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冬季北半球中纬度气旋的统计分析 摘要 北半球的中纬度气旋，尤其是海洋上的中纬度气旋，由于输送了大量的水汽 和潜热，所以对于北半球的气候系统，有着不可忽视的作用。因此，研究中纬度 气旋的统计规律，有利于提高中长期的天气预报的准确度。 首先，本文在对前人的气旋示踪方法做了适当的改动，并使用了欧洲中期天 气预报中心( e u r o p e a nc e n t r ef o rm e d i u m - r a n g ew e a t h e rf o r e c a s t s ) 的e r a - - 4 0 再分析资料对整个北半球的冬季( 1 2 月一1 月一2 月) 中纬度气旋做了统计 分析，分别分析风暴路径和气旋频数分布，以及中纬度气旋生命周期中的生成期、 成熟期和消亡期的活动位置。结果表明在北半球，主要存在两个中纬度气旋活动 频繁的区域：北太平洋区域和北大西洋区域。而这两个区域分别对应了两条风暴 路径。在北太平洋上，中纬度气旋多生成于西太平洋地区经过太平洋中部，并在 这里达到成熟期，最后向东北方向移动，到达阿拉斯加湾地区，并在此消亡；而 在北大西洋上，气旋多生成于北美洲东海岸和冰岛附近地区，达到成熟期时，则 一般在冰岛附近海面，整个北大西洋上的中纬度气旋多消亡于冰岛附近的洋面， 只有相对较少的一部分可以移动到北欧区域。 之后，我们分析了北太平洋地区中纬度气旋的生成发展与太平洋年代际振荡 ( p d o ) 之间所存在的关系。研究发现p d o 的正负位相年，气旋的发生频数以及 平均的生命周期长度，基本上相差不大。而在中纬度气旋活动的空间分布上，在 p d o 的正位相年，中纬度气旋活动最频繁的区域，主要集中在0 。到1 7 0 。w 之间， 另外，阿拉斯加湾海域也是气旋活动频繁的区域之一；而p d o 的负位相年，中纬 度气旋的活动中心，则主要集中在1 8 0 。经线以西，一直到东经1 6 0 。附近。而 接下来对于斜压带位置的分析，则证明在p d o 的正位相年，东北太平洋更有利于 中纬度气旋的在的发展；而在p d o 的负位相年，则是白令海附近的区域更有利于 气旋的发展。这也说明了上面我们得到的统计结论p d o 正位相年气旋活动中 心偏东，而p d o 负位相年气旋活动中心则偏西。 最后我们分析了北大西洋中纬度气旋生成发展与北大西洋涛动( n a o ) 之间 所存在的关系。研究发现n a 0 正位相年，风暴路径要明显的强于负位相年，并且 风暴路径的出口区域几乎到达了北欧地区。对于中纬度气旋的分布情况分析则表 明，在n a o 负位相年中，几乎没有气旋能向东移动越过2 0 。w 经线；但是在n a 0 正位相年中，却有接近1 3 的气旋是在挪威海区域消亡的( 1 0 。w 一1 0 。e 之间 区域) 。 关键词：气旋、气旋示踪、风暴路径、太平洋年代际振荡、北大西洋涛动 t h es t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h ew i n t e rm i d - l a t i t u d ec y c l o n e i nt h en o r t h e r nh e m i s p h e r e a b s t r a c t m i d - l a t i t u d ec y c l o n e ，e s p e c i a l l yt h eo c e a n i cm i d - l a t i t u d ec y c l o n e ，p l a y sa l lv e r y i m p o r t a n tr o l ei nt h em o i s t u r et r a n s f e ra n dt h el a t e n th e a tt r a n s f e r t h u s ，m i d - l a t i t u d e c y c l o n ei sh i g h l yi m p o r t a n tf o rc l i m a t i cs y s t e m s ot h a tm a k i n gr e s e a r c ho nt h e s t a t i s t i c so ft h ew i n t e rm i d - l a t i t u d ec y c l o n ei sg o o df o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yi n m e d i u m - r a n g ea n dl o n g - r a n g ew e a t h e rf o r e c a s t f i r s t ，t h ec y c l o n e - t r a c k i n ga l g o r i t h mo f p r e v i o u sa u t h o rh a sb e e nr e v i s e d i nt h i s p a p e r , e u r o p e a nc e n t r ef o rm e d i u m r 豇t g ew e a t h e rf o r e c a s t ( e c m w f ) e r a - 4 0 r e