史楠 王召民，2 何海倫

(1 河海大學(xué) 海洋學(xué)院， 南京 210098;2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海) ，廣東 珠海 519082;3 自然資源部第二海洋研究所， 杭州 310012)

引 言

北極地區(qū)是指位于地球最北端的廣泛區(qū)域，是地球上氣候最敏感的地區(qū)之一。作為地球最大的冷源之一，也是大氣海洋物質(zhì)能量交換的重要地區(qū)之一，北極在全球氣候系統(tǒng)的形成和變化當(dāng)中起著重要的作用[1]。

溫帶氣旋是指活動(dòng)在南北半球中高緯度地區(qū)的斜壓性低壓渦旋[2-3]，其發(fā)生時(shí)往往伴隨著大風(fēng)、強(qiáng)降水、降雪等天氣，是影響中高緯度天氣變化的重要天氣系統(tǒng)之一[4-6]?；顒?dòng)在北極地區(qū)的溫帶氣旋可根據(jù)生成位置的不同被分為兩類：一類生成于北極區(qū)域內(nèi)；另一類生成于北極區(qū)域以南并向北移動(dòng)進(jìn)入極地。其中第二類氣旋在向北移動(dòng)過程中所伴隨的大風(fēng)和降水等促進(jìn)了中高緯度熱量和能量的交換，對極地大氣、海洋和海冰有著重要的影響。例如Sorteberg， et al[7]統(tǒng)計(jì)了跨越70°N進(jìn)入北極的氣旋，發(fā)現(xiàn)在不同季節(jié)氣旋個(gè)數(shù)與進(jìn)入北極的總水汽輸送之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，尤其是在格陵蘭海和東西伯利亞海域。進(jìn)一步研究表明，水汽輸送的變化會(huì)導(dǎo)致由云和水蒸氣影響的極地輻射收支的變化[7-9]。ZHANG， et al[10]將北極劃分為北極邊緣區(qū)域(60°～70°N)和北極中心區(qū)域(70°～90°N)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的氣旋活動(dòng)存在同步的相位和幅值變化，并共同主導(dǎo)了整個(gè)北極區(qū)域內(nèi)氣旋活動(dòng)的變化。由此可見，進(jìn)入北極的溫帶氣旋與北極地區(qū)氣候存在密切的聯(lián)系，研究進(jìn)入極區(qū)溫帶氣旋的活動(dòng)特征及其變化規(guī)律具有十分重要的意義。

自動(dòng)氣旋識別追蹤算法常被國內(nèi)外學(xué)者用來進(jìn)行溫帶氣旋的研究工作。ZHANG， et al[10]分析了1948—2002年進(jìn)入北極的溫帶氣旋的逐年變化特征，發(fā)現(xiàn)從中緯度進(jìn)入北極的氣旋強(qiáng)度和個(gè)數(shù)均有所增加，特別是在夏季。進(jìn)一步地，ZHANG， et al[10]還指出，進(jìn)入北極的氣旋增強(qiáng)主要與生成于北大西洋和歐亞大陸區(qū)域的氣旋變化相關(guān)。秦聽等[11]對1979—2012年生成于65°N以南北上進(jìn)入極圈的氣旋時(shí)空特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該類氣旋強(qiáng)度和數(shù)量具有明顯的季節(jié)變化，且氣旋年總數(shù)呈現(xiàn)顯著減少趨勢。Hong， et al[12]對近36 a冬季北大西洋的氣旋軌跡進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，正北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation, NAO)位相造成的急流增強(qiáng)有利于強(qiáng)氣旋的發(fā)展，并且氣旋越強(qiáng)越傾向于向極地移動(dòng)。雖然一些學(xué)者對進(jìn)入北極地區(qū)的溫帶氣旋時(shí)空特征進(jìn)行了分析，但是對其背后的影響因素以及年際變化研究涉及較少。以往的研究表明，相比于其他三個(gè)季節(jié)，夏季氣旋的數(shù)量最多[10]。同時(shí)，由于夏季海冰較少，利于北極航道開通[13-14]。因此，進(jìn)一步考察夏季進(jìn)入北極地區(qū)的溫帶氣旋活動(dòng)的年際變化，探究影響夏季進(jìn)入北極地區(qū)氣旋活動(dòng)的因素具有重要的意義。在前人的基礎(chǔ)上，主要考察北半球夏季(6—8月)進(jìn)入北極地區(qū)溫帶氣旋的年際變化特征，分析大尺度大氣環(huán)流模態(tài)、大氣斜壓不穩(wěn)定性等因素對氣旋的向極運(yùn)動(dòng)以及氣旋強(qiáng)度和個(gè)數(shù)年際變化的影響。

