（气象学专业论文）副热带夏季涡旋气候动力学的初步研究.pdf

摘要 副热带涡旋具有多尺度和多种类的特点，其气候动力学研究也越来越受到科 学工作者的关注为对副热带涡旋气候动力学有较全面的了解，本论文从气候学 特征、自组织现象观测诊断和自组织动力学三个方面进行了初步的研究。 首先，引入改进的环绕角涡旋识别方法，从e c m 霄f 4 0 年再分析资料( e r a 4 0 ) 和n c e p n c a r 再分析资料( n r a ) 中提取了副热带西北太平洋，东北太平洋，西 北大西洋和东北大西洋4 个区域1 8 年夏季的对流低层8 5 0 h p a 涡旋数据集。根据 该涡旋数据集，我们分析了副热带涡旋的空间分布和时间变化特征。结果表明； ( 1 ) 两种资料在四个区域都有很好的一致性，其中西北太平洋的相关性最好。( 2 ) 西北太平洋区域是全球副热带涡旋活动相对活跃的区域，区域内分布有两个涡旋 活动中心，其涡旋平均强度强，涡旋活动范围广。( 3 ) 涡旋活动的活跃区都位于 近海或海陆交界处，向远海方向或向内陆方向，涡旋活动明显减弱。( 4 ) 不同区 域的涡旋活动具有不同的年际变化特征。( 5 ) 划分弱涡和强涡两种尺度讨论表明： 副热带弱涡主要活动在陆地上或较低纬度地区，强涡则主要分布在近海；除西北 太平洋外，其余3 个区域的强涡数量都有增加趋势；西北太平洋和东北太平洋的 强涡平均强度有增强趋势；东北太平洋、东北大西洋和西北大西洋的弱涡平均强 度有增强趋势。 其次，迸一步从e r a 4 0 再分析资料中提取了西北太平洋区域垂直1 2 层的涡 旋数据集，分析三维空间内的涡旋活动。分析发现具有明显的4 0 0 h p a 分界层。 4 0 0 h p a 以下：各层涡旋活动的分布区域和年际变化与前述8 5 0 h p a 层相同； 9 5 0 - - 8 5 0 h p a 气压层内的涡旋活动最强烈；除中国南海外，其余地区随高度升高， 涡旋的活动减弱；1 0 0 0 h p a 上的涡旋个体强度有上升的趋势。在4 0 0 h p a 以上： 2 5 0 - - 2 0 0 h p a 层上的涡旋活动最为强烈；各层涡旋活动主要分布在1 5 。一2 5 0 n 纬 度带内呈东西向带状分布，且太平洋中部的涡旋活动最活跃；3 0 0 - 1 5 0 h p a 层的 涡旋个体平均强度有下降的趋势。 再次，使用高分辨率的t b b 资料分析台风“麦莎”形成时期的自组织过程。 结果表明有多种尺度的涡旋相互作用。典型的有；，中尺度涡旋之间，中尺度 涡旋之间，中尺度与中尺度涡旋之间，以及中尺度涡旋与热带气旋之间的 相互作用和自组织过程。 基于上述观测事实，本文采用g e r r i s 自适应网格模式模拟不同位置、强度 和结构的小尺度涡对双涡自组织过程的影响。结果表明：存在一个“z ”形敏感 区，当小尺度涡出现在这一区域时，越有可能改变双涡自组织的终态；小尺度涡 旋的强度和结构对该“z ”形敏感区范围的大小有重要影响；归纳小尺度涡能改 变双涡自组织终态的4 个必要条件是：初始位于敏感区内，有足够的强度，与双 涡的距离适当，且生存时间足够长。 最后，利用一个高分辨率的拟谱模式，进一步分析了双涡自组织，以及小尺 度系统对双涡自组织影响的物理过程。结果表明，( 1 ) 双涡合并的物理机制是： 在旋转参考系下，流函数场的异质双曲型固定流点进入涡旋内部，持续不断向外 抛出涡量形成反气旋性螺旋臂；该螺旋臂构成的非轴对称涡度场，在双涡中心产 生相向的气流，使得双涡逐步靠拢合并。( 2 ) 小尺度系统改变双涡相互作用的物 理机制是：初始时段处于某一涡旋正影响区内的小尺度系统，构成非对称涡度场， 进而在该涡旋内部产生指向另一个涡旋的气流；如果该气流足够强，则会使两个 涡旋的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内，触发双涡合并过程发生， 进而引起能量的逆级串。 关键词：副热带涡旋，气候动力学，自组织，触发机制。 a b s t r a c t s u b t r o p i c a lv o r t i c e sa r em u l t i s c a l ea n dd i v e r s e r e c e n t l y , i t sc l i n 墙t ed y n a m i c si s g i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ec o m p r e h e n s i v ec l i m a t e d y n a m i c so fs u b t r o p i c a lv o r t i c e s , t h i s t h e s i sw i l lm a k ei n v e a d g a d o mo i lt h e c l i m a t o l o g yo fs u b t r o p i c a lv o r t i c e s ，t h eo b s e r v a t i o n sa n dt h ed y n a m i c so fs u b t r o p i c a l v o r t e xs e l f 0 r g n i z a t i o n f i r s