1、北半球温带气旋气候态和变率研究的进展修改1北半球温带气旋气候态和变率研究的进展张颖娴，丁一汇 （国家气候中心，北京，100081）摘 要：温带气旋是影响中高纬度地区大范围天气气候变化的重要天气系统之一，研究其气候特征、活动规律和变化趋势对理解全球气候变化具有重要的意义。从主要温带气旋的识别方法、当前气候时期温带气旋的变化、气候情景下未来温带气旋变化的预估以及不确定性分析这4个方面全面回顾了北半球温带气旋的研究进展：（1）20世纪80年代之后，基于再分析和全球气候模式（GCM）数据的发展，温带气旋的研究从主观分析开始向客观识别方法发展；（2）再分析和模式数据均显示北半球存在2个温带气旋主活动中心
2、和2个次活动中心，主活动中心位于北太平洋和北大西洋地区，次活动中心位于地中海和蒙古地区；（3）在人类活动影响的气候变化情景下，大多数模式模拟得到北半球大部分地区温带气旋数目将减少，个别地区的温带气旋数目将增加；（4）由于各研究中对阈值，物理量和大气层的选取存在差异，这使得对当前气候时期和GCM模拟研究中的温带气旋及其变化和趋势问题还存在许多不确定性。因此目前亟待解决的问题是对于温带气旋的不同研究方法和研究结果做更多具体的比较分析，从而提高对温带气旋深入的认识。关键词：温带气旋，客观判定和追踪方法，温带气旋的气候态和变率，气候情景A Review of Extratropical Cyclone
3、 Climatology and Variability Research over the Northern HemisphereZHANG Yingxian， DING Yihui （National Climate Center, Beijing 100081, China）Abstract Extratropical cyclone is one of the important synoptic systems which affect climate/weather variability over a wide area of mid and high latitudes, an
4、d it is meaningful to research its climatic characteristics, activity pattern, and variation tendency. A comprehensive review of research progress of extratropical cyclones over the Northern Hemisphere from four aspects, involving identification methods, changes during this present period, changes e
5、stimated under the future climate scenarios, and uncertainty analysis of Extratropical cyclones, was discussed: (1) In view of the development of reanalysis and GCM data, the research method of extratropical cyclones shifted from subjective analysis to objective identification; (2) There are two mai
6、n activity centers and two subordinate activity centers displayed by reanalysis and model data, with main activity center located in the north Pacific and north Atlantic region, and subordinate activity center located in Mediterranean and Mongolian region; (3) Under the influence of climate change s
