El Nio衰減年西北太平洋熱帶氣旋活動特征的差異性

鐘校堯 余錦華 歐立健 張旭煜

(南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044)

引 言

熱帶氣旋(Tropical Cyclone， TC)是發(fā)生在熱帶海洋上的一種具有暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋，其伴隨的暴雨和大風(fēng)等現(xiàn)象常給我國沿海地區(qū)造成嚴(yán)重災(zāi)害。El Nio是氣候系統(tǒng)最顯著的年際變化信號，也是西北太平洋TC活動季節(jié)預(yù)測重要的可預(yù)報性來源[1-2]。觀測顯示，El Nio一般在北半球春季和夏季發(fā)展，冬季達(dá)到峰值，次年處于衰減階段。WANG， et al[3]注意到El Nio衰減年西北太平洋TC生成頻數(shù)減少的現(xiàn)象，并利用海溫和環(huán)流的異常進(jìn)行解釋。但最近研究發(fā)現(xiàn)，有些El Nio衰減年出現(xiàn)TC生成頻數(shù)增加的情況[4-5]，El Nio衰減年TC活動的多樣性給TC的氣候預(yù)測帶來挑戰(zhàn)。因此，研究El Nio衰減年TC活動特征，可提高El Nio與TC活動關(guān)聯(lián)的認(rèn)識，為TC活動的季節(jié)預(yù)測奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

已有的統(tǒng)計分析指出，夏季和秋季的TC生成頻數(shù)與前期峰值的Nio3.4指數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)[6]，并認(rèn)為這與西北太平洋異常反氣旋(Western North Pacific Anomalous Anticyclone， WNPAC)的維持有關(guān)。WANG， et al[7]的研究表明，在El Nio衰減年，赤道中東太平洋海溫冷偏差通過西傳的Rossby波和?！?dú)怦詈闲纬蒞NPAC。熱帶印度洋和北大西洋的電容器效應(yīng)對WNPAC的維持也起重要作用，形成不利于TC生成的環(huán)境條件[8-14]，抑制了西北太平洋TC的生成[15-18]。這些研究很好地闡述了El Nio衰減年TC生成頻數(shù)減少的機(jī)理。

1 資料與方法

1.1 資料

使用美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心 (Joint Typhoon Warning Center， JTWC)的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)，包括TC的中心位置和附近最大風(fēng)速，數(shù)據(jù)時間間隔為6 h。只考慮生命史中最大強(qiáng)度大于或等于熱帶風(fēng)暴級別(TS， 近中心風(fēng)速超過17.2 m·s-1)，生成于西北太平洋海域(0°～ 40°N， 100°E ～ 180°)的熱帶氣旋，首次達(dá)到TS強(qiáng)度的位置作為生成點(diǎn)。計算熱帶氣旋潛在生成指數(shù)以及環(huán)境場所使用的數(shù)據(jù)為歐洲中期預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting， ECMWF)的ERA-5再分析月平均資料，空間網(wǎng)格分辨率為1.0°×1.0°，所使用的要素包括氣溫、比濕、水平風(fēng)場、垂直速度、相對濕度以及海平面氣壓。哈德來中心海表面溫度月平均資料(HadISST1)用于計算Nio3.4指數(shù)，空間網(wǎng)格分辨率為1.0°×1.0°。研究的時段為1970—2018年7—10月，這段時間生成的TC約占全年的70%，稱為TC活躍季，采用的氣候態(tài)為1981—2010年，相對于該氣候態(tài)的偏差為異常。

1.2 方法介紹

1.2.2 熱帶氣旋潛在生成指數(shù)

采用Murakami, et al[14]提出的熱帶氣旋潛在生成指數(shù)來評估環(huán)境要素對TC生成的影響，其計算公式如下：

(1)