to fa l l ，u s i n gam o d i f i e dv o r t e xd e t e c t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do i l s t r e a m l i n eg e o m e t r y , t h ed a t a s e t so f1 9 8 5 2 0 0 2s l i m m e rs u b t r o p i c a lv o r t i c e sa t 8 5 0 h p al e v e la r ee x t r a c t e df r o mt h ee c m w f4 0y e a r sr e - a n a l y s i s ( e r a 4 0 ) a n dt h e n c e p n a c r r e - a n a l y s i s ( n i l a ) d a t ai nf o u rr e g i o n s ，w h i c ha r et h ew e s t e r nn o r t h p a c i f i c ( n w p ) ，t h ee a s t e r nn o r t hp a c i f i c 呷p ) ，t h ew 髓t e mn o r t ha t l a n t i c ( 1 q w a ) a n dt h ee a s t e r nn o r t ha t l a n t i co 旺a ) b yu t i l i z i n gt h i sd a t a s e t s ，w ea n a l y z e dt h e s p a t i a la n dt e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c so f s u b t r o p i c a lv o r t e xa c t i v i t i e s i ti ss h o w nt h a t ：( 1 ) t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so fe r a 4 0v o r t i c e sa r ew e l lc o n s i s t e n tw i t ht h o s eo fn r a v o r t i c e si nf o u rr e g i o n s ，e s p e c i a l l yi nt h en r w p , ( 2 ) t h ev o r t i c e ss p r e a do v e r 研d e a r e a sa n dh a v et h el a r g e s tm e a ni n t a l s i t yi nt h en w p , w i t ht w oh i g ha c t i v ec e n t e r s t h e r e ( 3 ) i na l lr e g i o n s ，v o r t i c e sm a i n l yc r i m ea l o n gt h ec o a s ta n di n t h ea d j a c e n ts e a s ， f r o mw h e r et ot h el a n do rt ot h eo p e ns e a , v o r t e xa c t i v i t i e s 瓣d e c r e a s e dg r a d u a l l y ( 4 ) t h ea n n u a lv a r i a t i o n so f v o r t e xa c t i v i f i e sa r ed i f f e r e n ti nf o u rr e g i o n s ( 5 ) v o r t i c e sa r e d i v i d e di n t os t r o n ga n dw e a k 孵s ，a n dt h em v e s t i g a d o ms h o wt h a t ：m o s tw e a k v o r t i c e so c c u ri nt h el a n da n dl o w - l a t i t u d ea r e a s w h i l em o s ts t r o n gv o r t i c e st a k ep l a c e i nt h ea d j a c e n ts e a s ；e x c e p tf o rt h en w p 9t h en u m b e ro f s t r o n gv o r t i c e sh a si n c r e a s i n g t r e n di nt h r e eo t h e rr e g i o m ；t h em e a ni n t e n s i t yo fs t r o n gv o r t i c e s i nt h en w pa n d n e p r e g i o nh a sa ni n c r e a s i n gt r e n d , s od ot h ew e