平面气压场追踪气旋的方案，详细的算法可以参考Hodges[5]相关文献。

3　结果分析

3.1气旋数量

（1）气旋平均个数的季节统计见表1：夏季个数最多，共45.1个，所占比例为28%；春季次之，共41.1个，所占比例为25%；秋季39.4个，所占比例为24%；冬季气旋个数最少，为37.3个，占23%；年平均162.9个。

表1　气旋季平均数以及年平均数

（2）图1为气旋年总数和季节个数的时间序列。1979—2012年总数呈现减少趋势，经过线性倾向估计，相关系数r为-0.33，达到0.1的显著水平，但未达到0.05的显著水平。春季无明显变化趋势，其他季节均有不同程度的减少，冬季最明显，4个季节的线性变化趋势均未达到显著水平。

3.2气旋中心最低气压以及生命史

3.2.1中心最低气压

气旋发展过程中最低中心气压值代表气旋的强度，可以作为气旋造成的灾害性影响程度的判断标准。提取每个气旋从生成到消亡过程中的中心气压最低值，对不同季节进入北极圈的气旋强度分布进行统计。图2结果表明春、秋两季气旋强度分布较为相似，两个季节气旋最低气压主要处于970—1000 hPa；夏季气旋较弱，更为集中分布于980—1000 hPa；冬季则是较为平均的分布于945—1000 hPa。一般来说，气旋中心气压低于975 hPa就会带来灾害性影响，春季这类气旋比例为18%，夏季为2%，秋季为28%，冬季为50%。气压值越低，强度越大，因此，平均而言，夏季强气旋发生的频率很低，秋冬季节，尤其是冬季，强气旋活动频繁，对极区天气造成巨大的影响，同时在极区动量和和水汽的输送方面有重要作用。

3.2.2气旋生命史

统计结果表明，北上进入极区的温带气旋中，气旋的生命史最短为1天，最长的有21天。4个季节平均而言，生命史1—7天的气旋比例为82.0%，生命史超过10天的气旋比例为4.2%，然而冬季仅为2%，远低于平均水平，夏季大于10天的比例为8%，远高于平均水平。夏季气旋生命史较长是因为夏季极区海冰融化，有利于海洋为大气提供更多的热量，促进对流不稳定性的发展，有利于气旋的维持和发展（见图3）。

3.3气旋源地以及进入极区位置分布

3.3.1气旋源地

气旋源地密度的统计方案采用了雷丁大学Hodges的核密度估计算法，该算法属于非参数密度估计方法，目的是生成一个连续、平滑、可视性较好的气旋密度分布图；概率密度值单位为无量纲，其物理意义是其值的大小对应了气旋密度分布的疏密状况，它的实现是根据已知气旋位置点Xi，以Xi点周围的未知点距Xi的距离作为衡量指标，建立估计函数，估计已知点Xi周围的气旋密度分布。详细的算法参考Hodges[10]1996年发表的相关文献。

图1　气旋年总数以及各个季节气旋数时间变化序列图

统计1979—2012年所有穿过65°N的气旋生成源地，发现这类气旋的源地极其广泛，气旋生成以后可以移动很长距离进入极区。统计结果表明，气旋主要生成于50°—65°N之间，气旋最低生成纬度达到26.5°N。图4为4个季节的气旋源地概率密度图，经过进一步对气旋生成位置的海陆分布计算分析得到，该类气旋生成的区域具有季节的变化和空间的不均匀分布特征，春季气旋主要生成于大西洋一侧的格陵兰岛南端到北欧，气旋在海洋和陆地生成的比例分别为42%和58%；与其他季节相比，夏季在陆地，特别是欧亚大陆高纬度地区生成的气旋明显多于其他季节，此时气旋在海洋和陆地上生成比例分别为38%和62%；到了秋季，海上的气旋源地开始变得活跃，气旋在海洋和陆地上生成比例分别为45%和55%，亚欧大陆东部以及北美的西部气旋生成频率明显减少，气旋生成区主要位于70°W—70°E；冬季的分布延续了秋季海上气旋活跃的特点，气旋在海洋和陆地上生成比例分别为52%和49%，冬季是海上气旋生成最活跃的季节；丹麦海峡及其以南的地区，由于有大西洋暖流经过，有利于气旋的发生发展，4个季节都是气旋的高发区，冬季尤为明显。

