全球增暖背景下北极气旋活动的异常变化研究

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本文首先对1979-2018年逐6h的ERA-Interim海平面气压资料进行了识别、追踪及筛选,得到了长达40年的北极气旋数据集。随后,依据生成源地,将北极气旋进行了分类,并对不同源地气旋的季节及年际变化特征进行了细致的研究,分析特征包括气旋生成事件数、强度、移速、生命期、移距、典型路径等。值得说明的是,本文还定义了气旋活动最北端纬度?np以探究北极气旋活动在经向上的变化。最后,针对前文诊断发现的两个典型异常现象,近40年来夏季北极海岸旋生事件的增多及冬季北极大西洋扇区气旋移动的北偏,展开了进一步讨论。全文主要结论如下:(1)总体来说,北极气旋在冬季生成得多且强,夏季生成得少且弱,但夏季气旋的生命期和移动距离都要略长于冬季。事实上,不同源地气旋特征的季节变化并不完全一致,尤其体现在旋生事件数方面。在北极大西洋扇区的东格陵兰海、巴伦支海,旋生事件冬多夏少,而中西伯利亚北部及科雷马区则表现为夏多冬少。由冬至夏,北极旋生的活跃中心会逐渐从北极大西洋扇区移动到欧亚大陆北侧。在全球变暖的背景下,近40年来,北极总体旋生事件数还表现出了显著的线性变化趋势,其中,冬季旋生数减少,而夏季旋生数则有所增加,夏季旋生增加的区域主要在北极海岸线附近。尽管气旋的强度、生命期等也存在较大的年际变率,但总体并未能识别出明显的线性变化趋势。此外,通过分析气旋最北端纬度?np的变化,本文还发现近40年来,冬季生成于北极大西洋扇区的气旋,其活动路径明显向北偏移,路径北偏最显著的区域位于巴伦支海。(2)夏季存在于北极海岸线附近的一条强经向温度梯度带被称作北极锋区,以锋区内经向温度梯度最大值的连接线为锋线。本文研究发现北极锋区的强度和锋线位置的变化均会对北极旋生事件造成影响,但影响区域存在差异。随着北极锋区的增强,旋生增多将主要集中在中央海盆,但近40年来北极锋区的强度仅存在略微增强的趋势,因而其对夏季北极总体旋生增加的贡献并不大。而伴随着锋线的北抬,北极沿岸,尤其是欧亚及北美大陆北侧都会有更多的气旋生成。诊断发现,1979-2018年北极锋区锋线正在逐渐向北移动,尤其是喀拉海-拉普捷夫海段,与之伴随,北极海岸附近斜压性也显著加强,从而使得夏季北极沿岸生成的气旋越来越多。由此可见,北极锋区的北抬在近40年来夏季北极海岸旋生事件的增多中起到了十分重要的作用。(3)通过将气旋活动最北端纬度?np进行线性分解,本文发现近40年来气旋北移纬度Δ?的增加及旋生位置?G的北移均对北极大西洋扇区冬季气旋的北偏有所贡献。前者主要受到冬季巴伦支海海冰大量消融的影响。进入21世纪后,冬季巴伦支海海冰的大量消融使得该区域的海冰边缘线北退,强经向温度梯度带也随之北推,在这样的背景下,东格陵兰海至喀拉海一带斜压性明显减弱,而北部斯瓦尔巴德群岛附近的斜压性显著增强,造成气旋易在巴伦支海附近北转,经向移速加大,气旋北移纬度增加。旋生位置的北移则与冬季北大西洋涛动(NAO)的变化密切相关。当冬季NAO为负位相时,受冰岛低压减弱南退影响,东格陵兰海南侧旋生明显减少,而受南风减弱影响,北极大西洋扇区北部温度降低,东格陵兰海至斯瓦尔巴德群岛一带海冰明显增多,增多的海冰使得东格陵兰岛西北侧出现强温度梯度带,该区域的斜压性随之增强,旋生增加。南侧旋生的减少及北侧旋生的增加,最终使得北极大西洋扇区旋生位置更为偏北,整体旋生活动发生北移。
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