基于引潮力的西北太平洋熱帶氣旋特征研究

李俊杰,范伶俐,曹寧

摘要 利用中國氣象局提供的西北太平洋臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5再分析資料、美國國家航空航天局（NASA）的HORIZONS系統(tǒng)天文資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了1949—2019年西北太平洋生成的熱帶氣旋路徑上各節(jié)點(diǎn)所受引潮力，并診斷引潮力與大氣環(huán)流之間的關(guān)系。結(jié)果表明：1）向上垂直引潮力越大，熱帶氣旋生成數(shù)越多、增強(qiáng)速度越快，同時(shí)向西移速增大。水平引潮力方位角與熱帶氣旋前進(jìn)方向接近時(shí)，垂直引潮力增強(qiáng)的效果更明顯。2）在西北太平洋熱帶氣旋活躍期（7—10月），向上的垂直引潮力有利于大氣的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致對(duì)流層中層（高層）輻合（輻散），形成有利于熱帶氣旋發(fā)展的環(huán)流配置結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 熱帶氣旋;引潮力;強(qiáng)度;移動(dòng)速度

天氣系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，洛倫茲早在1963年提出了“蝴蝶效應(yīng)”，認(rèn)為微小的變化能在非線性系統(tǒng)的長期發(fā)展中演化出巨大的連鎖效應(yīng)。日、月引潮力是由于日地、地月公轉(zhuǎn)而形成的力，其作用于海洋，就形成了潮汐。引潮力也能改變大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，李國慶和宗海鋒（2007）發(fā)現(xiàn)地球大氣的緯向風(fēng)速場、地球位勢高度場、日長（地球自轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間）都有27.3 d和13.6 d的周期振蕩，該震蕩周期與月球相位變化周期高度相關(guān)。天體引潮力相對(duì)于大氣中其他作用力雖較小，但也可以通過大氣內(nèi)部的作用，觸發(fā)不穩(wěn)定狀態(tài)或增強(qiáng)、減弱某些大氣活動(dòng)，進(jìn)而對(duì)天氣過程造成影響，某些氣象災(zāi)害、海洋災(zāi)害與引潮力的變化有較密切的相關(guān)性（韓延本等，2002）。

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）是生成于熱帶或副熱帶的一種強(qiáng)大的天氣系統(tǒng)，一直是備受關(guān)注的自然災(zāi)害之一（Camargo et al.，2010;何潔琳等，2012）。西北太平洋是臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū)，中國是沿岸國家乃至世界上少數(shù)幾個(gè)受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一（陸曉婕等，2018），臺(tái)風(fēng)登陸的地點(diǎn)幾乎遍及我國整個(gè)東部和南部沿海（李澤椿等，2020）。臺(tái)風(fēng)的破壞力極大，每年給我國造成很大的損失（周偉燦等，2015），如2012年臺(tái)風(fēng)“?？苯o浙江省帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失就超過了50億元人民幣（吳海英等，2015）。任振球（1975）研究日、月引潮力與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的關(guān)系，得到在朔望時(shí)刻特定區(qū)域內(nèi)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)或不減弱的結(jié)論。陳廣敘（1989）發(fā)現(xiàn)華南臺(tái)風(fēng)的“北翹”與引潮力有關(guān)，臺(tái)風(fēng)路徑在一定程度上受引潮力影響。Carpenter et al.（1972）指出在朔望時(shí)，臺(tái)風(fēng)生成和活動(dòng)更加頻繁。目前對(duì)于熱帶氣旋生成、加強(qiáng)、移動(dòng)等方面的研究已較為成熟，但從天體引潮力角度探究日、月引潮力對(duì)熱帶氣旋的影響并不多見。研究日、月引潮力對(duì)熱帶氣旋的影響，探索引潮力對(duì)熱帶氣旋的影響規(guī)律，有利于提高熱帶氣旋預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

1 資料和方法

資料包括：1）熱帶氣旋資料來自上海臺(tái)風(fēng)研究所制作的最佳路徑數(shù)據(jù)集（Ying et al.，2014;Lu et al.，2021），包括1949—2019年西北太平洋海域熱帶氣旋每6 h的位置和強(qiáng)度。2）環(huán)流分析使用1950—2019年各年7—10月歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5再分析資料，范圍為100°～180°E、0°～50°N的西北太平洋區(qū)域，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h。3）天文資料來自美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA， Jet Propulsion Laboratory）的HORIZONS系統(tǒng)，包含太陽、月球的赤道坐標(biāo)、地心黃道坐標(biāo)和距離等資料，時(shí)間范圍為1949—2019年，每1 h一次。

