北极地区1979—2015年西北航道7-10月份气旋的特征分析

北极地区1979—2015年西北航道7-10月份气旋的特征分
析
秦听;魏立新
【摘要】本文采用气旋自动识别与追踪算法,基于欧洲中期天气预报中心ERA-Interim平均海平面气压场,建立1979-2015年共37年7-10月北极西北航道东西两个区域的气旋数据.数据包括气旋中心经纬度以及中心最低气压值.基于这套数据,分析了北极7-10月西北航道气旋数量特征、空间密度分布、强度特征、加深以及爆发性气旋的活动情况.西北航道东西两段的气旋个数存在显著的差异,东段气旋个数是西段区域的2～2.5倍,并且两段个数变化趋势不一致,西段的气旋个数趋势呈不显著的减少,东段的个数呈不显著上升趋势.西北航道气旋强度偏弱,中心最低气压达980 hPa的气旋仅占不到总数的5％.最低中心气压集中分布在990～1000 hPa之间.1979-2015年以来,东段的气旋强度趋势增强,西段气旋在2002年以前也是显著的增强,2002年以后强度减弱.气旋的生命史集中在7 d以内,东段1 d以内的气旋个数明显偏多.西段气旋高密度区域主要分布在74°N以北的波弗特海北部,东段主要分布在巴芬湾的东北侧和巴芬岛的东南侧,近几年来其主要密度分布区域东西两段存在南移以及略微变化.西北航道内爆发性气旋的增长位置集中在70°N的沿岸附近,尤其是加拿大北部以及格陵兰西海岸附近.大西洋震荡指数与东段气旋的个数有较好的正相关.
【期刊名称】《海洋学报（中文版）》
【年(卷),期】2018(040)011
【总页数】9页(P96-104)
【关键词】北极西北航道;气旋活动;气旋自动追踪算法
【作者】秦听;魏立新
【作者单位】国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室,北京 100081;国家海
洋环境预报中心,北京 100081;国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室,北京100081;国家海洋环境预报中心,北京 100081
【正文语种】中文
【中图分类】P732.2
1 引言
北极作为全球变暖响应最显著的区域，近年来海冰不断消融，早前人们提到的北极的西北航道随着海冰消融逐渐变为商船以及科考船只选择的路线。

北极航道的开辟，对海洋科技、海洋经济都产生巨大的效益[1]。

2017年7-10月，中国第八次北极科学考察，首次完成了环北极的航行，为北极航道今后作为商用以及科考的常用路线提供了宝贵的经验和丰富的资料。

北极航道的行驶安全受高纬度天气系统的影响，尤其是极地高纬度地区的温带气旋影响，气旋的活动会伴随大风、降雪等低能见度的天气，也会造成风浪以及涌浪。

北极气旋的研究很早就已经展开，张颖娴等[2]分析了北半球温带气旋风暴路径的
年代际变化，Xia等[3]对不同的气旋追踪算法追踪到的极地气旋的结果进行了详尽的对比分析，Zhang等[4]统计了1948-2002年北极地区气旋的逐年变化特征；Geng和Sugi[5]对北半球温带气旋的频数、路径和强度的变化给出了统计，Wei
等[6]基于气旋追踪算法对70°N以北区域气旋的整体活动特征做了详细的分析，
并进一步分析了北极气旋的季节、年际变化及其与北极海冰、大气遥相关的关系。

前人的分析都趋于对整个北半球温带或者北极地区大范围的气旋活动展开研究，本文主要统计1979-2015年7-10月出现在北极航道区域小范围的气旋活动，针对
气旋的时空分布和数量等特征以及强气旋和爆发性气旋过程展开全面的分析。

因为西北航道涉及的经度跨度较大，并且海陆分布复杂，气旋活动受到下垫面的影响也相对复杂，因此，本文中将西北航道的研究区域划分为东西两段区域进行统计分析，以期为今后西北航道的科考、船运提供一定的参考与借鉴。

2 资料与方法
2.1 数据说明及研究区域
采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-Interim时间分辨率为6 h，水平分辨
率为0.75°×0.75°的平均海平面气压场再分析数据，时间跨度为1979-2015年，
共37年，为匹配中国北极科学考察的时间，设定的统计时间为每年的7-10月。

