近30年西北太平洋熱帶氣旋的時(shí)空變化及與海洋上層熱狀態(tài)的關(guān)系

陳志偉, 康建成, 顧成林, 2, 湯 明, 3

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近30年西北太平洋熱帶氣旋的時(shí)空變化及與海洋上層熱狀態(tài)的關(guān)系

陳志偉1, 康建成1, 顧成林1, 2, 湯 明1, 3

(1. 上海師范大學(xué) 城市生態(tài)與環(huán)境研究中心, 上海 200234; 2. 佳木斯大學(xué) 理學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)系, 黑龍江 佳木斯 154007; 3. 九江學(xué)院 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心, 江西 九江 332000)

使用1982—2014年美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)最優(yōu)插值(1/4)°逐日海溫分析資料、美國國家海洋數(shù)據(jù)中心(National Oceanographic Data Center, NODC)提供的海洋上層700 m熱含量數(shù)據(jù)和美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(Joint Typhoon Warning Center, JTWC)的熱帶氣旋(tropical cyclone, TC)最佳路徑資料, 分析西北太平洋地區(qū)(0°~30°N, 105°~155°E)TC活動(dòng)的時(shí)空分布特征, 探討TC與海洋上層熱狀態(tài)之間的關(guān)系。結(jié)果表明: TC頻數(shù)具有顯著的年代際變化特征: 1982—1992年和2003—2014年皆為低頻期, 而1993—2002年則為高頻期, 33年來TC發(fā)生頻數(shù)表現(xiàn)為緩慢增加—快速增加—減少的特征。最近15年(2000—2014年), TC數(shù)量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。在西北太平洋, TC有3個(gè)明顯的源地, 分別為源地1(10°~22°N、110°~120°E); 源地2(8°~20°N、125°~145°E); 和源地3(5°~20°N、145°~155°E)。源地1、源地2的頻數(shù)呈上升趨勢(shì), 而源地3呈下降趨勢(shì)。海洋上層熱狀態(tài)的變化給TC帶來的影響是多方面的, TC頻數(shù)對(duì)上層熱含量(heat content)的響應(yīng)較明顯, 而海表面溫度(sea surface temperature, SST)不是影響TC數(shù)量變化的主要因素。伴隨著海洋上層的增暖, TC的年持續(xù)時(shí)間有減少趨勢(shì), TC強(qiáng)度正在增強(qiáng)。在全球變暖背景下, TC活動(dòng)給西北太平洋沿岸國家?guī)淼臐撛谕{極有可能加劇。

西北太平洋; 南海; 熱帶氣旋; 海洋上層熱狀態(tài); 氣候變化

百年以來, 全球變暖。過去40年, 海洋上層在增溫[1]。隨著全球變暖, 作為海氣相互作用產(chǎn)物的熱帶氣旋活動(dòng)的變化趨勢(shì)(頻數(shù)、源地、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間), 是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)和減災(zāi)、防災(zāi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。前人通過理論模型分析認(rèn)為, 熱帶氣旋(tropical cyclone, TC)強(qiáng)度與海表面溫度(sea surface temperature, SST)之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系, 由此推斷隨著氣候變暖、SST升高, TC的強(qiáng)度將明顯增強(qiáng)[2-4]。Gray[5]等認(rèn)為TC活動(dòng)與SST有著密切的聯(lián)系, 熱帶氣旋形成的基本溫度應(yīng)該是SST大于26℃; Elsner和Kocher[6]認(rèn)為1970—2004年熱帶海洋SST增加接近0.5℃, 這樣的條件有利用TC形成發(fā)展。1960—2003年, 在SST 上升的區(qū)域, TC活動(dòng)(頻數(shù)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的比例, 強(qiáng)度等)有加強(qiáng)的趨勢(shì)[7]。Elsner等[8]發(fā)現(xiàn)在SST繼續(xù)升高的情況下在北大西洋、北印度洋超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)將會(huì)變的更強(qiáng)。Emanuel[9]認(rèn)為從70年代開始, 西北太平洋、北大西洋TC生命周期與強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)。

然而, 進(jìn)一步的研究提出, 在全球變暖的背景下, TC的頻數(shù)有減少的可能, 盡管個(gè)別區(qū)域強(qiáng)度有所增加[10]。TC的活動(dòng)與海洋熱力變化存在一定的聯(lián)系, 但就年代際變化而言, 海溫變化對(duì)TC的影響并不是主要的引導(dǎo)因素[11]。也有模式預(yù)測(cè), 隨著全球持續(xù)增暖, TC在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻次可能減少或基本保持不變。但是, 目前模式預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度很低[1]。

