向极跨越70°N气旋的主要特征分析

吴静 高郭平 徐飞翔 张春玲

(上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306)

提要 北极地区以南生成并向北移动进入极区的气旋, 在移动发展过程中常伴随大风、降水和升温等过程,对中低纬度地区物质和热量向极地输送起着重要作用, 并对极区大气、海洋和海冰的变化产生一定影响。基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的 1979—2015年的海平面气压再分析数据产品, 利用气旋自动识别和追踪算法, 开展气旋的识别和追踪, 获得向极跨越70°N气旋的数量、强度、活动轨迹及北向运动纬距等主要特征如下: 该类气旋在数量上, 春、冬季多于夏、秋季, 年总数量和春、秋、冬季均呈减少趋势; 强气旋易发于冬季, 弱气旋多发于夏季; 该类气旋活动轨迹, 冬季集中分布在海上, 夏季在陆地上; 该类气旋北向运动纬距整体平均为 9.2°, 冬季平均最大, 为 10.2°, 夏季平均最小, 为 7.3°; 在年际变化上, 年平均和春、冬季平均呈增长趋势, 夏、秋季平均呈减少趋势; 在年代际变化上, 年平均和夏、冬季平均从1979—1988年到1989—1998年阶段都是减小的, 到1999—2008年阶段是增大的, 其后再减小, 春、秋季则无明显趋势变化。

0 引言

北极地处地球的最北端(图1), 作为地球气候系统的主要冷源之一, 在北半球热量、动量和水分的交换以及全球大气环流形成中起着重要作用[1-2]。北极也是全球气候变化的指示器, 其环境各种参数对全球变化十分敏感[3]。在过去几十年里, 北极地区气候发生了明显的变化, 其地表温度上升速度至少达全球平均速度的两倍, 也称为北极放大效应[4-7], 北极以及周边地区(泛北极地区)环境也经历了快速变化[3,8], 尤其是近30年来北极海冰面积呈现快速减少的趋势[9-10]。在地球气候系统中,大气圈、海洋圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈等各圈层是相互作用和影响的统一整体,气旋性环流作为北极地区普遍存在的重要气象特征[11], 影响着当地的大气环流, 对北极当地及北半球甚至整个地球气候系统都具有重要意义。

温带气旋是出现在中高纬度地区、中心气压低于四周、近似椭圆型的空气涡旋, 是影响大范围天气变化的重要天气系统之一。温带气旋的直径平均1 000 km, 小的也有几百公里, 大的可达3 000 km或以上[12]。广泛意义上的温带气旋也称非热带气旋, 包含极地气旋, 按生成地划分, 北极的极地气旋可分为两种: 一种是在北极地区生成的, 另一种是在北极地区以南生成, 向北移动进入到北极地区的。早期温带气旋的判定和追踪主要依靠人工分析天气系统来实现[13-14], 但由于早期站点资料稀疏, 导致某些区域的数据缺失,且气旋实际发展过程复杂, 这种人工识别追踪气旋的方式有一定难度, 且依靠人工量化几十年的气旋活动显然是不可行的。近年来, 随着数据同化与计算机科学的进一步发展, 学者们多采用再分析资料中的气压场或风场定义气旋的中心低气压值或涡度极值, 并结合数值算法, 运用计算机编程的手段, 对北半球温带气旋进行客观的自动识别与追踪, 并对其整体特征和变化趋势做了众多研究[15-25]。尽管因为选取的再分析资料、气旋识别追踪的方法以及定义的阈值有所不同, 这些研究在结果上存在一定差异性, 但基本都表明北半球的北大西洋和北太平洋是主要的气旋活动区[26]。冬季大部分气旋生成于格陵兰岛东部、巴伦支海域、巴芬湾和加拿大西部, 夏季则出现在欧亚大陆东部中心和阿拉斯加湾, 生成于欧亚北极区域的气旋通常向东移动大部分进入北冰洋, 生成于阿拉斯加湾的则向东北移动进入加拿大北极群岛[16,24]。Zhang等[16]在对整个北极及其边缘地区的气旋活动进行研究时发现, 气旋数量夏季略多于冬季, 气旋强度最大值在2月, 最小值在7月, 即冬季强夏季弱, 且 2月北极边缘地区(60°N—70°N)气旋强度比北极区域(70°N—90°N)要强3 hPa, 而7月北极区域的气旋比北极边缘地区的强1.5 hPa。中纬度风暴诊断比较项目(Intercomparison of Mid-Latitude Storm Diagnostics, IMILAST)在对 15种气旋识别方案与结果进行全面评价的基础上指出,虽然北半球非热带气旋数量的整体变化趋势不大,但在某些局部区域其频率、强度以及生成、消散位置都是有变化的[27]。

