中国近海温带气旋的时空变化特征

2024年3月15日发(作者：含有比喻的成语)

中国近海温带气旋的时空变化特征

秦听;魏立新

【摘 要】基于1979－2012年共34年的 ECMWF 逐日4次平均海平面气压的再

分析资料，采用英国雷丁大学气旋客观追踪算法，对出现在我国近海的温带气旋

（气旋生命史1 d 以上，移动距离大于500 km）的时空分布特征进行统计分析。

结论包括以下几点：（1）1979－2012年进入中国近海的温带气旋平均每年45

个，气旋数量呈现春夏多而秋冬少的特点。20世纪90年代初至今，气旋数量呈

增加趋势，其中北部海区气旋数量增加达到显著水平，东部海区气旋数量表现为不

显著减少，故认为影响中国近海的气旋路径有北移的趋势。（2）进入我国近海的

温带气旋主要有4个生成源地，按比例由高到低分别是江淮气旋（38．9％），东

海气旋（25．2％），黄河气旋（24．3％）以及蒙古气旋（11．6％）。气旋入

海后，当大气海洋条件适合时，可以爆发性增长，气旋爆发性增长的主要区域在朝

鲜半岛及以东洋面以及日本以东洋面，在我国近海气旋爆发的比例较小。（3）气

旋生命史主要为1～7 d，但生命史为1～4 d 的气旋比例最大，平均占气旋总数

的52％，其中夏季长生命史气旋（大于10 d）的比例最大，为8％，冬季最少，

接近3％。冬季气旋最强，气压分布区间大；夏季弱气旋多，中心气压分布集

中。%Bad on the 6 hourly a level pressure data of ERA-Interim

reanalysis over the period 1979-2012 and automated cyclone detection

and tracking algorithm from Reading University,extratropical cyclones

entering coastal waters of China are examined and their activities such as

source,distribution,intensity,frequency,life time,annual and asonal

variability and so on are sions are as follows:(1)From

1979 to 2012,there are 1 530 extratropical cyclones are detected in coastal

waters of China,45 per year on the early 1990s the number

of extratropical cyclone in coastal waters of China shows positive trend,and

the route has a tendency to move is consistent with

previous rearch conclusion of extratropical cyclone in the northern hemi-

ally in the north of coastal waters of China ,cyclone number

incread significantly.(2)The cy-clones mainly come from four

regions,Jianghuai,Yellow River,East China Sea and Mongolia,and the most

propor-tion is Jianghuai,the least is Mongolia,especially in

atmospheric and ocean conditions meet the re-quirements,the cyclones

can growth main sources of explosive cyclones are east

ocean of Japan and the east ocean of of Korean Peninsula,compare to this

tow place,there are less cyclones can growth explosively in coastal waters

of China .The number of explosive cyclones is the largest in spring,the least

in than half of the cyclone’s life is for 1 to 4 days,the

number of long life cyclones(more than 10 days)is the largest in

summer,the least in cyclones are more stronger in winter and

more weaker in summer.

【期刊名称】《海洋学报（中文版）》

【年(卷),期】2015(000)001

【总页数】10页(P43-52)

【关键词】中国近海;温带气旋;自动气旋追踪;时空分布;爆发性气旋

【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】P732.5

秦听，魏立新.中国近海温带气旋的时空变化特征［J］.海洋学报，2015，37（1）：

43—52，doi：10.3969/.0253-4193.2015.01.005

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52，doi：10.3969/.0253-4193.2015.01.005