a n a l y s i s d a t ai su s e dt om a k eo u tt h es t a t i s t i c a l a n a l y s i s f o rt h ew i n t e r ( d e c e m b e r - j a n u a r y - f e b r u a r y ) m i d - l a t i t u d ec y c l o n ei nt h ew h o l en o r t h e r nh e m i s p i i 自t s t o r mt r a c k , c y c l o n ed e n s i t y , c y c l o g e n e s i sd e n s i t y , m a t u r ec y c l o n ed e n s i t ya n d c y c l o l y s i sh a sb e e nd o n es e p a r a t e l y r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r et w om a i n t a i nr e g i o n s o fc y c l o n e sa c t i v i t y ：t h en o r t hp a c i f i cb a s i na n dt h en o r t ha t l a n t i cb a s i n t h et w o r e g i o n sc o r r e s p o n dt w os t o r mt r a c k sr e s p e 缸e l y i nt h en o r t hp a c i f i c ，c y c l o g e n 啦 m a x i m u mr e g i o n sa r ei nt h ew e s t e mp a c i f i c ，a n dt h e nc y c l o n e st r a v e lt h r o u g ht h e c e n t r a lo ft h en o r t hp a c i f i ca n dr e a c hm a x i m u mi n t e n s i t yi nt h i sa r e a a tl a s t , t h e y t r a v e ln o r t h e a s t w a r dt ot h eg u l fo fa l a s k aa n de n dt h e i rl i f ec y c l ei nt h i sa l e n i nt h e n o r t ha t l a n t i cb a s i n , c y c l o g e n s i sm a x i m u mr e g i o n si st h ee a s tc o a s to fn o r t h a m e r i c a na n dt h ei c e l a n d m o s to ft h e s ec y c l o n e sa l em o v en o r t h e a s t w a r dt ot h e i c e l a n d t h e s ec y c l o n e sr e a c ht h e i rm a x i m u mi n t e n s i t ya n de n dt h e i rl i v e sb o t hi n i c e l a n dr e g i o n o n l yaf e wc y c l o n e sc o u l dm o v ei n t ot h en o r t he u r o p e t h e n ，p d oi n d i c e sh a sb e e nu s e di nt h i ss t u d y c o m p s i t ea n a l y s i so fn o r t h p a c i f i ci sd o n ef o r1 3p o s i t i v ep d oy e a r , w h i c hi sd e f m e da st h ep d oi n d e xa b o v e 0 5 ，a n dl gn e g a t i v ep d oy e a r ，w h i c hi sd e f i n e da st h ep d oi n d e xb e l o w - 0 5 r e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mr e g i o n so fc y c l o n ea c t i v i t i e sa r er e s t r i c t e db c t w e e n t h el o n t i s u d eb e t w e e n0 。t o1 7 0 。