吳靜 高郭平 徐飛翔 張春玲

(上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

提要 北極地區(qū)以南生成并向北移動(dòng)進(jìn)入極區(qū)的氣旋, 在移動(dòng)發(fā)展過程中常伴隨大風(fēng)、降水和升溫等過程,對(duì)中低緯度地區(qū)物質(zhì)和熱量向極地輸送起著重要作用, 并對(duì)極區(qū)大氣、海洋和海冰的變化產(chǎn)生一定影響。基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的 1979—2015年的海平面氣壓再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 利用氣旋自動(dòng)識(shí)別和追蹤算法, 開展氣旋的識(shí)別和追蹤, 獲得向極跨越70°N氣旋的數(shù)量、強(qiáng)度、活動(dòng)軌跡及北向運(yùn)動(dòng)緯距等主要特征如下: 該類氣旋在數(shù)量上, 春、冬季多于夏、秋季, 年總數(shù)量和春、秋、冬季均呈減少趨勢(shì); 強(qiáng)氣旋易發(fā)于冬季, 弱氣旋多發(fā)于夏季; 該類氣旋活動(dòng)軌跡, 冬季集中分布在海上, 夏季在陸地上; 該類氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距整體平均為 9.2°, 冬季平均最大, 為 10.2°, 夏季平均最小, 為 7.3°; 在年際變化上, 年平均和春、冬季平均呈增長(zhǎng)趨勢(shì), 夏、秋季平均呈減少趨勢(shì); 在年代際變化上, 年平均和夏、冬季平均從1979—1988年到1989—1998年階段都是減小的, 到1999—2008年階段是增大的, 其后再減小, 春、秋季則無明顯趨勢(shì)變化。

0 引言

北極地處地球的最北端(圖1), 作為地球氣候系統(tǒng)的主要冷源之一, 在北半球熱量、動(dòng)量和水分的交換以及全球大氣環(huán)流形成中起著重要作用[1-2]。北極也是全球氣候變化的指示器, 其環(huán)境各種參數(shù)對(duì)全球變化十分敏感[3]。在過去幾十年里, 北極地區(qū)氣候發(fā)生了明顯的變化, 其地表溫度上升速度至少達(dá)全球平均速度的兩倍, 也稱為北極放大效應(yīng)[4-7], 北極以及周邊地區(qū)(泛北極地區(qū))環(huán)境也經(jīng)歷了快速變化[3,8], 尤其是近30年來北極海冰面積呈現(xiàn)快速減少的趨勢(shì)[9-10]。在地球氣候系統(tǒng)中,大氣圈、海洋圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈等各圈層是相互作用和影響的統(tǒng)一整體,氣旋性環(huán)流作為北極地區(qū)普遍存在的重要?dú)庀筇卣鱗11], 影響著當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)流, 對(duì)北極當(dāng)?shù)丶氨卑肭蛏踔琳麄€(gè)地球氣候系統(tǒng)都具有重要意義。

溫帶氣旋是出現(xiàn)在中高緯度地區(qū)、中心氣壓低于四周、近似橢圓型的空氣渦旋, 是影響大范圍天氣變化的重要天氣系統(tǒng)之一。溫帶氣旋的直徑平均1 000 km, 小的也有幾百公里, 大的可達(dá)3 000 km或以上[12]。廣泛意義上的溫帶氣旋也稱非熱帶氣旋, 包含極地氣旋, 按生成地劃分, 北極的極地氣旋可分為兩種: 一種是在北極地區(qū)生成的, 另一種是在北極地區(qū)以南生成, 向北移動(dòng)進(jìn)入到北極地區(qū)的。早期溫帶氣旋的判定和追蹤主要依靠人工分析天氣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[13-14], 但由于早期站點(diǎn)資料稀疏, 導(dǎo)致某些區(qū)域的數(shù)據(jù)缺失,且氣旋實(shí)際發(fā)展過程復(fù)雜, 這種人工識(shí)別追蹤氣旋的方式有一定難度, 且依靠人工量化幾十年的氣旋活動(dòng)顯然是不可行的。近年來, 隨著數(shù)據(jù)同化與計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展, 學(xué)者們多采用再分析資料中的氣壓場(chǎng)或風(fēng)場(chǎng)定義氣旋的中心低氣壓值或渦度極值, 并結(jié)合數(shù)值算法, 運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程的手段, 對(duì)北半球溫帶氣旋進(jìn)行客觀的自動(dòng)識(shí)別與追蹤, 并對(duì)其整體特征和變化趨勢(shì)做了眾多研究[15-25]。盡管因?yàn)檫x取的再分析資料、氣旋識(shí)別追蹤的方法以及定義的閾值有所不同, 這些研究在結(jié)果上存在一定差異性, 但基本都表明北半球的北大西洋和北太平洋是主要的氣旋活動(dòng)區(qū)[26]。冬季大部分氣旋生成于格陵蘭島東部、巴倫支海域、巴芬灣和加拿大西部, 夏季則出現(xiàn)在歐亞大陸東部中心和阿拉斯加灣, 生成于歐亞北極區(qū)域的氣旋通常向東移動(dòng)大部分進(jìn)入北冰洋, 生成于阿拉斯加灣的則向東北移動(dòng)進(jìn)入加拿大北極群島[16,24]。Zhang等[16]在對(duì)整個(gè)北極及其邊緣地區(qū)的氣旋活動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn), 氣旋數(shù)量夏季略多于冬季, 氣旋強(qiáng)度最大值在2月, 最小值在7月, 即冬季強(qiáng)夏季弱, 且 2月北極邊緣地區(qū)(60°N—70°N)氣旋強(qiáng)度比北極區(qū)域(70°N—90°N)要強(qiáng)3 hPa, 而7月北極區(qū)域的氣旋比北極邊緣地區(qū)的強(qiáng)1.5 hPa。中緯度風(fēng)暴診斷比較項(xiàng)目(Intercomparison of Mid-Latitude Storm Diagnostics, IMILAST)在對(duì) 15種氣旋識(shí)別方案與結(jié)果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上指出,雖然北半球非熱帶氣旋數(shù)量的整體變化趨勢(shì)不大,但在某些局部區(qū)域其頻率、強(qiáng)度以及生成、消散位置都是有變化的[27]。

