2001—2017年北极秋季低云变化及其可能原因*

刘 雪， 刁一娜， 孙瑞鹏

(中国海洋大学海洋与大气学院， 山东 青岛 266100)

全球变暖在北极呈现放大效应[1-2]。北极的增暖导致北极海冰在1980年以后持续减少，2000年以来更是呈现加速减少的趋势[3-6]。北极云通过调节辐射和湍流热交换在海冰的生消过程中起了关键作用[7-8]。除了夏季的短暂几周，在一年大部分时间内，北极云都通过长波辐射效应加热地面[9-10]。在北极，大约70%的云底高度在2 000 m以下，云底高度频率的最大值在200 m以下，云顶高度频率的最大值在对流层低层600～1 200 m处[11]。北极的低云全年盛行，尤其是初秋由于表面蒸发增加和海冰减少而导致低云的强烈增加[12]。北极以低云为主，且终年都存在液态水，在云的辐射强迫中占主导地位[13]。因此，本文将主要围绕低云的变化展开讨论。

在秋季，北极海冰融化到最小范围并重新冻结，太阳高度角降低，短波辐射作用减弱，云的长波辐射作用开始占主导。由于秋季云在辐射反馈和海冰变化中的重要作用，前人已对北极秋季云的变化开展一些研究。对北极秋季云变化的研究主要基于站点观测和卫星反演数据，但由于卫星反演算法的差异和站点数据的缺乏，人们对秋季云的认识还存在很多不确定性。Eastman和Warren[14]综合了各类地面观测，分析了整个北极陆地(1971—2007年)和海洋(1954—2007年)云的长期变化，指出秋季云量在陆地上有增加的趋势，而海洋上有减少的趋势。但APP-x和TOVS Path-P卫星数据却显示秋季云有增加的趋势[15]，这与地面观测的长期趋势并不一致。Wu 和Lee[16]利用了MISR和CALIOP两种数据进行对比，发现在2000—2010年间北极低云显著增加，与Eastman和Warren[15]的结论相一致。而Philipp等[17]分析了1979—2015年的卫星数据，发现海冰减少区域低云有增加的趋势。关于秋季北极云的变化原因，Kay和Gettelman[18]认为，由于近地静态稳定性降低、气-海温度梯度减少以及水汽的湍流垂直输送增加使得2006—2008年间秋季的低云量增加。Eastman 和Warren[14]指出，北极涛动(Arctic oscillation， AO)的正相位的可增加向北极的水汽输送，与AO有关的表面风异常导致的海冰分布的变化也可能影响秋季云量。北极海冰状况通过影响海洋对大气的加热影响云的高度。在无冰海面上，海洋热通量会通过感热和潜热通量等直接进入大气[19]。由于地表加热，对流过程相对较多，行星边界层加深，因此无冰海面上云的高度更高[20]。而在有冰海面上，海冰大大地抑制了海洋向大气的热量传输，较强的静态稳定性更有利于将云保持在较低水平[19-20]。

人们对温带气旋所对应的云分布已有比较全面的认识[21]。在中纬度，由于其伴随强上升运动，气旋被认为是形成中高云的重要天气过程。在北半球，随着中纬度气旋发展到成熟，暖锋云量和降水增加[22]，温带气旋大部分区域的云量在0.7以上，低气压中心和沿暖锋区的云量最高可达0.9以上[23]。由于中纬度入极气旋增加等原因[24-25]，20世纪中期以后北极气旋呈增加的趋势。北极气旋的生成区域和路径有明显的分布特征和季节变化。北极气旋在夏季气旋多形成于欧亚大陆，而秋冬季气旋主要表现为北大西洋北部向格陵兰和巴伦支海的移动[26]。北极云以低云为主，但相比于对温带气旋云分布的熟知，人们对北极气旋对北极云的影响并不是很清楚，尤其是对低云。Naud 等[24]认为，气旋云量在开阔的海洋上较为稳定，而在海冰或陆地上移动时不确定。Curry 等[27]指出，北冰洋中高云的形成与气旋活动有关。Liu 等[28]的研究表明，挪威-巴伦支-喀拉海地区冬季云量的减弱与该地区气旋活动的减少有关。

