全球熱帶氣旋破壞力的氣候特征

駱方露，朱敏，李江南

（1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點實驗室，廣東珠海519082；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海519082）

1 引言

隨著全球變暖形勢愈發(fā)嚴峻，全球極端天氣氣候事件及其造成的災(zāi)害頻率呈現(xiàn)出增加的趨勢。熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）作為一種破壞性極大的全球性氣象災(zāi)害，其活動與全球平均氣溫密切相關(guān)。多年來，許多國內(nèi)外研究學(xué)者致力于TC的研究，剖析其發(fā)生機理和時空變化規(guī)律，這對于提高TC預(yù)報水平以及減少TC的發(fā)生風險和災(zāi)害損失具有重要意義。

過去對TC活動趨勢的研究主要集中在頻數(shù)和強度上。Chan等[1]發(fā)現(xiàn)20世紀70年代中期后，西北太平洋TC發(fā)生數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢，而北大西洋的變化趨勢恰恰相反，這一結(jié)論與Landsea等[2]一致，上述研究表明全球總TC活動可能保持相對穩(wěn)定，一個海區(qū)TC活動的增加可能是另一個海區(qū)活動減少所補償產(chǎn)生的。Camargo等[3]發(fā)現(xiàn)在厄爾尼諾年，TC強度比拉尼娜年更大，持續(xù)時間也更長。楊亞新等[4]指出2006—2015年間TC發(fā)生頻數(shù)呈減小趨勢，7—10月是TC發(fā)生的活躍期。對于西北太平洋海域2018年8月出現(xiàn)的TC頻數(shù)異常，張潤宇等[5]研究發(fā)現(xiàn)其與850 hPa相對渦度和600 hPa相對濕度之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系，這兩個因子正異常的出現(xiàn)，為TC的生成提供了有利條件。較大的垂直切變會直接導(dǎo)致北大西洋熱帶風暴和颶風頻數(shù)的減少[6]。

然而，Landsea等[2]發(fā)現(xiàn)1944—1995年北大西洋出現(xiàn)了強颶風頻數(shù)減少和TC強度減弱的趨勢，但在這期間TC造成的損失卻是巨大的，這說明了TC頻數(shù)和強度若用于評估TC造成的損失，還存在很大的局限性。1969年，土木工程師Saffir提出薩菲爾-辛普森颶風等級（Saffir-Simpson Hurricane Scale，SSHS）這個概念，它利用最大持續(xù)風速評定颶風強度，后來被廣泛應(yīng)用于颶風預(yù)警。Kantha[7]提出了連續(xù)的颶風強度指數(shù)（Hurricane Intensity Index，HII）和考慮颶風尺度的颶風危害指數(shù)（Hurricane Hazard Index，HHI），通過對比這兩個指數(shù)和SSHS評定的颶風強度，發(fā)現(xiàn)SSHS的評定結(jié)果與颶風實際造成的損失相差很大，因為它沒有考慮颶風尺度，忽視了強度弱但尺度大的TC可能比強度大但尺度小的TC造成更大破壞的情況。因此，為了更好地描述TC的破壞力，很多研究學(xué)者一直嘗試開發(fā)各種新的影響指數(shù)，比如Bell等[8]提出了累積氣旋能量指數(shù)（Accumulated Cyclone Energy，ACE），定義為整個TC壽命期間最大風速的平方和；Emanuel[9]基于能量耗散概念提出了類似ACE的能量耗散指數(shù)（Power Dissipation Index，PDI），定義為TC壽命內(nèi)最大持續(xù)風速立方的時間積分；Powell等[10]基于TC的綜合動能（Integrated Kinetic Energy，IKE）提出了風破壞力評級指數(shù)（Wind Destructive Potential，WDP）和風暴潮與波浪破壞力評級指數(shù)（Storm surge and wave Destructive Potential，SDP），這兩個評級指標中納入了TC的半徑信息，充分考慮了尺度在TC破壞力中的貢獻。上述指數(shù)的提出綜合考慮了TC的頻數(shù)、持續(xù)時間和強度，彌補了單獨研究頻數(shù)和強度的局限性[11]。王功錄[12]對1949—2011年登陸我國TC的ACE進行分析，發(fā)現(xiàn)基本呈減弱趨勢。1982—2014年西北太平洋TC的ACE年際變化在整體上也呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢[13]。屠佳雨等[14]研究發(fā)現(xiàn)，1949—2014年影響海南島的西北太平洋臺風年際總PDI變化趨勢表現(xiàn)為緩慢減小。季倩倩[15]的研究結(jié)果表明1979—2018年西北太平洋登陸TC的PDI表現(xiàn)為顯著的增長趨勢，且在研究時間范圍內(nèi)增大了33%。喬守文等[16]發(fā)現(xiàn)TC頻數(shù)和平均最大風速的增加促進了累積PDI的增長。

