黃鑫 布和朝魯 謝作威 鞏遠(yuǎn)發(fā)

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春季影響中國北方地區(qū)的蒙古氣旋及其背景環(huán)流

黃鑫1, 2布和朝魯3謝作威3鞏遠(yuǎn)發(fā)1

1成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 ，成都610225,2陜西省氣象信息中心，西安710014,3中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京100029

基于1948～2013年NCEP/NCAR逐日再分析資料，采用850 hPa相對渦度場氣旋追蹤方法，統(tǒng)計了春季蒙古氣旋的活動特征，包括其源地、盛期位置、消亡地以及路徑的分布。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)蒙古氣旋的不同移動路徑，界定了蒙古氣旋的兩種路徑，即向東路徑和東南路徑，并統(tǒng)計了這兩類氣旋的頻數(shù)與強度的年際和年代際變化。同時還揭示了這兩類蒙古氣旋的低頻背景環(huán)流特征。本文主要結(jié)論如下：（1）蒙古氣旋主要生成于貝加爾湖南側(cè)和東側(cè)的山脈背風(fēng)坡，并在蒙古東部地區(qū)以及我國東北地區(qū)達(dá)到盛期，多數(shù)氣旋消亡于東北亞及其臨海區(qū)域；（2）兩類氣旋的生成個數(shù)均有顯著的年代際變化。向東路徑氣旋在1950年代的個數(shù)偏少，1970年代至1990年代的個數(shù)整體偏多，之后有所減少，但進(jìn)入21世紀(jì)后氣旋有個數(shù)呈現(xiàn)增多的趨勢。東南路徑氣旋在1970年代以前一直處于偏少階段，1970年代至1980年代中期處于偏多階段，2005年以后東南路徑氣旋個數(shù)有減少的趨勢；（3）向東路徑蒙古氣旋的背景低頻環(huán)流由斯堪的納維亞半島正異常中心、貝加爾湖及西側(cè)的負(fù)異常中心以及環(huán)日本海地區(qū)的正異常中心所組成的正位相斯堪的納維亞環(huán)流型為主要特征。東南路徑蒙古氣旋則以俄羅斯西部的負(fù)異常中心、拉普捷夫海附近延伸到我國西北地區(qū)的正高度異常區(qū)以及東北低渦環(huán)流為主要特征。

蒙古氣旋 蒙古氣旋活動頻數(shù) 蒙古氣旋路徑 環(huán)流背景

1 引言

氣旋（反氣旋）是對流層低層中心氣壓低（高）于四周的天氣尺度渦旋。在北半球，氣旋（反氣旋）中的空氣作逆（順）時針旋轉(zhuǎn)，在南半球則相反（朱乾根等，2007）。氣旋的產(chǎn)生和發(fā)展受到高空環(huán)流的影響，能造成明顯或激烈的天氣現(xiàn)象。影響我國的氣旋可分為南方氣旋與北方氣旋，其中，蒙古氣旋可以作為北方氣旋的典型（朱乾根等，2007），一年四季均可出現(xiàn)，但以春秋季為最多。研究表明，一般氣旋所具有的天氣現(xiàn)象都可以在蒙古氣旋中出現(xiàn)，其中比較突出的是大風(fēng)，其帶來的降溫、風(fēng)沙、吹雪、霜凍等天氣現(xiàn)象都對我國的農(nóng)業(yè)和生態(tài)等造成顯著的影響（Qian et al.，2002；姚素香等，2003；張高英等，2004；趙琳娜等，2004，2007；孫建華等，2004）。

關(guān)于蒙古氣旋的移動路徑，我國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。吳伯雄和劉長盛（1958）利用1951～1955年東亞地面天氣圖對東亞氣旋活動的統(tǒng)計特征進(jìn)行了研究。他們揭示了東亞北方氣旋的源地集中于45°～55°N之間的事實，并定義了北方氣旋的兩種路徑，其中一類氣旋產(chǎn)生于蒙古國以及我國內(nèi)蒙和東北地區(qū)，向東北方向移動，穿過內(nèi)蒙及黑龍江省北部，大多于庫頁島消亡；另一類產(chǎn)生于內(nèi)蒙以及東北南部，路徑偏南約5個緯度，到東經(jīng)130°E左右即與前者取同一路徑東行。王榮華（1963）利用中央氣象臺1951～1960年逐日地面天氣圖得出，產(chǎn)生于貝加爾湖南部的氣旋自生成以后主要向東南移動進(jìn)入我國，之后經(jīng)過東北地區(qū)移入海上或遠(yuǎn)東地區(qū)。沈建國和王嫻（1991）將生成于（43°～50°N，90°～120°E）范圍內(nèi)的氣旋定義為蒙古氣旋，并將其移動路徑分為偏東路徑、東北路徑和東南路徑。偏東路徑基本與45°N緯圈平行，從源地進(jìn)入日本海和北太平洋。東北路徑自源地經(jīng)過我國大興安嶺以北進(jìn)入西伯利亞或鄂霍次克海。東南路徑最少，經(jīng)內(nèi)蒙古進(jìn)入華北或者遼寧和吉林入海。林明智和楊克明（1992）的研究也指出，蒙古氣旋自生成后大部分向東移動，移至東北平原后一部分向東北移動進(jìn)入遠(yuǎn)東地區(qū)，一部分向東南移動進(jìn)入渤海、黃海北部。姚素香等（2003）提出，我國東北到俄羅斯遠(yuǎn)東和我國長江中下游到日本一帶，均為明顯的氣旋活動集中路徑。朱乾根等人（2007）歸納出，東亞全年平均的氣旋移動路徑有三條：一是日本以東或東南洋面上，其次是我國東北地區(qū)，第三個是朝鮮、日本北部地帶。張穎嫻（2012）用聚類分析的方法得出影響我國的氣旋路徑主要是始于蒙古地區(qū)南部以及貝加爾湖東部地區(qū)，前者產(chǎn)生以后主要向東南方向移動，經(jīng)過內(nèi)蒙華北影響我國，后者則向東北方向移動，到達(dá)內(nèi)蒙古東北部和東北地區(qū)。符嬌蘭等（2013）也發(fā)現(xiàn)冬季影響我國北方地區(qū)的氣旋主要有3條路徑，即東北路徑，東南路徑與偏東路徑，其中尤以偏東路徑氣旋個數(shù)最多。東北路徑氣旋自生成以后主要向遠(yuǎn)東地區(qū)移動。偏東路徑氣旋主要經(jīng)過我國東北地區(qū)從而影響我國，而東南路徑氣旋則主要經(jīng)內(nèi)蒙古中西部進(jìn)而影響我國華北地區(qū)。Chen et al.（2014）也發(fā)現(xiàn)冬季蒙古氣旋也存在向東移動和東南方向移動的兩條路徑。其中向東移動的氣旋主要消亡于庫頁島以西，我國東北地區(qū)北部到外興安嶺和錫霍特山圍成的區(qū)域，東南移動的氣旋則由內(nèi)蒙進(jìn)入我國，消亡于我國東北南部。

