2018年8月西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)異常的成因分析

張潤宇，凌鐵軍,2，李響,2，張?zhí)N斐,2，鄧小花，黃煥卿

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081；2.自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京100081）

1 引言

全球平均每年熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）活動數(shù)量為80～90個，分布在七大海域，其中，西北太平洋海域是全球最為活躍的海域，約占全球總數(shù)的33%[1]。我國是全世界受TC影響嚴(yán)重的國家之一，強(qiáng)烈的TC將帶來強(qiáng)風(fēng)、大暴雨、巨浪和風(fēng)暴潮過程，對近海漁業(yè)和人民的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[2]。

目前已有許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation，厄爾尼諾-南方濤動）循環(huán)、熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO）、北極濤動（Arctic Oscillation，AO）等大氣海洋模態(tài)，對TC頻數(shù)的年際、季節(jié)內(nèi)異常變化有顯著影響[3-6]。另一方面，許多學(xué)者從大氣環(huán)流場的分析中，發(fā)現(xiàn)低層大氣環(huán)流異常、潛熱通量和短波輻射通量變化、澳大利亞東側(cè)的環(huán)流異常、熱帶輻合帶（Intertr-opical Convergence Zone，ITCZ)對流活動的異常及夏季風(fēng)活動的異常等均與西北太平洋海域TC活動有著密切的聯(lián)系[7-12]。

影響TC生成的環(huán)境背景場因子眾多，但TC生成最終決定因素來自生成源地的洋面熱狀況、近地層渦度、高低空風(fēng)切變等。在前人研究的基礎(chǔ)上，Emanuel等[13]提出了一種TC潛在生成指數(shù)（Genesis Potential Index，GPI），該指數(shù)涉及幾個大尺度環(huán)境因子，包括850 hPa絕對渦度、600 hPa相對濕度、850 hPa和200 hPa的垂直風(fēng)切變和最大潛在強(qiáng)度（Maximum Potential Intensity，MPI），其中MPI是由海洋上的海面溫度和大氣熱力環(huán)境條件決定的。利用這個指數(shù)，Camargo等[14]分析了ENSO對不同地區(qū)TC生成的影響，Bruyere等[15]使用GPI指數(shù)重建了北大西洋TC的年頻數(shù)變化趨勢。韓翔等[16]研究發(fā)現(xiàn)GPI指數(shù)收支分析顯示對流層低層絕對渦度和中層相對濕度是調(diào)制整個海域TC生成的兩個重要的大尺度環(huán)境因子。楊宇星[17]利用IPCC第四次評估中GFDL CM2.0模式結(jié)果分析了GPI指數(shù)在CO2加倍過程中和加倍過程后TC生成的變化趨勢,并探討了引起TC趨勢變化的可能環(huán)流因素。

目前，對TC月生成頻數(shù)及季節(jié)生成頻數(shù)的預(yù)測是十分值得研究的問題。TC活動往往受到多尺度過程的共同影響，生成指數(shù)中涉及的環(huán)流場物理量是影響TC形成最主要的物理因素，物理量的異常會較迅速地導(dǎo)致TC生成時空特征的異常[8]。

統(tǒng)計1979—2018年西北太平洋海域TC頻數(shù)發(fā)現(xiàn)（數(shù)據(jù)來自中國氣象局“CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”），西北太平洋全年各月均有TC生成，TC發(fā)生頻數(shù)主要集中在7—10月，占總數(shù)的70%，并在8月份達(dá)到峰值，占全年發(fā)生次數(shù)的21.2%。而2018年8月，西北太平洋海域活躍的TC和氣候態(tài)相比，數(shù)量明顯偏多。本文通過分析西北太平洋TC生成最敏感的因子異常的程度，及環(huán)流背景場的狀態(tài)，由此得出2018年8月TC頻數(shù)異常的可能機(jī)制，為提高西北太平洋TC生成頻數(shù)的預(yù)測能力提供參考。

