我國東部沿海熱帶氣旋演化特征研究

張廣迎 ，方克艷 ，陳 平 ，白毛偉 ，趙 正

1.福建師范大學 福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)重點實驗室 —— 省部共建國家重點實驗室培育基地，福州 350007

2.福建師范大學 地理科學學院，福州 350007

熱帶氣旋主要生成在海表溫度（sea surface temperature，SST）26℃以上的洋面上（Gray，1998），是危害性巨大的自然災害之一，嚴重威脅著人民的財產(chǎn)與人身安全，造成的經(jīng)濟損失隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展逐年增加（魏章進等，2012；Wu et al，2020）。每年的夏秋兩季，我國東部沿海地區(qū)在每年的夏秋兩季都會或多或少受到熱帶氣旋的影響，伴隨熱帶氣旋而來的是大量的瞬時降水、狂風、風暴潮天氣。大量的瞬時降水常常會誘發(fā)一系列的次生災害，如滑坡、泥石流、洪澇災害等，同時也給沿海地區(qū)帶來大量的淡水資源；為熱帶、亞熱帶地區(qū)如春城昆明、四季長青的廣州等地驅散熱量；同時熱帶氣旋過境時，使得海洋翻騰，海底富含營養(yǎng)的物質(zhì)抵達海洋表層，促進沿海漁業(yè)的發(fā)展（葉海軍等，2014；吳祖立等，2018）。我國經(jīng)濟重心位于東部沿海地區(qū)，深受西北太平洋影響，因此探索登陸我國東部沿海的熱帶氣旋演化特征以及強度預測，對減輕其帶來的災害極為關鍵。

西北太平洋是全球熱帶氣旋生成最多的海域，其中高達半數(shù)影響我國，且每年登陸我國東部沿海地區(qū)的熱帶氣旋大約有7個左右，熱帶氣旋活動及其變化受到國內(nèi)氣象工作者的高度關注，從熱帶氣旋的生成、運動及其影響等不同角度進行了研究（梁軍等，2020；楊舒楠和端義宏，2020；朱義青和王慶華，2020），這些工作基本針對熱帶氣旋個例的天氣學和動力學展開。海表溫度是熱帶氣旋生成及發(fā)展的重要熱力條件，海表面溫度作為大氣外強迫因子之一，其異常將改變海洋向大氣輸送的水汽、潛熱通量等，致使局地對流活動和高低層流場改變，并通過大氣遙相關作用進而影響全球的大氣環(huán)流，導致氣候異常（陳麗娟等，2005）。許多國外學者早在20世紀60年代就利用觀測數(shù)據(jù)研究了SST對熱帶氣旋的響應，近年來，對海表溫度與熱帶氣旋變化關系的研究取得了新的進展（Ren et al，2014；Katsube and Inatsu，2016；宋攀等，2017）。IPCC（2013）第五次評估報告（AR5）指出氣候變暖是毋庸置疑的，1880—2012年全球海陸表面平均溫度升高了0.85℃。全球變暖引起的海表溫度上升會顯著增強未來熱帶氣旋的強度（Holland，1997）；劉貝等（2019）以南海為研究區(qū)域，建立臺風強化值與SST之間的回歸模型，平均而言，平均SST每增加1℃，臺風強度強化度增加12.5%；Katsube and Inatsu（2016）研究發(fā)現(xiàn)，西北太平洋海表溫度增加，熱帶氣旋加速移動。雷小途等（2009）研究了全球變暖對熱帶氣旋活動的影響，發(fā)現(xiàn)1970年以來，超強熱帶氣旋比例明顯增大。目前關于海表溫度對熱帶氣旋影響的研究主要針對熱帶氣旋個案（張守文等，2017；Zhang et al，2020）或者年內(nèi)尺度下海表溫度與熱帶氣旋的內(nèi)在聯(lián)系，而對較長時間尺度下，區(qū)域海表溫度變化與熱帶氣旋演化特征的相關性研究鮮有報道。