统计区域具体定义为：西段范围65°～75°N，155°～115°W，包括波弗特海、阿蒙森湾等区域，主要是加拿大以北的开阔的大洋水域；东段范围65°～75°N，85°～50°W，涵盖了格陵兰岛以西的巴芬湾、戴维斯海峡、福克斯湾以及众多群
岛附近的海湾和海峡等区域，主要为大陆边缘的海峡以及岛链区域，东西两段的区域具体可见图1。

图1 研究区域Fig.1 The research regiona.西段区域；b.东段区域a. West part
of research region; b. east part of research region
2.2 气旋追踪算法介绍
本文气旋的提取过程是通过气旋客观自动识别算法，从再分析数据中提取气旋信息，该套气旋自动识别算法由英国雷丁大学提供[7-8]。

通过这套算法，可从再分析数
据的平均海平面气压场中找出气压场中的极值或者850 hPa涡度场中的涡度极值
来追踪气旋。

雷丁大学的算法主要思路是拉格朗日的方法，按时间的间隔追踪气旋中心，其整个追踪的计算过程分为3个步骤，包括对气压场的滤波、气旋中心定
位、气旋中心的追踪。

其中，核心的算法滤波是在气旋中心识别之前进行，目的是消除大尺度环流背景场的影响以挑选出感兴趣尺度的气旋，尤其是中尺度的气旋。

滤波采用的计算方法是离散余弦变换(DCT)，这是基于在对称过程下的不连续傅里叶变换的计算方法。

滤波后的场域再进行气压低值中心的定位，定位方法采用多运动目标的连通域标记方法。

这套算法已被广泛地应用于温带气旋以及一些特定的气旋研究中，类似极地低压的研究，并且已被证实具有较高的可靠性。

具体算法可参考Hodges等[9]的相关文献。

2.3 爆发性气旋统计
爆发性气旋因其短时间内强烈的爆发性发展带来的突发性的恶劣海况一直备受研究关注，本文也进行了西北航道内爆发性气旋的统计工作。

文中爆发性气旋的定义方法来自Sanders[10]对北太平洋和北大西洋温带气旋研究时提出的改进后的地转调整率定义，将气旋加深率的单位定义为贝吉龙，并以贝吉龙判定气旋的爆发，将45°N作为标准纬度，时间范围为12 h，在这一纬度标准上，若气旋中心气压12 h至少下降12 hPa，则被认为是爆发性气旋，贝吉龙值随着纬度而变化，任意纬
度上的地转调整率用式(2)表示，θ取气旋中心纬度12 h的平均，临界比率为相应纬度上的一个贝吉龙，齐桂英[11]也应用并肯定了该方法的可行性。

具体公式如下：B=(P0-P12)×地转调整率,
(1)
地转调整率=(12 hPa/12 h)×(sinθ/sin45°).
(2)
3 统计数据分析
3.1 气旋的基本统计特征
图2为1979-2015年7-10月进入到西北航道西段和东段两个区域内气旋个数的
时间序列以及这两个区域的气旋总个数时间序列，表1统计了两个区域内气旋个
数、强度的一些基本气候特征。

统计图表的结果表明：(1)西北航道7-10月的年平均气旋个数约为30个；(2)东西两段的气旋个数存在明显的差异，气旋个数在航道的东段明显多于西段区域，东段的个数接近西段区域的2～2.5倍；(3)西北航道东西两段区域内的气旋个数均存在明显的年际变化，西段区域内的气旋最多的年份可以高达20个，而最少的年份没有气旋的影响。

东段气旋的最多年份高达30个左右，而最低的年份仅10个；(4)气旋个数的时间序列分析表明，西北航道的气旋个数整体趋势略有减少，但减少的趋势没有达到显著水平，但是单独两个统计区域的气旋个数37年的变化趋势不相同，其中，西段的气旋个数变化存在不显著的减少趋势，相比而言，东段的气旋个数存在不显著的上升趋势，但是气旋年际间的变化趋势都非常明显；(5)西北航道内的气旋最低中心气压低于980 hPa的个数较少，东西两个区域内均不超过总体气旋个数的5%。

