安全验证

冬季北美大西洋地区温带气旋的活动特征及与NAO的关系
付强;钟霖浩;罗德海
【摘要】基于气旋识别追踪算方法和ERA-Interim再分析数据,提取获得了北美北大西洋地区(20°N-80°N,130°W-0°W1979-2012年冬季的温带气旋数据集.经统计分析表明,温带气旋的生成源地和活动范围有向西南方向漂移的趋势,且温带气旋生成源地的平均纬向、经向位置,以及其活动范围的平均经向位置与冬季NAO数具有显著相关性.通过进一步合成分析发现,冬季NAO正位相事件期间700hPa强斜压性区域较负位相事件期间偏北、偏东,这在一定程度上解释了不同位相事件期间温带气旋生成源地的分布差异.NAO正位相事件期间500hPa的西风带位置较负位相事件期间偏北则是NAO正位相事件期间温带气旋活动范围偏北的原因.冬季NAO(位相显示出减少(增加的趋势,进而导致了研究区域内温带气旋的生成源地向西南偏移,活动范围向南偏移.【期刊名称】《海洋通报》【年(,期】2016(035001【总页数】8(P46-53
【关键词】温带气旋;识别追踪;北大西洋涛动;合成分析【作者】付强;钟霖浩;罗德海
【作者单位】中国海洋大学物理海洋实验室,山东青岛266100;中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室,北京100029;中国西昌卫星发射中心,四川西昌615000;中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室,北京100029;中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室,北京100029

【正文语种】【中图分类】P447
温带气旋是发生在中高纬度地区的中心气压低于四周,且具有冷中心性质的近似椭圆型的斜压性空气涡旋。它是低纬地区的热量、水分和动量向极地运输的一种主要媒介,在全球气候系统中扮演着十分重要的角色。但温带气旋通常伴随着不利的天气条件,例如极端气温、极端强降水、强风暴和风暴潮等气象灾害,因此研究温带气旋的时空分布及变化规律对于理解区域气候和全球气候都具有十分重要的意义。早期对温带气旋的气候学研究主要是在人工识别的基础上进行统计分析,后来随着观测和再分析资料的丰富,使得客观判定和追踪的方法被逐步运用于统计研究。对于温带气旋的客观判定,不同研究中采用的识别算法原理大致相似,差异主要集中体现在分析场的不同。例如,Murray等(1991)将平均海平面气压场(MSLP资料作为分析场,利用MSLP的局地最小值来识别出温带气旋的中心位置。Sinclair1994)则使用对流层低层的涡度场作为分析场,并通过涡度场的局地最大值来确定温带气旋的中心。后来Blender等(1997)采用1000hPa等压面上的位势高度场作为分析场,通过确定位势高度场的局地最小值找到温带气旋的中心。而气旋的客观追踪方法,大多数研究中均是以某一时刻温带气旋的位置为中心,选择一定的距离作为搜索半径,按照添加的限制条件搜索下一时刻温带气旋可能的位置(Blenderetal1997Wangetal2012),差异主要在于搜索半径和限制条件有所不同。
利用气旋的客观识别和追踪算方法,Geng等(2001)在分析了1958-1998年冬季北大西洋温带气旋的移动速度和生成频率的变化后指出,研究时段内温带气旋的强度具有不断增大的趋势,这与对流层低层的大尺度斜压波及NAO有关。Favre等(2006)研究了太平洋的温带气旋气候特征,并认为1970s之后气旋的移动路
径向南偏移可能与太平洋年代际振荡呈正位相,以及阿留申低压气压偏低有关。张颖娴等(2012)讨论了1958-2001年北半球和东亚地区温带气旋生成频率的变化,并指出不同区域的温带气旋生成数目呈现出不同的变化趋势,这主要是由于大气斜压性发生变化的结果。上述研究表明,全球气候变化背景下温带气旋确实呈现出了显著的变化,但由于所处地域不同因而具有不同的变化特征。同时还可以看到温带气旋活动的变化特征与大尺度环流异常有关。因此考虑到北美北大西洋地区(20°N-80°N,130°W-0°W)作为全球温带气旋活动最为频繁的两大区域之一,本文将利用改进后的气旋识别和追踪算法来统计此区域内温带气旋的生成源地和活动范围的变化特征,并从大尺度环流异常的角度来探讨引起其变化的可能原因。1.1资料介绍
