北半球温带气旋客观研究方法及模拟和预估的研究进展

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改进天气预报和理解全球气候变化具有重要意义。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等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年代后,基于再分析数据和大气环流模式(GCM)的发展,温带气旋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两个温带气旋主活动中心和两个次活动中心,主活动中心分别位于北太平洋和北大西洋地区,次活动中心分别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)由于不同研究中对阈值、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,从而给出对温带气旋更深入的认识。

北半球温带气旋活动和风暴路径的年代际变化

基于欧洲中心再分析数据ERA40的海平面气压场和高度场,本文分别采用拉格朗日和欧拉方法研究分析了1958～2001年北半球的不同季节温带气旋活动和风暴路径的年代际变化,以及可能的原因。以客观判定和追踪温带气旋为基础的拉格朗日方法得到了北半球的两个温带气旋主要活动中心,即北太平洋地区和北大西洋/北美地区,同时以500hPa位势高度天气尺度滤波方差为基础的欧拉方法得到了同主要气旋活动中心相吻合的两条风暴轴。研究表明,44年中北大西洋/北美地区温带气旋活动北移加强,以春季最为显著。风暴轴也同样存在着向极移动并加强的特征,并且温带气旋和风暴路径两者移动趋势的相关性很高。作为一个典型地区,北大西洋/北美地区的气旋活动体现了风暴路径的北移,以及温带地区向极地的扩展。但有意思的是北太平洋的情况完全不同,即北太平洋地区的温带气旋活动和风暴轴向低纬度偏移并加强,以春季的南移趋势最为显著。对于此结论,两种方法也有很高的统计相关性。虽然大量研究表明北半球整体上呈现出风暴路径北移的变化特征,但对于具体地区情况有明显差异。另外,400hPa最大Eady增长率和气旋活动频率的经验正交展开函数(EOF)第一模态的空间分布和时间序列非常相似,北太平洋地区和北大西洋地区风暴路径相反的变化趋势很可能同其大气斜压性的同位相的变化有着密切的关系。这也从另一个方面支持了本文对温带气旋和风暴路径年代际变化的分析。

ERA40再分析资料揭示的北半球和东亚地区温带气旋生成频率变化

本文利用欧洲中心再分析数据ERA40的6小时间隔海平面气压场和一种改进的客观判定和追踪方法研究19582001年北半球和东亚地区温带气旋生成频率的气候态、年代际变化及可能原因。结果表明:(1)北半球温带气旋的源地主要位于北美东部(落基山下游地区)、西北大西洋地区、格陵兰至欧洲北部地区、蒙古地区和日本至西北太平洋地区。大洋的西岸和陡峭地形的背风坡有利于大气斜压性的增强和正涡度的发展,从而有利于地面气旋的形成。(2)年、冬季和春季30°～60°N气旋生成数目呈现减少的变化趋势,60°～90°N地区的气旋生成数呈增加的变化趋势。这在一定程度上支持了北半球风暴路径北移的观点。60°N以南和以北的温带气旋数目同北极涛动指数(AO)分别呈现负相关和正相关,这种相关性在年、春季和秋季最为显著。(3)1 958—2001年东亚地区的年气旋数目呈现明显的年代际变化。20世纪60年代至80年代中期40°～60°N、80°～140°E地区气旋数目呈增加趋势,而80年代中期之后温带气旋数目则锐减,主要原因是80年代以后该地区大气斜压性减弱,更高纬度地区的大气斜压性增强,从而导致了气旋源地的北移。在较低纬带的20°～40°N、110°～160°E地区气旋数目线性增加,这主要是由于位于40°～55°N的北太平洋风暴轴有向低纬度偏移的变化趋势造成的。