1 資料和方法

1.1 資料介紹

采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)發(fā)布的第二代逐6 h再分析數(shù)據(jù)，時(shí)段為1979—2019年，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向共17層[15]。使用變量包括海平面氣壓、位勢高度、溫度、水平風(fēng)場等。NAO指數(shù)為美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)提供的逐日產(chǎn)品。

1.2 氣旋識別方法

目前，對于溫帶氣旋的識別和追蹤主要有兩種方法，一種是基于不同大氣層的局地天氣尺度相關(guān)頻帶的濾波方差，即歐拉方法[16-17]；另一種是拉格朗日法，也叫特征追蹤法，它首先通過不斷與鄰近格點(diǎn)比較數(shù)據(jù)的方法來判斷備選氣旋中心的位置，然后跟蹤其隨時(shí)間的演變[10，18-19]。與歐拉法相比，該方法能更全面地統(tǒng)計(jì)氣旋的氣候特征，包括生成頻率、移動(dòng)速度、持續(xù)時(shí)間等，常用來識別溫帶氣旋的特征場包括海平面氣壓、位勢高度以及渦度等。Hoskins， et al[20]將使用渦度場和海平面氣壓場作為特征場的追蹤結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者在對氣旋特征的描述上高度一致，盡管渦度場更適用于識別小尺度低壓渦旋系統(tǒng)，而海表平氣壓則更適用于識別移動(dòng)較慢的大尺度低壓系統(tǒng)。

采用ZHANG， et al[10]改進(jìn)的基于海平面氣壓的氣旋自動(dòng)識別與追蹤方法，該方法為拉格朗日法[10]，被廣泛運(yùn)用于溫帶氣旋的識別和追蹤[21]。由于資料時(shí)空分辨率可能會(huì)影響氣旋的識別，因此采用的數(shù)據(jù)集與ZHANG， et al保持一致，研究時(shí)間段為1979—2019年。氣旋識別時(shí)不涉及去除氣候態(tài)的處理，因此在判別時(shí)未考慮長期趨勢的影響。同時(shí)，參考ZHANG， et al[10]的定義，氣旋強(qiáng)度定義為逐6 h記錄的軌跡上氣旋中心氣壓值相對于局地氣壓氣候態(tài)差值的平均，氣旋持續(xù)時(shí)間定義為氣旋出現(xiàn)和消亡的時(shí)間之差。由于60°N與北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation， AO)模態(tài)零度線的位置大致對應(yīng)，從大氣環(huán)流的角度來講是“極區(qū)”與中緯度之間的分界線。因此，文中北極區(qū)域被定義為60°N以北的廣泛區(qū)域。北極區(qū)域被劃分為北極邊緣區(qū)域(60°～70°N)和北極中心區(qū)域(70°～90°N)兩個(gè)子區(qū)域，中緯度則定義為(30°～60°N)的區(qū)域。研究表明，北極邊緣區(qū)域是中緯度氣旋活動(dòng)直接影響的地區(qū)[10]。

1.3 Eady增長率

Charney[22]和Eady[23]提出的斜壓不穩(wěn)定性理論為氣旋的形成提供了物理解釋[24]。對于描述不穩(wěn)定擾動(dòng)波的發(fā)展快慢，Eady 模態(tài)中衍生出的叫做最大Eady增長率(Eady Growth Rate， EGR)的指標(biāo)常被用來衡量氣旋發(fā)展和增強(qiáng)的潛力[25-26]。參考Paciore， et al[27]和Vallis[28]方法，公式如下：

(1)

