近160年西北太平洋副高的年代際變化及其對臺風(fēng)年際變化的影響

柴博語 ，徐峰 ，徐建軍 ，韓利國 ，陳思奇 ，李雅潔 ，季倩倩 ，楊金藝 ，張韶晶

(1. 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 廣東海洋大學(xué)南海海洋氣象研究院，廣東 湛江 524088)

1 引言

在西北太平洋生成的熱帶氣旋(TC)約占全球海洋生成熱帶氣旋總數(shù)的36%[1]，常對我國造成比較嚴(yán)重的影響。因此，對西北太平洋臺風(fēng)的研究是目前的一個熱點(diǎn)課題。在全球變暖的長時(shí)間尺度背景下[2]，在西北太平洋，臺風(fēng)的活動路徑和影響范圍發(fā)生了明顯的變化[3-7]，如果我們能夠?qū)Π倌暌詠砼_風(fēng)的活動進(jìn)行深入研究，從氣候變化的年代際時(shí)間尺度上探究副熱帶高壓的變化對臺風(fēng)活動逐年變化的影響機(jī)制，從而找出其中的變化規(guī)律，推測臺風(fēng)活動的變化趨勢，對于東亞地區(qū)乃至全球TC活動變化的防范和預(yù)測將是十分有意義的。

西北太平洋副熱帶高壓(Western North Pacific Subtropical High, WNPSH)是影響臺風(fēng)等天氣過程的重要系統(tǒng)之一。陳思奇等[8]通過對副高強(qiáng)度指數(shù)和副高面積指數(shù)求平均值定義了西太副高綜合指數(shù)，發(fā)現(xiàn)1950—2018 年期間副高強(qiáng)度存在年代際突變，1977年為分界點(diǎn)。慕巧珍等[9]和龔道溢等[10]研究了WNPSH 強(qiáng)度、北界、西界的變化，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度、北界有顯著的40 a 周期，西界有顯著的16 a 周期。吳國雄等[11]通過對質(zhì)量通量的計(jì)算研究了Hadley 環(huán)流與WNPSH 的關(guān)系，結(jié)果表明，近地層WNPSH 脊線上Hadley 環(huán)流表現(xiàn)為一致的下沉運(yùn)動，導(dǎo)致大氣增暖變干，天氣晴好，抑制水汽輻合，WNPSH 增強(qiáng)。JIANG 等[12]的研究表明，隨著年份的變化，Hadley 環(huán)流下沉支中心存在南北方向的變化，Walker 環(huán)流的上升支存在東西方向的變化，這種變化會對WNPSH的強(qiáng)度產(chǎn)生影響?？傮w而言，夏季(7—9 月)西北太平洋副熱帶高壓（WNPSH）存在年代際變化，其在1980年代后明顯增強(qiáng)[13]，控制的范圍向西擴(kuò)張?jiān)龃骩14]。

現(xiàn)有很多對臺風(fēng)活動變化及WNPSH 與臺風(fēng)之間變化關(guān)聯(lián)的研究。TU 等[15]研究了臺風(fēng)季西北太平洋上臺風(fēng)的潛在破壞指數(shù)（PDI）的年代際變化，發(fā)現(xiàn)以1998 年前后為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這之后，PDI 指數(shù)明顯升高，臺風(fēng)的潛在破壞能力明顯增強(qiáng)，西北太平洋臺風(fēng)影響的區(qū)域也隨之?dāng)U大，像“布拉萬”、“利奇馬”、“玲玲”、“黑格比”、“巴威”這種路徑先西北行后轉(zhuǎn)正北，嚴(yán)重影響我國東部或朝鮮半島的強(qiáng)臺風(fēng)，在夏季，尤其是8 月有增多的趨勢，這些現(xiàn)象與副高的控制范圍和脊線的位置有著十分重要的關(guān)系[16]。林春輝[17]利用中國氣象局1884—1985 年的臺風(fēng)資料，發(fā)現(xiàn)隨著WNPSH控制范圍北抬，南海區(qū)域臺風(fēng)的影響頻率將有所下降，而我國東海、朝鮮半島受臺風(fēng)影響的頻率有所上升。HO等[18]發(fā)現(xiàn)夏季W(wǎng)NPSH在年代際上明顯增強(qiáng)，而熱帶氣旋的引導(dǎo)氣流會受副熱帶高壓邊緣的控制，從而引導(dǎo)臺風(fēng)向緯度更高的區(qū)域移動，增加臺風(fēng)在東亞侵襲緯度更高的區(qū)域的可能性。慕巧珍等[19]對WNPSH 近百年四季的變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)WNPSH與影響我國的臺風(fēng)降水有密切關(guān)系，可能有包括30 a周期在內(nèi)的多種周期，且各區(qū)域周期不一致。