表1 2018年8月份生成TC概況

2 資料與方法

本文采用的TC資料取自中國氣象局“CMASTI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”[18]。大氣與海洋數(shù)據(jù)資料來自ERA_Interim逐月再分析資料[19]，包括逐月相對濕度、相對渦度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、水汽通量、海表面溫度及位勢高度等，選取時間段為1979—2018年，水平空間分辨率為0.75°×0.75°。

本文使用的TC強(qiáng)度根據(jù)《熱帶氣旋等級》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T19201—2006）定義當(dāng)CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集中近洋面上的最大風(fēng)速首次達(dá)到或超過10.8 m/s的時刻，作為該TC的生成時刻，并把該時刻TC所處的經(jīng)緯度作為其生成位置。所采用的分析方法主要為相關(guān)分析方法、合成分析方法及天氣學(xué)分析方法。

根據(jù)Emanuel等[13]的定義：

式中：T1=|105η|3/2，其中，η指850 hPa絕對渦度，單位：/s；T2=（1+0.1Vshear）-2，Vshear指風(fēng)垂直切變，為850 hPa（代表對流層低層）和200 hPa（代表對流層高層）的緯向風(fēng)速之差，單位：m/s；T3=（H/50）3，H指600 hPa相對濕度，單位：%；T4=（Vpot/70）3，Vpot指臺風(fēng) MPI，單位：m/s，用海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）和200～850 hPa垂直風(fēng)切變（Vshear）來擬合得到[20]。

此外，由于絕對渦度為相對渦度和地轉(zhuǎn)渦度（即科氏力參數(shù)的絕對值）之和，而科氏力只與緯度有關(guān)，所以本文中直接選取了相對渦度進(jìn)行分析。

3 2018年8月熱帶氣旋數(shù)量異常特征

2018年8月，西北太平洋海域共生成9個TC，相比氣候態(tài)（1981—2010年8月TC平均生成數(shù)為5.77個，近10 a平均4.4個，近20 a平均5個）明顯多近一倍。其中，4個在我國沿海登陸，相比氣候態(tài)（30 a平均登陸2個，近10 a 1.8個，近20 a 1.85個）多一倍。

從表1和圖1可以看出，8月中旬的10 d中，先后有6個TC活躍，西北太平洋上呈現(xiàn)出多TC共存的現(xiàn)象，這在歷史上極為少見。

圖1 2018年8月份生成TC路徑

圖2 1979—2018年各因子與TC頻數(shù)的相關(guān)系數(shù)（陰影可通過信度95%的顯著性統(tǒng)計檢驗，黑色圓點(diǎn)為1979—2017年8月TC生成位置，綠色圓點(diǎn)為2018年8月TC生成位置）

4 影響熱帶氣旋生成的各因子分析

根據(jù)GPI指數(shù)中涉及的大尺度環(huán)流因子與熱力因子，本文首先比較了600 hPa相對濕度、850 hPa相對渦度、海表面溫度和風(fēng)垂直切變因子與8月TC生成頻數(shù)的相關(guān)關(guān)系（見圖2），發(fā)現(xiàn)600 hPa相對濕度因子、850 hPa相對渦度因子與TC生成頻數(shù)的顯著相關(guān)區(qū)與TC生成源地有很好的對應(yīng)，并都體現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究較為一致[8，21]。對于西北太平洋TC的生成，海洋熱能的正異常會起到積極的作用，但一般TC生成海域熱能條件均能滿足，熱力因子對TC生成頻數(shù)的影響顯著減弱[20]。而海表面溫度因子與8月TC生成頻數(shù)之間也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的正相關(guān)區(qū)域，反而在南海南部海域和中緯度地區(qū)出現(xiàn)負(fù)相關(guān)區(qū)域。從圖3a中可以看出2018年8月熱帶氣旋生成的絕大部分海域，海表面溫度表現(xiàn)為負(fù)距平場，因此2018年8月熱帶氣旋生成頻數(shù)偏多并不是由海表面溫度的異常引起。從海水混合層厚度（26℃等深面）對8月TC生成的影響來看，正異常是TC生成的有利條件，并且TC生成源地混合層厚度大于100 m（氣候態(tài)）時更有利于生成。但2018年8月，在大多數(shù)TC生成區(qū)域海水混合層厚度表現(xiàn)出負(fù)距平狀態(tài)（見圖3b），因此也排除了海水混合層厚度因子的異常對2018年8月熱帶氣旋生成頻數(shù)偏多的影響。綜上所述，海洋狀態(tài)可能不是影響TC生成的主要因素。垂直風(fēng)切變因子與TC生成頻數(shù)的顯著相關(guān)區(qū)與TC生成源地的集中區(qū)不吻合，此外，其北側(cè)（20°N、100°～150°E）區(qū)域存在與TC生成頻數(shù)的顯著正相關(guān)區(qū)，其內(nèi)的TC生成頻數(shù)也相當(dāng)可觀。高相關(guān)區(qū)與TC生成源地集中區(qū)的不一致意味著高低層緯向風(fēng)垂直切變因子的作用弱于渦度和濕度因子，這和吳勝安等[8]的研究結(jié)果一致。

