西太平洋副熱帶高壓耦合模態(tài)對臺風(fēng)生成的影響

莫 迪

（河池市氣象局，廣西 河池 547000）

引言

7—9 月是西北太平洋熱帶氣旋活動的高峰期，多數(shù)學(xué)者的研究［1-7］也發(fā)現(xiàn)很多有嚴(yán)重破壞力的臺風(fēng)及以上強度的熱帶氣旋都在這一時段生成和發(fā)展。西太副高是東亞夏季風(fēng)和熱帶風(fēng)暴活動的重要控制系統(tǒng)，它的年際變化反映了亞洲夏季風(fēng)強弱的變化，同時其東西振蕩與亞洲季風(fēng)區(qū)熱帶地區(qū)對流異常變化有關(guān)系密切［8］，其變率對西太平洋熱帶氣旋活動有著重要的指示意義，此外副高在動力模式中對熱帶氣旋的可預(yù)報性較高，認(rèn)識副高對熱帶氣旋生成的影響，可提高我們對熱帶氣旋活動的預(yù)測能力［9］；同時，研究發(fā)現(xiàn)西太副高年際變率表現(xiàn)為兩個模態(tài)，分別為西太平洋副熱帶高壓耦合模態(tài)（EOF-1 模式）和海溫異常強迫大氣造成的第二種模態(tài)（EOF-2 模式）也稱為ENSO 發(fā)展模態(tài)。850hPa位勢高度的EOF-1 模式是一個副熱帶高壓與西太平洋和印度洋海溫異常的耦合模態(tài)，它可通過局部海氣相互作用來維持。EOF-1 模式存在的前提是在初夏要有比較強的冷海溫異常，在850hPa 位勢高度的EOF-2 模式中相關(guān)的副高在年代際的時間尺度上相比于EOF-1 模式更強［10］。

Bin Wang［10］和Chao Wang［11］的研究發(fā)現(xiàn)，EOF-1 模式對熱帶氣旋的總生成頻數(shù)具有顯著相關(guān)，而EOF-2 模式對熱帶氣旋的生成頻數(shù)影響不明顯，只是影響熱帶氣旋生成的位置向東南和西北方向偏移。相對而言，大多數(shù)學(xué)者主要關(guān)注西太副高對臺風(fēng)路徑的影響，有關(guān)其如何影響西北太平洋臺風(fēng)生成的研究較少。因此，就西太副高如何影響西北太平洋的臺風(fēng)生成展開研究，探究與之相聯(lián)系的大氣環(huán)流以及大尺度環(huán)境參數(shù)的動力因子和熱力因子，進一步認(rèn)識西太副高對熱帶氣旋活動的影響很有意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料

所用資料數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預(yù)報中心的NCPE 再分析資料（https：／ ／rda.ucar.edu／），美國國家海洋和大氣管理局NOAA（https：／ ／psl.noaa.gov／data／gridded／data.ncep.reanalysis.html）提供的逐月海溫資料ERSST 和美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心的臺風(fēng)數(shù)據(jù)資料（JTWC Best Track Data，https：／ ／www.metoc.navy.mil／jtwc／jtwc.html），以JTWC 的第一個觀測記錄為此熱帶氣旋的生成時刻與生成位置。分析時間段為1979—2016 年的熱帶氣旋活動高峰期（7—9 月），主要關(guān)注區(qū)域為（0°～40°N，100°～180°E）。