CMIP(CoupledModelIntercomparison Project)數(shù)據(jù)著眼于在不同情景下的地球系統(tǒng)如何響應(yīng)外強(qiáng)迫，并對未來氣候變化的趨勢進(jìn)行預(yù)測評估，前人已將CMIP 系列數(shù)據(jù)運(yùn)用于臺風(fēng)、ENSO、IOD 等的研究當(dāng)中[20]。SONG 等[21]將CMIP5 和CMIP6 模式數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比模擬分析，結(jié)果表明，CMIP6 數(shù)據(jù)更能反映對存在周期的標(biāo)量觀測結(jié)果。WANG等[22]利用CMIP5模式模擬年平均態(tài)的Hadley 環(huán)流。BROWN 等[23]、GE 等[24]分析了CMIP5 耦合模式中ENSO海溫異常緯向空間分布的模擬偏差,發(fā)現(xiàn)El Ni?o 事件暖海溫的異常區(qū)域的實(shí)際位置比模擬偏東，這會影響WNPSH的范圍和強(qiáng)度。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)來源

研究所用臺風(fēng)資料來自國際氣候管理最佳檔案IBTRACS（http://ibtracs.unca.edu/），該數(shù)據(jù)包括熱帶風(fēng)暴位置和強(qiáng)度的相關(guān)物理量，間隔為6 h，記錄了1884—2020 年在西北太平洋發(fā)生發(fā)展的4 193 個熱帶氣旋，用于臺風(fēng)發(fā)生年平均時(shí)長、年頻率及臺風(fēng)路徑經(jīng)緯度的研究。

500 hPa 高度場數(shù)據(jù)利用了國家氣候中心(Beijing Climate Centre，BCC) 的 BCC-CSM2-MR_historical_r3i1p1f1 和法國國家氣象研究中心（National Centre for Meteorological Research，CNRM）的CNRM-CM6-1_historical_r2i1p1f2 兩套CMIP6 數(shù)據(jù)與ERA5 數(shù)據(jù)(https://cds. climate.copernicus.eu/)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)建立在溫室氣體、太陽常數(shù)、火山活動、臭氧和氣溶膠的強(qiáng)迫同歷史觀測值一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，為1861—2014 年的月平均資料，空間分辨率約為1 °×1 °，垂直方向共分19層。對于500 hPa高度場2014年之后的數(shù)據(jù)則選取分辨率為0.25 °×0.25 °的ERA5 數(shù)據(jù)進(jìn)行銜接，從而與IBTRACS 臺風(fēng)數(shù)據(jù)(https://climate.copernicus.eu/climate-data-store)終止時(shí)間對齊，用于1861—2020年WNPSH的研究。

此外，本研究還運(yùn)用了1948—2020 年的NCEP 垂直速度數(shù)據(jù)(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)，分辨率為2.5 °×2.5 °，并且通過動力學(xué)方法將1861—1947 年的垂直速度數(shù)據(jù)利用u、v風(fēng)場計(jì)算出來[25]。u、v風(fēng)場數(shù)據(jù)采用了CMIP5 國際耦合模式比較計(jì)劃中的GFDL-ESM2M_historical數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率約為2.0 °×2.5 °，垂直方向分為8層(所用CMIP 數(shù)據(jù)均來源于https://esgf-node.llnl.gov/projects/)。水平和垂直風(fēng)場數(shù)據(jù)用于Hadley 環(huán)流和Walker環(huán)流的上升、下沉區(qū)域的研究。