上述研究表明，盡管蒙古氣旋生成以后具有多條移動路徑，但影響我國的蒙古氣旋路徑主要為兩條，即向東路徑和東南路徑。向東路徑氣旋會對我國東北地區(qū)的天氣造成明顯的影響，而東南路徑氣旋則主要對我國華北地區(qū)的天氣造成明顯的影響。

許多研究表明，影響我國的北方氣旋也具有年代際變化。例如，王艷玲和郭品文（2005）指出，北方春季氣旋頻數(shù)在1980～1990年代減少，導(dǎo)致了我國北方沙塵暴天氣的減少。王新敏（2007）利用一個海平面氣壓客觀跟蹤算法，對蒙古氣旋活動的季節(jié)變化、年際變化和年代際變化進(jìn)行了研究。她指出，春季蒙古氣旋在20世紀(jì)1980年代中期蒙古氣旋活動最強，1980年代末開始到1990年代蒙古氣旋頻數(shù)明顯減少。她同時也指出春季蒙古氣旋與中國北方沙塵暴之間存在的密切關(guān)系。

春季是蒙古氣旋活動的高峰期，此前學(xué)者的研究也表明，蒙古氣旋在其移動過程中會對我國的天氣氣候造成明顯的影響。然而，迄今為止還沒有工作探討蒙古氣旋的路徑與其背景環(huán)流的關(guān)系。鑒于春季是蒙古氣旋活動對我國北方地區(qū)的天氣（特別是沙塵或沙塵暴天氣）的重要影響，本文利用更長時間的資料以及一個追蹤氣旋的客觀方法，重新統(tǒng)計蒙古氣旋的源地、移動路徑以及消亡地。同時,針對影響我國北方地區(qū)的蒙古氣旋，根據(jù)其移動路徑進(jìn)行分類，并研究其年際和年代際變化特征。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同路徑蒙古氣旋的低頻背景環(huán)流特征。

2 數(shù)據(jù)和方法

本文中采用NCEP/NCAR全球逐日資料，時間長度為1948年1月至2013年12月，時間分辨率為一天四次，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向從1000 hPa到10 hPa，共17層。氣象要素包括風(fēng)、位勢高度以及溫度。

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)研究采用海平面氣壓的低氣壓中心來識別和追蹤氣旋活動（姚素香等，2003；王新敏，2007；張穎嫻，2012；符嬌蘭等，2013）。例如，符嬌蘭等（2013）利用海平面氣壓識別冬季影響我國北方地區(qū)的氣旋。這種方法的優(yōu)點是天氣學(xué)意義明顯，能夠通過地面低氣壓中心與周圍格點范圍內(nèi)的氣壓梯度力閾值，確定是否存在氣旋中心。然而，在氣旋生成早期，這一方法在天氣圖上難以識別閉合中心，其主要原因是海平面氣壓容易受到地形及大尺度背景環(huán)流切變渦度的影響（Hodges，1994）。另一種氣旋追蹤方法則利用850 hPa渦度（天氣尺度）來是實現(xiàn)（Hodges，1994）。由于該方法去除了行星尺度流場的影響，其識別氣旋過程受背景環(huán)流的影響較小，因此在氣旋的雛形階段就能夠捕捉氣旋性渦度。對于利用850 hPa渦度追蹤氣旋這一方法，符嬌蘭等（2013）指出該方法在利用風(fēng)場（通過插值）計算渦度時會產(chǎn)生誤差。我們推測，這可能是沒有去除行星尺度環(huán)流切變渦度的緣故。因此，本文采用了Hodges（1994）基于850 hPa相對渦度局地極大值的氣旋追蹤方法，具體步驟如下：（1）為了使我們追蹤的850 hPa相對渦度最大值（氣旋）不受到大尺度行星波的干擾，濾去了大尺度的背景波動（濾掉波數(shù)小于5的波動）；（2）判斷850 hPa相對渦度場中氣旋的特征：局地最大值大于10?5s?1的格點初步判定為潛在的氣旋中心，運用曲線插值的方法將格點的值插到球面上，使用Goldfarb（1969）介紹的方法找到真實的局地最大值中心所在的位置；（3）之后，運用“氣旋的移動速度和方向必須是連續(xù)的”這兩個約束條件（Hodges，1994，1995）來考察相鄰時間步長的局地極大值是否屬于同一個氣旋；（4）最后，生命期至少為48小時且移動路徑超過1000 km的氣旋被認(rèn)為是真實的氣旋。更詳細(xì)的說明可參考Hodges（1994，1995，1996）。

