北半球熱帶中太平洋與印度洋海表溫度梯度對(duì)夏季西北太平洋熱帶氣旋生成頻數(shù)變化的影響

方珂, 余錦華

北半球熱帶中太平洋與印度洋海表溫度梯度對(duì)夏季西北太平洋熱帶氣旋生成頻數(shù)變化的影響

方珂, 余錦華

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 江蘇 210044

基于1951—2018年哈德里中心海溫資料、美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心再分析資料和第四代歐洲中心漢堡模式, 針對(duì)1994年、2018年等西北太平洋熱帶氣旋(TC)生成異常多的年份, 研究了引起TC增加的海表溫度異常(SSTA)模態(tài)及其影響機(jī)制。結(jié)果表明, 北半球熱帶中太平洋增暖與印度洋變冷是夏季西北太平洋TC生成頻數(shù)增加的主要原因, 北大西洋負(fù)三極型式SSTA促使TC生成的進(jìn)一步增加。熱帶中太平洋增暖與印度洋冷卻在菲律賓以東激發(fā)出西風(fēng)異常和氣旋性環(huán)流異常。北大西洋負(fù)三極型式SSTA在我國(guó)南海、菲律賓至東南沿岸激發(fā)出氣旋性環(huán)流異常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海產(chǎn)生有利于TC生成的局地環(huán)境。1994年和2018年夏季熱帶中太平洋出現(xiàn)暖SSTA、印度洋為冷SSTA、北大西洋呈現(xiàn)負(fù)三極型式SSTA, 西北太平洋TC生成頻數(shù)極端增多。近30年來(lái), 當(dāng)出現(xiàn)熱帶中太平洋增暖和印度洋冷卻時(shí), 北大西洋表現(xiàn)出比1989年以前更強(qiáng)的負(fù)三極型式SSTA, 使西北太平洋TC生成頻數(shù)和北半球熱帶印度洋–太平洋SSTA梯度的線性相關(guān)更顯著。

熱帶氣旋生成頻數(shù); 印度洋–太平洋海表溫度異常梯度; 北大西洋三極型式海表溫度異常

熱帶氣旋(Tropical Cyclone, TC)是地球物理環(huán)境中最具破壞性的天氣系統(tǒng)之一, 也是夏季影響我國(guó)沿海地區(qū)最重要的系統(tǒng)。前人研究發(fā)現(xiàn), 西北太平洋熱帶氣旋生成頻數(shù)(Tropical Cyclone Genesis Number, TCGN)的分布有南海東南側(cè)(李丹荔, 1988)和菲律賓群島以東的兩個(gè)中心。各環(huán)境要素對(duì)TCGN的影響有顯著差異, 渦度對(duì)西北太平洋TC的生成起了最重要的作用, 相對(duì)濕度的影響隨著TC強(qiáng)度的增強(qiáng)而減弱, 垂直風(fēng)切變的影響則相反, 隨著TC強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)(周旭等, 2013)。夏季西北太平洋異常氣旋和反氣旋是西北太平洋地區(qū)對(duì)流層中低層的重要大氣環(huán)流異常系統(tǒng)(Zhou et al, 2009; Li et al, 2011), 會(huì)形成大范圍的上升或下沉運(yùn)動(dòng)影響TCGN的變化。

海洋熱含量的變化會(huì)導(dǎo)致海表溫度異常(Sea Surface Temperature Anomalies, SSTA)的變化(劉欽燕等, 2010), 引起西北太平洋大氣的環(huán)流異常, 產(chǎn)生異常氣旋或反氣旋環(huán)流(晏紅明等, 2013)。厄爾尼諾事件被證明與西北太平洋反氣旋環(huán)流有關(guān)(Zhang et al, 1996), 厄爾尼諾的發(fā)生會(huì)引起沃克環(huán)流的減弱, 激發(fā)冷羅斯貝波在熱帶西北太平洋形成低層的反氣旋異常(Wang et al, 2000; Sui et al, 2007)。由于局地風(fēng)–蒸發(fā)–海溫的正反饋過(guò)程, 該反氣旋環(huán)流可以持續(xù)到夏季, 從而對(duì)東亞夏季氣候產(chǎn)生影響(Wang et al, 2003; Wu et al, 2010)。同時(shí)印度洋海溫與菲律賓反氣旋關(guān)系密切, 會(huì)與厄爾尼諾事件產(chǎn)生協(xié)同作用(李琰等, 2014)。印度洋受厄爾尼諾事件影響會(huì)存在滯后赤道東太平洋增暖的暖異?，F(xiàn)象, 熱帶印度洋海溫的異常增暖能激發(fā)開(kāi)爾文波向東傳, 導(dǎo)致熱帶西太平洋低層?xùn)|風(fēng)異常, 激發(fā)西北太平洋低層異常反氣旋異常(Xie et al, 2009; Du et al, 2011)。進(jìn)一步的研究也發(fā)現(xiàn), 赤道中太平洋冷異常(Wang et al, 2013)和北大西洋三極型模態(tài)(Yu et al, 2016)也會(huì)對(duì)西北太平洋TC活動(dòng)變化的大氣環(huán)流異常產(chǎn)生影響。但整體上, 西北太平洋TCGN與厄爾尼諾等事件的關(guān)系較弱。如1998年和2016年都為超級(jí)厄爾尼諾事件的衰減年, 但1998年西北太平洋TCGN為較大的負(fù)異常, 而2016年則出現(xiàn)了極端正異常(Zhan et al, 2017; Chen et al, 2017)。2018年夏季西北太平洋TCGN出現(xiàn)了與1994年類似的極端正異?，F(xiàn)象。1994年西北太平洋TCGN的增加被認(rèn)為是副高位置及厄爾尼諾與南方濤動(dòng)事件等因素的共同影響產(chǎn)生的特殊情況(葉英等, 1997), 2018年TCGN的異常增加是如何產(chǎn)生、與SSTA強(qiáng)迫作用又有怎樣的聯(lián)系？