7、cenarios by human activity, extratropical cyclones will reduce in most parts of the Northern Hemisphere, and increase in individual districts; (4) Different thresholds, different physical quantities, and considerations of different atmospheric vertical levels add to a picture which can be combined i
8、nto a uncertainty view of cyclones, their variability, and trends, in the real world and in GCM studies. Hence, the urgent need for an in-depth understanding of cyclones is more specific intercomparison studies which can demonstrate the differences between the approaches and their results.Key words
9、extratropical cyclones, objective detecting and tracking method, climatologies and variations of extratropical cyclones, climate scenario1 引言温带气旋是出现在南北半球中高纬度地区具有斜压性的低压涡旋，在全球大气环流中起着重要的作用，热带和极地之间的热量、水汽和动能传输，很大部分都依靠温带气旋的移动和发展来实现。另外，温带气旋是影响中高纬度地区大范围天气变化的重要天气系统之一，温带气旋及其锋面系统，受斜压不稳定驱动, 能够造成明显或激烈的天气现象，如极端温度
10、、极端强降水、强风暴和风暴潮等气象灾害, 造成生命和财产的巨大损失。亚洲、北美东部、北太平洋和北大西洋是北半球温带气旋活动最频繁的地区。我国地处东亚大陆，受东亚温带气旋影响剧烈。温带气旋活动时常伴有冷空气的侵袭，降温、风沙、吹雪、霜冻、大风和暴雨等天气现象随之而来。东亚气旋的活动范围广泛，其移动和发展带来的影响能从我国内陆一直延伸至西太平洋的辽阔海域。因此研究温带气旋的气候特征、活动规律和变率趋势对理解东亚乃至全球的天气、气候变化以及极端气候事件具有重要的意义。早在100多年前，菲茨洛依就对温带气旋中地面气流结构作了较真实的描述。第一次世界大战之后，随着地面观测网的扩充，挪威学派在总结和吸取过
11、去研究成果的基础上提出了挪威气旋模式，第一次概括出气旋内三维空气运动、降水和地面锋面之间关系的天气学模式，为短期预报提供了理论基础，在气象学发展中起着重大的作用。到了1930s，由于高空观测网的建立，发现了高空波动及高空波动与温带气旋之间的联系，从而使气象学家对温带气旋的发生发展、大尺度结构以及能量收支等有了较深入的认识1。在此之后提出的一些气旋发展理论和观测结果至今仍是预报的主要依据，其中Petterssen2和Palmn and Newtom3对此作了全面的总结。对于温带气旋的气候学研究，早期的学者主要依靠人工主观判断来进行统计分析，随着再分析数据和天气气候模式的发展，1980s之后气象学
12、家开始尝试用数值算法来客观判定和追踪温带气旋，目前已成为温带气旋研究的客观方法之一。2 温带气旋的客观判定和追踪方法研究早期温带气旋的判定和追踪主要依靠人工分析天气系统来实现4-7，这种方法的优势在于，经验丰富的预报员能较好地分析复杂的天气系统。但人工分析在判定气旋位置和数字化过程中不可避免地会产生随机误差，另外人工方法需要消耗大量的时间，这都是人工方法趋于淘汰的原因。因此，在再分析数据和天气气候模式发展的基础上，利用逐日海平面气压场或高度场判定和追踪温带气旋的客观数值算法8-21发展了起来。Rice22第一个将客观判定温带气旋的算法应用于格点数据。在之后的几十年中，更成熟的客观方法被科学家们
13、发展并采用，比如，Wernli and Schwierz23发展了一个通过在气压局地最小值周围搜索闭合等值线的数值算法。除此之外，温带气旋的客观研究也逐渐应用于高分辨率的全球及区域气候模式24-25。天气尺度系统的强度通常用模式、再分析等海平面气压场或高度场的带通时间序列的变化来表征26-31。这种带通统计分析方法常被用于分析与低频振荡（如北大西洋涛动NAO）有关的风暴路径，分析人为温室气体效应下风暴活动的变化32-35等方面的研究。这种方法的不足之处在于它没有办法考虑单个风暴系统本身的特征，如加深速率，生命期和传播速率30,36-37，以及单个风暴体的自身结构38等。在大多数的研究中，一般将