相比于对北极春夏云的研究，人们对秋季云的研究并不充分。同时，已有的关于北极云的研究多关注北极海冰变化对云的影响，着眼于海冰变化所导致的大气边界层结构的变化、大气水汽含量和温度变化等对云的影响[29-31]。然而随着北极气旋活动的增加，气旋成为影响北极云量和云分布重要因素，但有关气旋对云影响的研究仍缺乏。在中纬度，气旋常被认为是成云系统，而在北极气旋活动的变化会引起秋季低云的减少，而且气旋与低云的关系比较复杂，其相关性会随海冰条件而变化。因此，本研究将从大气温湿变化趋势背景和气旋活动两方面分析海冰发生急剧变化的2001年以来北极秋季云变化的可能原因。我们的研究将为进一步认识北极秋季云的变化提供新的视角。

1 数据和方法

1.1 数据

本文使用云量数据反映云分布特征。云量数据是量值在0～1的无量纲数，它表征的是云在给定空间的占比。本文所使用的云量数据来自卫星数据和再分析数据，分别是CERES_SYN1deg- Ed4A[32]、CALIPSO-GOCCP[33]和ERA-interim再分析数据中的云量数据。以上云量数据都是格点化数据，某一给定高度的格点云量是指给定网格内云的面积占比。

CERES是NASA安装在近极地轨道卫星Terra和Aqua上的卫星传感器，本文所使用的CERES-SYN1deg-Ed4A产品数据由MODIS观测数据反演而来。CERES的低云指的是700 hPa以下的云，低云量(Cloud Area Fraction-Low Clouds)为2001—2017年秋季的逐日数据，水平分辨率为1(°)×1(°)(https://ceres-tool.larc.nasa.gov/ord-tool/jsp/SYN1degEd41Selection.jsp)。CALIPSO-GOCCP数据集的时间长度为2006—2017年，虽然数据集较短，但具有很高的垂直分辨率。本文使用CALIPSO-GOCCP在2006—2017年秋季的逐日云量(Cloud Fraction)数据，数据的水平分辨率为1(°)×1(°)，垂直分辨率为480 m。(ftp://ftp.climserv.ipsl.polytechnique.fr/cfmip/CALIPSO-GOCCP_v3/3D_CloudFraction/grid_1x1xL40/)。

本文还使用了ERA-interim再分析数据中的低云量(Low Cloud Cover)和分层云量(Fraction of Cloud Cover)数据。其中低云量指的是0.8倍表面气压等压面层以下的所有模式等压面层上的云量。分层云量使用的是垂直方向上1 000—100 hPa共27层的逐层云量。本文所使用的大气垂直速度、大气温度和相对湿度数据也来自ERA-interim再分析数据，垂直方向上取1 000—100 hPa共27层的逐层数据。另外，海平面气压值也来自ERA-interim数据。本文所使用的ERA-interim数据的水平分辨率均为1(°)×1(°)，时间分辨率均为6 h，本研究使用的是各变量在2001—2017年秋季的日平均值。(https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily)。

1.2 方法

本文参照Hart[34]的方案设计气旋的客观识别算法[35]，基于此识别算法获取气旋路径、强度等信息。根据客观识别的气旋路径，本文进一步得到了基于格点的气旋频数分布：当气旋中心经过一个格点，该格点周围5(°)×5(°)经/纬度范围内所有格点上气旋频数累加1。因为温带气旋的典型半径约为500 km[36]，在本文研究的巴伦支喀拉海和东西伯利亚海的纬度范围内5°经度×5°纬度约为200 km×500 km。如果气旋中心在此范围内，那么此范围内所有的格点都可视为受气旋影响，因此所有格点上累加一个气旋日。本研究还定义了某一特定区域的气旋日为该日该区域范围内气旋频数n≥1；而该区域的非气旋日为该期该区域内上文所述的气旋频数n=0。