本文利用1949 — 2018年中國氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集資料、登陸熱帶氣旋資料，分析了我國近70 a東部沿海地區(qū)熱帶氣旋的演化特征，并結合英國氣象局所公布的海溫數(shù)據(jù)，將其與西北太平洋海溫做相關性檢測，以期發(fā)現(xiàn)近70 a我國東部沿海地區(qū)的熱帶氣旋年際年代際演化特征，以及西太平洋海表溫度與登陸我國熱帶氣旋的相關性，并對今后的熱帶氣旋監(jiān)測和預報工作提供科學的參考價值，從而減少熱帶氣旋災害帶來的損失。

1 資料與方法

為研究影響我國東部沿海地區(qū)的熱帶氣旋演化特征以及與海表溫度的相關關系，根據(jù)所獲取資料中登陸我國熱帶氣旋的生成地范圍，確定熱帶氣旋數(shù)據(jù)空間范圍為4° — 30°N、105°—175°E，時間尺度為1949 — 2018年。本文所涉及的熱帶氣旋資料全部來自于中國氣象局熱帶氣旋資料中心（https://www.typhoon.org.cn）所發(fā)布的最佳路徑數(shù)據(jù)集與登陸熱帶氣旋資料（Ying et al，2014）。其中最佳路徑數(shù)據(jù)集包含1949 — 2018年生成于西太平洋（南海，赤道以北，東經(jīng)180°以西）海域完整的熱帶氣旋路徑、每隔6 h的中心位置、中心最低氣壓（hPa）、2 min平均近中心最大風速（MSW，m ? s?1）、編號、名稱等資料，中心位置以地理坐標（經(jīng)度和緯度）給出，精確到0.1°。近年來，隨著全球數(shù)值模式和區(qū)域模式的發(fā)展，我國熱帶氣旋預報時效逐步延長，預報準確率逐步提高（Duan，2014）。

登陸熱帶氣旋資料是指登陸我國的熱帶氣旋。沿海島嶼除臺灣、舟山群島、香港和海南島以外，都不作為登陸地點處理。其中有部分熱帶氣旋于東北三省登陸我國，資料中并未給出，因此本文結合最佳路徑數(shù)據(jù)集，基于ArcGIS 10.5平臺，將最佳路徑數(shù)據(jù)集每隔6 h中心位置進行數(shù)字化，通過與我國矢量邊界對比，補充登陸熱帶氣旋資料中所未列出的登陸地點，并對以上熱帶氣旋數(shù)據(jù)進行標準化處理與統(tǒng)計。

本文熱帶氣旋等級劃分，參考中國氣象局所公布資料，即根據(jù)《熱帶氣旋等級》國家標準（GB / T 19201—2006），將熱帶氣旋登陸時刻的強度分為：TD（熱帶低壓）、TS（熱帶風暴）、STS（強熱帶風暴）、TY（熱帶氣旋）、STY（強熱帶氣旋）、SuperTY（超強熱帶氣旋），為表述方便，本文將TD、TS、STS、TY統(tǒng)稱熱帶氣旋。

2 熱帶氣旋的時間演化特征

2.1 年際變化

熱帶氣旋在我國東部沿海以及西北太平洋海域活動頻繁，從圖1中可以看出，1967年、1970年左右在西北太平洋上生成的熱帶氣旋個數(shù)出現(xiàn)峰值，生成頻數(shù)在20世紀50年代末期至60年代初期呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，60年代末期至70年代末呈現(xiàn)下降趨勢，此后又趨于平均。

圖1 1949 — 2018年熱帶氣旋個數(shù)統(tǒng)計Fig. 1 Statistics of the number of tropical cyclones from 1949 to 2018

對1949 — 2018年共70 a的熱帶氣旋資料進行統(tǒng)計，研究表明：70 a內(nèi)西北太平洋及我國沿海海域共生成2355個熱帶氣旋（包含副中心），平均每年生成33個，年生成頻數(shù)最大值出現(xiàn)在1967年，生成55個，生成頻數(shù)最小值出現(xiàn)在2010年，為18個。但值得注意的是，近10 a強熱帶氣旋（STY、SuperTY）個數(shù)在增加。其中有659個熱帶氣旋登陸我國東部沿海地區(qū)，占生成總數(shù)的28.52%。平均每年有9個左右登陸我國，其中1997年為此階段最少的年份，登陸5個熱帶氣旋。1952年登陸16個熱帶氣旋，是70 a來登陸個數(shù)最多的年份。