為了檢驗氣旋渦度追蹤方法的效果，我們基于國家氣象局信息中心提供的1980～1982年春季的歷史天氣圖，普查了蒙古氣旋的個數(shù)，并與我們追蹤到的蒙古氣旋個數(shù)進(jìn)行了對比?；跉v史天氣圖的人工辨認(rèn)主要是通過逐日普查地面氣壓場來完成。通過人工辨認(rèn)的生命期大于2天以及移動路徑超過1000 km的蒙古氣旋一共58個。與此相比，以本文850 hPa渦度追蹤方法辨認(rèn)的蒙古氣旋個數(shù)總為56個，比人工辨認(rèn)的多了7個（12.5%），遺漏了9個（15%）。這說明該方法可以用于蒙古氣旋的識別和追蹤。

本文利用Takaya and Nakamura（1997, 2001）三維波作用通量（簡稱TN通量）來描述準(zhǔn)定常Rossby波能量頻散的特征。在Wentzel–Kramers– Brillouin（WKB）近似假定下，該通量與波位相無關(guān)，且其方向與定常Rossby波局地群速度方向一致。在對數(shù)氣壓坐標(biāo)中，波作用通量（）的公式為

3 春季蒙古氣旋的統(tǒng)計特征

3.1 春季蒙古氣旋的源地、盛期位置以及消亡地

前人研究表明，貝加爾湖以東以南地區(qū)，包括我國東北地區(qū)是春季氣旋的重要源地（Chen et al.,1991；Qian et al., 2002；張穎嫻，2012），這是由于薩彥嶺，杭蓋山、雅布諾夫山以及大興安嶺等背風(fēng)坡地區(qū)所對應(yīng)的動力作用有利于渦度的增強所導(dǎo)致（吳伯雄和劉長盛，1948；沈建國和王嫻，1991；Chen et al.，1991）。這類氣旋經(jīng)常移入我國東北以及華北地區(qū)，對所經(jīng)過地區(qū)的天氣產(chǎn)生明顯影響。

本文中，我們將生成于蒙古國附近的氣旋定義為蒙古氣旋，其具體范圍由圖1a中的方框所示，大致在區(qū)域為（42.5°～55°N，85°～120°E）包含了蒙古國、貝加爾湖地區(qū)以及我國內(nèi)蒙古大部地區(qū)，但沒有包括塔里木盆地的東段（42.5°～45°N，85°～95°E）。蒙古氣旋生成以后絕大部分向東移動，其中一部分消亡在庫頁島以西以及我國東北區(qū)域，也有一部分消亡在北太平洋地區(qū)，一些氣旋移動到了北美地區(qū)，有的甚至進(jìn)入北極地區(qū)。Sorteberg and Kvingedal（2006）認(rèn)為冬季自歐亞大陸移入極地的氣旋會對極區(qū)海冰分布造成顯著的影響。

圖1 1948～2013年春季蒙古氣旋（a）源地和消亡地的分布以及（b）盛期位置分布。（a）中藍(lán)色和紅色點分別代表氣旋的生成點和消亡點，（b）中紅色點代表氣旋盛期所處位置。圖中方框表示（42.5°～55°N，85°～120°E）區(qū)域

我們將蒙古氣旋生命期相對渦度最大值所對應(yīng)的時刻定義為蒙古氣旋的盛期。從蒙古氣旋的盛期位置（圖1b）分布可以看出，我國東北區(qū)域經(jīng)常是蒙古氣旋加強的區(qū)域，這可能是由于蒙古氣旋越過大興安嶺下坡作用下會得到一定程度的加強造成，也可能是由于春季東北冷渦的作用（謝作威和布和朝魯，2012）。還有一部分氣旋移入大洋并且達(dá)到最強，這也是北太平洋風(fēng)暴軸的反映（Hoskins and Hodges，2002），這些氣旋恰好處于高空西風(fēng)急流出口區(qū)的左側(cè)（沈建國和王嫻，1991），對應(yīng)正渦度平流中心，造成海上氣旋渦度的加強。

