西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件氣候特征及其可能形成機(jī)制

邵國云 孫旭光

(中國氣象局—南京大學(xué)氣候預(yù)測研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/大氣科學(xué)學(xué)院，南京大學(xué)，南京 210023)

引 言

臺(tái)風(fēng)是發(fā)生在熱帶西北太平洋海洋上的強(qiáng)烈風(fēng)暴，是一種天氣尺度有組織的暖心氣旋性對(duì)流系統(tǒng)[1]。臺(tái)風(fēng)所帶來的強(qiáng)風(fēng)、暴雨、洪澇等又是危害我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常嚴(yán)重的突發(fā)性自然災(zāi)害之一，受到國家和社會(huì)的普遍關(guān)注。有統(tǒng)計(jì)表明1998—2013年間約54.2%的西北太平洋熱帶氣旋在中國陸地上產(chǎn)生了直接降水[2]。李真真等[3]研究發(fā)現(xiàn)，1996年以來我國東南沿海地區(qū)受熱帶氣旋的影響明顯增加。臺(tái)風(fēng)的發(fā)生發(fā)展有時(shí)并不是孤立的，往往會(huì)有多個(gè)臺(tái)風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)或接連出現(xiàn)的現(xiàn)象，如在2018年8月，16 d內(nèi)有8個(gè)熱帶氣旋相繼生成[4]。當(dāng)西北太平洋多個(gè)臺(tái)風(fēng)接連發(fā)生并且登陸時(shí)，會(huì)在我國引起持續(xù)不斷的強(qiáng)降水過程，導(dǎo)致特大洪澇災(zāi)害[5]。同時(shí)，對(duì)熱帶氣旋群發(fā)進(jìn)行準(zhǔn)確的氣候預(yù)測，可以提前做好防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對(duì)措施。但是，目前其延伸期預(yù)測能力還非常有限[6]，值得我們對(duì)此類事件進(jìn)行深入研究，了解其氣候特征和形成機(jī)制，以便更好地對(duì)其開展氣候預(yù)測，滿足國家和社會(huì)重大需求。

早在1970s，丁一匯等[7]注意到西北太平洋多臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)生并存的現(xiàn)象，幾乎每年可見1～2次。本文把多個(gè)臺(tái)風(fēng)接連出現(xiàn)的現(xiàn)象稱為西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件(Multiple Typhoon Event，MTYE)。臺(tái)風(fēng)是強(qiáng)度達(dá)到一定級(jí)別(最大風(fēng)速超過32.7 m·s-1)的熱帶氣旋，為了表征西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件， Krouse， et al[8]將西北太平洋一個(gè)熱帶氣旋生命期內(nèi)有另一熱帶氣旋在其東部形成，且兩者距離小于5 000 km定義為熱帶氣旋群發(fā)事件。GAO， et al[9]將在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)(≤3 d)發(fā)生2個(gè)或2個(gè)以上的熱帶氣旋定義為熱帶氣旋群發(fā)事件。金小霞等[10]將赤道以北180°E以西的南?！鞅碧窖蠛Ｓ蛑?，同一時(shí)刻有兩個(gè)編號(hào)的熱帶氣旋同時(shí)活動(dòng)記錄為一次熱帶氣旋群發(fā)。何潔琳等[11]則將西北太平洋熱帶氣旋群發(fā)定義為30°N以南西北太平洋海域(含南海)內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)3個(gè)編號(hào)的熱帶氣旋。此外，高建蕓等[12]還研究了季風(fēng)槽發(fā)展過程中2個(gè)或2個(gè)以上的熱帶氣旋群發(fā)性過程，發(fā)現(xiàn)8月是其發(fā)生最多月份，其次是9月和7月。