a kv o r t i c e si nt h en e p , n w a a n d n e ar e g i o n s f u r t h e r m o r e u s i n gt w e l v el a y e r s o fe r a 4 0d a t a , t h et h r e ed i m e n s i o n a l d i s t r i b u t i o n so fv o r t i c e si nt h en w pa r ee x p l o r e d n 把4 0 m l p al e v e li sf o u n dt ob ea d i v i s i o ni n t e r f a c e b l o w4 0 0 h p al e v e l ：t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n da n n u a lv a r i a t i o n so f i v o r t e xa c t i v i t i e sj u s tl i k et h o s ea t $ 5 0 h p al e v e l ；t h e9 5 0 1 a $ 5 0 h p av o r t i c e sa 坞t h e m o s te n e r g e t i c ；e x c e p tt h es o u t hc h i n as e a , t h er e s ta l e o sh a v ed e c r e a s i n gv o r t e x a c t i v i t i e s ；t h em e a nv o r t e xi n t e m i t ya t1 0 0 0 h p al e v e lh a sa l li n c r e a s i n gt r e n d a b o v e t h e4 0 0l e v e l ：t h e2 5 0 h 二_ - 2 0 0 h p av o r t i c e sa l t ：t h em o s tv i g o r o u s ；a ta l ll e v e l sa b o v e 4 0 0 h p a , v o r t i c e sm a i n l ys p r e a di nt h e1 5 。一2 5 。b e i t , w i t ht h em o s ta c t i v ea r e a si n t h ec e n t r a lp a c i f i c ；f r o m3 0 0 h p at o1 5 0 h p a , t h em e a nv o r t e xi n t e n s i t yh a sa d e c r e a s i n gt r e n d s e c o n d l y , t h es e l f - o g a n i z a t i o np r o c e s s e so ft y p h o o n m a t s a ”辨i n v e s t i g a t e d t h r o u g ht b b d a t a s e t si ng e n e s i sp e r i o d s t h er e s u l t ss h o wt h a tn 龇a r em u l t i s e a l e i n t e r a e t i o mb e t w e e n y - s c a l ev o r t i c e s ，b e t w e e n 一s c a l ev o r t i c e s ，b e t w e e n y - s c a l e a n d ，- s c a l e v o r t i c e s ，o r b e t w e e n 夕一s c a l e v o r t i c e s a n d t r o p i c a lc y c l o n e s b a s i n go l lt h eo b s e r v a t i o n so fs e l f - o r g a n i z a t i o na n du s i n gt h e ( 3 e r r i sf l o ws o l v e r , w k i e hi sa na d a p t i v em e s hm o d e l t h ei n f l u e n c e so fas m a l ls y s t e m0 1 1t h e s e l f - o r g a n i z a t i o no f b i n a r yv o r t i c e sa 托s i m u l a t e d , t h r o u g hc h a n g i n gt h r e ep a r a m e t e r s t h et h r e ep a r a m e t e r s 辨t h ep o s i t i o n , i n t e n s i t ya n d $ 1 u c t u o f t h es m a l ls y t e m