1.2 方法

主要應(yīng)用EOF 分析方法以及合成分析方法，對西太平洋副熱帶高壓耦合模態(tài)進行研究分析。由于500hPa 位勢高度場表示的副高和850hPa 風(fēng)場是基本一致的，但850hPa 風(fēng)場可能消除全球變暖對等壓面高度的影響，故利用EOF 分析方法對850hPa風(fēng)場處理后，提取出該模態(tài)的空間分布（圖1a）和時間演變規(guī)律（圖1b）。圖1b 以零值為副高指數(shù)正常值，偏離X 軸越遠(yuǎn)表示系數(shù)越異常。本文分別選取偏離X 軸最遠(yuǎn)的5 個正值和負(fù)值所對應(yīng)的年份為副高異常強年（1983 年、1993 年、1995 年、2014 年、2015 年）和異常弱年（1981 年、1994 年、2001 年、2011 年、2012 年）作為研究討論對象，下文強年和弱年均分別指其所對應(yīng)的5a，且異常年差值均為強年減弱年。600hPa 相對濕度可表示大氣層中層濕度，可用作表征大氣熱力條件對臺風(fēng)生成的影響［10］，故本文選取600hPa 相對濕度運用合成分析法作為大尺度環(huán)境參數(shù)中的熱力因子加以探究，同時運用合成分析法對動力因子（850hPa 渦度、垂直風(fēng)氣切變和垂直速度）以及海溫場進行分析討論，探究他們對西太平洋副熱帶地區(qū)臺風(fēng)生成頻數(shù)分布的影響。

圖1 1979—2016 年7—9 月850hPa 風(fēng)場EOF－1 模式

2 西太平洋7—9 月臺風(fēng)生成分布特征

董祎杰［12］對夏季西北太平洋臺風(fēng)活動特征的研究發(fā)現(xiàn)，夏季西太平洋上的臺風(fēng)強度雖偏弱但是頻數(shù)多，主要影響的區(qū)域偏西北。根據(jù)Chao Wang［13］等人的研究，以及便于討論研究不同區(qū)域?qū)ξ魈窖笈_風(fēng)生成的影響，將0°～40°N，100°～180°E 區(qū)域分為五個區(qū)域，分別為我國南海海域SCS 以及西太平洋的西北海域NW（17.5°～40°N，120°～140°E）、東北海域NE（17.5°～40°N，140°～180°E）、西南海域SW（0°～17.5°N，120°～140°N）和東南海域SE（0°～17.5°N，140°～180°E）。

根據(jù)美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心的臺風(fēng)數(shù)據(jù)資料可得到西北太平洋1979—2016 年7—9 月的臺風(fēng)生成總頻數(shù)分布情況（圖2a），副高強年（圖2b）和弱年的臺風(fēng)生成頻數(shù)分布情況（圖2c），以及臺風(fēng)生成頻數(shù)統(tǒng)計情況（表1）。

圖2 臺風(fēng)生成位置分布

表1 1979—2016 年間7—9 月生成臺風(fēng)總數(shù)以及西太副高耦合模態(tài)異常年在各區(qū)域的生成頻數(shù)（單位：個）

從圖2 和表1 的統(tǒng)計中可明顯看出，1979—2016 年間，夏季絕大部分臺風(fēng)生成源地位于西太平洋上，僅有少數(shù)臺風(fēng)在我國南海區(qū)域生成的。在西太平洋上臺風(fēng)生成源地整體表現(xiàn)為偏向西北部。副高表現(xiàn)為強年時，臺風(fēng)生成數(shù)南部海域明顯多于北部，西部略多于東部。主要造成南北臺風(fēng)生成數(shù)差異的區(qū)域為NE 和SE，SE 區(qū)域的生成數(shù)是NE 區(qū)域的兩倍以上。

3 西太平洋副熱帶高壓耦合模態(tài)

