張穎嫻　丁一匯

北半球溫帶氣旋客觀研究方法及模擬和預估的研究進展

張穎嫻丁一匯

（國家氣候中心，中國氣象局，北京 100081）

溫帶氣旋是影響中高緯度地區(qū)大范圍天氣氣候變化的重要天氣系統(tǒng)之一，研究其氣候特征、活動規(guī)律和變化趨勢對改進天氣預報和理解全球氣候變化具有重要意義。從主要溫帶氣旋的識別方法、當前氣候時期溫帶氣旋的變化、氣候情景下未來溫帶氣旋變化的預估以及不確定性分析等4個方面，全面回顧了北半球溫帶氣旋的研究進展：（1）20世紀80年代后，基于再分析數(shù)據(jù)和大氣環(huán)流模式（GCM）的發(fā)展，溫帶氣旋研究從主觀分析開始向客觀識別方法發(fā)展；（2）再分析和模式數(shù)據(jù)均顯示北半球存在兩個溫帶氣旋主活動中心和兩個次活動中心，主活動中心分別位于北太平洋和北大西洋地區(qū)，次活動中心分別位于地中海和蒙古地區(qū)；（3）在人類活動影響的氣候變化情景下，大多數(shù)模式模擬得到北半球大部分地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目將減少，個別地區(qū)的溫帶氣旋數(shù)目將增加；（4）由于不同研究中對閾值、物理量和大氣層的選取存在差異，這使得對當前氣候時期和GCM模擬研究中的溫帶氣旋及其變化和趨勢問題還存在許多不確定性。因此，目前亟待解決的問題是對于溫帶氣旋的不同研究方法和研究結(jié)果做更多具體的比較分析，從而給出對溫帶氣旋更深入的認識。

溫帶氣旋，客觀判定和追蹤方法，溫帶氣旋的氣候態(tài)特征和變化，氣候情景

0　引言

溫帶氣旋是出現(xiàn)在南、北半球中高緯度地區(qū)具有斜壓性的低壓渦旋，在全球大氣環(huán)流中起著重要的作用，熱帶和極地之間的熱量、水汽和動能傳輸，很大程度上都通過溫帶氣旋的移動和發(fā)展來實現(xiàn)。另外，溫帶氣旋是影響中高緯度地區(qū)大范圍天氣變化的重要天氣系統(tǒng)之一，溫帶氣旋及其鋒面系統(tǒng)，受斜壓不穩(wěn)定驅(qū)動, 能夠造成明顯或激烈的天氣現(xiàn)象，如極端溫度、極端強降水、強風暴和風暴潮等, 造成生命和財產(chǎn)的巨大損失。亞洲、北美東部、北太平洋和北大西洋是北半球溫帶氣旋活動最頻繁的地區(qū)。我國地處東亞大陸，受東亞溫帶氣旋影響劇烈。溫帶氣旋活動時常伴有冷空氣的侵襲，降溫、風沙、雪、霜凍、大風和暴雨等天氣現(xiàn)象隨之而來。東亞氣旋的活動范圍廣泛，其移動和發(fā)展帶來的影響能從我國內(nèi)陸一直延伸至西太平洋的遼闊海域。因此，研究溫帶氣旋的氣候特征、活動規(guī)律和變率趨勢對理解東亞乃至全球的天氣、氣候變化以及極端氣候事件具有重要意義。

早在100多年前，菲茨洛依就對溫帶氣旋中地面氣流結(jié)構(gòu)作了較真實的描述。第一次世界大戰(zhàn)之后，隨著地面觀測網(wǎng)的擴充，挪威學派在總結(jié)和吸取過去研究成果的基礎(chǔ)上提出了挪威氣旋模式，第一次概括出氣旋內(nèi)三維空氣運動、降水和地面鋒面之間關(guān)系的天氣學模式，為短期預報提供了理論基礎(chǔ)，在氣象學發(fā)展中起著重大的作用。到了20世紀30年代，由于高空觀測網(wǎng)的建立，發(fā)現(xiàn)了高空波動及高空波動與溫帶氣旋之間的聯(lián)系，從而使氣象學家對溫帶氣旋的發(fā)生發(fā)展、大尺度結(jié)構(gòu)以及能量收支等有了較深入的認識[1]。之后提出的一些氣旋發(fā)展理論和觀測結(jié)果至今仍是預報的主要依據(jù)，其中Petterssen[2]和Palmén等[3]對此做了全面的總結(jié)。對于溫帶氣旋的氣候?qū)W研究，早期的學者主要依靠人工主觀判斷來進行統(tǒng)計分析，隨著再分析數(shù)據(jù)和天氣氣候模式的發(fā)展，20世紀80年代以后氣象學家開始嘗試用數(shù)值算法來客觀判定和追蹤溫帶氣旋，目前已成為溫帶氣旋研究的客觀方法之一。客觀方法的發(fā)展使得客觀分析溫帶氣旋變化以及利用氣候模式模擬和預估溫帶氣旋成為可能。

本文從溫帶氣旋的客觀研究方法（第二部分）出發(fā)，對主要方法進行總結(jié)，在第三和第四部分分別討論用客觀方法分析當前氣候時期北半球溫帶氣旋強度和數(shù)目的變化情況，以及溫帶氣旋模擬和氣候情景下未來預估的研究進展，最后在第五部分給出了全文的總結(jié)及對未來溫帶氣旋研究工作的展望。