图1 北极地形图.北极地区: 红色圆圈(70°N)内Fig.1.Topography of the Arctic.The Arctic inside the red circle (70°N)

在北极地区以南生成, 向北移动进入到极区的气旋, 在其移动发展过程中伴随着大风及降水,其在中低纬地区热量、水汽向极地输送过程中起着重要作用。有研究发现, 70°N纬圈上气旋活动和水汽北向输运在春、秋及冬季存在较为显著的相关关系[28], 北大西洋北部、北太平洋副极地地区和拉布拉多海等海域, 在沿 70°N 纬圈上的水汽北向输送值明显较高, 对应的气旋活动也较为活跃, 推断在70°N处, 有89%—94%向北极输运的水汽与气旋活动相关[29]。水汽北向输送值的变化对北极地区的降水产生一定影响, 并可能改变当地的气候环境。另有研究指出, 北极海冰减少与气旋活动的变化关系也十分密切[30]。关于由南向北移动进入北极地区的气旋研究,学者们主要分析了其数量、强度、生命周期及生成、消散地等特征[24],以及与其他要素之间的联系[28-29], 并未着重研究其在经向上的北向运动特征。

本文基于Zhang等[16]及Tao等[31]的自动识别追踪气旋算法, 采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的平均海平面气压(MSLP)再分析资料, 首先对生成于 30°N—90°N 中高纬地区的气旋进行自动识别, 再筛选出向极跨越 70°N 的这类气旋, 分析了其数量、强度、活动轨迹等基本特征, 并着重研究了该类气旋在北向运动上表现出的特征,以期了解其基本特征及北向活动规律和变化趋势, 为深入探究该类气旋活动在大气中的水汽、热量北向输送中所担当的角色以及对北极地区产生的影响打好基础。

1 数据和方法

1.1 数据来源

本文气旋分析采用的是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的ERA-Interim再分析资料中的平均海平面气压(MSLP)格点数据产品。ERAInterim再分析数据, 采用了改进的更复杂的同化系统, 在水平方向上为T255谱分辨率, 在垂直方向上从陆面向上共 60层[32]。该数据产品发布起始时间为1979年, 为统计分析向极跨越70°N这类气旋在长时间尺度上表现的特征, 选取的数据时间跨度为1979年3月—2015年2月, 共36年,空间覆盖范围为 30°N—90°N 的北半球中高纬度区域, 时间和空间分辨率上分别选取 6 h间隔和0.5°×0.5°。

1.2 气旋自动识别和追踪方法

非热带气旋自动识别追踪目前主要有两种方法[32]: 一种是欧拉方法, 通过计算滤波后的代表天气时间尺度(约 2.5—8 d)的平均海平面气压或位势高度场的方差或协方差[15,33]来确定气旋; 另一种是拉格朗日方法, 通过追踪气旋特征参量(如海平面压力的最小值或相对涡度的最大值)随时间的演变来识别追踪气旋[16,24,28,34]。对于研究气旋活动特征, 通常选用拉格朗日方法更为合适[34]。Zhang等[16]基于MSLP的气旋自动识别追踪方法属于后者, 且已被 Tao等[31]借鉴应用, 方法步骤介绍详细, 相对较为成熟可靠, 因此参考其方法。由于本文采用的数据空间分辨率较Zhang等[16]的研究中所采用的高, 更接近 Tao等[31]的研究, 因此参照后者对部分参数进行了调试。具体步骤如下。