本文使用SOM(Self-Organizing Map)方法和层次聚类方法[37-38]对巴伦支-喀拉海(BKS, 68°N—77°N, 28°E—70°E)和东西伯利亚海(ES, 70°N—80°N， 140°E—171°W)区域2001—2017年秋季所有气旋日区域纬向平均的云分布的经向垂直剖面进行图像识别和聚类分析。本文首先分别对2001—2017年秋季所有巴伦支-喀拉海1 114个气旋日和东西伯利亚海825个气旋日的云分布垂直剖面使用SOM方法得到所有气旋日云剖面的神经元优胜向量，然后对SOM神经元向量进行层次聚类得到气旋日云分布的几类典型特征。SOM分析是一种有效提取典型图像的非线性方法。SOM通过竞争学习和神经网络自组织将原始数据样本在保持拓扑不变性的条件下转换成一个通常是二维的神经元向量。基于该神经元向量，可以进一步把样本聚类成几类。聚类结果满足同一类样本之间尽可能达到最大程度的相似，而使不同类间的样本保持最大程度的不同。SOM得到的典型特征具有连续性和完备性并能反应不同类别之间的转换关系[39]。因此通过SOM聚类给出的能够体现气旋日云分布的全面典型特征，并能反应所有气旋日云分布因气旋风场的转变和随之转变的特征。并且不同于EOF方法等线性分解，SOM使用的是非线性聚类方法，因此所得到的气旋日云的典型分布更接近真实的分布特征。

聚类效果的好坏通常用聚类的有效性指标来评价。由于聚类分析基本上与分布理论无关，一般不从样本推断总体，因此一般都涉及不到有关统计量的分布,也不需要进行显著性检验[40]。目前检验聚类的有效性指标主要是通过类间距离和类内距离来衡量，常用的有CH指标(Calinski-Harabaz Index)等。CH指标通过计算类中各点与类中心的距离平方和来度量类内的紧密度，通过计算各类中心点与数据集中心点距离平方和来度量数据集的分离度，并由分离度与紧密度的比值得到。因此CH越大代表着类自身越紧密，类与类之间越分散，即最优的聚类结果。本文中的聚类结果，是利用CH有效性指标得出的最优聚类。

CH指标定义为：

(1)

式中：tr(B)表示类间离差矩阵的迹；tr(W)表示类内距离差矩阵的迹。

(2)

(3)

式中：z是整个数据集的均值；zj是第j个簇的均值；N代表聚类个数；K代表当前的类。

本文还采用了经验正交函数分析法(EOF)、线性回归、趋势分析和合成分析等方法对大气温度、湿度要素，气旋和云的时空分布特征和相关关系等进行分析。

2 北极秋季云变化及低云减少的可能原因

2.1 大气温、湿背景变化对纬向平均云的影响

图1给出了基于2001—2017年ERA-Interim再分析数据的纬向平均云量趋势，结果显示，在60°N—70°N纬度带云变化没有明显的趋势。在70°N—80°N纬度带，秋季950 hPa(500 m)以下云显著减少，但950 hPa(500 m)以上到500 hPa云显著增加。这意味着在该纬度带，北极秋季云存在离地抬升的趋势。而在80°N—90°N纬度带——北冰洋区域，从地面附近到对流层中上层秋季云存在一致减少的趋势，其中以850 hPa附近云的减少最显著。

(黑色×表示通过95%显著性水平,数据来自ERA-interim reanalysis。The black × denotes trend above 95% confidence level. Data is from the ERA-Interim Reanalysis.)

纬向平均的2001—2017年秋季气温变化趋势随纬度和高度的分布(见图1(b))显示，秋季北极增暖显著。65°N以北区域从近地面到对流层高层(1 000～3 00 hPa)大气一致增暖，但增暖的趋势在800 hPa以下最显著，越接近地面增暖幅度越大，并且越接近北极点大气增暖越明显，大气显著增暖的厚度越大。很多研究显示，北极大气在增暖的同时水汽含量也在增加[41]。然而与云变化相关的是大气相对湿度，因为相对湿度大小反映的是空气中水汽的饱和程度，也就是水汽接近凝结成云的程度。相对湿度随水汽压和气温的变化而变化，两者的作用相反：水汽压增加有利于相对湿度升高，而气温升高使得相对湿度降低。这意味着虽然海冰加剧融化导致北极大气水汽含量在不断增加，但由于大气增暖，相对湿度并不一定增加。图1(c)显示，在60°N—70°N，对流层中、高层大气相对湿度存在降低的趋势，其中500～300 hPa更显著。70°N—80°N，大气相对湿度在近地面和对流层中、高层存在降低的趋势。在80°N以北，整层大气的相对湿度一致降低，且在地面附近和700～400 hPa显著减少。对比图1(b)和(c)，可以发现相对湿度的降低和大气的增温有较好的一致性。进一步对比图1(a)和(c)可知，云变化的趋势和相对湿度变化的趋势在80°N接近一致，在70°N—80°N纬度带相对湿度减少的趋势很弱，但云减少的趋势显著。基于上述分析可以发现，北极增暖可能导致北极中央区从低空到高空云的减少，以及北极大多数区域中-低云和中-高云的减少。但在北极边缘海分布的纬度地区——70°N—80°N，大气温湿背景变化趋势不能解释此纬度地区低云的显著减少。因此，我们进一步从气旋影响的角度，探讨此典型纬度区域低云变化的可能原因。