圖1 北極地形圖.北極地區(qū): 紅色圓圈(70°N)內(nèi)Fig.1.Topography of the Arctic.The Arctic inside the red circle (70°N)

在北極地區(qū)以南生成, 向北移動(dòng)進(jìn)入到極區(qū)的氣旋, 在其移動(dòng)發(fā)展過程中伴隨著大風(fēng)及降水,其在中低緯地區(qū)熱量、水汽向極地輸送過程中起著重要作用。有研究發(fā)現(xiàn), 70°N緯圈上氣旋活動(dòng)和水汽北向輸運(yùn)在春、秋及冬季存在較為顯著的相關(guān)關(guān)系[28], 北大西洋北部、北太平洋副極地地區(qū)和拉布拉多海等海域, 在沿 70°N 緯圈上的水汽北向輸送值明顯較高, 對(duì)應(yīng)的氣旋活動(dòng)也較為活躍, 推斷在70°N處, 有89%—94%向北極輸運(yùn)的水汽與氣旋活動(dòng)相關(guān)[29]。水汽北向輸送值的變化對(duì)北極地區(qū)的降水產(chǎn)生一定影響, 并可能改變當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境。另有研究指出, 北極海冰減少與氣旋活動(dòng)的變化關(guān)系也十分密切[30]。關(guān)于由南向北移動(dòng)進(jìn)入北極地區(qū)的氣旋研究,學(xué)者們主要分析了其數(shù)量、強(qiáng)度、生命周期及生成、消散地等特征[24],以及與其他要素之間的聯(lián)系[28-29], 并未著重研究其在經(jīng)向上的北向運(yùn)動(dòng)特征。

本文基于Zhang等[16]及Tao等[31]的自動(dòng)識(shí)別追蹤氣旋算法, 采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的平均海平面氣壓(MSLP)再分析資料, 首先對(duì)生成于 30°N—90°N 中高緯地區(qū)的氣旋進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別, 再篩選出向極跨越 70°N 的這類氣旋, 分析了其數(shù)量、強(qiáng)度、活動(dòng)軌跡等基本特征, 并著重研究了該類氣旋在北向運(yùn)動(dòng)上表現(xiàn)出的特征,以期了解其基本特征及北向活動(dòng)規(guī)律和變化趨勢(shì), 為深入探究該類氣旋活動(dòng)在大氣中的水汽、熱量北向輸送中所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧约皩?duì)北極地區(qū)產(chǎn)生的影響打好基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文氣旋分析采用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)發(fā)布的ERA-Interim再分析資料中的平均海平面氣壓(MSLP)格點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。ERAInterim再分析數(shù)據(jù), 采用了改進(jìn)的更復(fù)雜的同化系統(tǒng), 在水平方向上為T255譜分辨率, 在垂直方向上從陸面向上共 60層[32]。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布起始時(shí)間為1979年, 為統(tǒng)計(jì)分析向極跨越70°N這類氣旋在長(zhǎng)時(shí)間尺度上表現(xiàn)的特征, 選取的數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1979年3月—2015年2月, 共36年,空間覆蓋范圍為 30°N—90°N 的北半球中高緯度區(qū)域, 時(shí)間和空間分辨率上分別選取 6 h間隔和0.5°×0.5°。