温带气旋是中高纬度地区大气环流系统的重要组成部分之一，在大气物质能量平衡

以及水汽输送的过程中有着重要的意义。大多数的温带气旋形成于锋区附近，有较

强的温度梯度和风的气旋性切变［1］，伴随着大风、降水等灾害性天气过程。进

入我国近海的温带气旋主要出现在23°N以北的海域，这些气旋中的绝大部分是在

陆地生成，于高空气流的引导下到达海上，其中部分入海后会出现加强，有些还会

出现爆发性的发展，带来强风、暴雨并伴随着低能见度的恶劣天气，对我国的海运

以及近海经济有严重的破坏性。由于温带气旋的破坏性，国际上对温带气旋的研究

起步较早，但早期的工作主要是从天气图上识别温带气旋，这种方法需要耗费大量

的人工，并且具有人为主观性。随着计算机的发展，自动追踪气旋的客观识别方法

逐渐被引入到研究中来，并陆续被国外的学者所使用，Akyildizt［2］、Murray

和Sim monds［3］、Hod-ges［4］等在20世纪80-90年代起就开始使用这些

方法，通过识别平均海平面气压场的最小值或涡度场的极值来确定气旋的中心，追

踪气旋的整个发生发展过程，进而对其空间分布的频数、源地、强度等做出统计。

现有的使用较多的气旋自动识别方案包括墨尔本大学以及本文使用的雷丁大学的方

案。Gulev等［5］利用气旋自动追踪方法，对冬季北半球气旋时空特征、强度特

征以及与北半球大气环流相关指数间的关系作出统计，Zhang等［6］统计了

1948-2002年北极地区气旋的逐年变化特征，针对北极区域Sorteberg和Walsh

［7］分析了进入北极地区的气旋的气候特征以及北极水汽输送对气旋变化的响应。

针对南半球气旋，Uotila等［8］通过追踪气旋解释了南极大陆下垫面对气旋变化

发展的影响，David和Sim monds［9］对南半球温带气旋的特征做出了统计。

我国学者对中国近海温带气旋的研究自20世纪50年代以来一直持续着，内容包

括统计分析近海温带气旋的路径、时空频数等［10—12］；进入20世纪80年代，

陆续开展了包括海上爆发性气旋、气旋的空间结构和演变特征等的统计，范围主要

涉及西北太平洋，或是单独的某个海区［13—15］。在前人的研究基础上，本文

基于欧洲中心的再分析数据，采用雷丁大学Hodges的气旋追踪算法，对1979-

2012年影响中国近海的温带气旋的时空分布特征进行较为全面的统计分析，与前

人对北半球温带气旋的研究相比，数据分辨率提高，数据的时间延至2012年，并

将温带气旋的研究范围缩小至中国近海，提高了对我国沿海温带气旋的整体的认识

水平，为海上的防灾减灾工作提供借鉴。

本文采用的资料来自欧洲中心的ERA-Interim逐日四次（每6 h一次）平均海平

面气压的再分析资料，资料的水平分辨率为0.75°×0.75°，时间为1979 -2012年，

共34年。文中季节划分为：春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬

季为12月-次年2月。客观自动识别气旋的方案无法像人工自动识别那样在天气

图上寻找闭合线以及锋面，为了剔除热带气旋，并且考虑到中国近海温带气旋主要

出现在台湾海峡以北海域，我们将统计的温带气旋的生成源地限定为23°N以北，

热带气旋变性进入温带的情况本文并未考虑。文中统计的气旋仅为影响中国近海海

区的气旋，气旋的出现或者移动的中心出现在统计区域内即被统计，同个气旋过程

仅被记录为一次。这些气旋可能为蒙古气旋、黄河气旋等与中国有关的温带气旋。

按照国家海洋环境预报中心的海区划分标准将研究区域分为东部海区（23°～35°N，

120°～130°E）和北部海区（35°～41°N，117°～127°E）（图1），这两部分合

起来为中国近海气旋的统计区域，其他区域并没有考虑在内，例如41°N以北东北

低压频繁出现的陆地区域。本文采用的再分析资料与Zhang等［6］研究北半球

温带气旋所用NCEP2.5°×2.5°的资料相比，可以提取到一些强度较强，但是范围

较小的系统，同时本文将温带气旋的研究时间由2002年延至2012年，也能看到

近10年来影响我国近海温带气旋的时空变化特征。

本文采用了英国雷丁大学Hodges［4］的气旋追踪算法，算法可以从海平面气压

场或者850 hPa涡度场来追踪气旋，计算的过程分为滤波、气旋中心定位以及追

踪3个步骤。滤波是在气旋中心识别之前进行，目的是消除大尺度环流场的影响

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。第二

步是在滤波后的场域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，该方法将场域（过滤后的气压场）分为逐个区域，再在每个区域中查找