2.2 研究思路與方法

2.2.1 思 路

研究先關(guān)注1861—2020 年西太平洋區(qū)域500 hPa 高度場的變化趨勢，并分析1910—2020 年各區(qū)域500 hPa高度場與臺風(fēng)到達(dá)的最低經(jīng)度、最高緯度之間的相關(guān)系數(shù)。定義500 hPa 高度場變化的關(guān)鍵區(qū)，進(jìn)行小波分析，再對1884—2020年西北太平洋臺風(fēng)活動的年平均時(shí)長和年頻數(shù)進(jìn)行分區(qū)域、分時(shí)間段分析，探究百年來西北太平洋臺風(fēng)每年的影響時(shí)長在各區(qū)域是否存在顯著的變化。再分析1861—2020 年Hadley 環(huán)流下沉支及Walker環(huán)流上升支對WNPSH的影響，并通過曲線估計(jì)對副高關(guān)鍵區(qū)的500 hPa 高度場進(jìn)行模擬。探究我國華東、華南區(qū)域百年來臺風(fēng)頻數(shù)的變化受以上哪種因素的影響較大，并通過曲線估計(jì)對華東、華南地區(qū)受臺風(fēng)影響的年頻數(shù)進(jìn)行模擬。

前人的研究表明，我國華東地區(qū)和華南地區(qū)臺風(fēng)影響頻率的變化趨勢不具有一致性，應(yīng)分開討論，因此在臺風(fēng)對我國沿海區(qū)域的影響時(shí)間的研究過程中，將華東地區(qū)、華南地區(qū)分別進(jìn)行討論，華東地區(qū)選取范圍為118～124 °E，27.0～40.5 °N；華南地區(qū)選取范圍為108～118 °E，16～24 °N。由于1910年之前臺風(fēng)的觀測范圍有限，因此計(jì)算涉及臺風(fēng)最西經(jīng)度、最北緯度信息的物理量時(shí)選取1910年以來的臺風(fēng)數(shù)據(jù)。

2.2.2 方 法

在對臺風(fēng)影響年平均時(shí)長的分析中，采用了均值T檢驗(yàn)來對標(biāo)量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。在計(jì)算副高關(guān)鍵區(qū)高度場的年代際變化時(shí)，采用1861—2020 年每10 年該區(qū)域7—9 月季節(jié)平均高度場的平均值表示關(guān)鍵區(qū)500 hPa高度場的年代際變化，而對副高北界和西脊點(diǎn)的研究中則通過最小二乘法來提取線性趨勢。在對關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行小波分析時(shí)，首先對關(guān)鍵區(qū)500 hPa高度場進(jìn)行了空間上的平均和時(shí)間上7—9 月的季節(jié)平均，從而研究其時(shí)間變化，母小波類型采用了Morlet小波，并加入了紅噪聲檢驗(yàn)和卡方檢驗(yàn)（Chi-square test）。在計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)，選取各網(wǎng)格點(diǎn)上1910—2020 年500 hPa 高度場7—9 月季節(jié)平均的時(shí)間序列與臺風(fēng)對應(yīng)年份所到達(dá)的最北緯度、最西經(jīng)度的時(shí)間序列進(jìn)行計(jì)算。

在對影響副高的機(jī)理的研究過程中，計(jì)算垂直速度為比較關(guān)鍵和困難的一步，由于垂直速度的數(shù)據(jù)不具備160年的長度，因此利用動力學(xué)方法通過u、v將垂直速度計(jì)算出來，主要用到的動力學(xué)公式[26]為：

其中，D為水平散度。

在對關(guān)鍵區(qū)高度場以及華東、華南地區(qū)受臺風(fēng)影響的年頻率進(jìn)行擬合時(shí)，采用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)上的曲線擬合，設(shè)因變量為自變量的三次函數(shù)，表達(dá)式為：

并將不顯著的項(xiàng)忽略，最終得到多元三次的擬合方程。

3 WWNNPPSSHH 對西北太平洋臺風(fēng)年際變化的影響

3.1 近160 a西太副高年代際變化特征

3.1.1 氣候統(tǒng)計(jì)特征

將CNRM-CM6-1_historical_r2i1p1f2 及BCCCSM2_MR_historical_r3i1p1fl 兩套CMIP6 數(shù)據(jù)中1860—2014年臺風(fēng)活躍季（JAS）500 hPa高度場的平均值數(shù)據(jù)分別與銜接的2014—2020年臺風(fēng)活躍季500 hPa 高度場平均值ERA5 數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算（圖1），對比選出適合進(jìn)行銜接且精度較高的數(shù)據(jù)。