2 方法

2.1 引潮力的計(jì)算

引潮力是指地球上單位質(zhì)量物體受到的來自月球的萬有引力和圍繞地月質(zhì)心旋轉(zhuǎn)受到的離心力的合力（王琳琳等，2021）。前者需計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)到月球距離，根據(jù)萬有引力定律即可得到月球?qū)υ擖c(diǎn)的萬有引力，其方向指向月心;后者大小與月球?qū)Φ匦奶巻挝毁|(zhì)量物體的萬有引力相同，方向由月心指向地心。同理，太陽對(duì)地球也產(chǎn)生引潮力，日、月兩者形成的引潮力共同作用于地球上的物體。

月下點(diǎn)是指某一時(shí)刻地心與月心連線，在靠近月球一側(cè)，與地球表面相交的點(diǎn)，因?yàn)樵虑蛐纬傻囊绷ρ氐卦逻B線呈軸對(duì)稱分布，因此在地表上任意一點(diǎn)受到來自月球的引潮力，是該點(diǎn)與月下點(diǎn)的地心夾角的函數(shù)。令目標(biāo)點(diǎn)P經(jīng)度為λ，緯度為;月下點(diǎn)經(jīng)度為λm，緯度為m，則由幾何關(guān)系可推導(dǎo)出兩點(diǎn)間地心夾角α為：

α=cosφ·cosφm·cos（λ-λm）+sinφ·sinφm。（1）

令點(diǎn)P到月心距離為d，地心至月心距離為r，地球半徑為R，則點(diǎn)P處的慣性離心力f為：

f=GMmr2。（2）

點(diǎn)P受到月球的萬有引力h為：

h=GMmd2。（3）

其中：G為引力常數(shù);Mm為月球質(zhì)量。

通過余弦定理可得：

d2=r2+R2-2Rrcosα。（4）

對(duì)式（2）與（3）中兩力進(jìn)行水平和垂直方向上的分解再合成，可得到分解后的引潮力F：

Fh=GMmsinαrd3-1r2，

Fv=-GMmd2+R2-r22d3R+cosαr2。（5）

水平引潮力為正值時(shí)指向月下點(diǎn)，為負(fù)值時(shí)指向地心月心連線在地表上遠(yuǎn)離月球一側(cè)的交點(diǎn)，即月下點(diǎn)關(guān)于地心的對(duì)稱點(diǎn)。水平引潮力方向使用兩點(diǎn)間方位角公式計(jì)算：

θ=atan2（sin（λ-λm）·cosφm，cosφ·sinφm-sinφ·cosφm·cos（λ-λm））。（6）

其中：atan2為編程語言計(jì)算方位角的函數(shù)。

同理，得到太陽對(duì)地球產(chǎn)生的引潮力，并計(jì)算日、月兩者引潮力的合力，得到最終的引潮力。

2.2 月相的計(jì)算

月相指從地球上看到月球被照亮部分的變化情況（趙君亮，2008）。計(jì)算時(shí)定義為月球與太陽的地心黃經(jīng)（下文簡稱黃經(jīng)）差值，單位為度。月相0°時(shí)為朔（新月）;90°時(shí)為上弦月;180°時(shí)為望（滿月）;270°時(shí)為下弦月;360°為朔，以此循環(huán)，周期約為29.5 d，一次循環(huán)稱為一個(gè)朔望月。朔望時(shí)引潮力較大。

2.3 頻率校正

各類天文變量，都有自己的頻率分布特征，如，水平引潮力指向北邊時(shí)，熱帶氣旋出現(xiàn)的概率較小，而指向其他方向時(shí)概率更大，若單純統(tǒng)計(jì)在各個(gè)方向發(fā)生的事件數(shù)，會(huì)由于概率差別大導(dǎo)致事件數(shù)相差太多。因此，為了便于各個(gè)方向上的比較，將各方向上的事件數(shù)除以該方向的頻率，以消除概率的影響。具體方法為：將某天文變量的取值范圍[a，b]，等組距分為n組，統(tǒng)計(jì)該變量出現(xiàn)在各組的頻率;接著，按照相同分組，統(tǒng)計(jì)發(fā)生于各組的熱帶氣旋事件數(shù);然后，將熱帶氣旋事件數(shù)除以這個(gè)天文變量在該組的出現(xiàn)頻率，再除以組數(shù)n，得到各組中出現(xiàn)的熱帶氣旋的相對(duì)事件數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行相互比較。

3 引潮力特征

分析引潮力的特征，是研究引潮力與熱帶氣旋關(guān)系的基礎(chǔ)。地球表面上受到的引潮力，是來自太陽和月亮兩者引潮力的合力（李啟成等，2008）。圖1為地月位置示意，其中角η為黃白交角，在4°51′至5°9′之間變化。由于地球自轉(zhuǎn)，長時(shí)間下引潮力大小和方向在緯向上分布都是均勻的，而由于黃赤交角、黃白交角、月球軌道進(jìn)動(dòng)等原因，使引潮力在經(jīng)向上分布不均，形成如低緯地區(qū)引潮力比高緯地區(qū)更大、高緯地區(qū)引潮力總是指向偏南方向等現(xiàn)象。