1　溫帶氣旋的客觀識別和追蹤方法研究

1.1溫帶氣旋的客觀識別

早期溫帶氣旋的判定和追蹤主要依靠人工分析天氣系統(tǒng)來實現(xiàn)[4-7]，人工分析方法的優(yōu)勢在于，經(jīng)驗豐富的預報員能較好地分析復雜的天氣系統(tǒng)，但人工分析在判定氣旋位置和數(shù)字化過程中不可避免地會產(chǎn)生隨機誤差，而且人工方法需要消耗大量的時間，這都是人工方法趨于淘汰的原因。因此，在再分析數(shù)據(jù)和天氣氣候模式發(fā)展的基礎(chǔ)上，利用逐日海平面氣壓場或高度場判定和追蹤溫帶氣旋的客觀數(shù)值算法[8-10]發(fā)展了起來。Rice[11]第一個將客觀判定溫帶氣旋的算法應用于格點數(shù)據(jù)。之后的幾十年中，更成熟的客觀方法被科學家們發(fā)展并采用，比如，Wernli等[12]發(fā)展了一個通過在氣壓局地最小值周圍搜索閉合等值線的數(shù)值算法。除此之外，溫帶氣旋的客觀研究也逐漸應用于高分辨率的全球及區(qū)域氣候模式[13-14]。

天氣尺度系統(tǒng)的強度通常用模式、再分析等海平面氣壓場或高度場的帶通（band-pass）時間序列的變化來表征[15-20]。這種帶通統(tǒng)計分析方法常被用于分析與低頻振蕩（如北大西洋濤動）有關(guān)的風暴路徑，分析人為溫室氣體效應下風暴活動的變化[21-24]等方面的研究。這種方法的不足之處在于它沒有辦法考慮單個風暴系統(tǒng)本身的特征，如加深速率、生命期和傳播速率[19,25-26]，以及單個風暴體的自身結(jié)構(gòu)[27]等。

在大多數(shù)的研究中，一般將海平面氣壓場的局地最小值或?qū)α鲗拥蛯訙u度場的局地最大值定義為溫帶氣旋的中心[28-32]。K?nig等[33]在研究中將這兩種指標聯(lián)系了起來，共同識別溫帶氣旋。Murray等[34]、Haak等[35]和Jung等[36]將迭代和插值方法也應用到了溫帶氣旋的客觀判定中。另外，Benestad等[37]在截斷傅里葉級數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了一個微積分氣旋的客觀判定方法。依賴于海平面氣壓場來識別溫帶氣旋往往在高海拔地區(qū)會由于垂直外推和模式數(shù)據(jù)中地形差異的影響而產(chǎn)生不可靠的結(jié)果，因此多數(shù)研究者忽略了高海拔地區(qū)的溫帶氣旋系統(tǒng)[38]。將海平面氣壓場的局地最小值作為判定溫帶氣旋的指標會漏掉一些小尺度的系統(tǒng)[39]，這些小尺度系統(tǒng)往往出現(xiàn)在快速移動的氣旋過程中，或氣旋的生成和消亡階段[40-41]。在一些地區(qū)，中緯度氣旋和一些低壓系統(tǒng)有著不同的結(jié)構(gòu)和特征，比如季風低壓和局地熱低壓等[7]。相比而言，最大局地渦度指標可以判定到小尺度的系統(tǒng)，但最大局地渦度有時往往同局地氣壓最小不一致，并且會判定到一些人工判定中不存在的系統(tǒng)。高分辨率的渦度場又包含較多的噪聲，諸如鋒面等結(jié)構(gòu)可能被分解[41]，因此采用渦度來追蹤溫帶氣旋時，常常需要做許多平滑和降低分辨率的工作。一般而言，研究者通過和實際天氣過程比較來檢驗數(shù)值算法再現(xiàn)氣旋氣候形態(tài)的能力。Haak等[35]還通過計算客觀識別與人工識別的溫帶氣旋的中心強度及位置的偏差，檢驗客觀數(shù)值算法識別氣旋過程的能力。

1.2 溫帶氣旋的追蹤

溫帶氣旋的追蹤通常將當前時刻客觀判定的氣旋系統(tǒng)分配給下一時刻客觀判定的氣旋系統(tǒng)，這種分配需要在一定區(qū)域內(nèi)搜索最可能的下一時刻客觀判定的氣旋系統(tǒng)[42-45]。Alpert等[46]、K?nig等[33]、Ueno[30]和Blender等[47]以當前時刻氣旋位置為中心，擇取一定的距離為半徑，搜索下一時刻的氣旋位置。Geng等[48]和Raible[49]在所確定的半徑內(nèi)，搜索最近距離的氣旋位置為氣旋路徑，若搜索半徑內(nèi)沒有客觀判定的氣旋，則此氣旋消亡。Murray等[34,40]和Haak等[35]將局地引導氣流的影響應用到搜索下一時刻氣旋位置的研究中。通過追蹤確定的溫帶氣旋過程可以研究和探討氣旋過程的加深速率、移動速度和生命期等特征。在追蹤的基礎(chǔ)上，爆發(fā)性溫帶氣旋的研究也有了可能[27,50-51]。

一些研究者[41,48,52-56]用客觀方法研究發(fā)現(xiàn)客觀判定的溫帶氣旋數(shù)目在北半球中緯度大洋盆地有極大值（圖1），這些地區(qū)與風暴路徑的分布是一致的。就北半球溫帶氣旋的氣候特征來看，北半球的北大西洋和北太平洋是主要的氣旋活動區(qū)，冬季這兩個區(qū)域的氣旋強度變化有較強的相關(guān)性[57]。氣旋的次活動區(qū)分別在亞洲和地中海地區(qū)，北半球冬季氣旋活動最強，夏季氣旋活動最弱。冬季大洋西海岸氣旋的最大加深速率最大，且移動速度最快，而高海拔的下游地區(qū)是主要的氣旋生成和消亡區(qū)，如落基山、格陵蘭、阿爾卑斯山、西藏和日本的下游地區(qū)等[39,58]。