圖1 1861—2014年BCC（a）、CNRM（b）與2014—2020年ERA5高度場數(shù)據(jù)差值（單位：10 gpm）

如圖1 所示，在中低緯BCC 數(shù)據(jù)差值遠(yuǎn)小于CNRM 數(shù)據(jù)，效果更好，適合進(jìn)行銜接使用。由于臺風(fēng)主要發(fā)生在夏季，因此對1860 年以來臺風(fēng)活躍季（7—9）月西北太平洋500 hPa 高度場進(jìn)行單獨(dú)分析，臺風(fēng)活躍季（JAS，7—9月）500 hPa高度場的數(shù)據(jù)利用了效果較好的BCC-CSM2-MR_historical_r3i1p1f1數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 1861—1880年(a)、1881—1900年(b)、1901—1920年(c)、1921—1940年(d)、1941—1960(e)、1961—1980年(f)、1981—2000年(g)、2001—2020年(h)西太平洋7—9月500 hPa高度場分布?xì)夂驊B(tài)

圖2 為西北太平洋及歐亞大陸部分地區(qū)1861—2020 年臺風(fēng)活躍季（7—9 月）500 hPa 高度場的氣候態(tài)變化CMIP6 模式輸出的500 hPa 高度場顯示588 線北抬趨勢明顯，1980 年后北抬速率可達(dá)1 °/（20 a）（圖3b）。588 線控制范圍存在擴(kuò)大的趨勢，尤其是1980年代之后。WNPSH西脊點(diǎn)明顯西伸，脊線位置先北抬后南壓，穩(wěn)定在27 °N 附近。這樣的變化有利于引導(dǎo)臺風(fēng)的影響區(qū)域向緯度更高的方向擴(kuò)展，增加了臺風(fēng)影響我國華東沿海的概率。

圖3 500 hPa高度場關(guān)鍵區(qū)的平均位勢高度場的時(shí)間序列（藍(lán)線）及年代際變化（橙色虛線）圖(a)；588線北界變化的時(shí)間序列（藍(lán)線）及趨勢（橙線）圖(b)；WNPSH西脊點(diǎn)變化的時(shí)間序列（藍(lán)線）及趨勢（橙線）圖(c)

定義表示副高變化的關(guān)鍵區(qū)。將近160 a 7—9 月臺風(fēng)活躍季期間副高西脊點(diǎn)到達(dá)的最東端定義為關(guān)鍵區(qū)的東界（152 °E），到達(dá)的最西端定義為西界（81 °E），副高脊線到達(dá)的最北端（31.5 °N）定義為關(guān)鍵區(qū)的北界，最南端(22.5 °N)定義為南界，將該區(qū)域臺風(fēng)活躍季（JAS）500 hPa 平均高度場的年變化以及年代際變化表示出來，并與1861—2020 年7—9 月500 hPa 平均高度場588 線到達(dá)的北界以及西脊點(diǎn)進(jìn)行對比（圖3）。

如圖3a 所示，近160 a 來關(guān)鍵區(qū)500 hPa 高度場變化情況主要可分為3 個階段，1940 年代前變化比較平穩(wěn)，從1940 年代起呈波動上升趨勢，在1980年代后上升速度明顯加快且之后維持在較高水平，21 世紀(jì)初達(dá)到最大，之后又略有下降，但仍處高位。588 線北界在1980 年之前無明顯變化，但在1980 年之后588 線北界明顯北抬；同時(shí)，與之對應(yīng)的WNPSH 西脊點(diǎn)的變化在1980 年前后也發(fā)生了突變，1980 年前，西脊點(diǎn)經(jīng)度略有降低，但不明顯，而1980 年后西脊點(diǎn)經(jīng)度呈迅速降低趨勢。500 hPa關(guān)鍵區(qū)平均高度場越高，588線越靠北，西脊點(diǎn)經(jīng)度越低，臺風(fēng)活動越偏西偏北，臺風(fēng)對我國的影響的可能性越大，而大洋上由于副高較強(qiáng)，總體臺風(fēng)生成頻率可能減小。

為了研究具體的500 hPa 高度場對西北太平洋臺風(fēng)活動位置的影響，分別對1910 年以來500 hPa高度場與臺風(fēng)到達(dá)的最北緯度、最西經(jīng)度的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算（圖4）。