海洋是TC的主要能量來源，更高的海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）降低了大氣穩(wěn)定性，增加了渦的穿透深度，使得TC能夠抵抗垂直風切變繼續(xù)發(fā)展[17]。一般來說，SST達26.5℃以上是TC發(fā)展的必要條件。Emanuel[18]和Knutson等[19]預(yù)測TC強度將隨著全球平均溫度的升高而增加。赤道東太平洋SST的年際變化與西北太平洋中、西部臺風頻數(shù)之間有很強的滯后相關(guān)關(guān)系[20]。Goldenberg等[17]認為1995—2000年以來北大西洋颶風的異?；钴S可能是北大西洋SST和垂直風切變的多年代際變化，以及全球變暖導(dǎo)致SST進一步增加的共同作用的結(jié)果。Emanuel[9]發(fā)現(xiàn)自20世紀70年代中期以來TC能量耗散明顯增加，這是由于TC壽命延長和強度增大所致。TC能量耗散與SST變化之間存在很強的相關(guān)關(guān)系，但觀測到的能量耗散增加僅部分是由SST增加直接引起。

綜上所述，前人在TC氣候特征方面做了大量的研究工作，其中關(guān)于頻率和強度的統(tǒng)計研究很多，關(guān)于破壞力的相對較少，并且以往的研究多集中于西太平洋和北大西洋，很少涉及到全球范圍內(nèi)的其他海區(qū)，影響指數(shù)與SST之間的相關(guān)關(guān)系也較少被提及。因此，本研究旨在應(yīng)用PDI、WDP和SDP對全球范圍內(nèi)的TC進行統(tǒng)計，分析全球TC破壞力的時間變化和空間分布特征，并探討各影響指數(shù)與SST變化之間的聯(lián)系。

2 數(shù)據(jù)和指標的定義

2.1 數(shù)據(jù)和研究方法

本文使用的TC資料來自國際熱帶氣旋最佳路徑資料集（International Best Track Archive for Climate Stewardship，IBTrACS），它集合了來自全球多個區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心和其他機構(gòu)的TC數(shù)據(jù)集信息，包含間隔3 h的TC位置、強度和其他信息。全球海區(qū)分為北大西洋（North Atlantic，NA）、東太平洋（East Pacific ocean，EP）、西太平洋（West Pacific ocean，WP）、北印度洋（North India，NI）和南半球海區(qū)（Southern Hemisphere，SH，包含南印度洋、南太平洋和南大西洋），各海區(qū)的SST平均范圍選自2000—2010年歷史TC（≥18 m/s）路徑覆蓋的范圍：北大西洋（0°～60°N，0°～100°W）、東太平洋（0°～35°N，100°～180°W）、西太平洋（0°～60°N，100°～180°E）、北印度洋（0°～25°N，50°～100°E）、南印度洋（0°～45°S，30°～90°E）、南太平洋（0°～60°S，160°E～120°W）和南大西洋（20°～40°S，30°～60°W）[21]。

SST資料來自Hadley中心海冰和海表溫度（Hadley center sea Ice and Sea Surface Temperature，HadISST）資料集[22]，該數(shù)據(jù)集由全球月平均海溫數(shù)據(jù)和海冰數(shù)據(jù)組成，分辨率為1°×1°，覆蓋范圍為89.5°S～89.5°N，179.5°W～179.5°E，時間跨度為1870年至今。