1.气旋中心的确定。首先筛选气压值低于周围8个点的网格点作为备选气旋中心(如图2所示,若白点处的气压值均低于周围黑点处的气压值,则白点处为备选气旋中心), 为了尽量避免识别出由于热力或动力效应引发的气旋, 将气压场中每个格点的值用其与周围共9个点的平均值代替;再限定备选气旋中心与周围8个点的气压梯度不小于 0.05 hPa/100 km(因所用数据空间分辨率与Tao等[31]的较接近, 此处参数采用他们的研究所提供的值); 接着, 保留备选气旋中心与邻近4点的气压梯度比其与再外围一层4点的气压梯度要小的部分, 设网格点间的距离为 L, 即至少满足(P1–P0)/L＜(P2–P0)/2L, (P3–P0)/L＜(P4–P0)/2L,(P5–P0)/L＜(P6–P0)/2L, (P7–P0)/L＜(P8–P0)/2L 的其中三个条件, 化简后即为满足 P1–P0＜P2–P1, P3–P0＜P4–P3, P5–P0＜ P6–P5, P7–P0＜P8–P7的其中三个条件。此外, 同一时刻备选气旋中心在 600 km(此处参数采用Tao等[31]的研究所提供的值, 因他们通过研究发现, 在Zhang等[16]设定的1 200 km阈值内, 同一时刻有可能存在两个不同的气旋)内视为同一气旋, 取具有最小气压值的气旋中心作为统一的气旋中心。

图2 气旋中心识别说明.Pi代表各网格点处的气压值,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.气旋追踪。将气旋中心连成轨迹时, 规定6 h内出现在600 km范围内的气旋属于同一气旋(因所用数据时间分辨率也为6 h间隔, 此处参数采用Zhang等[16]的研究所提供的值), 否则为新产生的气旋。同时, 因为本文研究统计的这部分气旋, 是为后期研究其对于大气经向输送的影响打基础, 生命周期较短的气旋可能在其中所起的作用不明显, 因此剔除生命周期小于24 h的气旋。

3.为之后探究向极跨越 70°N的气旋活动对北极地区的影响, 本文在最终追踪到的气旋轨迹中筛选出生成于 30°N—70°N 地区, 并向北移动跨越70°N的部分。

另外, 为了排除复杂地形可能导致的虚假性气旋, Tao等[31]针对其研究区域(楚科奇-波弗特海域), 规定备选气旋中心的气压值必须低于1 005 hPa。本文筛选的是生成于 30°N—70°N, 并向北移动跨越 70°N 的气旋, 故规定备选气旋中心的气压值不高于1 020 hPa。

2 气旋识别结果检验

为验证气旋识别及追踪算法效果,因夏季气旋强度相对较弱, 识别气旋中心并追踪的难度相对较大, 故随机选取输出结果中的一次夏季气旋过程为例,利用该区域相同时间段内(2009年8月10日18时—13日06时)平滑过的平均海平面气压(MSLP)数据进行检验。从海平面气压空间分布(图3a)可以看出, 此气旋自8月10日18时于法罗群岛附近海域开始加深, 此后逐渐加强并沿西北方向快速移动, 至11日06时已跨越70°N进入到北极地区的格陵兰海域, 到11日12时强度达到最强, 中心气压达973.7 hPa。之后此气旋移动速度减慢并逐渐向东偏移, 12日12时后仍在该海域沿正北方向移动, 最终于13日06时移动到格陵兰岛沿岸附近彻底消散。本文自动识别算法较好地追踪了此气旋的生成至消散过程, 基于该算法得到的气旋移动路径见图3b。

图3 2009年8月10—13日海平面气压空间分布及轨迹.△气旋起点, *气旋终点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 气旋特征分析

基于以上气旋自动识别追踪方法, 计算获得了1979年3月—2015年2月在30°N—90°N中高纬地区生成的气旋, 并对其进行了追踪, 最终筛选出向极跨越 70°N进入到北极地区的气旋。以下将逐一分析这类气旋的数量、强度、活动轨迹及北向运动纬距等特征。

3.1 气旋数量

图4 气旋年总数量的时间变化序列.蓝线: 均值±标准差, 红线: 趋势Fig.4.The time series of the number of cyclones in every year.blue line: average±standard deviation, red line: trend

