付　強(qiáng)，鐘霖浩，羅德海

（1.中國(guó)海洋大學(xué)　物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東　青島　266100；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100029；3.中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川　西昌　615000）

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冬季北美大西洋地區(qū)溫帶氣旋的活動(dòng)特征及與NAO的關(guān)系

付強(qiáng)1，2，3，鐘霖浩2，羅德海2

（1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；3.中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌615000）

摘要：基于氣旋識(shí)別追蹤算方法和ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)，提取獲得了北美北大西洋地區(qū)（20°N-80°N，130°W-0°W）1979-2012年冬季的溫帶氣旋數(shù)據(jù)集。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明，溫帶氣旋的生成源地和活動(dòng)范圍有向西南方向漂移的趨勢(shì)，且溫帶氣旋生成源地的平均緯向、經(jīng)向位置，以及其活動(dòng)范圍的平均經(jīng)向位置與冬季NAO指數(shù)具有顯著相關(guān)性。通過進(jìn)一步合成分析發(fā)現(xiàn)，冬季NAO正位相事件期間700 hPa強(qiáng)斜壓性區(qū)域較負(fù)位相事件期間偏北、偏東，這在一定程度上解釋了不同位相事件期間溫帶氣旋生成源地的分布差異。NAO正位相事件期間500 hPa的西風(fēng)帶位置較負(fù)位相事件期間偏北則是NAO正位相事件期間溫帶氣旋活動(dòng)范圍偏北的原因。而冬季NAO正（負(fù)）位相顯示出減少（增加）的趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致了研究區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋的生成源地向西南偏移，活動(dòng)范圍向南偏移。

關(guān)鍵詞：溫帶氣旋；識(shí)別追蹤；北大西洋濤動(dòng)；合成分析

溫帶氣旋是發(fā)生在中高緯度地區(qū)的中心氣壓低于四周，且具有冷中心性質(zhì)的近似橢圓型的斜壓性空氣渦旋。它是低緯地區(qū)的熱量、水分和動(dòng)量向極地運(yùn)輸?shù)囊环N主要媒介，在全球氣候系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色。但溫帶氣旋通常伴隨著不利的天氣條件，例如極端氣溫、極端強(qiáng)降水、強(qiáng)風(fēng)暴和風(fēng)暴潮等氣象災(zāi)害，因此研究溫帶氣旋的時(shí)空分布及變化規(guī)律對(duì)于理解區(qū)域氣候和全球氣候都具有十分重要的意義。

早期對(duì)溫帶氣旋的氣候?qū)W研究主要是在人工識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，后來隨著觀測(cè)和再分析資料的豐富，使得客觀判定和追蹤的方法被逐步運(yùn)用于統(tǒng)計(jì)研究。對(duì)于溫帶氣旋的客觀判定，不同研究中采用的識(shí)別算法原理大致相似，差異主要集中體現(xiàn)在分析場(chǎng)的不同。例如，Murray等（1991）將平均海平面氣壓場(chǎng)（MSLP）資料作為分析場(chǎng)，利用MSLP的局地最小值來識(shí)別出溫帶氣旋的中心位置。Sinclair（1994）則使用對(duì)流層低層的渦度場(chǎng)作為分析場(chǎng)，并通過渦度場(chǎng)的局地最大值來確定溫帶氣旋的中心。后來Blender等（1997）采用1 000 hPa等壓面上的位勢(shì)高度場(chǎng)作為分析場(chǎng)，通過確定位勢(shì)高度場(chǎng)的局地最小值找到溫帶氣旋的中心。而氣旋的客觀追蹤方法，大多數(shù)研究中均是以某一時(shí)刻溫帶氣旋的位置為中心，選擇一定的距離作為搜索半徑，按照添加的限制條件搜索下一時(shí)刻溫帶氣旋可能的位置（Blender etal，1997；W ang etal，2012），差異主要在于搜索半徑和限制條件有所不同。