本文基于導(dǎo)致西北太平洋TCGN異常增加的SSTA形態(tài), 研究2018年及其他TCGN異常增加年的SSTA特征, 及其如何引起西北太平洋TCGN的異常增加。

1 資料與模式

本文使用英國(guó)哈德里中心的月平均海表溫度資料數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)的水平分辨率為1°×1°; 使用美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的月平均再分析大氣環(huán)流資料, 其水平分辨率為2.5°×2.5°; 使用日本氣象廳的氣旋的最佳路徑資料, 選取了西北太平洋(100°—180°E, 0°—40°N)范圍內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到熱帶風(fēng)暴級(jí)別的熱帶氣旋。厄爾尼諾(NINO3.4)指數(shù)、太平洋經(jīng)向模(Pacific Meridional Mode, PMM)指數(shù)、太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation, PDO)指數(shù)和北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation, NAO)指數(shù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的氣候指數(shù)。分析時(shí)段為1951—2018年的夏季(6—8月)。

本文使用的模式是由德國(guó)馬普氣象研究所開(kāi)發(fā)的大氣環(huán)流模式第四代歐洲中心漢堡模式(European Centre/ Hamburg Model, ECHAM4), 該模式在水平方向上采用三角形波普截?cái)?、高斯網(wǎng)格分布, 垂直方向?yàn)榛旌献鴺?biāo)。水平分辨率為T(mén)42 (128×64), 垂直方向?yàn)?1層, 積分步長(zhǎng)為900s, 模式物理過(guò)程方案選定其默認(rèn)過(guò)程。雖然低分辨率的ECHAM4模式不能用于判斷TC生成和活動(dòng), 但它能較好的模擬出大尺度的環(huán)流形勢(shì)(Hong et al, 2011), 而大尺度的環(huán)流為T(mén)C生成發(fā)展提供背景條件。因此選用ECHAM4模式模擬SSTA引起的西北太平洋上空大氣環(huán)流特征的變化(如低層環(huán)流、中層水汽變化、垂直風(fēng)切變), 從而確定對(duì)西北太平洋氣旋生成頻數(shù)的影響。

2 1994年和2018年夏季熱帶氣旋生成及其環(huán)境要素特征

從圖1的TC生成位置(TC生命史上, 其強(qiáng)度首次達(dá)到熱帶風(fēng)暴的位置)可以看出, 夏季TC生成主要集中在(105°—180°E, 10°—30°N)范圍內(nèi), 選取該區(qū)域的環(huán)境要素求平均, 比較各環(huán)境要素的氣候變率和影響。1994年(綠色標(biāo)記)和2018年(紅色標(biāo)記) TC生成位置也都落在TC主要生成區(qū)域內(nèi)。

圖1 1951—2018年夏季熱帶氣旋(TC)生成位置 藍(lán)色“X”表示1951—2018年夏季的TC; 1994年的TC用綠色表示; 2018年的TC用紅色表示。紅框?yàn)檫x取的TC主要生成區(qū)域

圖2a給出了1951—2018年夏季西北太平洋TCGN以及NINO3.4指數(shù)、PMM指數(shù)、PDO指數(shù)和NAO指數(shù)的時(shí)間序列。可以看到, 2018年夏季西北太平洋地區(qū)的TCGN為18個(gè), 其異常值(6.5個(gè))達(dá)到了1.9倍標(biāo)準(zhǔn)差, 和1994年并列第一。2018年的NAO指數(shù)異常達(dá)到了2.3倍標(biāo)準(zhǔn)差, 為歷年來(lái)最大, 1994年NAO指數(shù)達(dá)到1.6倍標(biāo)準(zhǔn)差, 為第五多的年份。同時(shí)1951—2018年NAO指數(shù)與TCGN的相關(guān)系數(shù)為0.36, 通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn), 說(shuō)明北大西洋可能對(duì)西北太平洋TCGN產(chǎn)生影響, 并在1994年和2018年提供了較大的貢獻(xiàn)。1951—2018年P(guān)MM指數(shù)與TCGN的相關(guān)系數(shù)為0.26, 通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn), 在1994年和2018年都超過(guò)了1倍標(biāo)準(zhǔn)差, 但并不突出。NINO3.4和PDO與TCGN的相關(guān)系數(shù)很小(分別為0.11和–0.09, 都未通過(guò)90%的信度檢驗(yàn)), 在1994年和2018年也沒(méi)有明顯的異常。

