夏季进入北极温带气旋的活动特征及其影响因素

史楠 王召民，2 何海伦

(1 河海大学 海洋学院， 南京 210098;2 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) ，广东 珠海 519082;3 自然资源部第二海洋研究所， 杭州 310012)

引 言

北极地区是指位于地球最北端的广泛区域，是地球上气候最敏感的地区之一。作为地球最大的冷源之一，也是大气海洋物质能量交换的重要地区之一，北极在全球气候系统的形成和变化当中起着重要的作用[1]。

温带气旋是指活动在南北半球中高纬度地区的斜压性低压涡旋[2-3]，其发生时往往伴随着大风、强降水、降雪等天气，是影响中高纬度天气变化的重要天气系统之一[4-6]。活动在北极地区的温带气旋可根据生成位置的不同被分为两类：一类生成于北极区域内；另一类生成于北极区域以南并向北移动进入极地。其中第二类气旋在向北移动过程中所伴随的大风和降水等促进了中高纬度热量和能量的交换，对极地大气、海洋和海冰有着重要的影响。例如Sorteberg， et al[7]统计了跨越70°N进入北极的气旋，发现在不同季节气旋个数与进入北极的总水汽输送之间均存在显著的正相关关系，尤其是在格陵兰海和东西伯利亚海域。进一步研究表明，水汽输送的变化会导致由云和水蒸气影响的极地辐射收支的变化[7-9]。ZHANG， et al[10]将北极划分为北极边缘区域(60°～70°N)和北极中心区域(70°～90°N)，发现进入这两个区域内的气旋活动存在同步的相位和幅值变化，并共同主导了整个北极区域内气旋活动的变化。由此可见，进入北极的温带气旋与北极地区气候存在密切的联系，研究进入极区温带气旋的活动特征及其变化规律具有十分重要的意义。

自动气旋识别追踪算法常被国内外学者用来进行温带气旋的研究工作。ZHANG， et al[10]分析了1948—2002年进入北极的温带气旋的逐年变化特征，发现从中纬度进入北极的气旋强度和个数均有所增加，特别是在夏季。进一步地，ZHANG， et al[10]还指出，进入北极的气旋增强主要与生成于北大西洋和欧亚大陆区域的气旋变化相关。秦听等[11]对1979—2012年生成于65°N以南北上进入极圈的气旋时空特征进行了统计分析，发现该类气旋强度和数量具有明显的季节变化，且气旋年总数呈现显著减少趋势。Hong， et al[12]对近36 a冬季北大西洋的气旋轨迹进行了分析发现，正北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)位相造成的急流增强有利于强气旋的发展，并且气旋越强越倾向于向极地移动。虽然一些学者对进入北极地区的温带气旋时空特征进行了分析，但是对其背后的影响因素以及年际变化研究涉及较少。以往的研究表明，相比于其他三个季节，夏季气旋的数量最多[10]。同时，由于夏季海冰较少，利于北极航道开通[13-14]。因此，进一步考察夏季进入北极地区的温带气旋活动的年际变化，探究影响夏季进入北极地区气旋活动的因素具有重要的意义。在前人的基础上，主要考察北半球夏季(6—8月)进入北极地区温带气旋的年际变化特征，分析大尺度大气环流模态、大气斜压不稳定性等因素对气旋的向极运动以及气旋强度和个数年际变化的影响。

1 资料和方法

1.1 资料介绍

采用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)发布的第二代逐6 h再分析数据，时段为1979—2019年，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向共17层[15]。使用变量包括海平面气压、位势高度、温度、水平风场等。NAO指数为美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)提供的逐日产品。

1.2 气旋识别方法

目前，对于温带气旋的识别和追踪主要有两种方法，一种是基于不同大气层的局地天气尺度相关频带的滤波方差，即欧拉方法[16-17]；另一种是拉格朗日法，也叫特征追踪法，它首先通过不断与邻近格点比较数据的方法来判断备选气旋中心的位置，然后跟踪其随时间的演变[10，18-19]。与欧拉法相比，该方法能更全面地统计气旋的气候特征，包括生成频率、移动速度、持续时间等，常用来识别温带气旋的特征场包括海平面气压、位势高度以及涡度等。Hoskins， et al[20]将使用涡度场和海平面气压场作为特征场的追踪结果进行了比较，发现两者在对气旋特征的描述上高度一致，尽管涡度场更适用于识别小尺度低压涡旋系统，而海表平气压则更适用于识别移动较慢的大尺度低压系统。