為分析指數(shù)的年際變化序列，本文采用一元線性回歸的統(tǒng)計學(xué)方法，對回歸系數(shù)進行t檢驗，并計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)。文中對部分時間序列作了功率譜分析。此外，在對去除了線性趨勢的全球海表溫度異常（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）進行統(tǒng)計分析時，利用了經(jīng)驗正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Functio，EOF）分解，并計算特征值誤差范圍對主分量進行顯著性檢驗[23]。

2.2 指標定義

2.2.1 能量耗散指數(shù)

本文將應(yīng)用Emanuel[9]定義的TC能量總耗散指數(shù)PDI，計算公式如下：

式中，VMS是最大持續(xù)風速（單位：m/s）；τ是TC壽命（單位：s）；PDI單位：m3/s2。

對于PDI各大海區(qū)的統(tǒng)計時間分別是：北大西洋、東太平洋和西太平洋為1949—2019年，北印度洋和南半球為1969—2019年（見表1）。

2.2.2 破壞力指數(shù)

Powell等[10]提出用IKE作為破壞力的指標，證明了IKE與風破壞力以及風暴潮與波浪破壞力之間的相關(guān)性，并由此提出了評定兩種破壞力的連續(xù)評級方法——WDP和SDP，分別從風荷載和海表應(yīng)力的物理基礎(chǔ)上傳遞破壞力。

本文將應(yīng)用WDP和SDP指數(shù)對全球TC進行分級。方法是通過Powell等[10]提供的公式，使用IBTrACS中風半徑和最大風速數(shù)據(jù)進行計算。

WDP的計算公式如下：

當TC的最大風速＜55 m/s時：

當TC的最大風速≥55 m/s時：

SDP的計算公式如下：

式 中，R18、R33和Rmax分別 是TC風速 達到18 m/s、33 m/s和最大風速時的風半徑（單位：km）；VMS是最大持續(xù)風速（單位：m/s）。

由于風半徑數(shù)據(jù)自2004年后才有完整記錄，對各大海區(qū)的WDP和SDP的分級統(tǒng)計時間為2004—2019年（見表1）。

表1 全球各海區(qū)指數(shù)的統(tǒng)計時間

3 全球TC破壞力的時空變化特征

3.1 破壞力的月際變化特征

統(tǒng)計結(jié)果表明（見圖1），北大西洋、東太平洋和西太平洋的PDI均呈現(xiàn)顯著的單峰分布，主要集中在8—10月，峰值均出現(xiàn)在9月。北印度洋TC生成數(shù)量少，且大多較弱、壽命短，PDI數(shù)值相較其他海區(qū)要小得多，分布呈雙峰型，主要集中在5—6月和10—11月，峰值分別在5月和11月。北半球月均累積PDI最大的海區(qū)為西太平洋，其次為東太平洋和北大西洋，北印度洋最小。南半球海區(qū)的PDI主要集中在1—3月，峰值出現(xiàn)在3月。

圖1 全球海域累積PDI的月際分布

圖2 展示了全球海域WDP和SDP累積評級的月際分布。由圖可見，北大西洋、東太平洋、西太平洋和南半球的WDP和SDP均表現(xiàn)為顯著的單峰型結(jié)構(gòu)。北大西洋WDP和SDP的活躍期為8—10月，峰值均出現(xiàn)在9月。東太平洋WDP和SDP主要集中在7—10月，峰值出現(xiàn)在8月。西太平洋WDP和SDP活躍在7—10月，峰值在9月。南半球的WDP和SDP主要集中在夏秋季，即1—3月，峰值出現(xiàn)在3月。與其他海區(qū)不同，北印度洋WDP和SDP呈雙峰型分布，主要集中在4—5月和10—11月，峰值分別為5月和10月。