其中：η為850 hPa絕對渦度(單位:s-1);RH為600 hPa相對濕度(單位:%);Vpot為最大可能強(qiáng)度(單位: m·s-1)，Vshear為850 hPa和200 hPa之間的垂直風(fēng)切變(單位: m·s-1)，ω為500 hPa垂直速度(單位: Pa·s-1)。等式最右邊的t1～t5表示公式中的各項。

最大可能強(qiáng)度計算公式：

(2)

其中：Ts為海表溫度;T0為平均流出層溫度;CK為?！?dú)鉄崃ν弦废禂?shù);CD為動力拖曳系數(shù);CAPE*為海表面空氣飽和時的對流有效位能;CAPE為邊界層空氣對流有效位能。

垂直風(fēng)切變公式為：

(3)

引入LI， et al[19]的方法對MWGPI計算公式中的各項因子進(jìn)行定量診斷，對MWGPI公式的各項進(jìn)行差分運(yùn)算：

(4)

其中：δ表示該物理量的異常，而上方橫線表示物理量的氣候態(tài)。

1.2.3 統(tǒng)計檢驗方法

2 El Nio衰減年西北太平洋熱帶氣旋生成頻數(shù)異常特征

2.1 熱帶氣旋生成頻數(shù)異常的差異性特征

表1 El Nio衰減事件的兩種情形Table 1 Two types of El Nio decaying years

表1 El Nio衰減事件的兩種情形Table 1 Two types of El Nio decaying years

El Ni?o衰減年分組年份TC生成頻數(shù)偏少1983、1998、2003、2010TC生成頻數(shù)偏多1978、1992、1995、2016

如圖2b所見，TC生成頻數(shù)偏少情形下，西北太平洋TC生成頻數(shù)的負(fù)異常主要發(fā)生在西北太平洋的中東部，即位于(15°～25°N， 140°～150°E)和(5°～25°N， 150°～170°E)，約占西北太平洋TC生成頻數(shù)負(fù)異常的90%。而TC生成頻數(shù)偏多情形下，南海和菲律賓附近海域(15°～25°N， 110°～120°E)和(5°～25°N， 120°～130°E)TC生成頻數(shù)顯著增加(圖2c)，約占整個區(qū)域正異常的71%。

圖1 El Nio衰減年西北太平洋TC生成頻數(shù)異常的合成偏少(實線)和偏多(虛線) (單位：頻次)Fig.1 The anomalies of TC genesis frequency in the post-El Nio period:less TC(solid line); more TC(dotted line) (unit: number)

2.2 TC生成異常與環(huán)境要素的聯(lián)系

西北太平洋MWGPI氣候態(tài)的空間型(圖3a)與TC生成頻數(shù)氣候態(tài)(圖2a)相似，大值位于150°E以西，菲律賓群島以東和部分南海海域。TC生成頻數(shù)偏少情形下，MWGPI在西北太平洋東部有顯著的負(fù)異常(圖3b)，與圖2b觀測得到的TC生成頻數(shù)的顯著負(fù)異常有較好的對應(yīng)關(guān)系。TC生成頻數(shù)偏多情形下，MWGPI在中國南海和菲律賓附近存在的正異常(圖3c)，其空間分布與實際情況基本吻合(圖2c)。在此基礎(chǔ)上，將偏少型西北太平洋東部(East Western North Pacific,EWNP)為(15°～25°N， 140°～150°E)和(5°～25°N， 150°～170°E) 偏多型的中國南海和菲律賓近海(SCSF)，即(15°～25°N， 110°～120°E)和(5°～25°N， 120°～130°E)作為主要研究對象，定量研究各環(huán)境要素對MWGPI變化的貢獻(xiàn)(表2)。

圖2 (a)TC生成頻數(shù)在7—10月的氣候態(tài)、El Nio衰減年TC生成頻數(shù)(b)偏少和(c)偏多兩種情形的異常空間型(深灰色和淺灰色陰影表示通過α=0.05的顯著性檢驗， 單位:次·a-1)Fig.2 The climatological mean of TC genesis frequency from July to October (a); anomalous fields of TC genesis frequency in the post-El Nio period from July to October for the composite events in the case of (b) less TC and (c)more TC(The dark gray and light gray shading parts indicate that the significance exceeds 95% confidence level, unit: number·a-1)