2　當前氣候時期北半球溫帶氣旋的變化研究

2.1北半球溫帶氣旋的整體變化

就北半球溫帶氣旋的整體變化來看，Mccabe等[59]認為20世紀50年代末之后北半球冬季（11月—次年3月）氣旋發(fā)生頻數(shù)在高緯度增加, 而在中緯度明顯減少, 這意味著風暴路徑有向極偏移的趨勢，而全球變暖很可能是造成溫帶氣旋頻數(shù)和強度變化的主要原因。Raible等[60]的研究結(jié)果更加確定了北半球風暴頻率同北半球冬季溫度有很強的相關(guān)性，全球變暖很可能是北半球風暴路徑北移的一個重要原因。1958—1999年，北半球冬季溫帶氣旋各氣候特征呈現(xiàn)年際和年代際的變化，其中東太平洋和北美地區(qū)溫帶氣旋的強度、發(fā)生頻率和加深速率呈現(xiàn)減弱、減小和減慢的趨勢，西太平洋和大西洋地區(qū)溫帶氣旋的這些特征則呈現(xiàn)相反的變化趨勢。大西洋地區(qū)氣旋頻率同北大西洋濤動（NAO）相關(guān)性大，并且反映出了20世紀70年代NAO位相的轉(zhuǎn)換；東太平洋氣旋頻率同太平洋北美型（PNA）遙相關(guān)有著很大的相關(guān)性[54]。

2.2北半球主要活動區(qū)的溫帶氣旋變化

Schneidereit等[61]利用ERA40再分析數(shù)據(jù)對冰島地區(qū)的溫帶氣旋進行了研究分析，結(jié)果表明1958—2001年冰島地區(qū)氣旋數(shù)目呈現(xiàn)增加趨勢，這一結(jié)論和Bartholy等[62]的結(jié)論有著較大的一致性。Serreze等[63]采用客觀判定和追蹤方法對1952—1989年北冰洋地區(qū)的氣旋活動進行了分析，結(jié)果表明冬季氣旋活動頻繁，最強的氣旋系統(tǒng)基本上都出現(xiàn)在冰島和挪威的海域，冬季氣旋的移動路徑主要是從挪威移向北冰洋；夏季氣旋活動和冬季類似，只是在加拿大和北極的海域，氣旋活動比冬季加強；冬季氣旋的中心氣壓值比夏季時平均弱5～10hPa；對于氣旋的變化來說，春季、夏季和冬季的溫帶氣旋數(shù)目呈現(xiàn)出增加的趨勢。另外，Serreze[64]還對北冰洋地區(qū)1973—1992年氣旋的氣壓傾向、最大加深速率、氣旋生成和消亡進行了統(tǒng)計分析。冰島低壓地區(qū)的氣旋活動與NAO之間有著一定的聯(lián)系，當NAO極端負位相時，冷季節(jié)的氣旋發(fā)生是常年的兩倍，并且強度減小，但氣旋生成位置和氣旋最大加深速率與常年相同[52]；NAO正位相時，冷季節(jié)冰島地區(qū)的氣旋沒有明顯的增加現(xiàn)象，但是60°N以北地區(qū)的氣旋活動無論是冷季節(jié)還是暖季節(jié)都顯著增加，特別是北冰洋和加拿大附近的海域，這種現(xiàn)象和降低的平均海平面氣壓有關(guān)。Zhang等[65]認為從中緯度地區(qū)移動進入北冰洋的溫帶氣旋使得北冰洋地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目增多和強度增強。另外，北冰洋氣旋活動呈現(xiàn)顯著的低頻變化特征，20世紀60年代位于負位相，90年代位于正位相。

對于北大西洋區(qū)域，Sick-m?ller等[53]和Gulev等[54]通過對再分析數(shù)據(jù)的分析，得到北大西洋的溫帶氣旋數(shù)目呈現(xiàn)減少的變化趨勢，這一變化特點也同樣出現(xiàn)在了北太平洋地區(qū)。Blender等[47]采用一種拉格朗日方法，利用歐洲中心的高分辨率資料，對1990—1994年北大西洋/歐洲地區(qū)氣旋路徑進行了分析，其將氣旋的移動路徑分為三類：靜止、沿緯圈移動、向北偏東方向移動，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)冬季靜止氣旋的數(shù)目呈增加的趨勢，原因可能是氣候變化引起的，但很大程度上也可能是再分析資料修訂引起的。Geng等[48]采用客觀判定和追蹤方法，利用歐洲中心1958—1998年再分析資料分析了冬季北大西洋溫帶氣旋的活動密度、最大加深速率、移動速度和中心氣壓梯度，結(jié)果表明這幾十年冬季北大西洋溫帶氣旋強度呈現(xiàn)增強的趨勢；氣旋密度大的區(qū)域氣旋強度大，移動速率快，加深速率快；密度小的區(qū)域氣旋強度小，移動速率慢，加深速率也慢，分析還表明，北大西洋溫帶氣旋的變化與對流層低層大尺度的斜壓波及NAO有關(guān)，北大西洋的SST也會影響氣旋的變化，但具體原因尚須進一步研究。Trigo[66]的研究工作表明，歐洲北部呈現(xiàn)氣旋數(shù)目增加和歐洲中部呈現(xiàn)氣旋數(shù)目減少的變化特征。ERA40和NCEP數(shù)據(jù)的分析均體現(xiàn)出了這一結(jié)果，二者沒有明顯差異[66]。但并非所有再分析數(shù)據(jù)在各個地區(qū)均呈現(xiàn)相同或相似的變化，不同再分析數(shù)據(jù)在相同地區(qū)也會有相反的情況，這主要是原數(shù)據(jù)的差異造成的[37]。張穎嫻等[56]發(fā)現(xiàn)北大西洋/北美地區(qū)氣旋活動頻率具有明顯的年際變化特征，整體呈現(xiàn)顯著的升高趨勢，但較高緯度和較低緯度地區(qū)呈現(xiàn)顯著相反的分布形式（圖2），北大西洋/北美地區(qū)呈現(xiàn)出較高緯度大氣斜壓性增強而較低緯度大氣斜壓性減弱的變化特征（圖3a和3b），大氣斜壓性的這種變化可能造成了北大西洋/北美地區(qū)風暴路徑向高緯度偏移的變化特征。