14、海平面气压场的局地最小值或对流层低层涡度场的局地最大值定义为温带气旋的中心8-9,39-41。Knig et al.13在研究中将这两种指标联系了起来，共同识别温带气旋。Murray and Simmonds11，Haak and Ulbrich16和Jung et al.42将迭代和插值方法也应用到了温带气旋的客观判定中。另外，Benestad and Chen43在截断傅里叶级数的基础上发展了一个微积分气旋的客观判定方法。依赖于海平面气压场来识别温带气旋往往在高海拔地区会由于垂直外推和模式数据中地形差异的影响而产生不可靠的结果，因此多数研究者忽略了高海拔地区的温带气旋系统44。将海平面气压
15、场的局地最小值作为判定温带气旋的指标会漏掉一些小尺度的系统45，这些小尺度系统往往出现在快速移动的气旋过程中，或气旋的生成和消亡阶段12,46。在一些地区，中纬度气旋和一些低压系统有着不同的结构和特征，比如季风低压和局地热低压等7。相比而言，最大局地涡度指标可以判定到小尺度的系统，但最大局地涡度有时往往同局地气压最小不一致，并且会判定到一些人工判定中不存在的系统。高分辨率的涡度场又包含较多的噪声，诸如锋面等结构可能被分解46，因此采用涡度来追踪温带气旋时，常常需要做许多平滑和降低分辨率的工作。一般而言，研究者通过和实际天气过程比较来检验数值算法再现气旋气候形态的能力。另外，Haak and U
16、lbrich16通过计算客观识别与人工识别的温带气旋的中心强度及位置的偏差，检验客观数值算法识别气旋过程的能力。温带气旋的追踪通常将当前时刻客观判定的气旋系统分配给下一时刻客观判定的气旋系统，这种分配需要在一定区域内搜索最可能的下一时刻客观判定的气旋系统47-50。Alpert et al.10, Knig et al.13, Ueno 39, Blender et al.17以当前时刻气旋位置为中心，择取一定的距离为半径，搜索下一时刻的气旋位置。Geng and Sugi51和Raible52在所确定的半径内，搜索最近距离的气旋位置为气旋路径，若搜索半径内没有客观判定的气旋，则此气旋消亡。M
17、urray and Simmonds11-12和Haak and Ulbrich16将局地引导气流的影响应用到搜索下一时刻气旋位置的研究中。通过追踪确定的温带气旋过程可以研究和探讨气旋过程的加深速率，移动速度和生命期等特征。在追踪的基础上，爆发性温带气旋的研究也有了可能38,53-54。3 对北半球温带气旋的气候态和变率研究Serreze et al.55，Sick-mller et al.56，Gulev et al.57，Geng and Sugi51，Hoskins and Hodges46，Ulbrich et al.58和张颖娴等59对于北半球温带气旋的研究认为客观判定的温带气旋数目
18、在北半球中纬度大洋盆地有极大值（图1a，b），这些地区与风暴路径的分布是一致。就北半球温带气旋的气候特征来看，北半球的北大西洋和北太平洋是主要的气旋活动区，冬季时这2个区域的气旋强度变化有较强的相关性（Mak and Deng60。气旋的次活动区分别在亚洲和地中海地区，北半球冬季气旋活动最强，夏季气旋活动最弱。冬季大洋西海岸气旋的最大加深速率最大，且移动速度最快，而高海拔的下游地区是主要的气旋生成和消亡区，如落基山、格陵兰、阿尔卑斯山、西藏和日本的下游地区等（Pinto et al.45; Bengtsson et al.61）。就北半球温带气旋的整体变化来看，Mccabe et al.62认
19、为20世纪50年代末之后北半球冬季（11月-3月）气旋发生频数在高纬度增加, 而在中纬度明显减少, 这意味着风暴路径有向极偏移的趋势，而全球变暖很可能是造成温带气旋频数和强度变化的主要原因。Raible et al.63的研究结果更加确定了北半球风暴频率同北半球冬季温度有很强的相关性，全球变暖很可能是北半球风暴路径北移的一个重要原因。1958-1999年，北半球冬季温带气旋各气候特征呈现年际和年代际的变化，其中东太平洋和北美地区温带气旋的强度、发生频率和加深速率呈现减弱、减小和减慢的趋势，西太平洋和大西洋地区温带气旋的这些特征则呈现相反的变化趋势。大西洋地区气旋频率同NAO相关性大，并且反映出