圖2b~2e給出了1951—2018年夏季西北太平洋TC生成主要區(qū)域環(huán)境要素區(qū)域平均異常的時(shí)間序列。圖2b為SSTA區(qū)域平均的異常序列, 1994年和2018年都為負(fù)值, 異常很小, 都未達(dá)到一倍標(biāo)準(zhǔn)差, 可能由于該區(qū)域的海溫平均在28℃以上(28.4℃), 已經(jīng)滿足TC生成需求, 導(dǎo)致夏季局地SSTA對(duì)TCGN沒(méi)有明顯的影響。圖2c為850hPa相對(duì)渦度的異常序列, 2018年的異常值為1.8倍標(biāo)準(zhǔn)差(′10–6s–1) , 為1951年以來(lái)最大, 達(dá)到了2.1倍標(biāo)準(zhǔn)差, 1994年也有1.3倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常, 說(shuō)明850hPa相對(duì)渦度與TCGN的極端增加可能有較好關(guān)系, 特別是2018年相對(duì)渦度最大的正異常, 表明TC生成區(qū)域的對(duì)流層低層受氣旋性異?？刂? 能夠?yàn)門(mén)C生成提供大尺度輻合上升運(yùn)動(dòng)。圖2d為600hPa相對(duì)濕度的異常序列, 2018年異常為1.6倍標(biāo)準(zhǔn)差, 1994年也有1倍標(biāo)準(zhǔn)差, 大氣中的水汽含量較高能很好地保證凝結(jié)潛熱的釋放, 加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng), 促進(jìn)TC生成。圖2e給出的850~200hPa垂直風(fēng)切變的異常序列, 正的風(fēng)切變異常會(huì)破壞TC生成時(shí)形成的弱暖心結(jié)構(gòu), 2018年為正異常, 說(shuō)明該區(qū)域的垂直風(fēng)切變對(duì)TC生成正異常沒(méi)有正的貢獻(xiàn), 而1994年較小的負(fù)值也表明垂直風(fēng)切變沒(méi)有大的影響。因此, 1994年和2018年TCGN異常的大值主要是由較大的低層相對(duì)渦度異常配合一定的水汽條件產(chǎn)生, 局地的SSTA和風(fēng)切變影響都不明顯。為了進(jìn)一步探究引起相對(duì)渦度和相對(duì)濕度異常的原因, 給出1994年和2018年夏季SSTA及850hPa異常環(huán)流場(chǎng)的空間分布(圖3)。可以看出兩年的SSTA分布很類似, 在北半球熱帶印度洋和太平洋海域以140°E為界東西呈現(xiàn)“+ –”的兩極型, 在北太平洋40°N線上均為正SSTA, 其南北則是負(fù)SSTA, 北大西洋熱帶和中高緯度為負(fù)SSTA, 副熱帶為正SSTA, 類似于北大西洋三極型SSTA負(fù)位相(Deser et al, 2010; 李剛等 2015), 稱為北大西洋負(fù)三極型式SSTA。熱帶中西太平洋對(duì)流層低層有西風(fēng)異常, 西北太平洋為氣旋性環(huán)流異常。后面的敏感性試驗(yàn), 將看到這樣的環(huán)流異常受北半球印度洋和熱帶中太平洋海域SSTA以及北大西洋負(fù)三極型式SSTA的共同強(qiáng)迫作用。

圖2 1951—2018年夏季熱帶氣旋生成頻數(shù)(TCGN)、各指數(shù)和環(huán)境要素區(qū)域平均(105°—180°E, 10°—30°N)異常的時(shí)間序列 a. TCGN和氣候指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差; b. 海表溫度異常(SSTA); c. 850hPa相對(duì)渦度; d. 600hPa相對(duì)濕度; e. 850~200hPa緯向風(fēng)切變。黑色虛線為正負(fù)一倍標(biāo)準(zhǔn)差, 黑色實(shí)線為平均值, 藍(lán)色豎柱為1994年, 紅色豎柱為2018年