利用氣旋的客觀識(shí)別和追蹤算方法，Geng等（2001）在分析了1958-1998年冬季北大西洋溫帶氣旋的移動(dòng)速度和生成頻率的變化后指出，研究時(shí)段內(nèi)溫帶氣旋的強(qiáng)度具有不斷增大的趨勢(shì)，這與對(duì)流層低層的大尺度斜壓波及NAO有關(guān)。Favre等（2006）研究了太平洋的溫帶氣旋氣候特征，并認(rèn)為1970s之后氣旋的移動(dòng)路徑向南偏移可能與太平洋年代際振蕩呈正位相，以及阿留申低壓氣壓偏低有關(guān)。張穎嫻等（2012）討論了1958-2001年北半球和東亞地區(qū)溫帶氣旋生成頻率的變化，并指出不同區(qū)域的溫帶氣旋生成數(shù)目呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，這主要是由于大氣斜壓性發(fā)生變化的結(jié)果。上述研究表明，全球氣候變化背景下溫帶氣旋確實(shí)呈現(xiàn)出了顯著的變化，但由于所處地域不同因而具有不同的變化特征。同時(shí)還可以看到溫帶氣旋活動(dòng)的變化特征與大尺度環(huán)流異常有關(guān)。因此考慮到北美北大西洋地區(qū)（20°N-80°N，130°W-0°W）作為全球溫帶氣旋活動(dòng)最為頻繁的兩大區(qū)域之一，本文將利用改進(jìn)后的氣旋識(shí)別和追蹤算法來統(tǒng)計(jì)此區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋的生成源地和活動(dòng)范圍的變化特征，并從大尺度環(huán)流異常的角度來探討引起其變化的可能原因。

1數(shù)據(jù)和方法介紹

1.1資料介紹

本文采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMW F）最新開發(fā)的全球大氣再分析數(shù)據(jù)ERA-Interim，其基本克服了ERA-40數(shù)據(jù)在平流層大氣環(huán)流的質(zhì)量以及處理觀測(cè)系統(tǒng)中的偏差和變化等方面所存在的問題（Berrisford etal，2009），具有多種的水平分辨率供用戶選擇。文中使用了1979-2012年的平均海平面氣壓場(chǎng)（MSLP），以及風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)數(shù)據(jù)，水平分辨率均為1°×1°。同時(shí)還使用了美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心（ClimatePrediction Center，CPC）提供的1979-2012年冬季（12月-2月）的逐日NAO指數(shù)，以及冬季月份的NAO指數(shù)。

1.2方法介紹

本文以Hart（2002）采用的氣旋識(shí)別方法為基礎(chǔ)，并通過MSLP拉普拉斯區(qū)域平均值的閥值敏感性試驗(yàn)，得到了適合于該區(qū)域的MSLP拉普拉斯區(qū)域平均值的閥值，成功剔除了部分過度識(shí)別的溫帶氣旋。最后根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)地理環(huán)境和氣旋所具有的特性添加相應(yīng)的限制條件剔除部分被錯(cuò)誤識(shí)別為溫帶氣旋的低壓系統(tǒng)。至于氣旋追蹤算法，本文亦采用Hart（2002）所使用的方法，具體的氣旋追蹤限制條件如下：（1）氣旋A移動(dòng)至氣旋B處的移動(dòng)速度小于45m/s；（2）氣旋A在t-2△t至t-△t時(shí)段內(nèi)運(yùn)動(dòng)的方向與其在t-△t時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到氣旋B所在位置處的運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角要在一定的角度范圍內(nèi)；（3）△d

為了驗(yàn)證氣旋識(shí)別追蹤算法的可靠性，根據(jù)前人研究（Geng，2001；張穎嫻等，2012），本文使用隨機(jī)抽取的識(shí)別追蹤算法結(jié)果與人工分析結(jié)果作對(duì)比驗(yàn)證。具體而言，對(duì)于識(shí)別算法的檢驗(yàn)，文中隨機(jī)抽取了多年多個(gè)時(shí)次的ERA-Interim地面場(chǎng)資料，通過人工分析識(shí)別出該時(shí)次的氣旋個(gè)數(shù)和具體位置，并與識(shí)別算法識(shí)別出的氣旋進(jìn)行對(duì)比。表1列出了2006年14個(gè)時(shí)次的結(jié)果，其中檢測(cè)成功率為100％的有13個(gè)時(shí)次，僅有1個(gè)時(shí)次低于100％。檢測(cè)差額率為0的有9個(gè)時(shí)次，不等于0的有4個(gè)時(shí)次，且大小基本都在20％以下。綜上可知本文采取的氣旋識(shí)別算法幾乎完全能夠?qū)⒄鎸?shí)存在的氣旋識(shí)別出來。但從檢測(cè)差額率的分布可知此氣旋識(shí)別算法仍存在一些不足，主要表現(xiàn)為氣旋的過度識(shí)別問題，這會(huì)導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的氣旋個(gè)數(shù)偏高，也是目前所有氣旋識(shí)別算法普遍具有且難以避免的問題。