图4是气旋年总数量随时间的变化序列。经统计, 36年间该类气旋共有830个, 平均每年发生的气旋数量约 23个, 这与 Zhang等[16]研究的1948—2002年期间向极跨越70°N进入北极的气旋数量为6 763个(平均每年约120个)有差异。为进一步验证方法的准确性, 采用Zhang等[16]的研究中的所有参数, 并按照他们文中的步骤进行气旋的识别和追踪, 在1979—2015年间得到的该类气旋数量共有5 000多个(平均每年约140个), 这与他们所得到的 1948—2002年期间向极跨越70°N进入北极的气旋数量相近。这里在识别和追踪气旋时, 综合 Tao等[31]的研究对参数做了一定的调整, 且规定了气旋中心的气压值不高于1 020 hPa, 生命周期不短于24 h, 这些条件都会筛掉部分气旋, 因此最后得到的数量与其研究中所呈现的有所不同。其中, 1988/1989年发生的气旋数量最多, 为39个, 2012/2013和2013/2014年发生的气旋数量最少, 为15个。气旋年总数量随时间呈现减少的趋势, 约每十年减少 1—2个,经检验, 该趋势达到0.1的显著性水平, 相关系数r为–0.31。数量较多的年份与较少的年份相当, 值得注意的是, 气旋数量较多的年份均出现在1998年之前, 而较少的年份则多出现在2006年之后。

本文季节划分: 3—5月为春季, 6—8月为夏季, 9—11月为秋季, 12—2月为冬季。图5是各个季节气旋数量随时间的变化序列。从图中可以看出, 各个季节36年平均发生的气旋数量差异较小,都在5—6个, 春、夏季分别和冬、秋季发生的气旋数量相同。各个季节此类气旋年际变化都较为明显, 波动性较大, 标准差都在 2—3个, 其中冬季最大, 夏季最小。另外, 春、秋和冬季的气旋数量均呈现不同程度的减小趋势, 且春、冬季气旋数量较多的年份与数量较少的年份均相当, 值得注意的是, 1993年的春季没有气旋发生,1988/1989年的冬季则有异常偏多的气旋发生,高达16个, 秋季气旋数量较多的年份多于数量较少的年份, 其中1982/1983、2005/2006年有11、12个; 夏季气旋数量呈现轻微的增长趋势, 大部分年份的气旋数量稳定在一定范围内, 其中2008/2009、2010/2011年偏多, 分别有10、11个。经检验, 各季节气旋数量随时间的变化趋势均未达到显著水平。

图5 各季节气旋数量的时间变化序列.蓝线: 均值±标准差, 红线: 趋势Fig.5.The time series of the number of cyclones in each season.blue line: average±standard deviation, red line: trend

3.2 气旋强度

气旋从生成阶段到消亡阶段, 都伴随着中心气压值的变化。气旋的强度一般用它发展过程中的最低中心气压值表示, 中心气压值越低, 强度越强[12]。提取1979年3月—2015年2月每个气旋从生成到消亡整个活动过程的最低中心气压值,对各个季节向极跨越 70°N的气旋强度进行统计,结果如图6a所示。春季占比最多的是强度为985—990 hPa和995—1 000 hPa的气旋, 约占总体的15.57%, 气旋强度集中在 970—1 015 hPa, 约占总体的 93.87%; 夏季占比最多的是强度为 990—995 hPa的气旋, 约占总体的 23.62%, 气旋强度集中在980—1 010 hPa, 约占总体的91.96%; 秋季占比最多的是强度为985—990 hPa的气旋, 约占总体的15.05%, 气旋强度集中在965—1 010 hPa,约占总体的 90.86%; 冬季占比最多的是强度为985—990 hPa的气旋, 约占整体的12.88%, 与其他季节不同的是, 气旋强度较为平均地分布在950—1 005 hPa, 约占总体的88.71%。通常当气旋中心气压值低于975 hPa时就会给周围地区带来灾害性的影响[25], 统计该类气旋共得到162个,约占总体的19.52%。春季该类气旋比例达11.47%,夏季1.48%, 秋季22.28%, 冬季40.91%。由此可知, 夏季强气旋发生较少, 而秋、冬季强气旋发生的概率较大, 特别是在冬季。强气旋活动通常会带来强风、强降水等一系列问题, 抵达北极后可能会对当地天气环境造成一定的影响。