針對600 hPa相對濕度因子、850 hPa相對渦度因子，選擇歷史上8月份生成頻數(shù)偏多年展開因子特征差異分析工作。另外，分析2018年8月因子的異常情況。文中TC生成頻數(shù)偏多年的選擇標(biāo)準(zhǔn)定義為標(biāo)準(zhǔn)差超過1.0的年份。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，對1979—2018年8月的TC頻數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差處理（見圖4），得到除2018年外的偏多年份4個，分別為1985年、1992年、1994年、2004年。

圖3 2018年8月距平場（黑色圓點(diǎn)為2018年8月TC生成位置）

圖4 1979—2018年8月生成TC頻數(shù)（圓點(diǎn)）及標(biāo)準(zhǔn)差（柱狀圖）

4.1 850 hPa相對渦度

根據(jù)圖2a，可以發(fā)現(xiàn)，南海、菲律賓以東（15°～25°N、125°～145°E）海域，存在顯著的正相關(guān)區(qū)域。1979—2017年8月TC生成位置多覆蓋在正相關(guān)區(qū)域內(nèi)，及正相關(guān)區(qū)域邊緣（相關(guān)梯度大值區(qū)）。南海海域最大相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.55，2018年1816號TC生成在此海域，菲律賓以東海域最大相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5，1814號、1815號、1819號生成在此海域，此外，1818號、1813號、1820號、1821號TC均生成在正相關(guān)區(qū)域邊緣。

圖5a為多年（1979—2018年）平均8月850 hPa相對渦度分布圖，及所有年8月TC生成位置，可以發(fā)現(xiàn)在中低緯度地區(qū)存在幾個明顯大值區(qū)，分別為南海中西部海域，臺灣島西北側(cè)及東南側(cè)，以及菲東海域，大值區(qū)和圖2a顯著相關(guān)區(qū)對應(yīng)較好，大部分TC生成在正渦度區(qū)，但中緯度負(fù)渦度區(qū)也仍有TC生成。圖5b為偏多年與多年（1979—2018年）平均8月850 hPa相對渦度差異圖，及偏多年8月TC生成位置，可以看到在20°～25°N，南海至臺灣以東到菲東海域存在相對渦度正距平區(qū)域，差值在0.1×10-4/s～1.5×10-4/s。對比圖5a和圖5b發(fā)現(xiàn)，偏多年TC生成位置和相對渦度正異常區(qū)域幾乎重合，證明850 hPa相對渦度的正異常是TC生成十分有利的因素。圖5c為2018年8月與多年（1979—2018年）平均850 hPa相對渦度的差異圖，及2018年TC生成位置，可以看出，和圖5b表現(xiàn)出相似的正異常區(qū)域，并且上述區(qū)域的850 hPa相對渦度正異常均較圖5b明顯。2018年8月TC的生成位置均位于正異常區(qū)域，平均正距平達(dá)到0.1×10-4/s，其中南海北部的1816號TC生成所在區(qū)域正距平超過0.25×10-4/s。2018年8月TC生成海域的850 hPa相對渦度比多年平均值偏高，也較偏多年平均值偏高，進(jìn)一步證明850 hPa相對渦度對TC的生成提供有力的背景動力環(huán)境條件支撐。