本文采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)最新开发的全球大气再分析数据ERA-Interim,其基本克服了ERA-40数据在平流层大气环流的质量以及处理观测系统中的偏差和变化等方面所存在的问题(Berrisfordetal2009),具有多种的水平分辨率供用户选择。文中使用了1979-2012年的平均海平面气压场MSLP),以及风场、温度场和高度场数据,水平分辨率均为1°×1°。同时还使用了美国气候预测中心(ClimatePredictionCenterCPC)提供的1979-2012年冬季(12-2月)的逐日NAO指数,以及冬季月份的NAO指数。1.2方法介绍
本文以Hart2002)采用的气旋识别方法为基础,并通过MSLP拉普拉斯区域平均值的阀值敏感性试验,得到了适合于该区域的MSLP拉普拉斯区域平均值的阀值,成功剔除了部分过度识别的温带气旋。最后根据研究区域内地理环境和气旋所具有的特性添加相应的限制条件剔除部分被错误识别为温带气旋的低压系统。至于气旋追踪算法,本文亦采用Hart2002)所使用的方法,具体的气旋追踪限制条件如下:(1)气旋A移动至气旋B处的移动速度小于45m/s;(2)气旋A
t-2△tt-△t时段内运动的方向与其在t-△t时刻运动到气旋B所在位置处的运动方向之间的夹角要在一定的角度范围内;(3)△d500km,3×△t×V0),其中V0为气旋At-2△tt-△t时段内的移动速度;(4)气旋B是在t时刻距离气旋A最近的气旋;(5)气旋的生命周期大于48h,且其生成区域位于20°N-80°N,130°W-0°W的范围内。上述气旋的追踪方法中,前3个限制条件Hart2002)根据Jarvinen等(1984)和Neumann等(1993)对北大西115年的气旋作气候学分析得到的。考虑到温带气旋的整个生命过程一般为2-6天,因此文中第五个限制条件设置为48个小时,而不是沿用Hart2002)使用的24个小时。
为了验证气旋识别追踪算法的可靠性,根据前人研究(Geng2001;张颖娴等,2012),本文使用随机抽取的识别追踪算法结果与人工分析结果作对比验证。具体而言,对于识别算法的检验,文中随机抽取了多年多个时次的ERA-Interim面场资料,通过人工分析识别出该时次的气旋个数和具体位置,并与识别算法识别出的气旋进行对比。表1列出了200614个时次的结果,其中检测成功率为100%的有13个时次,仅有1个时次低于100%。检测差额率为0的有9个时次,不等于0的有4个时次,且大小基本都在20%以下。综上可知本文采取的气旋识别算法几乎完全能够将真实存在的气旋识别出来。但从检测差额率的分布可知此气旋识别算法仍存在一些不足,主要表现为气旋的过度识别问题,这会导致统计的气旋个数偏高,也是目前所有气旋识别算法普遍具有且难以避免的问题。对于气旋的追踪算法,本文选取2006年的ERA-Interim数据对研究区域内发生的气旋过程进行人工追踪,得到了一个真实气旋数据集。然后从这个数据集中随机抽取多个气旋个例与相应时段追踪算法得到的气旋进行对比(图略)。结果表明,尽管在气旋生成和消亡的位置上有一些细微的差别,但总体而言追踪算法得到的气旋个例与真实气旋个例的移动路径符合程度非常高。

利用前述气旋识别和追踪算法得到研究区域1979-2012年冬季(12-2月)北美北大西洋地区的温带气旋数据集,图1则进一步给出了温带气旋生成频次和活动范围的空间分布:冬季温带气旋的生成源地(图1a)主要集中在北美洲落基山脉和阿巴拉契亚山脉的背风坡地区、西北大西洋和格陵兰岛东南部海区。温带气旋的活动范围(图1b)则主要集中在北美洲东北部,以及北大西洋的西北部和北部,这与张颖娴等(2012)在研究北半球温带气旋活动的年代际变化时所得分布特征相吻合。
Blackmon等(1979)和张颖娴等(2012)在研究中均指出北大西洋和北太平洋冬季的风暴路径存在年际间的南北摆动,而温带气旋的活动与风暴路径密切相关。为此本文进一步计算了每年冬季研究区域内温带气旋生成源地及活动范围的平均位置,具体计算方法如下:
其中n为研究区域内所有格点上温带气旋生成或经过的总个数,Fk为第k个格点处温带气旋生成或经过的个数,xk为第k个格点的经度,yk为第k个格点的纬度。从图2中可以看到,冬季温带气旋的生成源地(图2a)及其活动范围(图2c)的确存在南北向的摆动,同时还存在着东西向(图2b2d)的年际振荡。且总体而言温带气旋的生成源地及活动范围均具有向西南方向漂移的趋势。