結(jié)果表明，在TC生成頻數(shù)偏少情形下，垂直風(fēng)切變和600 hPa相對濕度對西北太平洋東部MWGPI負(fù)異常貢獻(xiàn)最大，分別為40.3%和23.0%，其次是850 hPa絕對渦度和500 hPa垂直速度，貢獻(xiàn)了22.9%和18.2%。從圖4a可見，在西北太平洋東部600 hPa存在大的相對濕度負(fù)異常區(qū)域。分析發(fā)現(xiàn)，比濕的減少導(dǎo)致相對濕度的減少，與西北太平洋異常反氣旋南側(cè)的東風(fēng)(圖略)將東側(cè)的干空氣輸送到該地區(qū)上空有關(guān)。垂直速度與相對濕度存在高相關(guān)，因此相對濕度減少一般伴隨著異常下沉運(yùn)動。西北太平洋中下層(850 hPa)為異常反氣旋，20°N以南為顯著的東風(fēng)異常 (圖4c)，對流層上層為氣旋性環(huán)流異常(圖4e)，其南側(cè)(TC生成頻數(shù)減少區(qū)域)為西風(fēng)異常，這樣的上下層環(huán)流配置，使西北太平洋東部的垂直風(fēng)切變顯著增大。

圖3 潛在生成指數(shù)在7—10月的氣候態(tài)(a)、El Nio衰減年TC生成頻數(shù)偏少(b)和偏多(c)兩種情形的異?？臻g型(紅色和藍(lán)色填色部分為通過α=0.1的顯著性檢驗)Fig.3 The climatological mean of MWGPI from July to October (a); anomalous fields of MWGPI in the post-El Nio period from July to October for the composite events in the case of (b) less TC and (c) more TC (The red and blue shading parts indicate that the significance exceeds 90% confidence level)

表2 環(huán)境要素異常對δMWGPI的貢獻(xiàn)Table 2 Contributions of anomalous environmental factors to δMWGPI

在TC生成頻數(shù)偏多情形下，600 hPa相對濕度增加對MWGPI正異常的貢獻(xiàn)最大，達(dá)64.3%。對流層中層垂直速度(對流增強(qiáng))貢獻(xiàn)了30.0%，對流層低層絕對渦度貢獻(xiàn)了23.1%。相對濕度增加與南海對流層中低層的氣旋性異常環(huán)流 (圖4d)有關(guān)，其周圍的的高濕空氣向該地輻合，導(dǎo)致比濕增大，造成相對濕度的正異常，垂直速度的正異常(圖4b)，即對流運(yùn)動增強(qiáng)，也與氣旋性環(huán)流異常有關(guān)。對流層高層200 hPa的環(huán)流異常信號在南海地區(qū)較弱，使垂直風(fēng)切變異常信號較小(圖4f)。

最大可能強(qiáng)度對西北太平洋TC生成頻數(shù)在東南部海域異常減少和南海及菲律賓群島附近異常增加都為負(fù)貢獻(xiàn)。這與西北太平洋絕大部分區(qū)域海表溫度變化是異常大氣環(huán)流強(qiáng)迫的作用有關(guān)。對流層低層西北太平洋大范圍的異常反氣旋(圖4c)使西北太平洋絕大部分區(qū)域海表溫度升高(圖略)，最大可能強(qiáng)度顯著增加(圖4g)，東側(cè)的減少不顯著，對TC生成影響小。同樣，南海地區(qū)的最大可能強(qiáng)度減小(圖4h)，對該區(qū)域的TC 生成頻數(shù)增加也沒有貢獻(xiàn)。