1.2 氣旋自動(dòng)識(shí)別和追蹤方法

非熱帶氣旋自動(dòng)識(shí)別追蹤目前主要有兩種方法[32]: 一種是歐拉方法, 通過計(jì)算濾波后的代表天氣時(shí)間尺度(約 2.5—8 d)的平均海平面氣壓或位勢(shì)高度場(chǎng)的方差或協(xié)方差[15,33]來確定氣旋; 另一種是拉格朗日方法, 通過追蹤氣旋特征參量(如海平面壓力的最小值或相對(duì)渦度的最大值)隨時(shí)間的演變來識(shí)別追蹤氣旋[16,24,28,34]。對(duì)于研究氣旋活動(dòng)特征, 通常選用拉格朗日方法更為合適[34]。Zhang等[16]基于MSLP的氣旋自動(dòng)識(shí)別追蹤方法屬于后者, 且已被 Tao等[31]借鑒應(yīng)用, 方法步驟介紹詳細(xì), 相對(duì)較為成熟可靠, 因此參考其方法。由于本文采用的數(shù)據(jù)空間分辨率較Zhang等[16]的研究中所采用的高, 更接近 Tao等[31]的研究, 因此參照后者對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試。具體步驟如下。

1.氣旋中心的確定。首先篩選氣壓值低于周圍8個(gè)點(diǎn)的網(wǎng)格點(diǎn)作為備選氣旋中心(如圖2所示,若白點(diǎn)處的氣壓值均低于周圍黑點(diǎn)處的氣壓值,則白點(diǎn)處為備選氣旋中心), 為了盡量避免識(shí)別出由于熱力或動(dòng)力效應(yīng)引發(fā)的氣旋, 將氣壓場(chǎng)中每個(gè)格點(diǎn)的值用其與周圍共9個(gè)點(diǎn)的平均值代替;再限定備選氣旋中心與周圍8個(gè)點(diǎn)的氣壓梯度不小于 0.05 hPa/100 km(因所用數(shù)據(jù)空間分辨率與Tao等[31]的較接近, 此處參數(shù)采用他們的研究所提供的值); 接著, 保留備選氣旋中心與鄰近4點(diǎn)的氣壓梯度比其與再外圍一層4點(diǎn)的氣壓梯度要小的部分, 設(shè)網(wǎng)格點(diǎn)間的距離為 L, 即至少滿足(P1–P0)/L＜(P2–P0)/2L, (P3–P0)/L＜(P4–P0)/2L,(P5–P0)/L＜(P6–P0)/2L, (P7–P0)/L＜(P8–P0)/2L 的其中三個(gè)條件, 化簡(jiǎn)后即為滿足 P1–P0＜P2–P1, P3–P0＜P4–P3, P5–P0＜ P6–P5, P7–P0＜P8–P7的其中三個(gè)條件。此外, 同一時(shí)刻備選氣旋中心在 600 km(此處參數(shù)采用Tao等[31]的研究所提供的值, 因他們通過研究發(fā)現(xiàn), 在Zhang等[16]設(shè)定的1 200 km閾值內(nèi), 同一時(shí)刻有可能存在兩個(gè)不同的氣旋)內(nèi)視為同一氣旋, 取具有最小氣壓值的氣旋中心作為統(tǒng)一的氣旋中心。

圖2 氣旋中心識(shí)別說明.Pi代表各網(wǎng)格點(diǎn)處的氣壓值,i=0, 1, 2, …, 8Fig.2.The illustration of identification of the cyclone center.Pi represents the pressure value at each grid point,i=0,1,2…8

2.氣旋追蹤。將氣旋中心連成軌跡時(shí), 規(guī)定6 h內(nèi)出現(xiàn)在600 km范圍內(nèi)的氣旋屬于同一氣旋(因所用數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率也為6 h間隔, 此處參數(shù)采用Zhang等[16]的研究所提供的值), 否則為新產(chǎn)生的氣旋。同時(shí), 因?yàn)楸疚难芯拷y(tǒng)計(jì)的這部分氣旋, 是為后期研究其對(duì)于大氣經(jīng)向輸送的影響打基礎(chǔ), 生命周期較短的氣旋可能在其中所起的作用不明顯, 因此剔除生命周期小于24 h的氣旋。

3.為之后探究向極跨越 70°N的氣旋活動(dòng)對(duì)北極地區(qū)的影響, 本文在最終追蹤到的氣旋軌跡中篩選出生成于 30°N—70°N 地區(qū), 并向北移動(dòng)跨越70°N的部分。

另外, 為了排除復(fù)雜地形可能導(dǎo)致的虛假性氣旋, Tao等[31]針對(duì)其研究區(qū)域(楚科奇-波弗特海域), 規(guī)定備選氣旋中心的氣壓值必須低于1 005 hPa。本文篩選的是生成于 30°N—70°N, 并向北移動(dòng)跨越 70°N 的氣旋, 故規(guī)定備選氣旋中心的氣壓值不高于1 020 hPa。

2 氣旋識(shí)別結(jié)果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證氣旋識(shí)別及追蹤算法效果,因夏季氣旋強(qiáng)度相對(duì)較弱, 識(shí)別氣旋中心并追蹤的難度相對(duì)較大, 故隨機(jī)選取輸出結(jié)果中的一次夏季氣旋過程為例,利用該區(qū)域相同時(shí)間段內(nèi)(2009年8月10日18時(shí)—13日06時(shí))平滑過的平均海平面氣壓(MSLP)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。從海平面氣壓空間分布(圖3a)可以看出, 此氣旋自8月10日18時(shí)于法羅群島附近海域開始加深, 此后逐漸加強(qiáng)并沿西北方向快速移動(dòng), 至11日06時(shí)已跨越70°N進(jìn)入到北極地區(qū)的格陵蘭海域, 到11日12時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng), 中心氣壓達(dá)973.7 hPa。之后此氣旋移動(dòng)速度減慢并逐漸向東偏移, 12日12時(shí)后仍在該海域沿正北方向移動(dòng), 最終于13日06時(shí)移動(dòng)到格陵蘭島沿岸附近徹底消散。本文自動(dòng)識(shí)別算法較好地追蹤了此氣旋的生成至消散過程, 基于該算法得到的氣旋移動(dòng)路徑見圖3b。