圖4 1910—2020年臺風(fēng)所到達(dá)的最北緯度(a)和最西經(jīng)度(b)與500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)分布

結(jié)果表明：500 hPa 高度場與臺風(fēng)到達(dá)的最北緯度、最西經(jīng)度的相關(guān)性大致以40 °N 為界，南北兩側(cè)關(guān)系相反，臺風(fēng)到達(dá)最大緯度與500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)在40 °N 以北為負(fù)值，40 °N 以南為正值，這是由于40 °N以南區(qū)域?yàn)楦备咧黧w活動區(qū)域，當(dāng)500 hPa高度場升高，副高加強(qiáng)時(shí)，利于臺風(fēng)的北上。同樣，40 °N 以南區(qū)域平均500 hPa 高度場和臺風(fēng)到達(dá)的最小經(jīng)度均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，當(dāng)副高越強(qiáng)時(shí)，臺風(fēng)影響范圍越偏西，越容易登陸，副高在我國東部較弱時(shí)，脊線偏東，則臺風(fēng)更易影響日本一帶；而在我國40 °N 以北地區(qū)，由于該區(qū)域不屬于我國夏季副熱帶高壓的控制范圍，500 hPa 高度場的數(shù)值本身就比較低，因此當(dāng)副高移近，500 hPa 高度場數(shù)值升高時(shí)，臺風(fēng)才有可能影響該區(qū)域，因此相關(guān)系數(shù)數(shù)值為正。

總的來說，通過副熱帶高壓、副高西脊點(diǎn)和脊線位置的年代際變化來對臺風(fēng)的活動范圍進(jìn)行研究，具有一定的實(shí)際意義和研究價(jià)值。

3.1.2 關(guān)鍵區(qū)小波特征分析

關(guān)鍵區(qū)500 hPa 高度場發(fā)生變化會改變臺風(fēng)對我國乃至東亞沿岸地區(qū)的影響情況，因此對這一區(qū)域的500 hPa高度場進(jìn)行小波分析（圖5）。

圖5 副高關(guān)鍵區(qū)1860年以來500 hPa平均高度場變化小波分析通過0.10顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域用黑點(diǎn)標(biāo)出。

小波分析表明，西北太平洋500 hPa高度場變化關(guān)鍵區(qū)的500 hPa平均高度存在以2～4 a為主的周期變化，這與ENSO 的周期變化相一致。但是，并不是每一階段的周期性變化都通過了顯著性檢驗(yàn)，且在1980 年代前后出現(xiàn)了高度場周期性變化的中斷（藍(lán)色方框標(biāo)出）。這證明了1980年代前后同樣也是WNPSH周期性變化的一個間斷點(diǎn)，在此之后，WNPSH 明顯增強(qiáng)，此后又在一個新的強(qiáng)度上呈現(xiàn)一定的周期性變化，影響我國的WNPSH是一個以2～4 a周期為主的波動增強(qiáng)的過程，與之相對應(yīng)的臺風(fēng)造成的影響可能也是波動的過程。

3.2 近百年西北太平洋臺風(fēng)活動特征及其與西太副高年代際變化的關(guān)聯(lián)

3.2.1 近百年西北太平洋臺風(fēng)年影響時(shí)長分析

將臺風(fēng)影響區(qū)域分為整個西北太平洋以及華東、華南三個，分析1884年以來臺風(fēng)影響的年平均時(shí)長。陸曉婕等[27]發(fā)現(xiàn)1980年代前后為影響我國沿海地區(qū)臺風(fēng)頻率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同樣，陳思奇等[8]也發(fā)現(xiàn)1970年代后期為副高強(qiáng)度變化速率加快的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與上文結(jié)論相近。因此，選取1975年作為年代的分界點(diǎn)，另一個分界點(diǎn)選取1930 年，可將1884—2020 年整個時(shí)段三等分，1884—1930 年為年代一（N1），1930—1975 年為年代二（N2），1975—2020 年為年代三（N3），在假設(shè)均值相等的前提下，進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，通過方差的等值（后文統(tǒng)一稱為Sig）對比三個年代臺風(fēng)影響年平均時(shí)長的時(shí)間序列是否存在顯著差異，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示。顯著性Sig (a,b)表示在a,b兩年代間臺風(fēng)活動的項(xiàng)目存在差異的顯著性數(shù)值，當(dāng)顯著性Sig ＜0.1時(shí)，認(rèn)為原假設(shè)不成立。例如華東地區(qū)，三個年代對比Sig 均小于0.1，說明該區(qū)域三個年代之間的臺風(fēng)影響時(shí)長均存在顯著差異。