20、了1970s NAO位相的转换；东太平洋气旋频率同PNA有着很大的相关性57。(b)(a) 图1（a）NCEP-NCAR再分析数据获得的1958/59-2006/07北半球冬半年（10月至次年3月）平均温带气旋活动频率（10经度30纬度区域内的气旋个数）58；（b）ERA40再分析数据获得的1958-2001 年北半球冬季（12月至次年2月）平均温带气旋活动频率（2.5经度2.5纬度区域内的气旋个数）59Schneidereit et al.64利用ERA40再分析数据对冰岛地区的温带气旋进行了研究分析，结果表明1958-2001年冰岛地区气旋数目呈现增加的变化趋势，这一结论和Bartholy
21、 et al.65的结论有着较大的一致性。Serreze et al.66采用客观判定和追踪方法对1952-1989年北冰洋地区的气旋活动进行了分析，结果表明冬季气旋活动频繁，最强的气旋系统基本上都出现在冰岛和挪威的海域，冬季气旋的移动路径主要是从挪威移向北冰洋；夏季气旋活动和冬季类似，只是在加拿大和北极的海域，气旋活动比冬季加强；冬季气旋的中心气压值比夏季时平均弱5-10mb；对于气旋的变化来说，春季、夏季和冬季的温带气旋数目呈现出增加的趋势。另外，Serreze15还对北冰洋地区1973-1992年气旋的气压倾向、最大加深速率、气旋生成和消亡进行了统计分析。冰岛低压地区的气旋活动与北大西洋
22、涛动（NAO）之间有着一定的联系，当NAO极端负位向时，冷季节的气旋发生是常年的两倍，并且强度减小，但气旋生成位置的和气旋最大加深速率与常年相同55；NAO正位相时，冷季节冰岛地区的气旋没有明显的增加现象，但是60 N以北地区的气旋活动无论是冷季节还是暖季节都显著增加，特别是北冰洋和加拿大附近的海域，这种现象和降低的平均海平面气压有关。Zhang et al.67认为从中纬度地区移动进入北冰洋的温带气旋使得北冰洋地区温带气旋数目增多和强度增强。另外，北冰洋气旋活动呈现显著的低频变化特征，1960s位于负位相，1990s位于正位相。对于北大西洋区域，Gulev et al.57和Sick-mll
23、er et al.56通过对再分析数据的分析得到北大西洋的温带气旋数目呈现减少的变化趋势，这一变化特点也同样出现在了北太平洋地区。Blender et al.17采用一种拉格朗日方法，利用欧洲中心的高分辨率资料，对1990-1994年北大西洋/欧洲地区气旋路径进行了分析。他将气旋的移动路径分为三类：静止、沿纬圈移动、向北偏东方向移动。统计发现冬季静止气旋的数目呈增加的趋势，原因可能是气候变化引起的，但很大程度上也可能是再分析资料修订引起的。Geng and Sugi51采用客观判定和追踪方法，利用欧洲中心1958-1998年再分析资料分析了冬季北大西洋温带气旋的活动密度、最大加深速率、移动速度
24、和中心气压梯度，结果表明这几十年冬季北大西洋温带气旋强度呈现增强的趋势；气旋密度大的区域气旋强度大，移动速率快，加深速率快；密度小的区域气旋强度小，移动速率慢，加深速率也慢。分析还表明，北大西洋温带气旋的变化与对流层低层大尺度的斜压波及NAO有关，北大西洋的SST也会影响气旋的变化，但具体原因尚须进一步研究分析。Trigo68的研究工作表明，欧洲北部呈现气旋数目增加和欧洲中部气旋数目减少的变化特征。ERA40和NCEP数据的分析均体现出了这一结果的，二者没有明显的差异68。但并非所有再分析数据在各个地区均呈现相同或相似的变化，不同再分析数据在相同地区也会有相反的情况，这主要是原数据的差异造成的
25、43。张颖娴等59的研究发现北大西洋/北美地区气旋活动频率具有明显的年际变化特征，整体呈现显著的升高趋势，但较高纬度和较低纬度地区呈现显著相反的分布形式（图2）。北大西洋/北美地区呈现出较高纬度大气斜压性增强而较低纬度大气斜压性减弱的变化特征（图3c-d），大气斜压性的这种变化可能造成了北大西洋/北美地区风暴路径的向高纬度偏移的变化特征。图2 1958-2001 年北大西洋/北美地区年气旋活动频率EOF 第一模态的空间分布（a，特征向量乘以1个标准差）和标准化的时间序列（b，虚线为线性趋势）59北太平洋是温带气旋非常活跃的另一主要地区。Graham and Diaz69分析了过去50年北太平洋
26、冬季气旋的气候特征和变化情况，发现强气旋的频率和强度显著增加，与之相对应的25-40N 地面极端风速值也显著增加，阿拉斯加湾的气旋型环流风速由西北风转为了西南风。加强的气旋活动明显是由于对流层上层风速的加强和加大的北太平洋中部垂直风速切变造成的，而这些变化的原因很可能是由观测到的年代际或更长时间尺度的厄尔尼诺遥相关型的调整造成的。气旋的变化是稳定的，并不像其他气候要素特征变化得那么突然，热带西太平洋海温的增加是这些变化的一个合理原因，但仍有可能存在其他的原因机制。另外，Favre and Gershunov70研究表明，东北太平洋地区温带气旋自1970s之后强度呈现增强的趋势，气旋移动的路径向