式中：f為科里奧利參數(shù)；N為Brunt-Vaisala頻率；v為緯向風(fēng)；z表示垂直高度；詳細(xì)描述參考Koyama， et al[29]研究。

2 結(jié)果

2.1 氣旋基本統(tǒng)計(jì)特征

基于1.2節(jié)方法，可以追蹤到1979—2019年北半球夏季(6—8月)在中緯度地區(qū)生成后進(jìn)入極區(qū)的溫帶氣旋共867個(gè)(圖1a)。其中，消失在北極邊緣區(qū)域的氣旋為688個(gè)，占總數(shù)的79.4%，消失在北極中心區(qū)域的氣旋為161個(gè)(圖1b)，另有18個(gè)氣旋在進(jìn)入極區(qū)后又向南移動(dòng)最終在中緯度地區(qū)消亡。采用了1°×1°的逐6 h 的ERA5再分析數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，共識別出氣旋818個(gè)，且氣旋路徑的空間分布相似(圖略)。對氣旋強(qiáng)度進(jìn)行氣候平均發(fā)現(xiàn)，與消亡在邊緣區(qū)域的氣旋相比，進(jìn)入北極中心區(qū)域的氣旋平均強(qiáng)度更大，為15.4 hPa，平均持續(xù)時(shí)間達(dá)87.4 h，比進(jìn)入邊緣區(qū)域的氣旋高出約1 d (20 h；表1)。此外，本文進(jìn)一步關(guān)注了強(qiáng)氣旋的分布特征。參考ZHANG， et al[10]的定義，使用中心氣壓氣候異常值來表示強(qiáng)度的大小，并選取35 hPa作為強(qiáng)氣旋的閾值。該值在疊加氣候態(tài)后，得到的絕對氣壓值接近975 hPa。結(jié)果表明，夏季進(jìn)入北極的強(qiáng)氣旋共21個(gè)，約占?xì)庑倲?shù)的3%。其中大部分(16個(gè))直接影響的是北極邊緣區(qū)域，另有5個(gè)氣旋深入了北極中心區(qū)域，分別約占進(jìn)入邊緣區(qū)域和中心區(qū)域氣旋個(gè)數(shù)的2%和3%(表1)。綜合以上分析可以看出，強(qiáng)度較大、持續(xù)時(shí)間較長的氣旋更容易直接對北極中心區(qū)域造成影響。

圖1 1979—2019年夏季跨越中緯度溫帶氣旋的移動(dòng)路徑(黃色折線表示強(qiáng)氣旋的路徑; (a)和(b)中的黑粗線分別為60°N和70°N的位置) : (a) 60°N ;(b) 70°NFig.1 Tracks of mid-latitude cyclones crossing in the summer of 1979-2019(The curves in yellow represent tracks of cyclones with high intensity;the bold black lines in (a) and (b) are the locations of 60°N and 70°N): (a) 60°N; (b) 70°N

為了更詳細(xì)地分析進(jìn)入北極中緯度溫帶氣旋的區(qū)域分布特征，根據(jù)海陸分布范圍將北極地區(qū)分為4個(gè)子區(qū)域[10]：北大西洋(70°W～20°E)、北太平洋(140°E～120°W)、歐亞大陸(20°～140°E)和北美大陸(120°～70°W)。分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)氣旋活動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)夏季從陸地進(jìn)入極區(qū)的氣旋較多，約占53%，其中大部分是從歐亞大陸進(jìn)入(表2)。而強(qiáng)氣旋的情況則有所不同，約75%的強(qiáng)氣旋由海洋進(jìn)入，特別是北大西洋區(qū)域。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，從北太平洋進(jìn)入極區(qū)的平均氣旋強(qiáng)度是4個(gè)區(qū)域中最大的，為15.5 hPa，持續(xù)時(shí)間也是最長的，平均近78 h(表2)。與持續(xù)時(shí)間相聯(lián)系的是氣旋的移動(dòng)距離。從圖1可以看出，進(jìn)入北極的溫帶氣旋均呈現(xiàn)向東向北運(yùn)動(dòng)的特征。整體而言，氣旋緯向移動(dòng)距離大于經(jīng)向移動(dòng)距離，最大平均值分別為北大西洋區(qū)域的24.6°和北太平洋區(qū)域的14.9°(表2)，即北大西洋的氣旋在生成后向東移動(dòng)的距離更遠(yuǎn)，而北太平洋的氣旋更容易向北移動(dòng)?？偟膩碚f，夏季從陸地進(jìn)入極區(qū)的氣旋個(gè)數(shù)較多，而從海洋進(jìn)入極區(qū)的氣旋強(qiáng)度更大，活動(dòng)更為劇烈。