统计强度达到最强时, 中心气压值低于975 hPa的气旋, 其达到最强时所在位置如图6b所示。该类气旋达到最强时, 所在位置在海洋上的占比远远多于在陆地上的。海洋上的强气旋主要分布在巴芬湾到拉布拉多海一带、北欧海到巴伦支海一带, 也有一些分布在白令海、阿拉斯加湾区域, 陆地上的强气旋则主要集中在格陵兰岛上, 零星有一些在俄罗斯、加拿大北部及阿拉斯加沿岸。另外, 这些气旋达到最强时的位置主要集中在60°N—70°N 范围内, 约占总体的 55.29%, 在极区内达到最强的约占总体的 34.71%, 其余则在60°N以南时已达到最强。

3.3 气旋活动轨迹及进入70°N的位置分布

3.3.1 气旋活动轨迹

统计计算获得的所有气旋轨迹, 如图7所示。图7a为全部气旋的活动轨迹, 在 90°W—0°区间气旋轨迹分布最为密集, 而在 150°W—120°W区间气旋轨迹分布最为稀疏, 其他区间则分布相对较平均。由图7b知, 春季气旋主要活跃在60°W—30°W 区间, 且集中在巴芬湾到格陵兰岛西部沿岸地区, 而150°W—120°W区间上则只有1个于70°N附近生成的气旋在此活动; 夏季气旋依旧主要活跃在60°W—30°W区间, 但主要是在格陵兰岛东、西沿岸地区, 其他区域气旋轨迹分布较为平均; 秋季气旋在60°W—30°W区间仍较为活跃,但北欧海区域活动有所增加, 有从陆地向海上偏移的趋势; 冬季气旋主要活跃在巴芬湾和北欧海区域(60°W—0°), 同时活动轨迹在海上的分布明显要比陆地上密集。气旋的发生、发展与上下层的热力对流相关, 夏季陆地表面和大气热力对流较强, 而冬季海表面和大气热力对流较强, 这可能是气旋活动轨迹夏季多分布在陆地上, 冬季则集中在海上的原因。

3.3.2 气旋进入70°N的位置分布

为了更好地了解这类气旋主要是通过哪些区域跨越 70°N进入到极区的, 统计 1979年 3月—2015年2月所有跨越70°N进入极区的气旋位置分布情况。首先将地球表面自经度0°开始每隔30°划分为一个单位区域, 360°球面被划分为 12个区域;将每次气旋移动过程中最初落入70°N或者70°N以北的点作为样本点, 统计这些样本点落入某区域个数占总体气旋个数的百分比, 得到图8。其中,占比最大的是春季 60°W—30°W 格陵兰岛区域, 为23.72%; 占比最小的是春季150°W—120°W波弗特海沿岸区域, 为 0。12个区域中, 平均占比最大的是60°W—30°W格陵兰岛区域, 为21.32%; 平均占比最小的是150°W—120°W波弗特海沿岸区域, 为1.10%。气旋从90°W—0°—30°E覆盖的4个区域进入极区的比例达整体的50%以上, 而从其他8个区域进入极区的比例只有50%不到。同时, 气旋跨入极区的通道西半球所占比例略高于东半球, 分别为52.47%和 47.53%, 且东半球的气旋通道分布较西半球平均一些。这可能是因为西半球较东半球分布着更多的海域且海陆分布不均匀。

3.4 气旋北向运动纬距

图6 各季节气旋强度分布(a)及最低中心气压值小于975 hPa的气旋达到最强时其中心所在位置(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)

图7 全部气旋活动轨迹(a)和各季节气旋活动轨迹(b).蓝点：气旋起点, 红点：气旋终点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

图8 各季节不同区域跨越70°N气旋个数所占百分比Fig.8.Percentage of numbers of cyclones stepped across 70°N in different regions in each season

气旋发生发展过程中伴随着位置的改变, 特别是在中纬度地区生成并跨越 70°N进入北极地区的气旋, 更是经历了长途跋涉。为了探究气旋在北向运动上所表现出的特征, 以下统计分析了其北向运动纬距的年代际和年际变化以及北向运动纬距大于其季节平均的气旋生成地分布。因年代际变化通常以十年作为一个周期, 这里在探讨气旋北向运动纬距的年代际变化时, 将1979年3月—2015年2月分为四个时间段: 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 气旋北向运动纬距的年代际变化