圖2為1949—2019年8—9月西北太平洋所有熱帶氣旋平均位置（134.3°E，20.7°N）處引潮力變化情況，熱帶氣旋平均位置是指1949—2019年所有西北太平洋熱帶氣旋路徑節(jié)點(diǎn)的均值。圖2a為3 d內(nèi)引潮力大小變化情況，圖2b為其對(duì)應(yīng)的引潮力方位角和高度角。由圖2a可見引潮力及其水平、垂直分量的大小變化都有約0.5 d的周期（半日潮），其周期約為半個(gè)太陰日（約12小時(shí)25分）。圖2b可見，當(dāng)引潮力方位角偏北時(shí)，引潮力高度角變大，使垂直引潮力增大。這是因?yàn)?，月球赤緯（緯度在天球上的投影）隨時(shí)間變化存在兩個(gè)周期，一是約13.7 d，是月球在南北半球上空經(jīng)向運(yùn)動(dòng)的周期;二是約18.6 a，是月球在經(jīng)向運(yùn)動(dòng)中達(dá)到最大值的變化周期，其赤緯的極大值范圍在18.60°～28.5°。月球赤緯極大值范圍與熱帶氣旋活動(dòng)區(qū)域緯度接近，當(dāng)月球赤緯大于熱帶氣旋所處緯度時(shí)，月球位于熱帶氣旋偏北方上空，引潮力方位角偏北，此時(shí)月球已接近其赤緯極值，不能再繼續(xù)向北運(yùn)動(dòng)，因此月球位于熱帶氣旋偏北方高仰角的位置，或者說熱帶氣旋離月下點(diǎn)較近。故引潮力方位角相對(duì)于熱帶氣旋偏北時(shí)，月球?qū)τ跓釒庑母叨冉禽^大，使得垂直引潮力也較大。由圖2c可見，8—9月引潮力有周期為半個(gè)朔望月的變化（約14.75 d），朔望時(shí)，引潮力有極大值。

4 熱帶氣旋生成

4.1 月相與熱帶氣旋生成數(shù)的關(guān)系

對(duì)1949—2019年在西北太平洋生成的熱帶氣旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到多年平均的各月熱帶氣旋生成數(shù)分布（圖3）。其中，熱帶氣旋生成最少為2月，僅0.35個(gè)/a;最多為8月，為7.21個(gè)/a。7—10月占全年熱帶氣旋生成的絕大部分，是熱帶氣旋生成盛期。

圖4為1949—2019年經(jīng)頻率校正后的熱帶氣旋生成數(shù)與月相的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，0°表示朔（新月），180°表示望（滿月）。由圖4a可見，在月相尚未到新月之前，熱帶氣旋生成數(shù)逐漸增加，新月時(shí)生成數(shù)驟減，月相為10°時(shí)生成數(shù)最少;月相略小于180°、270°時(shí)存在極小值，月相約290°時(shí)出現(xiàn)最大值。望-朔（月相180°～360°）期間，熱帶氣旋生成數(shù)比朔-望（月相0°～180°）更多。圖4b是將180°～360°重疊至180°～0°后的結(jié)果，圖中可見，月相為100°～110°時(shí)，熱帶氣旋生成數(shù)最少，而上（下）弦月附近（月相為140°～150°），熱帶氣旋生成數(shù)最多。

一般認(rèn)為，引潮力在新月與滿月時(shí)達(dá)到最大，上（下）弦月時(shí)最?。ɡ钏升g和陳征宙，2010），但在新月或滿月時(shí)，面向月球或背向月球方向的地方，所受引潮力的垂直方向上的分量最大，而與月球方向垂直的地方，其引潮力垂直方向分量最小（劉全穩(wěn)等，2001）。因此要討論引潮力對(duì)熱帶氣旋生成的影響，不能只使用月相來代表引潮力。

4.2 引潮力與熱帶氣旋生成的關(guān)系

對(duì)1949—2019年的熱帶氣旋生成時(shí)受到的引潮力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各熱帶氣旋的生成位置與時(shí)間，均采用熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集中該熱帶氣旋路徑的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示。同時(shí)以所有熱帶氣旋生成點(diǎn)的平均位置，作為計(jì)算引潮力頻率校正的地點(diǎn)。將引潮力分解為垂直分量和水平分量，垂直分量，向上為正，用方位角表示水平引潮力的指向，同時(shí)還引入引潮力未分解時(shí)的高度角，從引潮力大?。ù怪焙退椒至浚?、方位和高度角四個(gè)維度來分析熱帶氣旋生成數(shù)與引潮力的關(guān)系。