3 北半球印度洋和熱帶中太平洋SSTA梯度指數(shù)及合成分析

上述1994年和2018年看到的SSTA與TCGN增多的聯(lián)系在近30年的統(tǒng)計(jì)關(guān)系中體現(xiàn)明顯。將北半球熱帶中太平洋(150°E—150°W, 0°—20°N) SSTA的區(qū)域平均減去北半球熱帶印度洋(60°—120°E, 0°—20°N) SSTA的區(qū)域平均定義為“熱帶太平洋–印度洋”(TPI)指數(shù), 得到圖4。通過(guò)TPI與TCGN的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn), 1951—2018年TPI與TCGN的相關(guān)系數(shù)為0.41, 通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn), 且1994年和2018年為T(mén)PI指數(shù)最大的兩年(分別為0.56℃和0.54℃), 表明北半球印度洋和熱帶中太平洋海域SSTA梯度可能是引起TCGN極端異常的主要原因。根據(jù)30年滑動(dòng)相關(guān)(圖4), 發(fā)現(xiàn)1951年以來(lái)TPI與TCGN的相關(guān)系數(shù)有明顯的增加趨勢(shì), 1989—2018年的30年相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大, 相關(guān)系數(shù)值首次超過(guò)0.6。為研究1989—2018年的30年相關(guān)系數(shù)為何出現(xiàn)最大值, 將研究時(shí)段分為30年前(1951—1988年)和近30年(1989—2018年)兩個(gè)時(shí)段。30年前(1951—1988年) TPI與TCGN的相關(guān)系數(shù)為0.22, 未通過(guò)90%的信度檢驗(yàn), 而近30年(1989—2018年)的相關(guān)系數(shù)很高, 達(dá)到了0.67, 通過(guò)了99.9%的信度檢驗(yàn)。為研究導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)產(chǎn)生變化的原因, 以1989年為界, 各選取TPI指數(shù)變化大于(小于)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差(負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差)的年份進(jìn)行合成分析, 定義為T(mén)PI指數(shù)高(低)年。1951—1988年挑選的TPI指數(shù)高年(4個(gè)年份): 1966、1967、1968和1986; TPI指數(shù)低年(4個(gè)年份): 1973、1975、1983和1988。1989—2018年挑選的TPI指數(shù)高年(4個(gè)年份): 1994、2004、2009和2018; TPI指數(shù)低年(4個(gè)年份): 1998、1999、2008和2010。1951—1988年挑選的TPI指數(shù)高年與低年的TCGN合成差為3.75個(gè)TC, 1989—2018年TCGN的合成差為7.5個(gè)TC, 達(dá)到了1951—1988年的兩倍。

圖3 1994年(a)和2018年(b)夏季海表溫度異常(陰影, 單位: ℃)和850hPa風(fēng)場(chǎng)異常(矢量, 單位: m·s–1)的空間分布 紅框?yàn)檫x取的北半球熱帶中太平洋海域, 藍(lán)框?yàn)檫x取的北半球熱帶印度洋海域

Fig. 3 Spatial distributions of SSTA (shading; units: ℃) and anomalous wind vector at 850 hPa (vector; units: m·s–1) in summers of 1994 (a) and 2018 (b). The red box is the tropical Pacific Ocean, and the blue box is the tropical Indian Ocean in the Northern Hemisphere

圖4 1951—2018年夏季標(biāo)準(zhǔn)化TCGN(左側(cè)坐標(biāo))和TPI指數(shù)(左側(cè)坐標(biāo))及30年滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)(右側(cè)坐標(biāo))

圖5為1951—1988年和1989—2018年TPI指數(shù)高年減低年的夏季環(huán)境場(chǎng)空間分布合成圖。通過(guò)合成SSTA (圖5a、5c)來(lái)看, 1951—1988年和1989—2018年的合成SSTA整體比較相似, 印度洋都為負(fù)異常, 北太平洋由北向南呈現(xiàn)“+ – +”的三極型分布, 北半球熱帶印度洋和太平洋海域以150°E為界東西呈現(xiàn)“+ –”的兩極型, 北大西洋呈現(xiàn)負(fù)三極型式SSTA。具體來(lái)說(shuō), 1989—2018年北大西洋的負(fù)三極型式SSTA比1951—1988年的更強(qiáng)(主要是在負(fù)異常區(qū)的SSTA負(fù)值更大), 而在北太平洋暖異常區(qū), 1989—2018年的合成SSTA弱于1951—1988年的合成SSTA (40°N以北更為明顯)。結(jié)合合成的850hPa風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)渦度(圖5a、5c)可以看出, 北半球印度洋到菲律賓海的負(fù)SSTA和熱帶中太平洋海域的高SSTA對(duì)大氣的加熱差異產(chǎn)生西風(fēng)異常, 在熱帶中西太平洋的對(duì)流層低層的西風(fēng)異常達(dá)到最大。由于該西風(fēng)異常產(chǎn)生的氣旋性切變, 在西風(fēng)異常的南北各形成一個(gè)氣旋性中心(北半球相對(duì)渦度為正, 南半球相對(duì)渦度為負(fù)), 在其北側(cè)的氣旋性環(huán)流為西北太平洋TCGN的增加提供了有利的環(huán)境。在熱帶東太平洋和大西洋地區(qū)的SSTA呈現(xiàn)與印度洋和東太平洋相反的西高東低分布, 產(chǎn)生東風(fēng)異常, 從而導(dǎo)致反氣旋異常。通過(guò)200hPa的風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度及850~200hPa的垂直速度(圖5b、5d, 以向上為正)可以看到, 與低層的東西風(fēng)異常對(duì)應(yīng), 在熱帶180°—150°W的東西風(fēng)異常輻合區(qū), 整層大氣為上升運(yùn)動(dòng), 高層位勢(shì)高度呈現(xiàn)正異常, 產(chǎn)生氣壓梯度向兩側(cè)輻散, 在西(東)太平洋對(duì)流層高層形成與低層相反的東(西)風(fēng)異常。在熱帶西太平洋高層?xùn)|風(fēng)異常的北面也與低層的氣旋性環(huán)流對(duì)應(yīng), 出現(xiàn)了伴有整層上升運(yùn)動(dòng)的位勢(shì)高度正值中心, 證明存在大尺度的輻合上升運(yùn)動(dòng), 進(jìn)而導(dǎo)致西北太平洋TCGN的增加。對(duì)比1951—1988年和1989—2018年的合成結(jié)果發(fā)現(xiàn), 北半球印度洋和熱帶中太平洋海域SSTA的梯度是形成西北太平洋對(duì)流層的輻合上升運(yùn)動(dòng)從而導(dǎo)致TCGN增加的主要原因, 而1989— 2018年北大西洋更強(qiáng)的負(fù)三極型式分布能進(jìn)一步加強(qiáng)該環(huán)流。1989—2018年熱帶大西洋的SSTA負(fù)值比1951—1988年更大, 與中東太平洋SSTA形成的梯度更大, 產(chǎn)生的東風(fēng)異常也更強(qiáng), 導(dǎo)致中太平洋更強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng), 從而促進(jìn)西太平洋環(huán)流, 加強(qiáng)低(高)層的西(東)風(fēng)異常, 在西北太平洋產(chǎn)生更強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)。北大西洋的SSTA在其高空激發(fā)出負(fù)位勢(shì)高度異常, 高緯位勢(shì)高度的異常波列表明北大西洋高空的負(fù)位勢(shì)高度異?？赡苎貧W亞大陸向東傳播, 在西北太平洋上空形成正位勢(shì)高度異常, 促進(jìn)輻合上升運(yùn)動(dòng), 1989—2018年合成更大的北大西洋SSTA負(fù)異常對(duì)西北太平洋TCGN增加的促進(jìn)作用也強(qiáng)于1951—1988年。