t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：w h e nt h ei n i t i a lp o s i t i o no fas m a l lv o l l e xi sl o c a t e di na ”z ”s h a p e s e n s i t i v er e g i o n , t h ef i n a ls t a t eo fb i n a r yi n t e r a c t i o nc o u l db ea l t e r e d ；t h e ”z ”s h a p e a r e ai sc l o s ec o r r e l a t e dw i t ht h ei n t e n s i t ya x a ds m l e t u r eo f t l a es m a l lv o r t e x ；i no r d e rt o c h a n g et h ef i n a ls t a t eo fb i n a r yi n t e r a c t i o n , t h es m a l lv o r t e xs h o u l ds a t i s f yf o u r n e c e s s a r ye o n d i t i o m w h i c h 批f i l li n i t i a lp o s i t i o ni nt h e z ”s h a p es e n s i t i v er e g i o n , s u f f i c i e n ti n t e n s i t y , p r o p e rd i s t a n c et ob i n a r yv o r d e e sa n dal o n g e rl i f e i nt h ee n d ，b yu t i l i z i n g1 3 h i g hr e s o l u t i o nb a r o t r o p i ep s e u d o s p e c t r a lm o d e l ，t h e p h y s i c a lm e c h a n i s m sa r ei n v e s t i g a t e d f o rt h ev o r t e xm e , r g i n g , t h ew h o l ep r o c e s s e s a r e 鹪f o l l o w s ：w h e nt h eh e t e r o e l i n i ch y p e r b o l i cp o i n t so ft h es t r e a m f u n e t i o ni nt h e c o - r o t a t i n g 缸m ee n t e rt h ev o r t i c e s f i l a m e n t sw i l lb ee x p e l l e di nc l o c k w i s ed i r e c t i o n ； t h e s ef i l a m e n t sf o r mf i l la n t i s y m m e t r i ev o r t i e i t yf i e l d , w h i c hp r o d u c e sa i l 蛆o w $ i n s i d e t h ev o r t i c e st h a tp u s ht h ev o r t i c e si n t om e r g e f o rt h ei n f l u e n c e so f as m a l ls y s t e m0 1 1 t h eb i n a r yi n t e r a c t i o n , t h ep h y s i c a lp r o c e s sa r e 懿f o l l o w s ：w h e nt h es m a l ls y s t e mi s l o c a t e di nt h ep o s i t i v e i n f l u e n c i n g a r e ao fo n ev o r t e xi ni n i t i a l p , e r i o d , a n a n t i s y m m e t r i cv o r t i c i t yf i e l dc o m e si n t ob e m ga n di n s p i r e sa i r f l o w sw h o s ed i r e c t i o n s p o i n tt ot h eo t h e rv o r t e x ；i ft h o s ea i r f l o w sa r cs u f f i c i e n ts t r o n g , t h e yw i l lm a k ot h e t w ov o r t i c e sm o v i n gt oe a c ho t h e ra n d r e a c h i n gi n t ot h em e r g i n gc r i t i c a ld i s t a n c ei na s h o r tt i m e ，w