表1　2006年識(shí)別算法與人工分析的部分結(jié)果對(duì)比

對(duì)于氣旋的追蹤算法，本文選取2006年的ERA-Interim數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生的氣旋過程進(jìn)行人工追蹤，得到了一個(gè)真實(shí)氣旋數(shù)據(jù)集。然后從這個(gè)數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取多個(gè)氣旋個(gè)例與相應(yīng)時(shí)段追蹤算法得到的氣旋進(jìn)行對(duì)比（圖略）。結(jié)果表明，盡管在氣旋生成和消亡的位置上有一些細(xì)微的差別，但總體而言追蹤算法得到的氣旋個(gè)例與真實(shí)氣旋個(gè)例的移動(dòng)路徑符合程度非常高。

2冬季溫帶氣旋的活動(dòng)特征

利用前述氣旋識(shí)別和追蹤算法得到研究區(qū)域1979-2012年冬季（12月-2月）北美北大西洋地區(qū)的溫帶氣旋數(shù)據(jù)集，圖1則進(jìn)一步給出了溫帶氣旋生成頻次和活動(dòng)范圍的空間分布：冬季溫帶氣旋的生成源地（圖1a）主要集中在北美洲落基山脈和阿巴拉契亞山脈的背風(fēng)坡地區(qū)、西北大西洋和格陵蘭島東南部海區(qū)。溫帶氣旋的活動(dòng)范圍（圖1b）則主要集中在北美洲東北部，以及北大西洋的西北部和北部，這與張穎嫻等（2012）在研究北半球溫帶氣旋活動(dòng)的年代際變化時(shí)所得分布特征相吻合。

Blackmon等（1979）和張穎嫻等（2012）在研究中均指出北大西洋和北太平洋冬季的風(fēng)暴路徑存在年際間的南北擺動(dòng)，而溫帶氣旋的活動(dòng)與風(fēng)暴路徑密切相關(guān)。為此本文進(jìn)一步計(jì)算了每年冬季研究區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋生成源地及活動(dòng)范圍的平均位置，具體計(jì)算方法如下：

其中n為研究區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)上溫帶氣旋生成或經(jīng)過的總個(gè)數(shù)，F(xiàn)k為第k個(gè)格點(diǎn)處溫帶氣旋生成或經(jīng)過的個(gè)數(shù)，xk為第k個(gè)格點(diǎn)的經(jīng)度，yk為第k個(gè)格點(diǎn)的緯度。從圖2中可以看到，冬季溫帶氣旋的生成源地（圖2a）及其活動(dòng)范圍（圖2c）的確存在南北向的擺動(dòng)，同時(shí)還存在著東西向（圖2b、2d）的年際振蕩。且總體而言溫帶氣旋的生成源地及活動(dòng)范圍均具有向西南方向漂移的趨勢(shì)。

圖1　1979-2012年冬季北美北大西洋地區(qū)溫帶氣旋的生成頻次（a）和活動(dòng)范圍（b）的空間分布（其中關(guān)于生成頻次的定義如下：當(dāng)某一個(gè)格點(diǎn)有氣旋生成時(shí)，此格點(diǎn)及與其相鄰的八個(gè)格點(diǎn)都算作有一次氣旋生成。而溫帶氣旋活動(dòng)范圍的定義如下：在氣旋生命周期內(nèi)，與其中心位置的距離小等于4deg.lat.的區(qū)域都算作此氣旋在生命周期內(nèi)的活動(dòng)范圍）