圖5 1951—1988年(a, b)和1989—2018年(c, d) TPI指數(shù)高年減低年的夏季環(huán)境場(chǎng)空間分布合成圖 a和c中陰影為海表溫度異常(單位: ℃), 矢量為850hPa風(fēng)場(chǎng)異常(單位: m·s–1), 等值線為850hPa相對(duì)渦度異常(單位: ×10–6s–1); b和d中陰影為850~200hPa垂直速度(單位: m·s–1), 矢量為200hPa風(fēng)場(chǎng)異常(單位: m·s–1), 等值線為200hPa位勢(shì)高度異常(單位: gpm)。除SSTA和200hPa位勢(shì)高度外的其他環(huán)境場(chǎng)僅給出通過(guò)95%信度檢驗(yàn)

4 北半球印度洋和熱帶中太平洋SSTA梯度及大西洋負(fù)三極型式SSTA的模式響應(yīng)

為了驗(yàn)證北半球印度洋和熱帶中太平洋相反的SSTA及大西洋負(fù)三極型式SSTA對(duì)西北太平洋大氣環(huán)境要素的影響, 本文使用1989—2018年全球SSTA和降水異常對(duì)TPI指數(shù)進(jìn)行回歸(TPI指數(shù)作為自變量, SSTA和降水分別作為應(yīng)變量), 圖6給出的是格點(diǎn)回歸值, 表示當(dāng)TPI指數(shù)增加兩倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí), 全球SSTA和降水的變化值。從圖6中可以看出, 熱帶印度洋和中太平洋的SSTA與降水異常呈現(xiàn)同向變化, 表現(xiàn)為海洋影響大氣, 即正(負(fù))海溫異常引起上升(下沉)運(yùn)動(dòng), 導(dǎo)致降水增加(減少); 西北太平洋TC生成區(qū)域的SSTA與降水異常呈反向變化, 則該區(qū)域?yàn)榇髿庥绊懞Ｑ? 即降水的增加(減少)引起SSTA的負(fù)(正)異常; 北大西洋整體表現(xiàn)為海洋影響大氣, 特別是熱帶地區(qū)和中高緯的負(fù)SSTA與降水負(fù)異常配置明顯。因此, 北半球印度洋和熱帶中太平洋相反的SSTA及大西洋負(fù)三極型式SSTA會(huì)對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生影響, 而西北太平洋大氣環(huán)境要素受其他海域影響, 適合使用數(shù)值模式驗(yàn)證其影響。根據(jù)圖6, 選取(60°E—120°W, 0°—20°N) 作為北半球印度洋和熱帶中太平洋相反SSTA區(qū)域(簡(jiǎn)稱為T(mén)PI-SSTA), (80°—10°W, 0°—60°N)作為大西洋負(fù)三極型式SSTA區(qū)域(簡(jiǎn)稱為NA-SSTA), 然后用ECHAM4模式模擬西北太平洋對(duì)兩海域SSTA的大氣響應(yīng)。

圖6 1989—2018年夏季全球海表溫度異常(陰影, 單位: ℃)和降水(等值線, 單位: mm·d–1)對(duì)TPI指數(shù)的回歸分布 紅框?yàn)門(mén)PI-SSTA, 黃框?yàn)镹A-SSTA

Fig. 6 Regression distributions of global SSTA (shading; units: °C) and precipitation (dashed line; units: mm·d–1) for the TPI index in the summers of 1989-2018. The red box is TPI-SSTA, and the yellow box is NA-SSTA