圖3 2009年8月10—13日海平面氣壓空間分布及軌跡.△氣旋起點(diǎn), *氣旋終點(diǎn)Fig.3.The spatial distribution of sea level pressure from 10th to 13th of August, 2009, and the track of the cyclone.△outset of the cyclone, *terminal point of the cyclone

3 氣旋特征分析

基于以上氣旋自動(dòng)識(shí)別追蹤方法, 計(jì)算獲得了1979年3月—2015年2月在30°N—90°N中高緯地區(qū)生成的氣旋, 并對(duì)其進(jìn)行了追蹤, 最終篩選出向極跨越 70°N進(jìn)入到北極地區(qū)的氣旋。以下將逐一分析這類氣旋的數(shù)量、強(qiáng)度、活動(dòng)軌跡及北向運(yùn)動(dòng)緯距等特征。

3.1 氣旋數(shù)量

圖4 氣旋年總數(shù)量的時(shí)間變化序列.藍(lán)線: 均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 紅線: 趨勢(shì)Fig.4.The time series of the number of cyclones in every year.blue line: average±standard deviation, red line: trend

圖4是氣旋年總數(shù)量隨時(shí)間的變化序列。經(jīng)統(tǒng)計(jì), 36年間該類氣旋共有830個(gè), 平均每年發(fā)生的氣旋數(shù)量約 23個(gè), 這與 Zhang等[16]研究的1948—2002年期間向極跨越70°N進(jìn)入北極的氣旋數(shù)量為6 763個(gè)(平均每年約120個(gè))有差異。為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性, 采用Zhang等[16]的研究中的所有參數(shù), 并按照他們文中的步驟進(jìn)行氣旋的識(shí)別和追蹤, 在1979—2015年間得到的該類氣旋數(shù)量共有5 000多個(gè)(平均每年約140個(gè)), 這與他們所得到的 1948—2002年期間向極跨越70°N進(jìn)入北極的氣旋數(shù)量相近。這里在識(shí)別和追蹤氣旋時(shí), 綜合 Tao等[31]的研究對(duì)參數(shù)做了一定的調(diào)整, 且規(guī)定了氣旋中心的氣壓值不高于1 020 hPa, 生命周期不短于24 h, 這些條件都會(huì)篩掉部分氣旋, 因此最后得到的數(shù)量與其研究中所呈現(xiàn)的有所不同。其中, 1988/1989年發(fā)生的氣旋數(shù)量最多, 為39個(gè), 2012/2013和2013/2014年發(fā)生的氣旋數(shù)量最少, 為15個(gè)。氣旋年總數(shù)量隨時(shí)間呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 約每十年減少 1—2個(gè),經(jīng)檢驗(yàn), 該趨勢(shì)達(dá)到0.1的顯著性水平, 相關(guān)系數(shù)r為–0.31。數(shù)量較多的年份與較少的年份相當(dāng), 值得注意的是, 氣旋數(shù)量較多的年份均出現(xiàn)在1998年之前, 而較少的年份則多出現(xiàn)在2006年之后。

本文季節(jié)劃分: 3—5月為春季, 6—8月為夏季, 9—11月為秋季, 12—2月為冬季。圖5是各個(gè)季節(jié)氣旋數(shù)量隨時(shí)間的變化序列。從圖中可以看出, 各個(gè)季節(jié)36年平均發(fā)生的氣旋數(shù)量差異較小,都在5—6個(gè), 春、夏季分別和冬、秋季發(fā)生的氣旋數(shù)量相同。各個(gè)季節(jié)此類氣旋年際變化都較為明顯, 波動(dòng)性較大, 標(biāo)準(zhǔn)差都在 2—3個(gè), 其中冬季最大, 夏季最小。另外, 春、秋和冬季的氣旋數(shù)量均呈現(xiàn)不同程度的減小趨勢(shì), 且春、冬季氣旋數(shù)量較多的年份與數(shù)量較少的年份均相當(dāng), 值得注意的是, 1993年的春季沒有氣旋發(fā)生,1988/1989年的冬季則有異常偏多的氣旋發(fā)生,高達(dá)16個(gè), 秋季氣旋數(shù)量較多的年份多于數(shù)量較少的年份, 其中1982/1983、2005/2006年有11、12個(gè); 夏季氣旋數(shù)量呈現(xiàn)輕微的增長(zhǎng)趨勢(shì), 大部分年份的氣旋數(shù)量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi), 其中2008/2009、2010/2011年偏多, 分別有10、11個(gè)。經(jīng)檢驗(yàn), 各季節(jié)氣旋數(shù)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)均未達(dá)到顯著水平。