wi nt h ep o s i t i v ep d o y e a r , w h i l ei nt h en t g 脚i v e p d o y e a r , i t sr e g i o n sa r er e s t r i c t e dw e s t w a r do ft h ed a t el i n e a n dt h ee a r l yg r o w t h r a t ei n d e xa t5 0 0 h p a , w h i c hh a sb e e nc a l c u l a t e dl a t e r , r e v e a lt h a tt h e r ea r em o r e f a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rc y c l o n eg r o w t hi nt h ew e s to fd a t el i n ei nt h en l l g a t i v ep d o y e a r a tl a s t , e o m p o t a ea n a l y s i si sa l s od o n ei nt h en o r t ha t l a n t i cf o rt h en a oi n d i c e i nw h i c ht h ep o s i t i v en a oi n d i e e g i sd e f i n e da st h ev a l u e sa b o v e1a n dt h en a g m i v e n a oi n d i c i 虹sd e f i n e da st h ev a l u e sb e l o w 一1 t h er e s u l t ss h o wd i s t i n c t l yt h a ts t o r m t r a c ki np o s i t i v ey e a ri sm u c hs t r o n g e rt h a ni nn s g o t i v ey e a r a n dt h ec y c l o n ed e n s i t y m a ps h o wt h a tf e wc y c l o n e sc o u l dm o v ee a s to f2 0 。wi nt h en l l g o a i v ey e 鸡w h i l e t h e r ea r ea l m o s t1 3c y c l o n e se n dt h e i rl i v e si nt h en o r w e g i a ns e a ( b e t w e e n1 0 。wt o 1 0 。e 1 k e yw o r d s ：c y c l o n e , c y c l o n et r a c k , s t o r mt r a c k , p d o ，n a o 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 第一章绪言 1 1 引言 气旋是占有三度空间的、在同一高度上中心气压低于四周的天气尺度涡旋。 一般在海平面气压场上，表现为低气压的形式，因此又称为低气压。气旋的水平 尺度以最外围的一条闭合等压线的直径长度来表示。一般来说，气旋的平均直 径约为1 0 0 0 公里，而大的气旋其直径甚至可达3 0 0 0 公里。气旋的强度则一般用 该气旋的中心气压值来表示。气旋中心的气压值越低，就表示气旋强度越强；反 之，气旋中心气压值越高，表示气旋强度越弱。就平均状况来说，中纬度气旋， 也即温带气旋，其强度冬季要比夏季强，海上要比陆地上的强。另外关于中纬度 气旋的生命周期，由于发生地域的不同，其持续时间也不尽相同，但是一般认为 温带气旋的是一个生命周期持续在3 天或者3 天以上的天气尺度系统。 在北半球，有两个区域的气候特征受天气尺度系统影响特别显著，他们分 别是：北大西洋一欧洲区域，以及北太平洋区域。例如，北大西洋的气旋一般能 够横越北大西洋，到达欧洲区域，并在欧洲区域达到其生命周期的最终阶段 消亡阶段。而这些来横越了北大西洋的气旋，正是影响欧洲地区的气候和天气系 统的主要因素之一。因为这些气旋是从大洋上面移来的，所以气旋所输送的水汽 和潜热不容忽视。因此，气旋的作为天气尺度的系统，无疑对北半球冬季的气候 状况起着不可忽视的作用。f r 且q d r i c h 等人1 9 8 5 年的研究就曾经指出，位于北 大西洋东岸的欧洲大陆区域，平均每年的大约7 0 - - 8 0 的冬季降水是由大约1 5 个锋面气旋引发的。气旋对于气候系统的影响，由此可见一斑。 而在北大太平洋区域，多生成于北太平洋的西部，日本以东的洋面( 3 0 。n - - 4 0 。n ，1 4 0 。e - - 1 7 0 。e ，这个位置刚好是黑潮延伸体的区域) ，并向西北方 向移动横越整个北太平洋，其中的大部分到达北太平洋的东岸。横越北太平洋的 气旋中，一部分气旋消亡于北美大陆的西海岸，另一部分则最终锢囚并消亡阿拉 斯加湾地区。这些生成于北太平洋西部的气旋，在横越北太平洋的过程中，必然 对整个北太平洋的大气环流系统产生影响。同时，移动到达太平洋东岸的气旋， 由于其输送的来自于太平洋上的水汽和潜热，也必然会影响北美大陆西岸和阿拉 斯加湾地区的气温以及降水状况。 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 2 国内、外研究现状 1 2 1 气旋发展理论研究概述 关于中纬度气旋的研究，最早开始于1 0 0 多年前，但是得到迅猛的发展却 是在一战之后。