暖的洋面、低層輻合、弱垂直切變和有一定的地轉(zhuǎn)偏向力是臺(tái)風(fēng)生成的4個(gè)必要條件[1]。對(duì)雙臺(tái)風(fēng)而言，Krouse， et al[8]發(fā)現(xiàn)母臺(tái)風(fēng)通過Rossby波能量頻散對(duì)其東部子臺(tái)風(fēng)的生成有重要作用。針對(duì)西太平洋3個(gè)以上臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)展現(xiàn)象，丁一匯等[7]提出了熱帶輻合區(qū)多臺(tái)風(fēng)形成的天氣學(xué)模式，認(rèn)為南北半球熱帶環(huán)流相互作用是多臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)生時(shí)大氣環(huán)流產(chǎn)生的主要原因，先后通過輻合區(qū)水平切變引起的正壓不穩(wěn)定和第二類條件不穩(wěn)定使熱帶輻合區(qū)初始擾動(dòng)發(fā)展增長為臺(tái)風(fēng)。游立軍等[4]對(duì)影響2018年盛夏熱帶氣旋群發(fā)的多尺度環(huán)流特征分析發(fā)現(xiàn)，熱帶氣旋群發(fā)是季風(fēng)槽加強(qiáng)東伸、西北太平洋季節(jié)內(nèi)振蕩北傳以及赤道東風(fēng)波多尺度環(huán)流共同影響的結(jié)果。季風(fēng)槽的準(zhǔn)雙周振蕩和30～60 d振蕩的活躍位相疊加有利于熱帶氣旋的群發(fā)[13-14]。孫長等[5]研究了1991年夏季西北太平洋熱帶氣旋群發(fā)特征與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的濕位相即是季風(fēng)槽比較活躍的時(shí)期，可為熱帶氣旋群發(fā)提供有利的背景環(huán)流場。MJO和BSISO是熱帶顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)[15-16]，對(duì)西北太平洋熱帶氣旋的生成源地、頻數(shù)和移動(dòng)等都有顯著的調(diào)制作用[17-19]。在MJO和BSISO活躍期，西北太平洋生成臺(tái)風(fēng)數(shù)為非活躍期的2～3倍[18-19]。在年際尺度上，ENSO是影響西北太平洋熱帶氣旋的最主要的因子，在暖年(冷年) 熱帶氣旋生成位置顯著向東(向西)偏移，對(duì)于熱帶氣旋頻數(shù)則沒有顯著影響[20-22]。

總體而言，西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件雖然很早之前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但并沒有明確的定義，以往主要針對(duì)一般性的熱帶氣旋群發(fā)進(jìn)行定義且并不統(tǒng)一。雖然已有少數(shù)研究針對(duì)多臺(tái)風(fēng)或熱帶氣旋群發(fā)的可能形成原因進(jìn)行了初步探討，但大都是針對(duì)某一年個(gè)例開展研究[4-5，10]，且得到了關(guān)于多臺(tái)風(fēng)發(fā)生發(fā)展的天氣學(xué)概念模型[7]，并發(fā)現(xiàn)了與大氣低頻振蕩的聯(lián)系[14，17]，但是這些都是與多臺(tái)風(fēng)或熱帶氣旋群發(fā)同時(shí)期的環(huán)境場。本文將從氣候?qū)W角度給出西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件的定義，系統(tǒng)分析其氣候特征，并進(jìn)一步揭示多時(shí)間尺度的季節(jié)氣候背景對(duì)其形成的可能影響。

1 資料與方法

本文使用的西北太平洋臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)來自美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)最佳路徑資料(best-track)，時(shí)間長度為1945—2018年，每6 h一次觀測數(shù)據(jù)。逐月海溫?cái)?shù)據(jù)來自美國國家海洋與大氣管理局 (National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)，時(shí)間長度1891—2018年，水平分辨率1°× 1°。逐月和逐日大氣數(shù)據(jù)(風(fēng)速和相對(duì)濕度)來自NOAA第一套再分析資料(NCEP/NCAR Reanalysis I)，水平分辨率為2.5°× 2.5°，時(shí)間長度為1948—2018年。

本文利用JTWC的6 h臺(tái)風(fēng)資料，將同一時(shí)刻同時(shí)存在2個(gè)或2個(gè)以上臺(tái)風(fēng)編號(hào)的現(xiàn)象定義為西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件，將該事件中第一個(gè)臺(tái)風(fēng)開始編號(hào)的時(shí)刻至最后臺(tái)風(fēng)編號(hào)撤銷的時(shí)刻定義為多臺(tái)風(fēng)事件的持續(xù)時(shí)間或生命期。與以往熱帶氣旋群發(fā)定義不同，該定義主要關(guān)注強(qiáng)度達(dá)到臺(tái)風(fēng)等級(jí)的熱帶氣旋，而且不限定多個(gè)臺(tái)風(fēng)之間的距離和生成源地位置，從而比以往定義的熱帶氣旋群發(fā)事件能更完整地反映西北太平洋多個(gè)臺(tái)風(fēng)持續(xù)生成并發(fā)展的整個(gè)演變過程。多臺(tái)風(fēng)事件的臺(tái)風(fēng)稱為多臺(tái)風(fēng)(Multiple Typhoon， MTY)，單獨(dú)發(fā)生的臺(tái)風(fēng)稱為單臺(tái)風(fēng)(Individual Typhoon， ITY)，兩者之和即為總臺(tái)風(fēng)。

將臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、生命期和多臺(tái)風(fēng)事件中包含的多臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)各自劃分成等間距的區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間的頻數(shù)，再除以總頻數(shù)，得到概率分布。