北太平洋是溫帶氣旋非?；钴S的另一主要地區(qū)。Graham等[67]分析了過去50年北太平洋冬季氣旋的氣候特征和變化情況，發(fā)現(xiàn)強氣旋的頻率和強度顯著增加，與之相對應的25°—40°N地面極端風速值也顯著增加，阿拉斯加灣的氣旋型環(huán)流風速由西北風轉(zhuǎn)為了西南風。加強的氣旋活動明顯是由于對流層上層風速的加強和加大的北太平洋中部垂直風速切變造成的，而這些變化的原因很可能是由觀測到的年代際或更長時間尺度的厄爾尼諾遙相關(guān)型的調(diào)整造成的。氣旋的變化是穩(wěn)定的，并不像其他氣候要素特征變化得那么突然，熱帶西太平洋海溫的增加是這些變化的一個合理原因，但仍有可能存在其他的原因機制。另外，F(xiàn)avre等[68]研究表明，東北太平洋地區(qū)溫帶氣旋自20世紀70年代之后強度呈現(xiàn)增強的趨勢，氣旋移動的路徑向南偏移。這些變化的原因可能是季節(jié)性阿留申低壓氣壓偏低、北太平洋年代際振蕩呈正位相、北美西海岸海表溫度呈正距平以及太平洋中部氣壓呈負距平而引起的。熱帶太平洋海溫的正距平也是影響中緯度地區(qū)氣旋路徑南移的一個原因，向南偏移的氣旋路徑更有利于熱帶大氣的向北輸送，同時阻止了與反氣旋相關(guān)的極地氣團的向南傳輸。北太平洋地區(qū)溫帶氣旋強度增強的現(xiàn)象同樣被Gulev等[54]和Simmonds等[69]發(fā)現(xiàn)。張穎嫻等[56]對北太平洋風暴路徑的研究表明，北太平洋風暴路徑同北大西洋具有相反的變化形式，即北太平洋20世紀后半葉風暴路徑呈現(xiàn)向低緯度偏移的變化特征（圖4），該地區(qū)大氣斜壓性的同位相變化可以在一定程度上解釋風暴路徑向低緯度偏移的原因（圖3c和3d）。

地中海地區(qū)的溫帶氣旋是次天氣尺度系統(tǒng)[70]，相比較北半球的其他低壓系統(tǒng)，地中海氣旋強度較弱，空間尺度較小，生命期也較短（小于大西洋天氣尺度系統(tǒng)，平均2～2.5d的生命期）。Trigo等[71]利用歐洲中心1979—1996年的高分辨率數(shù)據(jù)，采用客觀判定和追蹤方法研究分析了地中海地區(qū)的溫帶氣旋。氣旋的主要生成地區(qū)在愛琴海、熱那亞港灣和中東地區(qū)，其中中東地區(qū)正是亞洲夏季風侵入地中海地區(qū)的必經(jīng)地，這也可能是中東地區(qū)氣旋頻繁生成的原因之一。熱那亞港灣地處山脈的下游，因此是背風氣旋的主要源地。另外，研究表明，地中海地區(qū)氣旋的主要移動路徑包括：冬季沿著伊比利亞半島從大西洋移入的氣旋路徑；夏季從阿特拉斯山脈向北非擴展的氣旋路徑；熱那亞港灣附近復雜的氣旋路徑和向地中海東海岸移動的氣旋路徑[71-72]。之后，Bartholy等[73]利用再分析數(shù)據(jù)對地中海西部地區(qū)氣旋活動進行了更長時間序列（1957—2002年）的氣候特征分析，更加著重研究年際、年代際的變化。

2.3東亞溫帶氣旋的變化

2000年后，研究者開始將客觀判定和追蹤方法應用到東亞溫帶氣旋的研究中[74-78]。姚素香等[76]利用NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)和客觀識別方法分析得到蒙古地區(qū)春季（3—5月）氣旋活動頻數(shù)存在明顯的年代際變化，20世紀50年代氣旋活動頻數(shù)較少，60年代開始到70年代后期氣旋活動頻數(shù)較多，從70年代末至2000年又進入一個氣旋活動頻數(shù)較少的時期；貝加爾湖東部地區(qū)在50年代初氣旋活動頻數(shù)較多，50年代中期到60年代中期氣旋活動頻數(shù)較少，而60年代后期到70年代后期氣旋活動頻數(shù)又較多，此后氣旋活動頻數(shù)又逐漸減少；而我國東北地區(qū)氣旋頻數(shù)年代際變化并不十分明顯，只是氣旋活動頻數(shù)在80年代以后年際變化幅度略大。王艷玲[74]以40°N為界劃分南方/北方氣旋，1948—2002年，北方氣旋主要活動高頻區(qū)在蒙古－中國東北地區(qū)，活動頻數(shù)有逐年減少的趨勢，5月和9月是北方氣旋活動的峰值月；南方氣旋活動頻數(shù)有逐年增加的趨勢，8月是南方氣旋活動的峰值月。王新敏[77]的研究表明，東亞北方氣旋20世紀70年代中期到80年代，氣旋數(shù)目呈明顯增加態(tài)勢，80年代末到90年代又開始回落；春季是一年中北方氣旋多發(fā)季節(jié)，冬季最少，5月發(fā)生頻數(shù)最多，1月發(fā)生頻數(shù)最少；90年代與80年代相比，北方氣旋高頻活動中心明顯向北偏移，偏移了大概2個緯度；70年代末到90年代末，蒙古氣旋頻數(shù)減少、強度減弱。Zhang等[51]利用ERA40再分析數(shù)據(jù)補充獲得了東亞主要的氣旋活動路徑（圖5），其中有2條海上氣旋活動路徑，2條蒙古氣旋活動路徑，1條黃河氣旋活動路徑和1條江淮氣旋活動路徑。另外，20世紀60年代至80年代中期40°—60°N、80°—140°E地區(qū)氣旋數(shù)目（北方氣旋）呈現(xiàn)增加的趨勢，而80年代中期之后溫帶氣旋數(shù)目則銳減，這主要是由于80年代以后該地區(qū)的大氣斜壓性減弱，更高緯度地區(qū)的大氣斜壓性增強，從而導致了氣旋源地的北移。較低緯帶（20°—40°N、110°—160°E）氣旋數(shù)目線性增加，這主要是由位于40°—55°N的北太平洋風暴軸有向低緯度偏移的變化趨勢造成的[79]。