模式設(shè)計(jì)如下: 控制試驗(yàn)使用全球氣候平均海溫和海冰進(jìn)行積分, 積分40年, 選取第11~40年進(jìn)行分析, 同時(shí)將控制試驗(yàn)第11~40年年初(1月1日)的大氣數(shù)據(jù)作為敏感性試驗(yàn)的大氣初始場(chǎng)分別積分一年。敏感性試驗(yàn)所用的海溫場(chǎng)由氣候平均海溫場(chǎng)分別添加TPI-SSTA和NA-SSTA得到, 每組試驗(yàn)包含30個(gè)集合樣本, 敏感性試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)如表1。將敏感性試驗(yàn)樣本與控制試驗(yàn)樣本差值作為環(huán)流的異常響應(yīng)。

表1 ECHAM4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖7給出了夏季TPI-RUN和NA-RUN強(qiáng)迫的ECHAM4模式響應(yīng)結(jié)果。圖7a表明, 北半球熱帶太平洋與印度洋SSTA的梯度會(huì)在北半球中太平洋洋面形成低壓, 在北半球印度洋洋面形成高壓, 在熱帶140°E到140°W的對(duì)流層低層產(chǎn)生較強(qiáng)的西風(fēng)異常。該西風(fēng)異常在10°N處最大, 向南北兩側(cè), 西風(fēng)異常逐漸減小, 即在南北半球都產(chǎn)生氣旋性切變。在赤道外熱帶西太平洋引起邊界層輻合, 對(duì)流增強(qiáng), 潛熱釋放增加, 激發(fā)西北太平洋低層異常氣旋, 其氣旋中心在150°—160°E。結(jié)合圖7b的200hPa風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)可以看到, 在熱帶中東太平洋對(duì)流層高層呈現(xiàn)與低層對(duì)應(yīng)的東風(fēng)異常, 在熱帶地區(qū)形成垂直(沃克)環(huán)流異常, 該環(huán)流的上升支位于150°W。在該環(huán)流的北側(cè)也出現(xiàn)與低層氣旋性環(huán)流異常對(duì)應(yīng)的反氣旋環(huán)流和位勢(shì)高度高值中心, 說(shuō)明低層的氣旋性環(huán)流異常形成了整層的上升運(yùn)動(dòng), 并伴有中層(600hPa)相對(duì)濕度的增加。整體來(lái)看, 在西北太平洋140°E以東表現(xiàn)為有利于TCGN增加的大尺度環(huán)境條件, 但在我國(guó)東南海域并未出現(xiàn)明顯的環(huán)流異常, 且其對(duì)流層中層的相對(duì)濕度為負(fù)異常不利于TCGN的增加。在北半球熱帶東太平洋的對(duì)流層低層有較弱的西風(fēng)異常, 高層有東風(fēng)異常, 可能是熱帶中西太平洋環(huán)流異常形成的補(bǔ)償流。在熱帶西印度洋的對(duì)流層低層出現(xiàn)的東風(fēng)異常, 高層為西風(fēng)異常, 與熱帶西太平洋類似, 是由于印度洋的負(fù)SSTA與熱帶大西洋(氣候態(tài)海溫)的梯度形成的。

圖7 夏季環(huán)境要素對(duì)TPI-RUN (a, b)和NA-RUN (c, d)強(qiáng)迫的響應(yīng) a和c陰影為海平面氣壓(單位: Pa), 矢量為850hPa風(fēng)場(chǎng)(單位: m·s–1), 等值線為850hPa相對(duì)渦度(單位: ×10–6s–1); b和d陰影為600hPa相對(duì)濕度(單位: %), 矢量為200hPa風(fēng)場(chǎng)(單位: m·s–1), 等值線為200hPa位勢(shì)高度(單位: gpm)。僅給出通過(guò)95%信度檢驗(yàn)

圖7c和7d為NA-RUN強(qiáng)迫的響應(yīng)結(jié)果。在圖中可以看出, 熱帶大西洋的負(fù)SSTA分別與東側(cè)的印度洋和西側(cè)的太平洋形成海溫異常的梯度, 在大西洋海平面上形成正的氣壓異常, 分別產(chǎn)生向東和向西的氣壓梯度, 導(dǎo)致在熱帶西印度洋到東大西洋的對(duì)流層低層產(chǎn)生西風(fēng)異常, 在熱帶東太平洋到西大西洋的對(duì)流層低層產(chǎn)生東風(fēng)異常。200hPa的風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)顯示大西洋上空為下沉運(yùn)動(dòng), 印度洋西部和太平洋東部分別有東風(fēng)和西風(fēng)向大西洋補(bǔ)充。NA-SSTA強(qiáng)迫的熱帶東太平洋環(huán)流異常與TPI-SSTA強(qiáng)迫出環(huán)流在東太平洋的補(bǔ)償環(huán)流一致, 即NA-SSTA強(qiáng)迫的環(huán)流異常可以通過(guò)促進(jìn)熱帶太平洋的垂直環(huán)流以加強(qiáng)西北太平洋的氣旋上升運(yùn)動(dòng), NA-SSTA在150°E—160°W強(qiáng)迫出850hPa的西風(fēng)異常也證明了這種可能。NA-SSTA強(qiáng)迫的熱帶西印度洋環(huán)流異常與TPI-SSTA在印度洋強(qiáng)迫出的環(huán)流異常相反, 當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)TPI-SSTA和NA-SSTA時(shí), 熱帶印度洋和大西洋之間的海溫梯度較小, 也就不會(huì)形成明顯的環(huán)流異常, 即NA-SSTA對(duì)TPI-SSTA在印度洋強(qiáng)迫出的異常環(huán)流有抵消作用。200hPa的位勢(shì)高度場(chǎng)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)異常, 大西洋上空激發(fā)出的負(fù)位勢(shì)高度異常分別向東西傳播, 在西北太平洋上產(chǎn)生位勢(shì)高度的正異常, 導(dǎo)致低層輻合形成氣旋性環(huán)流, 并伴有600hPa相對(duì)濕度的正異常。