表1 假設(shè)均值相等的前提下臺風(fēng)發(fā)生年平均時(shí)長百年來變化情況

由表1 第一行可知，在西北太平洋上，1884—1930 年臺風(fēng)的影響總時(shí)長較短，而1930—1975 年間臺風(fēng)影響總時(shí)長明顯增加，1975 年之后同1930—1975年這段時(shí)間相比影響時(shí)長有所下降。但是對于我國沿海地區(qū)來說卻不是這種情況，在我國很多沿海地區(qū)，隨著近年來臺風(fēng)活動范圍的向北、向西擴(kuò)張，其受臺風(fēng)影響的年平均時(shí)長有所增加，尤其是華東沿海地區(qū)，臺風(fēng)影響的年平均影響時(shí)長的增加比較顯著，而華南地區(qū)臺風(fēng)影響的年平均影響時(shí)長變化不像華東那樣顯著。

3.2.2 近百年西北太平洋臺風(fēng)年頻數(shù)分析

按照上述年代的分段標(biāo)準(zhǔn)，對比三個時(shí)段西北太平洋、華南地區(qū)、華東地區(qū)的臺風(fēng)年頻數(shù)，即每年進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的臺風(fēng)的個數(shù)結(jié)果如表2 所示。顯著性Sig (a,b)表示在a,b兩年代間臺風(fēng)活動的項(xiàng)目存在差異的顯著性數(shù)值，當(dāng)顯著性Sig＜0.1 時(shí)，認(rèn)為原假設(shè)不成立。

表2 假設(shè)均值相等的前提下臺風(fēng)發(fā)生年頻數(shù)百年來變化情況

1930年后，各區(qū)域臺風(fēng)年頻數(shù)均顯著增加，而1975 年之后與1930—1975 年這段時(shí)間相比，整個西北太平洋地區(qū)和華南地區(qū)臺風(fēng)發(fā)生的年頻數(shù)無明顯變化，華東地區(qū)臺風(fēng)發(fā)生的年頻數(shù)有所增加。

結(jié)合表1、表2 可得出，1930 年之后各區(qū)域臺風(fēng)年平均影響時(shí)長和年頻率均增加；以1975 年為界，整個西北太平洋臺風(fēng)年平均影響時(shí)長下降但發(fā)生年頻率無明顯變化，說明整個西北太平洋上單個臺風(fēng)的生命周期有所減小，這可能與近些年臺風(fēng)活動緯度升高造成臺風(fēng)不易存活過久相關(guān)，也可能與WNPSH 強(qiáng)度的變化相關(guān)[16]；華南地區(qū)臺風(fēng)年影響時(shí)長和年頻數(shù)僅略有下降而未通過檢驗(yàn)，無明顯變化；華東地區(qū)臺風(fēng)年影響時(shí)長和年頻數(shù)均增加，說明華東地區(qū)受臺風(fēng)活動影響的時(shí)長和年頻數(shù)均呈上升趨勢。后文將通過影響WNPSH 的機(jī)制的變化來研究WNPSH 與西北太平洋臺風(fēng)間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行更深入的研究。

3.2.3 近160 a WNPSH對臺風(fēng)影響機(jī)制分析

WNPSH 所在區(qū)域?yàn)镠adley 環(huán)流的下沉支所在區(qū)域，Hadley 環(huán)流下沉支越強(qiáng)，越利于副高增強(qiáng)。而Walker環(huán)流所在的上升支位于120～160 °E的赤道上，當(dāng)西太暖池較強(qiáng)，季風(fēng)槽較活躍時(shí)，赤道上Walker 環(huán)流的上升支也越強(qiáng)，這種情況會使得副高位置偏西偏北[28],利于臺風(fēng)影響我國。對120～160 °E，0 °～40 °N 的Hadley 環(huán)流進(jìn)行v-w風(fēng)合成分析，得到1861—2020 年120～160 °E 緯向平均下，0 °～40 °N 的Hadley 環(huán)流的平均狀況（圖6a）。同樣，為了研究Walker 環(huán)流上升支，對1861—2020 年120～160 °E 的赤道上的平均u-w風(fēng)也進(jìn)行了合成分析（圖6b）