一战之后，随着地面观测网的扩充，挪威学派在总结过去研究成 果的基础上，第一次概括出了气旋内三维空气运动、降水和地面锋之间关系的天 气学模式，为短期预报提供了理论基础，也为气象学的发展作出了重要的贡献。 到了1 9 世纪三十年代前后，高空观测网的建立，使人们发现了高空波动以及高 空波动与温带气旋之间的联系，从而更深入的认识了温带气旋的发生发展、高空 结构和运动。在五十年代前后，p e t t e r s s e n 和p a l m e n 与n e w t o n 对这些理论做 了全面的总结，这时中纬度气旋发展的理论系统已经相对成熟，其中的一些理论 和观测结果，至今仍然是气象预报方面的主要理论与依据。自此之后的半个多世 纪中，中纬度气旋发展的理论更是日趋完善，发展至今，中纬度气旋发展在动力 学模型，能量收支方面的都有了相当完善的理论系统。同时，中纬度对于气旋发 展时的环流形势和天气形式，以及中纬度气旋整个生命周期的发展过程，也有了 深入的了解。可以说，发展到目前，对于中纬度气旋发展的理论方面的研究已经 相当完善了。 1 2 2 气旋发展的统计研究 如果说，在中纬度气旋发展的理论方面的研究结果，提高了短期预报中中 纬度气旋预报的准确率，那么中纬度气旋统计方面的研究，则能更好的提高中长 期预报准确率以及大气环流的改变，甚至是整个气候系统的改变。因此，对于中 纬度气旋的研究，除了理论方面的研究，统计方面的研究也相当重要。 自从k o p p e n1 8 8 1 年手动制作了第一张大西洋的气旋轨迹分析之后，气旋 的统计研究就在不断的发展。发展至今，大家主要使用的有两种基本的研究方法： 欧拉方法和拉格朗日方法。 欧拉方法是对某一个固定格点的统计学处理。其方法是通过对资料的滤波 和空间尺度的位势高度场求均方根( r m s ) 来获得的。b l a c k m o n 等人( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) 就是最早将这种方法的应用引入对中纬度气旋的统计研究中的人，他耵 1 9 7 6 年和 2 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 1 9 7 7 年发表的文章就是通过对5 0 0 h p a 位势高度场先进行2 5 到6 天的带通滤波处 理候，再求均方根的做法，最终首次发现了北半球存在着两个个最显著的风暴路 径( s t o r m t r a c k ) ，这两条风暴路径分别存在于北半球中纬度的两大洋上。之后， 风暴路径的研究获得了迅猛的发展，现在已经成为三维瞬变波动力学研究中的一 个重要分支了。这种滤出2 5 n 6 天瞬变涡动，之后再求均方根的做法，可以非常 直观的显示出各个区域天气尺度涡动的活动频繁程度。无疑位于两大洋海盆上的 风暴路径，就是整个北半球天气尺度涡动活动最为频繁的区域，这些两大区域， 也就是中纬度气旋活动相对频繁的区域。不过，由于是采用了均方根的算法，所 以风暴路径所代表的，实际上应该是中纬度的气旋和反气旋共同活动频繁的区 域。虽然风暴路径并不能完全地表征中纬度气旋的活动频繁状况，但是也是中纬 度气旋的统计研究中，一个非常重要的方法。而风暴路径区域瞬变扰动所导致的 凝结加热异常对大气环流有重要的影响，并且风暴路径本身就会引起天气、气候 的变化，因此风暴路径不仅仅是中纬度气旋的一种研究方法，其本身也对中长期 天气预报和短期气候预测有着重要的意义。 拉格朗日方法则是一种以气旋为中心的方法。是通过跟踪气旋的移动轨迹 来示踪的。k l e i n ( 1 9 5 7 ) 的文章中就开始使用了。虽然用这种方法作出气旋频数 的分布( c y c l o n et r a c kd e n s i t y ) 合成图，会将气旋强弱的属性给忽略掉，但是 它能更直观的表现出气旋活动频繁的区域。气旋频数分布图跟风暴路径图的主要 区别在于，气旋频数分布图显示的是各区域气旋的活动频繁程度分布，而风暴路 径则不仅仅显示了各区域气旋的活动频繁程度，同时也反映了反气旋的活动频繁 程度。另外，由于这种方法是以气旋为中心来分析的，所以可以清楚的记录下每 个气旋的生命周期中的各种属性，因此，方便了做更进一步的气旋分析。所以现 在的单从气旋的统计分析角度来看，主要还是以拉格朗日方法为主。 以下几位作者的工作都是使用拉格朗日方法，来研究气旋的移动轨迹，并 得到了结果。例如，c h e n 等人( 1 9 9 1 ) 使用北京气候中心1 9 5 8 1 9 8 7 年的资料， 得出的结果显示1 9 5 8 1 9 7 7 年间在东亚、东海以及日本海区域的气旋生成有一 个下降的趋势：f l o h n 等人( 1 9 9 2 ) 的工作发现在1 9 6 7 - - 1 9 8 9 年期间，北太平 洋和北大西洋的中部海平面气压有加深的趋势，并且中心气压低于9 9 0 h p a 的风 暴也有增加的趋势；h a a k 和u l b r i c h ( 1 9 9 6 ) 通过分析1 9 8 0 一1 9 9 1 年间e c h 唧f 的1 0 0 0 h p a 位势高度场的资料，北大西洋一欧洲区域强低压( 中心气压低于 9 5 0 h p a ) 的数量在增加。 