值得注意的是，熱帶氣旋潛在生成指數(shù)最早由Emanuel， et al[8]提出，是綜合影響TC生成的多環(huán)境要素擬合出來的指數(shù)[9-11]，用于描述北大西洋TC生成頻數(shù)的氣候態(tài)， 寬闊洋面上的TC生成頻數(shù)變化也能較好表述。但在(5°～15°N，110°～150°E)范圍，下墊面較為復(fù)雜，且與西北太平洋暖池高度重合，可能包含了一些非線性的過程影響著TC生成，TC潛在生成指數(shù)在該地區(qū)不能很好描述TC生成頻數(shù)的異常特征[12-13]。圖4a、4c、4e和圖4g顯示，南海與菲律賓附近海域，垂直風(fēng)切變、最大可能強(qiáng)度和相對濕度對TC的生成具有促進(jìn)作用，絕對渦度抑制TC生成，從而使TC生成頻數(shù)的正異常不顯著(圖2b)，即該區(qū)域，潛在生成指數(shù)高估了垂直風(fēng)切變和最大可能強(qiáng)度的作用。而TC生成頻數(shù)顯著正異常發(fā)生在南海與菲律賓附近海域的情形(圖2c)，TC潛在生成指數(shù)異常與實際較為吻合(對比圖3c與圖2c)，該情形下，相對濕度的影響最大，絕對渦度也是正的貢獻(xiàn)。可見，TC潛在生成指數(shù)能否較好描述TC生成頻數(shù)異常與各環(huán)境要素的影響大小有關(guān)，同一區(qū)域內(nèi)，由于抑制和有利于TC生成環(huán)境要素的作用效應(yīng)相對不同，使TC潛在生成指數(shù)對實際TC生成頻數(shù)異常的表述出現(xiàn)一定的不穩(wěn)定性。

圖4 El Nio衰減年7—10月TC生成頻數(shù)偏少(a、c、e、g)和偏多(b、d、f、h)兩種情形下環(huán)境要素異常合成(打點(diǎn)表示陰影通過α =0.05的顯著性檢驗;網(wǎng)狀填充表示相對濕度通過α =0.05的顯著性檢驗; 風(fēng)場只顯示通過α =0.1的顯著性檢驗部分;黃框為主要研究區(qū)域): (a、b) 500 hPa垂直速度異常(陰影， 單位: -1.0 Pa·s-1)和600 hPa相對濕度異常(等值線， 單位: %);(c、d)850 hPa絕對渦度異常(陰影， 單位: 10-5s-1)和850 hPa水平風(fēng)場異常(箭矢， 單位: m·s-1);(e、f)垂直風(fēng)切變(陰影， 單位: m·s-1)和200 hPa水平風(fēng)場(箭矢， 單位: m·s-1); (g、h) 最大潛在風(fēng)速(陰影， 單位: m·s-1)Fig.4 Composite events in the case of less TC (a，c，e，g) and more TC (b，d，f，h) over the western North Pacific in the post-El Nio period from July to October (The stippling indicates the significance of shading exceeding 95% confidence level，the net shape indicates the significance of relative humidity exceeding 95% confidence level and only the wind vector anomaly abovethe 90% confidence level is shown; yellow box is the main research area): (a， b)anomalous fields of vertical velocity (shading， unit:-1.0 Pa·s-1) at 500 hPa and relative humidity (contour， unit: %) at 600 hPa; (c， d) absolute vorticity (shading， unit:10-5s-1) at 850 hPa and wind vector (arrow, unit: m·s-1) at 850 hPa; (e， f) vertical wind shear (shading， unit: m·s-1) and wind vector (arrow, unit: m·s-1) at 200 hPa; (g， h)the max potential intensity (shading， unit: m·s-1)

圖5 El Nio衰減年7—10月TC生成頻數(shù)偏少(實線)和偏多(虛線)兩種情形的西北太平洋異常反氣旋指數(shù) Fig.5 WNPAC in the post-El Nio period from July toOctober for the composite events in the case of less TC (solid line) and more TC (dotted line)