可以確定的是, 自1970年以來, 大西洋強(qiáng)熱帶氣旋活動(dòng)正在加強(qiáng)[1]。

影響中國的熱帶氣旋發(fā)生在西北太平洋, 西北太平洋是全球TC最集中的區(qū)域之一[12], 在此海域年平均生成的TC個(gè)數(shù)為30個(gè)左右, 約占全球熱帶洋面上TC年生成總數(shù)的1/3[13-14]。但是, 隨著全球增暖, 在西北太平洋TC的活動(dòng)將如何變化, 目前尚無定論[1]。

本研究使用1982—2014年NOAA最優(yōu)插值(1/4)°逐日海溫分析資料和美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心的TC最佳路徑資料, 分析西北太平洋TC的時(shí)空變化特征, 探討TC與海洋上層熱狀態(tài)變化之間的關(guān)系。

本文選取的研究區(qū)域?yàn)槲鞅碧窖?0°~30°N、105°~155°E)海域, 是影響中國的強(qiáng)熱帶氣旋——臺(tái)風(fēng)的主要活動(dòng)區(qū)域[8]。

1 數(shù)據(jù)資料

TC數(shù)據(jù)來源于美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心, 1982— 2014年最佳路徑資料, 主要包括每隔6 h TC中心的空間位置、中心氣壓、最大風(fēng)速等(http: //weather. unisys.com/hurricane/)。

SST數(shù)據(jù)來源于NOAA最優(yōu)插值(1/4)°逐日海溫分析資料V2.0, 時(shí)間范圍為1982年1月—2014年12月, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 主要包括SST、SST距平等數(shù)據(jù)(ftp: //eclipse.ncdc.noaa.gov/pub/OI- daily-v2/netcdf-uncompress)。

海洋上層700 m熱含量數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋數(shù)據(jù)中心, 資料長度為1982—2014年, 時(shí)間分辨率為年, 空間分辨率為1°×1°(https: //www.nodc.noaa. gov/OC5/3M_HEAT_CONTENT/)。

2 西北太平洋TC活動(dòng)的時(shí)空分布特征

西北太平洋是世界上形成TC最多的海域, 也是全年都有TC發(fā)生的海域。為了探討在全球變暖的背景下西北太平洋TC活動(dòng)是怎樣變化的, 本研究統(tǒng)計(jì)了1982—2014年各月發(fā)生的TC頻數(shù)及其源地位置, 以便分析這33年中西北太平洋TC的時(shí)空分布特征。

2.1 TC活動(dòng)的季節(jié)分布特征

2.1.1 TC多年平均的季節(jié)變化

關(guān)于西北太平洋TC活動(dòng)的季節(jié)分布, 前人的研究指出TC全年集中發(fā)生在7—10月間, 8月發(fā)生的頻率達(dá)到最大, 2月最少[15-17]。

由1982—2014年間TC逐月分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(圖1), TC在全年都有發(fā)生, 1—4月TC發(fā)生次數(shù)少, 5月頻數(shù)逐漸增多; 6—10月為TC發(fā)生的高頻時(shí)段, 占全年TC發(fā)生總數(shù)的80.1%; 11、12月TC發(fā)生的頻數(shù)偏少。

從33年的年際變化來看(圖2), 1—4月無明顯的變化趨勢(shì); 5月TC發(fā)生頻數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢(shì); 6—10月發(fā)生的TC頻數(shù)均表現(xiàn)出下降趨勢(shì); 11、12月TC頻數(shù)呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)。綜合起來, 33年來, 夏季發(fā)生TC的頻數(shù)有下降的趨勢(shì), 春末、秋末冬初有增加的趨勢(shì), 盛冬、初春沒有趨勢(shì)性的變化。

圖1 1982—2014年西北太平洋TC頻數(shù)和百分比的季節(jié)變化

2.1.2 TC緯度分布的季節(jié)變化

前人研究提出西北太平洋TC的主要發(fā)生源地存在著明顯的季節(jié)變化, 冬季的主要發(fā)生源地偏南偏東, 以后逐漸向北向西偏移, 夏季又向南向東偏移[15]。對(duì)于西北太平洋TC經(jīng)緯度分布的季節(jié)變化, 研究較少。