3.2 蒙古氣旋的兩類移動路徑

從整個蒙古氣旋的路徑分布（圖2a）來看，氣旋產(chǎn)生以后大多在高空氣流的引導(dǎo)下向東移動，也有極個別氣旋向西移動，大多氣旋在東經(jīng)135°E以西沿著北緯42.5°N～55°N范圍內(nèi)東移，部分氣旋產(chǎn)生以后向東北方向移動，消亡于西伯利亞，甚至極地地區(qū)，還有部分氣旋先向東南方向移動，之后受到東亞大槽前部西南氣流的影響，向東北方向移動，消亡于海上。

圖2 1948～2013年春季蒙古氣旋的路徑：（a）整個路徑；（b）向東路徑；（c）東南路徑。綠色實線代表氣旋路徑，藍(lán)色和紅色點分別為氣旋生成點和消亡點。圖中方框表示（42.5°～55°N，85°～120°E）區(qū)域

基于蒙古氣旋生成以后對我國不同地區(qū)造成的天氣影響以及其移動的不同路徑，本文定義了蒙古氣旋的兩條路徑，分別為向東路徑和東南路徑。因氣旋在生成以后向東移動過程中，最終大多數(shù)都會受到東亞大槽前部西南氣流的影響，向東北移動，故定義氣旋移動路徑過程中，還考慮了不同經(jīng)度范圍內(nèi)的特征。具體來說，向東路徑氣旋指的是自生成之后在東經(jīng)135°E之西的區(qū)域一直在42.5°～55°N的緯度帶內(nèi)移動的氣旋（圖2b），此類氣旋對中國東北地區(qū)的天氣有明顯的影響。東南路徑氣旋指的 是自生成以后能夠向南跨過北緯42.5°N線且到 達(dá)東經(jīng)120°E之前一直在42.5°N以南移動的氣旋（圖2c），此類氣旋對中國華北地區(qū)的天氣有重要影響。

向東路徑氣旋（圖2b）主要生成于貝加爾湖南部的蒙古國境內(nèi)以及貝加爾湖東部，大多數(shù)氣旋消亡于北太平洋，我國黑龍江邊界地區(qū)也是此類氣旋主要消亡地。向東路徑氣旋大多在我國東北地區(qū)達(dá)到盛期（圖略），也有部分氣旋入海后加強。東南路徑氣旋（圖2c）大多生成于貝加爾湖南部的蒙 古地區(qū)，會對我國華北和東北地區(qū)造成明顯的影響，甚至有時對淮河以南地區(qū)也產(chǎn)生影響。與向東路徑氣旋相比，東南路徑氣旋相對少，其一部分消亡于我國華北地區(qū)，一部分消亡于日本海區(qū)域，還有一部分東移后受高空槽的影響，消亡于太平洋區(qū)域。我國華北地區(qū)，特別是河北陜西內(nèi)蒙接壤地區(qū)是東南路徑氣旋生命期最強的匯集地（圖略），也有其部分氣旋在蒙古國境內(nèi)達(dá)到最強，還有一部分氣旋在海上達(dá)到盛期。

3.3 兩類蒙古氣旋的年際和年代際變化特征

由圖3a可見，1948～2013年66個春季共產(chǎn)生蒙古氣旋1169個，平均每年生成17.7個。1974年個數(shù)最多，為25個；1951年為最少年，只生成了9個氣旋。從9點滑動平均曲線可看出，1950年代到1970年代初，蒙古氣旋個數(shù)偏少，1970年代到1990年代初，蒙古氣旋個數(shù)偏多，1990年代到2000年左右，蒙古氣旋個數(shù)偏少，2000年至今蒙古氣旋個數(shù)又稍微偏多一些。

圖3 1948～2013年的逐年春季（a、b）蒙古氣旋、（c、d）向東路徑氣旋以及（e、f）東南路徑氣旋的個數(shù)（左列）、平均強度（右列；單位：10?5 s?1）。圖中虛線表示9點滑動平均曲線

從趨勢上看，1960年代中期到1970年代末蒙古氣旋處于增多趨勢，1980年代初到1990年代末期蒙古氣旋數(shù)量處于下降趨勢，2000年以后又處于增多趨勢。這與王新敏（2007）、Qian et al.（2002）以及張穎嫻（2012）得出的我國北方蒙古地區(qū)氣旋自1970年代中期到1990年代中后期呈現(xiàn)減少的趨勢的結(jié)論基本一致。McCabe et al.（2001）得出，北半球11月～3月1959～97年高緯度（60°N到90°N）氣旋有增多的趨勢，而低緯度（30°N到60°N）地區(qū)的氣旋有減少的趨勢，并且認(rèn)為是全球變暖導(dǎo)致了北半球風(fēng)暴軸的北移從而造成了高緯度氣旋的增加。張穎嫻（2012）也得出1951～2000年60°N北半球溫帶氣旋整體趨勢生成數(shù)目線性增加，而60°N以南線性減少，進(jìn)一步印證了北半球風(fēng)暴軸路徑整體向極地偏移的趨勢。因此，蒙古氣旋的年代際變化可能受到全球變暖以及與此對應(yīng)的風(fēng)暴路徑偏移的影響，有待進(jìn)一步研究。

向東路徑氣旋（圖3c）在整個 66年總共生成695個，平均每年生成10.5個，最多年的個數(shù)為16個，最少年只有4個。向東路徑氣旋在1950年代初期的個數(shù)偏少，1950年代末至1960年代初個數(shù)稍微增多，之后略有下降，1970年代至1990年代的個數(shù)整體偏多，這與整個蒙古氣旋在這個時期偏多一致。1990年代之后又處于偏少階段。2000年以后向東路徑氣旋有個數(shù)呈現(xiàn)增多的趨勢。