2.2 气旋对云分布变化的影响

2.2.1 低云变化的水平分布特征及其与气旋的相关关系 由于北极常年以低云占主导，并且在秋季低云是导致北极大气低层增温的云辐射强迫(Cloud radiation forcing)的主要因素，因此我们进一步对北极秋季低云变化的地理分布和年际变化特征进行分析。CERES卫星秋季低云量和CALIPOS-GOCCP中间高度(1 680 m)云量的经验正交分解(EOF)结果显示，CERES卫星低云量EOF第一模态(解释35.7%方差)和CALIPOS-GOCCP中间高度(1 680 m)云量第一模态(解释20.5%方差)一致显示，北极存在海上低云减少的趋势。其中北冰洋、波弗特海和东西伯利亚海北部、以及格林兰海秋季低云减少的趋势最显著(见图2(a),(c))。然而在北大西洋-北极通道——挪威海、巴伦支-

(黑色虚线(b),(d)为时间序列趋势线。线性趋势通过95%显著性水平。The black dashed lines in (b) and (d) are the linear trends, which are above the 95% confidence level.)

喀拉海以及在北太平洋-北极通道——楚克奇海，低云减少的趋势并不显著，这表明北极低云的减少在有冰海面更为显著。两套卫星数据均显示本世纪来北极低云的年际变化在2010、2011年发生位相转换。在此前海上低云偏于正异常而陆上偏于负异常，此后北极海上低云明显偏少但陆上偏多(见图2(b),(d))。

随着气旋活动更加频繁，在季节内尺度上，瞬变气旋将是影响云分布的重要因素。为分析云与北极气旋活动的关系，本文把2001—2017年秋季气旋频率空间分布回归到CERES低云EOF第一模态时间序列上(见图3)。结果显示，在北极中央区、东西伯利亚海(ES)和格林兰海气旋的增加伴随着低云的显著减少。而在北大西洋-北冰洋通道上——挪威海和巴伦支-卡拉海(BKS)，北太平洋-北极通道上——楚克其海，以及北美大陆北部和欧洲北部气旋频率与低云变化第一模态呈负相关，其中以巴伦支-喀拉海最显著，这说明在上述区域气旋频率的增加伴随低云的增加。在海上，气旋-低云变化模态的正/负相关区正好对应秋季有冰/无冰海面，因此我们以东西伯利亚海(ES, 70°N—80°N, 140°E—171°W)代表有冰海面，以巴伦支-卡拉海(BKS, 68°N—77°N, 28°E—70°E)代表无冰海面。以这两个海区为例进一步分析在有无海冰条件下气旋与云的关联。

(黑点表示95%显著性水平。黑实线内区域为本文选定的巴伦支喀拉海(BKS)区和东西伯利亚海(ES)区。Black dots denote the statistical significance above 95% confidence levels. The regions within the black solid line are the Barents Kara Sea (BKS) and East Siberian Sea (ES) regions selected in this paper. )

2.2.2 气旋垂直运动对云垂直分布的影响 EOF分析和线性回归分析表明，低云的主导模态与气旋变化显著相关，且两者的相关关系在有冰和无冰海面相反。然而低云的EOF主导模态只解释了低云年际变率的主要部分方差，而且主要表现为趋势特征。同时，EOF模态空间权重在BKS区很小，说明该模态的时间序列所反映的变率并不能很好的解释BKS区低云的变化。为进一步验证气旋是否对云分布存在影响，两者的关系在不同海冰覆盖状况是否存在差异，本文对BKS海区和ES海区所有气旋日云量的垂直分布进行SOM聚类分析，并对相应的气旋日垂直速度进行合成。