气压极值，然后再在各个极值点数据之间采用B-spl ine样条插值（3次样条插值）

以及变量的最大变率定位其他的气旋中心，这样保证了更加平滑的气旋路径，最后

一步是追踪，即将上一步找出的气旋中心进行轨迹的连接，雷丁大学算法采用的是

最临近原则，其根据时间序列以6 h时间间隔，以当前该点为中心向四周辐散2°

（222 km）范围的最近的极值点作为连接的点，并建立代价函数对连接的点进行

路径平滑的检验以达到最平滑路径的目的，这一函数保证了之前时间序列中路径的

平滑程度并最终决定路径的长度，通过该函数使气旋路径尽可能的平滑，它的检验

在路径时间序列的向上和向下时间中都进行。并且平滑检验的限定条件具有针对性，

如果气旋移动缓慢，检验条件设定相对宽松，反之，则较为严格。通过以上步骤，

找出范围内的低压系统的移动路径，根据强度和范围的需求，进一步从这些系统中

找出感兴趣的研究目标，详细的算法可参见Hodges［16］的相关文献。本文采

用该算法统计了气旋中心出现在我国东部海区和北部海区生命史超过24 h，移动

范围超过500 km的温带气旋，这样的限制可以有效的避免低压扰动的干扰。为

了确认跟踪效果，将用该算法追踪的2002和2006年的气旋与主观的地面天气图

识别结果进行了对比，符合率达到90%以上，作为气旋的客观追踪，该方法是可

行的。与天气图不一致的原因包括：再分析数据的分辨率、方案中算法的选择和人

工天气图识别的主观性，例如，算法会计入那些没有闭合的低压扰动，而主观的选

择不会将这些计入。

3.1 中国近海温带气旋的源地特征

采用雷丁大学Hodges的核密度估计算法对中国近海气旋的路径密度进行统计。

该算法属于非参数密度估计方法，可以生成连续、平滑的气旋路径密度分布图；概

率密度值单位为无量纲，其物理意义是其大小对应了气旋路径密度分布的疏密状况。

它的实现是根据已知气旋路径的位置点Xi，以Xi点周围的未知点距Xi的距离作为

衡量指标，建立估计函数，估计已知点Xi周围的气旋路径密度分布，详细的算法

可参考文献［17］。本文对移动过程中出现在中国近海的温带气旋源地进行统计，

发现这些气旋的源地主要有4类，分别为蒙古气旋、黄河气旋、江淮气旋和东海

气旋。根据这4类气旋源地分别计算了气旋的路径密度，结果如下：（1）蒙古气

旋，生成于蒙古人民共和国和我国的内蒙古，气旋生成后先向东南移动再转向东北，

途经渤海，主要影响我国的北部海区（渤海和黄海北部）；（2）黄河气旋，生成

于我国河套附近或黄河下游，向东或东北移动，经过我国渤海或黄海北部，转向东

北，经朝鲜半岛进入日本海；（3）江淮气旋，生成于淮河流域和长江中下游，东

移进入黄海南部或东海，入海后向东北方向移动，主要影响我国东部海区（黄海南

部和东海）；（4）东海气旋，生成于东海，向东北方向移动，主要影响我国东部

海区。结合表1，有如下结论：春季以江淮气旋和东海气旋为主，分别占春季总气

旋比例37.8%和30.2%，黄河气旋次之为18.9%，蒙古气旋最少，仅为13.1%；

夏季，江淮地区成为主要的气旋源地，比例为52.1%，黄河气旋比例增加为

28.5%，东海气旋比例17.6%，蒙古气旋降到最低仅2%；秋季，江淮气旋32.3%，

