西北太平洋(the western North Pacific,WNP)是热带气旋(Tropical Cyclone,TC)活动最为活跃的海域,平均每年约30个TC在此生成,占全球TC数目的三分之一(Chan,2005)。该地区的热带气旋活动常给周边地区带来巨大的经济损失和重大的人员伤亡(Zhang et al.,2010)。因此,深入认识西北太平洋热带气旋活动的变化规律及其机制将有助于提高热带气旋活动的气候预测水平,为国家政府防台减灾的决策提供一定的理论指导。

不同空间尺度上变化,如动力与热力条件、大尺度环流作用等(Gray,1968;黄荣辉和李维京,1988;Lander,1994;Briegel and Frank,1997;Ritchie and Holland,1999;陈笑晨等,2017;李艳等,2019),不同时间尺度的变化,如年代际、季节内振荡紧密、ENSO相关等(周伟灿等,2015;陆晓婕等,2018;游立军等,2019)都对TC活动造成影响。

以大尺度环流场为例,有不少研究从影响热带气旋生成的大尺度背景场出发,对控制热带气旋生成的不同的大尺度环流进行了分型。例如,Zehr(1992)对西北太平洋上1983—1984年间形成的50个热带风暴和热带气旋的天气尺度模式进行分类之后认为,西北太平洋上空大气低层与季风槽相关环流型是TC生成的重要大尺度环流背景,将其大致分为强东风,弱西风,强西风三种类型。Briegel and Frank(1997)将1988和1989年西北太平洋季风槽内生成的TC前期大尺度环流型分为四类,其中季风槽占44%,辐合区34%,东风波占2%,其他类型占20%。Ritchie and Holland(1999)将1984—1992年(不含1989年)间TC生成的大尺度环流背景分为五种类型,研究得出季风切变线(monsoon Shear Line,SL)占42%、季风涡旋区(monsoon Gyre,GY)占29%、季风辐合区(monsoon Confluence Region,CR)占3%、东风波(Easterly Wave,EW)占18%以及已有热带气旋生成诱发的罗斯贝波扰动(Preexisting Tropical Cyclone,PTC)占8%。夏季WNP对流活动导致的非绝热加热和辐散风伴随的涡度平流在对流层低层产生一气旋性涡度扰动,其向西的位相和向东的波群形成一个典型的季风环境场,即在对流活跃区西侧形成季风涡旋,在越赤道西风、太平洋东风和东北侧的反气旋环流之间形成明显的对流层低层辐合区。在这一环境中,与其有关SL、CR、GY均是有利于TC生成的扰动。其中,SL表示季风槽中水平风的气旋式切变,它不仅可以在大气低层为TC生成提供气旋性相对涡度,还可以通过纬向风的辐合和切变使得罗斯贝重力混合波(Mixed Rossby-Gravity wave,MRG)转变成TC生成的先兆扰动(Chia and Ropelewski,2002;Chen et al.,2006);CR表示季风中东西风的辐合区域,会导致能量积累;GY是指季风槽受东风波扰动切变增强从而形成的天气尺度涡旋(Chan,2008)。EW一方面可以作为TC初生气旋扰动,在适当的条件下发展为TC,一方面可以促使其他扰动发展为TC(Yanai,1961;Shapiro,1977;Chan,2008);PTC则是前期TC伴随的Rossby波能量频散,它会诱发东南方向TC尤其是TC族出现(Li and Fu,2006)。总的来说,在所有分类标准里,季风槽一直是影响TC生成的最主要的环流型,有70%左右的TC生成在季风槽环流型下。上述大尺度环流型的分类都是主观的定性分析,没有客观标准,且不能重现。而Yoshida and Ishikawa(2013)提出一套客观标准,通过再分析数据对1979—2008年908个TC定量计算每一个TC五种环流型各自的贡献分数,贡献分数最高者为该TC生成有关的主要大尺度环流型,最终结果将TC生成的大尺度环流场背景分为SL、CR、GY、EW和PTC五类,其中SL占42%、CR占16%、GY占6%、EW占18%、PTC占11%。

以上研究表明,前人对WNP上TC生成的扰动环流背景场的分类已经有了较深的认识,不少研究分别探讨了主观分类的各环流型对TC的影响及其机理,也有研究从客观的分型结果出发,探讨了MJO对WNP夏季TC的影响(Zhao et al.,2015)。但是,目前还没有从客观分型出发,研究TC频数的年际变化特征。因此,本文基于客观的分型结果,分析了西北太平洋热带气旋频数异常与五类主要的大尺度环流型的关系,并初步给出了可能的物理成因。

1 资料和方法

1.1 资料

1)日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)的JRA-25/JCDAS(Japanese 25-year ReAnalysis/JMA Climate Data Assimilation System)6h再分析数据,水平分辨率为1.25°×1.25°,时间分辨率为6h,垂直方向上有27层;2)美国联合热带气旋监测中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)西北太平洋热带气旋资料;3)欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA Interim再分析资料,水平分辨率为0.25°×0.25°,时间分辨率为6h,垂直方向上有37层。4)NOAA向外长波辐射资料全球再分析数据,水平分辨率为2.5°×2.5°,时间分辨率为6h。研究所用的时间长度均为1979—2013年5—10月,研究区域为西北太平洋(100°~180°E,0°~30°N)。