圖2 2004—2019年全球海域WDP和SDP累積評級的月際分布

上述結(jié)果表明，北大西洋、東太平洋、西太平洋和南半球的PDI、WDP和SDP均活躍在夏秋季節(jié)，北半球海區(qū)主要集中在7—10月，峰值出現(xiàn)在8—9月，南半球季節(jié)與北半球相反，破壞力主要集中在1—3月，峰值出現(xiàn)在3月。與其他海區(qū)不同，北印度洋表現(xiàn)出特殊的雙峰型結(jié)構(gòu)，主要集中在4—6月和10—11月，峰值分別出現(xiàn)在5月和10—11月。梁梅等[24]在對北印度洋TC的頻數(shù)特征進行統(tǒng)計時也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，即在該海區(qū)，春末夏初和秋季是最有利于TC發(fā)生發(fā)展的時期；此外，作者還發(fā)現(xiàn)雙峰型結(jié)構(gòu)的成因是兩個高峰期時，北印度洋SST較高，且正值冬、夏季風轉(zhuǎn)換期間，因此為TC的生成和發(fā)展提供了有利條件。

由WDP和SDP平均評級的月際變化可知（見圖3），北大西洋的WDP和SDP表現(xiàn)為單峰型分布，主要集中在7—11月，峰值分別出現(xiàn)在9月和10月，SDP的全年最大值出現(xiàn)在1月。據(jù)美國國家颶風中心（National Hurricane Center，NHC）整理的歷史TC信息可知，2016年大西洋颶風季相當活躍，TC的活動強度高于1981—2010年的平均水平，1月出現(xiàn)的異常值正是由發(fā)生于該年的颶風“Alex”造成的，它貢獻了全年最高的SDP值。此外，SDP在5月也存在一個異常高值。與11月相比，在研究時間范圍內(nèi)，5月產(chǎn)生了5個熱帶風暴級的TC，11月產(chǎn)生了5個熱帶風暴和4個颶風，但5月和11月的平均SDP值相差不大，分別為2.85和2.73。這說明在某些TC生成數(shù)量較少且強度較弱的月份，也可能具有較強的風暴潮破壞力，若僅對頻數(shù)或強度進行單一的統(tǒng)計研究，則難以準確預(yù)估TC造成的影響。在東太平洋，WDP和SDP呈現(xiàn)雙峰型分布，前者峰值分別出現(xiàn)在6月和9月，后者分別在4月和9月?？紤]SDP在4月出現(xiàn)的異常高值，它是由2004年的超強臺風“Sudal”產(chǎn)生的，與颶風“Alex”相似，臺風“Sudal”作為研究時間范圍內(nèi)唯一在4月產(chǎn)生的TC，造成了SDP的最大值；不同的是，它的強度和破壞程度都比颶風“Alex”大得多。臺風“Sudal”在其生命史中共造成了約1 400萬美元的損失，其中遭受損失最大的區(qū)域是密克羅尼西亞聯(lián)邦雅蒲州。臺風“Sudal”經(jīng)過雅蒲州時，給島上帶來狂風暴雨，摧毀大量建筑物，島上的供水、供電和通訊系統(tǒng)遭到重創(chuàng)。沿岸受巨浪和風暴潮影響，船只沉沒，海堤被破壞，風暴潮還造成海水入侵，地下水被污染，災(zāi)難性地摧毀島上的農(nóng)作物。對比颶風“Alex”和臺風“Sudal”的WDP和SDP，可以發(fā)現(xiàn)兩者的SDP相差不大，但臺風“Sudal”的WDP比颶風“Alex”高一倍多，這說明強烈的風破壞力是導(dǎo)致臺風“Sudal”造成的影響大于颶風“Alex”的關(guān)鍵原因。西太平洋的WDP沒有顯著峰值，除1月以外，其他月份的WDP值都比較高；SDP表現(xiàn)為單峰型分布，峰值出現(xiàn)在9月，且全年均呈現(xiàn)較活躍的狀態(tài)。北印度洋的WDP和SDP呈現(xiàn)雙峰型分布，前者峰值分別出現(xiàn)在6月和10月，后者在5月和9月。在南半球，WDP和SDP除6—9月外均處于較活躍的狀態(tài)，無顯著峰值。