圖6 TC活動日數(shù)在7—10月的氣候態(tài)(a)以及El Nio衰減年兩種情形下TC活動日數(shù)異常合成(b、c)(深灰色和淺灰色陰影為通過α =0.05的顯著性檢驗， 單位:次·a-1) Fig.6 The climatological mean of TC days from July to October (a); anomalous fields of TC days in the post-El Nio period fromJuly to October for the composite events in two conditions (b，c) (Dark gray and light gray shading parts indicatethat significance exceeds 95% confidence level, unit: number·a-1)

西北太平洋反氣旋指數(shù)(15°～25°N， 115°～150°E，850 hPa流函數(shù))異常合成[20]結(jié)果顯示(圖5)，TC生成頻數(shù)偏少情形，反氣旋指數(shù)在整個TC活躍季為大的正異常，抑制了TC成。TC生成頻數(shù)偏多情形，反氣旋指數(shù)在El Nio次年都為小的正異常，8月轉(zhuǎn)為負(fù)值，形成有利于TC生成的氣旋性環(huán)流異常。

3 El Nio衰減年熱帶氣旋活動的差異性

利用與TC生成頻數(shù)相同的插值方法，將熱帶氣旋活動日數(shù)(TC days)[21]插值到網(wǎng)格中。圖6a顯示，我國臺灣島東側(cè)的TC活動最為頻繁，平均每年TC活動在5 d以上。在TC生成頻數(shù)偏少的情形中，絕大部分地區(qū)TC活動日數(shù)相比氣候態(tài)偏少(圖6b)，即使有偏東風(fēng)引導(dǎo)氣流的存在(圖7a)，西北太平洋東部TC生成頻數(shù)減少，使得整體TC活動減弱。而TC生成頻數(shù)偏多的情形中，整個西北太平洋TC活動增強(qiáng)(圖6c)，在中國南海以及菲律賓近海最明顯，主要因為該地區(qū)TC生成頻數(shù)顯著增多。

除了TC生成頻數(shù)和TC活動日數(shù)之外，其他TC活動也存在較大差異(表3)。在TC生成頻數(shù)偏多的情形下，登陸中國大陸TC頻數(shù)偏多(由于涉及二次登陸問題，不包括登陸臺灣省以和海南省)，這與TC生成頻數(shù)偏多以及廣東和福建沿岸的東南風(fēng)異常(圖7b)有關(guān)，其次強(qiáng)TC也是偏多，這也與TC生成頻數(shù)偏多有關(guān)。可見，在這種情形下TC的活動對我國影響更大，更值得我們?nèi)リP(guān)注。

4 結(jié)論

本文采用JTWC的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)和ECMWF提供的ERA-5再分析資料，著重分析了El Nio衰減年西北太平洋TC生成頻數(shù)偏少和偏多兩種情形下的TC活動，得到以下結(jié)論：

表3 El Nio衰減年兩種情況TC活動特征Table 3 Characteristics of TC activities in two types of El Nio decaying years

表3 El Nio衰減年兩種情況TC活動特征Table 3 Characteristics of TC activities in two types of El Nio decaying years

區(qū)域登陸中國大陸TC平均頻次/(次·a-1)強(qiáng)TC平均頻次/(次·a-1)總TC平均生命史/h登陸中國后TC平均生命史/ hTC生成頻數(shù)偏少0.22-2.18-14.98-6.31*TC生成頻數(shù)偏多1.72**2.57*1.13-1.71偏多-偏少1.50*4.75**16.114.60氣候態(tài)5.0311.93141.8122.71