圖5 8月850 hPa相對渦度（單位：/s，黑色圓點(diǎn)為TC生成位置）

4.2 600 hPa相對濕度

根據(jù)圖 2b，可以發(fā)現(xiàn)，在 10°～20°N、100°～180°E地區(qū)，存在連續(xù)的顯著正相關(guān)區(qū)域，最大相關(guān)系數(shù)為0.48。1979—2017年8月TC生成位置多覆蓋在正相關(guān)區(qū)域內(nèi)，及正相關(guān)區(qū)域北側(cè)邊緣（相關(guān)梯度大值區(qū)）。2018年1816號TC生成位置和南海北部的顯著相關(guān)區(qū)對應(yīng)較好，1813號、1814號、1815號、1819號、1820號、1821號TC均位于菲律賓以東海域的相關(guān)區(qū)北側(cè)邊緣。

圖6a為多年（1979—2018年）平均8月600 hPa相對濕度分布圖，及所有年8月TC生成位置，可以發(fā)現(xiàn)從10°N附近向北至30°N附近，600 hPa相對濕度呈現(xiàn)出遞減的趨勢，TC的生成位置多集中在相對濕度50%～75%的范圍內(nèi)。圖6b為偏多年與多年（1979—2018年）平均8月600 hPa相對濕度差異圖，及偏多年8月TC生成位置，可以看到在南海北部海域（20°N附近）及菲律賓以東海域存在相對濕度正距平區(qū)域，量級低于6%。對比圖6a和圖6b發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)TC外，大部分偏多年TC生成位置和相對濕度正異常區(qū)域重合，證明600 hPa相對濕度的正異常也是TC生成十分有利的因素，但有利程度低于850 hPa相對渦度因子。圖6c為2018年8月600 hPa相對濕度與多年（1979—2018年）平均值的差異圖，及2018年8月TC生成位置，可以看出，10°～20°N之間，存在一條東西向的正距平區(qū)域，除1817號和1818號TC外，其余7個均對應(yīng)了600 hPa相對濕度偏高明顯的區(qū)域，差異值為8%～10%。對比圖6b和圖6c，不難看出2018年8月TC生成海域的600 hPa相對濕度比多年平均值偏高，也比偏多年平均值偏高，對TC的生成提供有力的背景熱力環(huán)境條件支撐。

圖6 8月600 hPa相對濕度（單位：%，黑色圓點(diǎn)為TC生成位置）

5 因子異常原因分析

通過生成指數(shù)中各因子的對比分析，我們基本確定了850 hPa相對渦度因子和600 hPa相對濕度因子對TC的生成提供有力的背景熱動力環(huán)境條件支撐，也發(fā)現(xiàn)某些年份兩因子的正異常造成了該年份8月TC偏多的現(xiàn)象。那么，是什么因素導(dǎo)致了兩因子的異常出現(xiàn)呢？為了進(jìn)一步探尋渦度和濕度因子異常的來源，接下來對2018年8月環(huán)境場進(jìn)行分析。

圖7 2018年8月500 hPa高度場異常圖（氣候態(tài)為1981—2010年。黃色陰影、藍(lán)色陰影區(qū)域分別代表位勢高度偏高、偏低區(qū)域，黑色實線代表1981—2010年氣候態(tài)8月位勢高度場，紅色實線代表2018年8月5 880位勢米高度線）