對(duì)比合成圖, TPI-SSTA直接強(qiáng)迫出的環(huán)境場(chǎng)與大西洋負(fù)三極型式較弱的1951—1988年的合成更為相似, 1989—2018年的合成更類似于TPI-SSTA和NA-SSTA強(qiáng)迫的疊加結(jié)果。1951—1988年合成在西太平洋上空出現(xiàn)的西風(fēng)異常和氣旋性環(huán)流中心都在菲律賓以東, 該異?？捎蒚PI-SSTA強(qiáng)迫得到, 熱帶東太平洋到大西洋上空微弱的環(huán)流也表明大西洋SSTA在1951—1988年的影響不明顯。1989—2018年合成在整個(gè)熱帶西太平洋都產(chǎn)生了明顯的環(huán)流異常, 在菲律賓以東的氣旋性環(huán)流同樣可由TPI-SSTA強(qiáng)迫得到, 同時(shí)熱帶東太平洋和大西洋上顯著的環(huán)流異常由NA-SSTA強(qiáng)迫產(chǎn)生, 其促進(jìn)了熱帶地區(qū)的環(huán)流, 使菲律賓以東的氣旋性環(huán)流更強(qiáng)。我國(guó)東南海域的氣旋性環(huán)流則主要由NA-SSTA強(qiáng)迫產(chǎn)生, NA-SSTA在大西洋高空形成負(fù)位勢(shì)高度的局地響應(yīng)并向東西傳播, 在西北太平洋形成輻合上升運(yùn)動(dòng), 并伴有良好的水汽條件, 對(duì)TPI-SSTA強(qiáng)迫產(chǎn)生的水汽負(fù)異常產(chǎn)生抵消作用。因此, TPI-SSTA和NA-SSTA同時(shí)強(qiáng)迫使西北太平洋整體出現(xiàn)大范圍氣旋性上升運(yùn)動(dòng), 形成有利于TC生成的局地環(huán)境是導(dǎo)致2018年等年份TCGN增加的主要原因。

5 小結(jié)與討論

2018年夏季西北太平洋TCGN為18個(gè), 與1994年并列為1951年以來(lái)生成頻數(shù)最多的年份。觀測(cè)結(jié)果表明, 1994和2018年熱帶太平洋與印度洋的海溫梯度都很大, 北大西洋也都呈現(xiàn)負(fù)的三極型式SSTA, 這可能與西北太平洋TCGN異常增加密切相關(guān)。通過(guò)選取熱帶太平洋與印度洋SSTA的差建立TPI指數(shù), 進(jìn)行相關(guān)和合成分析發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋與印度洋的海溫梯度和西北太平洋TC的變化存在顯著關(guān)系, 同時(shí)北大西洋的負(fù)三極型式SSTA可能會(huì)增強(qiáng)這種關(guān)系。進(jìn)一步通過(guò)ECHAM4模式對(duì)北半球印度洋和熱帶中太平洋海域SSTA、北大西洋負(fù)三極型式SSTA進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn), 分析了二者對(duì)西北太平洋TCGN的可能影響。得到以下結(jié)論:

1) 1951—2018年TPI指數(shù)與TCGN有很好的相關(guān)關(guān)系, 且其相關(guān)系數(shù)存在明顯的上升, 近30年的相關(guān)達(dá)到最大(0.67), 表明熱帶太平洋與印度洋的海溫梯度和TCGN的異常有緊密聯(lián)系, 并且該聯(lián)系存在年代際變化。從1951—1988年和1989—2018年中分別選取TPI指數(shù)異常大于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份合成(正異常年減負(fù)異常年)發(fā)現(xiàn), 近30年TPI指數(shù)異常會(huì)伴隨著北大西洋出現(xiàn)更強(qiáng)的負(fù)三極型式SSTA, 熱帶太平洋上空的異常環(huán)流和北半球高層的波動(dòng)異常也更強(qiáng), 產(chǎn)生的TCGN異常也更大。

2) 數(shù)值模式模擬結(jié)果表明北半球熱帶中太平洋的暖SSTA與熱帶中太平洋及印度洋的冷SSTA會(huì)在菲律賓以東到中太平洋上空形成大范圍的輻合上升運(yùn)動(dòng)。北半球熱帶中太平洋與印度洋SSTA的梯度在對(duì)流層低層產(chǎn)生西風(fēng)異常形成氣旋性切變, 并在赤道地區(qū)產(chǎn)生以中東太平洋為上升中心的垂直環(huán)流, 導(dǎo)致該環(huán)流北側(cè)形成輻合上升運(yùn)動(dòng), 即在菲律賓以東的西北太平洋呈現(xiàn)氣旋性環(huán)流異常, 形成有利于TC生成的環(huán)境。