將全球劃分成1°×1°的網(wǎng)格，將best-track資料中每個(gè)臺(tái)風(fēng)生成源地的經(jīng)緯度投映到網(wǎng)格點(diǎn)上，然后再將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍25個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)臺(tái)風(fēng)生成頻數(shù)相加，即為5°×5°范圍內(nèi)臺(tái)風(fēng)成源地的頻數(shù)。將其與臺(tái)風(fēng)頻數(shù)相除，可得臺(tái)風(fēng)生成源地密度。同理可得臺(tái)風(fēng)路徑密度。

對(duì)u和v逐日數(shù)據(jù)去除年循環(huán)，再利用121點(diǎn)Lanczos濾波器對(duì)其進(jìn)行2～8 d、10～30 d和30～60 d的帶通濾波，得到不同時(shí)間尺度u′ 和v′，計(jì)算大氣瞬變渦旋動(dòng)能EKE=u′2+v′2。

2 西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件的氣候特征

1945—2018年全年共發(fā)生熱帶氣旋2 204個(gè)，達(dá)到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的有1 236個(gè)，其中多臺(tái)風(fēng)760個(gè)，占總臺(tái)風(fēng)的61.5%。圖1a為1945—2018年氣候平均的西北太平洋臺(tái)風(fēng)、多臺(tái)風(fēng)事件及其所包含的多臺(tái)風(fēng)和單臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻數(shù)逐月季節(jié)演變?？梢姡_(tái)風(fēng)在夏秋季最容易發(fā)生，在冬春季則相對(duì)較少，其中7—10月是臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率最高季節(jié)(共875個(gè))，占全年總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的70.8%，可稱為臺(tái)風(fēng)季。最大臺(tái)風(fēng)頻數(shù)出現(xiàn)在9月，其次為8月，2月頻數(shù)最小，與前人研究結(jié)果一致[23]。西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件也呈現(xiàn)類似的季節(jié)變化，7—10月也是多臺(tái)風(fēng)事件頻發(fā)季節(jié)(占全年總事件頻數(shù)的81.2%)，9月也是多臺(tái)風(fēng)事件出現(xiàn)最多月份，7月次之，而在1、2月則根本不會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)風(fēng)事件。與之對(duì)應(yīng)，多臺(tái)風(fēng)事件中所包含的多臺(tái)風(fēng)數(shù)的逐月分布特征與臺(tái)風(fēng)總數(shù)相一致，在7—10月占總臺(tái)風(fēng)數(shù)的73.3%。與多臺(tái)風(fēng)集中在7—10月頻發(fā)不同，單臺(tái)風(fēng)可在全年更多月份頻發(fā)(5—12月)，8月是單臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻數(shù)最多的月份。

從最大風(fēng)速表示的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度來看(圖1b)，臺(tái)風(fēng)季時(shí)期(7—10月)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大都在50 m·s-1左右，約占臺(tái)風(fēng)總數(shù)的1/4。多臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度比單臺(tái)風(fēng)在50 m·s-1左右出現(xiàn)的概率明顯減少，而在最大風(fēng)速65～90 m·s-1時(shí)發(fā)生頻數(shù)明顯增加，表明多臺(tái)風(fēng)比單臺(tái)風(fēng)具有更大的強(qiáng)度和破壞力。由于多臺(tái)風(fēng)事件是多個(gè)臺(tái)風(fēng)同時(shí)或接連發(fā)生，其生命期大都在15 d左右，最長可達(dá)40 d以上。同時(shí)，多臺(tái)風(fēng)比單臺(tái)風(fēng)也具有更長的生命期，生命期在10 d以上臺(tái)風(fēng)發(fā)生概率更大(圖1c)。此外，多臺(tái)風(fēng)事件包含的多臺(tái)風(fēng)數(shù)量主要以2個(gè)為主(占50.3%)，最多可達(dá)16個(gè)，發(fā)生在1996年(圖1d)。

圖1 1945—2018年氣候平均的臺(tái)風(fēng)、多臺(tái)風(fēng)、單臺(tái)風(fēng)和多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)逐月演變(a)以及 7—10月(b)最大風(fēng)速、(c) 持續(xù)時(shí)間和(d) 多臺(tái)風(fēng)事件包含的多臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)概率分布Fig.1 Climatological distributions of (a) seasonal frequency variations of Typhoon (TY)， Multiple Typhoon (MTY)， Individual Typhoon (ITY) and Multiple Typhoon Event (MTYE) and probabilities of (b) typhoon maximum wind speed，(c) typhoon lifetime and(d) MTY number in one MTYE during the season from July to October during 1945-2018