1.2 方法

除了采用合成分析、相关分析等统计方法,还利用了Yoshida and Ishikawa(2013)对TC生成相关大尺度背景环流的定量分类标准,将TC生成时刻前69~72h的大尺度环流分为五类(PTC环流型利用TC生成时刻的数据),具体为SL、CR、GY、EW以及PTC型,分别计算其对每一个TC的贡献分数。其中,SL的贡献分数利用纬向风的南北切变大小以及热带气旋生成位置和切边线之间的距离得到,CR的贡献分数利用纬向风的东西切变大小以及热带气旋生成位置和切变线之间的距离得到,GY的贡献分数利用每个热带气旋的海平面气压场与典型的GY场进行比较得到,EW的贡献分数利用东风波槽径向风的东西切变大小以及热带气旋生成位置和槽的距离得到,PTC的贡献分数利用距离前期TC最近的Rossby波振幅得到。一个热带气旋可能受不止一种环流型影响,主要环流型的确定视五类环流型贡献分数最高者而定。具体可查阅Yoshida R and Ishikawa (2013) 对五种大尺度环流型的客观分类标准。

2 结果分析

2.1 与五类主要大尺度环流型相关的TC生成的气候特征

将TC生成时刻定义为JTWC资料中TC强度首次达到15kn的时间,利用上述介绍的对TC生成前大尺度背景场的客观分类方法,将1979—2013年5—10月西北太平洋TC生成的相关环流型分成五类,分别为SL、CR、GY、EW、PTC。图1给出了四个不同环流型主导的TC个例。其中,红色五角星代表所研究的目标TC,图1a靠近TC生成位置的蓝色点线表示季风切变线,此TC只受季风切变线影响,只有SL贡献分数,故将此背景场定义为SL环流型。图1b中紫色五角星代表同一时刻距离目标TC西北部实时最近的已有热带气旋,黄色点线表示西风带边缘与反气旋南部东风的辐合区域,计算得出CR贡献分数最高,其次是SL,最后是PTC,表示此热带气旋受CR环流型影响比其他环流型影响深厚,因此,将其背景环流定义为CR环流型。同样方法,图1c展现的是受GY环流型影响生成的热带气旋。图1d则是受EW环流型影响生成的热带气旋,图中两条绿色点线为东风波槽,热带气旋生成位置在接近135°E的槽上。

对所有这段时期TC生成环流背景进行统计整理得到图2。由图2a可见,SL、CR、GY环流型下生成的TC数分别占了总热带气旋数的41%,20%和6%,即所有与季风槽相关的环流型总共生成了67%左右的热带气旋,这比一贯认为的70%稍少,一方面是因为这个定量分类标准下存在5%左右的UCF,另一方面是因为本文选取的时间范围为5—10月,相比普遍所取的7—10月,季风槽对TC生成的影响比例有所减小。EW和PTC环流型下生成的热带气旋数分别占了总热带气旋数的16%和12%。五种环流型下的热带气旋生成数随月份的变化显示如图2b,SL环流型下生成的热带气旋每个月都占比最多,CR和EW环流型次之,PTC环流型下生成的热带气旋在5月6月时几乎没有,7—10月大幅增加且数量不少,相比之下,GY下生成的TC最少且随月份变化不是很大。

2.1.1 五种大尺度环流型相联系的热带气旋生成位置统计

1979—2013年5—10月五类环流型下的热带气旋生成位置分布如图3a所示,大致可以看出SL、CR、GY环流型下生成的热带气旋主要集中在中国南海、西北太平洋的西部区域,很少影响到WNP东部,相比之下,EW,PTC环流型下TC生成位置则明显偏东。为了将TC生成位置定量化描述,将西北太平洋分为五个部分,分别为中国南海(SCS)、WNP的西北部(NW)、东北部(NE)、西南部(SW)和东南部(SW)。图3b即为各环流型时TC生成位置在WNP四个区域的分布占比,可以看出,季风槽相关环流型(SL+CR+GY)时TC在SW和NW区域生成最多,超过一半,在SE区域生成最少。EW环流型时TC生成位置特点与其基本一致,但NE区域TC占比增加,中国南海的TC占比降至最少。而PTC环流型时TC在SE区域生成最多,接近40%,SW区域也较多,接近25%,150°E以西生成的TC明显减少,尤其在中国南海,没有TC生成,这与已有TC向东南方向传播罗斯贝波有关。

2.1.2 五种大尺度环流型相联系的TC最大强度统计

利用Saffir-Simpson scale分类标准将各环流型下的TC分类,并将超强TC定义为4、5类TC,如图4所示。在季风槽相关和EW环流型下生成的TC,最大强度达到TS级别的最多,均超过30%。相比之下,PTC环流型下生的TC最大强度在TS级别的明显减少,只有16%左右,且前几个较弱等级的TC占比相差不大。至于超强TC的占比,除了能在SL、GY环流型下达到30%左右,其余均在20%左右。