圖3 2004—2019年全球海域WDP和SDP平均評級的月際分布

由上述分析可知，全球各海區(qū)WDP和SDP平均評級與累積評級的月際分布特征具有顯著差異。相較而言，平均WDP和SDP具有更長的活躍期，這是受到了TC頻數(shù)月際變化的影響。平均WDP和SDP會凸顯出頻數(shù)小但破壞力大的月份，這解釋了一些累積評級較低的月份在平均評級中反而較高的現(xiàn)象，也強調(diào)了僅使用頻數(shù)來評估TC的局限性。此外，還有一些風破壞力較小的月份，風暴潮與波浪破壞力卻不低，如北大西洋的1月、5—6月和12月，西太平洋的1月，北印度洋的8—9月和12月，這些月份生成的TC在以風力為標準的傳統(tǒng)分級方式中評級較低，但實際造成的破壞會高于其所獲得的評級，從而產(chǎn)生超出預(yù)期的損失，為TC預(yù)警和防災(zāi)政策的制定帶來相當大的阻力。

3.2 破壞力的年際變化特征

由圖4可知，北大西洋PDI整體呈上升趨勢，上升速率為7.28×1012m3/（s2·a），在96%的置信水平上顯著；其年際分布表現(xiàn)為一個相對平穩(wěn)階段和一個起伏階段，分別是1949—1965年和1966—2019年，其中，1972—1994年為最不活躍的時期；對時間序列作功率譜分析（見圖5a），發(fā)現(xiàn)北大西洋的PDI具有顯著的3 a左右的周期。從長期趨勢上看，東太平洋的PDI顯示出上升趨勢，上升速率為1.92×1010m3/（s2·a），在99%的置信水平上顯著；從年際分布上看，它具有明顯的波浪式起伏變化特征，這主要表現(xiàn)在兩個起伏階段，分別是1949—1977年和1978—2010年，此外，自2011年至今，它又表現(xiàn)出上升趨勢；在該海區(qū)，PDI具有顯著的2 a左右的周期（見圖5b）。西太平洋的PDI未顯示出顯著的線性變化趨勢，其年際分布大致呈現(xiàn)為兩個起伏階段，分別是1949—1977年和1978年至今，它具有顯著的3 a左右周期和35 a左右的年代際周期（圖略）。北印度洋PDI呈現(xiàn)上升趨勢，上升速率為2.97×109m3/（s2·a），在92%的置信水平上顯著；該海區(qū)PDI的年際變化趨勢大致表現(xiàn)為，1993—2009年為減弱期，1969—1992年和2009年至今為增長期，由圖5d可知，該海區(qū)PDI具有顯著的7 a左右周期。在南半球海區(qū)，PDI整體呈現(xiàn)為上升趨勢，上升速率為4.63×1010m3/（s2·a），在99%的置信水平上顯著，其年際分布表現(xiàn)為單峰型結(jié)構(gòu)，1969—1996年為增長期，1997年至今為減弱期，圖5e顯示該海區(qū)PDI具有顯著的3 a左右周期。

圖4 全球海域累積PDI的年際分布（虛線為線性趨勢擬合）

下面對平均WDP的年際變化進行分析（見圖6）。北大西洋WDP呈現(xiàn)出不顯著的上升趨勢，上升速率約為0.024/a，其中，2006年、2012年和2013年是16 a間最不活躍的年份。東太平洋WDP未顯示出明顯的線性變化趨勢，但WDP值總體保持在一個較高水平。西太平洋的WDP顯示出緩慢的上升趨勢，上升速率為0.02/a，在96%的置信水平上顯著。北印度洋WDP整體上呈顯著下降趨勢，下降速率約為-0.12/a，在93%的置信水平上顯著。WDP最大值出現(xiàn)在2004年，由當年第25號臺風“梅花”產(chǎn)生。值得注意的是，2004年出現(xiàn)的異常高值和近4 a出現(xiàn)的異常低活躍現(xiàn)象是線性變化趨勢呈現(xiàn)為快速下降的主要原因，因此，若在更長的時間尺度上進行研究，可能會得到不同的結(jié)論。南半球海區(qū)WDP整體上呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，上升速率約為0.019/a，在94%的置信水平上顯著。