圖8 2018年8月850 hPa流場及風(fēng)速異常（紅色陰影區(qū)域代表風(fēng)異常值，單位：m/s）

5.1 850 hPa相對渦度異常分析及對TC頻數(shù)影響的物理機(jī)制

倪文琪等[22]發(fā)現(xiàn)，西北太平洋8月TC頻數(shù)和赤道、副熱帶區(qū)域500 hPa位勢高度有顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)西太平洋副高位置偏南時，TC生成頻數(shù)偏少。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，氣候態(tài)下副高西伸脊點(diǎn)位于135°E附近，脊線位置在30°N附近。2018年8月，副高明顯面積偏大，西伸脊點(diǎn)達(dá)到120°E附近，脊線位置達(dá)到30°N以北，呈現(xiàn)明顯偏西偏北的特征。此外，在南海北部海域為位勢高度負(fù)距平。

圖8是2018年8月850 hPa流場（黑色線）及緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)的異常（陰影）圖，選取的氣候態(tài)為1981—2010年。圖8a可以看出，在南海北部海域，存在一明顯的氣旋式環(huán)流，在北印度洋至我國南海到達(dá)菲律賓以東洋面的中低緯度海域上空，存在明顯的緯向風(fēng)異常，西風(fēng)較氣候態(tài)偏強(qiáng)。季風(fēng)槽主要位于南海北部至副高西南側(cè)，由東南氣流和偏西氣流交匯形成，位置偏北，呈現(xiàn)西北-東南走向。同時，季風(fēng)槽的位置和2018年8月兩因子正異常的區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系。

西北太平洋海域8月份處于東亞夏季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)[23]。圖8b可以看出，2018年8月，東亞主要存在3大系統(tǒng)：90°～120°E之間的向北越赤道氣流、南海-西北太平洋季風(fēng)槽、以及150°E以東的副高南側(cè)的偏東氣流。在孟加拉灣和南海海域，存在經(jīng)向風(fēng)異常，南風(fēng)較氣候態(tài)偏強(qiáng)。從印度洋來的偏西氣流以及孟加拉灣和南海海域的偏南氣流，在南海北部海域匯合后，形成長達(dá)數(shù)千公里低空急流。

Mcbride等[24]的研究結(jié)果表明，只有當(dāng)初始對流擾動移動到低層大于平均氣旋性渦度的大尺度環(huán)境中，才會有TC生成；能夠發(fā)展成為TC的云團(tuán)所處的環(huán)境場，與不發(fā)展的對流云團(tuán)相比，在其對流層低層1×104～2×104km尺度水平范圍內(nèi)，存在相對渦度的增強(qiáng)。低層輻合是決定對流是否產(chǎn)生的關(guān)鍵性因子。2018年8月低空急流的加強(qiáng)活動可以強(qiáng)迫低層輻合增強(qiáng)，使得TC生成頻數(shù)增多。同時，當(dāng)季風(fēng)槽西風(fēng)氣流加強(qiáng)時，地面的緯向氣壓梯度增強(qiáng)，導(dǎo)致了進(jìn)入季風(fēng)槽的氣流加速，并伴隨著季風(fēng)槽向極一側(cè)的副熱帶高壓脊同時加強(qiáng)，季風(fēng)槽北側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)烈東風(fēng)，增強(qiáng)氣旋性渦度，從而有利于TC的生成。

5.2 600 hPa相對濕度異常分析及對TC頻數(shù)影響的物理機(jī)制

Emanuel[25-26]，Rotunno等[27]的研究表明風(fēng)驅(qū)動的海氣熱量交換機(jī)制（Wind Induced Surface Heat Exchange，WISHE）是TC發(fā)展的根本原因。風(fēng)驅(qū)動從高溫的海洋表面吸收大量潛熱，導(dǎo)致邊界層高相當(dāng)位溫空氣的形成，高相當(dāng)位溫空氣向上輸送，在對流層中高層釋放熱量，導(dǎo)致高層溫度正的擾動。高層溫度擾動又增強(qiáng)了TC渦旋環(huán)流，從而進(jìn)一步增強(qiáng)風(fēng)驅(qū)動的海面潛熱通量，如此循環(huán)。海水溫度通過海氣交換過程造成低層空氣溫度升高，濕度也隨之顯著增大，對流層低層的相對濕度為TC中潛熱釋放提供所需的能量供應(yīng)。