圖5 各季節(jié)氣旋數(shù)量的時(shí)間變化序列.藍(lán)線: 均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 紅線: 趨勢(shì)Fig.5.The time series of the number of cyclones in each season.blue line: average±standard deviation, red line: trend

3.2 氣旋強(qiáng)度

氣旋從生成階段到消亡階段, 都伴隨著中心氣壓值的變化。氣旋的強(qiáng)度一般用它發(fā)展過程中的最低中心氣壓值表示, 中心氣壓值越低, 強(qiáng)度越強(qiáng)[12]。提取1979年3月—2015年2月每個(gè)氣旋從生成到消亡整個(gè)活動(dòng)過程的最低中心氣壓值,對(duì)各個(gè)季節(jié)向極跨越 70°N的氣旋強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖6a所示。春季占比最多的是強(qiáng)度為985—990 hPa和995—1 000 hPa的氣旋, 約占總體的15.57%, 氣旋強(qiáng)度集中在 970—1 015 hPa, 約占總體的 93.87%; 夏季占比最多的是強(qiáng)度為 990—995 hPa的氣旋, 約占總體的 23.62%, 氣旋強(qiáng)度集中在980—1 010 hPa, 約占總體的91.96%; 秋季占比最多的是強(qiáng)度為985—990 hPa的氣旋, 約占總體的15.05%, 氣旋強(qiáng)度集中在965—1 010 hPa,約占總體的 90.86%; 冬季占比最多的是強(qiáng)度為985—990 hPa的氣旋, 約占整體的12.88%, 與其他季節(jié)不同的是, 氣旋強(qiáng)度較為平均地分布在950—1 005 hPa, 約占總體的88.71%。通常當(dāng)氣旋中心氣壓值低于975 hPa時(shí)就會(huì)給周圍地區(qū)帶來災(zāi)害性的影響[25], 統(tǒng)計(jì)該類氣旋共得到162個(gè),約占總體的19.52%。春季該類氣旋比例達(dá)11.47%,夏季1.48%, 秋季22.28%, 冬季40.91%。由此可知, 夏季強(qiáng)氣旋發(fā)生較少, 而秋、冬季強(qiáng)氣旋發(fā)生的概率較大, 特別是在冬季。強(qiáng)氣旋活動(dòng)通常會(huì)帶來強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)降水等一系列問題, 抵達(dá)北極后可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)靥鞖猸h(huán)境造成一定的影響。

統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)時(shí), 中心氣壓值低于975 hPa的氣旋, 其達(dá)到最強(qiáng)時(shí)所在位置如圖6b所示。該類氣旋達(dá)到最強(qiáng)時(shí), 所在位置在海洋上的占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于在陸地上的。海洋上的強(qiáng)氣旋主要分布在巴芬灣到拉布拉多海一帶、北歐海到巴倫支海一帶, 也有一些分布在白令海、阿拉斯加灣區(qū)域, 陸地上的強(qiáng)氣旋則主要集中在格陵蘭島上, 零星有一些在俄羅斯、加拿大北部及阿拉斯加沿岸。另外, 這些氣旋達(dá)到最強(qiáng)時(shí)的位置主要集中在60°N—70°N 范圍內(nèi), 約占總體的 55.29%, 在極區(qū)內(nèi)達(dá)到最強(qiáng)的約占總體的 34.71%, 其余則在60°N以南時(shí)已達(dá)到最強(qiáng)。

3.3 氣旋活動(dòng)軌跡及進(jìn)入70°N的位置分布

3.3.1 氣旋活動(dòng)軌跡

統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲得的所有氣旋軌跡, 如圖7所示。圖7a為全部氣旋的活動(dòng)軌跡, 在 90°W—0°區(qū)間氣旋軌跡分布最為密集, 而在 150°W—120°W區(qū)間氣旋軌跡分布最為稀疏, 其他區(qū)間則分布相對(duì)較平均。由圖7b知, 春季氣旋主要活躍在60°W—30°W 區(qū)間, 且集中在巴芬灣到格陵蘭島西部沿岸地區(qū), 而150°W—120°W區(qū)間上則只有1個(gè)于70°N附近生成的氣旋在此活動(dòng); 夏季氣旋依舊主要活躍在60°W—30°W區(qū)間, 但主要是在格陵蘭島東、西沿岸地區(qū), 其他區(qū)域氣旋軌跡分布較為平均; 秋季氣旋在60°W—30°W區(qū)間仍較為活躍,但北歐海區(qū)域活動(dòng)有所增加, 有從陸地向海上偏移的趨勢(shì); 冬季氣旋主要活躍在巴芬灣和北歐海區(qū)域(60°W—0°), 同時(shí)活動(dòng)軌跡在海上的分布明顯要比陸地上密集。氣旋的發(fā)生、發(fā)展與上下層的熱力對(duì)流相關(guān), 夏季陸地表面和大氣熱力對(duì)流較強(qiáng), 而冬季海表面和大氣熱力對(duì)流較強(qiáng), 這可能是氣旋活動(dòng)軌跡夏季多分布在陸地上, 冬季則集中在海上的原因。