本研究統(tǒng)計(jì)了西北太平洋1982—2014年33年中各月TC的經(jīng)緯度分布(見圖3)。從圖中可以看出, TC的發(fā)生源地具有明顯的季節(jié)變化特征。1—4月發(fā)生的TC數(shù)量很少, 且發(fā)生源地較為分散, 發(fā)生的位置偏南, 在2°~15°N的范圍內(nèi); 從5月份開始, TC發(fā)生的次數(shù)逐漸增多, 相對(duì)于1—4月份, 5月份TC源地向西北方向偏移; 6月份TC數(shù)量進(jìn)一步增多, 源地進(jìn)一步向西向北方向偏移; 7月份TC源地向北向東方向擴(kuò)散, TC的數(shù)量也明顯增多, 主要分布在5°~20°N, 110°~155°E的海區(qū); 8—9月TC源地向西向北方向擴(kuò)散, TC數(shù)量達(dá)到一年中最多, 8月TC主要分布在8°~25°N, 112°~155°E的海區(qū), 而9月TC主要分布在12°~22°N, 112°~155°E的海區(qū); 10月, TC源地位置開始向南移動(dòng), TC的數(shù)量也逐漸減少, 主要分布在6°~18°N, 112°~155°E海區(qū); 11—12月TC的源地進(jìn)一步南移, 又退回到2°~15°N的范圍內(nèi), 且TC數(shù)量明顯減少。

圖2 1982—2014年西北太平洋各月TC頻數(shù)的年際變化

2.2 TC活動(dòng)的年際變化特征

關(guān)于西北太平洋TC的年際-年代際變化, 已有研究提出西北太平洋TC具有明顯的年代際特征, 表現(xiàn)為, 20世紀(jì)50年代TC數(shù)目有所下降, 60年代中期到70年代初期TC發(fā)生的頻率較高, 然后又下降, 除了80年代后期和90年代初期略有增加外, 一直保持了這種下降趨勢(shì), 特別是90年代后期, 幾乎達(dá)到了最低值[16]。也有研究指出, 在1949—2003年, TC有3個(gè)低頻時(shí)期: 1949—1959年、1975—1984年、1995—2003年, 兩個(gè)高頻時(shí)期: 1960—1974年、1985—1994年[19]。

為了了解在全球變暖的背景下西北太平洋TC活動(dòng)的變化, 本文統(tǒng)計(jì)了西北太平洋1982—2014年生成的TC頻數(shù), 共發(fā)生TC次數(shù)930次, 平均每年28次, 其中TC發(fā)生頻數(shù)最多的年份為1996年, 多達(dá)44次, 最少的年份為2014年, 僅為20次。若以年平均發(fā)生TC次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn), 33年中TC偏多年為: 1989年、1992年、1993年、1994年、1995年、1996年、1997年、1999年、2000年、2001年、2005年、2009年、2013年, 其余年份為TC發(fā)生偏少年(見圖4)。33年中西北太平洋TC頻數(shù)的年代際變化呈現(xiàn)出減少—增多—減少的趨勢(shì), 即1982—1991年為TC低頻期, 1992—2002年為TC高頻期, 且TC明顯增多, 2003—2014年TC頻數(shù)又呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

2.3 西北太平洋TC的生成源地的變化

關(guān)于西北太平洋TC的生成源地, 前人提出西北太平洋有3個(gè)TC源地, 分別為南海中北部偏東海面、菲律賓以東至加羅林群島之間的海面、加羅林群島一帶的海面[15]; TC路徑最為密集的地區(qū)集中在我國的南海地區(qū)、菲律賓群島以及馬里亞納群島附近[16]。也有研究提出TC源地分布在0°~30°N范圍內(nèi), 發(fā)生高頻區(qū)的緯向軸線位于12.6°N, 經(jīng)向?qū)?yīng)于南海海區(qū)和菲律賓以東及關(guān)島附近的海面有兩個(gè)峰值[20]。

這里對(duì)西北太平洋0°~30°N、105°~155°E海域1982—2014年TC的分布按1°×1°的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì), 可得出TC源地發(fā)生頻數(shù)空間分布圖(見圖5), 從圖中可以看出, TC源地集中在5°~22°N, 110°~155°E, TC的源地集中區(qū)有3個(gè), 分別為10°~22°N、110°~ 120°E, 8°~20°N、125°~145°E和5°~20°N、145°~155°E, 這3個(gè)源地中發(fā)生的TC次數(shù)約各占總TC數(shù)量的27%, 46%, 21%, 其余TC均分布于這3個(gè)源地周圍, 第2個(gè)TC源地的發(fā)生頻數(shù)遠(yuǎn)多于其他兩個(gè)源地。