圖2　1979-2012年冬季北美北大西洋地區(qū)溫帶氣旋生成源地的平均緯度(a)和平均經(jīng)度(b)隨時(shí)間的變化，(c)和(d)同(a)和(b)，但為氣旋活動(dòng)范圍的平均位置變化（圖中序列已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理，(a)、(c)中正值表示偏北，(b)、(d)中正值表示偏東）

溫帶氣旋的活動(dòng)與大尺度環(huán)流緊密聯(lián)系（Geng etal，2001；Favre etal，2006），而北大西洋濤動(dòng)（NAO）作為北大西洋地區(qū)對(duì)流層大氣環(huán)流變化最顯著的模態(tài)，影響著附近地區(qū)甚至整個(gè)北半球的天氣和氣候（Hurrell，1995）。考慮到研究區(qū)域位于NAO的上游地區(qū)，本文就利用CPC提供的1979-2012年冬季（12月-2月）的NAO指數(shù)與溫帶氣旋生成源地及其活動(dòng)范圍的時(shí)間序列作相關(guān)性分析。從表2中可以看到研究區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋的生成源地及其活動(dòng)范圍的平均經(jīng)向位置與冬季NAO指數(shù)的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.661和0.759，且均通過了顯著性水平為0.01的t檢驗(yàn)。溫帶氣旋生成源地的平均緯向位置與冬季NAO指數(shù)的相關(guān)性較前者稍低，但相關(guān)系數(shù)仍然達(dá)到了0.435，同樣也通過了顯著性檢驗(yàn)。而溫帶氣旋活動(dòng)范圍的平均緯向位置與冬季NAO指數(shù)的相關(guān)性較低。綜上可知，當(dāng)NAO指數(shù)趨向于正值時(shí)，溫帶氣旋的活動(dòng)范圍（生成源地）趨向于向北（向東北）漂移，而指數(shù)趨向于負(fù)值時(shí)，溫帶氣旋的活動(dòng)范圍（生成源地）趨向于向南（向西南）漂移。

表2　冬季NAO指數(shù)與研究區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋的生成源地及其活動(dòng)范圍時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)

3 NAO不同位相事件對(duì)溫帶氣旋活動(dòng)的影響

為了進(jìn)一步研究冬季NAO異常對(duì)溫帶氣旋生成源地和活動(dòng)范圍產(chǎn)生影響的機(jī)制，本節(jié)使用了由CPC提供的時(shí)間分辨更高的NAO逐日指數(shù)。但鑒于直接利用NAO指數(shù)的正負(fù)值來定義的NAO正負(fù)位相可能存在一次溫帶氣旋的生命周期內(nèi)既有NAO正位相，又有NAO負(fù)位相的問題。因此為了更好的表征NAO正負(fù)位相對(duì)溫帶氣旋所產(chǎn)生的不同影響，此處采用了Luo等（2012）提出的NAO正負(fù)位相事件的定義（即當(dāng)NAO指數(shù)有連續(xù)等于或超過3天大于1.0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，認(rèn)為是一個(gè)NAO正位相事件；當(dāng)NAO指數(shù)有連續(xù)等于或超過3天小于-1.0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，認(rèn)為是一個(gè)NAO負(fù)位相事件），并挑出了1979-2012年冬季的NAO正（負(fù)）位相事件。而后根據(jù)NAO不同位相事件的起止時(shí)間在溫帶氣旋數(shù)據(jù)集中挑出了冬季NAO正（負(fù)）位相事件期間生成的溫帶氣旋。