由1945—2018年期間7—10月臺(tái)風(fēng)頻數(shù)逐年演變可見(圖2a)，西北太平洋臺(tái)風(fēng)存在明顯的年際和年代際變化特征，1960—1975年和90年代為兩個(gè)明顯的臺(tái)風(fēng)發(fā)生偏多的年代，2000年之后則處于臺(tái)風(fēng)頻數(shù)偏少的年代。另外，在本文研究時(shí)段臺(tái)風(fēng)頻數(shù)沒有明顯的趨勢性變化。西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)主要呈年際變率特征，但其所包含的多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)則與總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的變率相類似，年際和年代際變率明顯，兩者之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9以上(圖2b)。另外，多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)隨時(shí)間呈弱增加趨勢(圖2a)，它在總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)中所占的比例以年際變率為主，在2000年之后出現(xiàn)年代際的減少，但在整個(gè)研究時(shí)段總體上也有一定程度的增長趨勢(圖2d)。多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)與其所包含的多臺(tái)風(fēng)和總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的關(guān)系并不穩(wěn)定，在1970s中期之前，它們演變非常一致(相關(guān)系數(shù)均在0.85以上)，但隨后它們之間的關(guān)系迅速減弱，在2000年以后，即使是多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)與其所包含的多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)也已下降到0.4以下。這可能是由于平均每個(gè)多臺(tái)風(fēng)事件中所包含的多臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)在1980s中期之后，特別在1990s有明顯的年代際增加所引起的(圖2c)。另外，由于1970s中期之前缺乏衛(wèi)星觀測，熱帶氣旋數(shù)據(jù)存在一定的失真和不確定性，這也是導(dǎo)致多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)與其所包含的多臺(tái)風(fēng)和總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)關(guān)系不穩(wěn)定的另一可能原因。

圖2 7—10月(a) 臺(tái)風(fēng)、多臺(tái)風(fēng)與多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)(實(shí)線)及其趨勢(虛線)以及(b)三者之間31 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，(c) 單次多臺(tái)風(fēng)事件平均包含的多臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)和(d) 多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)與總臺(tái)風(fēng)比值的年際變率(藍(lán)色實(shí)線)及其趨勢(藍(lán)色虛線)，兩條紅色實(shí)線為平均值±0.9標(biāo)準(zhǔn)差Fig.2 Interannual variabilities of (a) typhoon (TY) frequency， multiple typhoon (MTY) frequency and multiple typhoon event (MTYE) frequency (solid line) and their trends (dashed line) and(b) their 31-year moving correlation coefficients，(c) averaged MTY numbers per MTYE， and(d) frequency ratio of MTY to TY (blue solid line) andtheir trends (blue dashed line)， two red dashed lines are its mean value ±0.9 standard deviation

圖3、4分別給出了臺(tái)風(fēng)季(7—10月)多臺(tái)風(fēng)和單臺(tái)風(fēng)在西北太平洋生成源地密度和路徑密度的空間分布對(duì)比。由臺(tái)風(fēng)生成源地密度空間分布(圖3a)可知，臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生在西北太平洋12°N緯向軸線附近，其源地中心經(jīng)度在135°～150°E，與王毅等[23]結(jié)果一致。多臺(tái)風(fēng)(圖3b)和單臺(tái)風(fēng)(圖3c)的生成源地密度空間分布與總臺(tái)風(fēng)基本一致，只是單臺(tái)風(fēng)生成源地密度整體向西北方向偏移靠近陸地。與單臺(tái)風(fēng)相比，多臺(tái)風(fēng)在西太平洋135°E附近以西生成源地密度明顯減少，而在其以東偏南海域則明顯增多(圖3d)。正是由于多臺(tái)風(fēng)生成源地比單臺(tái)風(fēng)更遠(yuǎn)離陸地，生成后在海洋上會(huì)有更多機(jī)會(huì)獲取更多能量，因此強(qiáng)度會(huì)變得更強(qiáng)(圖1b)，生命期會(huì)更長(圖1c)。臺(tái)風(fēng)生成后，在西北太平洋副熱帶高壓引導(dǎo)氣流的作用下，會(huì)向西和西北方向移動(dòng)影響東亞沿海地區(qū)?？偱_(tái)風(fēng)路徑密度在西北太平洋主要呈東南—西北向分布，最大值位于菲律賓海，其次是中國南海海域(圖4a)。多臺(tái)風(fēng)和單臺(tái)風(fēng)路徑密度空間分布與總臺(tái)風(fēng)相似(圖4b、c)，但是多臺(tái)風(fēng)路徑密度比單臺(tái)風(fēng)整體增加，在臺(tái)風(fēng)路徑密度中心區(qū)域東北側(cè)有明顯增加，意味著多臺(tái)風(fēng)路徑比單臺(tái)風(fēng)有向東北移動(dòng)的趨勢。另外，在中國東海和南海北部也增加明顯(圖4d)，可能會(huì)對(duì)中國東部沿海地區(qū)產(chǎn)生更嚴(yán)重的大風(fēng)和洪澇災(zāi)害影響。