圖9為2018年8月與氣候態(tài)（1981—2010年）平均水汽通量及其矢量的距平圖，可以看出，20°N附近有一條東-西走向的水汽通量異常高值帶，與風(fēng)向走向一致，最強(qiáng)中心在巴士海峽，達(dá)350 kg/（m·s），水汽輸送十分強(qiáng)盛。在副高的西南側(cè)，也存在一條由東向西的水汽通量異常高值區(qū)，在115°E附近轉(zhuǎn)向南輸送，在南海北部海域形成了氣旋式環(huán)流。2018年8月水汽輸送的異常使得15°～20°N區(qū)域的相對濕度明顯高于氣候態(tài)。Cheung[28]統(tǒng)計了1990—2001年共405個TC生成時500～700 hPa相對濕度的量值大小，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中層相對濕度達(dá)到70%～80%時，TC的生成頻數(shù)更多。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，15°～20°N區(qū)域多年平均的相對濕度處于65%～75%，而2018年8月該區(qū)域的相對濕度明顯增加，達(dá)到75%～85%，使得TC生成頻數(shù)偏多。

圖9 2018年8月水汽通量及其矢量距平圖（氣候態(tài)1981—2010年）（陰影區(qū)域代表水汽通量異常值，單位：kg（/m·s））

6 結(jié)論

本文為了研究2018年8月TC頻數(shù)偏多的原因，比較了TC生成參數(shù)中各因子與西北太平洋海域8月TC生成頻數(shù)的相關(guān)關(guān)系，分析了2018年8月850 hPa相對渦度與600 hPa相對濕度因子的異常情況，并從環(huán)境場探究南海北部海域因子異常的成因，得到以下結(jié)論：

（1）2018年8月，TC生成頻數(shù)較多年平均值多近一倍，生成時間集中；

（2）與TC生成參數(shù)中其他因子相比，850 hPa相對渦度和600 hPa相對濕度因子與西北太平洋海域8月TC生成頻數(shù)的相關(guān)關(guān)系最好；

（3）南海及菲律賓以東（15°～25°N、125°～145°E）區(qū)域的850 hPa相對渦度，和8月TC的生成有很好的正相關(guān)關(guān)系。2018年8月，TC生成位置均位于正異常區(qū)域，上述區(qū)域的850 hPa相對渦度與多年平均值平均正距平達(dá)0.1×10-4/s，最大正距平達(dá)0.25×10-4/s；

（4）10°～20°N、100°～180°E區(qū)域的600 hPa相對濕度，和8月TC的生成有很好的正相關(guān)關(guān)系。2018年8月，7個TC生成在正異常區(qū)域，上述區(qū)域的600 hPa相對濕度比多年平均值高8%～10%；

（5）2018年8月，副高位置偏西偏北、北印度洋至我國南海大范圍海域西風(fēng)異常、南海海域經(jīng)向風(fēng)異常、水汽通量正異常，以及季風(fēng)槽的位置決定了兩因子正異常的出現(xiàn)，觸發(fā)對流活動的增強(qiáng)，并通過WISHE機(jī)制為TC中潛熱釋放提供所需的能量供應(yīng)，最終導(dǎo)致TC生成頻數(shù)偏多。

本文從大尺度環(huán)流因子及熱力因子出發(fā)，針對西北太平洋海域2018年8月TC頻數(shù)偏多的特征原因進(jìn)行了探討，給出了2018年相關(guān)性較好因子的異常分析，并從環(huán)流場分析了因子異常的原因，對TC頻數(shù)的預(yù)測有一定的指導(dǎo)意義。但研究仍是初步的，對于相關(guān)性較好因子的可預(yù)報性及發(fā)生極端性改變的物理機(jī)制還有待于今后做更深入的研究。