西太副高耦合模態(tài)850hPa 風(fēng)場（圖1a）在西太平洋有明顯的異常反氣旋環(huán)流特征，中心約為（25°N，140°E），且副高中心東南側(cè)有異常的氣旋環(huán)流。其北部的反氣旋會加強副高的反氣旋環(huán)流，增強副高。圖3 顯示的是副高異常年海溫差值。從圖中可看出，副高強年對海溫異常主要存在以下特征：北印度洋和南海的海溫異常變暖，西太平洋東南側(cè)存在微弱的海溫負(fù)異常，同時赤道東太平洋有一個海溫變暖的信號。此外北太平洋副熱帶地區(qū)海溫存在顯著的負(fù)異常。Bin Wang［10］和Chao Wang［11］的研究表明，這種海溫的分布形態(tài)其實是大氣海洋相互作用的結(jié)果。結(jié)合圖1a 發(fā)現(xiàn)副高東部區(qū)域存在異常疊加在信風(fēng)帶上的偏東風(fēng)，使水汽蒸發(fā)增強，海溫下降，呈現(xiàn)微弱的負(fù)異常。同時，在南海—西太平洋季風(fēng)帶有一塊海溫正異常區(qū)域，東西部海溫的差異使異常的偏東風(fēng)得到維持與增強，削弱了該區(qū)域的夏季風(fēng)，使洋面水汽蒸發(fā)減弱，進一步升高該區(qū)域的海溫，呈現(xiàn)出正異常。同時，異常反氣旋環(huán)流東側(cè)有較強勁的偏北風(fēng)，為該區(qū)域帶來了冷空氣，減弱了反氣旋東側(cè)與東南側(cè)的對流不穩(wěn)定性，熱對流的減弱產(chǎn)生下沉的羅斯貝波，促進反氣旋的生成，進而增強副高。副高的增強進一步降低印度洋的云量以及減弱洋面蒸發(fā)，使海溫異常升高，令異常反氣旋南側(cè)的東風(fēng)帶得到維持和增強?？珊唵卫斫鉃楹?、大氣環(huán)流以及副高強度形成相互促進影響的循環(huán)，形成了一種由北印度洋和副熱帶海溫異常影響的可以維持副高的大氣—海洋熱力反饋機制［14］，故西太平洋副熱帶高壓耦合模態(tài)即可看作是一種海氣耦合模態(tài)。

圖3 西太副高耦合模態(tài)強年與弱年海溫差值圖，打點部分為通過95%顯著性檢驗（單位：℃）

4 西太平洋副熱帶高壓耦合模態(tài)相對應(yīng)的大尺度環(huán)流系統(tǒng)

200hPa 上，副高強年（圖4a）比弱年（圖4b）的西風(fēng)急流帶密集區(qū)域更長，強度也更強，且南亞高壓一般位于西風(fēng)急流南側(cè)，表明強年受到南亞高壓影響更大，即在西太平洋北部海域副高強年在對流層高層的輻散強于弱年。同時這兩個系統(tǒng)使處于200hPa 高度的洋中槽得到維持與發(fā)展，但弱年的洋中槽更深。從異常年的平均風(fēng)場差值圖（圖4c）可發(fā)現(xiàn)在西太平洋北部區(qū)域有一明顯的反氣旋環(huán)流，而南部區(qū)域表現(xiàn)為氣旋性環(huán)流，表明西太平洋北部區(qū)域在副高強年的輻散程度強于弱年，南部則相反。

850hPa 上，主要影響夏季臺風(fēng)生成的系統(tǒng)為季風(fēng)槽和副高。強年的夏季季風(fēng)槽相對更淺，表明在我國南海區(qū)域，弱年更利于氣旋生成。副高的對比中，強年的東西跨度更大，即抑制氣旋生成的下沉運動范圍更廣。異常年的平均風(fēng)場差值圖（圖4f）中，整個西太平洋大部區(qū)域受到反氣旋環(huán)流控制，僅在東南部受到氣旋性環(huán)流影響。總體而言，副高強年的大尺度環(huán)流系統(tǒng)不利于臺風(fēng)的生成。