h i c hf i n a l l yc a t l s et h ec o a l e s c e n c eo f t w ov o r t i c e sa n d t h ei n v e r s ee n e l * g y c a s c a d e k e y w o r d ：s u b t r o p i c a lv o r t e x , c l i m a t e d y n a m i c s ，s e l f - o r g a n i z a t i o n , t r i g g e r m e c h a n i s m v 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 涡旋是地球流体运动中最为常见的流场结构之一，其气候动力学研究一直受到科学工作 者的高度重视。随着观测手段的不断提高，特别是卫星遥感资料的广泛应用，人们进一步认 识到地球大气和海洋中充满着不同类型、不同形状、不同尺度，不同生命周期和不同结构的 涡旋。这些涡旋系统在天气演变，气候变化，以及能量和气溶胶输送等方面扮演着非常重要 的角色。一个典型例子是在南极上空观测到的极涡。该系统阻止低纬度的臭氧进入南极，被 认为是臭氧空洞形成的主要机制( m c i n t y r e , 1 9 8 9 ) 。此外，其它常见的大气涡旋结构有：边 界层湍涡，积云对流单体，中尺度涡旋系统，中尺度对流系统，温带气旋，热带气旋，极地 低压和副高等。 副热带地区是大气涡旋最为活跃的区域之一( 本文特指纬度5 。一4 5 。之间的区域) 。 这里聚集了来自低纬度的热带气旋，中高纬度的温带气旋和极地低压，以及本地生成的中小 尺度对流系统，西南低涡、高空冷涡和来自青藏高原的东移低涡等。副热带涡旋的多种类和 多时空尺度的特点，使得该区域的涡旋气候动力学研究变得困难。近年来，随着气象资料分 辨率的提高，和涡旋识别技术的发展，副热带涡旋活动气候特征的关注程度也正在逐步增大 调查副热带涡旋的气候学特征，为涡旋气候动力学的研究提供基础，是本论文的主要选题依 据之一。 众多观测事实表明，这些多种类和多时空尺度的副热带涡旋在一定条件下能够自发的组 织起来。形成更剧烈的灾害性天气。如：( 1 ) 1 9 9 5 年8 月9 日在青藏高原上观测到大片的 对流单体群，后来这些对流单体群经自组织形成了一个较大尺度的中a 尺度的对流系统( 马 禹等。1 9 9 7 , 图3 ) 。( 2 ) 1 9 9 8 年长江中游特大洪涝期间：7 月2 1 日0 3 时左右，在武汉市和 黄石市附近各出现一个对流单体：此后2 个小时内，这两个对流单体合并生成一个云团；嘶 时以后，在黄石市南侧又生成一个云团，与先前合并后的云团再合并，造成特大暴雨( 邓秋 华等。1 9 9 9 ) 。( 3 ) 1 9 8 8 年7 月1 6 日梅雨锋造成的特大暴雨过程中。该日0 2 时黄海和朝鲜 半岛南部分别有对流云团发展，0 6 h 后两者合并，形成了强烈发展的云团组织( 彭新东等。 1 9 9 9 ) 。( 4 ) 再如1 9 9 3 年5 月5 日甘肃金昌的特强沙尘暴，也是在南凸的北方大尺度冷锋云 系，与青藏高原上向东北伸展的中尺度云团结合，产生的中尺度干飑线加冷锋型特强沙尘暴 i 博士学位论文：副热带夏季涡旋气候动力学的初步研究 ( 钱正安等。1 9 9 7 ) 。 此外，中尺度涡旋自组织也被认为是台风形成的机制之一。如：( 1 ) r i t e h i e 等( 1 9 9 7 ) 使用高分辨率的风场和卫星遥感资料，发现在台风i r v i n g 的形成初期，对流层中层有多个涡 旋相互作用。他们进一步认为环境场和中尺度系统之间的正反馈作用使得热带气旋形成。( 2 ) s i m p s o n 等( 1 9 9 7 ) 观测到在o l i v e r 台风形成初期存在多个中尺度涡旋( m c v ) ，其中四个 涡旋发生相互作用，三个涡旋合并起来与另外一个涡旋相互旋转。随后这两个涡旋产生两个 非常活跃的中尺度对流系统( m c s s ) 。最后这两个涡旋合并形成o l i v e r 的初始眼壁，其余涡 旋系统在切变气流的作用下形成螺旋臂。( 3 ) v e n k a t e s h 等( 2 0 0 4 ) 后来发展了一个合并指 数，用于预测热带气旋的生成。( 4 ) 罗哲贤等( 2 0 0 7 a ) 明确将涡旋自组织概念应用到台风 的形成机制中，指出；初始热带风暴的强度控制蓍自组织过程的复杂性，并决定着其周围的 中尺度涡旋是否完全或部分被组织起来；而中尺度涡旋的数量和强度又决定着自组织终态涡 的强度。 这里所谓的涡旋自组织，指的是初始时刻两个或多个涡旋，经过一段时间的演变，合并 形成个尺度更大的涡旋。该涡旋不是受外力强迫生成的，而是自发生成的，自发生成的主 要机制是非线性的相互作用( 周嘉陵，2 0 0 5 ) 。涡旋自组织现象越来越受到国内外的重视。如 涡旋自组织是2 0 0 3 年国际涡旋动力学会议的第一优先专题。 上个世纪末，周秀骥( 1 9 9 4 ) 展望2 1 世纪大气科学发展时就指出，。对于非线性的全球 系统来说，任何一块积云的生成与发展，都可能引起大范围大气状态实质性的显著变化；从 初始场出发的确定性数值预报方法已不再完全适用于中尺度全球交化模式，必须建立和发展 新的以非线性系统动力学为理论基础的数值预报预测方法。”