圖6 1861—2020年120 °～160 °E緯向平均，0 °～40 °N的v-w風(fēng)合成分析(a)，1861—2020年120～160 °E赤道上平均u-w風(fēng)合成分析(b)

如圖6 所示，160 a 平均下的Hadley 環(huán)流在熱帶上升，副熱帶下沉，在21～31 °N，850 hPa以上為下沉的大值區(qū)。而赤道上的Walker環(huán)流上升支在120～160 °E 上分為了兩支，一支位于122～127 °E的850 hPa 以上區(qū)域，一支位于150～155 °E 的850 hPa以上區(qū)域，計(jì)算Hadley環(huán)流下沉支的大值區(qū)域（圖6a 中藍(lán)色方框表示的區(qū)域）160 年來下沉運(yùn)動的平均值的變化，定義為wh，以及兩個Walker 環(huán)流上升支的大值區(qū)域（圖6b 中藍(lán)色方框表示的區(qū)域）的平均值160 年來上升運(yùn)動的變化，定義為ww。同時(shí)，將上文關(guān)鍵區(qū)的500 hPa 平均位勢高度場定義為h，經(jīng)計(jì)算，h與wh的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.151，通過了0.10 顯著性檢驗(yàn)；與ww的相關(guān)性達(dá)到了-0.172，通過了0.05 顯著性檢驗(yàn)。以年份t、wh、ww作為自變量，通過氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)上的曲線擬合對h進(jìn)行模擬和預(yù)測，得到h的擬合方程（3）為：

可看出，關(guān)鍵區(qū)500 hPa 高度場h隨年份波動變化，呈上升趨勢，且當(dāng)wh較大時(shí)，副熱帶下沉作用較強(qiáng)，副高較強(qiáng)，h較大；當(dāng)ww較小時(shí)，Walker 環(huán)流上升支較弱，存在w的正異常，副高較強(qiáng)，h較大。通過該模擬結(jié)果與wh、ww、h的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖7 wh(a)、ww(b)、h (c)的年變化（藍(lán)線）及模擬結(jié)果（c中橙色點(diǎn)線）

通過圖7 可看出，wh與ww對500 hPa 高度場關(guān)鍵區(qū)h的變化趨勢的模擬具有一定的指示意義，但對于1980年后關(guān)鍵區(qū)高度場的突變模擬得不如實(shí)際變化幅度大。h在趨勢上的升高，尤其是1980年代后的爆發(fā)性增長利于臺風(fēng)活動路徑偏西偏北，從而登陸我國。

計(jì)算wh、ww、h與華東、華南地區(qū)臺風(fēng)發(fā)生年頻率的相關(guān)系數(shù)，判斷對于我國特定的華東、華南區(qū)域，臺風(fēng)頻率的變化究竟受哪些具體的機(jī)制影響（表3）。

表3 wh、ww、h與華東、華南地區(qū)臺風(fēng)發(fā)生年頻率的相關(guān)系數(shù)

由表3 可知，對于我國華東地區(qū)，臺風(fēng)發(fā)生年頻率主要受500 hPa 關(guān)鍵區(qū)高度場h的直接影響，而對于我國華南地區(qū)，臺風(fēng)發(fā)生年頻率與h的關(guān)系不大，與Hadley 環(huán)流下沉支wh以及Walker 環(huán)流上升支ww存在關(guān)系。

根據(jù)上述結(jié)果，通過曲線估計(jì)方法建立曲線方程，利用相關(guān)系數(shù)通過顯著性檢驗(yàn)的變量模擬華東、華南臺風(fēng)個數(shù)的變化趨勢fe、fs，其中華東臺風(fēng)年頻數(shù)（fe）用時(shí)間t和500 hPa 關(guān)鍵區(qū)高度場h來表示，華南臺風(fēng)年頻數(shù)（fs）用時(shí)間t、Hadley 環(huán)流下沉支wh、以及Walker 環(huán)流上升支ww來表示。得到1884 年以來華東、華南的臺風(fēng)發(fā)生年頻數(shù)的變化趨勢情況fe（公式（4）），fs（公式（5）），并與華東、華南地區(qū)1884 年以來臺風(fēng)發(fā)生的實(shí)際頻數(shù)進(jìn)行對比（圖8）。