黄河气旋27.3%，东海气旋24.1%，蒙古气旋16.3%；冬季，情况与春季较为相

似，江淮气旋以33.3%和东海气旋29.1%居前，黄河气旋占22.4%，蒙古气旋

15.2%。由此可见，江淮气旋是影响我国近海的主要气旋，东海气旋与黄河气旋次

之，蒙古气旋最少。

3.2 中国近海温带气旋个数、强度以及生命史特征

3.2.1 气旋个数

（1）气旋总数

表2～4分别给出中国近海以及北部海区和东部海区温带气旋个数的统计结果，34

年中追踪到进入中国近海的温带气旋总数为1 530个，平均每年有45个，呈现春

夏多而秋冬少的特点，并且春季气旋最多，秋季气旋最少。东部海区气旋年平均为

27个，春季最多，秋季最少；北部海区年平均为18个，较东部海区少，并且夏

季气旋所占比例比春季要多。

（2）气旋个数的时间变化趋势

采用线性倾向估计对气旋年总数的时间变化趋势进行分析，并检验变化趋势的显著

性。图3a～c分别为北部海区、东部海区和中国近海气旋年总数的线性倾向估计

结果，给定显著水平为0.05。结果表明，北部海区气旋个数呈显著增加趋势，相

关系数r= 0.432超过了a=0.05（0.33）的显著水平。东部海区气旋个数减少，

但未达到显著水平，中国近海气旋总体不显著的增加。表5进一步分析了气旋个

数的季节变化，北部海区各个季节气旋个数的变化也为增加趋势，但未达到显著；

东部海区春夏季节气旋为增加趋势，秋冬季节减少，但都未达到显著；各个季节总

气旋数的变化也都未达到显著水平。综上，北部海区气旋的增加导致近海气旋的整

体增加。分析也表明中国近海气旋路径分布有北移的趋势（图略）。

3.2.2 气旋强度

提取每个气旋由生成到消亡过程中中心气压的最低值，对中国近海不同季节气旋强

度分布进行统计。图4统计结果表明，春季气旋中心气压均高于940 hPa，分布

比例相对比较平均，970～980 hPa的气旋占20%，高于其他季节；夏季气旋中

心气压偏弱，均高于970 hPa，其中有56%分布在990～1 000 hPa之间，非常

集中；秋季气旋中心气压也高于940 hPa，与春季相似，但弱气旋偏多，气压高

于990 hPa的占58%；冬季气旋最强，可达920 hPa，但仅有1%的气旋可达到

920～930 hPa，高于950 hPa的气旋比例比较均匀的分布在10%～20%之间。

3.2.3 气旋生命史

前人研究认为，近海温带气旋的生命史为1～7 d，图5统计显示，1～7 d的气旋

比例平均为78.7%，和前人结果一致。气旋维持期1～4 d比例更集中，分别为春

季47.4%，夏季55.3%，秋季54.5%，冬季50.9%，可见气旋的主要生命期为

1～4 d。生命史大于10 d以上的气旋比例平均为5.9%，冬季仅为4%，远低于平

均水平，而夏季比例为8%，高于平均水平，夏季这部分长生命史的气旋可以从我

国近海一直移动到阿留申群岛附近消亡，在这类气旋中27.6%的气旋为爆发性气

旋。

3.3 中国近海爆发性气旋

本文对爆发性气旋的定义采用Sanders和Gyaku m［18］针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的定义。Sanders和Gya-ku m定