圖5a為熱帶氣旋生成數(shù)與垂直引潮力的關(guān)系，當(dāng)垂直引潮力為負(fù)值，即垂直引潮力方向向下時(shí)，生成數(shù)先升后減，在約-0.5 μN(yùn)處有生成數(shù)極大值，之后減至0;當(dāng)引潮力為0～0.6 μN(yùn)時(shí)，生成數(shù)變化不大，0.6～1.1 μN(yùn)隨著引潮力增加，生成數(shù)也持續(xù)增加，大于1.2 μN(yùn)后熱帶氣旋生成數(shù)逐漸減少。圖5b為水平引潮力，隨著水平引潮力大小的增加，熱帶氣旋生成數(shù)呈現(xiàn)高-低-高的階段式變化特征。水平引潮力為0時(shí)，熱帶氣旋生成的概率極低，當(dāng)水平引潮力為0～0.1 μN(yùn)時(shí)，熱帶氣旋生成數(shù)迅速增加，0.1～0.5 μN(yùn)生成數(shù)較多，0.5～0.9 μN(yùn)相對(duì)較少，為0.9～1.25 μN(yùn)時(shí)生成數(shù)逐步增多、約1.25 μN(yùn)處達(dá)到最大，隨后迅速減少。

圖5c為水平引潮力方位角與熱帶氣旋生成數(shù)關(guān)系，當(dāng)引潮力指向偏北時(shí)熱帶氣旋生成較多，偏南時(shí)生成較少。熱帶氣旋在西北方向和東北偏北方向生成數(shù)最多，南和西南方向生成數(shù)最少。從圖5d的引潮力在垂直和水平方向上的分布來看，生成數(shù)較多的西北-東北方向，垂直引潮力大而水平引潮力小;生成數(shù)較少的偏南方向，則垂直引潮力小而水平引潮力大;在正東正西附近，垂直引潮力達(dá)到最小，但生成數(shù)并不少。圖5e為引潮力高度角與熱帶氣旋生成數(shù)關(guān)系，隨著高度角的增加，生成數(shù)也逐漸增加，高度角接近最?。ㄗ畲螅┲禃r(shí)，生成數(shù)也迅速減小（增大）。

綜上，當(dāng)垂直引潮力方向向下且較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的水平引潮力較大，有利于熱帶氣旋生成，這類情況大多出現(xiàn)在水平引潮力指向東和西時(shí);當(dāng)垂直引潮力方向向上且較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的水平引潮力較小，最有利于熱帶氣旋生成，這類情況大多出現(xiàn)在水平引潮力指向西北-東北方向;當(dāng)垂直引潮力向上但較小，且水平引潮力也不大時(shí)，不利于臺(tái)風(fēng)生成，這類情況下水平引潮力大多指向南方。同時(shí)，垂直引潮力越大，越有利于熱帶氣旋生成，垂直引潮力向下較大時(shí)，對(duì)熱帶氣旋生成有抑制作用。

5 熱帶氣旋強(qiáng)度

5.1 引潮力與熱帶氣旋強(qiáng)度變化的關(guān)系

為研究引潮力與熱帶氣旋強(qiáng)度變化的關(guān)系，以熱帶氣旋中心最低氣壓每小時(shí)變化量（ΔP）表示其強(qiáng)度變化，ΔP>0表示熱帶氣旋減弱，ΔP<0表示增強(qiáng)。圖6a為垂直引潮力與平均強(qiáng)度變化的關(guān)系。當(dāng)垂直引潮力在為-0.7～-0.2 μN(yùn)時(shí)，ΔP>0，熱帶氣旋減弱，其余情況則增強(qiáng)。垂直引潮力由-1.0增至-0.7 μN(yùn)時(shí)，熱帶氣旋略有增強(qiáng)，當(dāng)垂直引潮力大于-0.2 μN(yùn)時(shí)，垂直引潮力越大，熱帶氣旋增強(qiáng)越快。圖6b為水平引潮力，可見當(dāng)水平引潮力小于1.08 μN(yùn)時(shí)，ΔP<0，熱帶氣旋增強(qiáng);大于1.08 μN(yùn)時(shí)，ΔP>0，熱帶氣旋減弱。水平引潮力小于0.8 μN(yùn)時(shí)，ΔP隨水平引潮力大小的變化不明顯，大于0.8 μN(yùn)后，兩者呈較明顯正相關(guān)關(guān)系。

圖6c為水平引潮力方位角與熱帶氣旋強(qiáng)度變化關(guān)系，當(dāng)引潮力指向偏北方向時(shí)，熱帶氣旋強(qiáng)度加強(qiáng)較快，指向偏南方向時(shí)加強(qiáng)較慢，引潮力指向西南方向至東南方向時(shí)，出現(xiàn)熱帶氣旋減弱的情況。當(dāng)引潮力方位角從西向北或從東向北變化時(shí)，熱帶氣旋加強(qiáng)速度較大，指向?yàn)槲鞅?東北時(shí)，加強(qiáng)速度最快。圖6d顯示，引潮力方位角偏南時(shí)，水平引潮力較大，垂直引潮力較小，偏北方向則相反。引潮力方位角由西向北或從東向北變化時(shí)，垂直引潮力迅速增大，且在西北至東北方向達(dá)到最大。圖6e也反映了相同的結(jié)果，當(dāng)引潮力向上高度角越高時(shí)，垂直分量越大，熱帶氣旋增強(qiáng)越快，當(dāng)引潮力指向下時(shí)，熱帶氣旋強(qiáng)度減弱，高度角向下超過70°時(shí)，也有利于熱帶氣旋增強(qiáng)。