表1 1979—2019年夏季進(jìn)入北極中緯度溫帶氣旋的統(tǒng)計(jì)(氣旋按消亡位置所在緯度分為三類)Table 1 Statistics of mid-latitude cyclones that entered the Arcticin the summer of 1979-2019 (cyclones are divided into three categories according to the latitude where they died)

表2 1979—2019年夏季從不同區(qū)域進(jìn)入北極的中緯度溫帶氣旋各類活動(dòng)特征的氣候態(tài)平均分布Table 2 Climatic of characteristics of mid-latitude extratropical cyclones that entered the Arctic from four subregions in summer of 1979-2019

2.2 氣旋活動(dòng)年際變化特征

圖2 1979—2019年夏季(a)北半球及(b—e)4個(gè)子區(qū)域進(jìn)入極區(qū)中緯度溫帶氣旋強(qiáng)度(紅色折線)和個(gè)數(shù)(黑色折線)的時(shí)間序列:(b) 北大西洋; (c) 北太平洋;(d) 歐亞大陸;(e)北美地區(qū)Fig.2 Time series of counts (the black line) and intensities (the red line) of cyclones entering the Arctic which generated in the mid-latitude of the (a) Northern Hemisphere and (b-e)four subregions in the summer from 1979 to 2019:(b) North Atlantic Ocean;(c) North Pacific Ocean;(d) Eurasia;(e) North America

圖3 1979—2019年夏季進(jìn)入北極中緯度溫帶氣旋(a)個(gè)數(shù)和(b)強(qiáng)度時(shí)間序列的譜分析(紅色虛線和紅色實(shí)線分別表示α=0.05和α=0.1的顯著性水平)Fig.3 Spectral analysis of the time series of the cyclone trajectory count (a) and intensity (b) for the cyclones entering the Arctic in summer from 1979 to 2019(The red dotted and solid lines indicate significance levels of 95% and 90%， respectively)

從個(gè)數(shù)與強(qiáng)度兩個(gè)方面考察了氣旋活動(dòng)的年際變化。從圖2a中可以看出，1979—2019年夏季進(jìn)入極區(qū)的氣旋個(gè)數(shù)和強(qiáng)度均存在年際變化特征，其中氣旋個(gè)數(shù)的年際變率較為顯著?？傮w而言，夏季年平均氣旋數(shù)變化范圍為10～30個(gè)，最大值出現(xiàn)在1980、1986以及1989年，為28個(gè)；最低值出現(xiàn)在2004年，為13個(gè)。對氣旋個(gè)數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行譜分析發(fā)現(xiàn)，在年際時(shí)間尺度上，氣旋個(gè)數(shù)存在5 a左右的低頻振蕩周期(圖2a、3a；結(jié)果通過了α=0.1,但未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))。氣旋強(qiáng)度的分析結(jié)果顯示其變化范圍為10～20 hPa，最大值出現(xiàn)在1999年，為17.2 hPa；最低值出現(xiàn)在1987年，為10.8 hPa。譜分析結(jié)果顯示，其存在一個(gè)約2.7 a的振蕩周期(圖3b；結(jié)果通過了α=0.1,但未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))。圖2b—2e顯示了不同子區(qū)域的結(jié)果，從時(shí)間序列以及標(biāo)準(zhǔn)差的大小可以看出，氣旋個(gè)數(shù)和強(qiáng)度變化最顯著的區(qū)域分別為北大西洋和北美。無論是氣旋個(gè)數(shù)還是強(qiáng)度，在不同區(qū)域均未看見明顯的變化趨勢。