影響我國東部沿海地區(qū)的熱帶氣旋在穿過菲律賓呂宋島、我國臺灣島、日本群島等島嶼地形時，熱帶氣旋與地形相互作用，分裂產(chǎn)生新的具有閉合環(huán)流結構、低壓中心的副中心（鮑旭煒等，2013）。統(tǒng)計表明，70 a間共生成53個副中心，1998年至今沒有副中心生成（圖2）。由于發(fā)展成熟的副中心往往具備“暖心”結構（Lee et al，2008），與熱帶氣旋內(nèi)核非常相似，致使其在后續(xù)發(fā)展過程中，出現(xiàn)“雙中心”或者“多中心”結構，甚至會出現(xiàn)副中心替代原有熱帶氣旋中心的現(xiàn)象，此情況會對沿海地區(qū)熱帶氣旋預報、強度評估和降水預報造成一定困難（閻敬華和董克勤，1997）。

圖2 1949 — 2018年熱帶氣旋副中心個數(shù)統(tǒng)計Fig. 2 Statistics of the number of tropical cyclone centers from 1949 to 2018

2.2 年代際變化

為進一步明確我國東部沿海地區(qū)熱帶氣旋的演化趨勢，將近70 a以來登陸我國的熱帶氣旋劃分為7個階段進行統(tǒng)計，具體結果如表1所示。結果表明，登陸我國的熱帶氣旋頻次年代際變化較為明顯。1959—1968年期間登陸個數(shù)最多（106個），占比達16.08%。1999 — 2008年登陸個數(shù)最少，占所有登陸個數(shù)的12.75%。平均每10 a登陸94個左右，1949 — 1958年、1959 — 1968年登陸個數(shù)相對較多，但從近20 a登陸我國熱帶氣旋個數(shù)來看，登陸個數(shù)略有減少趨勢。

表1 熱帶氣旋登陸情況統(tǒng)計Tab. 1 Statistics of tropical cyclone landings

2.3 年內(nèi)變化

通過對1949 — 2018年登陸熱帶氣旋的生成月份頻次統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，登陸我國東部沿海地區(qū)的熱帶氣旋多生成于第三季度，占總數(shù)的77.69%，1月、2月、3月、12月沒有熱帶氣旋登陸（圖3）。4月、5月、11月也有少數(shù)熱帶氣旋生成并登陸我國，4月份生成并且登陸的4個熱帶氣旋分別分布在1971年、1991年、1999年和2008年。

圖3 登陸熱帶氣旋在各月份的分布情況Fig. 3 Distribution of landing tropical cyclones in each month

3 熱帶氣旋的空間演化特征

3.1 生成地分布特征

為明確影響并登陸我國的熱帶氣旋的地區(qū)分布以及占比情況，根據(jù)最佳路徑數(shù)據(jù)集資料以及登陸熱帶氣旋資料，基于ArcGIS 10.5平臺將最佳路徑數(shù)據(jù)進行可視化，本資料中，熱帶氣旋生成地主要為南海海域、東海海域以及西北太平洋海域。本文所選取的東海海域空間范圍為22°30′N — 33°06′N、117°06′36″E — 131°E，南海海域空間范圍為4°N — 22°30′N、105°E — 123°E。

如圖4所示，東海海域、南海海域、西北太平洋海域的生成點分別用紫色、綠色、粉色圓點標記。有部分熱帶氣旋登陸后，受地形影響，分裂產(chǎn)生新的具有閉合環(huán)流結構、低壓中心的副中心，將其剔除后，統(tǒng)計得到2337個熱帶氣旋的生成點（圖5）。其中生成于西北太平洋海域的熱帶氣旋個數(shù)最多，并且其登陸我國東部沿海地區(qū)的個數(shù)為432個，占比高達65.55%；于東海海域、南海海域生成并登陸我國的熱帶氣旋個數(shù)分別為28個、199個，生成于東海海域并登陸我國的熱帶氣旋最少（4.25%），30.20%的熱帶氣旋生成于我國南海海域（圖4）。

圖4 1949 — 2018年登陸我國熱帶氣旋生成地分布圖Fig. 4 Distribution map of tropical cyclones that landed in China from 1949 to 2018