在实际研究当中，可认为对流 积云与涡旋结构相当( c h e n 等，2 0 0 1 ；z h a n g 和f r i t s e h , 1 9 8 8 ；m e n a r d 和f r i t m h , 1 9 8 9 ；罗哲贤 等，2 0 0 7 b ) 。理解积云尺度系统影响大范围天气变化，可简化为研究不同尺度涡旋系统之间 的非线性相互作用过程( 周嘉陵等，2 0 0 6 a ；罗哲贤等，2 0 0 7 b ) 。因此研究涡旋自组织动力学， 是通向解决周秀骥( 1 9 9 4 ) 提出问题的一条重要途径，也是本论文的又选题依据。 上述研究背景表明，气候学特征和涡旋自组织是副热带涡旋气候动力学研究的两个重要 方面。这也决定了本论文副热带涡旋气候动力学研究的三个主要内容：首先通过副热带涡旋 的气候学研究，初步了解副热带涡旋的时空活动特征，及其个体属性特征：其次在气候学研 究的基础上，通过观测个例的诊断分析，了解副热带涡旋自组织现象的特征；最后在观测诊 断的基础上，利用数值模式对副热带涡旋自组织动力过程进行理论分析。下面分别从涡旋气 候学和涡旋自组织两个方面，阐述涡旋气候动力学的研究进展。 2 第一章前言 1 2 涡旋气候学研究进展 涡旋气候学一直是大气科学研究的热点内容。本节主要从三个方面来阐述涡旋气候学的 研究进展。首先是全球涡旋气候时空分布特征的研究进展。其它两个方面分别是：涡旋气候 学资料使用的进展；研究方法的进展。由于大气中的涡旋结构多种多样，尺度范围宽广，本 论文气候学研究主要涉及尺度1 0 0 一1 2 0 0 b n 之间的涡旋结构。 1 2 1 涡旋的时空分雍特征 涡旋气候学的研究可以追述到1 9 世纪中叶。1 9 世纪三四十年代，气象电报网的建立使 得涡旋气候学得到较快的发展。如r e d f i e l d ( 1 8 3 1 ) 对西北大西洋和墨西哥湾的热带气旋路 径进行了追踪，与此同时p i d d i n g t o n ( 1 8 4 2 ) 详细记录了孟加拉湾到阿拉伯海的热带风暴运 动，并首次引入了气旋的概念。m o h n ( 1 8 7 0 ) 和l o o m i s ( 1 8 7 4 ，1 8 8 5 ) 的工作开启了中纬 度气旋气候学研究。稍晚一些，反气旋的气候学研究也开始出现( r u s s e l l , 1 9 8 3 ；r a w s o n , 1 9 0 8 1 9 0 9 ) 。由于缺少站点观测，高纬度的涡旋气候学研究直到2 0 世纪5 0 年代才开始。 2 0 世纪5 0 年代以后，随着各种气象资料的发展和新观测手段的出现，涡旋气候学研究 进入繁荣时期。按研究区域分类可划分为南半球和北半球。 在南半球，t a l j a a r d ( 1 9 6 7 ) 对南半球的气旋和反气旋系统进行了初步的调查。j o n e s 和 s i m m o n d s ( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 在t a l j a a r d 的基础上，通过1 5 年的天气气候学统计，进一步完善了 南半球气旋气候学的研究。他们的研究结果表明，对于反气旋：反气旋的平均最大强度中心 在南半球冬季h a ( 夏季d j f ) 位于3 8 0 s ( 4 4 。s ) ，其北侧5 0 8 0 内的纬度带为反气旋活 动密度最大值区；反气旋在东部副热带海洋出现频率最高，而极少出现在南部陆地上( 除南 极洲外) ；反气旋的发源地主要分布在西南大西洋，印度洋，澳大利亚海湾和塔斯曼海，生 成后向东或向赤道移动。对于气旋：6 0 。s 7 0 。s 之间的绕极槽区是气旋活动的频繁区域； 在冬季及春秋两季，南美洲南部和塔斯曼海也是气旋活动的频繁区域。s i n c l a i r ( 1 9 9 4 ) 使 用1 9 8 0 1 9 8 6 年的1 0 0 0 h p a 层上e c m w f 准地转相对涡度场资料，得到南半球移动涡旋的 分布图像。他的结果表明，移动涡旋主要活动于4 5 0 s 5 5 。s 之间，且大多数向东移动。 对于南半球的气旋和反气旋气候学研究还有其他众多工作，如l e i g h t o n 等( 1 9 9 4 。1 9 9 5 ) 给出了1 9 6 5 1 9 9 3 年南半球澳洲地区的反气旋的季节和年际变化；s i n c l a i r ( 1 9 9 5 ) 利用 1 9 8 0 1 9 8 6 年的e c m w f 涡度场分析资料调查了南半球气旋生成、增强、成熟和衰亡的气候 特征；h u d s o n 等( 1 9 9 7 ) 利用g e n e s i s 大气环流模式检验了南半球海洋上空中纬度涡旋的 3 博士学位论文：副热带夏季涡旋气候动力学的初步研究 分布特征；s i m m o n d s 等( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 a , 2 0 0 0 b ) 使用e c m w f 分析资料和n c e p 再分析资料 对南半球温带气旋进行了一系列的研究；k e a b l e 等( 2 0 0 2 ) 利用1 9 5 8 - - 1 9 9 7 年4 0 年n c e p 再分析资料调查了南半球5 0 0 h p a 上的中高纬涡旋活动特征；l i n t 和s i m m o n d s ( 2 0 0 2 ) 对 1 9 7 9 - - 1 9 9 9 年的南半球爆发性气旋的活动进行了统计；p e z z a 等( 2 0 0 3 ) 分析了南半球地面 气旋和反气旋气候活动特征与e n s o 之间的联系。 