2.3 影響因素分析

觀測資料和模擬結(jié)果揭示的影響溫帶氣旋生成和移動(dòng)的多方面因素中，背景場大尺度環(huán)流是其中的重要因素之一[30-31]。GENG， et al[30]分析北大西洋氣旋活動(dòng)指出，氣旋的移動(dòng)與大尺度環(huán)流密切相關(guān)，其造成的大氣斜壓不穩(wěn)定性是氣旋維持和發(fā)展的重要因素之一。那么夏季進(jìn)入北極的氣旋路徑是否受到了大尺度背景場環(huán)流的影響？圖4顯示了各個(gè)區(qū)域夏季氣旋生成時(shí)刻對流層低層、中層和高層位勢高度異常的合成。從圖中可以看出四個(gè)區(qū)域氣旋生成時(shí)的位勢高度異常從850 hPa到200 hPa呈現(xiàn)相對一致的分布，即在整個(gè)對流層表現(xiàn)為準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，高層風(fēng)壓場主導(dǎo)了整層的大氣環(huán)流狀況，這與Hong， et al[12]的結(jié)果相一致。為了更好地表征整個(gè)氣旋移動(dòng)過程的平均環(huán)流，將其活動(dòng)期間所有時(shí)刻的合成結(jié)果進(jìn)行了平均(圖5)。結(jié)果顯示，不同區(qū)域之間的空間分布特征差異較大。其中北大西洋區(qū)域顯著正異常值廣泛分布在40°N左右的北美東部以及北歐的波的尼亞灣地區(qū)，負(fù)異常值分布在冰島以及格陵蘭島的南部。這一分布模態(tài)加強(qiáng)了冰島低壓區(qū)和亞速爾高壓區(qū)之間的經(jīng)向壓力梯度，在科氏力的作用下，有利于中緯度地區(qū)西風(fēng)的加強(qiáng) (圖5a)。同樣，對氣旋移動(dòng)期間對流層850～200 hPa風(fēng)速異常的合成結(jié)果求平均，發(fā)現(xiàn)在正負(fù)異常中心之間的區(qū)域，也就是挪威海附近，存在吹向極地的南風(fēng)。結(jié)合氣旋移動(dòng)路徑我們可以看出，引導(dǎo)氣流的分布與氣旋的運(yùn)動(dòng)路徑基本是一致的。即氣旋在中緯度地區(qū)生成后，先向東移動(dòng)然后向北進(jìn)入極區(qū)(圖5e)。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，對流層內(nèi)格陵蘭島南部和挪威海附近的背景場大尺度引導(dǎo)氣流是影響北大西洋地區(qū)中緯度溫帶氣旋進(jìn)入北極的重要因素。類似的，對于北太平洋區(qū)域，位勢高度的負(fù)異常中心位于白令海峽西部的楚科奇半島，正異常中心則主要分布在40°N左右的太平洋西部以及阿拉斯加灣的南部海域。這一分布導(dǎo)致在阿拉斯加半島附近形成了向北的引導(dǎo)氣流(圖5b)，從而有利于中緯度地區(qū)生成的溫帶氣旋向極區(qū)進(jìn)行移動(dòng)(圖5f)。同樣，在北美地區(qū)能看見引導(dǎo)氣流與氣旋路徑之間類似的對應(yīng)關(guān)系(圖5d、5h)。然而對于歐亞大陸地區(qū)，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的向極引導(dǎo)氣流，同時(shí)該區(qū)域氣旋路徑的分布也較為均勻(圖5c、5g)。這表明在夏季的陸地上，影響氣旋運(yùn)動(dòng)方向的因素可能更為復(fù)雜，引導(dǎo)氣流只是其中一方面的原因。

圖5 不同區(qū)域氣旋移動(dòng)期間對流層平均(850～200 hPa)位勢高度異常(陰影， 單位: gpm)和風(fēng)速異常(箭矢單位: m·s-1;風(fēng)速大于1 m·s-1)的合成((e—h)與(a—d)的陰影部分相同; 白點(diǎn)標(biāo)記為通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn); 藍(lán)色折線表示所有進(jìn)入北極溫帶氣旋的移動(dòng)路徑; 黃色折線表示強(qiáng)氣旋的路徑): (a、e)北大西洋; (b、f)北太平洋; (c、g)歐亞大陸; (d、h)北美地區(qū)Fig.5 Composite tropospheric (averaged between 850 hPa and 200 hPa) geopotential height anomalies (units: gpm) and wind anomalies (units: m·s-1， wind speeds greater than 1 m·s-1are plotted) on the cyclone activity dates in four subregions(The shading in (e-h) is same as that in (a-d)， and the white dots indicate anomalies exceed the 95% significance test;Curves in blue represent tracks of cyclones entering the Arctic， and curves in yellow represent those with high intensity): (a， e)North Atlantic Ocean; (b， f) North Pacific Ocean; (c， g) Eurasia; (d， h) North America