圖3 1982—2014年西北太平洋各月生成TC的經(jīng)緯度分布

圖4 1982—2014年西北太平洋TC頻數(shù)的年際變化

2.4 西北太平洋TC的年持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度的變化

除了發(fā)生頻數(shù)之外, 全球變暖背景下TC的持續(xù)時(shí)間以及強(qiáng)度變化也是衡量TC活動(dòng)的重要指標(biāo)。Knutson等[21-22], Knutson和Tuleya[23-24]對(duì)全球變暖環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行模擬, 認(rèn)為颶風(fēng)在變暖的環(huán)境下強(qiáng)度會(huì)增加, 降雨會(huì)增強(qiáng)。在過去50年熱帶海洋表層一直有增溫的趨勢(shì)[25], Houghton等[26]認(rèn)為在21世紀(jì)TC強(qiáng)度極有可能增加5%~10%。除西南太平洋以外, 這對(duì)熱帶氣旋活動(dòng)是有影響的。在過去30年, 西北太平洋最大風(fēng)速超過59 m/s的臺(tái)風(fēng)有增多趨勢(shì)[27]。Trenberth[28]認(rèn)為全球變暖加強(qiáng)了TC活動(dòng)強(qiáng)度與降水。

本文統(tǒng)計(jì)了1982—2014年西北太平洋TC的年際持續(xù)時(shí)間以及TC的最大強(qiáng)度和平均強(qiáng)度(見圖6—圖7), 可見, 近33年來, 西北太平洋TC年持續(xù)時(shí)間呈減少趨勢(shì), 而TC的最大強(qiáng)度和平均強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。這意味著, 盡管發(fā)生TC的天數(shù)在減少, 但是TC的強(qiáng)度在增加, 發(fā)生超強(qiáng)TC的幾率有可能變大, TC的潛在威脅有可能加劇。

3 西北太平洋TC活動(dòng)與海洋上層熱狀態(tài)間的關(guān)系

3.1 TC活動(dòng)與SST的關(guān)系

關(guān)于TC與SST之間關(guān)系的研究, 就年代際變化而言, 前人認(rèn)為溫暖的SST為TC的發(fā)展提供了更加有利的環(huán)境[29]; 對(duì)海洋上層400 m熱含量和11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層海溫?cái)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), TC活動(dòng)與海洋熱力變化存在一定的聯(lián)系, 認(rèn)為海洋次表層的溫度暖異?？赡苁菍?dǎo)致TC年生成頻數(shù)多的重要原因, 但海溫變化對(duì)臺(tái)風(fēng)數(shù)量的影響并不是主要引導(dǎo)因素[11]。更多的研究主要集中在探討TC活動(dòng)與赤道中東太平洋SST變化所引起的ENSO事件的聯(lián)系[30-31]。楊亞新[15]指出: 在赤道中東太平洋暖異常年, TC發(fā)生頻數(shù)偏少, 較常年平均偏少2~3個(gè), 但強(qiáng)度偏強(qiáng)。WANG等[32]、黃菲等[33]指出在El Ni?o年, TC生成的位置偏東, 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)量較多, La Ni?a年TC生成的位置偏西, 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)量會(huì)較少, ENSO現(xiàn)象不能直接影響TC的生成頻數(shù), 但是會(huì)影響熱帶氣旋的發(fā)展、加強(qiáng)過程。陳光華、黃榮輝[14], 吳迪生等[34]研究指出, ENSO事件與西北太平洋TC生成總數(shù)之間沒有明顯的關(guān)系, 但在El Ni?o年的夏秋季, 西北太平洋東南海域TC活動(dòng)頻繁, 西北海域活動(dòng)減弱。

圖6 1982—2014年西北太平洋TC平均持續(xù)時(shí)間變化

圖7 1982—2014年西北太平洋TC年際平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度變化

目前的研究主要集中在探討TC活動(dòng)與赤道中東太平洋SST變化所引起的ENSO事件的聯(lián)系上, 對(duì)TC活動(dòng)的年代際、年際變化研究較多, 對(duì)季節(jié)變化研究較少。