南半球高纬南极洲附近的涡旋气候学研究随着卫星资料的出现得到快速发展。t u r n e r 等( 1 9 9 4 ) 利用3 个月气象卫星云图对南极别林斯高晋海和威德尔海区域的夏季1 6 2 个中尺 度涡旋活动特征进行了诊断分析。1 9 9 8 年，t u n e r 等( 1 9 9 8 ) 又利用卫星云图和常规气象观 测资料来诊断南极半岛附近槽区内的天气尺度的发生和运动特征。c a m a s c o 等( 1 9 9 7 a , 1 9 9 7 o ， 2 0 0 3 ) 利用更长时间的卫星图像统计了南极洲地区的中尺度涡旋活动情况。s i m m o n d s 等 ( 2 0 0 3 ) 利用n c e p - d o e 2 再分析资料对南极洲附近区域的天气系统活动进行了调查。 在j e 半球，p 蝴s e n ( 1 9 5 0 ) 和k l e i n ( 1 9 5 7 ) 手工统计了1 8 9 9 - 1 9 3 9 年的历史天气图， 全面调查了北半球气旋和反气旋的生成和活动的频率分布。昊伯雄等( 1 9 5 8 ) 同样利用历史 天气图手工统计了东亚地区的气旋活动。许健民和王友恒( 1 9 7 9 ) 调查了夏季西北太平洋热 带对流层上部的冷涡活动特征。w h i t t a k e r 和h o r n ( 1 9 8 4 ) 用海平面气压图手工统计出北半 球气旋的2 0 年活动分布特征( 1 9 5 8 - 1 9 7 7 ) ，结果表明：i ) 一月份气旋活动频繁区主要分布 在西北大西洋向西延伸至北美五大湖区域，太平洋中部和西部的广阔地带；2 ) 四月份的气 旋活动分布型与一月份相同，而活动频数减少；3 ) 七月份气旋活动频数继续减少；4 ) 八月 份气旋的活动分布与冬季相似，不同的是大西洋活动中心位于格陵兰岛东南侧，太平洋活动 中心分布在阿拉斯加湾，地中海地区也是涡旋活跃带。 2 0 世纪后期，格点分析和再分析资科促进了北半球涡旋气候学的进一步发展。如 l a m b e r t ( 1 9 9 6 ) 从1 8 9 9 - 1 9 9 1 年的日平均海平面气压分析资料提取了北半球冬季强气旋的 活动特征。战淑芸等( 1 9 9 6 ) 分析了1 9 9 2 年东亚西北太平洋的温带气旋活动特征，及其与 赤道东太平洋海温和5 0 0 h p a 环流之间的联系。b l e n d e r 等( 1 9 9 7 ) 使用e c m w f 的1 0 0 0 h p a 位势高度场资料提取北大西洋气旋的路径，得到静止、东北向和纬向三类气旋移动路径。地 中海地区是气旋的活跃区，啊g o 等( 1 9 9 9 ) ，m a i i e r d s 等( 2 0 0 1 ) 和p i c o m e l l 等( 2 0 0 1 ) 都 对该区域的气旋进行了客观气候分析。s i c k m o l l e r 等( 2 0 0 0 ) 检验了e c m w f l 5 年再分析资 料中的北半球冬季气旋的移动路径。h i r s h 等( 2 0 0 0 ) 给出了北美洲东海岸的冬季风暴气候 特征。p a c i o r e k 等( 2 0 0 2 ) 计算了6 种表征北半球冬季气旋活动的指数。h o s k i n s 和h o d g e s ( 2 0 0 2 ) 使用e u l e r 和l a g r u n g e 两种涡旋统计方法，基于多层多种数据( 如海平面气压场， 4 第一章前言 位温和涡度场等) ，对北半球冬季气旋活动进行了对比研究。秦曾灏等( 2 0 0 2 ) 详细阐述了 中国近海和西太平洋温带气旋和海洋爆发性气旋的特征，指出：中国近海气旋主要来源于江 淮、东海和黄河地区，大多强度较弱：西太平洋爆发性气旋主要发生在日本以东及以南洋面 上，具有连续爆发性特征。 此外，在对流层顶同样也有涡旋结构活动。h a k i m ( 2 0 0 0 ) 证实中高纬对流层顶的天气 尺度和中尺度扰动是涡旋结构，这些涡旋结构产生垂直运动和诱发地面气旋的生成。h a k i m 并给出了基于5 0 0 h p a 相对涡度场的北半球中高纬对流层顶涡旋3 3 年的气候分布特征。 在北极地区，s e n e z 等( 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ) 使用海平面气压资料调查了1 9 5 2 8 9 年北极地区 的天气系统活动，以及气旋系统的发生和消亡特征。b r u m m e r 等( 2 0 0 0 ) 采用e c m w f 再 分析资料对1 9 8 6 - 9 1 年北极区域的气旋活动进行了统计。z h a n g 和w a l s h 等( 2 0 0 4 ) 利用 n c e p n c a r 再分析资科分析1 9 4 8 - - 2 0 0 2 年北极地区的气旋活动气候变化特征，发现中纬度 进入高纬度的气旋数量有增多的趋势。 