此外，圖5中氣旋移動(dòng)期間北大西洋位勢高度異常的合成結(jié)果與NAO正相位模態(tài)在空間分布上具有較強(qiáng)的相似性，與GENG， et al[30]結(jié)論一致。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，夏季氣旋強(qiáng)度的時(shí)間序列與夏季NAO指數(shù)之間具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.45(P<0.1)(圖6)。結(jié)果表明，當(dāng)NAO正相位發(fā)生時(shí)，進(jìn)入北極的溫帶氣旋有加強(qiáng)的趨勢。有研究認(rèn)為，NAO處于正相位時(shí)，適合氣旋發(fā)展的區(qū)域更廣，更有利于氣旋強(qiáng)度的增大和持續(xù)時(shí)間的增長[32]。然而對于氣旋個(gè)數(shù)，相關(guān)系數(shù)僅為0.26，即NAO指數(shù)并不能很好的解釋夏季氣旋個(gè)數(shù)的年際變化。

圖6 1979—2019年夏季NAO指數(shù)、氣旋個(gè)數(shù)和平均氣旋強(qiáng)度的時(shí)間序列(其中R1為NAO指數(shù)與氣旋個(gè)數(shù)的相關(guān)系數(shù);R2為NAO指數(shù)與平均氣旋強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù))Fig.6 Time series of NAO index， counts and intensity of cyclones during the summer of 1979-2019(R1 (R2) is the correlation coefficient between NAO index and counts (intensity) of cyclones)

除了大尺度的大氣環(huán)流模態(tài)外，生成源地也是影響氣旋進(jìn)入北極的重要因素，其主要受到中緯度大氣斜壓不穩(wěn)定的影響[17]。參考前人研究，采用Eady增長率來表征大氣的斜壓不穩(wěn)定性，其正異常值表示渦旋增長速率的增加。圖7展示了4個(gè)不同區(qū)域內(nèi)的氣旋生成時(shí)刻異常的合成，可以看出，4個(gè)子區(qū)域內(nèi)的正異常值均主要沿緯向集中分布在50°～60°N，這也是進(jìn)入極區(qū)的中緯度溫帶氣旋最容易生成的區(qū)域。其中，北大西洋正異常中心位于格陵蘭島和冰島南部，最大值為0.11 d-1(圖7a)。北太平洋地區(qū)正異常值相對更加顯著，最大值為0.2 d-1(圖7b)，同時(shí)緯向分布范圍也更廣，幾乎貫穿整個(gè)北太平洋地區(qū)。對于陸地區(qū)域，其正異常值的大小和分布范圍均相對較小，特別是北歐地區(qū)(圖7c、7d)。

圖7 1979—2019年夏季不同區(qū)域氣旋生成時(shí)刻Eady增長率異常(單位: d-1)的合成 (白色標(biāo)記為異常值通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)): (a)北大西洋; (b)北太平洋; (c)歐亞大陸; (d)北美Fig.7 Composite Eady growth rate anomalies (units: d-1) on the initial dates of the cyclones of the summer in 1979-2019(the white dots indicate that anomalies exceed the 95% significance test) in: (a) North Atlantic Ocean; (b) North Pacific Ocean; (c) Eurasia; (d) North America