另外，爆發(fā)性溫帶氣旋也是一個研究的重點。當位于φ緯度的氣旋24小時中心氣壓至少下降24×sinφ/ sin60°hPa時，我們稱這個氣旋為爆發(fā)性氣旋或氣象炸彈[80]。Zhang等[51]的研究表明東亞地區(qū)爆發(fā)性氣旋絕大多數(shù)都發(fā)生在東亞的東海岸，日本和西北太平洋上，極少數(shù)發(fā)生在內(nèi)陸。內(nèi)陸的爆發(fā)性氣旋主要集中在巴爾喀什湖西北方地區(qū)和蒙古地區(qū)。同北美內(nèi)陸地區(qū)相比較，東亞內(nèi)陸更不易發(fā)生爆發(fā)性氣旋。和北美地區(qū)相比，東亞內(nèi)陸地區(qū)的氣旋較少爆發(fā)性發(fā)展。東亞地區(qū)的風暴數(shù)目少于北美地區(qū)，強度也弱于北美地區(qū)。

IPCC[81]通過總結(jié)研究者的科研結(jié)果，得到過去50年北半球極端溫帶氣旋的頻率和強度可能存在增加和增強的趨勢，風暴路徑可能存在向極地移動的變化特征。一些再分析數(shù)據(jù)的研究分析表明高緯度地區(qū)氣旋有增強的趨勢，但是由于對于觀測系統(tǒng)的變化將怎樣影響再分析數(shù)據(jù)中氣旋的加劇還沒有足夠的認識，因此IPCC/AR4認為對于溫帶氣旋的這些變化雖然有不少的共識但仍然具有較低的信度。另外，由于研究者采用的氣旋追蹤方法及再分析數(shù)據(jù)的不同，因此IPCC/ AR4也同樣認為對于區(qū)域尺度上溫帶氣旋的變化研究者的共識較低。

3　氣候模式對北半球溫帶氣旋的模擬和預估研究

研究溫帶氣旋的客觀算法的目的之一，是將其應用在GCM的模擬數(shù)據(jù)中，檢驗模式模擬溫帶氣旋的能力和對未來溫帶氣旋可能變化的情景預估。研究GCM對溫帶氣旋的模擬可以幫助確定影響氣旋氣候態(tài)變化的原因和機制問題，例如探討溫帶氣旋對海洋邊界條件的敏感性[82]或?qū)厥覛怏w濃度增加的敏感性。

3.120世紀當前氣候時期的溫帶氣旋模擬研究

比較和檢驗用再分析數(shù)據(jù)驅(qū)動的GCM而模擬的溫帶氣旋的氣候態(tài)是檢驗GCM模擬可靠性非常重要的步驟。需要注意的是，大部分GCM的空間和時間分辨率同典型的再分析數(shù)據(jù)的分辨率并不一致，有些分辨率高，有些分辨率不足。Pinto等[83]的研究表明統(tǒng)一空間分辨率對于溫帶氣旋的模擬研究非常重要。另外，時間分辨率的統(tǒng)一也是必要的，時間分辨率越低，客觀方法獲得的氣旋路徑數(shù)目也就越少[84-85]。生命期短、強度弱的氣旋系統(tǒng)要比生命期長、強度強的氣旋系統(tǒng)更容易受到降低時間分辨率的影響。