图2 1979-2015年气旋数量的时间序列Fig.2 Time series and linear trend of annual cyclone number from 1979 to 2015a.西北航道西段气旋数量；b.西北航道东段气旋数量；c.西北航道气旋总数量a. Time series of cyclone in West Northwest Passage; b. time series of cyclone in East Northwest Passage; c. time series of total cyclone in Northwest Passage表1 北极西北航道气旋基本信息统计Tab.1 The statistic of cyclones in Northwest Passage of Arctic
统计量航道西段航道东段气旋总数(1979-2015年)305803年平均数/个8.221.7年气旋数最大值2031最大值出现年份20032000年气旋数最小值011最小值出现年份20071987气旋气压低于980 hPa个数比例/%3.804.96气旋气压低于980 hPa气旋个数1140
3.2 气旋的空间位置分布状况
图3和图4为西北航道西段区域和东段区域绕极气旋的数密度分布，数密度数值的大小对应气旋的密度分布的稀疏。

同时，为分析近年来气旋密度的变化情况，本
文单独将2010-2015年的气旋数密度进行统计，并与1979—2015年的总体气旋密度状况进行对比研究。

就1979-2015年整体的气旋数密度分布而言，西北航道西段区域的绕极气旋活动区主要分布在74°N以北的波弗特海北部，整个密度的高值区域呈纺锤体状分布，2010-2015年以来，气旋活动主要数密度高值区域有所
南移；航道东段区域的绕极气旋活动数密度的高值区域有两个中心，分别是巴芬湾的东北侧和巴芬岛的东南侧，2010-2015年气旋的密度分布与该区域的37年的
气旋密度分布位置相比，北部的气旋活动中心位置有所偏北，其位置更加靠近格陵兰岛的西北侧海岸，南部的活动中心基本维持不变，而这两个气旋活动中心的位置进一步远离。

图3 西北航道西段7-10月平均气旋密度分布(a.1979-2015年;b.2010-2015
年)Fig.3 Distribution of mean Arctic cyclone density of West Northwest Passage in July to October(a.1979-2015; b.2010-2015)
图4 西北航道东段7-10月平均气旋密度分布(a.1979-2015年;b.2010-2015
年)Fig.4 Distribution of mean Arctic cyclone density of East Northwest Passage in July to October (a.1979-2015; b.2010-2015)
3.3 气旋强度及变化趋势
1979-2015年共37年以来的气旋最低中心气压分布如图5所示。

统计表明，两
个区域内气旋中心最低气压达到1 000 hPa以下个数占总气旋个数的比例接近70%，其中气旋的最低中心气压值均集中分布在990～1 000 hPa之间，该气压
段内东、西两段气旋的个数比例均达到21%以上。

西北航道内的强气旋活动并不多，气旋的最低中心气压达到980 hPa以下的个数比例基本维持在4%～5%之间，相比而言，东段区域内最低中心气压达到980 hPa的强气旋比例较西段的区域内
的强气旋比例略偏高，这充分说明了海陆热力差异、格陵兰岛在该区域气旋阻塞加强中所扮演的重要作用，以及格陵兰西岸暖流对气旋加强的作用。

图5 1979—2015年西北航道气旋中心气压分布Fig.5 Statistics of the cyclone central pressure at Northwest Passage from 1979 to 2015a.西北航道西段;b.
西北航道东段a. West Northwest Passage; b. East Northwest Passage
图6统计了1979-2015年两个区域内气旋的最低中心气压年平均分布，由图可知，在西段的区域内，气旋平均最低中心气压自1979年至2002年出现比较明显的下降趋势，说明在1979-2002这段时间内，该区域内出现的气旋强度逐年增强。

2002年以后，出现了相反的变化趋势，气旋平均最低中心气压开始不断的增加，说明在2002年以后，西段区域内的气旋中心强度变弱。

相比而言，东段区域的气旋自1979至2010年出现明显的下降，2010年以后也只是缓慢的略有增加，说
明自统计年份以来，东段区域内的气旋强度整体增强。

3.4 气旋的生命史分布状况
气旋的生命史长短决定气旋整个过程对某海域的影响时间，也是气旋重要的基本特征之一，本文统计了西北航道两段区域内气旋的生命史特征，统计结果如图7，西北航道内80%的气旋生命史都在7 d以内，西段区域的气旋生命史最集中分布在2～3 d，比例达18%，东段区域内气旋的生命史集中在1 d以内，比例达29%，大于7 d以上的气旋活动在东段区域气旋的比例为6.9%，而西段区域的比例高达13%，两者差别明显，由此可见，东段区域的气旋活动生命史较西段区域内的气
旋生命史偏短，因此西北航道东段的气旋活动在影响时间方面较西段的气旋较长。