圖8 不同區(qū)域平均Eady增長率(EGR， 黑色折線， 單位：d-1)和(a、c、e、g)氣旋個(gè)數(shù)(紅色折線)的時(shí)間序列以及(b、d、f、h)線性回歸(藍(lán)色直線): (a) 北大西洋; (b) 北太平洋; (c) 歐亞大陸; (d)北美地區(qū)Fig.8 Time series of regional averaged Eady growth rate (black curves， units: d-1) with (a， c， e， g)counts of cyclones (red curves) in four subregions and (b， d， f， h)linear regression (blue line): (a) North Atlantic Ocean; (b) North Pacific Ocean;(c) Eurasia; (d) North America

圖9 不同區(qū)域平均Eady增長率(EGR， 黑色折線， 單位: d-1)和(a、c、e、g)氣旋強(qiáng)度(紅色折線)的時(shí)間序列以及(b、d、f、h)線性回歸(藍(lán)色直線) : (a、b) 北大西洋;(c、d) 北太平洋;(e、f) 歐亞大陸;(g、h)北美地區(qū) Fig.9 Time series of regional averaged Eady growth rate (black curves， units: d-1) and (a， c， e， g) cyclone intensity (red curves) in four subregions and (b， d， f， h)linear regression (blue line): (a,b) North Atlantic Ocean;(c,d) North Pacific Ocean; (e,f) Eurasia; (g,h) North America

對比圖7與圖4—5可以發(fā)現(xiàn)，Eady增長率和引導(dǎo)氣流之間存在著密切的相關(guān)性，即的正異常值主要分布在位勢高度異常經(jīng)向梯度最大的區(qū)域，與引導(dǎo)氣流的分布相一致。結(jié)合前人的研究可知，增強(qiáng)的急流有利于Eady增長率的增強(qiáng)[12]。隨著引導(dǎo)氣流逐漸向北，Eady增長率正異常值也向北移動(dòng)。由于大氣斜壓性是氣旋發(fā)生發(fā)展的重要能量來源，所以氣旋位置也隨之移動(dòng)，形成了氣旋路徑。

分析Eady增長率對進(jìn)入北極地區(qū)氣旋活動(dòng)年際變化的影響。選取圖7各個(gè)子區(qū)域中正異常值較為顯著的區(qū)域(圖7中紅色扇形區(qū)域)，并對該區(qū)域求平均。結(jié)果如圖8所示，4個(gè)子區(qū)域的夏季平均均表現(xiàn)出了顯著的年際變化，其振幅范圍為0.31～0.63 d-1，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.05，分布在北大西洋區(qū)域。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域平均的時(shí)間序列與氣旋個(gè)數(shù)的時(shí)間序列之間具有一定的相關(guān)性，結(jié)果表明，北大西洋和北太平洋區(qū)域的相關(guān)系數(shù)較大，分別為0.41和0.40 (圖8b、8d)，而在北美區(qū)域略小為0.36?？梢?，這3個(gè)區(qū)域進(jìn)入北極的溫帶氣旋個(gè)數(shù)的年際變化在一定程度上受到年際變化的影響。而對于歐亞大陸區(qū)域，相關(guān)性分析的結(jié)果沒有通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖8e、8f)。結(jié)合圖7可以看出，該區(qū)域氣旋生成時(shí)正異常值的大小和分布范圍均較小，說明對于從陸地特別是歐亞大陸進(jìn)入極區(qū)的氣旋來說，引起其氣旋生成以及氣旋個(gè)數(shù)年際變化的因素較為復(fù)雜，值得進(jìn)一步研究。對于氣旋強(qiáng)度的年際變化，其與的相關(guān)性在北太平洋地區(qū)最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.51(圖9d)，說明斜壓不穩(wěn)定性不僅影響氣旋的形成，也影響氣旋的強(qiáng)化。

此外，氣旋活動(dòng)不僅受到氣旋生成區(qū)域大氣斜壓不穩(wěn)定性的影響，其在移動(dòng)過程中還會(huì)受到局地大氣和海洋條件的影響。例如北極鋒區(qū)(Arctic Front Zone， AFZ)在夏季具有較大的海陸熱對比，這些差異通過海岸線兩側(cè)不同的輻射熱和湍流通量轉(zhuǎn)移到大氣中，造成斜壓不穩(wěn)定，進(jìn)一步加深了已存在的氣旋[33-34]。圖10顯示了不同區(qū)域氣旋生成時(shí)刻不同氣壓層上溫度異常的平均經(jīng)向分布。從合成結(jié)果可以看出北大西洋、北太平洋和北美區(qū)域均存在較為顯著的溫度異常。其中北太平洋區(qū)域的溫度梯度最大，在60°N附近均存在較為明顯的峰區(qū)，且從對流層底部一直延伸到對流層頂部(圖10b)。北大西洋區(qū)域的峰面相比太平洋略微南移，分布在45°～55°N，這一范圍與圖7中 Eady增長率(EGR)的分布范圍相對應(yīng)。根據(jù)熱成風(fēng)原理，在氣壓層p0和p1(p1