東南路徑氣旋（圖3e）個數(shù)較少，平均每年春季只生成2.8個。1970年代以前一直處于偏少階 段，1970年代至1980年代中期處于偏多階段，1980年代中期至1990年代中期又處于偏少階段，之后又處于偏多階段，2005年以后東南路徑氣旋個數(shù)有減少的趨勢。2000年為東南路徑氣旋個數(shù)最多年，東部路徑氣旋為9個。1964、1965、1968年沒有東南路徑氣旋的產(chǎn)生。

溫帶氣旋的強度有多種指標(biāo)和分析方法。本文將某一春季所生成的所有蒙古氣旋的氣旋中心相對渦度（850 hPa）的時間平均值定義為該春季蒙古氣旋的平均強度。整個蒙古氣旋的平均強度（圖 3b）在1950年代中期至1980年代偏強，1980年代至1990年代中期偏弱，1990年代中期至2005年左右又偏強，之后偏弱，最強年份可達(dá)4.2×10?5s?1，最弱年份為3.2×10?5s?1。

從向東路徑氣旋的平均強度變化圖（圖3d）來看，向東路徑氣旋的平均強度要大于整個蒙古氣旋的平均強度，平均強度能達(dá)到3.86×10?5s?1，并且具有明顯的年代際變化，1950年代中期至1990年代中期有明顯的10年左右的震蕩周期，進(jìn)入21世紀(jì)以后東北路徑氣旋整體處于偏強階段。

東南路徑的氣旋平均強度（圖3f）大約為3.43×10?5s?1，由于1967年只產(chǎn)生一個東南路徑的氣旋，故平均強度很大。東南路徑氣旋平均強度也具有明顯的年代際變化，1950年代初至1960年代初偏強，1960年代至1970年代偏弱，1970年代至1980年代初又偏強，其強度變化在1980年代之前有明顯的10年左右的震蕩周期，1980年代至1990年代中期整體強度又處于偏弱階段，1990年代中期至2005年左右又偏強，之后又處于偏弱的階段。

4 兩類蒙古氣旋的低頻環(huán)流特征

表1給出了與不同維持時間所對應(yīng)的兩類氣旋的個數(shù)。對這兩類氣旋而言，生命期為2～5天的個數(shù)最多，而大于9天的個數(shù)較少?？紤]到氣旋對天氣影響的持續(xù)時間，我們選取了維持3～8天的氣旋做合成分析，分析這兩種氣旋的不同背景環(huán)流特征。

表1 不同維持時間的兩種路徑氣旋個數(shù)

圖4所示為兩類蒙古氣旋的生成前三天和生 成后四天的500 hPa平均環(huán)流異常場。由圖4可 見，向東路徑氣旋與東南路徑的氣旋的背景低頻環(huán)流顯著不同。向東路徑氣旋的合成環(huán)流異常場（圖4a）顯示，在斯堪的納維亞半島至俄羅斯西部以及里海存在南北向伸展的正高度異常區(qū)，而一個明顯的負(fù)高度異常帶由貝加爾湖北部一直延伸到阿留申群島附近，同時我國華北、東北以及日本則為顯著的正高度異常區(qū)。由于氣旋的移動肯定會受到500 hPa環(huán)流的影響，東亞地區(qū)的這種緯向性環(huán)流形勢會使蒙古氣旋向東移動。

圖4 （a）向東路徑氣旋和（b）東南路徑氣旋的生成前三天和生成后四天的500 hPa平均環(huán)流異常場。等值線間隔為5 gpm，圖中方框A、B、C、D、E、F和G分別表示（50°～70°N，75°～165°E）、（30°～45°N，110°～145°E）、（52.5°～70°N，25°～50°E）、（25°～50°N，112°～140°E）、（27°～50°N，60°～95°E）、（55°～72°N，25°～60°E）和（25°～50°N，120°～180°E）的區(qū)域。深（淺）陰影表示通過95%（90%）信度的區(qū)域

與東南路徑氣旋對應(yīng)（圖4b），我國西北和西南地區(qū)受一個寬廣的高壓脊的控制，其正高度異常中心位于新疆，我國東北和華北以及蒙古東部地區(qū)受較強的高空槽的控制。東亞地區(qū)的這種經(jīng)向性環(huán)流形勢會使蒙古氣旋向東南方向移動。此外，俄羅斯西部和拉普捷夫海及以北地區(qū)分別有負(fù)高度異常中心和正高度異常中心，它們可能對東亞地區(qū)的環(huán)流形勢產(chǎn)生影響。

下面分別探討與這兩類蒙古氣旋對應(yīng)的背景低頻環(huán)流型的演變過程。對某一類氣旋而言，如果考慮其全部個例，個例間的個體差異將會削弱其背 景低頻環(huán)流的顯著特征及其季節(jié)內(nèi)演變特征。因此，這里主要考察其典型意義的個例，加以合成分析。為此，根據(jù)圖4a和b中的關(guān)鍵區(qū)（A到G）環(huán)流特征，分別定義了向東路徑氣旋的環(huán)流指數(shù)（E）和東南路徑的環(huán)流指數(shù)（SE），具體公式如下：