由此可見，向上的垂直引潮力越大時(shí)，越有利于熱帶氣旋增強(qiáng)，而向下的引潮力，有利于熱帶氣旋減弱。相比于指向南方，當(dāng)水平引潮力指向偏北方向時(shí)，垂直引潮力更大，更有利于熱帶氣旋的增強(qiáng)。

5.2 不同引潮力與熱帶氣旋前進(jìn)方向夾角下熱帶氣旋強(qiáng)度變化與引潮力關(guān)系

熱帶氣旋前進(jìn)的方向與水平引潮力方位角之間的夾角大小變化，也可能使引潮力對(duì)熱帶氣旋產(chǎn)生不同的影響。圖7為熱帶氣旋前進(jìn)方向與水平引潮力方位角的夾角分類示意，圖中箭頭為熱帶氣旋前進(jìn)方向，按照兩者之間的夾角大小，即引潮力方位角落到的區(qū)域，分為四種類型：0°～45°、45°～90°、90°～135°和135°～180°，四類情況分別對(duì)應(yīng)圖中的紅色、橙色、綠色和藍(lán)色線。并以此分類，分析不同情況下引潮力對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的影響（圖8）。

圖8a為垂直引潮力與熱帶氣旋強(qiáng)度變化關(guān)系，四類情況整體上變化趨勢一致。第一類[0，45） 夾角較?。t色線），此時(shí)垂直引潮力越大越利于熱帶氣旋加強(qiáng);第二類[45， 90）夾角（橙色線），在垂直引潮力小于-0.3 μN(yùn)時(shí)，熱帶氣旋開始減弱;第三類[90， 135）夾角（綠色線），當(dāng)垂直引潮力小于0.3μN(yùn)時(shí)熱帶氣旋開始減弱;第四類[135， 180）夾角（藍(lán)色線），在垂直引潮力大于零后，不像其他三類垂直引潮力越大熱帶氣旋增強(qiáng)越快，而是增強(qiáng)較弱。值得注意的是在向下的垂直引潮力較大時(shí)，除第二類外，其余三種情況都會(huì)使熱帶氣旋增強(qiáng)。圖8b為水平引潮力，四類情況變化趨勢大致相同。第一類情況下，熱帶氣旋加強(qiáng)或減弱速度能達(dá)到最大，其他三類情況則變化幅度較小;第二類與第三類大致相同，第二類開始減弱的位置約在1.3 μN(yùn)，第三類則是在1.2 μN(yùn);第四類在水平引潮力大于約0.9 μN(yùn)后，熱帶氣旋開始減弱，在此之前，與第二類、第三類相同，熱帶氣旋增強(qiáng)速度較小。

圖8c為水平引潮力方位角與熱帶氣旋強(qiáng)度變化關(guān)系。水平引潮力指向西北方向時(shí)，第一、第二類情況熱帶氣旋增強(qiáng)，第三、第四類情況減弱，第一類增強(qiáng)最快，第四類減弱最快;指向?yàn)闁|北方向時(shí)，第三類情況增強(qiáng)速度達(dá)到最大，其次是第二類、第一類;而當(dāng)指向?yàn)闁|-南時(shí)，第四類情況下熱帶氣旋增強(qiáng)最快，其余情況大都是減弱;指向從南-西北時(shí)，第四類情況下熱帶氣旋減弱速度達(dá)到最大，第三類情況先增強(qiáng)后減弱，其余情況則增強(qiáng)?？梢姡趭A角大小不同的情況下，水平引潮力指向與熱帶氣旋強(qiáng)度變化在各方位上的表現(xiàn)有較大差異。圖8d為熱帶氣旋前進(jìn)方位角與其強(qiáng)度變化關(guān)系，當(dāng)熱帶氣旋前進(jìn)方位角為東-南-西北向時(shí)，四類情況下的強(qiáng)度變化都相差不大，從西北-西南，熱帶氣旋增強(qiáng)速度逐漸減小，從西北-東北，熱帶氣旋強(qiáng)度減弱速度逐漸加快，在東北方向達(dá)到最大。第一類情況在從東至西北方向上，與其余幾類情況有明顯不同：減弱的速度更慢，且增強(qiáng)速度更大。在東-西北方位上，熱帶氣旋強(qiáng)度變化速度從增強(qiáng)到減弱順序?yàn)榈谝活愔恋谒念?，說明夾角越小，越有利于熱帶氣旋增強(qiáng)。圖8e為引潮力高度角與熱帶氣旋強(qiáng)度變化的關(guān)系，高度角越大，強(qiáng)度增強(qiáng)越快。當(dāng)高度角大于0時(shí)，第一類最先開始增強(qiáng)，第三類隨著高度角的增加，增強(qiáng)速度最大。當(dāng)高度角小于0時(shí)，第二類和第三類情況下熱帶氣旋持續(xù)減弱，而第一類和第四類在高度角向下達(dá)到一定角度后，熱帶氣旋增強(qiáng)。