Ulbrich等[86]研究分析了當前溫室氣體濃度強迫下的16個海氣耦合模式對風暴路徑（海平面氣壓場變化的天氣尺度濾波方差）的模擬能力，證實了這些模式對風暴軸年均空間分布結(jié)構(gòu)的模擬能力。雖然GCM很難再現(xiàn)個例氣旋，然而即使分辨率較低的GCM也能呈現(xiàn)出一些基本的氣旋活動的氣候態(tài)特征。Raible等[87]將判定和追蹤氣旋系統(tǒng)的客觀方法應用于一個分辨率較低的氣候模式來模擬氣旋的一些氣候特征，發(fā)現(xiàn)當前溫室氣體強迫下氣旋數(shù)目少于觀測值，這種現(xiàn)象在地中海地區(qū)的氣旋活動高頻區(qū)最為顯著。Bengtsson等[58]指出在落基山的氣旋生成地區(qū)，ECHAM5氣候模式模擬的氣旋強度要弱于觀測值，但模擬的氣旋強度和ERA40再分析數(shù)據(jù)的分析結(jié)果比較一致。這一結(jié)果與Pinto等[83]用ECHAM4氣候模式的模擬結(jié)果是一致的，該模式模擬的地中海大部地區(qū)的氣旋數(shù)目也少于觀測值。GCM的模擬結(jié)果同樣能夠呈現(xiàn)出溫帶氣旋對大尺度環(huán)流型變化的依賴性。其中，Bengtsson等[58]和Raible等[82]發(fā)現(xiàn)用氣候模式能夠呈現(xiàn)出北半球風暴路徑對ENSO變化的真實存在的響應。Orlanski[88]的研究表明除了ENSO之外，亞洲大陸大氣波的侵入也能在某種程度上解釋北太平洋風暴軸的變化，這種觀點有觀測數(shù)據(jù)上的支持[89]。張穎嫻[90]檢驗了國際耦合模式比較計劃5（CMIP5）的6個全球氣候系統(tǒng)模式（BCCCSM1.1，CanESM2，GFDL-ESM2M，HadGEM2-CC，MPI-ESM-LR和NorESM1-M）對北半球溫帶氣旋的模擬情況。與ERA40再分析資料相比，6個模式均模擬出了北半球溫帶氣旋中心氣壓值線性降低的變化趨勢，但對于溫帶氣旋過程數(shù)變化的模擬情況存在比較大的差異，有3個模式模擬得到氣旋過程數(shù)增加，這與再分析數(shù)據(jù)結(jié)果相反（表1）。

表1　全球氣候模式系統(tǒng)模擬的1958—2001年北半球溫帶氣旋過程數(shù)和氣旋中心氣壓值的線性變化趨勢[90]

有許多因素導致了氣候模式的模擬值同觀測值之間的差異。例如，ECHAM4模擬的氣旋路徑比實際的氣旋路徑更加的偏向緯向，尤其是在北大西洋地區(qū)。這主要是由于模擬結(jié)果中海平面氣壓和上層大氣斜壓性存在偏差造成的[83]，相似的偏差也出現(xiàn)在了ECHAM5的模擬結(jié)果中。Pinto等[91]進一步研究分析表明，模擬的氣旋路徑同NCEP再分析結(jié)果的偏差和模擬的上層大氣急流軸、斜壓性的偏差以及模擬的減弱的阻塞頻率有關(guān)。L?ptien等[92]比較了不同模式的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ECHAM5/OM1的模擬結(jié)果在氣旋各特征方面都要優(yōu)于ECHAM4的模擬結(jié)果。Greeves等[32]運用HadGMAM1大氣模式模擬分析大西洋風暴路徑，發(fā)現(xiàn)模擬的大西洋風暴路徑不能延伸至歐洲大陸，甚至短于該模式舊版本模擬的風暴路徑的長度。在太平洋，HadGMAM1模擬氣旋活動頻率最大值的位置偏西，接近于日期變更線而不是與觀測到的風暴路徑從東北太平洋延伸至美洲大陸一樣。研究者認為這主要是由于模式在對流層低層過多的非絕熱加熱造成的。模式誤差的另一個可能原因是模擬的北太平洋地區(qū)的Eady增長率要高于ERA40的計算結(jié)果。Greeves等[32]認為英國Hadley中心的氣候模式對溫帶氣旋的模擬再現(xiàn)主要依賴于動力核心和水平分辨率：低分辨率模式的半拉格朗日動力核心不能產(chǎn)生小尺度的渦動，這導致了渦動動能的偏弱和氣旋特征的弱小；歐拉動力核心引起的分辨率的降低會對風暴軸位置產(chǎn)生影響，但其強度的模擬結(jié)果不會產(chǎn)生誤差。Roeckner等[93]分析了增加氣候模式的分辨率所產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)當增加水平分辨率時中緯度西風帶有向極地偏移的誤差；增加垂直分辨率時中緯度西風帶有向低緯度偏移的誤差，西風帶的誤差從而會相應地作用于溫帶氣旋的模擬結(jié)果上。

IPCC[81]總結(jié)得到人為因素造成了溫帶氣旋活動向極地偏移的結(jié)論達到中等信度。雖然溫帶氣旋活動向極地偏移尚未正式歸因，但來自地轉(zhuǎn)風和海浪高度的間接證據(jù)發(fā)現(xiàn)，人為因素的確影響了全球海平面氣壓分布和大氣風暴軸變化的趨勢性。雖然人為強迫怎樣影響溫帶氣旋風暴路徑的物理機制認知得到了加強，但不同機制在溫帶風暴路徑向極地偏移中起到了多大的作用仍然不清楚。

3.2溫室氣體增加導致的氣候變暖條件下溫帶氣旋未來變化預估

除了用氣候模式分析當前氣候時期溫帶氣旋的變化和原因外，不少研究者還用氣候模式對未來不同氣候變化情景下氣旋的特征進行了模擬預估[83,91-92]。一些研究結(jié)果表明未來人為引起的氣候變化下溫帶氣旋活動會發(fā)生變化[23,55,58,82-83,94-97]。不同溫室氣體濃度驅(qū)動的氣候模式的集合模擬結(jié)果表明，極端強度氣旋的數(shù)目在冬季將增多，然而總氣旋數(shù)目北半球和南半球都有微弱減少的趨勢[98]（圖6）。至21世紀末時，氣旋數(shù)目減少趨勢的信號是加強的，這證實了氣旋數(shù)目變化對所選情景的敏感性。北半球溫帶氣旋數(shù)目減少的結(jié)論也在其他的一些研究中被證實[58,92,99-101]。Lambert等[98]指出未來北半球極端溫帶氣旋事件發(fā)生頻率將增加，然而此結(jié)論并沒有被其他研究者所證實。相反，一些研究中認為增強的氣旋強度僅發(fā)生在有限的地區(qū)，比如Bengtsson等[58]研究中的英國和阿留申群島地區(qū)。Pinto等[101]僅考慮了發(fā)展性氣旋過程，發(fā)現(xiàn)未來北半球極端氣旋的數(shù)目有增加的趨勢（極端氣旋的定義為發(fā)展性氣旋最強的10%）。在解釋未來氣候情景下極端氣旋事件變化趨勢的不一致性的問題時，科學家認為極端事件的不同定義（例如，用氣旋中心氣壓極端低壓或氣壓拉普拉斯值的99%百分位值作為極端事件的閾值）在很大程度上決定了根本的變化趨勢。