采用ZHANG， et al[10]改进的基于海平面气压的气旋自动识别与追踪方法，该方法为拉格朗日法[10]，被广泛运用于温带气旋的识别和追踪[21]。由于资料时空分辨率可能会影响气旋的识别，因此采用的数据集与ZHANG， et al保持一致，研究时间段为1979—2019年。气旋识别时不涉及去除气候态的处理，因此在判别时未考虑长期趋势的影响。同时，参考ZHANG， et al[10]的定义，气旋强度定义为逐6 h记录的轨迹上气旋中心气压值相对于局地气压气候态差值的平均，气旋持续时间定义为气旋出现和消亡的时间之差。由于60°N与北极涛动(Arctic Oscillation， AO)模态零度线的位置大致对应，从大气环流的角度来讲是“极区”与中纬度之间的分界线。因此，文中北极区域被定义为60°N以北的广泛区域。北极区域被划分为北极边缘区域(60°～70°N)和北极中心区域(70°～90°N)两个子区域，中纬度则定义为(30°～60°N)的区域。研究表明，北极边缘区域是中纬度气旋活动直接影响的地区[10]。

1.3 Eady增长率

Charney[22]和Eady[23]提出的斜压不稳定性理论为气旋的形成提供了物理解释[24]。对于描述不稳定扰动波的发展快慢，Eady 模态中衍生出的叫做最大Eady增长率(Eady Growth Rate， EGR)的指标常被用来衡量气旋发展和增强的潜力[25-26]。参考Paciore， et al[27]和Vallis[28]方法，公式如下：

(1)

式中：f为科里奥利参数；N为Brunt-Vaisala频率；v为纬向风；z表示垂直高度；详细描述参考Koyama， et al[29]研究。

2 结果

2.1 气旋基本统计特征

基于1.2节方法，可以追踪到1979—2019年北半球夏季(6—8月)在中纬度地区生成后进入极区的温带气旋共867个(图1a)。其中，消失在北极边缘区域的气旋为688个，占总数的79.4%，消失在北极中心区域的气旋为161个(图1b)，另有18个气旋在进入极区后又向南移动最终在中纬度地区消亡。采用了1°×1°的逐6 h 的ERA5再分析数据对结果进行验证，共识别出气旋818个，且气旋路径的空间分布相似(图略)。对气旋强度进行气候平均发现，与消亡在边缘区域的气旋相比，进入北极中心区域的气旋平均强度更大，为15.4 hPa，平均持续时间达87.4 h，比进入边缘区域的气旋高出约1 d (20 h；表1)。此外，本文进一步关注了强气旋的分布特征。参考ZHANG， et al[10]的定义，使用中心气压气候异常值来表示强度的大小，并选取35 hPa作为强气旋的阈值。该值在叠加气候态后，得到的绝对气压值接近975 hPa。结果表明，夏季进入北极的强气旋共21个，约占气旋总数的3%。其中大部分(16个)直接影响的是北极边缘区域，另有5个气旋深入了北极中心区域，分别约占进入边缘区域和中心区域气旋个数的2%和3%(表1)。综合以上分析可以看出，强度较大、持续时间较长的气旋更容易直接对北极中心区域造成影响。

图1 1979—2019年夏季跨越中纬度温带气旋的移动路径(黄色折线表示强气旋的路径; (a)和(b)中的黑粗线分别为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

为了更详细地分析进入北极中纬度温带气旋的区域分布特征，根据海陆分布范围将北极地区分为4个子区域[10]：北大西洋(70°W～20°E)、北太平洋(140°E～120°W)、欧亚大陆(20°～140°E)和北美大陆(120°～70°W)。分别统计每个区域内气旋活动情况，发现夏季从陆地进入极区的气旋较多，约占53%，其中大部分是从欧亚大陆进入(表2)。而强气旋的情况则有所不同，约75%的强气旋由海洋进入，特别是北大西洋区域。进一步研究发现，从北太平洋进入极区的平均气旋强度是4个区域中最大的，为15.5 hPa，持续时间也是最长的，平均近78 h(表2)。与持续时间相联系的是气旋的移动距离。从图1可以看出，进入北极的温带气旋均呈现向东向北运动的特征。整体而言，气旋纬向移动距离大于经向移动距离，最大平均值分别为北大西洋区域的24.6°和北太平洋区域的14.9°(表2)，即北大西洋的气旋在生成后向东移动的距离更远，而北太平洋的气旋更容易向北移动。总的来说，夏季从陆地进入极区的气旋个数较多，而从海洋进入极区的气旋强度更大，活动更为剧烈。