其中，Z到Z分別為圖4a和b中的關(guān)鍵區(qū)A到G的區(qū)域平均500 hPa高度距平。上述定義表明，氣旋強度越強，對應(yīng)的指數(shù)也越大。我們依據(jù)E和SE的大小，各挑選30個強氣旋個例，加以合成，以便討論這兩類氣旋的背景低頻環(huán)流特征。

圖5給出了向東路徑氣旋的合成500 hPa高度異常場及其逐日演變過程。眾所周知，多個氣旋個例的合成過程基本上就是一個濾波過程，實則濾掉了天氣尺度波，因此合成結(jié)果主要是低頻環(huán)流信息。為了方便起見，將氣旋生成的那天記為第0天，其之前（后）的一天記為第－1（1）天，以此類推。在第－9至－7天（圖5a和b），北歐至俄羅斯西部形成明顯的正高度異常中心，并逐漸加強，與之對應(yīng)，貝加爾湖西側(cè)的弱負(fù)高度異常中心隨之發(fā)展，并且在－7至－5天北大西洋地區(qū)出現(xiàn)了明顯的負(fù)異常中心，到了第－5天（圖5c），除了大西洋到地中海地區(qū)的負(fù)異常中心，北歐至東亞地區(qū)形成了一個具有3個異常中心的Rossby波列。自第－3天至第1天（圖5d–f），這一波列特征進(jìn)一步加強，其環(huán)流形勢與圖5a的情形基本一致。從第3天開始，這一Rossby波列的3個異常中心的強度依次減弱和消失（圖5g–i），此時其對應(yīng)的蒙古氣旋已移出了東亞地區(qū)（圖略）。

圖5 向東路徑氣旋的合成500 hPa高度異常場。等值線間隔為20 gpm，（a）到（i）表示第－9天至第7天的情況，深（淺）陰影表示通過99%（95%）的信度區(qū)域

為了說明上述背景環(huán)流的波列特征，圖6給出了合成的向東路徑氣旋的500 hPa位勢高度異常場及其對應(yīng)的Rossby波能量頻散特征。如方法中所述，與圖5不同的是，該圖中的異常場是指8天以上低通濾波場相對于春季氣候平均場的距平。在第－5天，有顯著的Rossby波能量自北大西洋地區(qū)經(jīng)斯堪的納維亞半島向貝加爾湖地區(qū)頻散，這有利于這三個地區(qū)的異常中心的加強和維持。從第－3至－1天，Rossby波能量向下游頻散加強，貝加爾湖西側(cè)的負(fù)高度異常進(jìn)一步加強，下游的日本地區(qū)有正高度異常形成和加強。從第1至5天，Rossby波能量頻散特征逐漸減弱和消失。

圖6 向東路徑氣旋的500 hPa位勢高度異常合成場（單位：gpm，等值線）及其對應(yīng)的波作用通量（單位：m2 s?2，箭頭），（a）到（f）分別為第 －5、－3、－1、1、3和5天。等值線間隔為20 gpm；深（淺）陰影表示通過99%（95%）的信度區(qū)域

由圖5和圖6可見，向東路徑蒙古氣旋的背景低頻環(huán)流型為正位相的斯堪的納維亞環(huán)流型（Barnston and Livezey, 1987; Bueh and Nakamura, 2007），它主要由斯堪的納維亞半島地區(qū)的正異常中心、貝加爾湖—巴爾喀什湖西北側(cè)的負(fù)異常中心以及環(huán)日本海地區(qū)正異常中心組成。該環(huán)流型形成初期，南歐至北非的負(fù)異常中心也比較明顯。這一環(huán)流型在東亞地區(qū)的兩個異常中心共同構(gòu)成了一個“西北低—東南高”的環(huán)流形勢，與之對應(yīng)的高空氣流具有準(zhǔn)緯向性，它使蒙古氣旋在向東或東北方向移動。

圖7所示為東南路徑氣旋的合成500 hPa高度異常場及其逐日演變過程。由500 hPa高度場分布可看出，與這類氣旋對應(yīng)，其背景環(huán)流的前兆信號最早出現(xiàn)在極區(qū)和次極區(qū)。從第－9天至第－5天（圖7a–c），極渦在東西伯利亞海、楚科奇海以及波弗特海一側(cè)顯著減弱，并伸向斯堪的納維亞半島至俄羅斯西部一側(cè)。與之對應(yīng)，在斯堪的納維亞半島至俄羅斯西部的地區(qū)形成一個負(fù)高度異常中心，并逐漸加強。與Rossby波能量頻散過程一致，上述負(fù)高度異常中心的東南側(cè)，即巴爾喀什湖和貝加爾湖之間形成了一個正高度異常中心，它也逐漸加強。到了第－3天（圖7d），俄羅斯西部的負(fù)高度異常中心達(dá)到其最強盛的時期。此時，極區(qū)的正高度異常中心加強和南伸，并與巴爾喀什湖一帶的正高度距平區(qū)連成一片。自第－1天至第1天（圖7e和f），環(huán)流形勢基本維持，但在我國東北至日本形成了一個負(fù)高度異常中心，并逐漸加強。這與Rossby波的能量頻散特征一致。東亞上空的這種“西高東低”環(huán)流形勢對應(yīng)著對流層中層的偏北引導(dǎo)氣流，促使蒙古氣旋向東南方向移動。