温带气旋的活动与大尺度环流紧密联系(Gengetal2001Favreetal2006),而北大西洋涛动(NAO)作为北大西洋地区对流层大气环流变化最显著的模态,影响着附近地区甚至整个北半球的天气和气候(Hurrell1995)。考虑到研究区域位于NAO的上游地区,本文就利用CPC提供的1979-2012年冬季(12-2月)的NAO指数与温带气旋生成源地及其活动范围的时间序列作相关性分析。从2中可以看到研究区域内温带气旋的生成源地及其活动范围的平均经向位置与冬季NAO指数的相关性最高,相关系数分别达到了0.6610.759,且均通过了显著性水平为0.01t检验。温带气旋生成源地的平均纬向位置与冬季NAO
数的相关性较前者稍低,但相关系数仍然达到了0.435,同样也通过了显著性检验。而温带气旋活动范围的平均纬向位置与冬季NAO指数的相关性较低。综上可知,NAO指数趋向于正值时,温带气旋的活动范围(生成源地)趋向于向北(向东北)漂移,而指数趋向于负值时,温带气旋的活动范围(生成源地)趋向于向南(向西南)漂移。
为了进一步研究冬季NAO异常对温带气旋生成源地和活动范围产生影响的机制,本节使用了由CPC提供的时间分辨更高的NAO逐日指数。但鉴于直接利用NAO指数的正负值来定义的NAO正负位相可能存在一次温带气旋的生命周期内既有NAO正位相,又有NAO负位相的问题。因此为了更好的表征NAO正负位相对温带气旋所产生的不同影响,此处采用了Luo等(2012)提出的NAO正负位相事件的定义(即当NAO指数有连续等于或超过3天大于1.0个标准偏差时,认为是一个NAO正位相事件;当NAO指数有连续等于或超过3天小于-1.0个标准偏差时,认为是一个NAO负位相事件),并挑出了1979-2012年冬季的NAO(负)位相事件。而后根据NAO不同位相事件的起止时间在温带气旋数据集中挑出了冬季NAO正(负)位相事件期间生成的温带气旋。
对冬季NAO不同位相事件期间温带气旋生成频次的空间分布分别进行合成可得图3NAO正位相事件期间(图3a),温带气旋的生成源地主要集中在北美洲落基山脉和阿巴拉契亚山脉的背风坡地区、西北大西洋和格陵兰岛东侧的北大西洋海区。而在NAO负位相事件期间(图3b),温带气旋的生成源地主要集中在阿巴拉契亚山脉的背风坡地区和北大西洋中部海区。对比图3a和图3b可以发现,NAO同位相事件期间温带气旋的生成源地在北美洲东部沿海地区相差不大,但在北美大陆西部和北大西洋海区的差别却特别明显。NAO负位相事件期间,北美洲落基山脉的背风坡地区温带气旋的发生频次很低,但在正位相事件期间却特别高,且此时北大西洋地区温带气旋的生成源地整体偏东和偏北。将NAO不同位相事件期间温
带气旋生成源地的空间分布按照公式(1)和(2)计算后可知,正位相事件期间温带气旋生成源地的平均纬度为53.09°N,平均经度为59.69°W。负位相事件期间温带气旋生成源地的平均纬度为48.44°N,平均经度为61.53°W,即总体而言NAO正位相事件期间温带气旋的生成源地较负位相事件要偏东和偏北。而且,从图中还可以直观的看到,研究时段内NAO正位相事件期间温带气旋的生成频次更高。
Eady1949)利用理想化的纬向斜压大气动能准地转方程探讨了中纬度地区大气扰动的基本特征,得到了著名的Eady不稳定模态,并从其中衍生出了被广泛用于表征大气斜压性的最大斜压增长率,即σBI=0.31f∂|v|/∂zN-1,其中f是科氏参数,v是水平风速,z是垂直高度,NBrunt-Väisälä频率。而马雷鸣等(2002在利用倾斜涡度发展理论(SVD)研究温带气旋个例时指出,斜压不稳定被认为是中纬度天气尺度系统的主要启动机制。因此本文进一步对NAO不同位相事件期间的σBI指数进行合成,图3700hPaσBI指数合成场的空间分布。由于正(负)位相事件期间指数在研究区域内的区域平均值为0.16920.1765),所以本文将≥0.18的区域称之为σBI大值区域(黑色实线包围区域)。而上述大值区域的空间分布与不同位相事件期间的区域平均值加上(减去)标准差后的空间分布基本相同(图略)。