3.1.1 西北太平洋TC源地分布與SST的關(guān)系

相對(duì)于1982年之前年份, 近33年來西北太平洋全區(qū)SST普遍上升, 增溫幅度為0~1.6℃, 增溫幅度最高的為我國東海沿岸海區(qū), 其次為西北太平洋暖池區(qū)(圖8)。使用1982—2014年西北太平洋(0°~30°N, 105°~155°E)SST數(shù)據(jù), 計(jì)算SST多年月均溫及年均溫, 利用統(tǒng)計(jì)的TC源地?cái)?shù)據(jù)資料, 分析西北太平洋SST多年年均溫度、月均溫度與TC源地分布情況, 探討TC與SST之間的關(guān)系; 結(jié)果見圖9, 西北太平洋1982—2014年TC與多年SST空間分布圖。從TC的源地分布與等溫線的分布情況可以看出, TC源地集中分布于27℃等溫線以南的高溫海區(qū), 其中87%以上的TC分布在28~29℃等溫線之間的海區(qū)。

圖8 1982—2014年西北太平洋SST增溫情況

圖9 1982—2014年西北太平洋TC源地與年平均SST空間分布關(guān)系

3.1.2 西北太平洋各季節(jié)TC源地隨SST的變化

從西北太平洋1982—2014年各季節(jié)TC發(fā)生源地與SST的分布關(guān)系圖(圖10)中可以看出, 冬季: 1月TC均發(fā)生在27℃等溫線以南海區(qū), 分布在4°~ 12°N的范圍內(nèi); 2月TC都發(fā)生在27℃等溫線以南海區(qū), 分布在4°~11°N的范圍內(nèi); 3月TC都發(fā)生在27℃等溫線以南海區(qū), 但此時(shí)80%的TC都發(fā)生在28℃等溫線以南海區(qū), 分布在3°~9°N的范圍內(nèi)。春季: 4月所有TC均發(fā)生在28℃等溫線以南海區(qū), 分布在1°~14°N的范圍內(nèi); 5月西北太平洋SST顯著升高, 等溫線北移, 相對(duì)于冬季, TC源地也向西北方向偏移, TC都發(fā)生在27℃等溫線以南海區(qū), 分布在3°~19°N的范圍內(nèi); 6月西北太平洋海溫進(jìn)一步升高, 等溫線向高緯度移動(dòng), 此時(shí)TC源地也進(jìn)一步向西向北方向偏移, 集中在西北太平洋中西部海區(qū), 且均發(fā)生在27℃等溫線以南海區(qū), 86%的TC發(fā)生在29℃等溫線以南海區(qū)。夏季: 7月TC頻數(shù)明顯增加, 源地分布范圍較廣, 等溫線向高緯度移動(dòng), TC源地位置也向東向北移動(dòng), TC均發(fā)生在28℃等溫線以南海區(qū)。分布在3°~30°N的范圍內(nèi); 8月TC頻數(shù)全年最高, 空間分布范圍廣闊, TC源地隨暖池中心東移且空間分布較為分散, 分布在7°~30°N的范圍內(nèi); 9月等溫線向低緯方向移動(dòng), TC源地也隨之南移, TC源地空間分布集中于暖池中心最高溫區(qū)域, TC源地集中于緯度帶4°~28°N之間。秋季: 10月TC頻數(shù)減少, TC源地隨等溫線南移而南移, 分布在3°~28°N的范圍內(nèi); 11月等溫線南移, TC源地位置也進(jìn)一步南移, 均發(fā)生在27℃等溫線以南海區(qū), 分布在5°~23°N的范圍內(nèi); 12月TC源地位置進(jìn)一步南移, 分布在1°~ 16°N的范圍內(nèi)。

將西北太平洋1982—2014年各月TC分布與SST等溫線分布建立關(guān)系圖(圖11)可以看出, 西北太平洋TC均發(fā)生在SST高于27℃的海域, 冬季TC發(fā)生的緯度位置較低, 分布范圍較小, 絕大部分TC發(fā)生在27~29℃等溫線之間的海區(qū); 隨著溫度的升高, 等溫線向高緯度移動(dòng), 春季、夏季TC發(fā)生的緯度位置較高, 分布范圍大, 并且集中發(fā)生在28~30℃等溫線之間的海區(qū), 其中發(fā)生在29~30℃等溫線之間的比例均高于70%; 秋季TC源地向低緯度方向移動(dòng), TC發(fā)生源地集中在27~29℃等溫線之間的海區(qū)。