图2　气旋中心最低气压值分布直方图

图3　气旋生命史分布直方图

图4　气旋概率密度图

图5　各个季节不同区域气旋跨入65°N的个数百分比

3.3.2气旋进入65°N的位置分布

仅统计气旋的生成区域还不能够清晰地表明气旋进入极区的区域分布。将地球表面自经度0°开始每隔30°划分为一个单元区域，360°球面被划分为12个区域；将每次气旋过程最初落入65°N或者65°N以北的点作为样本点，统计这些样本点落入某区域的个数占总体气旋个数的百分比，得到图5。（1）4个季节中最大比例为16.3%，位于冬季30°—0°W的格林兰海区域；最小值为1%，位于冬季120°—150°E的东西伯利亚，这与前面冬季陆地源地减少的结论一致；冬季气旋跨入极区的位置比其他3个季节更集中；（2）12个区域平均比例最大为14%，位于30°—0°W的格林兰海；前人的研究显示挪威海一带在春、秋、冬季节的气旋频率最大，我们的研究结果也支持这一结论；平均最低比例为2%，位于150°—120°W的北美大陆阿拉斯加半岛以北的高纬度地区；（3）气旋从90°W—120°E覆盖的7个区域进入极区的比例达到总体的76.0%；相反，从120°E—90°W覆盖的5个区域是气旋进入极区的低比例区，所占比例仅24.0%；（4）气旋跨入极区的通道东半球所占比例略高于西半球，分别为52.3%和47.7%，而且东半球的气旋通道的分布比西半球平均。

4　结论

北极圈的气旋有一类是在极圈内生成的，另一类是在极圈外生成，移动过程中进入到极圈的。由于后面一类气旋在极地与高纬度大气系统之间相互作用中起到非常重要的作用，所以本文对这类气旋进行了单独的统计和分析。主要结论有以下几点：

（1）这类气旋具有明显的年际变化和季节变化特征，呈现春夏多而秋冬少的特点。夏季虽然这类气旋发生频率高持续时间长，但是平均强度最弱，冬季是气旋强度最强的季节，总体而言，秋冬季节气旋造成灾害性影响的频率高于春夏季节；

（2）这类气旋的生成地集中在50°—65°N高纬度地区，总体来看，陆地上生成气旋比例大于海上生成的比例，不同的季节，气旋在陆上和海上的活跃程度不同，夏季大陆上气旋的生成比例高于其他3个季节的比例，冬季海洋上气旋生成比例也较另外3个季节高；

（3）1979—2012年这段时间气旋的年总数呈现明显的减少，这与Zhang等人对1960—2002年从中纬度进入70°N极区气旋的统计结果是一致的。本文季节方面的分析结果表明，气旋个数春夏季无明显变化，秋冬季节明显减少，但都没有通过显著性检验。这一减少的趋势可能与北大西洋涛动（NAO）有关，Geng[7]等人分析了北大西洋气旋活动的频率与北大西亚涛动的关系，认为气旋活动频数与北大西洋涛动呈正相关，北大西洋区域的气旋频率、加深率、中心气压也与NAO变化一致。而文中分析的北大西洋一带是气旋重要生成区域，因此认为北大西洋涛动对进入极地气旋的数量也有影响。北极是全球气候变化最显著的地方，全球气温升高在极地地区被放大，夏季海冰融化加剧以及多年冰的减少等是极地内大气、海洋、海冰系统以及与极区外系统相互作用的共同结果，进入极区气旋的减少是否表明极地与中高纬度的相互作用减弱，这还需要综合分析气旋的其它要素，比如强度、伴随的降水等。

在65°N以南中高纬度生成、北上进入极区的温带气旋是中高纬度地区对流层下部的斜压性系统，承担着中高纬度地区的热量、水分向极区的输送，强气旋会给经过区域带来大风和降水天气，同时，对极区海气交换、海冰分布与飘移、极区生态系统等都有重要的影响。气旋数量以及分布的变化与北半球高纬度地区的大气环流、海温、海冰等有密切的关联。本文仅仅对这类气旋做了统计分析工作，还没有深入的研究这类气旋对极地地区带来的影响的程度，之后的研究可以从该类气旋对北极地区降水、海冰变化的影响方面展开，从而更好地了解中高纬度生成的温带气旋对北极地区的影响。

参考文献：

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[2]孙兰涛,吴辉碇,李响.对北极极涡的认识[J].极地研究, 2006, 18 (1): 53-62.

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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

作者简介：秦听（1988-），女，硕士研究生，助理工程师，主要从事温带气旋自动追踪及其时空变化与海气通量相互作用研究。E-mail: tingqin_123@126.com

基金项目：国家自然科学基金重点项目（40930848）；国家自然科学基金青年基金（41206186）；国家海洋局极地专项（CHINARE2013-04-01）

收稿日期：2013-10-23

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.006

中图分类号：P443

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）01-0039-07