圖7 同圖5，但為東南路徑氣旋

自東南路徑氣旋生成后的第3天開始（圖7g–i），俄羅斯西部的異常中心明顯減弱并消失。在拉普捷夫海一帶和我國東北地區(qū)的兩個異常中心盡管有所減弱，但仍穩(wěn)定存在。在這一時段，由于東北氣旋式低頻環(huán)流的存在，大多數(shù)生命期大于4天的氣旋跨過120°E后向東或東北方向移動（見圖2c）。

從圖8可以看出，在第－5天，源自斯堪的納維亞半島/俄羅斯西部負(fù)高度異常中心的Rossby波能量向下游的巴爾喀什湖/貝加爾湖地區(qū)頻散。從第－3至－1天，自斯堪的納維亞半島的負(fù)高度異常經(jīng)巴爾喀什湖至中國東北地區(qū)的能量頻散進(jìn)一步加強，這有利巴爾喀什湖至貝加爾湖之間的正高度異常和中國東北地區(qū)的負(fù)高度異常的加強和維持。從第1天至第5天，上述的Rossby波能量的頻散特征逐漸減弱和消失，歐亞大陸的三個異常中心也隨之減弱。同時中國東北地區(qū)的正高度異常向下游的能量頻散而進(jìn)一步減弱。

圖8 同圖6，但為東南路徑氣旋

綜上，俄羅斯西部的負(fù)距平中心、自拉普捷夫海附近延伸到我國西北地區(qū)的正高度異常帶以及東北低渦環(huán)流共同組成的異常環(huán)流是東南路徑蒙古氣旋的背景低頻環(huán)流。極渦在東西伯利亞海、楚科奇海以及波弗特海一側(cè)顯著減弱并伸向斯堪的納維亞半島至俄羅斯西部是該背景低頻環(huán)流最早的前兆信號。

5 結(jié)論和討論

本文利用1948～2013年NCEP/NCAR逐日資料基于一個追蹤氣旋的客觀方法（Hodges，1994，1995，1996），統(tǒng)計了春季蒙古氣旋的生成地、路以及消亡地分布特征。根據(jù)春季蒙古氣旋的路徑分布，將其路徑分類為向東路徑和東南路徑，并對這兩類蒙古氣旋的個數(shù)以及強度的年際和年代際變化進(jìn)行了分析。本文還揭示了這兩類路徑氣旋的背景低頻環(huán)流特征。主要結(jié)論如下：

（1）蒙古氣旋主要產(chǎn)生于貝加爾湖以南蒙古地區(qū)以及貝加爾湖以東山脈背風(fēng)坡地區(qū)，并且多數(shù)蒙古氣旋在東北地區(qū)達(dá)到最強，還有一部分氣旋移入大洋并且達(dá)到最強，大多數(shù)氣旋消亡于我國東北地區(qū)及海上。

（2）根據(jù)蒙古氣旋的不同移動路徑，影響我國北方地區(qū)的蒙古氣旋主要有兩條路徑，分別為向東路徑和東南路徑。對于整個蒙古氣旋整體而言，其活動具有明顯的年代際變化特征。1950年代到1970年代初，蒙古氣旋個數(shù)偏少，1970年代到1990年代初，蒙古氣旋個數(shù)偏多，1990年代到2000年左右，蒙古氣旋個數(shù)又偏少，2000年至今蒙古氣旋個數(shù)又稍微偏多?？傮w來說，1960年代中期到1970年代末蒙古氣旋處于增多趨勢，1980年代初到1990年代末期蒙古氣旋數(shù)量處于下降趨勢，2000年以后又處于增多趨勢。兩類氣旋的生成個數(shù)也具有顯著的年代際變化。向東路徑氣旋在1950年代的個數(shù)偏少，1970年代至1990年代的個數(shù)整體偏多， 之后有所減少，但進(jìn)入21世紀(jì)后氣旋有個數(shù)呈現(xiàn)增多的趨勢。東南路徑氣旋在1970年代以前一直處于偏少階段，1970年代至1980年代中期處于偏多階段，2005年以后東南路徑氣旋個數(shù)有減少的趨勢。

（3）向東路徑氣旋與東南路徑蒙古氣旋對應(yīng)著不同的500 hPa環(huán)流場，向東路徑氣旋負(fù)異常中心位于貝加爾湖偏西北側(cè)，巴爾喀什湖以南以及日本地區(qū)為正異常中心。向東路徑蒙古氣旋的背景低頻環(huán)流型為正位相的斯堪的納維亞環(huán)流型（Barnston and Livezey, 1987; Bueh and Nakamura, 2007）。東南路徑氣旋負(fù)距平區(qū)位于貝加爾湖東南側(cè)，上游巴爾喀什湖以北以及拉普捷夫海有正距平中心出現(xiàn)，斯堪的納維亞半島為高度場負(fù)距平中心。俄羅斯西部的負(fù)距平中心、自拉普捷夫海附近延伸到我國西北地區(qū)的正高度異常帶以及東北低渦環(huán)流共同組成的異常環(huán)流是東南路徑蒙古氣旋的背景低頻環(huán)流。極渦在東西伯利亞海、楚科奇海以及波弗特海一側(cè)顯著減弱并伸向斯堪的納維亞半島至俄羅斯西部是該背景低頻環(huán)流最早的前兆信號。