(2)

其中：〈T〉表示p0和p1兩個(gè)氣壓層之間的平均溫度；R為干空氣常數(shù)；f為科氏參數(shù)[35]。

圖10 4個(gè)不同區(qū)域氣旋生成時(shí)刻不同氣壓層上溫度異常的合成(單位: K; 黑點(diǎn)標(biāo)記的是通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)的部分): (a)北大西洋(70°W～20°E); (b)北太平洋(140°E～120°W);(c)歐亞大陸(20°～140°E); (d)北美(120°～70°W)Fig.10 Composites of zonally averaged temperature anomalies (units: K; the black dots mark the sections that pass the 95% significance test) on the initial dates of the cyclones in: (a) North Atlantic Ocean(70°W-20°E);(b) North Pacific Ocean(140°E-120°W);(c) Eurasia(20°-140°E); (d) North America(120°-70°W)

3 結(jié)論

使用ZHANG， et al[10]改進(jìn)的氣旋自動(dòng)識別和跟蹤算法，分析了1979—2019年夏季進(jìn)入北極的中緯度溫帶氣旋。在此基礎(chǔ)上，考察了該類氣旋數(shù)量和強(qiáng)度的年際變化及其影響因素。結(jié)果共識別出該類氣旋867個(gè)，其中消失在北極邊緣區(qū)域和中心區(qū)域的數(shù)量分別為688個(gè)和161個(gè)，且進(jìn)入北極中心區(qū)域的氣旋平均強(qiáng)度更大、平均持續(xù)時(shí)間更長。進(jìn)一步分區(qū)域統(tǒng)計(jì)顯示，夏季從陸地進(jìn)入極區(qū)的氣旋個(gè)數(shù)較多，而從海洋進(jìn)入的強(qiáng)度更大，活動(dòng)更為劇烈。對氣旋數(shù)量和強(qiáng)度的逐年序列進(jìn)行譜分析發(fā)現(xiàn)兩者均表現(xiàn)出明顯的低頻振蕩，周期分別約為5 a和2.7 a。為了揭示影響中緯度氣旋北移的因素，通過對4個(gè)不同子區(qū)域氣旋活動(dòng)期間對流層內(nèi)位勢高度和風(fēng)場的異常進(jìn)行了合成，發(fā)現(xiàn)氣旋路徑與合成得到的氣流方向基本一致。這表明中緯度溫帶氣旋生成之后的向極移動(dòng)受到不同區(qū)域?qū)α鲗觾?nèi)引導(dǎo)氣流的影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，位勢高度異常的空間分布與NAO模態(tài)相似，反映了大尺度大氣環(huán)流的影響。此外，中緯度地區(qū)的Eady增長率存在顯著的年際變化，尤其是北大西洋和北太平洋地區(qū)。氣旋個(gè)數(shù)和強(qiáng)度的時(shí)間序列也與北太平洋和北美區(qū)域平均Eady增長率存在一定的相關(guān)性，表明中緯度大氣斜壓不穩(wěn)定性對進(jìn)入極區(qū)氣旋活動(dòng)的年際變化有一定的影響。

影響夏季氣旋進(jìn)入極區(qū)和其個(gè)數(shù)和強(qiáng)度的年際變化的因素有很多，本文主要通過統(tǒng)計(jì)方法研究了中緯度地區(qū)大尺度大氣環(huán)流和大氣斜壓不穩(wěn)定的影響，未來還需要使用高分辨率的大氣或大氣—海洋耦合模式對其影響的動(dòng)力過程進(jìn)行進(jìn)一步的研究。