3.3.2 氣旋進(jìn)入70°N的位置分布

為了更好地了解這類氣旋主要是通過哪些區(qū)域跨越 70°N進(jìn)入到極區(qū)的, 統(tǒng)計(jì) 1979年 3月—2015年2月所有跨越70°N進(jìn)入極區(qū)的氣旋位置分布情況。首先將地球表面自經(jīng)度0°開始每隔30°劃分為一個(gè)單位區(qū)域, 360°球面被劃分為 12個(gè)區(qū)域;將每次氣旋移動(dòng)過程中最初落入70°N或者70°N以北的點(diǎn)作為樣本點(diǎn), 統(tǒng)計(jì)這些樣本點(diǎn)落入某區(qū)域個(gè)數(shù)占總體氣旋個(gè)數(shù)的百分比, 得到圖8。其中,占比最大的是春季 60°W—30°W 格陵蘭島區(qū)域, 為23.72%; 占比最小的是春季150°W—120°W波弗特海沿岸區(qū)域, 為 0。12個(gè)區(qū)域中, 平均占比最大的是60°W—30°W格陵蘭島區(qū)域, 為21.32%; 平均占比最小的是150°W—120°W波弗特海沿岸區(qū)域, 為1.10%。氣旋從90°W—0°—30°E覆蓋的4個(gè)區(qū)域進(jìn)入極區(qū)的比例達(dá)整體的50%以上, 而從其他8個(gè)區(qū)域進(jìn)入極區(qū)的比例只有50%不到。同時(shí), 氣旋跨入極區(qū)的通道西半球所占比例略高于東半球, 分別為52.47%和 47.53%, 且東半球的氣旋通道分布較西半球平均一些。這可能是因?yàn)槲靼肭蜉^東半球分布著更多的海域且海陸分布不均勻。

3.4 氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距

圖6 各季節(jié)氣旋強(qiáng)度分布(a)及最低中心氣壓值小于975 hPa的氣旋達(dá)到最強(qiáng)時(shí)其中心所在位置(b)Fig.6.Distribution of intensity of cyclones in each season (a) and locations of the cyclone centers with minimum pressure values less than 975 hPa when they reached the strongest (b)

圖7 全部氣旋活動(dòng)軌跡(a)和各季節(jié)氣旋活動(dòng)軌跡(b).藍(lán)點(diǎn)：氣旋起點(diǎn), 紅點(diǎn)：氣旋終點(diǎn)Fig.7.Tracks of all cyclones (a)和tracks of cyclones in each season (b).blue points: outset of the cyclone, red points: terminal point of the cyclone

圖8 各季節(jié)不同區(qū)域跨越70°N氣旋個(gè)數(shù)所占百分比Fig.8.Percentage of numbers of cyclones stepped across 70°N in different regions in each season

氣旋發(fā)生發(fā)展過程中伴隨著位置的改變, 特別是在中緯度地區(qū)生成并跨越 70°N進(jìn)入北極地區(qū)的氣旋, 更是經(jīng)歷了長(zhǎng)途跋涉。為了探究氣旋在北向運(yùn)動(dòng)上所表現(xiàn)出的特征, 以下統(tǒng)計(jì)分析了其北向運(yùn)動(dòng)緯距的年代際和年際變化以及北向運(yùn)動(dòng)緯距大于其季節(jié)平均的氣旋生成地分布。因年代際變化通常以十年作為一個(gè)周期, 這里在探討氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距的年代際變化時(shí), 將1979年3月—2015年2月分為四個(gè)時(shí)間段: 1979年3月—1989年2月、1989年3月—1999年2月、1999年3月—2009年2月和2009年3月—2015年2月。

3.4.1 氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距的年代際變化

統(tǒng)計(jì)氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距的情況如表1所示:1979年3月—2015年2月期間整體平均北向運(yùn)動(dòng)緯距為 9.2°, 其中冬季最大, 為 10.2°, 夏季最小,為7.3°, 春、秋季相當(dāng), 分別為9.7°、9.6°。經(jīng)統(tǒng)計(jì),約有 40.24%的氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距達(dá)到 9.5°及以上,達(dá)到15°及以上的則有16.14%。1979年3月—1989年2月、1989年3月—1999年2月和1999年3月—2009年 2月三個(gè)時(shí)間段內(nèi)氣旋年平均北向運(yùn)動(dòng)緯距均在9.0°及以上, 而在2009年3月—2015年2月期間卻減小到8.9°。春季在1979年3月—1989年2月期間的平均北向運(yùn)動(dòng)緯距最大, 為10.4°, 到1989年3月—1999年2月期間減小到8.9°, 之后逐漸上升, 到2009年3月—2015年2月期間恢復(fù)到10°以上; 夏季從1979年3月—1989年2月到1989年3月—1999年2月期間也是在減小, 而后增加,到1999年3月—2009年2月期間, 恢復(fù)到7.5°, 但到2009年3月—2015年2月期間減少到了最低值,只有6.7°; 秋季從1979年3月—1989年2月到1989年3月—1999年2月期間則在增加, 并達(dá)到最大值10.1°, 1999年3月—2009年2月期間維持該數(shù)值不變, 但到2009年3月—2015年2月期間突降到最低值8.7°; 冬季1979年3月—1989年2月期間的平均北向運(yùn)動(dòng)緯距為10.2°, 到1989年3月—1999年2月期間減小到9.8°, 而后增加, 到1999年3月—2009年2月期間達(dá)到最大值10.9°, 到2009年3月—2015年 2月期間稍降到 10.4°?？傮w而言, 氣旋夏、冬季季節(jié)平均與年平均北向運(yùn)動(dòng)緯距的年代際變化情況相似, 而春、秋季則無明顯趨勢(shì)變化。