本文更注重對蒙古氣旋生成地，消亡地以及路徑分布進(jìn)行具體的分析，并沒有對蒙古氣旋盛期時的位置及其強度進(jìn)行深入的探討，例如蒙古氣旋大多在東北地區(qū)達(dá)到盛期的原因以及其與東北冷渦的關(guān)系，還有蒙古氣旋在東北地區(qū)達(dá)到盛期后對當(dāng)?shù)卦斐傻奶鞖庥绊懖]有進(jìn)行具體深入的討論，有待之后進(jìn)行研究。

本文主要針對蒙古氣旋的不同路徑，揭示了其對應(yīng)的背景低頻環(huán)流特征，而對氣旋的生成、發(fā)展以及衰亡的天氣動力學(xué)過程則沒有涉及。自葉篤正和李麥村（1965）討論大氣地轉(zhuǎn)適應(yīng)過程以來，引起國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。對氣旋而言，其水平尺度小于Rossby波變形半徑，氣壓場會向流場適應(yīng)（陳秋士，1987）。對于氣旋的發(fā)展和移動來說，對流層低層大氣的斜壓性以及斜壓能量轉(zhuǎn)換是最重要的驅(qū)動機制。此外，斜壓波的能量頻散過程也對氣旋的發(fā)展和移動產(chǎn)生非常重要的作用（Chang and Orlanski, 1993）。本文中并沒有討論這些天氣動力學(xué)問題，因此有必要在將來的工作中通過典型個例及數(shù)值模擬等方法進(jìn)一步探討這些問題，以提高對氣旋發(fā)生發(fā)展的認(rèn)識。

從外強迫場來看，楊建玲等（2003）提出前秋北極海冰面積與寧夏春季沙塵暴頻數(shù)的負(fù)相關(guān)性，王艷玲（2005）也提出北大西洋的墨西哥灣流區(qū)是對春季北方氣旋活動頻數(shù)持續(xù)作用的關(guān)鍵海區(qū)。邵太華（2011）也提出冬季北大西洋濤動會對中國春季氣候造成明顯的影響，因此未來對春季蒙古氣旋與NAO、AO的關(guān)系，春季蒙古氣旋與海溫、海冰的關(guān)系亦值得進(jìn)一步研究。

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Mongolian Cyclones That Influence the Northern Part of China in Spring and Their Associated Low-Frequency Background Circulations

HUANG Xin1, 2, BUEH Cholaw3, XIE Zuowei3, and GONG Yuanfa1

1,610225,2,710014,3,,,100029

Based on the four times daily NCEP–NCAR reanalysis dataset, the 850 hPa relative vorticity cyclone tracking method was employed to identify the genesis, lysis, and maturing regions, and the different track distributions, in Mongolian cyclones for the years 1948–2013 in spring. According to the different distributions of the Mongolian cyclone tracks, two types of Mongolian cyclones were defined: One with eastward-oriented tracks and the other with southeastward-oriented tracks. The interannual and interdecadal variations of these two categories with respect to the frequencies and intensities of Mongolian cyclones were also investigated. Meanwhile, the low-frequency background circulation patterns of the two categories were revealed. The main conclusions are as follows: (1) Mongolian cyclones mainly formed over the leeward side of mountains to the south and east of Lake Baikal and enhanced in northeastern China and eastern Mongolia. Most cyclones died out in Northeast Asia and its adjacent seas. (2) There was obvious decadal variation in the two categories of Mongolian cyclones. The frequency of the ‘east path’ Mongolian cyclones was below the norm in the 1950s, above the norm in the 1970s and 1980s, below the norm in the 1990s, and has shown an increasing trend since the beginning of the 21st century. The ‘southeast path’ Mongolian cyclones occurred less than average before the 1970s, more than average from the 1970s and mid-1980s, and then decreased again after 2005. (3) The positive phase of the Scandinavian pattern—formed by a negative anomaly center around the North Atlantic to the Mediterranean, a positive center around Scandinavia, a negative center around Lake Baikal, and the opposite over Japan—was the main background circulation of ‘east path’ Mongolian cyclones. The background circulation of ‘southeast path’ Mongolian cyclones was characterized by a negative height anomaly over West Russia, a positive height anomaly over the region from the Laptev Sea to Northwest China, and the Northeast China cold vortex circulation.

Mongolian cyclone, Cyclone frequency, Cyclone path, Background circulation

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14348.

1006-9895(2016)03-0489-15

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14348

2014-12-29；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-05-25

黃鑫，男，1989年出生，碩士，主要從事蒙古氣旋與沙塵研究。E-mail: nuist208@sina.cn

布和朝魯，E-mail: bueh@lasg.iap.ac.cn

國家自然科學(xué)基金項目41375064，國家科技支撐項目2015BAC03B03

Founded by National Natural Science Foundation of China (Grant 41375064), National Key Technology Support Program (Grant 2015BAC03B03)

黃鑫，布和朝魯，謝作威，等. 2016. 春季影響中國北方地區(qū)的蒙古氣旋及其背景環(huán)流 [J]. 大氣科學(xué), 40 (3): 489?503. Huang Xin, Bueh Cholaw, Xie Zuowei, et al. 2016. Mongolian cyclones that influence the northern part of China in spring and their associated low-frequency background circulations [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 489?503,