统计气旋北向运动纬距的情况如表1所示:1979年3月—2015年2月期间整体平均北向运动纬距为 9.2°, 其中冬季最大, 为 10.2°, 夏季最小,为7.3°, 春、秋季相当, 分别为9.7°、9.6°。经统计,约有 40.24%的气旋北向运动纬距达到 9.5°及以上,达到15°及以上的则有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月三个时间段内气旋年平均北向运动纬距均在9.0°及以上, 而在2009年3月—2015年2月期间却减小到8.9°。春季在1979年3月—1989年2月期间的平均北向运动纬距最大, 为10.4°, 到1989年3月—1999年2月期间减小到8.9°, 之后逐渐上升, 到2009年3月—2015年2月期间恢复到10°以上; 夏季从1979年3月—1989年2月到1989年3月—1999年2月期间也是在减小, 而后增加,到1999年3月—2009年2月期间, 恢复到7.5°, 但到2009年3月—2015年2月期间减少到了最低值,只有6.7°; 秋季从1979年3月—1989年2月到1989年3月—1999年2月期间则在增加, 并达到最大值10.1°, 1999年3月—2009年2月期间维持该数值不变, 但到2009年3月—2015年2月期间突降到最低值8.7°; 冬季1979年3月—1989年2月期间的平均北向运动纬距为10.2°, 到1989年3月—1999年2月期间减小到9.8°, 而后增加, 到1999年3月—2009年2月期间达到最大值10.9°, 到2009年3月—2015年 2月期间稍降到 10.4°。总体而言, 气旋夏、冬季季节平均与年平均北向运动纬距的年代际变化情况相似, 而春、秋季则无明显趋势变化。

3.4.2 气旋北向运动纬距的年际变化

统计每一年气旋年平均及各季节平均北向运动纬距, 得到图9。由图9a可知, 气旋年平均北向运动纬距随时间呈现增长的趋势, 约每十年增加0.14°, 经检验, 该趋势达到0.1的显著性水平,相关系数r为0.29。由图9b可知, 春、冬季呈现增长的趋势, 夏、秋季呈现减少的趋势, 但均未通过显著性检验。

表1 不同时间段内气旋各季节及年平均北向运动纬距Table 1.Seasonal and annual average northward span of latitudes of the cyclones in different periods

图9 气旋每年(a)及各季节(b)平均北向纬距的时间变化序列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年春季没有识别到气旋发生, 这里的值为 0, 除此之外, 春季气旋平均北向运动纬距的范围在 5.2°—16.2°, 最高值出现在 1995年,最低值出现在1997年; 夏季在2.8°—10.9°, 最高值出现在 2007年, 最低值出现在 1985年; 秋季在2.2°—18.6°, 最高值出现在1996年, 最低值出现在2012年; 冬季在4.0°—22.3°, 最高值出现在1999年, 最低值出现在1982年。

3.4.3 北向运动纬距大于其季节平均的气旋生成地

为了更清晰地了解各个季节气旋北向运动特征, 探究北向纬距大于其季节平均的气旋生成地所在位置, 统计得到图10。其中, 春季统计了北向运动纬距大于等于 10°的气旋, 有 90个, 纬距最大为 31°, 该气旋的生成地在北太平洋(173°W,40.5°N); 夏季统计了北向运动纬距大于等于 7.5°的气旋, 有86个, 纬距最大为20.5°, 该气旋的生成地在拉布拉多海区域(49.5°W, 56.5°N); 秋季统计了北向运动纬距大于等于10°的气旋, 有70个,纬距最大为36.0°, 该气旋的生成地在美国东海岸地区(75°W, 36°N); 冬季统计了北向运动纬距大于等于10.5°的气旋, 有98个, 纬距最大为41.5°,该气旋的生成地也在美国东海岸地区(76°W,32°N)。