圖5 1949—2018年熱帶氣旋生成地分布圖Fig. 5 Distribution of tropical cyclones from 1949 to 2018

3.2 登陸地分布特征

熱帶氣旋對我國東部沿海地區(qū)影響較大，過境時會造成一定的經(jīng)濟損失，為防御熱帶氣旋帶來災害，需要充分了解其登陸地的變化，根據(jù)登陸熱帶氣旋資料，對1949 — 2018年的熱帶氣旋在我國登陸地點的次數(shù)進行統(tǒng)計，共統(tǒng)計659個熱帶氣旋，共865次登陸，涉及15個登陸地區(qū)，其中存在熱帶氣旋二次、三次、甚至四次登陸現(xiàn)象（表2）。

如表2所示，一個熱帶氣旋最多可四次登陸，且主要在我國廣東、海南、臺灣、福建等地登陸。在廣東登陸的熱帶氣旋個數(shù)最多，登陸次數(shù)高達263次（其中首次登陸的熱帶氣旋個數(shù)為220個），占登陸總次數(shù)的30.40%；熱帶氣旋登陸海南的次數(shù)為162次，位居第二；熱帶氣旋登陸天津、云南的次數(shù)較少，均為1次，且登陸天津的熱帶氣旋為二次登陸。

表2 70 a間熱帶氣旋登陸地區(qū)統(tǒng)計Tab. 2 Statistics of areas where tropical cyclones landed in 70 years

熱帶氣旋登陸后強度會減弱并消亡，如表2中所示，大多數(shù)首次登陸后逐漸消亡，但有部分存在二次、三次、甚至四次登陸的現(xiàn)象。值得注意的是，其中有176個熱帶氣旋存在二次登陸現(xiàn)象，占總次數(shù)的20.35%，福建省、廣東省是二次登陸的高發(fā)地，原因為熱帶氣旋穿過臺灣省、海南省分別在福建省、廣東省二次登陸。其中僅有2個熱帶氣旋存在四次登陸現(xiàn)象。

為充分了解登陸我國的熱帶氣旋特征，將上述登陸地劃分為華東地區(qū)（福建、臺灣、浙江、上海、江蘇、山東）、華南地區(qū)（廣東、廣西、海南、香港、云南）、東北地區(qū)（黑龍江、吉林、遼寧），結合其生成海域，統(tǒng)計分析得到表3。

根據(jù)表3：生成于東海海域的熱帶氣旋主要在華東地區(qū)登陸，由此可知東海海域生成的熱帶氣旋西行登陸我國；登陸華南地區(qū)的熱帶氣旋大部分生成于南海海域和西北太平洋海域，其中43.56%生成于南海海域，55.67%生成于西北太平洋海域，生成于南海海域的熱帶氣旋北上登陸我國，生成于西北太平洋海域的熱帶氣旋西行登陸我國；登陸東北地區(qū)的熱帶氣旋主要生成于西北太平洋海域。

表3 熱帶氣旋登陸地與生成地統(tǒng)計Tab. 3 Statistics of tropical cyclone landing and generating areas

4 熱帶氣旋與全球海溫的相關性分析

海表溫度對熱帶氣旋生成以及發(fā)展具有重要的意義，且海表溫度對臺風生成以及發(fā)展的影響是一個疊加的過程。

海溫數(shù)據(jù)來自英國氣象局（UK Met Office）海洋數(shù)據(jù)庫（MDB）網(wǎng)站中公布的Hardley中心HadlSST數(shù)據(jù)集，該資料為1987 — 2018年的全球海表溫度的月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°。據(jù)此統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，登陸我國的熱帶氣旋主要生成于4 — 11月，因此提取1949 — 2018年4 — 11月的海表溫度數(shù)據(jù)，并對其取平均值。計算可得，70 a間平均海表溫度在25.9 — 22.3℃，溫差為3.6℃，其中1989年4 — 11月平均海表溫度最高，為25.9℃，1955年出現(xiàn)最低平均海表溫度，為22.3℃。