在讨论气旋对云变化的影响前，本文首先分析没有气旋活动时在有冰的ES区和无冰的BKS区云的垂直分布特征。基于ERA-Interim再分析数据在不同高度上的云量，本文合成了2001—2017年所有非气旋日ES和BKS区域纬向平均的云量经向垂直剖面(见图4)。结果显示，在没有气旋影响的条件下，两个区域的云主要分布在700 hPa以下。这说明没有气旋活动时，北极秋季云以低云占主导。并且在该两个海区，纬度越高云越多。然而有冰和无冰海面云分布存在明显的差异。首先，低云在有冰的ES海面比无冰的BKS海面多；BKS区云量最大值约在35%～45%，而在ES区，最大云量在45%以上。其次，有冰和无冰海面云高度存在显著差异；BKS区低云极大值在950 hPa(约500 m)以上，而在ES区云量极大值在950 hPa以下。最后，在BKS区有更多的中高云，大部分区域中高云云量在15%～25%；而在ES区大部分区域云中高云较少，云量在15%以下。

根据本文对气旋日的定义和所选定的巴伦支喀拉海和东西伯利亚海的范围，气旋日意味着研究区域在气旋流场影响范围内，但区域内的气旋环流可以是完整气旋环流的一部分或全部。所以研究区域内不同气旋日的气旋流场既可以是气旋部分外围流场的特征，也可以是气旋中心附近的流场特征。本文在两个海区所选取的气旋日样本分别为1 114和825个，这是能包含气旋环流全面特征的足够大的样本，因此基于这些气旋日的聚类，分析能反映气旋环流影响云分布的全面特征。根据已知的温带气旋的环流特点，给定区域内可以是气旋上升运动占主导，也可以是下沉运动占主导或者是气旋锋面区域所对应的上升运动和下沉运动并存。通过对气旋日云分布特征的聚类，我们将首先得到在给定区域内气旋影响下的云分布特征。基于不同云分布特征的聚类，我们可以进一步合成该类云分布对应的大气垂直速度场。上述聚类和合成分析的结果将揭示气旋垂直运动的不同部分对云分布的影响。

SOM和层次聚类所揭示的气旋垂直运动与云分布的关系(见图5，6)首先反映了无冰的BKS区和有冰的ES区气旋垂直运动对云分布影响的一些共同特征。气旋的上升运动伴随云量正异常(云增加)，下沉运动伴随云量负异常(云减少)。上升运动的极大值分别位于850 hPa附近和500 hPa，但下沉运动的极大值主要位于500 hPa附近。气旋日云增加最显著的区域位于两个上升运动极大值附近和极大值上方，分别对应于低云和中高云的增加。气旋日云减少显著的区域位于500 hPa以上和700 hPa以下，分别对应高云和低云的减少。对于大部分气旋日，近地面的云是减少的，这是因为气旋影响下边界层湍流发展，原有的边界层逆温状态被破坏，因此近地面云抬升。除了以上云和气旋垂直运动间对应关系的这些普遍特征，SOM聚类还反映了有冰的ES区和无冰的BKS区云和气旋关系的差异，以及同一个区不同的垂直运动分布对云分布的不同影响。

(黑色×表示通过95%显著性水平。数据来自ERA-Interim reanalysis。The black × denotes trend above 95% confidence level. Data is from the ERA-Interim Reanalysis.)