圖3 (a)總臺(tái)風(fēng)、(b)多臺(tái)風(fēng)和(c)單臺(tái)風(fēng)生成源地密度以及(d) 多臺(tái)風(fēng)與單臺(tái)風(fēng)差異Fig.3 Densities of genesis location of (a)TY，(b) MTY and(c) ITY， and(d) difference between (b) and (c)

圖4 同圖3，但為臺(tái)風(fēng)路徑密度Fig.4 Similar to fig. 3， but for typhoon track density

3 西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件的可能形成機(jī)制

關(guān)于多臺(tái)風(fēng)事件或熱帶氣旋群發(fā)的成因，以往研究主要針對(duì)其發(fā)生階段的環(huán)境場天氣結(jié)構(gòu)特征及其與大氣次季節(jié)振蕩變率的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)大氣次季節(jié)振蕩濕位相的貢獻(xiàn)[7，17]。本文則主要從季節(jié)平均的角度揭示西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件形成的不同時(shí)間尺度氣候背景特征，相對(duì)于天氣和次季節(jié)尺度，季節(jié)平均具有更長預(yù)報(bào)時(shí)效，可為提前更長時(shí)間對(duì)其開展預(yù)測并理解其成因提供重要理論依據(jù)。

由于多臺(tái)風(fēng)和單臺(tái)風(fēng)之和為總臺(tái)風(fēng)，為了突出多臺(tái)風(fēng)事件發(fā)生的季節(jié)平均海氣異常特征，以及保證合成分析有足夠多的樣本數(shù)，本文根據(jù)臺(tái)風(fēng)季(7—10月)多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)與總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)比值的時(shí)間演變(圖2d)，將大于和小于氣候平均值0.9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份挑選出來，分別確定為多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年(1954、1960、1963、1964、1974、1982、1985、1987、1990、1991、1994、1996、1997、2000、2015年)和弱年(1948、1950、1951、1969、1970、1977、1981、1983、1988、2003、2008、2012年)，即對(duì)應(yīng)單臺(tái)風(fēng)偏少年和偏多年。由圖2d可見，平均而言，多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)占總臺(tái)風(fēng)的70%左右，在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年，這一比例可達(dá)90%以上，而在其弱年，則僅為50%以下。總體而言，多臺(tái)風(fēng)事件與ENSO事件在年際尺度上沒有必然的聯(lián)系。下文將對(duì)7—10月多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年季節(jié)平均的海溫距平和大氣環(huán)流異常場進(jìn)行合成，以揭示西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件的可能形成機(jī)制。

在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年，中東太平洋熱帶和北半球副熱帶地區(qū)為顯著海溫正異常(圖5a)，在熱帶中太平洋上空850 hPa速度勢為顯著正異常，呈現(xiàn)強(qiáng)的輻合風(fēng)異常(圖5d)，表明在暖海溫異常強(qiáng)迫作用下，低層會(huì)出現(xiàn)顯著的大氣異常輻合。相應(yīng)地，熱帶中太平洋對(duì)流活動(dòng)會(huì)顯著增強(qiáng)(圖6a)，由降水增多所引起的500 hPa相對(duì)濕度也明顯增加(圖6d)。500 hPa相對(duì)濕度是影響臺(tái)風(fēng)生成的大尺度環(huán)境因子之一，它的增加會(huì)有利于多臺(tái)風(fēng)的生成。與之相聯(lián)系，熱帶太平洋會(huì)形成Walker環(huán)流異常，海洋大陸地區(qū)對(duì)流層低層850 hPa顯著的速度勢負(fù)異常，表現(xiàn)為大氣異常輻散(圖5d)，造成該地區(qū)附近對(duì)流活動(dòng)顯著減弱(圖6a)，500 hPa相對(duì)濕度也顯著減小(圖6d)。與之相反，在多臺(tái)風(fēng)事件弱年，中東太平洋北半球副熱帶地區(qū)則為顯著的海溫負(fù)異常，同時(shí)印度洋南半球副熱帶地區(qū)為顯著的海溫正異常(圖5b)。熱帶印太海盆異常海溫分布會(huì)引起熱帶印太海盆的Walker環(huán)流異常，在熱帶中太平洋對(duì)流層低層形成大氣異常輻散，而在熱帶印度洋和海洋大陸則為大氣異常輻合(圖5e)。與此同時(shí)，中東太平洋熱帶和北半球副熱帶對(duì)流活動(dòng)異常減弱，而熱帶印度洋和海洋大陸附近對(duì)流活動(dòng)異常增強(qiáng)(圖6b)，500 hPa相對(duì)濕度也呈現(xiàn)與對(duì)流異常活動(dòng)相似的異常特征(圖6e)。