對(duì)冬季NAO不同位相事件期間溫帶氣旋生成頻次的空間分布分別進(jìn)行合成可得圖3。NAO正位相事件期間（圖3a），溫帶氣旋的生成源地主要集中在北美洲落基山脈和阿巴拉契亞山脈的背風(fēng)坡地區(qū)、西北大西洋和格陵蘭島東側(cè)的北大西洋海區(qū)。而在NAO負(fù)位相事件期間（圖3b），溫帶氣旋的生成源地主要集中在阿巴拉契亞山脈的背風(fēng)坡地區(qū)和北大西洋中部海區(qū)。對(duì)比圖3a和圖3b可以發(fā)現(xiàn)，NAO不同位相事件期間溫帶氣旋的生成源地在北美洲東部沿海地區(qū)相差不大，但在北美大陸西部和北大西洋海區(qū)的差別卻特別明顯。NAO負(fù)位相事件期間，北美洲落基山脈的背風(fēng)坡地區(qū)溫帶氣旋的發(fā)生頻次很低，但在正位相事件期間卻特別高，且此時(shí)北大西洋地區(qū)溫帶氣旋的生成源地整體偏東和偏北。將NAO不同位相事件期間溫帶氣旋生成源地的空間分布按照公式（1）和（2）計(jì)算后可知，正位相事件期間溫帶氣旋生成源地的平均緯度為53.09°N，平均經(jīng)度為59.69°W。負(fù)位相事件期間溫帶氣旋生成源地的平均緯度為48.44°N，平均經(jīng)度為61.53°W，即總體而言NAO正位相事件期間溫帶氣旋的生成源地較負(fù)位相事件要偏東和偏北。而且，從圖中還可以直觀的看到，研究時(shí)段內(nèi)NAO正位相事件期間溫帶氣旋的生成頻次更高。

圖3　1979-2012年冬季NAO不同位相事件期間溫帶氣旋生成頻次和700 hPaσBI合成場(chǎng)的空間分布（其中（a）為正位相事件，（b）為負(fù)位相事件，填色區(qū)域?yàn)闅庑稍吹?，黑色線條為（單位為）合成場(chǎng)）

Eady（1949）利用理想化的緯向斜壓大氣動(dòng)能準(zhǔn)地轉(zhuǎn)方程探討了中緯度地區(qū)大氣擾動(dòng)的基本特征，得到了著名的Eady不穩(wěn)定模態(tài)，并從其中衍生出了被廣泛用于表征大氣斜壓性的最大斜壓增長(zhǎng)率，即σBI= 0.31f?|v|/?zN-1，其中f是科氏參數(shù)，v是水平風(fēng)速，z是垂直高度，N是Brunt-V?is?l?頻率。而馬雷鳴等（2002）在利用傾斜渦度發(fā)展理論（SVD）研究溫帶氣旋個(gè)例時(shí)指出，斜壓不穩(wěn)定被認(rèn)為是中緯度天氣尺度系統(tǒng)的主要啟動(dòng)機(jī)制。因此本文進(jìn)一步對(duì)NAO不同位相事件期間的σBI指數(shù)進(jìn)行合成，圖3為700 hPaσBI指數(shù)合成場(chǎng)的空間分布。由于正（負(fù)）位相事件期間指數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)的區(qū)域平均值為0.169 2（0.176 5），所以本文將≥0.18的區(qū)域稱之為σBI大值區(qū)域（黑色實(shí)線包圍區(qū)域）。而上述大值區(qū)域的空間分布與不同位相事件期間的區(qū)域平均值加上（減去）標(biāo)準(zhǔn)差后的空間分布基本相同（圖略）。

從圖3a中可以清楚的看到，在NAO正位相事件期間，溫帶氣旋的主要生成源地與σBI大值區(qū)域相對(duì)應(yīng)，這與儀清菊等（1989）和張穎嫻等（2012）在研究溫帶氣旋生成頻率時(shí)得到的結(jié)論類似。在NAO負(fù)位相事件期間（圖3b），位于大西洋中部以西的溫帶氣旋生成源地與σBI大值區(qū)域亦有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但大西洋中部以東的溫帶氣旋生成源地與σBI大值區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系卻不是很好，也即是此區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋可能存在其它的啟動(dòng)機(jī)制。從圖3中還可以看到，不同位相事件期間σBI大值區(qū)域的分布具有明顯差異。NAO正位相事件期間（圖3a）σBI大值區(qū)域的分布整體偏東和偏北，而負(fù)位相事件期間（圖3b）σBI大值區(qū)域的分布卻相對(duì)偏南和偏西。由此可知，NAO正位相事件期間大氣斜壓性較強(qiáng)的區(qū)域相對(duì)于負(fù)位相事件期間整體偏東和偏北，這在一定程度上解釋了NAO不同位相事件期間溫帶氣旋生成源地的分布差異。而1979-2012年冬季NAO不同位相事件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，NAO正位相事件發(fā)生了45次，負(fù)位相事件發(fā)生了24次。在日均生成的溫帶氣旋數(shù)量方面，NAO正位相事件期間為0.83個(gè)/天，負(fù)位相事件為0.88個(gè)/天。因此可知，1979-2012年冬季NAO正位相事件的發(fā)生頻次較NAO負(fù)位相事件偏高是造成NAO正位相事件期間溫帶氣旋總體生成個(gè)數(shù)較多的主要原因。