注:*和**分別表示通過α =0.1和α =0.05的顯著性檢驗．(1) TC生成頻數(shù)偏少的情形，TC生成頻數(shù)的偏少主要體現(xiàn)在東部海域(15°～25°N， 140°～150°E)和(5°～25°N， 150°～170°E)，600 hPa相對濕度的負(fù)異常、垂直風(fēng)切變的正異常、絕對渦度的負(fù)異常以及異常的下沉運(yùn)動是引起TC生成頻數(shù)減少的主要原因，相對濕度的減少與西北太平洋異常反氣旋南側(cè)的東風(fēng)將東側(cè)的干空氣輸送到該地區(qū)上空有關(guān)，850 hPa反氣旋性異常環(huán)流南側(cè)東風(fēng)異常和200 hPa氣旋性異常環(huán)流南側(cè)西風(fēng)異常這種上下層異常環(huán)流配置，使西北太平洋東部的垂直風(fēng)切變顯著增大。

圖7 El Nio衰減年兩種情形下7—10月引導(dǎo)氣流異常的合成(紅色矢量代表通過α =0.1的顯著性檢驗):(a)TC偏少;(b)TC偏多Fig.7 Anomalous fields of guide wind in the post-El Nio period from July to October for the composite events in two conditions(The red vector indicates that the significance exceeds 90% confidence level):(a) less TC; (b)more TC

(2) TC生成頻數(shù)偏多的情形，TC生成頻數(shù)的偏多主要體現(xiàn)在中國南海和菲律賓近海(15°～25°N， 110°～120°E)和(5°～25°N， 120°～130°E)，600 hPa相對濕度的正異常是引起該地區(qū)TC增加的最主要原因，600 hPa存在的氣旋性異常環(huán)流使周圍的水汽向南海地區(qū)輻合。對比兩者的WNPAC指數(shù)發(fā)現(xiàn)，在8月之前均為正值，因為西北太平洋850 hPa存在著巨大的反氣旋異常，抑制著該地區(qū)TC的生成。在8月之后，TC生成頻數(shù)偏多的情形下WNPAC逐漸減弱消亡，轉(zhuǎn)為氣旋性異常環(huán)流，TC活動增加。對比兩種情形TC活動發(fā)現(xiàn)，TC生成頻數(shù)偏少的情形下TC活動日數(shù)偏少，與東部TC生成頻數(shù)偏少有關(guān)。TC生成頻數(shù)偏多的情形下登陸中國大陸TC頻數(shù)偏多以及南海TC活動日數(shù)的增加，原因是南海地區(qū)TC生成頻數(shù)偏多和廣東和福建沿岸的東南風(fēng)的正異常。

(3) 若對1970—2018年所有年份7—10月的TC活動進(jìn)行研究，以同樣分類的標(biāo)準(zhǔn)可以將其分為TC生成頻數(shù)偏少和偏多的兩種情形。對比發(fā)現(xiàn)，在TC生成頻數(shù)偏少情形，所有年份合成在空間上與El Nio衰減年不同，前者TC生成的負(fù)異常發(fā)生在西北太平洋東部海域和南海，而后者主要發(fā)生在西北太平洋的東南部海域，南海和菲律賓群島附近有不顯著的正異常出現(xiàn)，這些特征與環(huán)境要素異常分布相對應(yīng)。同樣，TC生成頻數(shù)正異常所有年份合成在空間上與El Nio衰減年也表現(xiàn)出不一樣的特征。

本文研究的TC樣本數(shù)雖然都只有4 a，但是TC生成頻數(shù)偏少和偏多都是顯著的，這是本文研究的基礎(chǔ)。結(jié)果是否具有普適性，期待今后在有更多的樣本條件下，證實兩種情形的差異性。另外，還發(fā)現(xiàn)兩種情形下，印度洋海表溫度有較為明顯的差異，即TC生成頻數(shù)偏少情形，熱帶印度洋海表顯著增暖，TC生成頻數(shù)偏多情形，熱帶印度洋海表溫度異常信號弱，這表明，El Nio衰減年，西北太平洋TC活動的差異與印度洋有關(guān)，下一步工作將深入探討El Nio衰減年印度洋海表溫度差異形成的原因。