在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年差值中，中東太平洋熱帶和北半球副熱帶海溫顯著增暖，熱帶印度洋和西太平洋海溫顯著變冷(圖5c)。在這些冷暖海溫異常強(qiáng)迫下，在熱帶印太海盆形成顯著的Walker環(huán)流異常，對(duì)流層低層850 hPa大氣分別為顯著的輻散和輻合異常(圖5f)，顯著抑制和增強(qiáng)局地對(duì)流活動(dòng)(圖6c)，特別會(huì)造成海洋大陸附近和熱帶中太平洋500 hPa相對(duì)濕度顯著減小和增加(圖6f)。與多臺(tái)風(fēng)事件弱年或單臺(tái)風(fēng)偏多年相比，多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年在中西太平洋北半球副熱帶地區(qū)(5°～15°N，150°～180°E)對(duì)流活動(dòng)明顯增強(qiáng)(圖6c)，有利于臺(tái)風(fēng)生成，而在海洋大陸附近對(duì)流活動(dòng)受到抑制(圖6c)，對(duì)流層中層相對(duì)濕度顯著減小(圖6f)，不利于臺(tái)風(fēng)生成，這也是多臺(tái)風(fēng)事件的臺(tái)風(fēng)生成源地和路徑分別偏東和偏北(圖3d、4d)的原因之一。

圖5 多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年(a、d) 和弱年(b、e)7—10月(a、b) 海溫異常(填色，單位：℃)和(d、e) 850 hPa速度勢異常(填色，單位：m2·s-1)與散度風(fēng)異常(箭矢，單位：m·s-1)及其強(qiáng)弱年的差值(c、f) 。其中(a—c)網(wǎng)格區(qū)和(d—f)打點(diǎn)區(qū)表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)Fig.5 Sea surface temperature anomaly (a,b; shaded， unit :℃)， 850 hPa velocity potential (d,e; shaded， unit:m2·s-1) anddivergent wind anomaly (arrow， unit:m·s-1) anomaly in (a， d) active and (b， e) inactive MTYE years，and (c， f) their differences; wherein， (a-c) fill pattern and (d-f) white dots indicate 95% significance level

圖6 同圖5，但為(a—c) 300 hPa垂直風(fēng)速異常(單位：Pa·s-1)和(d—f)) 500 hPa相對(duì)濕度異常(單位: %)Fig.6 Similar to fig. 5， but for (a-c) 300 hPa vertical wind anomaly (unit：Pa·s-1) and (d-f) 500 hPa relative humidity anomaly (unit:%)

根據(jù)Gill[24]提出的熱帶動(dòng)力學(xué)理論，熱帶對(duì)流活動(dòng)引起的降水凝結(jié)潛熱釋放會(huì)在其西部南北兩側(cè)產(chǎn)生Rossby波響應(yīng)。圖7給出了西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年與海溫和對(duì)流活動(dòng)異常相對(duì)應(yīng)的高低層異常風(fēng)場。在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年，熱帶中太平洋暖海溫異常引起的對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)在局地產(chǎn)生了顯著的低層大氣異常輻合，150°W以西的熱帶太平洋為顯著西風(fēng)異常，其北部和南部副熱帶地區(qū)則為明顯的氣旋式異常風(fēng)場(圖7a)，分別對(duì)應(yīng)于顯著的850 hPa相對(duì)渦度正異常和負(fù)異常(圖8a)。在多臺(tái)風(fēng)事件弱年，熱帶太平洋850 hPa大氣異常風(fēng)場和相對(duì)渦度異常與多臺(tái)風(fēng)強(qiáng)年幾乎相反(圖7b、8b)。因此，在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年差值中(圖7c、8c)，西北太平洋海域，特別是135°～180°E區(qū)域10°N附近850 hPa氣旋式異常風(fēng)場和相對(duì)渦度正異常更為顯著，這為臺(tái)風(fēng)的生成提供了非常重要的大氣低層正渦度環(huán)境，有利于多臺(tái)風(fēng)在該地區(qū)的相繼產(chǎn)生(圖3d)。

圖7 同圖5，但為(a—c) 850 hPa風(fēng)場異常和(d—f)200 hPa風(fēng)場異常(單位： m·s-1)(填色區(qū)表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn))Fig.7 Similar to fig. 5， but for (a-c) 850 hPa horizontal wind anomaly and(d-f) 200 hPa horizontal wind anomaly (unit:m·s-1) (shading indicates 95% significance level)