圖4給出了冬季NAO不同位相事件期間溫帶氣旋活動(dòng)范圍的空間分布。從圖中可以清楚地看到，在NAO正位相事件期間（圖4a）氣旋的活動(dòng)范圍從北美洲中部向東北延伸至歐洲西北部地區(qū)，其中以格陵蘭島南部海域氣旋活動(dòng)最為頻繁。負(fù)位相事件期間（圖4b）氣旋的活動(dòng)范圍則集中在40°N-60°N之間的北大西洋海區(qū)，且北美洲東北部附近海域是氣旋活動(dòng)最頻繁的區(qū)域。而Luo等（2007c）根據(jù)其提出的NAO理論模型指出，當(dāng)氣候駐波的脊位于渦旋驅(qū)動(dòng)的異常駐波下游時(shí)，風(fēng)暴路徑在NAO負(fù)位相期間分裂成兩個(gè)分支，且北部的分支一般比南部分支要強(qiáng)。但是當(dāng)氣候駐波和異常駐波的相對(duì)位置在適度范圍內(nèi)時(shí)，南部分支也可以起到主導(dǎo)作用。在NAO正位相時(shí)，風(fēng)暴路徑則往往向東北方向漂移?？梢娢闹兴媒Y(jié)果在NAO正位相事件期間與Luo等（2007a）的理論模式結(jié)果十分吻合，但在負(fù)位相事件期間略微有些差別。而對(duì)比圖4a、4b還發(fā)現(xiàn)，NAO正位相事件期間溫帶氣旋的活動(dòng)范圍相對(duì)而言更加偏北。

圖4　1979-2012年冬季NAO不同位相事件期間溫帶氣旋的活動(dòng)范圍以及500 hPa合成風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)的空間分布（其中（a）為正位相事件，（b）為負(fù)位相事件，填色區(qū)域?yàn)榛顒?dòng)范圍，藍(lán)色實(shí)線為合成高度場(chǎng)，箭頭代表合成風(fēng)場(chǎng)，黑色虛線為西風(fēng)帶急流軸的位置）

溫帶氣旋的移動(dòng)路徑與高空引導(dǎo)氣流密切相關(guān)，因而圖4還給出了NAO不同位相事件期間500 hPa的位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的合成。可以看到，NAO正位相事件期間（圖4a）西風(fēng)帶急流軸（黑色虛線）自美國(guó)東南部向東北延伸至歐洲西北部，西風(fēng)帶整體偏北。而負(fù)位相事件期間（圖4b），西風(fēng)帶急流軸自美國(guó)東南部向東延伸至北大西洋中部，西風(fēng)帶相對(duì)偏南。對(duì)比圖4a和4b則可知，雖然NAO不同位相事件期間西風(fēng)帶的位置存在差異，但溫帶氣旋的活動(dòng)區(qū)域均位于西風(fēng)帶急流軸的中心位置北側(cè)，且活動(dòng)區(qū)域的整體走向與西風(fēng)帶氣流的方向均基本吻合。因而結(jié)合溫帶氣旋生成源地的空間分布（圖3a、3b）可知，研究區(qū)域內(nèi)的溫帶氣旋于生成源地形成后，在高空西風(fēng)帶氣流的引導(dǎo)作用下向下游移動(dòng)。所以當(dāng)高空西風(fēng)帶的位置發(fā)生變化時(shí)，溫帶氣旋的活動(dòng)范圍也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。