Hadley中心和ECHAM的GCMs都發(fā)現(xiàn)認為不管從哪個物理量（氣壓拉普拉斯值，最低氣壓和氣旋路徑數(shù)目）的統(tǒng)計來看，未來大西洋東北部至歐洲中部地區(qū)極端氣旋特征有增加的趨勢[102-103]。但是對于極端氣旋增加的具體位置和幅度，不同模式之間還是存在一定差異[103]。Ulbrich等[86]運用16個耦合模式的23個集合結(jié)果證實，雖然不同模式和模式驅(qū)動存在很大的不同，但都得到了溫室氣體是導致大西洋東北部至歐洲中部地區(qū)和阿留申地區(qū)氣旋活動增加的原因。研究表明，在16個GCMs中ECHAM5-OM1的模擬結(jié)果是當前氣候條件和未來氣候情景下最接近集合模式平均結(jié)果的。Pinto等[100]利用ECHAM5-OM1氣候模式模擬研究得到未來SRES情景下，位于北大西洋中部至亞洲大陸的對流層風暴活動是增加的。Ulbrich等[24]用ECHAM4模擬的東北大西洋風暴路徑的增強同向東移動的NAO中心有關(guān)，向東移動的北NAO中心又和歐洲西北部增加的強氣旋有關(guān)[101]。另外，Jiang等[104]認為增加的溫室氣體濃度會導致氣旋半徑的增加和向北方移動的傾向，但氣旋強度和移動速度的增加幅度很小。另外，L?ptien等[92]用ECHAM5的情景數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)溫帶氣旋的移動速率有減慢的傾向，而加深速率有增快的傾向。

不少的GCM模擬結(jié)果都表明氣候變化下地中海海域的溫帶氣旋變化最為顯著[58,83,99,103-106]。他們給出證據(jù)表明即使考慮不同的模式、情景和分析技術(shù)，地中海地區(qū)冬季氣旋活動均顯著減少，而地中海地區(qū)夏季氣旋數(shù)目卻增加。就氣旋強度來說，Pinto等[100]認為在溫室氣體導致的氣候變化下地中海地區(qū)強氣旋有減少的傾向。但與之相反，Lionello等[105]發(fā)現(xiàn)了極端強氣旋的增加，雖然增加并不顯著。Muskulus等[14]用區(qū)域氣候模式研究表明地中海地區(qū)總的溫帶氣旋數(shù)目是增加的，強氣旋則是減少的。而Gaertner等[107]運用集合的區(qū)域氣候模式結(jié)果表明地中海地區(qū)極端氣旋強度是增強的，這種增強被歸因為該地區(qū)熱帶氣旋發(fā)展。Lionello等[13]發(fā)現(xiàn)地中海地區(qū)夏季和秋季風暴軸強度顯著減弱，但夏季氣旋數(shù)目卻是增加的。

IPCC[81]總結(jié)得到增加的人為溫室氣體強迫將導致未來中緯度地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目減少，以及對流層風暴軸繼續(xù)向極地移動均達到中等共識信度水平。CMIP3模擬得到溫帶氣旋區(qū)域性的變化比較顯著，部分地區(qū)的結(jié)果也達到中等共識信度水平。然而，CMIP3許多模式中平流層不足的分辨率是否可能會影響區(qū)域性的結(jié)果仍存在不確定性。另外，由于研究中采用的分析方法不同，物理量不同，以及分析的大氣層次不同，將導致區(qū)域氣候模式預估下的溫帶氣旋結(jié)果具有低的共識信度水平。

另外，張穎嫻[90]對6個全球氣候系統(tǒng)模式的模擬結(jié)果預估發(fā)現(xiàn)，相對于20世紀后50年來說，新RCP4.5濃度路徑下的2053—2099時段北半球溫帶氣旋各特征變化的顯著性基本都大于2006—2052時段。雖然各模式的模擬結(jié)果存在一定的差異性，但共同模擬出了至21世紀末北半球大范圍地區(qū)的氣旋生成和活動將減少，較低緯度減少得更顯著。另外，集合模式模擬結(jié)果顯示未來北半球氣旋數(shù)目呈現(xiàn)顯著減少的趨勢，中心氣壓呈現(xiàn)顯著降低的趨勢（圖7）。大多數(shù)模式的模擬結(jié)果得到北大西洋風暴軸未來將繼續(xù)向極地活動偏移，但強度主要將減弱；過半模式的模擬結(jié)果為北太平洋風暴軸也將向極地偏移，強度變化則隨季節(jié)的不同而不同。

對于東亞溫帶氣旋來說，其變化同北半球的情況非常相似（圖8），無論是南方氣旋還是北方氣旋，其生成和活動頻率將顯著減少，氣旋中心氣壓值將顯著降低[90]。6個模式的模擬結(jié)果均顯示對流層中層斜壓區(qū)未來將向高層和高緯度擴展，斜壓區(qū)的變化在某種程度上體現(xiàn)了風暴軸的變化。北半球斜壓區(qū)和風暴軸向高緯度的移動抵消了高緯度地面氣旋數(shù)目的減少，這也解釋了為什么未來北半球較低緯度地面氣旋數(shù)目比高緯度地區(qū)減少更為顯著。