綜上，當(dāng)引潮力方位角與熱帶氣旋前進(jìn)方向接近時(shí)，非常有利于熱帶氣旋增強(qiáng)，垂直引潮力對(duì)強(qiáng)度增加的效果被放大，方向相反時(shí)，有利于熱帶氣旋減弱。當(dāng)熱帶氣旋向北運(yùn)動(dòng)時(shí)，若引潮力方位角與運(yùn)動(dòng)方向接近，則可快速增強(qiáng)，反之則減弱。

6 引潮力與熱帶氣旋移動(dòng)速度關(guān)系

圖9為引潮力與熱帶氣旋移動(dòng)速度關(guān)系，將熱帶氣旋的移動(dòng)速度（綠色線）分為向北分量（藍(lán)色線）與向西分量（紅色線）。圖9a可見，當(dāng)垂直引潮力變大時(shí)，熱帶氣旋平均移動(dòng)速度逐漸減小，向下的垂直引潮力達(dá)到最大時(shí)，熱帶氣旋平均移動(dòng)速度最快，且隨著向下的垂直引潮力減小，平均移動(dòng)速度也迅速減小。平均速度的向北分量與平均速度變化一致，但平均速度的向西分量則隨著垂直引潮力的增加而逐漸增大，與平均速度變化趨勢相反。圖9b可見水平引潮力與熱帶氣旋速度的關(guān)系，水平引潮力在0.0～1.3 μN(yùn)取值時(shí)，平均速度、平均速度向北分量隨著的水平引潮力的增大而緩慢增大，在水平引潮力大于1.3 μN(yùn)后快速減小，而平均速度的向西分量則呈現(xiàn)“增減增”的特征，水平引潮力在0.85 μN(yùn)時(shí)，向西分量達(dá)到最小，水平引潮力大于1.3 μN(yùn)后快速增大。從圖9c可以看出，水平引潮力方位角偏北時(shí)，熱帶氣旋平均移動(dòng)速度較慢，平均速度關(guān)于正北-正南連線對(duì)稱分布，在正北方向附近達(dá)到最小。向北平均速度與向西平均速度在南北方向上的分布接近相反，在引潮力方位角偏北時(shí)，向北平均速度較小，向西平均速度則較大，方位角偏南時(shí)相反。圖9d可見，引潮力高度角變大時(shí)，向西平均速度也變大，而平均速度與向北平均速度變小，與在垂直引潮力下的變化趨勢相同。

因此，水平引潮力方位角偏北、垂直引潮力較大時(shí)熱帶氣旋向西加速，向北減速，使熱帶氣旋路徑偏西。

7 引潮力與大氣環(huán)流的關(guān)系

7.1 引潮力與垂直速度的關(guān)系

分析表明，垂直引潮力對(duì)熱帶氣旋增強(qiáng)有明顯的作用，這可能與垂直向上的引潮力有利于大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)熱帶氣旋的生成與發(fā)展有關(guān)。因ERA5再分析資料時(shí)間范圍從1950年開始，故選取1950—2019年熱帶氣旋活躍期7—10月的ERA5逐小時(shí)再分析資料，進(jìn)行相關(guān)機(jī)理分析。選取ERA5資料中100°E～180°、0°～50°N的西北太平洋海域，1950—2019年逐年7—10月逐日925 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa高度的垂直速度資料，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°，統(tǒng)計(jì)各格點(diǎn)受到不同引潮力作用時(shí)的平均垂直速度（圖10）。在不同引潮力的特征下，西北太平洋海域在不同高度層的向上垂直速度，最小值在925 hPa上，其次為850 hPa，700 hPa與500 hPa上垂直速度相差不大。圖10a為垂直引潮力與熱帶氣旋垂直速度關(guān)系圖，垂直引潮力與向上的垂直速度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)引潮力小于0.1 μN(yùn)時(shí)，垂直速度隨垂直引潮力的增大而迅速增大，當(dāng)引潮力為0.1～0.6 μN(yùn)時(shí)，垂直速度變化平緩，當(dāng)引潮力大于0.6 μN(yùn)后，向上垂直速度快速增大，高度越高，增速越快。垂直引潮力向下且較大時(shí)，925 hPa低層的垂直速度甚至是向下的。圖10b為水平引潮力與垂直速度關(guān)系分布，兩者關(guān)系不如垂直引潮力那么明顯，925 hPa和850 hPa上，隨著水平引潮力增大，垂直速度緩慢變小，700 hPa和500 hPa上則緩慢增加。圖10c為水平引潮力方位角與垂直速度關(guān)系，方位角偏北時(shí)，向上垂直速度較大，偏南時(shí)較小，各層都在正南方向，向上垂直速度達(dá)到最小。同時(shí)，偏西比偏東向上垂直速度更大，西北方向的向上垂直速度達(dá)到最大。圖10d為引潮力高度角與垂直速度的關(guān)系，與垂直引潮力結(jié)論一致，高度角越高時(shí)，垂直引潮力越大，大氣中向上的垂直速度越大，高度角達(dá)到約70°～80°時(shí)，向上的垂直速度最大。除500 hPa在引潮力高度角為-50°至-90°時(shí)隨著高度角增加而向上垂直速度減小外，其余情況下，兩者均呈現(xiàn)正相關(guān)。