進(jìn)一步分析大尺度環(huán)流背景則可知，NAO正位相事件期間（圖4a），北美大槽僅延伸至格陵蘭島的南部地區(qū)，整體略顯淺薄，促使了西風(fēng)帶北抬。而在負(fù)位相事件期間（圖4b），北美大槽卻特別深厚，槽底延伸至北美洲的紐芬蘭島附近，迫使西風(fēng)帶向南偏移。上述西風(fēng)急流位置的南北向漂移與Luo等（2007c）利用其NAO模型得到的理論模式結(jié)果完全吻合。綜合以上因素即可知，由于NAO不同位相事件期間高空具有不同的環(huán)流形勢(shì)，導(dǎo)致了西風(fēng)帶的位置會(huì)發(fā)生南北向的偏移，從而使溫帶氣旋在不同西風(fēng)氣流引導(dǎo)作用下活動(dòng)范圍也相應(yīng)地發(fā)生南北向的移動(dòng)（其中NAO正位相事件期間溫帶氣旋活動(dòng)范圍偏北，NAO負(fù)位相事件期間溫帶氣旋活動(dòng)范圍偏南）。

根據(jù)1979-2012年冬季月份的NAO指數(shù)時(shí)間序列（圖5）可知，雖然研究時(shí)段內(nèi)NAO指數(shù)為正的月份居多，但總體而言NAO指數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。也即是NAO處于正位相的時(shí)間仍然占優(yōu)勢(shì)，但整體而言NAO正位相的時(shí)間具有減少的趨勢(shì)，負(fù)位相的時(shí)間具有增加的趨勢(shì)。這在冬季NAO不同位相事件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中同樣有所體現(xiàn)，即NAO正位相事件發(fā)生了45次，NAO負(fù)位相事件發(fā)生了24次，而年際NAO正位相事件的時(shí)間呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，負(fù)位相事件的時(shí)間卻有增加的趨勢(shì)。因此根據(jù)前述NAO不同位相事件期間溫帶氣旋的生成源地和活動(dòng)范圍分布可知，冬季NAO正（負(fù)）位相的時(shí)間在研究時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)出減少（增加）的趨勢(shì)是導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)冬季溫帶氣旋的生成源地向西南漂移及其活動(dòng)范圍向南漂移的主要原因。

圖5　1979-2012年冬季月份NAO指數(shù)的時(shí)間序列，實(shí)線為線性擬合的結(jié)果

4結(jié)論與討論

本文以改進(jìn)后的溫帶氣旋識(shí)別和追蹤算法為基礎(chǔ)，得到了北美北大西洋地區(qū)冬季的溫帶氣旋數(shù)據(jù)集。統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，冬季溫帶氣旋的生成源地和活動(dòng)范圍具有向西南漂移的趨勢(shì)，且此變化趨勢(shì)與冬季NAO指數(shù)具有顯著相關(guān)性。因此本文以Luo等（2012a）定義的NAO正負(fù)位相事件為標(biāo)準(zhǔn)，討論了1979-2012年冬季北美北大西洋地區(qū)NAO不同位相事件對(duì)溫帶氣旋的生成源地和活動(dòng)范圍的影響機(jī)制，主要結(jié)論如下：

（1）冬季溫帶氣旋的生成源地主要集中在北美洲落基山脈和阿巴拉契亞山脈的背風(fēng)坡地區(qū)、西北大西洋和格陵蘭島東南部海區(qū)。溫帶氣旋的活動(dòng)范圍則主要集中在北美洲東北部，以及北大西洋的西北部和北部海區(qū)。同時(shí)，溫帶氣旋生成源地的平均緯向和經(jīng)向位置的時(shí)間序列與冬季NAO指數(shù)具有顯著線性相關(guān)關(guān)系，而溫帶氣旋活動(dòng)范圍的平均位置時(shí)間序列僅在經(jīng)向方向上與冬季NAO指數(shù)的變化有關(guān)。

（2）在NAO正位相事件期間，溫帶氣旋的主要生成源地與σBI大值區(qū)域相對(duì)應(yīng)，這與儀清菊等（1989）和張穎嫻等（2012）在研究溫帶氣旋生成頻率時(shí)得到的結(jié)論類似。在NAO負(fù)位相事件期間，位于大西洋中部以西的溫帶氣旋生成源地與σBI大值區(qū)域亦有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但大西洋中部以東的溫帶氣旋生成源地與σBI大值區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系卻不是很好，也即是此區(qū)域內(nèi)溫帶氣旋可能存在其它的啟動(dòng)機(jī)制。