圖4 副熱帶高壓200hPa 和850hPa 平均風(fēng)場圖（單位：m·s－1）

5 西太副高耦合模態(tài)對大尺度環(huán)境參數(shù)的影響

大尺度環(huán)境參數(shù)對臺風(fēng)生成有著重要的影響。有足夠大的外力作用促使臺風(fēng)生成的前提條件下，還須有足夠強的渦度和大規(guī)模的高濕條件，才構(gòu)成臺風(fēng)生成必須滿足的有利條件［15］，同時Richie 和Holland［16］對西北太平洋熱帶氣旋的研究也發(fā)現(xiàn)，在天氣尺度的擾動觸發(fā)以及大尺度環(huán)境參數(shù)提供有利的環(huán)境背景兩者的相互配合下，熱帶氣旋才有可能順利生成并發(fā)展。所以研究西太副高耦合模態(tài)異常年的大尺度環(huán)境參數(shù)條件可能有助于闡明該模態(tài)對7—9 月西太平洋臺風(fēng)生成頻數(shù)以及地理分布的影響。

對流層低層的輻合使得局地的渦度增加從而增強氣旋性環(huán)流，因而可根據(jù)850hPa 渦度因子來大致判斷該模態(tài)副高強年與弱年的臺風(fēng)生成地理分布。通過作異常年差值后發(fā)現(xiàn)在西太平洋的中部偏東北區(qū)域有異常反氣旋渦度（負(fù)渦度），東南區(qū)域呈氣旋渦度（正渦度），與弱年臺風(fēng)生成頻數(shù)更多，且北部多于南部的分布情況基本一致，約在（15°～30°N）區(qū)域尤為顯著。作600hPa 異常年相對濕度差值分析后，發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域尤其是中部偏東南和南部熱帶區(qū)域表現(xiàn)為弱年時對流層中層濕度條件更好，中層干空氣侵蝕作用較弱，氣柱內(nèi)總水汽輻合量也較好，約在（15°～30°N）區(qū)域尤為顯著，表明副高弱年在這些區(qū)域更有利于氣旋生成的，而強年僅在東南部更利于熱帶氣旋生成。

有研究表明，相對較弱的垂直風(fēng)切變更有利于熱帶氣旋增強［17］，對流層深層的弱垂直風(fēng)切變可使積云對流所產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱始終加熱一個有限范圍內(nèi)的氣柱，利于暖心結(jié)構(gòu)的維持和發(fā)展［18］。何敏等［19］的研究表明垂直風(fēng)切變對西北太平洋的熱帶氣旋生成頻數(shù)有一定影響。同時，白莉娜等［20］對影響熱帶氣旋生成環(huán)境的研究，發(fā)現(xiàn)西北太平洋的風(fēng)速垂直切變呈負(fù)異常年時，其東部海域的熱帶氣旋生成頻數(shù)偏多。因此，7—9 月的風(fēng)速垂直切變可作為研究影響西北太平洋臺風(fēng)生成的重要因素之一。

分析垂直風(fēng)切變異常年差值后，發(fā)現(xiàn)強年在西太平洋東南和西北區(qū)域上的垂直風(fēng)切變更有利于氣旋生成，東北與東南區(qū)域存在明顯差異，這也可能是造成這兩區(qū)域在異常年臺風(fēng)生成頻數(shù)差異的因素之一。以20°N 和140°E 為分界線，發(fā)現(xiàn)四個海域的垂直風(fēng)切變在副高異常年有比較明顯的不同，絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為弱年更利于臺風(fēng)生成，強年僅在東南以及西北較小范圍的區(qū)域表現(xiàn)為利于臺風(fēng)生成。同時通過分析異常年的垂直速度差值，發(fā)現(xiàn)強年在東南海域表現(xiàn)為更有利于氣旋生成的上升運動，而弱年在大約15°N 以北的海域和西南海域有比較良好的上升運動。

總體而言，在西太平洋絕大部分區(qū)域副高強年對應(yīng)的大尺度環(huán)境參數(shù)因子表現(xiàn)為不利于臺風(fēng)的生成，僅在東南海域上各因子是有利于臺風(fēng)生成的，而弱年對應(yīng)的大尺度環(huán)境因子，在大部海域均更利于臺風(fēng)生成的。