4　結(jié)語與展望

近幾十年來，由于基礎(chǔ)格點觀測數(shù)據(jù)的發(fā)展和獲取，使得有關(guān)溫帶氣旋活動的研究呈現(xiàn)增多趨勢，氣旋識別和氣旋活動量化的數(shù)值算法的發(fā)展也使得氣旋活動更細致的研究得以實現(xiàn)。還有更多的研究工作采用了GCM來模擬當前歷史時期溫帶氣旋的活動情況并預估未來氣候情景下溫帶氣旋活動和強度的變化，這種預估工作主要是研究增加的溫室氣體強迫下溫帶氣旋的響應情況。另外，多模式的集合模擬結(jié)果的應用也更有利于開展溫帶氣旋更深入的研究。從本文前面的概述可以看到溫帶氣旋的研究是多方面多層次的，綜合來看可以獲得以下比較一致的結(jié)論：對于北半球來說，再分析數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)均顯示存在兩個主要的氣旋活動高頻地區(qū)，一個位于北太平洋地區(qū)，另一個位于北大西洋地區(qū)。另外，當所采用的數(shù)據(jù)分辨率較高時，還能夠呈現(xiàn)出另外兩個較為明顯的次活動中心，分別位于地中海地區(qū)和蒙古地區(qū)。在人類活動影響的氣候變化情景下，大多數(shù)模式模擬得到冬季北半球大部分地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目將減少，而東北大西洋和北太平洋個別地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目將增加。對于北半球平均來說，當氣旋強度以其中心氣壓值來定義時，極端氣旋的數(shù)目將增加；當氣旋強度以其中心氣壓的拉普拉斯值或渦度來定義時，極端氣旋的數(shù)目將減少；增加的人為溫室氣體強迫將導致未來中緯度地區(qū)溫帶氣旋數(shù)目減少，以及對流層風暴軸繼續(xù)向極地移動均達到中等共識信度水平。

以上的綜述可以看到，雖然溫帶氣旋研究的一些方面在國際上得到了一定的共識，但很多問題仍有較大的分歧。我們發(fā)現(xiàn)，即使采用相同的數(shù)據(jù)，也可能產(chǎn)生關(guān)于溫帶氣旋不同的研究結(jié)果。其中一個原因在于不同研究者采用了不同的客觀研究方法，包括如何客觀識別和追蹤溫帶氣旋，以及溫帶氣旋強度的判定方法。另外，在利用觀測數(shù)據(jù)和GCM模擬的研究中，對于不同大氣層的不同物理量以及采用不同的閾值都會使得溫帶氣旋的變率和趨勢研究產(chǎn)生不一樣的結(jié)果。由于溫帶氣旋是大氣環(huán)流中非常復雜的三維天氣系統(tǒng)，它們自身有著許多不同的物理特征，這些物理特征并不能通過某一種簡單的標準的方法來研究，因此溫帶氣旋的統(tǒng)計分析也不應該只采用某些常用的方法。雖然有證據(jù)發(fā)現(xiàn)，人為因素影響了全球大氣風暴軸變化的趨勢性，但不同機制在溫帶風暴路徑向極地偏移中起到了多大的作用仍然不清楚。鑒于以上溫帶氣旋的研究現(xiàn)狀和存在的問題，目前亟待解決的問題和未來溫帶氣旋研究的發(fā)展方向主要有三方面，首先是需要對于溫帶氣旋的不同研究方法和研究結(jié)果做更多具體的比較分析，這種比較分析需要建立在一些共同的個例或時期上，使得不同方法的綜合研究得以實現(xiàn)，從而提高對溫帶氣旋多方面的認識，并盡可能地減小溫帶氣旋變化的不確定性；第二，利用全球氣候模式進一步探討人類和自然等不同機制在溫帶風暴變化中所起作用的大小，對溫帶氣旋及溫帶風暴路徑變化繼續(xù)歸因研究；第三，利用多模式多情景預估未來溫帶氣旋的可能變化，并探討變化的不確定性。溫帶氣旋是中高緯度地區(qū)最主要的天氣氣候系統(tǒng)，繼續(xù)客觀深入地研究氣候變化背景下溫帶氣旋的變化特征對深入認識全球氣候系統(tǒng)有著重要的科學意義。

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A Review of the Research on Objective Method and Simulation and Projection of Extratropical Cyclone over the Northern Hemisphere

Zhang Yingxian, Ding Yihui
(National Climate Centre,China Meteorological Administration, Beijing 100081)

Extratropical cyclone is one of the important synoptic systems which affect climate/weather variability over a wide area of mid- and high latitudes, and it is meaningful to research its climatic characteristics, activity patterns, and variation tendency. A comprehensive review of research progress of extratropical cyclones over the Northern Hemisphere from four aspects, involving identification methods, changes during present climate period, changes estimated under the future climate scenarios, and uncertainty analysis of extratropical cyclones, is discussed: (1) In view of the development of reanalysis data and GCM, the research method of extratropical cyclones shifts from subjective analysis to objective identification; (2) There are two main activity centers and two subordinate activity centers displayed by reanalysis and model data, with the main activity center located in the North Pacific and North Atlantic region, and the subordinate activity center located in Mediterranean and Mongolian regions; (3) Under the influence of climate change scenarios by human activities, extratropical cyclones will diminish 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 to get an 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.

extratropical cyclones, objective detecting and tracking method, climatologies and variations of extratropical cyclones, climate scenario

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.01.001

2013年7月24日；

2014年3月25日

張穎嫻（1982—），Email: zhangyingxian@cma.gov.cn

資助信息：國家科技支撐計劃課題（2009BAC51B02）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2012CB417205）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201406017）