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 s i c k m o i l e r 等人( 2 0 0 0 ) 发表的文章中，指出他们通过对1 9 7 9 1 9 9 4 年的 e c m w f 的1 0 0 0 h p a 位势高度场的再分析资料的分析得出，北大西洋上的定常低压 数与n a o 指数有相当高的相关性。随后，g u l e v 等人( 2 0 0 1 ) 发表的文章中，使 用n c e p n c a r 的再分析资料，同样得到了这一结论，即在1 9 7 9 1 9 9 9 年阶段， 北大西洋气旋频数的第一主成分与n a o 指数有着极高的相关性( o 9 ) ；并且在此 阶段，北太平洋气旋频数的第一主成分也与p n a 指数有着很高的相关性( o 8 4 ) 。 而在1 9 5 8 1 9 7 8 年阶段中，虽然北大西洋气旋频数的第一主成分与n a 0 指数仍 有极高的相关性( o 8 1 ) ，但是北太平洋气旋频数的第一主成分也与p n a 指数的相 关性却明显偏低( o 4 6 ) 。 q u a n z h e ng e n g 等人( 2 0 0 1 ) 同样于2 0 0 1 年发表的文章，则不仅仅做了以 前大家都关注的气旋发生频数的研究，也同样做了以前大家都比较容易忽视的气 旋活动的其他属性，如气旋强度、气旋加深率、气旋移动速度等。并通过研究指 出，在过去的4 0 年间，北大西洋气旋活动属性的第一主成分是呈现一个不断加 强的年代际变化。另外，气旋活动的各种属性几乎是一致变化的，较高的气旋频 数同样意味着较强气旋强度和气旋加深率以及较快的气旋速度。文中还指出了这 些北大西洋气旋活动属性的变化跟北大西洋上对流层底层的大尺度斜压性和 n a o 有着密切的联系。 1 3 本文拟解决的问题以及本文的结构 前人的研究工作曾发现，大洋上的中纬度气旋的发源地多生成于大洋的西 岸，那么中纬度气旋的生成是否受大洋西边界流的影响呢? 而h o s k i n s ( 1 9 9 0 ) 也曾提出，冬季海洋西部的暖边界流可能对风暴路径的维持有重要影响，而风暴 路径也在一定程度上表征了中纬度气旋的活动频繁程度，再加上北太平洋的气旋 生成区域主要集中在黑潮延伸体区域，那么在太平洋上的西边界暖流黑潮的 延伸体是否对中纬度气旋的活动存在影响呢? 而与黑潮延伸体区域海温异常存 在着显著负相关的太平洋年代际振荡，是否也与北太平洋区域的气旋存在着相关 性呢? s e r r e z e ( 1 9 9 7 ) 曾发表的文章中，选定了冰岛低压活动最频繁的区域，这 个区域覆盖了格陵兰岛以东直到冰岛附近的洋面，当然这个区域也包括了6 0 。 n ，3 0 。w 这个出现冰岛低压中心最多的点。在文章中s e r r e z e 通过合成分析发 4 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 现，在这个区域里n a o ( t h en o r t h a t l a n t i co s c i l l a t i o n ，也就是北大西洋涛动) 正 位相年，气旋的数量是负位相年的两倍以上。n a o 作为继e 1n i n o 之后的又一个 全球气候异常的主要模态，几乎覆盖了整个北大西洋，而冰岛低压区域仅仅是其 跷跷板现象中的一支，那么n a o 是否会对两大气旋活动频繁区域之一的北大 西洋一欧洲区域的中纬度气旋的生成和消亡也产生影晌呢? 是否对北大西洋区 域的中纬度气旋的移动路径和强度等属性产生影响呢? 这些问题都是有待于研 究的问题。 为了解决提出的问题，本文的主要内容包括以下几个部分： 第二章北半球中纬度气旋的气候特征 第三章北太平洋冬季气旋活动与p d o 的关系 第四章北太平洋冬季中纬度气旋活动与n a o 的关系 第五章总结和展望 1 4 本文所用e c u n f 资料简介 本文所用的主要大气资料为e c m w f 的e r a - 4 0 再分析资料。欧洲中期天气预 报中心( e u r o p e a nc e n t r ef o rm e d i u m - r a n g ew e a t h e rf o r e c a s t s ) 的再分析资 料分为1 5 年再分析资料和4 0 年再分析资料两种。1 5 年再分析资料( e r a 一1 5 ) 是从1 9 7 9 年到1 9 9 3 年共计1 5 年的再分析资料，而我们所使用的4 0 年再分析资 料( e r a - - 4 0 ) 是欧洲中心在第一次再分析基础上，对1 9 5 7 年9 月到2 0 0 2 年8 月共计4 6 个年份再次进行了同化资料的再分析。e c m w f 资料在学术界使用较多， 效果较好。 e c m w f 的e r a - 4 0 再分析资料为每日4 次的再分析数据，它的水平分辨率为 2 5 。2 5 。的经纬度网格点资料，全球共分为1 4 4 x 7 3 个格点，垂直方面分为 2 3 个等压面，分别为1 0 0 0 、9 2 5 、8 5 0 、7 7 5 、7 0 0 、6 0 0 、5 0 0 、4 0 0 、3 0 0 、2 5 0 、 2 0 0 、1 5 0 、1 0 0 、7 0 、5 0 、3 0 、2 0 、1 0 、7 、5 、3 、2 、1h p a 。所输出的主要变量 有位势场、纬向风场、经向风场、温度场、散度场等等。 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 第二章北半球中纬度气旋的气候特征 2 1引言 以往的许多学者都对中纬度气旋从各个方面做了非常深入的研究。