3.5 爆发性气旋分布状况
气旋的爆发性增长带来的恶劣的海况对船只的航行会造成巨大的威胁，因此本文统计了西北航道两个区域内的爆发性气旋分布情况，图8中红色方框处即为气旋的
爆发性增长的位置。

1979-2015年以来西北航道东段区域的爆发性气旋个数为29个，其中一半的气旋爆发性增长的位置分布在陆地沿岸海域，并且爆发集中在70°～75°N附近，尤其是70°N附近比例最高，相比较几个气旋爆发性增长的沿
岸，格陵兰岛的西南侧气旋爆发性增长的比例最高；西北航道西段37年以来一共有14个爆发性气旋，仅6个在海上爆发，一半以上在陆地或者沿岸达到爆发性的增长，并且在70°N附近，145°～135°W的加拿大北部沿岸是气旋爆发性增长最明显的区域，气旋爆发性增长的海陆差异跟海陆下垫面的热力差异以及下垫面的摩擦系数改变有很大的关系，气旋从陆地进入海洋，能够瞬间获得海洋提供的热量，例如在格陵兰岛的西海岸气旋爆发性增长比例较高，与该处受西格陵兰暖流的影响有关，该暖流沿格陵兰岛西南岸流动，气旋经过此处，暖流为其增长提供了所需要的热量，并且气旋入海以后下垫面的摩擦力瞬间的减小，这两个有利的条件为气旋的爆发性增长提供了适宜的环境，所以在西北航道一些沿岸附近的近海气旋的爆发性比例最高。

图6 1979-2015年西北航道气旋中心最低气压年平均分布Fig.6 Time series and linear trend of annual cyclone mean minimum center pressure at Northwest Passage from 1979 to 2015a.西北航道西段;b.西北航道东段a. West Northwest Passage; b. East Northwest Passage
图7 1979—2015年西北航道气旋生命史分布Fig.7 Statistics of cyclone’s lifetime at Northwest Passage from 1979 to 2015a.西北航道西段;b.西北航道东段a. West Northwest Passage; b. East Northwest Passage
图8 1979—2015年西北航道气旋爆发性增长的位置分布Fig.8 Statistics of explosive cyclones at Northwest Passage from 1979 to 2015a.西北航道西段;b.西北航道东段a. West Northwest Passage; b. East Northwest Passage 3.6 气旋活动与大气环流因子间关系的讨论
极地气旋的活动与发展离不开中高纬度大气和海洋的相互作用，因此本文挑选北半球7-10月的4个表征大气和海洋状况的环流指数与气旋数量做了相关分析。

4个环流指数分别为：表征北半球极涡活动的北极涛动指数(Arctic Oscillation Index,
AO)、大西洋震荡指数(North Atlantic Oscillation Index, NAO)、(北)太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，PDO)，以及太平洋—北美震荡指数(PacificNorth American Oscillation Index, PNA)，气旋逐年夏季个数与各环流指数的相关统计列在表2，统计表明，仅NAO指数与东段气旋个数的相关系数达到了显著正相关，其他指数的相关均不显著。

NAO与东段气旋表现为较好的正相关性，因为当NAO呈正值(负值)时，北太平洋上空西风环流加强(减弱)，导致急流位置北移(南压)，强度增强(减弱)，高纬度极区的气旋活动相应增加，反之，NAO为负，急流南移，导致高纬度极区气旋活动减少。

同样，当AO指数为正，高纬低压带加深，中纬高压带也随之加强。

纬度带之间的气压梯度增大，也对应气旋活动在高纬度亦是增加。

所以东段气旋的活动与NAO以及AO都表现正相关，而西段气旋的相关性明显较差的另一个原因是，该区域气旋有部分是中纬度生成以后经白令海峡以及楚科奇海移入该统计区域内，中纬度气旋随着指数变正，急流北移后，气旋的生成与活动减少，因此，在西段气旋的个数与AO、NAO指数的相关相比较东段差异明显。

4 结果与讨论
综上所述，西北航道的气旋具有以下几个方面的特点：
(1)基于气旋追踪算法从再分析数据中提取的1979-2015年共37年7-10月北极西北航道的气旋个数总数为1 108个，年平均个数约为30个。