表1 1979—2019年夏季进入北极中纬度温带气旋的统计(气旋按消亡位置所在纬度分为三类)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年夏季从不同区域进入北极的中纬度温带气旋各类活动特征的气候态平均分布Table 2 Climatic of characteristics of mid-latitude extratropical cyclones that entered the Arctic from four subregions in summer of 1979-2019

2.2 气旋活动年际变化特征

图2 1979—2019年夏季(a)北半球及(b—e)4个子区域进入极区中纬度温带气旋强度(红色折线)和个数(黑色折线)的时间序列:(b) 北大西洋; (c) 北太平洋;(d) 欧亚大陆;(e)北美地区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

图3 1979—2019年夏季进入北极中纬度温带气旋(a)个数和(b)强度时间序列的谱分析(红色虚线和红色实线分别表示α=0.05和α=0.1的显著性水平)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)

从个数与强度两个方面考察了气旋活动的年际变化。从图2a中可以看出，1979—2019年夏季进入极区的气旋个数和强度均存在年际变化特征，其中气旋个数的年际变率较为显著。总体而言，夏季年平均气旋数变化范围为10～30个，最大值出现在1980、1986以及1989年，为28个；最低值出现在2004年，为13个。对气旋个数时间序列进行谱分析发现，在年际时间尺度上，气旋个数存在5 a左右的低频振荡周期(图2a、3a；结果通过了α=0.1,但未通过α=0.05的显著性检验)。气旋强度的分析结果显示其变化范围为10～20 hPa，最大值出现在1999年，为17.2 hPa；最低值出现在1987年，为10.8 hPa。谱分析结果显示，其存在一个约2.7 a的振荡周期(图3b；结果通过了α=0.1,但未通过α=0.05的显著性检验)。图2b—2e显示了不同子区域的结果，从时间序列以及标准差的大小可以看出，气旋个数和强度变化最显著的区域分别为北大西洋和北美。无论是气旋个数还是强度，在不同区域均未看见明显的变化趋势。

2.3 影响因素分析

观测资料和模拟结果揭示的影响温带气旋生成和移动的多方面因素中，背景场大尺度环流是其中的重要因素之一[30-31]。GENG， et al[30]分析北大西洋气旋活动指出，气旋的移动与大尺度环流密切相关，其造成的大气斜压不稳定性是气旋维持和发展的重要因素之一。那么夏季进入北极的气旋路径是否受到了大尺度背景场环流的影响？图4显示了各个区域夏季气旋生成时刻对流层低层、中层和高层位势高度异常的合成。从图中可以看出四个区域气旋生成时的位势高度异常从850 hPa到200 hPa呈现相对一致的分布，即在整个对流层表现为准正压结构，高层风压场主导了整层的大气环流状况，这与Hong， et al[12]的结果相一致。为了更好地表征整个气旋移动过程的平均环流，将其活动期间所有时刻的合成结果进行了平均(图5)。结果显示，不同区域之间的空间分布特征差异较大。其中北大西洋区域显著正异常值广泛分布在40°N左右的北美东部以及北欧的波的尼亚湾地区，负异常值分布在冰岛以及格陵兰岛的南部。这一分布模态加强了冰岛低压区和亚速尔高压区之间的经向压力梯度，在科氏力的作用下，有利于中纬度地区西风的加强 (图5a)。同样，对气旋移动期间对流层850～200 hPa风速异常的合成结果求平均，发现在正负异常中心之间的区域，也就是挪威海附近，存在吹向极地的南风。结合气旋移动路径我们可以看出，引导气流的分布与气旋的运动路径基本是一致的。即气旋在中纬度地区生成后，先向东移动然后向北进入极区(图5e)。综合以上分析可以发现，对流层内格陵兰岛南部和挪威海附近的背景场大尺度引导气流是影响北大西洋地区中纬度温带气旋进入北极的重要因素。类似的，对于北太平洋区域，位势高度的负异常中心位于白令海峡西部的楚科奇半岛，正异常中心则主要分布在40°N左右的太平洋西部以及阿拉斯加湾的南部海域。这一分布导致在阿拉斯加半岛附近形成了向北的引导气流(图5b)，从而有利于中纬度地区生成的温带气旋向极区进行移动(图5f)。同样，在北美地区能看见引导气流与气旋路径之间类似的对应关系(图5d、5h)。然而对于欧亚大陆地区，并没有发现明显的向极引导气流，同时该区域气旋路径的分布也较为均匀(图5c、5g)。这表明在夏季的陆地上，影响气旋运动方向的因素可能更为复杂，引导气流只是其中一方面的原因。