例如， b l a c k m o n ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) ，h o s k i n s ( 1 9 9 0 ) 等利用欧拉方法，通过对5 0 0 h p a 位势高度场资料的2 5 - 6 天滤波，然后求均方根( r m s ) 作出风暴路径，从风 暴路径方面对中纬度天气尺度瞬变涡动做了深入的研究。而w a l l a c e 等人( 1 9 8 8 ) 则通过相关性分析，发现气旋多生成在日本附近，并向东北方向移动，最终移动 进入阿留申低压区域。而s e r r e z e ( 1 9 9 5 ) ，z h a n g 等人( 2 0 0 4 ) 的文章则主要研究 了北冰洋区域气旋的活动情况；s e r r e z e ( 1 9 9 7 ) 则主要研究了冰岛低压区域气 旋的活动情况；m a r t i n 等人( 2 0 0 1 ) 则做了北太平洋气旋的研究；s i c l a n o l l e r 等 人( 2 0 0 0 ) 还同时对北大西洋区域和北太平洋区域的气旋情况做了研究。另外， 还有许多其他学者利用各种各样的方式对气旋做了统计性研究。如，k o n ig 等 人( 1 9 9 3 ) ，s c h u b e r t 等人( 1 9 9 8 ) ，r a i b l e 和b l e n d e r ( 2 0 0 4 ) 分别利用g c m 模拟试验，做了中纬度气旋的各方面研究；而p a c i o r e k ( 2 0 0 2 ) 则是通过对中 纬度气旋的几个指数的统计学分析，来研究中纬度气旋。 本章我们将采用e c m w f 的从1 9 5 7 年9 月到2 0 0 1 年8 月共4 4 年长时间序列 的1 0 0 0h p a 的位势高度场和相对涡度场，以及5 0 0 h p a 风场的资料，系统的列出 了冬季北半球的气候特征，以及风暴路径和中纬度气旋频数分布图，并对北半球 中纬度气旋活动的的气候特征进行分析。 2 2 气旋的定义以及气旋示踪方法 自从k l e i n ( 1 9 5 7 ) 第一次使用了全主观气旋示踪方法来分析气旋以后，经历 了半个多世纪的发展，现在在中纬度气旋的统计研究方面，基本上都是使用客观 气旋示踪的方法来确定气旋。因为计算机的飞速发展，越来越快的计算机运算速 度，使利用程序来确定气旋成为了可能。一般来说，使用计算机程序来查找气旋 分为两个步骤：第一，确定某一时刻的位势高度场( 或者气压场) 上的气旋系统。 第二，将两个相邻时刻的的位势高度场( 或者气压场) 上的气旋进行关联。 2 2 1前人的气旋定义和示踪方法 6 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 气旋在天气学上的定义是，在海平面气压场上，低压中心的周围存在至少 一条闭合的等压线，并且这个低压系统持续至少3 天或者3 天以上，我们就称之 为气旋。前人的研究中，大多对气旋的判定做了一些简化。如p a c i o 出等人( 2 0 0 2 ) 定义在1 0 0 0 h p a 位势高度场上，如果存在某个格点，其位势高度小于周围相邻的 8 个格点，并且该格点处的涡度超过2 x 1 0 。s 一，而且在此之后的2 4 小时内， 该系统移动路径上的气压极低值处，涡度一直保持为正，那么就可以判定这 是一个气旋；b l e n d e r 等人( 1 9 9 7 ) ，s c h u b e r t 等人( 1 9 9 8 ) ，s i c k m o l l e r 等人 ( 2 0 0 0 ) 的文章中则规定，在1 0 0 0 h p a 位势高度场上，如果某格点的位势高度小 于其他相邻8 个格点，并且跟它周围8 个格点的平均梯度大于5 m l o o o k m ，并且 在其生命周期中，至少有一个时刻的平均梯度是大于2 0 m l o o o k m 的，那么就可 以判定这个系统是一个气旋；而s i n c l a i r ( 1 9 9 4 ) 则是直接使用了相对涡度来 定义气旋。 2 2 2 本文采用的气旋定义和示踪方法 纵观前人对气旋的客观定义，一般来说都是对天气学上的气旋定义做了相 应的简化的。而我们则希望尽可能的贴近传统天气学上对于气旋的定义，来判定 气旋。我们对中纬度气旋的定义如下，在1 0 0 0 h p a 位势高度场上，气旋的低压中 心周围至少需要有一条闭合的等值线，并且气旋系统要持续至少3 天，并且等值 线间隔为5 0 9 p m ，这就是说气旋的低压中心周围构成等值线的各格点至少要大于 低压中心5 0 9 p m 。为了实现这一目的，我们适当的修改了k o n i g ( 1 9 9 3 ) 所使用 的方法，以此来作为我们判定气旋的方法。我们将气旋的示踪过程分为如下几个 步骤： l 、在1 0 0 0 h p a 位势高度图上找到一个点c ，c 点值要小于其相邻八个格 点n 。并且我们将n 。外面的一圈格点定义为s ，如示意图图2 1 所示。 2 、如图所示，格点n 。是c 点周围的第一豳格点，我们假设其中除了n ，、 n ，、n6 三个点外，其他五点都大于c 点5 0 9 p m 以上。这样，在第一圈的格点中 存在三个格点不符合要求，在这一圈的格点并不能组成一条完全闭合的等值线， 因此我们将进行下一个检测步骤。 