从图3a中可以清楚的看到,在NAO正位相事件期间,温带气旋的主要生成源地σBI大值区域相对应,这与仪清菊等(1989)和张颖娴等(2012)在研究温带气旋生成频率时得到的结论类似。在NAO负位相事件期间(图3b),位于大西洋中部以西的温带气旋生成源地与σBI大值区域亦有很好的对应关系。但大西洋中部以东的温带气旋生成源地与σBI大值区域的对应关系却不是很好,也即是此区域内温带气旋可能存在其它的启动机制。从图3中还可以看到,不同位相事件期间σBI大值区域的分布具有明显差异。NAO正位相事件期间(图3a)σBI大值
区域的分布整体偏东和偏北,而负位相事件期间(图3b)σBI大值区域的分布却相对偏南和偏西。由此可知,NAO正位相事件期间大气斜压性较强的区域相对于负位相事件期间整体偏东和偏北,这在一定程度上解释了NAO不同位相事件期间温带气旋生成源地的分布差异。而1979-2012年冬季NAO不同位相事件的统计结果显示,NAO正位相事件发生了45次,负位相事件发生了24次。在日均生成的温带气旋数量方面,NAO正位相事件期间为0.83/天,负位相事件为0.88/天。因此可知,1979-2012年冬季NAO正位相事件的发生频次较NAO负位相事件偏高是造成NAO正位相事件期间温带气旋总体生成个数较多的主要原因。4给出了冬季NAO不同位相事件期间温带气旋活动范围的空间分布。从图中可以清楚地看到,在NAO正位相事件期间(图4a)气旋的活动范围从北美洲中部向东北延伸至欧洲西北部地区,其中以格陵兰岛南部海域气旋活动最为频繁。负位相事件期间(图4b)气旋的活动范围则集中在40°N-60°N之间的北大西洋海区,且北美洲东北部附近海域是气旋活动最频繁的区域。而Luo等(2007c)根据其提出的NAO理论模型指出,当气候驻波的脊位于涡旋驱动的异常驻波下游时,风暴路径在NAO负位相期间分裂成两个分支,且北部的分支一般比南部分支要强。但是当气候驻波和异常驻波的相对位置在适度范围内时,南部分支也可以起到主导作用。在NAO正位相时,风暴路径则往往向东北方向漂移。可见文中所得结果在NAO正位相事件期间与Luo等(2007a)的理论模式结果十分吻合,但在负位相事件期间略微有些差别。而对比图4a4b还发现,NAO正位相事件期间温带气旋的活动范围相对而言更加偏北。
温带气旋的移动路径与高空引导气流密切相关,因而图4还给出了NAO不同位相事件期间500hPa的位势高度场和风场的合成。可以看到,NAO正位相事件期间(图4a)西风带急流轴(黑色虚线)自美国东南部向东北延伸至欧洲西北部,西风带整体偏北。而负位相事件期间(图4b),西风带急流轴自美国东南部向东延
伸至北大西洋中部,西风带相对偏南。对比图4a4b则可知,虽然NAO不同位相事件期间西风带的位置存在差异,但温带气旋的活动区域均位于西风带急流轴的中心位置北侧,且活动区域的整体走向与西风带气流的方向均基本吻合。因而结合温带气旋生成源地的空间分布(图3a3b)可知,研究区域内的温带气旋于生成源地形成后,在高空西风带气流的引导作用下向下游移动。所以当高空西风带的位置发生变化时,温带气旋的活动范围也会相应地发生变化。
进一步分析大尺度环流背景则可知,NAO正位相事件期间(图4a),北美大槽仅延伸至格陵兰岛的南部地区,整体略显浅薄,促使了西风带北抬。而在负位相事件期间(图4b),北美大槽却特别深厚,槽底延伸至北美洲的纽芬兰岛附近,迫使西风带向南偏移。上述西风急流位置的南北向漂移与Luo等(2007c)利用其NAO模型得到的理论模式结果完全吻合。综合以上因素即可知,由于NAO不同位相事件期间高空具有不同的环流形势,导致了西风带的位置会发生南北向的偏移,从而使温带气旋在不同西风气流引导作用下活动范围也相应地发生南北向的移动(其中NAO正位相事件期间温带气旋活动范围偏北,NAO负位相事件期间温带气旋活动范围偏南)。
根据1979-2012年冬季月份的NAO指数时间序列(图5)可知,虽然研究时段NAO指数为正的月份居多,但总体而言NAO指数呈现出减小的趋势。也即是NAO处于正位相的时间仍然占优势,但整体而言NAO正位相的时间具有减少的趋势,负位相的时间具有增加的趋势。这在冬季NAO不同位相事件的统计结果中同样有所体现,即NAO正位相事件发生了45次,NAO负位相事件发生了24次,而年际NAO正位相事件的时间呈现出减小的趋势,负位相事件的时间却有增加的趋势。因此根据前述NAO不同位相事件期间温带气旋的生成源地和活动范围分布可知,冬季NAO正(负)位相的时间在研究时段内呈现出减少(增加)的趋势是导致研究区域内冬季温带气旋的生成源地向西南漂移及其活动范围向南漂移的主要
原因。