圖6 2004—2019年全球海域WDP平均評級的年際分布（柱形數(shù)據(jù)為各海區(qū)年際平均WDP，虛線為線性趨勢擬合）

圖7 a顯示，北大西洋平均SDP的時間序列沒有明顯的線性變化趨勢，但呈現(xiàn)出明顯的年際變化，在2019年SDP達到最大值3.04。東太平洋SDP存在明顯的下降趨勢，下降速率約為-0.031/a，在93%的置信水平上顯著。近16 a來，西太平洋的SDP呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，上升速率為0.029/a，在98%的置信水平上顯著。在2011年以前，SDP存在起伏變化，2005—2007年為增長期，2008—2010年為減弱期；在此之后，SDP基本保持穩(wěn)定的增長趨勢。從長期趨勢上看，北印度洋SDP的年際變化表現(xiàn)為緩慢的下降趨勢，下降速率為-0.016/a，但未通過90%置信度檢驗。北印度洋的年際分布大致呈現(xiàn)為先減少后增加的U字型變化，2005—2010年為減弱期，2013年至今為增長期。南半球海區(qū)的SDP整體表現(xiàn)為上升趨勢，上升速率為0.039/a，在94%的置信水平上顯著。南半球的SDP在2011年以前大致經(jīng)歷了一段增長期，此后維持減弱趨勢到2016年，直至近3 a又開始呈現(xiàn)增長趨勢。

圖7 2004—2019年全球海域SDP平均評級的年際分布（柱形數(shù)據(jù)為各海區(qū)年際平均SDP，虛線為線性趨勢擬合）

綜上可知，全球各海區(qū)PDI年際變化顯示出明顯的波動性變化特征，除西太平洋外均呈現(xiàn)顯著的線性增長趨勢。此外，PDI年際分布還具有顯著的周期，北大西洋和南半球存在3 a左右的振蕩周期，東太平洋顯示出2 a左右的年際變化周期，北印度洋表現(xiàn)出7 a左右的變化周期，西太平洋則具有3 a左右的年際變化周期和35 a左右的年代際變化周期。平均WDP和SDP變化緩慢，基本圍繞2級浮動，且全球海域變化趨勢不一致：WDP在西太平洋和南半球表現(xiàn)為上升趨勢，在北印度洋為下降趨勢，其余海區(qū)無明顯變化趨勢；SDP在西太平洋和南半球呈上升趨勢，在東太平洋為下降趨勢，其余海區(qū)變化趨勢不顯著。

4 SST變化對TC破壞力的影響

4.1 全球SST的時空分布及變化特征

圖8 對去趨勢的SSTA進行EOF分解，從而分析近70 a來全球SST的時空變化特征。EOF分解結(jié)果顯示，第一模態(tài)的解釋方差為21.92%，且根據(jù)North等[23]的顯著性檢驗方法，該模態(tài)是顯著的。EOF1的空間分布顯示（圖略），太平洋海區(qū)赤道中東太平洋表現(xiàn)為負異常，且存在全球海區(qū)負異常的高值中心。南北太平洋的中緯度海區(qū)呈現(xiàn)正異常，全球海區(qū)正異常的高值中心位于北太平洋。印度洋海區(qū)的異常情況與赤道中東太平洋的一致，呈現(xiàn)負異常。北大西洋整體上表現(xiàn)為正異常。

圖8 1949—2019年全球SSTA的EOF分解第一模態(tài)的時間系數(shù)

分析該模態(tài)的時間系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其在1977—1998年間以負異常為主，1976年之前及1999年以后以正異常為主，即在前一時段，全球SSTA的分布與EOF1是反位相的，而在后兩個時段則表現(xiàn)為同位相。對時間系數(shù)進行功率譜分析的結(jié)果顯示（見圖9），它具有顯著的3～5 a變化周期，中心周期為5 a。