3 、我们继续检验与这三个点相邻的第二圈格点的数值，每个格点检验三个 相邻格点。例如，在角落里的n ：和n6 两点，我们就分别检验s ：、s 3 、s 和s 。o 、 s ”s ，：这六个格点，而位于边线上的n 。点，我们则检验与之相邻的s i 、s2 、 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 s ，。这三个格点。如果与这些格点相邻的三个格点的位势高度值，全部高于c 点 5 0 9 p m 那么我们就认为这形成了一条闭合的曲线，如图2 1 所示；如果这些点依 然存在不符合要求的点，我们就重复步骤3 的检验。 4 、这些检验不可能无限制的进行下去，由于气旋的平均直径约为1 0 0 0 公 里，最大的可以达到3 0 0 0 公里，所以我们设定检验半径为1 0 0 0 公里，也就是说， 如果检测点到中心点c 的距离超过了1 0 0 0 公里，那么我们就认为这条曲线是不 闭合的。也就是说，这并不是一个气旋，这样一些水平尺度较大，但是气压梯度 较小的低压系统，就都被我们排除在外了。 5 、我们先找出t 一1 时刻位势高度场上的所有气旋中心，并将其分别标号。 然后求出他们与t 时刻位势高度场上的所有气旋中心之间的距离，其中距离最小 的就定义为同一个气旋的两个时刻。 6 、将标定为同十气旋系统的气旋分别从矩阵中去掉，然后继续步骤5 的 检测，直到两时刻之间的最小距离大于6 0 0 公里为止。我们之所以取6 0 0 公里作 为临界值，是因为中纬度气旋移动速度一般不会超过1 0 0 公里d , 时，所以我们 选取1 0 0 公里4 , 时来作为中纬度气旋的最大移动速度，而6 小时中气旋的最大 移动距离也就不会超过6 0 0 公里。 7 、对于t - 1 时刻中，最后剩余的气旋，我们就认为该气旋消亡于t - 1 时刻； 而对于t 时刻中剩余的气旋，我们则认为是新生成的气旋，并且分别给定一个新 的标号。 这样，我们就可以找出一年中的所有气旋了。另外，因为我们定义的气旋 是至少存在3 天以上的，所以，所有生命周期小于3 天的气旋，都将被剔除掉。 另外我们对对气旋生成、成熟、消亡的定义如下： 在1 0 0 0 h p a 位势高度场上，第一次出现闭合的等值线的时刻，就是气旋的 生成时刻，其气旋中心的位置，就是该；而在气旋的生命周期中，位势高度达到 最小值的时刻，我们就定义为气旋的成熟时刻；而在其生命周期中出现最后一条 闭合的等值线的时刻，就是气旋的消亡时刻。 中纬度气旋从生成之后就不断的加强，直到成熟期达到最大值，并开始衰 减，直至消亡。因此我们定义的衡量中纬度气旋强度、大小的指数，都是以成熟 期为标准的。一般来说衡量中纬度气旋的强度的常用指数，包括气旋中心的气压 3 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 梯度，和旋转程度，因此我们定义梯度指数和涡度指数来表征气旋的强度。梯度 指数，我们定义为气旋在成熟期时，1 0 0 0 h p a 位势高度场上，气旋中心位置与其 周围八个格点的位势高度的平均梯度值。而涡度指数，我们则定义为气旋在成熟 期时，1 0 0 0 h p a 等压面上的，气旋中心位置的相对涡度。 至于表征气旋大小的指数，由于气旋的形状一般较为复杂，所以其大小很 难准确的表达。因此我们假定，构成气旋的等值线，都是围绕气旋中心的格点组 成的同心正方形来表示，那么我们定义的气旋大小指数，就可以这样来得到，如 果外圈的格点上的平均位势高度值大于内圈格点的位势高度，那么外圈就可以被 认为是气旋的一圈等值线。这样，我们就得到了表征气旋大小的指数等值线 的圈数。 2 3 北半球中纬度气旋的空间特征 2 3 1 北半球气候态的风暴路径 我们首先对5 0 0 h p a 的位势高度场做了2 5 6 天的带通滤波，然后将取每 年冬季1 2 月、1 月、2 月共3 个月的资料做均方根( r m s ) ，并取平均，这样就 得到了气候态的冬季三个月的风暴路径图，如图2 2 所示。在北半球存在着两条 最显著的风暴路径( 超过5 0 米的区域) ，分别位于太平洋海盆和大西洋海盆。太 平洋上的风暴路径开始于日本以东洋面，并横越整个北太平洋到达北美大陆西岸 和阿拉斯加湾地区。整个北太平洋的风暴路径几乎是延纬向分布，只有轻微的向 北倾斜现象。并且整个风暴路径都是位于太平洋之上，几乎没有延伸到西边的亚 洲区域和东边的北美大陆。而北大西洋上的风暴路径则是开始于北美大陆中部的 五大湖区域，经过了格陵兰岛南端，一直晌动延伸到了北欧地区的挪威海区域， 甚至还覆盖了西欧的英国以及北欧的挪威、瑞典等国家。与北太平洋上的风暴路 径相同，北大西洋的风暴路径东端，也是位于北纬4 0 。到5 0 。之间，但是不同 的是，北大西洋上的风暴路径有一个明显的东北向的倾斜，风暴路径的西端纬度 位置已经到达北纬7 0 。左右了，而北太平洋上的风暴路径西端则依然没有超过 北纬6 0 。从两条风暴路径的强度上，我们可以明显的看出，北太平洋的风暴 路径要明显弱于北大西洋上的风暴路径。这些现象都与前人的研究结果相吻合。 因为风暴路径表示的是2 5 6 天的天气尺度瞬变涡的活动频繁程度，因此一定 程度上也展示了中纬度气旋的活动频繁程度。 