3.4.2 氣旋北向運(yùn)動(dòng)緯距的年際變化

統(tǒng)計(jì)每一年氣旋年平均及各季節(jié)平均北向運(yùn)動(dòng)緯距, 得到圖9。由圖9a可知, 氣旋年平均北向運(yùn)動(dòng)緯距隨時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì), 約每十年增加0.14°, 經(jīng)檢驗(yàn), 該趨勢(shì)達(dá)到0.1的顯著性水平,相關(guān)系數(shù)r為0.29。由圖9b可知, 春、冬季呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì), 夏、秋季呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 但均未通過顯著性檢驗(yàn)。

表1 不同時(shí)間段內(nèi)氣旋各季節(jié)及年平均北向運(yùn)動(dòng)緯距Table 1.Seasonal and annual average northward span of latitudes of the cyclones in different periods

圖9 氣旋每年(a)及各季節(jié)(b)平均北向緯距的時(shí)間變化序列Fig.9.The time series of the average northward span of latitudes of cyclones in every year(a) and each season(b)

由于1993年春季沒有識(shí)別到氣旋發(fā)生, 這里的值為 0, 除此之外, 春季氣旋平均北向運(yùn)動(dòng)緯距的范圍在 5.2°—16.2°, 最高值出現(xiàn)在 1995年,最低值出現(xiàn)在1997年; 夏季在2.8°—10.9°, 最高值出現(xiàn)在 2007年, 最低值出現(xiàn)在 1985年; 秋季在2.2°—18.6°, 最高值出現(xiàn)在1996年, 最低值出現(xiàn)在2012年; 冬季在4.0°—22.3°, 最高值出現(xiàn)在1999年, 最低值出現(xiàn)在1982年。

3.4.3 北向運(yùn)動(dòng)緯距大于其季節(jié)平均的氣旋生成地

為了更清晰地了解各個(gè)季節(jié)氣旋北向運(yùn)動(dòng)特征, 探究北向緯距大于其季節(jié)平均的氣旋生成地所在位置, 統(tǒng)計(jì)得到圖10。其中, 春季統(tǒng)計(jì)了北向運(yùn)動(dòng)緯距大于等于 10°的氣旋, 有 90個(gè), 緯距最大為 31°, 該氣旋的生成地在北太平洋(173°W,40.5°N); 夏季統(tǒng)計(jì)了北向運(yùn)動(dòng)緯距大于等于 7.5°的氣旋, 有86個(gè), 緯距最大為20.5°, 該氣旋的生成地在拉布拉多海區(qū)域(49.5°W, 56.5°N); 秋季統(tǒng)計(jì)了北向運(yùn)動(dòng)緯距大于等于10°的氣旋, 有70個(gè),緯距最大為36.0°, 該氣旋的生成地在美國(guó)東海岸地區(qū)(75°W, 36°N); 冬季統(tǒng)計(jì)了北向運(yùn)動(dòng)緯距大于等于10.5°的氣旋, 有98個(gè), 緯距最大為41.5°,該氣旋的生成地也在美國(guó)東海岸地區(qū)(76°W,32°N)。

總體而言, 春、夏季北向運(yùn)動(dòng)緯距大于其季節(jié)平均的氣旋, 其生成地在陸地上的占比要多于海洋上, 而秋、冬季則相反。夏季該類氣旋在陸地上生成的占比最多, 而冬季最少。由于秋冬季節(jié)該類氣旋主要在海上生成, 可以持續(xù)獲得熱量及水汽的補(bǔ)充, 而春夏季該類氣旋主要在陸地上生成, 會(huì)逐漸耗散掉熱量及水汽, 這可能也是冬季氣旋平均北向運(yùn)動(dòng)緯距大于夏季的原因。

圖10 各季節(jié)北向緯距大于其季節(jié)平均的氣旋生成地.*各季節(jié)北向運(yùn)動(dòng)緯距最大的氣旋生成地Fig.10.Generated location of cyclones with northward span of latitudes over average in each season.*generated location of cyclones with longest northward span of latitudes in each season