航道东段的气旋的个数较西段的气旋个数明显偏多，约为西段个数的2～2.5倍。

航道的气旋个数存在明显的年际变化，但是整体变化趋势不明显，总气旋个数37年来呈不显著的减少，但是东段航道气旋个数与西段航道的气旋个数变化趋势不一致，表现为东段不显著的增加，西段不显著的减少。

表2 西北航道气旋数与环流指数的相关性Tab.2 Correlation coefficients between cyclones at Northwest Passage and circulation index.环流指数西段
气旋数东段气旋数AO0.0240.225NAO-0.0320.391PNA-0.260-
0.050PDO0.143-0.018
(2)西北航道的气旋强度整体偏弱，980 hPa以下的气旋所占比例不足5%，将近45%的气旋最低中心气压值在990～1 000 hPa之间。

37年的统计显示，爆发性
气旋的总数为43个，东段多于西段的爆发性气旋。

气旋的爆发受下垫面和海陆分布的影响明显，气旋多位于沿岸附近海域爆发，主要集中在70°N附近，西段航道主要集中爆发的位置位于加拿大北部沿岸，东段的爆发位置多位于格陵兰岛的西南有暖流经过的沿岸和海域。

西北航道的东段区域内，气旋的整体强度37年以来显著的增强，西段区域在2002年以前呈现增强趋势，2002年以后气旋强度整体减弱。

(3)西北航道的气旋生命史主要集中在7 d以内，西段7 d以内的气旋所占的比例
高达86%，东段高达93%，东段气旋的生命史较西段明显偏短，尤其是1 d以内的低压扰动过程明显多于西段气旋的低压扰动。

(4)西北航道东段气旋的密度分布主要有两个中心，分布在巴芬湾的东北侧和巴芬
岛的东南侧，西段的气旋密度高值区域以纺锤体的形态位于74°N以北的波弗特海北部。

2010-2015年气旋的主要密度分布区域存在略微的变化，东段的气旋密度
区域两个高值中心北部逐渐偏向陆地，西段的密度高值区域有较明显的南移趋势。

(5)西北航道东西两段气旋的活动与环流指数之间的关系分析表明，东段气旋的个
数与气旋频次的分布与NAO指数呈显著的正相关，与AO指数也有正相关。

当NAO指数为正时，该区域气旋的个数增加，当NAO指数为负，气旋在该区域的
活动减少。

PNA以及PDO指数与气旋个数的相关表明，这2个指数与气旋的个
数之间的相关性较差。

西北航道的经度跨度较大，并且水域复杂，不仅有北美大陆以北的开阔的大洋，还包括众多的群岛岛链以及海峡，因此本文将该航道的气旋划分为两个区域进行讨论。

将开阔的北美大陆以北的波弗特海等区域划分为西段，将涵盖了众多海峡以及岛屿的区域划为东段。

本文统计表明，东西两段内的气旋无论从数量、强度变化、生命史以及和环流指数之间的关系等多方面都存在差异，这些差异可以从以下两个方面讨论：
(1)高空大气环流的差异：西段对应的高空平均流场为高压脊，气旋生成和发展较少，而东段对应的高空流场是北美大槽槽前，地面气旋位于波动低压槽前，锋面会发展和加强，因此对应较多的气旋活动。

(2)洋流因素影响：早前的研究就表明，暖流对气旋的发展有促进的影响[12-13]。

受西段区域的生成地西格陵兰暖流的影响，该处更容易产生冷暖气团交汇的锋面，导致气旋的生成,以及爆发性气旋的发展。

随着海洋测绘，极地遥感技术以及气象保障技术的不断提高，未来北极西北航道的商业以及科研利用的机会将不断的增加，这也对我们深入了解西北航道的海洋气象环境提出更高的要求和目标，温带气旋作为重要的北极极区影响系统，其发展与发生以及与北半球大气环流和海冰状况之间的相互作用关系未来都值得开展更加深入的研究，并且已有研究也证实北半球气旋的活动与北大西洋涛动以及北极涛动等大气环流因子之间都有较好的关系[14-15]，针对北极航道小区域的气旋活动，可以建立起气旋与影响因子NAO之间的预报预测的模型，开展气旋活动的前期的预报工作，为航行航线的选择提供参考。

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