圖8 影響華東區(qū)域(a)、華南區(qū)域(b)臺風(fēng)的年頻數(shù)（藍(lán)線）及年頻數(shù)變化趨勢的模擬（橙色點(diǎn)線）圖

由圖8可看出，華東地區(qū)臺風(fēng)影響年頻數(shù)始終存在上升趨勢，1980 年之后影響年頻數(shù)易出現(xiàn)較大的極值，模擬值也相對較高；而華南地區(qū)臺風(fēng)影響年頻數(shù)則在1940 年代有一個跳躍式的增長，且在1960—1980 年代達(dá)到最高峰，此后華南地區(qū)臺風(fēng)影響年頻數(shù)有所下降。

總的來說，h與wh、ww存在顯著的相關(guān)關(guān)系，且三者與影響我國的臺風(fēng)也存在相關(guān)性。方程（4）、（5）的模擬結(jié)果可以大致反應(yīng)臺風(fēng)影響年頻率的變化趨勢，具有一定的指示意義。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）BCC-CSM2_MR_historical_r3i1p1fl 數(shù)據(jù)與ERA5數(shù)據(jù)在熱帶和副熱帶的差值較小，精度較高，模擬結(jié)果表明：1860年以來，WNPSH存在波動增強(qiáng)的趨勢，尤其是1980 年之后，變化更加明顯，其面積和北界、西界的范圍明顯擴(kuò)大，但副熱帶高壓脊線的緯度變化不大，一直維持在27 °N 左右。近百年來500 hPa 高度場與臺風(fēng)所到達(dá)的最大緯度、最小經(jīng)度的相關(guān)系數(shù)分布在40 °N南北兩側(cè)相反。副高關(guān)鍵區(qū)的平均高度場主要以2～4 a 的周期波動上升，這種情況利于臺風(fēng)活動區(qū)域向西向北拓展，從而增加了臺風(fēng)影響我國的概率。

（2）近百年來，各區(qū)域1930 年后臺風(fēng)影響時(shí)長和年頻數(shù)均增加；而1975—2020 年時(shí)段西北太平洋臺風(fēng)年平均影響時(shí)長與1930—1975年時(shí)段相比有所下降，但發(fā)生年頻率無明顯變化；華南地區(qū)的年影響時(shí)長與年頻數(shù)沒有明顯變化；但我國華東沿海地區(qū)臺風(fēng)的年影響平均時(shí)長與年頻數(shù)均顯著增加，與WNPSH近160 a來的變化相關(guān)顯著。

（3）WNPSH 關(guān)鍵區(qū)的平均500 hPa 高度場h與Hadley 環(huán)流下沉支垂直速度wh呈顯著正相關(guān)，與Walker 環(huán)流上升支平均垂直速度ww呈顯著負(fù)相關(guān)。華東地區(qū)受臺風(fēng)影響的年頻數(shù)與h顯著相關(guān)；而華南地區(qū)受臺風(fēng)影響的年頻數(shù)則與wh、ww顯著相關(guān)。并且，用t、h作為自變量進(jìn)行曲線估計(jì)可以較成功的模擬華東地區(qū)的臺風(fēng)影響的年頻數(shù)；用t、wh、ww作為自變量進(jìn)行曲線估計(jì)可以較成功的模擬華南地區(qū)的臺風(fēng)影響的年頻數(shù)。

4.2 討 論

研究通過副熱帶高壓的強(qiáng)度、西脊點(diǎn)和脊線位置的年代際變化來對臺風(fēng)的活動范圍進(jìn)行研究，具有一定的實(shí)際意義和研究價(jià)值。并且，WNPSH 與Hadley 環(huán)流下沉支及Walker 環(huán)流上升支之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，這種相關(guān)關(guān)系對于WNPSH 的強(qiáng)度及影響我國的臺風(fēng)活動具有一定的指示意義。此外，存在其他造成WNPSH和臺風(fēng)活動變化的外界強(qiáng)迫，如輻射、熱通量等，也值得進(jìn)行進(jìn)一步的研究和討論。