本文以改进后的温带气旋识别和追踪算法为基础,得到了北美北大西洋地区冬季的温带气旋数据集。统计研究发现,冬季温带气旋的生成源地和活动范围具有向西南漂移的趋势,且此变化趋势与冬季NAO指数具有显著相关性。因此本文以Luo等(2012a)定义的NAO正负位相事件为标准,讨论了1979-2012年冬季北美北大西洋地区NAO不同位相事件对温带气旋的生成源地和活动范围的影响机制,主要结论如下:
1)冬季温带气旋的生成源地主要集中在北美洲落基山脉和阿巴拉契亚山脉的背风坡地区、西北大西洋和格陵兰岛东南部海区。温带气旋的活动范围则主要集中在北美洲东北部,以及北大西洋的西北部和北部海区。同时,温带气旋生成源地的平均纬向和经向位置的时间序列与冬季NAO指数具有显著线性相关关系,而温带气旋活动范围的平均位置时间序列仅在经向方向上与冬季NAO指数的变化有关。2)在NAO正位相事件期间,温带气旋的主要生成源地与σBI大值区域相对应,这与仪清菊等(1989)和张颖娴等(2012)在研究温带气旋生成频率时得到的结论类似。在NAO负位相事件期间,位于大西洋中部以西的温带气旋生成源地与σBI大值区域亦有很好的对应关系。但大西洋中部以东的温带气旋生成源地与σBI大值区域的对应关系却不是很好,也即是此区域内温带气旋可能存在其它的启动机制。
3NAO正位相事件期间大气斜压性较强的区域相对于负位相事件期间整体偏东和偏北,这在一定程度上解释了不同位相事件期间温带气旋生成源地的分布差异。4)虽然不同位相事件期间日均生成的温带气旋数量相差并不大,但研究时段内NAO正位相事件期间温带气旋的生成频次更高,究其原因主要是因为NAO正位相事件的发生频次较负位相事件偏高。
5NAO正位相事件期间北美大槽仅延伸至格陵兰岛的南部地区,整体略显浅
薄,促使了西风带北抬。而NAO负位相事件期间北美大槽却特别深厚,槽底延伸至北美洲的纽芬兰岛附近,迫使西风带向南偏移。因此在不同西风气流引导作用下,温带气旋的活动范围会相应地发生南北向的移动(其中NAO正位相事件期间温带气旋活动范围偏北,NAO负位相事件期间温带气旋活动范围偏南)。这与Luo2007c)的理论模式在NAO正位相期间的结果类似,但在负位相期间则存在一些差异。
6)冬季NAO正(负)位相的时间呈现出减少(增加)的趋势是导致研究区域内冬季温带气旋的生成源地向西南偏移及其活动范围向南偏移的主要原因。至于气旋活动范围整体呈现出向西偏移的趋势,文中未给出合理的解释,有待进一步研究。致谢:感谢中国科学院大气物理研究所姚遥博士和钟睿硕士对本文给予的帮助。BlackmonML,MaddenRA,1979.GeographicalVariationsintheVerticalStructureofGeopotentialHeightFluctuations.JournalofAtmosphericSciences,36:2450-2466.BlenderR,FraedrichK,LunkeitF,1997.Identificationofcyclone-trackregimesintheNorthAtlantic.Q.J.R.Meteoral,123:727-741.Eady,ET,1949.Longwavesandcyclonewaves.Tellus,1(3:33-52.GengQ,SugiM,2001.VariabilityoftheNorthAtlanticCycloneActivityinWinterAnalyzedfromNCEP-NCARReanalysisData.JournalofClimate,14:3863-3873.HartRE,2003.ACyclonePhaseSpaceDerivedfromThermalWindandThermalAsymmetry.MonthyWeatherReview,131,585-616.HoskinsBJ,ValedsPJ,1990.OntheExistenceofStorm-Tracks.journalofAtmosphericSciences,47(15:1854-1864.HurrellJW,1995.Decadaltrendsinthenorthatlanticoscillationregional
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【相关文献】
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