4 結(jié)論

由于中低緯度地區(qū)是地球表面凈熱量的收入?yún)^(qū), 高緯度地區(qū)是凈熱量的放出區(qū), 兩者之間持續(xù)進(jìn)行著熱量、水汽、能量等交換, 北極地區(qū)以南生成并向北移動(dòng)進(jìn)入到極區(qū)的氣旋在移動(dòng)發(fā)展過程中常伴隨大風(fēng)、降水和升溫等過程, 對(duì)中低緯度地區(qū)物質(zhì)和熱量向極地輸送起著重要作用,并對(duì)極區(qū)大氣、海洋和海冰的變化產(chǎn)生一定影響。本文利用覆蓋全球的平均海平面氣壓再分析資料,結(jié)合氣旋自動(dòng)識(shí)別和追蹤方法, 計(jì)算獲得了1979年3月—2015年 2月在30°N—90°N中高緯度地區(qū)生成的氣旋, 再對(duì)其進(jìn)行追蹤, 最終篩選出向極跨越 70°N 進(jìn)入到北極地區(qū)的氣旋, 并對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn), 進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析了該類氣旋的數(shù)量、強(qiáng)度、活動(dòng)軌跡及北向移動(dòng)緯距等特征, 獲得的主要結(jié)論如下。

1.1979年3月—2015年2月期間, 該類氣旋平均每年數(shù)量約為23個(gè), 春、冬季數(shù)量多于夏、秋季。氣旋每年總數(shù)量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 并通過了 0.1的顯著性水平檢驗(yàn); 除夏季呈現(xiàn)輕微的增長(zhǎng)趨勢(shì), 其他季節(jié)的氣旋數(shù)量均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),但均未通過顯著性檢驗(yàn)。

2.該類氣旋中心的最低氣壓, 春季集中在970—1 015 hPa, 約占總體的93.87%, 夏季集中在980—1 010 hPa, 約占總體的91.96%, 秋季集中在965—1 010 hPa, 約占總體的90.86%, 冬季較為平均地分布在 950—1 005 hPa, 約占總體的 88.71%;夏季強(qiáng)氣旋(中心最低氣壓＜975 hPa)發(fā)生較少, 而秋、冬季強(qiáng)氣旋發(fā)生的概率較大, 特別是在冬季。

3.該類氣旋軌跡在 90°W—0°區(qū)間上分布最為密集, 而在 150°W—120°W 區(qū)間最為稀疏; 冬季該類氣旋軌跡集中分布在海上, 而夏季則在陸地上; 跨越 70°N 進(jìn)入北極的主要位置位于60°W—30°W格陵蘭島區(qū)域。

4.該類氣旋的整體平均北向運(yùn)動(dòng)緯距為 9.2°,其中冬季季節(jié)平均最大, 為 10.2°, 夏季季節(jié)平均最小, 為 7.3°。春、夏季北向運(yùn)動(dòng)緯距大于其季節(jié)平均的氣旋生成地在陸地上的占比要多于海洋上, 秋、冬季則相反; 該類氣旋年平均北向運(yùn)動(dòng)緯距呈增長(zhǎng)的趨勢(shì), 并通過了 0.1的顯著性水平檢驗(yàn), 春、冬季呈增長(zhǎng)的趨勢(shì), 而夏、秋季呈減小的趨勢(shì), 但均未通過顯著性檢驗(yàn); 夏、冬季季節(jié)平均與年平均北向緯距的年代際變化情況相似,從1979年3月—1989年2月到1989年3月—1999年 2月期間都是減小的, 到 1999年 3月—2009年2月是增大的, 其后再減小, 而春、秋季則無明顯趨勢(shì)變化。

基于Zhang等[16]和Tao等[31]的氣旋自動(dòng)識(shí)別追蹤方法, 我們分析得到該類氣旋在統(tǒng)計(jì)學(xué)上表現(xiàn)的一些特征, 在一定程度上了解到其活動(dòng)的趨勢(shì)及發(fā)生發(fā)展過程的規(guī)律, 特別是其北向運(yùn)動(dòng)緯距的年際和年代際變化, 及其在不同季節(jié)所表現(xiàn)出的特征。但此方法只考慮了中心氣壓值這一物理量對(duì)氣旋中心進(jìn)行識(shí)別, 參數(shù)的設(shè)置也并不能保證完全準(zhǔn)確, 且再分析資料本身也有一定的局限性, 而氣旋活動(dòng)機(jī)制受到多種因素的影響, 難免會(huì)有遺漏或偏差。另外, 氣旋在發(fā)生發(fā)展過程中, 對(duì)其活動(dòng)周圍的環(huán)境必然會(huì)產(chǎn)生一定作用,特別是在被冰雪、海洋覆蓋的北極區(qū)域, 這些都有待進(jìn)一步分析研究。之后的研究工作可以對(duì)氣旋識(shí)別追蹤方法再作進(jìn)一步的優(yōu)化, 并以此為基礎(chǔ), 結(jié)合熱量、水汽北向輸送進(jìn)入北極地區(qū)的變化特征及北極當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的變化, 從熱力學(xué)角度探究該類氣旋在其中所扮演的角色。