27、南偏移。这些变化的原因可能是季节性阿留申低压气压偏低、北太平洋年代际振荡呈正位相、北美西海岸海表温度呈正距平以及太平洋中部气压呈负距平而引起的。热带太平洋海温的正距平也是影响中纬度地区气旋路径南移的一个原因，向南偏移的气旋路径更有利于热带大气的向北输送，同时阻止了与反气旋相关的极地气团的向南传输。北太平洋地区温带气旋强度增强的现象同样被Gulev et al.57和Simmonds and Keay71发现。张颖娴等59对北太平洋风暴路径的研究表明，北太平洋风暴路径同北大西洋具有相反的变化形式，即北太平洋20世纪后半叶风暴路径呈现像低纬度偏移的变化特征（图4），该地区大气斜压性的同位相变化可以
28、在一定程度上解释风暴路径向低纬度偏移的原因（图3a-b）。图3 1958-2001 年北太平洋（a、b）和北大西洋地区（c、d）400 hPa 年均大气斜压性指数的EOF 第一模态空间分布（a、c）和标准化的时间序列（b、d，虚线为线性趋势）59图4 1958-2001年北太平洋地区年气旋活动频率的EOF第一模态的空间分布（a，特征向量乘以1个标准差）和标准化的时间序列（b，虚线为线性趋势）59地中海地区的温带气旋是次天气尺度系统72，相比较北半球的其他低压系统，地中海气旋强度较弱，空间尺度较小，生命期也较短（小于大西洋天气尺度系统，平均2-2.5天的生命期）。Trigo73利用欧洲中心197
29、9-1996年的高分辨率数据，采用客观判定和追踪方法研究分析了地中海地区的温带气旋。气旋的主要生成地区在爱琴海、热那亚港湾和中东地区，其中中东地区正是亚洲夏季风侵入地中海地区的必经地，这也可能是中东地区气旋频繁生成的原因之一。热那亚港湾地处山脉的下游，因此是背风气旋的主要源地。另外，研究分析表明，地中海地区气旋的主要移动路径包括：冬季沿着伊比利亚半岛从大西洋移入的气旋路径；夏季从阿特拉斯山脉向北非扩展的气旋路径；热那亚港湾附近复杂的气旋路径和向地中海东海岸移动的气旋路径73-74。之后Bartholy et al.75利用再分析数据对地中海西部地区气旋活动进行了更长时间序列(1957-2002
30、年)的气候特征分析，更加着重研究年际、年代际的变化。另外，爆发性温带气旋也是一个研究的重点。当位于纬度的气旋24小时中心气压至少下降24sin/sin60 hPa时，我们称这个气旋为爆发性气旋或气象炸弹76。Zhang et al.54的研究表明东亚地区爆发性气旋绝大多数都发生在东亚的东海岸，日本和西北太平洋上，极少数发生在内陆。内陆的爆发性气旋主要集中在巴尔喀什湖西北方地区和蒙古地区。同北美内陆地区相比较，东亚内陆更不易发生爆发性气旋。和北美地区相比，东亚内陆地区的气旋较少爆发性发展。东亚地区的风暴数目少于北美地区，强度也弱于北美地区。2000年之后研究者开始将客观判定和追踪方法应用到东亚温
31、带气旋的研究中77-81。姚素香等79利用NCEP/NCAR再分析数据和客观识别方法分析得到蒙古地区春季（3、4、5月）气旋活动频数存在明显的年代际变化，50年代气旋活动频数较少，60年代开始到70年代后期气旋活动频数较多，从70年代末至2000年又进入一个气旋活动频数较少的时期；贝加尔湖东部地区在50年代初气旋活动频数较多，50年代中期到60年代中期气旋活动频数较少，而60年代后期到70年代后期气旋活动频数又较多，此后气旋活动频数又逐渐减少；而我国东北地区气旋频数年代际变化并不十分明显，只是气旋活动频数在80年代以后年际变化幅度略大。王艳玲77以40N为界划分南方/北方气旋，1948-200
32、2年，北方气旋主要活动高频区在蒙古中国东北地区，活动频数有逐年减少的趋势，5月和9月是北方气旋活动的峰值月；南方气旋活动频数有逐年增加的趋势，8月是南方气旋活动的峰值月。王新敏80的研究表明，东亚北方气旋20世纪70年代中期到80年代，气旋数目呈明显增加态势，80年代末到90年代又开始回落；春季是一年中北方气旋多发季节，冬季最少，以5月发生频数最多，1月发生频数最少；90年代与80年代相比，北方气旋高频活动中心明显向北偏移，偏移了大概2个纬度；70年代末到90年代末，蒙古气旋频数减少、强度减弱。Zhang et al.54利用ERA40再分析数据补充获得了东亚主要的气旋活动路径（图5），其中有2条海上气旋活动路径，2条蒙古气旋活动路径，1条黄河气旋活动路径和1条江淮气旋活动路径。另外，20世纪60年代至80年代中期40-60 N、80-140 E地区气旋数目（北方气旋）呈现增加的趋势，而80年代中期之后温带气旋数目则锐