在BKS区，SOM聚类显示的气旋日大气垂直运动分布可大致分为三大类：锋面附近的北侧下沉南侧上升(SOM1)、下沉运动占主导(SOM2、SOM3、SOM10)和上升运动占主导(SOM4-SOM9、SOM11)。在SOM1显示的锋面区附近，上升运动主要位于500 hPa以下，对应中低云和975 hPa以上低云的增加，下沉运动导致的主要是500 hPa以上高云的显著减少，地面附近云少量减少。SOM2和SOM3显示整个BKS区下沉运动占主导，仅在南侧存在狭窄的上升运动。与强下沉运动对应的是云从高空到地面的一致减少，但以中、高云减少为主。SOM4-SOM9展示的是BKS全域上升运动占主导的垂直速度分布，其中占比最多的SOM4和SOM5显示上升运动极大值在850 hPa以下，此类上升运动伴随低云和中低云的增加。SOM6中的上升运动在所有聚类中最强且存在低空和高空两个极大值，其中高空500 hPa附近上升运动更强。这一类强上升运动伴随云从950～300 hPa一致增加，但800 hPa以上低云增加更显著。SOM7-SOM9上升运动极大值在高空500 hPa附近，这几类对应中云和高云增加为主。与其他大多数上升运动占主导的类型伴随近地面云减少不同，SOM8和SOM9显示上升运动占主导条件下也可以存在近地面云增加的现象，但占比很小。另外有两类占比更小的SOM类别，SOM10显示上升运动从地面延伸到800 hPa附近，但800 hPa以上下沉运动占主导，这一类对应950 hPa以下/以上云减少/云增加。SOM11显示下沉运动和上升运动纬度范围都较小且南北间错分布，这一类伴随近地面云减少，900 hPa以上云增加。上述对SOM聚类显示的云分布和气旋垂直运动的对应关系的分析揭示在BKS区气旋伴随较强的垂直运动和锋面特征。对大多数气旋日下沉运动导致的云减少从高空开始，下沉运动越强，低空云减少越显著。上升运动对应的云增加，但云增长的分布与上升运动发展的高度和强度有关，大部分上升运动低空强高空弱并伴随低云的增加。虽然上升和下沉运动的发展均导致近地面云的减少，但由于BKS区域非气旋日近地面的云较少(见图4(a))，所以气旋对低云的削弱作用不显著(见图5)。图7(a)进一步给出了BKS区每一个聚类所有气旋日总低云相对于非气旋日的平均异常。由图7(a)可知，61.6%气旋日低云增加。因此，在BKS区气旋主要导致低云的增加。

(云量异常值为给定气旋日云量值减所有非气旋日平均的云量。图中黑色等值线为每一聚类内所有气旋日平均的垂直速度。图上括号中为每一聚类所包含的气旋日样本占总气旋日的百分比。Fraction of cloud cover anomaly is the difference between the fraction of cloud cover on each cyclone day and the value averaging over all the no-cyclone days. The vertical velocities (black contours) averaging over all the cyclone days in each cluster is also superposed on each map. The number at the top of each map is the percentage of the cyclone days in each SOM cluster.)

与BKS区类似，在ES区，气旋日同样存在上升、下沉运动以及两者共存的锋面区。但是与无冰的BKS区相比，在海冰覆盖的ES区，气旋下沉运动主要导致低云和近地面云的减少(SOM1、SOM2)。SOM2和SOM3显示南侧高空下沉北侧低空上升的锋面特征。但与BKS的锋面垂直运动相比ES区锋面区上升和下沉运动都较弱，并且上升速度极大值主要在850 hPa附近，因此主要伴随700 hPa以下低云的增加。SOM2高空下沉运动强低空上升运动弱，伴随近地面云减少。而SOM3高空下沉运动弱低层上升运动强，伴随近地面云增加。由此可知，在ES区气旋锋面区环流是否伴随近地面云的减少主要取决于下沉运动的强度。SOM4-SOM8显示上升运动主导，伴随低空到高空云的普遍增加，并且云增加的高度取决于上升运动发展的高度。在上升运动主导区近地面云都是减少的，并且上升运动发展越高，近地面云减少越显著。由于在ES区非气旋日云分布极大值在950 hPa以下(见图4(b))，所以气旋影响下低云的减少更显著。计算每一聚类气旋日平均总低云相对于非气旋日的异常，结果显示77.2%的气旋日ES区域低云减少(见图7(b))。因此在ES区，气旋活动主要导致低云减少。

(云量异常值为给定气旋日云量值减所有非气旋日平均的云量。图中黑色等值线为每一聚类内所有气旋日平均的垂直速度。图上括号中为每一聚类所包含的气旋日样本占总气旋日的百分比。Fraction of Cloud Cover anomaly is the difference between the craction of cloud cover on each cyclone day and the value averaging over all the no-cyclone days. The vertical velocities (black contours) averaging over all the cyclone days in each cluster is also superposed on each map. The number at the top of each map is the percentage of the cyclone days in each SOM cluster.)