总体而言, 春、夏季北向运动纬距大于其季节平均的气旋, 其生成地在陆地上的占比要多于海洋上, 而秋、冬季则相反。夏季该类气旋在陆地上生成的占比最多, 而冬季最少。由于秋冬季节该类气旋主要在海上生成, 可以持续获得热量及水汽的补充, 而春夏季该类气旋主要在陆地上生成, 会逐渐耗散掉热量及水汽, 这可能也是冬季气旋平均北向运动纬距大于夏季的原因。

图10 各季节北向纬距大于其季节平均的气旋生成地.*各季节北向运动纬距最大的气旋生成地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 结论

由于中低纬度地区是地球表面净热量的收入区, 高纬度地区是净热量的放出区, 两者之间持续进行着热量、水汽、能量等交换, 北极地区以南生成并向北移动进入到极区的气旋在移动发展过程中常伴随大风、降水和升温等过程, 对中低纬度地区物质和热量向极地输送起着重要作用,并对极区大气、海洋和海冰的变化产生一定影响。本文利用覆盖全球的平均海平面气压再分析资料,结合气旋自动识别和追踪方法, 计算获得了1979年3月—2015年 2月在30°N—90°N中高纬度地区生成的气旋, 再对其进行追踪, 最终筛选出向极跨越 70°N 进入到北极地区的气旋, 并对识别结果进行了检验, 进而统计分析了该类气旋的数量、强度、活动轨迹及北向移动纬距等特征, 获得的主要结论如下。

1.1979年3月—2015年2月期间, 该类气旋平均每年数量约为23个, 春、冬季数量多于夏、秋季。气旋每年总数量呈现减少的趋势, 并通过了 0.1的显著性水平检验; 除夏季呈现轻微的增长趋势, 其他季节的气旋数量均呈现减少的趋势,但均未通过显著性检验。

2.该类气旋中心的最低气压, 春季集中在970—1 015 hPa, 约占总体的93.87%, 夏季集中在980—1 010 hPa, 约占总体的91.96%, 秋季集中在965—1 010 hPa, 约占总体的90.86%, 冬季较为平均地分布在 950—1 005 hPa, 约占总体的 88.71%;夏季强气旋(中心最低气压＜975 hPa)发生较少, 而秋、冬季强气旋发生的概率较大, 特别是在冬季。

3.该类气旋轨迹在 90°W—0°区间上分布最为密集, 而在 150°W—120°W 区间最为稀疏; 冬季该类气旋轨迹集中分布在海上, 而夏季则在陆地上; 跨越 70°N 进入北极的主要位置位于60°W—30°W格陵兰岛区域。

4.该类气旋的整体平均北向运动纬距为 9.2°,其中冬季季节平均最大, 为 10.2°, 夏季季节平均最小, 为 7.3°。春、夏季北向运动纬距大于其季节平均的气旋生成地在陆地上的占比要多于海洋上, 秋、冬季则相反; 该类气旋年平均北向运动纬距呈增长的趋势, 并通过了 0.1的显著性水平检验, 春、冬季呈增长的趋势, 而夏、秋季呈减小的趋势, 但均未通过显著性检验; 夏、冬季季节平均与年平均北向纬距的年代际变化情况相似,从1979年3月—1989年2月到1989年3月—1999年 2月期间都是减小的, 到 1999年 3月—2009年2月是增大的, 其后再减小, 而春、秋季则无明显趋势变化。

基于Zhang等[16]和Tao等[31]的气旋自动识别追踪方法, 我们分析得到该类气旋在统计学上表现的一些特征, 在一定程度上了解到其活动的趋势及发生发展过程的规律, 特别是其北向运动纬距的年际和年代际变化, 及其在不同季节所表现出的特征。但此方法只考虑了中心气压值这一物理量对气旋中心进行识别, 参数的设置也并不能保证完全准确, 且再分析资料本身也有一定的局限性, 而气旋活动机制受到多种因素的影响, 难免会有遗漏或偏差。另外, 气旋在发生发展过程中, 对其活动周围的环境必然会产生一定作用,特别是在被冰雪、海洋覆盖的北极区域, 这些都有待进一步分析研究。之后的研究工作可以对气旋识别追踪方法再作进一步的优化, 并以此为基础, 结合热量、水汽北向输送进入北极地区的变化特征及北极当地气候环境的变化, 从热力学角度探究该类气旋在其中所扮演的角色。