3.1.3 TC頻數(shù)、持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度、最大強(qiáng)度與SST變化的相關(guān)關(guān)系

利用1982—2014年西北太平洋SST和TC年生成頻數(shù)、平均持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度進(jìn)行超前滯后相關(guān)分析, 結(jié)果如表1所示。當(dāng)SST變化超前TC 1年時(shí), 西北太平洋TC活動(dòng)與SST表現(xiàn)為正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.35, 這可能意味著在TC年生成頻數(shù)增多前1年SST上升, SST的上升將會(huì)為TC的爆發(fā)積蓄一定的能量。當(dāng)SST的變化滯后TC 1年時(shí), TC活動(dòng)與SST表現(xiàn)為負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.31, 這可能說明在TC發(fā)生次年西北太平洋由于受TC活動(dòng)作用的影響, SST下降。當(dāng)同期相關(guān)時(shí), 西北太平洋SST與TC平均持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.45, 說明盡管目前SST表現(xiàn)為上升趨勢(shì), 但是TC年持續(xù)時(shí)間有可能減少。通過對(duì)SST與TC強(qiáng)度的相關(guān)分析可得出, SST與TC強(qiáng)度沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系, 就年際變化而言, SST并不是影響TC強(qiáng)度變化的主要因素。

3.1.4 西北太平洋不同TC源地的TC頻數(shù)與SST的相關(guān)關(guān)系

如上所述, 西北太平洋TC有3個(gè)較為明顯的源地, 為了探討33年來各TC源地的SST變化與TC發(fā)生頻數(shù)的關(guān)系, 分別建立了各源地年SST與TC的關(guān)系圖(圖12), 圖中SST與TC的相關(guān)系數(shù)均通過了95%置信度檢驗(yàn)。從圖中可看出, 源地1的TC與SST的年際變化表現(xiàn)為正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.34。這說明隨著SST上升, TC頻數(shù)有可能上升。源地2也表現(xiàn)出了同樣的變化趨勢(shì), 且趨勢(shì)更明顯。相反的是, 在源地3, TC與SST呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.19。這意味著隨著海洋表層溫度增暖, TC頻數(shù)有可能減少。

圖10 1982—2014年西北太平洋各季節(jié)TC源地與SST空間分布

不同的TC源地為何會(huì)出現(xiàn)明顯不同的變化趨勢(shì)呢？除了熱力條件之外, 是否有其他因素在影響著TC的活動(dòng), 如動(dòng)力因素。前人通過研究認(rèn)為, 動(dòng)力環(huán)境的空間差異改變了近幾十年TC變化的相應(yīng)模式。全球變暖導(dǎo)致西太平洋與中東太平洋緯向溫度梯度加大, 從而導(dǎo)致walker環(huán)流的加強(qiáng), 正在加強(qiáng)的walker環(huán)流能夠加強(qiáng)熱帶西北太平洋風(fēng)垂直切變與相對(duì)渦度的變化, 從而影響西北太平洋TC活動(dòng)的時(shí)空變化[35]。此外, 在近赤道附近逐漸加強(qiáng)的低空東風(fēng)帶發(fā)生的經(jīng)向切變, 由經(jīng)向切變所形成的低空反氣旋流, 這樣的異常反氣旋流可能是抑制TC形成的一個(gè)重要因素。另外, 有研究指出, 近年來在中太平洋低緯區(qū)域出現(xiàn)了風(fēng)垂直切變與相對(duì)渦度減弱的趨勢(shì)[36], 這極有可能是本研究中源地3 TC頻數(shù)減少的主要因素。

圖11 1982—2014年西北太平洋各月TC與SST等溫線分布的關(guān)系

表1 西北太平洋TC年頻數(shù)、持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度與SST相關(guān)分析

Tab.1 Analysis between frequency, duration, maximum intensity, and mean intensity of the TC in the Northwest Pacific and the SST

注: 表中加*的數(shù)值表示通過95%置信度檢驗(yàn)

TC源地1與源地2更靠近東亞大陸, 通過以上分析可知, 這兩個(gè)區(qū)域的TC頻數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 這意味著在未來, TC活動(dòng)有可能加劇威脅東亞沿海國家。