图5 不同区域气旋移动期间对流层平均(850～200 hPa)位势高度异常(阴影， 单位: gpm)和风速异常(箭矢单位: m·s-1;风速大于1 m·s-1)的合成((e—h)与(a—d)的阴影部分相同; 白点标记为通过了α=0.05显著性检验; 蓝色折线表示所有进入北极温带气旋的移动路径; 黄色折线表示强气旋的路径): (a、e)北大西洋; (b、f)北太平洋; (c、g)欧亚大陆; (d、h)北美地区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，图5中气旋移动期间北大西洋位势高度异常的合成结果与NAO正相位模态在空间分布上具有较强的相似性，与GENG， et al[30]结论一致。进一步研究发现，夏季气旋强度的时间序列与夏季NAO指数之间具有较好的相关性，相关系数为0.45(P<0.1)(图6)。结果表明，当NAO正相位发生时，进入北极的温带气旋有加强的趋势。有研究认为，NAO处于正相位时，适合气旋发展的区域更广，更有利于气旋强度的增大和持续时间的增长[32]。然而对于气旋个数，相关系数仅为0.26，即NAO指数并不能很好的解释夏季气旋个数的年际变化。

图6 1979—2019年夏季NAO指数、气旋个数和平均气旋强度的时间序列(其中R1为NAO指数与气旋个数的相关系数;R2为NAO指数与平均气旋强度的相关系数)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)

除了大尺度的大气环流模态外，生成源地也是影响气旋进入北极的重要因素，其主要受到中纬度大气斜压不稳定的影响[17]。参考前人研究，采用Eady增长率来表征大气的斜压不稳定性，其正异常值表示涡旋增长速率的增加。图7展示了4个不同区域内的气旋生成时刻异常的合成，可以看出，4个子区域内的正异常值均主要沿纬向集中分布在50°～60°N，这也是进入极区的中纬度温带气旋最容易生成的区域。其中，北大西洋正异常中心位于格陵兰岛和冰岛南部，最大值为0.11 d-1(图7a)。北太平洋地区正异常值相对更加显著，最大值为0.2 d-1(图7b)，同时纬向分布范围也更广，几乎贯穿整个北太平洋地区。对于陆地区域，其正异常值的大小和分布范围均相对较小，特别是北欧地区(图7c、7d)。

图7 1979—2019年夏季不同区域气旋生成时刻Eady增长率异常(单位: d-1)的合成 (白色标记为异常值通过了α=0.05显著性检验): (a)北大西洋; (b)北太平洋; (c)欧亚大陆; (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

图8 不同区域平均Eady增长率(EGR， 黑色折线， 单位：d-1)和(a、c、e、g)气旋个数(红色折线)的时间序列以及(b、d、f、h)线性回归(蓝色直线): (a) 北大西洋; (b) 北太平洋; (c) 欧亚大陆; (d)北美地区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

图9 不同区域平均Eady增长率(EGR， 黑色折线， 单位: d-1)和(a、c、e、g)气旋强度(红色折线)的时间序列以及(b、d、f、h)线性回归(蓝色直线) : (a、b) 北大西洋;(c、d) 北太平洋;(e、f) 欧亚大陆;(g、h)北美地区 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

对比图7与图4—5可以发现，Eady增长率和引导气流之间存在着密切的相关性，即的正异常值主要分布在位势高度异常经向梯度最大的区域，与引导气流的分布相一致。结合前人的研究可知，增强的急流有利于Eady增长率的增强[12]。随着引导气流逐渐向北，Eady增长率正异常值也向北移动。由于大气斜压性是气旋发生发展的重要能量来源，所以气旋位置也随之移动，形成了气旋路径。