圖9 PC1的功率譜分析（紅線表示95%的置信水平）

4.2 破壞力與SST變化的相關(guān)關(guān)系

由PDI與SST相關(guān)系數(shù)的年際變化可知（見圖10），在研究時間范圍內(nèi)，PDI與北大西洋、東太平洋、西太平洋和南半球海區(qū)SST均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（通過95%置信度檢驗），這說明東太平洋的PDI在1977—1998年隨著SST的升高表現(xiàn)為增長的趨勢，而在1976年以前及1999年以后隨SST的下降呈現(xiàn)減小的趨勢。其余3個海區(qū)的變化情況類似，1977—1998年P(guān)DI隨SST的降低而減小，其余時段則隨SST的升高而增大。北印度洋PDI與SST相關(guān)系數(shù)的年際變化大致可分為兩個階段，1969—1989年為負相關(guān)，1990年以后為正相關(guān)。這說明北印度洋PDI在1976年以前隨著SST的下降呈現(xiàn)增大趨勢，1977—1989年間PDI隨著SST的升高呈減小趨勢，1990—1998年P(guān)DI隨SST升高而增大，1999年至今PDI隨SST下降而減小。綜合PDI與SST的顯著正相關(guān)性說明，在全球變暖的背景下，TC能量耗散會隨著SST的升高而增大，從而產(chǎn)生更大的破壞力。這與Emanuel[9]的研究結(jié)果一致。

圖10 全球海域累積PDI與SST相關(guān)系數(shù)的年際分布（虛線為0.05置信水平）

由圖11可知，除北印度洋外，其余各海區(qū)WDP與SST整體上均呈顯著正相關(guān)。這說明在東太平洋，WDP隨著SST的降低而減小，而在北大西洋、西太平洋和南半球，WDP隨SST的升高呈現(xiàn)增大趨勢。在北印度洋，由于每年生成TC的數(shù)量很少，導(dǎo)致圖中缺少大量相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)，因此不具備進行長期趨勢分析的條件。在該海區(qū)，最大相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在2017年，為-0.99，在95%的置信水平上顯著。

圖11 2004—2019年全球海域平均WDP與SST相關(guān)系數(shù)的年際分布（虛線為0.05置信水平）

圖12 展示了SDP與SST相關(guān)系數(shù)的年際分布。由圖可知，北大西洋的SDP與SST在2014年以前主要呈現(xiàn)為顯著正相關(guān)，自2014年起呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。根據(jù)全球SST的時空分布可知，2014年前北大西洋大部分海區(qū)表現(xiàn)為增溫，SDP隨著SST的升高而增大，2014年后北大西洋主要表現(xiàn)為降溫，SDP隨著SST的降低而增大。在東太平洋、西太平洋和南半球海區(qū)，SDP整體上與SST均表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系。在東太平洋，2004—2014年間SST呈現(xiàn)負異常，則SDP隨SST的降低而減小，而2014年至今主要表現(xiàn)為正異常，隨著SST的升高，SDP呈現(xiàn)增大趨勢。與東太平洋恰恰相反，西太平洋的SST在2004—2014年呈現(xiàn)正異常，2014年至今呈現(xiàn)負異常，因此，在前一時段，SDP隨SST的升高而增大，后一時段，SDP隨SST的下降而減小。南半球海區(qū)的變化情況與西太平洋大致相同。北印度洋的情況如前文所述，由于有效數(shù)據(jù)量少，不進行長期趨勢分析。該海區(qū)的最大相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在2017年，為-0.94，在95%的置信水平上顯著。

圖12 2004—2019年全球海域平均SDP與SST相關(guān)系數(shù)的年際分布（虛線為0.05置信水平）

通過上述對各指數(shù)與SST的相關(guān)分析可知，盡管在16 a間有少數(shù)年份顯示出顯著負相關(guān)，以及北大西洋SDP在2014年由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨撓嚓P(guān)，但整體上指數(shù)與SST之間仍呈現(xiàn)為普遍的顯著正相關(guān)。這種相關(guān)性說明，在全球變暖的背景下，TC的破壞力會隨著SST的升高而增大。此外，在全球海域中，北印度洋的情況較為特殊，該海區(qū)的PDI與SST在1969—1989年為負相關(guān)，1990年以后轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)，而WDP和SDP由于相關(guān)系數(shù)的有效數(shù)據(jù)量少，無法進行長時間趨勢分析，兩個指數(shù)與SST的最大相關(guān)系數(shù)均為負，出現(xiàn)在2017年。