綜上所述，除水平引潮力外，越到高層，垂直速度對(duì)引潮力的作用越敏感，在引潮力作用下變化幅度更大。垂直引潮力增大時(shí)，向上的垂直速度也增大，尤其是大于0.6 μN(yùn)后，向上垂直速度快速增加，同時(shí)，偏西偏北的引潮力方位角也有利于向上垂直速度的增大。

7.2 引潮力與散度的關(guān)系

在熱帶氣旋的生成與發(fā)展過程中，大氣環(huán)流的散度是其中一個(gè)重要的因子，因此選擇與垂直速度資料格式相同的ERA5中的散度資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖11）。

圖11a為垂直引潮力與散度關(guān)系圖，925 hPa高度上垂直引潮力與散度關(guān)系呈現(xiàn)“W”形式，在1.0 μN(yùn)處散度最小;850 hPa上隨著垂直引潮力的增加，散度先增加后減小，在0.6 μN(yùn)處散度最大;700 hPa上散度隨垂直引潮力增加而單調(diào)減少;500 hPa上散度變化幅度比其他高度小，隨垂直引潮力增大，散度呈現(xiàn)略微增加的趨勢。圖11b為水平引潮力與散度關(guān)系圖，各等壓面上，散度隨水平引潮力的變化都較小。圖11c為水平引潮力方位角與散度關(guān)系圖，水平引潮力方位角偏北時(shí)，925 hPa和500 hPa上散度比方位角偏南時(shí)大，水平引潮力方位角為西北向時(shí)850 hPa散度最大，引潮力方位角為南向時(shí)700 hPa散度最大。引潮力方位角向西時(shí)，925 hPa和850 hPa上散度均達(dá)到最小。圖11d為引潮力高度角與散度的關(guān)系，隨著引潮力高度角增加，850 hPa上散度也增加，925 hPa和700 hPa上散度則減小，500 hPa上散度先增后減，但變化幅度較小。

綜上，散度對(duì)水平引潮力不敏感，而對(duì)垂直引潮力敏感。不同等壓面上，在垂直引潮力增大后，中層輻合增強(qiáng)，高層輻散略微增強(qiáng)，形成有利于熱帶氣旋生成和發(fā)展的環(huán)流結(jié)構(gòu)。

7.3 引潮力與西太平洋副熱帶高壓的關(guān)系

西北太平洋熱帶氣旋的生成與發(fā)展過程中，西太副高的強(qiáng)度是其中一個(gè)重要的因子。因此選擇與垂直速度、散度資料格式相同的ERA5中的500 hPa高度場資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖12）。根據(jù)中國氣象局《西太平洋副熱帶高壓監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定》，定義西太副高強(qiáng)度指數(shù)為10°N以北、110°E～180°范圍內(nèi)，500 hPa高度場上所有大于等于588 dagpm的格點(diǎn)所圍成的面積與該格點(diǎn)高度值減去587 dagpm差值的乘積的總和。指數(shù)越大，表明西太副高面積越大，強(qiáng)度越高。

圖12a為垂直引潮力與副高強(qiáng)度指數(shù)關(guān)系，整體上副高強(qiáng)度指數(shù)隨垂直引潮力增大而增大，在垂直引潮力為0、1 μN(yùn)時(shí)有較大極大值。圖12b為水平引潮力，除水平引潮力極大或極小時(shí)副高強(qiáng)度指數(shù)極小外，整體趨勢也是強(qiáng)度指數(shù)隨水平引潮力增大而增大。圖12c為引潮力方位角與副高強(qiáng)度指數(shù)關(guān)系，因使用副高強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算區(qū)域中心點(diǎn)（145°E，30°N）處計(jì)算引潮力，因此引潮力方位角偏北概率很低，使得圖12c中方位角與強(qiáng)度指數(shù)曲線不連續(xù)。方位角偏南時(shí)，副高強(qiáng)度指數(shù)比偏北高，且東南方向比西南方向更高。圖12d為引潮力高度角與副高強(qiáng)度指數(shù)關(guān)系圖，可見當(dāng)高度角為0時(shí)，強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到最高;當(dāng)高度角為-90°時(shí)，強(qiáng)度指數(shù)也達(dá)到最低。引潮力高度角從0開始向上增加時(shí)，強(qiáng)度指數(shù)逐漸降低，但降低速度比高度角為負(fù)時(shí)慢。