3) 通過(guò)數(shù)值模式試驗(yàn), 還表明北大西洋負(fù)三極型式的SSTA能在我國(guó)東南海域激發(fā)出氣旋性響應(yīng), 也能促進(jìn)赤道地區(qū)的異常環(huán)流。北半球熱帶大西洋與太平洋和印度洋的SSTA梯度在海表形成氣壓梯度, 在赤道東太平洋對(duì)流層低層產(chǎn)生東風(fēng)異常, 也在中東太平洋形成上升運(yùn)動(dòng), 即可以促進(jìn)太平洋與印度洋SSTA差在形成的環(huán)流異常, 進(jìn)一步加強(qiáng)西北太平洋的氣旋性上升運(yùn)動(dòng)。北大西洋負(fù)三極型式SSTA在大西洋高空形成負(fù)位勢(shì)高度的局地響應(yīng)并向東西傳播, 在我國(guó)東南海域上空形成輻合上升運(yùn)動(dòng), 并伴有良好的水汽條件。

綜上所述, 北半球熱帶中太平洋的暖SSTA與熱帶中太平洋及印度洋的冷SSTA產(chǎn)生的氣旋性上升運(yùn)動(dòng)是引起西北太平洋TCGN增加的主要原因, 而北大西洋負(fù)三極型式SSTA的出現(xiàn)會(huì)擴(kuò)大西北太平洋氣旋性上升的范圍, 加強(qiáng)氣旋性上升的強(qiáng)度, 并提供良好的水汽條件。1989—2018年(特別是1994年和2018年)在出現(xiàn)北半球熱帶中太平洋暖SSTA與印度洋冷SSTA時(shí), 由于伴隨著較強(qiáng)的北大西洋負(fù)三極型式SSTA, 會(huì)在西北太平洋形成強(qiáng)烈的氣旋性上升環(huán)流等有利于TC生成的局地環(huán)境, 導(dǎo)致TCGN出現(xiàn)異常增加。

由于本研究使用的是大氣模式, 未考慮不同海盆之間的相互作用, 因此為何近30年在出現(xiàn)北半球熱帶中太平洋暖SSTA與印度洋冷SSTA時(shí), 北大西洋會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)三極型式SSTA的現(xiàn)象仍需要進(jìn)一步的研究。

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Influence of sea surface temperature gradients in the tropical Pacific and Indian oceans of the Northern Hemisphere on the frequency of tropical cyclone generation in the western North Pacific in summer

FANG Ke, YU Jinhua

Key Laboratory of Meteorological Disasters, Ministry of Education / Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change / Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

Based on the Hadley Center sea surface temperature (SST) data, NECP/NCAR reanalysis data from 1951 to 2018 and numerical model (ECHAM4) simulation outputs, in view of the unusually large number of tropical cyclones (TCs) in the western North Pacific such as in 1994 and 2018, the modalities of SST anomalies (SSTA) and their influence mechanism were studied, in terms of their impacts on the increase of TC generation. It is suggested that the warming of the central tropical Pacific and the cooling of the Indian Ocean in the Northern Hemisphere are the main reasons for the increase of TC generated in the western North Pacific in summer, and the North Atlantic negative tripolar type of SSTA leads to further increase in the TC generated. The central tropical Pacific warming and the Indian Ocean cooling produce anomalous westerly wind and cyclonic circulation anomalies in the east of the Philippines. The North Atlantic negative tripolar type of SSTA excites cyclonic circulation anomalies from the South China Sea and the Philippine Seas to the southeast coast waters of China. The former in the central Pacific Ocean and the latter in the South China Sea create local environments conducive to TC generation. In the summers of 1994 and 2018, the central tropical Pacific SSTAs were warm, the Indian Ocean SSTAs were cold, and the North Atlantic showed negative tripolar type of SSTA. The number of TC generated in the western Pacific Ocean increased greatly. In the past 30 years, when the central tropical Pacific warmed up and the Indian Ocean cooled down, the North Atlantic showed a stronger negative tripolar type of SSTA than that before 1989, the linear correlation between the Pacific Northwest TC generation and Indian Ocean-Pacific SSTA gradients was more significant.

tropical cyclone genesis number; Indian Ocean-Pacific SSTA gradient; North Atlantic tripolar type of sea surface temperature anomaly

data: 2018-12-12;

date: 2019-04-04.

National Natural Science Foundation of China (41575083, 41730961)

YU Jinhua. E-mail: jhyu@nuist.edu.cn

10.11978/2018136

http://www.jto.ac.cn

2018-12-12;

2019-04-04。

殷波編輯

國(guó)家自然科學(xué)基金(41575083、41730961)

方珂(1994—), 男, 浙江省杭州市人, 在讀碩士研究生, 主要研究臺(tái)風(fēng)氣候。E-mail: 20161211122@nuist.edu.cn

余錦華。E-mail: jhyu@nuist.edu.cn

Editor: YIN Bo

P732.33; P731.11

A

1009-5470(2019)05-0042-10