图7 (a)巴伦支喀拉海(BKS)区和(b)东西伯利亚海(ES)区气旋日每一个SOM聚类平均低云云量相对于非气旋日平均云量的异常值(彩色色块)以及每一聚类所占百分比Fig.7 Sector diagrams of the fraction of cloud cover anomalies (colors) averaging over all the cyclone days in each SOM cluster over the Barents Kara Sea (BKS) (a) and the East Siberian Sea (ES) (b) respectively

3 结论与讨论

在70°N—80°N纬度带，秋季950 hPa(500 m)以下云显著减少，但950 hPa(500 m)以上到500 hPa云增加。在80°N—90°N纬度带——北冰洋区域，从地面附近到对流层中上层秋季云存在一致减少的趋势。进一步对低云的时空变化进行分析表明，低云减少的趋势主要发生在北冰洋、波弗特海和东西伯利亚海北部以及格林兰海。两大洋-北极通道上的海区低云减少不显著，并且欧亚大陆北部低云呈弱的增加趋势。

云减少的趋势和相对湿度变小的趋势在80°N以北接近一致，而相对湿度在70°N —80°N近地面和80°N以北整层大气的变小对应大气温度在上述区域的显著升高。但温度变化和相对湿度的变化并不完全一致，因为相对湿度不仅决定于气温还决定于大气水汽含量的大小。因此北极大气增暖可解释一部分北极云减少的趋势，其中在80°N以北的北极中央区气温升高-相对湿度变小-云减少的关系最为显著。但在北极边缘海所在的70°N —80°N纬度带，背景大气要素变化的趋势不足以解释该区域云的变化。而随着气旋在北极活动频率的增加，气旋对云分布的影响变得重要。本文的统计分析表明，气旋和低云变化统计相关在有冰的ES区域为显著的负相关，但在无冰的BKS区两者的统计相关不显著。本文进一步对所有气旋日大气垂直运动和云垂直分布的SOM聚类分析从气旋垂直运动角度给出了气旋影响云垂直分布的一个解释，从而部分解释了气旋与低云在有冰和无冰海面不同的相关关系。

本文通过对2001—2017年秋季BKS区和ES区所有气旋日云分布和大气垂直云动的SOM聚类分析得到以下结论。总的来说大部分气旋日上升运动对应950 hPa(500 m)以上/以下的云增加/减少。上升运动的极大值在850和500 hPa附近，分别对应低云和中高云的显著增加。下沉运动的极大值中心在500 hPa附近，对应其上方和下方云减少。在BKS区气旋伴随较强的垂直运动和锋面特征，对大多数气旋日下沉运动越强低空云减少越显著。上升运动导致的云增长的分布与上升运动发展的高度和强度有关，大部分上升运动低空强高空弱并伴随低云的增加。近地面云在上升和下沉运动中均减少，但由于BKS区域非气旋日近地面的云较少，所以气旋对低云的削弱作用不显著。计算每一聚类气旋日平均总低云相对于非气旋日的异常，在61.6%的气旋日BKS区域的低云增加(见图7(a))。ES区锋面垂直运动比BKS区弱，主要伴随700 hPa以下低云的增加。上升运动主导的气旋日近地面云都是减少的，虽然低空到高空的云增加，但云增加的高度取决于上升运动发展的高度，并且由于ES区域非气旋日云分布极大值在950 hPa以下(见图4(b))，所以气旋影响下低云的减少更显著。在77.2%的气旋日ES区域低云减少(见图7(b))。本文以ES区代表有冰海区，研究了气旋对有冰边缘海的云的影响。但从回归分析的结果(见图3)来看，气旋与云在北极中央区的关系与ES区相同。因此在北极中央区，气旋对云的影响可能同样重要。

北极云的形成和演化取决于许多因素，包括大规模的大气环流、边界层结构、表面特征以及微物理过程等, 其变化非常复杂。本文通过SOM聚类从气旋的垂直运动角度解释了云的变化。由于锋面气旋中暖空气沿暖锋面滑升,冷空气在冷锋面下沉，因此气旋可以同时引起上升和下沉运动[42]。而反气旋引起的垂直风特征与气旋不同。由于高压区(反气旋)是气流辐散区[43]，以下沉运动为主，不利于云的形成。气旋在北极地区的水分输送中有重要作用，因此气旋除了可以引起垂直运动变化而对云产生影响外，还可能通过影响进入北极的水汽含量来影响云的形成。本文的研究显示秋季气旋对云分布存在显著的影响，同时背景大气的变化为云垂直分布的变化提供了部分可能的解释。