3.2 TC活動(dòng)與海洋上層熱含量的關(guān)系

以往的研究多采用SST作為基本海洋參數(shù), 但SST受海面熱通量的嚴(yán)重影響, 尤其是在TC活動(dòng)頻繁的夏秋季節(jié)。在此期間, SST僅代表海洋淺薄表層的溫度狀況, 不能充分表現(xiàn)海洋熱力狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)過程[37]。另外, 西太平洋海域的TC活動(dòng)受到ENSO的強(qiáng)烈影響[38-39], 而西太平洋上層海洋的熱力變化直接反應(yīng)了ENSO的變化趨勢(shì)[40-43]。進(jìn)一步的觀測(cè)資料表明, 在ENSO事件期間, 次表層海溫異常(SOTA)比SST更加明顯, 特別在溫躍層較深的熱帶西太平洋[37]。因此有必要從通過分析上層海洋的熱力變化特征來考慮海洋對(duì)TC的影響。

圖12 1982—2014年西北太平洋各TC源地SST與TC頻數(shù)的關(guān)系

近33年來, 西北太平洋上層熱含量總體呈上升趨勢(shì)(圖13), 其中15°N以南海域熱含量上升最為明顯。利用1982—2014年西北太平洋上層熱含量和TC年生成頻數(shù)、平均持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度進(jìn)行超前滯后相關(guān)分析, 結(jié)果如表2所示。當(dāng)TC頻數(shù)與熱含量同期相關(guān)時(shí), 相關(guān)系數(shù)為0.53, 說明海洋上層熱含量的上升可能會(huì)帶來TC頻數(shù)的增加。TC平均持續(xù)時(shí)間和熱含量在同期表現(xiàn)為負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為–0.68, 這意味著隨著海洋上層熱含量的增加, 盡管TC頻數(shù)有上升趨勢(shì), 但TC平均持續(xù)時(shí)間有可能下降。熱含量滯后TC 1年時(shí), 相關(guān)系數(shù)為–0.5。也就是說, 在TC發(fā)生后, 西北太平洋的熱含量可能受TC活動(dòng)的影響而有所下降。當(dāng)熱含量超前TC 1年時(shí), 西北太平洋TC的平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度與熱含量表現(xiàn)為正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.48和0.4。這可能意味著在TC生成前1年, 西北太平洋熱含量增加, 這將為次年TC的爆發(fā)積蓄了一定的能量, 從而導(dǎo)致TC的強(qiáng)度顯著增加。可以推測(cè), 伴隨著海洋上層熱含量的增加, 強(qiáng)TC和超強(qiáng)TC的數(shù)量以及發(fā)生幾率極有可能顯著增加。在未來, TC活動(dòng)對(duì)西北太平洋沿海國家的威脅有可能加劇。

圖13 1982—2014年西北太平洋上層熱含量年變化率

表2 西北太平洋TC年頻數(shù)、持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度與熱含量相關(guān)分析

Tab.2 Analysis between frequency, duration, maximum intensity, and mean intensity of the TC in the Northwest Pacific and the heat content

注: 表中加*的數(shù)值表示通過95%置信度檢驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)1982—2014年西北太平洋TC活動(dòng)季節(jié)和年變化特征的分析, 發(fā)現(xiàn)TC頻數(shù)具有顯著的年代際變化特征, 表現(xiàn)為: 1982—1992年和2003—2014年皆為低頻期, 而1993—2002年則為高頻期, 33年來TC發(fā)生頻數(shù)表現(xiàn)為緩慢增加—快速增加—減少的特征。最近15年(2000—2014年), TC數(shù)量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。從各季TC的長期趨勢(shì)上看, 夏季TC頻數(shù)有下降的趨勢(shì), 春末、秋末冬初有增加的趨勢(shì), 盛冬、初春沒有明顯變化。

西北太平洋有3個(gè)明顯的TC源地, 伴隨著SST的上升, 源地1、源地2的TC頻數(shù)呈上升趨勢(shì), 而源地3頻數(shù)卻呈下降趨勢(shì)。這種變化極有可能是因?yàn)槿蜃兣瘜?dǎo)致西太平洋與中東太平洋緯向溫度梯度加大, 從而導(dǎo)致walker環(huán)流的加強(qiáng), 正在加強(qiáng)的walker環(huán)流能夠加強(qiáng)熱帶西北太平洋風(fēng)垂直切變與相對(duì)渦度的變化, 從而影響西北太平洋TC活動(dòng)的變化。另外, 異常反氣旋流以及中太平洋低緯區(qū)域風(fēng)垂直切變與相對(duì)渦度的減弱, 極有可能是本研究中源地3 TC頻數(shù)減少的主要因素。