在低纬度地区，涡旋活动以热带气旋为主。早期气候学研究如g r a y ( 1 9 6 8 ) 对全球的 热带气旋和风暴的发源地进行了统计。后来陈联寿和丁一汇( 1 9 7 9 ) 整理了西太平洋台风的 活动特征。k i m b a l l 等( 2 0 0 4 ) 计算了北大西洋地区热带气旋的尺度参数特征。 在全球增暖的背景下，涡旋活动的气候时间变化规律研究也得到重视( 如。c o l u c c i , 1 9 7 6 ； s a n d e r s 和c , y a k u m , 1 9 8 0 ；p a r k e r 等，1 9 8 9 ；a g e e ，1 9 9 1 ；s e r r e z 等，1 9 9 7 ；k e y 和c h a r t , 1 9 9 9 ) 。 利用加拿大气候中心的全球模式，l a m b e r t ( 1 9 9 5 ) 发现c 0 2 加倍使得全球的气旋数量减少， 强度增加，尤其是在北半球。s h u b e r t 等( 1 9 9 8 ) 采用e c h a m 3 模式分析了c 0 2 对北大西 洋气旋活动的影响，结果表明双倍( 三倍) 的c 0 2 使涡旋移动路径向东( 东南) 偏移，而 涡旋活动活跃区向东北( 北) 偏移。c a r n e u 等( 1 9 9 8 ) 使用h a d l e y 中心的海气耦合模式也 证实，如果温室气体和硫酸盐气溶胶的增加，北半球中纬度气旋活动频数减少，低压系统有 加深的趋势。s i n c l a i r 和w a t t e r s o n ( 1 9 9 9 ) 通过c s i r 0 9 - g c m 模拟同样证实了c 0 2 加倍使 得中高纬的气旋和反气旋活动频率减少1 0 - 2 0 。k e y 和c h a n ( 1 9 9 9 ) 使用n c e p 再分析资 料检测了1 9 5 8 - 9 7 年北半球1 0 0 0 m b 和5 0 0 m b 层上涡旋活动状况，结果表明：高纬度地区 ( 6 0 。n 一9 0 。n ) ，1 0 0 0 m b 的低压涡旋活动数量增加，5 0 0 m b 除了冬季外减少：中纬度地 区( 3 0 。n 6 0 。n ) 1 0 0 0 m b 上涡旋活动频率减少，5 0 0 r o b 上除了冬季外增加；低纬地区 ( 0 。一3 0 。n ) 冬春两季1 0 0 0 m b 和5 0 0 r o b 上涡旋活动频数都增加，夏秋季只有5 0 0 m b 增 加。g e n g 等( 2 0 0 1 ) 用n c e p n c a r 再分析资料对北大西洋地区的气旋密度主成分分析， 发现该区域涡旋活动密度存在1 0 年的年代际变化，涡旋活动有显著增强的趋势。g u l e v 等 5 博士学位论文： 副热带夏季涡旋气候动力学的初步研究 ( 2 0 0 1 ) 同样使用1 9 5 8 9 9 年的n c e p n c a r 再分析资料，统计北半球中高纬气旋频率，强 度及强度变率，生命周期呈长期和年代际尺度的变化特征，结果显示太平洋西北部和北大西 洋地区气旋强度有增强趋势。m c c a b e ( 2 0 0 1 ) 研究北半球地面气旋频率和强度的工作，表 明中纬度( 高纬度) 气旋显著减少( 增加) ，而中高纬的气旋强度都增加。i c v i n ( 2 0 0 5 ) 和 w e b s t e r 等( 2 0 0 5 ) 指出全球变暖对热带气旋的强度有显著的影响，但对其活动频数的影响 则不能确定。上述工作表明，气候变暖如何影响涡旋活动的长期变化带有相当大的不确定性。 1 2 2 资料使用概述 从上述南北半球的涡旋气候学工作可见，传统的常规观测资料只适用于尺度较大的涡旋 系统的统计( 如气旋，反气旋等) ，卫星遥感资料的出现使得中小尺度涡旋气候学研究成为 可能。如h o d g e s 和t h o r n c r o r ( 1 9 9 7 ) 利用i s c c p - m e t e o s a t 卫星图像首次提供了非洲地区 对流性涡旋系统的8 年( 1 9 8 3 1 9 9 0 ) 的气候特征。 尽管卫星云图有较高的分辨率，但在涡旋气候学应用中也有缺点：首先是目前卫星资料 的有效时段较短，不能提供长期气候研究；其次，卫星云图没能够有效利用常规观测资料， 以及其他航空航海，野外试验等非观测资料。常用的格点分析资料提供了三维的大气数据， 但亦受到观测手段发展和模式设计变化而带来的影响，不适用于长期气候研究( a g e e , 1 9 9 1 ； u e n o ，1 9 9 3 ；v o r ls t o r c h 等，1 9 9 3 ) 。 同化技术的出现，将卫星云图，常规观测和野外观测资料等气象信息综合到一起，形成 了大气动力时空一致的、时空分辨率较高的和最佳逼近大气状态的再分析资料，为涡旋气候 学研究提供了有效途径。目前为止，有4 种再分析资料被广泛的应用于涡旋气候学：美国 n c e p 中心( t h en a t i o n a lc e n t e r sf o re n v f f o n m e n t a lp r e d i c t i o n ) 制作的4 0 年n c e p ，