由于熱帶大氣響應(yīng)具有很強(qiáng)的斜壓結(jié)構(gòu)，在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年及其差值中，熱帶太平洋對(duì)流層高層200 hPa大氣風(fēng)場異常響應(yīng)結(jié)構(gòu)與850 hPa幾乎相反(圖7d、e)。因此，在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年和弱年，熱帶中西太平洋對(duì)流層高低層垂直風(fēng)場異常切變分別為顯著東風(fēng)切變和西風(fēng)切變(圖8d、e)，兩者之差所顯示的垂直東風(fēng)切變異常更加顯著(圖8f)。由7—10月季節(jié)平均的Walker環(huán)流氣候態(tài)垂直結(jié)構(gòu)可知，在熱帶西太平洋和印度洋區(qū)域?yàn)榇怪睎|風(fēng)切變氣候背景(圖8d—f)，多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年時(shí)熱帶中西太平洋的垂直東風(fēng)切變異常會(huì)使熱帶西太平洋垂直東風(fēng)切變向東擴(kuò)展(圖8d)，這也與熱帶中太平洋暖海溫異常所引起的Walker環(huán)流異常相對(duì)應(yīng)(圖5)。WANG，et al[25]與GE，et al[26]分別從理論和數(shù)值試驗(yàn)上證明了東風(fēng)切變對(duì)大氣低層天氣擾動(dòng)的發(fā)展有重要作用，Krouse，et al[8]也發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心附近垂直東風(fēng)切變的環(huán)境場有利于雙臺(tái)風(fēng)的生成。因此，熱帶中西太平洋7—10月季節(jié)平均的垂直東風(fēng)切變?yōu)槎嗯_(tái)風(fēng)的持續(xù)生成提供了重要的氣候背景條件。

圖8 同圖5，但為(a—c) 850 hPa渦度異常(單位： s-1 )和(d—f)垂直風(fēng)切變異常(U200 -U850 ， 單位： m·s-1)；黑色實(shí)線和紅色虛線分別為(d—f)氣候態(tài)、多臺(tái)風(fēng)事件(d)強(qiáng)、(e)弱年，東西風(fēng)切變零線Fig.8 Similar to fig. 5， but for (a-c) 850 hPa vorticity anomaly (unit: s-1) and (d-f) vertical wind shear anomaly (U200-U850, unit: m·s-1);black solid line and red dashed line is vertical wind shear zero line of(d-f) climatology，(d) active and(e) inactive MTYE years, respectively

圖9給出的是天氣(2～8 d)和次季節(jié)(10～30 d和30～60 d)時(shí)間尺度850 hPa大氣瞬變渦旋動(dòng)能(Eddy Kinetic Energy, EKE)在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年7—10月季節(jié)平均距平及其差值。在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年，季節(jié)平均的天氣尺度850 hPa EKE距平以12°N附近為界在西北太平洋呈北正南負(fù)分布，并略有東南—西北向傾斜(圖9a)。多臺(tái)風(fēng)事件弱年的天氣尺度850 hPa EKE距平分布與多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年幾乎完全相反(圖9b)，強(qiáng)弱年之差所給出的北正南負(fù)異常分布更加顯著(圖9c)，其中天氣尺度850 hPa EKE差值正異常中心與多臺(tái)風(fēng)路徑密度差值正中心相一致(圖4d)，這表明一方面季節(jié)平均的天氣尺度EKE會(huì)為多臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑提供一定引導(dǎo)作用，另一方面多臺(tái)風(fēng)活動(dòng)也會(huì)對(duì)季節(jié)平均的天氣尺度EKE異常有重要反饋?zhàn)饔?。在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年及其與弱年差值中，季節(jié)平均的10～30 d次季節(jié)尺度850 hPa EKE異常與天氣尺度基本一致，除了在西北太平洋120°～150°E之間20°N附近顯著正異常中心之外，在135°～180°E之間12°N附近還存在另一顯著正異常中心，且其振幅更強(qiáng)(圖9d—f)。與10～30 d次季節(jié)尺度相對(duì)應(yīng)，135°～180°E之間12°N附近區(qū)域?yàn)?0～60 d次季節(jié)尺度850 hPa EKE正負(fù)異常中心(圖9g—i)。在天氣尺度和次季節(jié)尺度上，135°～180°E之間12°N附近區(qū)域均為多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年季節(jié)平均的850 hPa EKE異常正中心，正好對(duì)應(yīng)多臺(tái)風(fēng)事件生成源地密度的主要增長區(qū)域(圖3d)，是多臺(tái)風(fēng)生成源地的關(guān)鍵區(qū)。表明在季節(jié)平均的大氣低層正渦度異常環(huán)境和垂直東風(fēng)切變異常作用下(圖8c、f)，西北太平洋135°～180°E之間12°N附近會(huì)出現(xiàn)顯著次季節(jié)大氣渦旋擾動(dòng)，進(jìn)而觸發(fā)天氣尺度臺(tái)風(fēng)持續(xù)生成。