5 結(jié)論和討論

本文基于IBTrACS的歷史TC資料和HadISST數(shù)據(jù)集的SST數(shù)據(jù)，對1949—2019年全球海域TC的能量耗散指數(shù)PDI、風破壞力評級指數(shù)WDP和風暴潮與波浪破壞力評級指數(shù)SDP進行統(tǒng)計，揭示了近70 a TC破壞力的時空變化規(guī)律，并進一步研究了各指數(shù)與全球SST變化之間的相關(guān)關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下：

（1）北大西洋、東太平洋和西太平洋的累積能量耗散、風破壞力和風暴潮與波浪破壞力主要集中在7—10月，峰值在8—9月，南半球海區(qū)集中在1—3月，峰值在3月。北印度洋的累積破壞力呈現(xiàn)雙峰型分布，活躍期為4—6月和10—11月，峰值分別在5月和10—11月。在北半球海域中，破壞力月際累積最大的是西太平洋，其次為東太平洋和北大西洋，北印度洋為全球海域最小。

（2）全球各海區(qū)WDP和SDP平均評級與累積評級的月際分布特征不同，平均評級具有更長的活躍期，這是因為平均評級凸顯了TC生成數(shù)量少但破壞力大的月份。此外，還有一些月份風破壞力小，但風暴潮與波浪破壞力大，這說明若僅用頻數(shù)或強度進行評級，易造成預(yù)期之外的破壞。

（3）從年際變化的長期趨勢上看，全球各海區(qū)累積PDI除西太平洋均表現(xiàn)為顯著的線性增長趨勢。從年際分布上看，各海區(qū)PDI顯示出明顯的周期性變化，北大西洋和南半球存在3 a左右的變化周期，東太平洋為2 a，北印度洋為7 a，西太平洋具有3 a左右的年際變化周期和35 a左右的年代際變化周期。平均WDP和SDP年際變化緩慢，波動不大，且未在全球各海區(qū)表現(xiàn)出較為一致的變化趨勢。

（4）TC破壞力變化與其生成海域的SST之間具有密切聯(lián)系。PDI與北大西洋、東太平洋、西太平洋和南半球SST表現(xiàn)為顯著的強相關(guān)，北印度洋在1990年由負相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)榱苏嚓P(guān)。WDP和SDP在全球海域普遍表現(xiàn)為正相關(guān)。該結(jié)論表明，TC破壞力將在全球變暖的背景下顯示出顯著增長的趨勢。

另外值得注意的是，在對指數(shù)進行年際變化分析時，只有PDI在全球海域中表現(xiàn)出了較為一致的上升趨勢，而WDP和SDP在各海區(qū)的年際變化情況是相當不一致的。以前的TC資料忽略了TC的非對稱性結(jié)構(gòu)，風半徑值自2003年起才開始由對稱轉(zhuǎn)為按象限記錄，且過去用于計算WDP和SDP的R33觀測記錄也比較少[25]，故本文對WDP和SDP的研究時間范圍選擇了有完整記錄的2004—2019年，但時間范圍的縮短意味著統(tǒng)計結(jié)果在長時間線性趨勢上的代表性較差，與實際情況之間可能存在較大的誤差。對TC影響指數(shù)的研究結(jié)果也顯示，國內(nèi)外對ACE開展的統(tǒng)計工作最多，關(guān)于PDI的研究在近幾年開始呈現(xiàn)發(fā)展態(tài)勢，而關(guān)于WDP和SDP的研究始終很少，風半徑數(shù)據(jù)的缺失在一定程度上解釋了這一趨勢的產(chǎn)生原因。因此，未來關(guān)于WDP和SDP統(tǒng)計分析的研究發(fā)展，亟需多年歷史風半徑數(shù)據(jù)的支持。

致謝：感謝江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心對本研究的資助。