6 大尺度環(huán)境參數(shù)與臺風(fēng)生成頻數(shù)地理分布的關(guān)系

從大尺度參數(shù)因子中，也可看出850hPa 渦度、600hPa 相對濕度以及垂直速度三個因子的分布情況與臺風(fēng)生成頻數(shù)的分布差異幾乎一致，同時也均呈現(xiàn)為副高弱年其產(chǎn)生的變化更利于臺風(fēng)生成，尤其是北部海域，但是垂直風(fēng)切變的分布則與臺風(fēng)生成頻數(shù)的分布存在出入，在西部海域表現(xiàn)得尤為明顯，與弱年臺風(fēng)生成數(shù)的分布并不十分一致，表明副高的變化對其變化影響較弱。由于造成副高強年與弱年臺風(fēng)生成頻數(shù)差異最大的為東部海域，SE 區(qū)域強年的臺風(fēng)生成數(shù)是弱年的近兩倍，而NE 區(qū)域則是弱年甚至達到了強年的三倍。故對各劃分區(qū)域以及總體的臺風(fēng)總數(shù)與西太副高耦合模態(tài)時間權(quán)重系數(shù)做相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)生成數(shù)與副高呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.43，即副高為強年時，西太平洋臺風(fēng)生成頻數(shù)偏少，且這種異常偏少在其東北區(qū)域尤為顯著，相關(guān)系數(shù)達到了-0.60。

7 結(jié)論和討論

通過EOF 分析法以及合成分析法對1979—2016年的7—9 月份西太平洋臺風(fēng)生成進行分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）西太副高耦合模態(tài)是一種海氣耦合模態(tài)，受北印度洋和副熱帶海溫異常的影響使副高可以得到維持，形成一種大氣-海洋熱力反饋機制，同時該模態(tài)對西太平洋地區(qū)臺風(fēng)生成有抑制作用，且對臺風(fēng)生成數(shù)的地理分布具有顯著影響。

（2）當(dāng)副高表現(xiàn)為強年時西北太平洋的大尺度環(huán)流系統(tǒng)不利于臺風(fēng)生成，僅在東南海域表現(xiàn)為氣旋性環(huán)流，促進臺風(fēng)生成。

（3）西太平洋區(qū)域各參數(shù)因子副高強年均表現(xiàn)為不利于臺風(fēng)生成，僅在東南海域表現(xiàn)為利于臺風(fēng)生成的背景環(huán)境，并且各參數(shù)中，850hPa 渦度和垂直速度因子表現(xiàn)尤為顯著，600hPa 相對濕度因子與臺風(fēng)生成分布也相對符合，表明這三個因子隨副高變化所產(chǎn)生對臺風(fēng)生成的影響呈正相關(guān)，而垂直風(fēng)切變表現(xiàn)出來的隨著副高變化所產(chǎn)生的變化對影響臺風(fēng)生成關(guān)聯(lián)程度較弱。

（4）西太平洋臺風(fēng)生成頻數(shù)在副高強年和弱年的地理分布存在明顯差異，弱年在北部海域的生成頻數(shù)是強年的兩倍，而強年在南部海域的生成頻數(shù)略多于弱年，東部海域強年表現(xiàn)為南多于北，弱年則相反。弱年在東北海域臺風(fēng)生成頻數(shù)是強年的三倍，強年在東南海域則為弱年的近兩倍。

熱帶氣旋生成的年際變率一直是作為熱帶氣旋研究的重要方面之一，本文的研究也僅僅表明了西太副高耦合模態(tài)中副高異常變化對西太平洋區(qū)域臺風(fēng)生成的地理分布有顯著的影響，但是該模態(tài)下相關(guān)影響因子的相互配合關(guān)系尚未十分明確，以及是否還存在其他的大尺度環(huán)境參數(shù)對該地區(qū)造成影響，這些都尚未探究清楚，仍需要今后有更多的研究進行補充。