基于KNMI Climate Explorer數(shù)據(jù)平臺，將熱帶氣旋總數(shù)、登陸我國的熱帶氣旋總數(shù)與全球海表溫度分時段做相關性檢測，發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的生成不僅與當年其生成季的海表溫度相關，并且與當年春季（1 — 3月）海表溫度相關性最高（圖6）。

圖6 熱帶氣旋總數(shù)與當年春季（1 — 3月）全球海表溫度相關性檢測（a），熱帶氣旋總數(shù)一階差分與當年春季（1 — 3月）全球海表溫度相關性檢測（b），登陸我國熱帶氣旋總數(shù)與當年春季（1 — 3月）全球海表溫度相關性檢測（c），登陸我國熱帶氣旋總數(shù)一階差分與當年春季（1 — 3月）全球海表溫度相關性檢測（d）Fig. 6 Correlation detection of total number of tropical cyclones with the spring (January—March) global sea surface temperature (a), correlation detection of first-order difference of total number of tropical cyclones with the spring (January—March) global sea surface temperature (b), correlation detection of total number of tropical cyclones landing in China with the spring (January —March) global sea surface temperature (c), correlation detection of first-order difference of total number of tropical cyclones landing in China with the spring (January — March) global sea surface temperature (d)

在西太平洋海域，熱帶氣旋生成個數(shù)及登陸我國的個數(shù)與其海表溫度呈高度正相關，該海域海表溫度上升會使氣旋生成個數(shù)以及登陸我國東部沿海地區(qū)的氣旋個數(shù)上升。由于受到厄爾尼諾-拉尼娜機制的影響，熱帶氣旋生成及登陸我國的個數(shù)與東太平洋海域、印度洋海域海表溫度呈高度負相關。表明全球海表溫度是影響熱帶氣旋生成以及登陸我國氣旋個數(shù)的一個重要影響因素，其影響機制值得深入探討。

5 結論

采用最佳路徑數(shù)據(jù)集結合登陸熱帶氣旋資料，統(tǒng)計整理出70 a間熱帶氣旋的相關信息，并將其與熱帶氣旋生成海域的海表溫度做相關分析。結果表明：

（1）時間上，70 a內(nèi)共生成2355個熱帶氣旋（包含副中心），平均每年生成33個；從熱帶氣旋生成個數(shù)年代際看，1959 — 1968年生成個數(shù)占比最大，高達16.08%；其中有659個熱帶氣旋登陸我國東部沿海地區(qū)，占生成總數(shù)的28.52%，平均每年有9個左右登陸我國。登陸我國東部沿海地區(qū)的熱帶氣旋多生成于第三季度，占總數(shù)的77.69%；登陸我國的熱帶氣旋會在經(jīng)過臺灣等地時，由于地形的原因產(chǎn)生副中心，副中心會對沿海地區(qū)臺風預報、強度評估和降水預報造成一定困難，70 a間共生成53個副中心，近十幾年內(nèi)沒有副中心生成。

（2）空間上，生成于西北太平洋海域的熱帶氣旋個數(shù)最多，并且其后登陸我國東部沿海地區(qū)的個數(shù)為432個，占比高達65.55%。于東海海域、南海海域生成并登陸我國的熱帶氣旋個數(shù)分別為28個、199個。一個熱帶氣旋最多可四次登陸，且主要在我國廣東、海南、臺灣、福建等地登陸，在廣東登陸的個數(shù)最多，登陸次數(shù)高達263次（其中首次登陸個數(shù)為220個）。生成于東海海域的熱帶氣旋主要在華東地區(qū)登陸；登陸華南地區(qū)的熱帶氣旋有43.56%生成于南海海域，55.67%生成于西北太平洋海域；登陸東北地區(qū)的熱帶氣旋主要生成于西北太平洋海域。此統(tǒng)計結果可以為防御災情提供科學的參考價值。

（3）對70 a的熱帶氣旋生成個數(shù)、登陸我國個數(shù)及其一階差分與全球海表溫度分時段做相關性分析，發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的生成不僅與當年其生成季的海表溫度相關，更與當年春季（1—3月）海表溫度有最高相關性。表明當年春季海表溫度可能是此海域熱帶氣旋生成、登陸我國的一個重要因素，這對后續(xù)夏季熱帶氣旋生成及登陸具有深遠影響，值得深入探討其影響機制。