綜上所述，引潮力與西太副高強(qiáng)度指數(shù)存在較明顯的關(guān)系，引潮力較大時(shí)，尤其是垂直引潮力較大時(shí)，西太副高強(qiáng)度較高，有利于熱帶氣旋加強(qiáng)與向西移動(dòng);引潮力方向向下時(shí)，西太副高強(qiáng)度較低，西太副高整體面積較小較弱，也不利于熱帶氣旋發(fā)展。

8 討論和結(jié)論

前期的研究中，使用月相來表示日、月引潮力的作用效果，并用于分析其與大氣運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，大都是對(duì)某幾個(gè)氣象事件進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)意義方面的結(jié)果很少。而本研究通過計(jì)算西北太平洋熱帶氣旋生命過程中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的引潮力，將研究重點(diǎn)放在了統(tǒng)計(jì)1949—2019年引潮力與熱帶氣旋之間的關(guān)系上。通過分析得到的主要結(jié)論如下：

1）引潮力的垂直分量，對(duì)于熱帶氣旋的生成和發(fā)展有較強(qiáng)的影響。向上的垂直引潮力越大，越有利于熱帶氣旋的生成、增強(qiáng)和向西加速;向下的垂直引潮力較大時(shí)，則不利于熱帶氣旋的生成、增強(qiáng)和向西加速。引潮力的水平分量大小對(duì)熱帶氣旋影響并不明顯，而其方位角與熱帶氣旋的關(guān)系顯著，方位角偏北時(shí)，有利于熱帶氣旋的生成、增強(qiáng)和向西加速。同時(shí)，若方位角與熱帶氣旋前進(jìn)方向相近，則熱帶氣旋增強(qiáng)更快;若方位角與前進(jìn)方向相反，則熱帶氣旋增強(qiáng)較慢。這是因?yàn)?，?dāng)月球視赤緯（緯度在天球上的投影）極大值略大于熱帶氣旋所處緯度時(shí)，引潮力指向北，且此時(shí)熱帶氣旋離月下點(diǎn)較近，故引潮力高度角增大，從而使垂直引潮力增大?？梢哉f，當(dāng)月球視赤緯與熱帶氣旋緯度接近時(shí)，將有利于熱帶氣旋發(fā)展。

2）引潮力與熱帶氣旋的關(guān)系，可能是通過引潮力對(duì)大氣的作用而形成的。垂直引潮力越大，則越有利于大氣中的上升運(yùn)動(dòng)，在越高的高度上，垂直速度對(duì)垂直引潮力越敏感;對(duì)流層中層散度也隨著引潮力增加而減小，高層則增大，同時(shí)在較大的垂直引潮力下，西太副高強(qiáng)度增大，形成了有利于熱帶氣旋發(fā)展的環(huán)流配置結(jié)構(gòu)。

由此可見，引潮力對(duì)西北太平洋熱帶氣旋的生成產(chǎn)生顯著影響，引潮力可以成為一個(gè)很好的預(yù)測因子應(yīng)用于西北太平洋熱帶氣旋的氣候預(yù)測中。

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Characteristics of tropical cyclone on Northwest Pacific based on tidal force

LI Junjie1，F(xiàn)AN Lingli1，2，3，CAO Ning1，2，3

1College of Ocean and Meteorology， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China;

2Key Laboratory of Climate， Resources and Environment in Continental Shelf Sea and Deep Sea of Department of Education of Guangdong Province， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China;

3CMA-GDOU joint laboratory for Marine meteorology， Zhanjiang 524088，China

Using the optimum path dataset of typhoons in the Northwest Pacific provided by China Meteorological Administration， the ERA5 reanalysis data of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts （ECMWF） and the astronomical data of the HORIZONS system of NASA， the tidal force on each node of the tropical cyclone path generated in the Northwest Pacific from 1949 to 2019 was analyzed by statistical method， and the relationship between tidal force and atmospheric circulation is diagnosed.The results show that：1） When the upward vertical tidal force was greater， the number of tropical cyclones was more， the speed of strengthening was faster， and the westward moving speed of tropical cyclones also increased. When the azimuth of the horizontal tidal force was close to the forward movement direction of the tropical cyclone， the effect of the vertical tidal force enhancement was more obvious. 2） During the active period of tropical cyclones in the Northwest Pacific （July to October）， the upward vertical tidal force is conducive to the upward movement of air masses， leading to convergence （divergence） in the middle （upper） troposphere， and forming a circulation configuration that was favourable to the development of tropical cyclones.

tropical cyclone; tidal force; intensity; migration velocity

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210710001

（責(zé)任編輯：袁東敏）