在全球增暖背景下, 海洋上層熱狀態(tài)的變化給TC帶來的影響是多方面的。在TC年生成頻數(shù)增多前1年SST上升, SST的上升將會(huì)為TC的爆發(fā)積蓄一定的能量。當(dāng)SST滯后TC 1年時(shí), TC活動(dòng)與SST表現(xiàn)為負(fù)相關(guān), 這可能說明在TC發(fā)生次年西北太平洋由于受TC活動(dòng)作用的影響, SST下降。當(dāng)同期相關(guān)時(shí), 盡管SST表現(xiàn)為上升趨勢(shì), 但是TC平均持續(xù)時(shí)間有可能減少。通過對(duì)TC和海洋上層熱含量進(jìn)行分析, 同期相關(guān)時(shí), 海洋上層熱含量的上升可能會(huì)帶來TC頻數(shù)的增加。TC平均持續(xù)時(shí)間和熱含量在同期表現(xiàn)為負(fù)相關(guān), 這意味著隨著海洋上層熱含量的增加, TC持續(xù)時(shí)間有可能下降。當(dāng)熱含量超前TC 1年時(shí), TC的平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度與熱含量表現(xiàn)為正相關(guān), 由此可推測(cè)伴隨著海洋上層熱含量的增加, 強(qiáng)TC和超強(qiáng)TC的數(shù)量以及發(fā)生幾率極有可能顯著增加。在未來, TC活動(dòng)對(duì)西北太平洋沿海國家的威脅有可能加劇。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Spatial and temporal variation of the Northwest Pacific tropical cyclone and its relation with the thermal status of Upper Ocean in the past 30 years

CHEN Zhi-wei1, KANG Jian-cheng1, GU Cheng-lin1, 2, TANG Ming1, 3

(1. Urban Ecology and Environment Research Center, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China; 2. Department of Resources and Environment, Faculty of Science, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China; 3. Poyang Lake Eco-economy Research Center, Jiujiang University, Jiujiang 332000, China)

Data from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Optimum Interpolation (1/4)° Daily Sea Surface Temperature Analysis, the National Oceanographic Data Center (NODC) Upper Ocean heat content, and the Joint Typhoon Warning Center (JTWC) best-track tropical cyclone (TC) for the period 1982 to 2014 was utilized in order to analyze the spatial and temporal characteristics of the Northwest Pacific (0°–30°N, 105°–155°E) tropical cyclone activities. Our research on the relation between the tropical cyclone and the thermal structure of the Upper Ocean which indicates the following: The interannual variation in the frequency of tropical cyclone is evident. The low-frequency years were from 1982 to 1992 and 2003 to 2014, whereas the high-frequency years were from 1993 to 2002. For the period from 1982 to 2014, the frequency characteristics of cyclones were slow increase, rapid increase, decrease in that order. The number of tropical cyclones has shown a clear downward trend in the last 15 years (2000–2014). Tropical cyclone originates from three distinct birthplaces: birthplace 1 (10°–22°N, 110°–120°E), birthplace 2 (8°–20°N, 125°–145°E), and birthplace 3 (5°–20°N, 145°–155°E). The frequency of TC in birthplace 1 and birthplace 2 increases slowly, whereas the frequency of TC in birthplace 3 decreases significantly. The influence of changes in the thermal state of the upper ocean to the TC is multifaceted TC frequency response to the upper heat content more obvious. The sea surface temperature is not the key factor affecting the frequency of the TC.With the warming of the Upper Ocean, the duration of the TC shows a decreasing trend, whereas the TC intensity shows an increasing trend. Global warming will intensify the potential threat posed by TC activities to the Pacific Northwest countries.

the Northwest Pacific; the South China Sea; tropical cyclone; thermal state of Upper Ocean; climate change

[National Natural Science Foundation of China, No.41340045; Key Discipline Project of Shanghai Education Commission, No. J50402]

Oct. 17, 2016

P721

A

1000-3096(2017)08-0122-12

10.11759/hykx20161017001

2016-10-17;

2017-04-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41340045); 上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50402)

陳志偉(1992-), 男, 江蘇南通人, 博士生, 主要從事海洋環(huán)境氣候變化研究, 電話: 021-64322274, E-mail: 1546335462@qq.com; 康建成(1957-), 通信作者, 男, 甘肅天水人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事全球氣候環(huán)境演化過程及其影響研究, E-mail: Kangjc@126.com