分析Eady增长率对进入北极地区气旋活动年际变化的影响。选取图7各个子区域中正异常值较为显著的区域(图7中红色扇形区域)，并对该区域求平均。结果如图8所示，4个子区域的夏季平均均表现出了显著的年际变化，其振幅范围为0.31～0.63 d-1，最大标准差为0.05，分布在北大西洋区域。进一步研究发现，区域平均的时间序列与气旋个数的时间序列之间具有一定的相关性，结果表明，北大西洋和北太平洋区域的相关系数较大，分别为0.41和0.40 (图8b、8d)，而在北美区域略小为0.36。可见，这3个区域进入北极的温带气旋个数的年际变化在一定程度上受到年际变化的影响。而对于欧亚大陆区域，相关性分析的结果没有通过α=0.05显著性检验(图8e、8f)。结合图7可以看出，该区域气旋生成时正异常值的大小和分布范围均较小，说明对于从陆地特别是欧亚大陆进入极区的气旋来说，引起其气旋生成以及气旋个数年际变化的因素较为复杂，值得进一步研究。对于气旋强度的年际变化，其与的相关性在北太平洋地区最强，相关系数为0.51(图9d)，说明斜压不稳定性不仅影响气旋的形成，也影响气旋的强化。

此外，气旋活动不仅受到气旋生成区域大气斜压不稳定性的影响，其在移动过程中还会受到局地大气和海洋条件的影响。例如北极锋区(Arctic Front Zone， AFZ)在夏季具有较大的海陆热对比，这些差异通过海岸线两侧不同的辐射热和湍流通量转移到大气中，造成斜压不稳定，进一步加深了已存在的气旋[33-34]。图10显示了不同区域气旋生成时刻不同气压层上温度异常的平均经向分布。从合成结果可以看出北大西洋、北太平洋和北美区域均存在较为显著的温度异常。其中北太平洋区域的温度梯度最大，在60°N附近均存在较为明显的峰区，且从对流层底部一直延伸到对流层顶部(图10b)。北大西洋区域的峰面相比太平洋略微南移，分布在45°～55°N，这一范围与图7中 Eady增长率(EGR)的分布范围相对应。根据热成风原理，在气压层p0和p1(p1

(2)

其中：〈T〉表示p0和p1两个气压层之间的平均温度；R为干空气常数；f为科氏参数[35]。

图10 4个不同区域气旋生成时刻不同气压层上温度异常的合成(单位: K; 黑点标记的是通过了α=0.05显著性检验的部分): (a)北大西洋(70°W～20°E); (b)北太平洋(140°E～120°W);(c)欧亚大陆(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 结论

使用ZHANG， et al[10]改进的气旋自动识别和跟踪算法，分析了1979—2019年夏季进入北极的中纬度温带气旋。在此基础上，考察了该类气旋数量和强度的年际变化及其影响因素。结果共识别出该类气旋867个，其中消失在北极边缘区域和中心区域的数量分别为688个和161个，且进入北极中心区域的气旋平均强度更大、平均持续时间更长。进一步分区域统计显示，夏季从陆地进入极区的气旋个数较多，而从海洋进入的强度更大，活动更为剧烈。对气旋数量和强度的逐年序列进行谱分析发现两者均表现出明显的低频振荡，周期分别约为5 a和2.7 a。为了揭示影响中纬度气旋北移的因素，通过对4个不同子区域气旋活动期间对流层内位势高度和风场的异常进行了合成，发现气旋路径与合成得到的气流方向基本一致。这表明中纬度温带气旋生成之后的向极移动受到不同区域对流层内引导气流的影响。同时发现，位势高度异常的空间分布与NAO模态相似，反映了大尺度大气环流的影响。此外，中纬度地区的Eady增长率存在显著的年际变化，尤其是北大西洋和北太平洋地区。气旋个数和强度的时间序列也与北太平洋和北美区域平均Eady增长率存在一定的相关性，表明中纬度大气斜压不稳定性对进入极区气旋活动的年际变化有一定的影响。

影响夏季气旋进入极区和其个数和强度的年际变化的因素有很多，本文主要通过统计方法研究了中纬度地区大尺度大气环流和大气斜压不稳定的影响，未来还需要使用高分辨率的大气或大气—海洋耦合模式对其影响的动力过程进行进一步的研究。