（3）NAO正位相事件期間大氣斜壓性較強(qiáng)的區(qū)域相對(duì)于負(fù)位相事件期間整體偏東和偏北，這在一定程度上解釋了不同位相事件期間溫帶氣旋生成源地的分布差異。

（4）雖然不同位相事件期間日均生成的溫帶氣旋數(shù)量相差并不大，但研究時(shí)段內(nèi)NAO正位相事件期間溫帶氣旋的生成頻次更高，究其原因主要是因?yàn)镹AO正位相事件的發(fā)生頻次較負(fù)位相事件偏高。

（5）NAO正位相事件期間北美大槽僅延伸至格陵蘭島的南部地區(qū)，整體略顯淺薄，促使了西風(fēng)帶北抬。而NAO負(fù)位相事件期間北美大槽卻特別深厚，槽底延伸至北美洲的紐芬蘭島附近，迫使西風(fēng)帶向南偏移。因此在不同西風(fēng)氣流引導(dǎo)作用下，溫帶氣旋的活動(dòng)范圍會(huì)相應(yīng)地發(fā)生南北向的移動(dòng)（其中NAO正位相事件期間溫帶氣旋活動(dòng)范圍偏北，NAO負(fù)位相事件期間溫帶氣旋活動(dòng)范圍偏南）。這與Luo等（2007c）的理論模式在NAO正位相期間的結(jié)果類似，但在負(fù)位相期間則存在一些差異。

（6）冬季NAO正（負(fù)）位相的時(shí)間呈現(xiàn)出減少（增加）的趨勢(shì)是導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)冬季溫帶氣旋的生成源地向西南偏移及其活動(dòng)范圍向南偏移的主要原因。至于氣旋活動(dòng)范圍整體呈現(xiàn)出向西偏移的趨勢(shì)，文中未給出合理的解釋，有待進(jìn)一步研究。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所姚遙博士和鐘睿碩士對(duì)本文給予的幫助。

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（本文編輯：岳心陽）

Characteristicsof extratropical cyclone activity at North Am erica-Atlantic area in w inter and its relationship w ith NAO

FU Qiang1,2,3,ZHONG Lin-Hao2,LUO De-Hai2
（1.PhysicalOceanography Laboratory,Ocean UniversityofChina,Qingdao266100,China；2.RCE-TEA,InstituteofAtmospheric Physics,Chinese AcademyofSciences,Beijing100029,China；3.Xichang Satellite Launch Center,Xichang615000,China）

Abstract：Based on the detection and track algorithm ofcyclone and the ERA-Interim reanalysisdata from 1979 to 2012 in winter,an extratropical cyclone datasetof North America and North Atlantic is obtained.Statistical analysis indicates that cyclogenesisareasand the scope ofactivitieshave a trend ofsouthwestward drift.The average zonalandmeridionalposition of cyclogenesis areas have a significant correlation with NAO index in winter,so does the meridional position of cyclone activity.Further compositeanalysis finds thatcomparingwith thenegative phaseofNAO event,the location of700 hPa strong baroclinicity region is to the north and east during the positive phase of NAO event in winter,which partly explains the different distribution of cyclogenesis areas during different phase events.The 500 hPa westerly belt position during the positive phase ofNAO event ismore northerly,which leads to the scope of cyclone activitiesnortherly at that time.The NAO positive (negative) phase showsa decrease (increase) trend inwinter,which bringsabout the southwestwardmigration of cyclogenesis regionsand the southwardmigration of the scopeofcycloneactivitieswithin the survey region.

Keywords：extratropicalcyclone;detection and track;NAO;compositeanalysis

通訊作者：鐘霖浩，博士，副研究員。電子郵箱：zlh@mail.iap.ac.cn。

作者簡(jiǎn)介：付強(qiáng)（1986-），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事氣候動(dòng)力學(xué)研究。電子郵箱：2010fuqiang@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41275064；41475072）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201005019）。

收稿日期：2015-01-18；

修訂日期：2015-05-16

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.01.007

中圖分類號(hào)：P447

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6932（2016）01-0046-08