9 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 2 3 2 区域的划分 由于我们主要研究的是中纬度气旋，同时考虑到了气旋示踪方法在边界上 判定的问题，因此，我们所选定的纬度范围2 0 。n 一8 0 。n 。由于，北大西洋地 区有相当部分的气旋是产生于北美大陆区域，而且有不少的气旋到达了挪威海及 北欧等纬度较高的区域。另外，为了排除掉一些北冰洋地区的气旋，因此，我们 对于区域的划分做了如下规定：北大西洋区域( 9 0 。w 一3 0 。e ，2 0 。n 一8 0 。n ) ， 北太平洋区域( 1 2 0 。e - - 1 2 0 。w ，2 0 。n 一8 0 。n ) ，并且只有整个生命周期，都 在该区域的才能作为这个区域的气旋。 2 3 3 中纬度气旋活动频数的长期统计 我们利用2 2 2 节中，我们对气旋的定义，通过对1 0 0 0 h p a 位势高度场的 分析，跟踪了气旋的移动路径。因为气旋的平均尺度约为1 0 0 0 公里，所以我们 假定所有的气旋其尺度都是1 0 0 0 公里。如果某个格点在某个时刻出现了一次气 旋，那么其周围5 0 0 公里以内的所有格点都记一次气旋发生，之后将所有时刻的 气旋发生数叠加起来，并取年平均，就得到了年平均的气旋发生频数图。 图2 3 是扩大了1 0 倍的气旋发生频数图。我们可以发现，跟风暴路径相似， 气旋发生频数图，同样存在这两个最明显的区域，这两个区域同样是北大西洋区 域和北太平洋区域。北太平洋区域的气旋分布状况跟风暴路径的情况大体相似， 同样是西起日本以东洋面，东至北美西海岸和阿拉斯加湾地区，主轴区域基本上 限制在洋面之上，并没有延伸到亚洲大陆和北美大陆上。只是主轴位置，相较于 风暴路径的主轴，略向北偏，同时在阿拉斯加湾地区与北太平洋中部，同时出现 了两个极大值区域。北大西洋区域的气旋分布状况也跟风暴路径的状况基本相 似，同样有一个明显的东北向的倾斜，并且主轴区域经过格陵兰岛南端，到达冰 岛和挪威海区域。除了比风暴路径偏北外，还有一个更为明显的差异。那就是风 暴路径的最强区域位于北美洲东海岸到北大西洋中部的广阔区域，并且风暴路径 开始于北美洲中部，但是气旋活动的分布状况却是，极大值区域是格陵兰岛南端 的东部海面以及南部海面，虽然在美洲大陆中部也有一个极值区域，但是数值上 却仅仅是格陵兰岛地区的一半左右。从图2 3 中，我们还可以看出北大西洋区域 的气旋活动区域要小于北太平洋区域，但是在格陵兰岛附近的极大值区域，要比 北太平洋的极大值区域略大，但是从总体上来说，两大区域的气旋活动频繁程度 相当。另外，亚洲中部地区出现了一个极大值，这应该是因为数据的问题引起的。 1 0 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 这里在地理位置上是青藏高原的南坡，由于地形高度问题，这里几乎不可能存在 气旋活动，因此我们可以将其忽略。 接下来，我们按照前面2 2 2 节中，对于气旋生成期、成熟期和消亡期的 定义，作出了全球范围气旋生成、成熟、消亡三个时期的气候态分布图。图2 4 a 、 图2 4 b 、图2 4 c 分别表示了气旋的生成、成熟、消亡时刻的1 9 5 9 2 0 0 1 年的年 平均分布图。从图2 4 a 中，我们可以看出，中纬度气旋生成的区域主要集中在 太平洋和大西洋的西岸。同时阿拉斯加湾、北美大陆中部、格陵兰岛东南的洋面 和挪威海区域，也同时存在中纬度气旋生成的极值区，只不过这些地方的中纬度 气旋生成频数要比太平洋西岸和大西洋西岸区域在数值上小得多而已。另外北大 西洋西岸的气旋生成基本上跟风暴路径上的风暴轴区位置相同，而太平洋上的， 气旋发生的主要区域则在风暴轴的上游。图2 4 b 是中纬度气旋成熟期位置分布 图。我们可以发现，成熟期气旋的位置，基本上整个的中纬度气旋发生频数图( 即 图2 3 ) 位置相当，北太平洋区域，同样是在北太平洋中部；而北大西洋上的极 值区域，则在格陵兰岛西南的拉布拉多海和以东的冰岛区域。虽然在极大值方面， 北大西洋要略大于北太平洋，但是这只能说明北大西洋区域的气旋，其成熟期位 置相对较集中而己，并不能说明在数量上超过了北太平洋。图2 4 c 是中纬度气 旋消亡期的位置分布。从这张图上，我们可以看出，北太平洋的气旋的主要消亡 区域主要集中在阿拉斯加湾一带；而北大西洋则集中在格陵兰岛西南的拉布拉多 海和以东的冰岛区域，还有较少部分则消亡于挪威海区域。 由上面我们对中纬度气旋生命循环中三个时期的合成分析，我们可以推测， 太平洋地区的气旋，多发生于太平洋西岸即日本以东洋面，之后横越太平洋，并 在太平洋中部地区达到成熟期，最后消亡于阿拉斯加湾地区，只有相对较少的气 旋能到达并消亡于北美大陆的西海岸。大西洋地区的气旋则生成于北美大陆东岸 向东北方向移动到格陵兰岛南端附近的海区达到成熟期，并最终在此处消亡；还 有部分气旋则在格陵兰岛南端周围的海区生成，基本上不移动出格陵兰岛区域， 措这个区域成熟，并消亡。另外，整个北大西洋的气旋，只有极少部分到达挪威 海和北欧地区。 图2 5 是1 9 5 7 年1 2 月到1 9 5 8 年2 月这3 个月中( 当然，图中在这两个区 域之外的气旋都被去除掉了) ，气旋移动路径的合成。从这张图上，也证实了我 们的推测。 冬季北半球中纬度气旋的统计分析 表2 1 给出了，北大西洋和北太平洋上，气旋的几个指数。我们可以看到 在中纬度气旋的平均个数上，北大西洋要明显少于北太平洋，持续天数上则略短 于北太平洋。而梯度