义贝吉龙为气旋加深率的单位，并以贝吉龙值判定爆发性气旋，他们取45°N为标

准纬度，时间范围为12 h，在这一纬度上，若中心气压12 h至少下降12 hPa，

即气旋加深率大于或等于一个贝吉龙，则该气旋被认定为爆发性气旋，纬度不同贝

吉龙值也不同，任意纬度上的地转调整率用12 hPa/12 h×sinθ/sin45°表示，θ取

气旋中心纬度12 h的平均值，临界比率为相应纬度上的一个贝吉龙，该方法也被

齐桂英［19］等人应用并肯定了其可行性。

3.3.1 爆发性气旋个数以及源地

表6为1978-2012年在中国陆地或近海生成的影响中国近海的气旋并达到爆发性

增长的气旋个数统计表，以130°E以东海区作为远海，130°E以西作为近海，分

别统计气旋在陆地、近海以及远海爆发性增长的个数以及比例。结果表明，在进入

我国近海的气旋移动过程中，有29%左右可以爆发性增长，有些发生在陆地、有

些在近海、大部分在远海。我国近海的爆发性气旋总数春季最大，占到爆发性气旋

总数的40.2%，冬季次之，为36.2%。夏季、秋季较少，均低于15%。其中，海

上爆发性增长的气旋比例为陆地的2～3倍，海上爆发性增长的气旋主要在远海爆

发，根据不同的季节，比例为近海的2～4倍。

3.3.2 爆发性气旋源地

图6～7分别给出了爆发性气旋生成源地的数密度分布（每2.5°×2.5°内气旋个

数），以及气旋爆发性增长的位置的数密度分布，得到以下几个结论：（1）江淮

气旋和东海气旋是爆发性气旋的主要来源，其次是黄河气旋，仅有极少量蒙古气旋

能够入海后爆发性增长；（2）远海爆发性增长的气旋是近海的2～4倍，图7中

可以看到，主要的气旋爆发性增长区域位于日本以东洋面以及朝鲜半岛及其以东洋

面，而这两个区域分别是黑潮暖流流经区域，以及对马暖流进入对马海峡后形成的

东朝鲜暖流区，流经该区域的暖流有助于大气的下垫面升温，大气的斜压性增强，

驱动了气旋的爆发性增长。丁一汇［20］等人指出温带气旋爆发性发展的原因很

复杂，是动力因子与热力因子共同作用的结果，这些条件中涡度平流和温度平流是

启动因子，暖平流引起上升运动，后引发潜热释放形成低压槽，使得低层扰动区潜

热进一步释放造成气旋的发展，海洋为潜热释放提供大量水汽，支持气旋的爆发性

增长；同时气旋发展也受到下垫面影响，海上的摩擦比陆面小，这也有利于爆发性

气旋在海上发展。已有的研究指出，爆发性气旋的发展与大尺度的大气条件有关，

爆发性气旋的发展在时间和空间上有密集性。这些大气条件大都与高空槽密切相关，

春季高空槽最为频繁，因此爆发性气旋的活动也相对频繁；我国近海的高空槽随季

节的变化也会发生位置的变化，包括东亚大槽的变化很大程度上影响了近海爆发性

气旋的发展。

发展强盛的温带气旋是海上灾害性天气系统之一，其破坏力不亚于台风，所以各个

国家的预报部门都非常重视海上温带气旋的预报与研究。长期以来，国家海洋环境

预报中心对入海温带气旋非常重视，建立了近海气旋数据库，也发表了一些相关的

研究论文。但是，由于以往的研究都是采用人工统计的方法，主要是从天气图上摘

录气旋信息，需要耗费大量的人力，同时有些信息也很难直接从天气图上获得，给

深入研究带来不便。

本文利用国际上认可的气旋自动识别方案对进入中国近海的温带气旋进行了追踪，

统计出了这些气旋季节分布、源地、强度、生命史特征，对季节、年际变化特征进

行了分析，同时对爆发性气旋的个数以及源地进行了统计，有利于我们对中国近海

灾害性天气系统的把握。自动识别气旋方案计算的结果有时会与人工统计在数量和

生成时间方面有所差别，但本文前期进行的对比工作表明，通过限定筛选条件，例

如，本文限定了持续时间大于1 d，移动距离超过500 k m，来滤掉弱的扰动和热

低压系统，自动识别的方法可以很好地提取到气旋信息，大大节约了人工成本，为

我们深入的开展气旋研究提供了便利。

本文对我国近海温带气旋的统计结果为平均每年45个，这个数字比秦臻灏等［14］

统计的中国近海的温带气旋结果偏少，主要原因：（1）区域不同，本文的区域划

定与国家海洋环境预报中心近海业务预报的区域一致，秦臻灏等设定的区域是

130°E以西所有海域，区域划定比本文划定的大；（2）后者采用的主观分析天气

图的方法，本文采用客观算法识别，主观判定条件与客观算法之间有所差异。但是，

统计结果在气旋生成主要源地、季节分布、变化趋势等是基本一致的。

近海的温带气旋生成源地以及温带气旋路径同时受到地理位置和季节变化的影响。

我国大陆沿岸是气旋的主要生成地，因为海陆交界处高空槽发展加强，这种趋势更

加利于地面气旋于槽前发展；另一方面，气旋的动力来源主要为斜压不稳定，由于

季节变化造成的南方主要锋带的位置变化也会造成气旋源地季节的变化。自20世

纪90年代初至今，影响我国近海的温带气旋出现北移的趋势，统计显示近海气旋

总体增加，但东部海区减少，而北部海区气旋数量自1991年以后缓慢地增加，

2011-2012年达到显著水平。这与张颖娴等［21］的北半球温带气旋在不断地向

高纬度偏移的结论具有一致性。

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