圖9 同圖5，但為7—10月季節(jié)平均的(a—c) 2～8 d天氣尺度、(d—f) 10～30 d和 (g—i) 30～60 d次季節(jié)尺度850 hPa大氣瞬變渦旋動(dòng)能異常(單位：m2·s-2)Fig.9 Similar to fig. 5， but for (a-c) 2-8-day synoptic scale，(d-f) 10-30-day and (g-i) 30-60-daysub-seasonal time scale eddy kinetic energy anomaly (unit:m2·s-2) averaged from July to October

4 結(jié)論

作為西北太平洋強(qiáng)度更強(qiáng)的熱帶氣旋，臺(tái)風(fēng)接連不斷的生成并登陸對(duì)我國產(chǎn)生持續(xù)性的嚴(yán)重大風(fēng)和洪澇災(zāi)害。本文利用1945—2018年JTWC的6 h臺(tái)風(fēng)資料定義了西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件，給出了西北太平洋多臺(tái)風(fēng)事件的季節(jié)和年際變率特征以及生成源地和路徑密度的空間分布，針對(duì)每年多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)占總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的比值，對(duì)比分析了多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)弱年海溫與大氣環(huán)流異常的差異，揭示了7—10月季節(jié)和季節(jié)內(nèi)多個(gè)時(shí)間尺度(2～8 d、10～30 d和30～60 d)的氣候背景對(duì)多臺(tái)風(fēng)事件形成的可能影響。主要結(jié)論如下：

(1)與總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)季節(jié)變化相類似，7—10月是多臺(tái)風(fēng)事件主要頻發(fā)季節(jié)，占全年多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)的81.2%，其中9月多臺(tái)風(fēng)事件最多；冬春季多臺(tái)風(fēng)事件很少發(fā)生，在研究時(shí)段內(nèi)1、2月從未出現(xiàn)過多臺(tái)風(fēng)事件。多臺(tái)風(fēng)事件中的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)多為2個(gè)，最多可達(dá)16個(gè)，出現(xiàn)在1996年。

(2)多臺(tái)風(fēng)比單臺(tái)風(fēng)生成源地更偏向于熱帶西北太平洋東南部海域(135°～150°E的12°N附近)，該區(qū)域?yàn)槎嗯_(tái)風(fēng)事件生成源地的關(guān)鍵區(qū)。多臺(tái)風(fēng)比單臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度更強(qiáng)，生命期更長。相應(yīng)地，多臺(tái)風(fēng)事件的生命期大都在15 d左右，最長可達(dá)40 d以上。同時(shí)，多臺(tái)風(fēng)路徑密度整體比單臺(tái)風(fēng)偏大，并有向北和向西偏移的趨勢，特別是在我國浙江和福建沿海以及南海地區(qū)，這意味著多臺(tái)風(fēng)事件可能會(huì)給這些地區(qū)帶來更加嚴(yán)重的影響。

(3)多臺(tái)風(fēng)事件頻數(shù)主要以年際變率為主，沒有明顯趨勢性變化。但其所包含的多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)與總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)相類似，除了年際變率外，還有明顯的年代際變率特征，1960—1975年和90年代為兩個(gè)明顯多臺(tái)風(fēng)發(fā)生偏多的年代。多臺(tái)風(fēng)頻數(shù)與總臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的比值可用來確定多臺(tái)風(fēng)事件的強(qiáng)年和弱年，存在明顯的年際變率，并隨時(shí)間有一定的增長趨勢。

(4)在多臺(tái)風(fēng)事件強(qiáng)年，7—10月季節(jié)平均的中東太平洋熱帶和北半球副熱帶海溫顯著增暖，其在熱帶中太平洋產(chǎn)生顯著的對(duì)流活動(dòng)異常，一方面它會(huì)在局地產(chǎn)生更多的降水凝結(jié)潛熱，增加對(duì)流層中層500 hPa相對(duì)濕度，通過Gill型Rossby波響應(yīng)在西北太平洋產(chǎn)生顯著的大氣低層相對(duì)渦度正異常，為多臺(tái)風(fēng)的生成提供了重要的氣候背景；另一方面它會(huì)通過Walker環(huán)流異常在熱帶中西太平洋產(chǎn)生顯著的垂直東風(fēng)切變異常，有利于低層大氣天氣尺度擾動(dòng)的發(fā)展增強(qiáng)，可以連續(xù)不斷地觸發(fā)臺(tái)風(fēng)的生成。

(5)在多臺(tái)風(fēng)事件生成源地關(guān)鍵區(qū)，季節(jié)平均的天氣尺度和次季節(jié)尺度低層大氣EKE均顯著增加，其中10～30 d時(shí)間尺度信號(hào)更顯著。表明在7—10月季節(jié)平均的氣候異常背景下，多時(shí)間尺度大氣瞬變渦旋擾動(dòng)均會(huì)增強(qiáng)，有利于天氣尺度臺(tái)風(fēng)的不斷生成，并維持更長的時(shí)間。