2.2 五类大尺度环流型下热带气旋生成异常年份的气候特征

图5给出1979—2013年5—10月TC生成数标准化序列。以一个标准差为基准,可以选出TC生成数偏多的年份:1992、1994、1996和2000年,以及异常偏少的年份:1983、1986、1998和2010年。TC频数一定程度上反映了环流型的强弱,将异常年份和所有年份的环流型下生成的TC频数进行合成分析(表1),发现异常高值年时PTC环流型明显增强,异常低值年时EW环流型明显增强,两者季风槽相关环流都有所减弱,相比之下,异常低值年减少的更多。故提出推测,异常高值年与PTC环流型加强有关,异常低值年与EW环流型增强有关。

这五种大背景环流型都对TC生成起着促进作用,但TC生成总数与各环流型下TC生成数并不是完全相关的,通过对1979—2013年5—10月西北太平洋总的台风生成数与各种环流型下台风生成数的相关系数分析,可以看出,季风槽相关环流型(SL+CR+GY)和PTC环流型下生成的TC频数与总的TC频数相关系数达到了0.64和0.63,且都通过了置信度为99%的显著性水平检验。虽然EW环流型下生成的TC频数和总的TC频数并不相关,但东风波增强确实会导致季风槽减弱。这更加强验证了之前的推测,季风槽相关环流型和PTC环流型的强弱异常确实导致总的TC频数异常,即异常高值年与PTC环流型加强有关,异常低值年与季风槽环流型减弱、EW环流型增强有关。

2.2.1 异常年份TC的位置及强度特征

分析异常年份时的TC特征(图6)。对于生成位置来说,在TC异常高值年,TC集中生成在WNP的南部(SW和SE区域),前面分析到TC异常高值年PTC环流型的扰动明显加强,故由各环流型下TC生成特征来看,某种程度上TC异常高值年的TC分布确实体现了PTC环流型下热带气旋生成的位置特征,即SE区域是TC的一个集中生成区。在TC异常低值年,TC集中生成在WNP的西部(NW和SW区域),由前面分析发现TC异常低值年季风槽扰动大幅减弱,EW扰动大幅加强,由各环流型下TC生成的分布来看,异常低值年的TC基本还是以季风槽生成位置特点为主,位于WNP西部,EW环流型下NE区域TC生成增加这一特点并未体现,有可能是因为异常低值年原本TC生成偏少,且EW扰动下生成的TC相比季风槽来说仍然偏少,故其位置特征体现不明显。

对于TC能达到的最大强度,总的来看,异常年TC强度差异不大,最高占比都是TS级别的TC,超强TC占比不相上下,有可能是因为对超强TC最有利的SL、GY扰动占比在异常年变化不大。

对异常年TC的具体生成位置及强度特征定量分析可以推测,引起TC生成数异常增多的原因主要是PTC环流型扰动的增强,引起TC生成数异常减少的原因主要是EW环流型加强和季风槽扰动的减弱。以下将通过分析具体的环流形势进行解释说明。

2.2.2 异常年份WNP上空大气各要素合成分布

五类环流型对TC的影响具体来说是低层风场、大气对流活动、垂直风切变、低层涡度、高层散度以及海温等大尺度因子对TC的影响。这里着重讨论TC生成异常年时,配套的低层风场、850hPa相对涡度、200~850hPa垂直风切变、700~500hPa的平均湿度及OLR等要素的合成分布。

图7将TC生成频数异常年5—10月的低层风场、850hPa相对涡度分别合成。在TC异常高值年,越赤道东南风在135°E处就发生偏转,与偏东风辐合形成季风槽,槽线呈西北东南走向,槽线东端延伸至145°E,产生西南季风与东南气流的切变。112°E、140°E、SE大部分区域都出现比较明显的正相对涡度区,其中112°E相对涡度最大,达到8×10^-6 s^-1,这些区域也成为TC生成的集中区域。结合图6a可以明显看出,TC沿着季风槽位置大多生成在SW和SE区域,PTC环流型扰动下的TC也大量在SE区域生成。可见在TC生成异常多值年,大部分TC生成遵循了季风槽和PTC下TC的生成规律。

在TC异常低值年,越赤道气流在110°E附近才发生转向且并不强烈,故季风槽走向偏经向且不强。三个较大的正相对涡度区不论范围还是值都相对减小,为4×10^-6 s^-1,TC大部分集中在150°E以西,且相较于异常高值年生成位置明显北抬,故NW、SW区域生成的TC占比明显高于NE、SE。当然PTC环流型扰动的显著减少也是使得NE区域TC生成非常少的原因之一。

从二者涡度差异也可以看出,异常高值年的涡度在大部分区域均大于异常低值年,故更适合TC生成。

较小的垂直风切变有利于TC高层暖心的建立及气旋式环流的加强,也是影响WNP上TC生成的关键因子之一。将垂直风切变定义为(1)式:

其中:U、V分别为850hPa和200hPa风场的两个分量。如图8a所示,在SE区域,热带气旋生成异常多值年的V _WS明显比异常低值年偏低,且差异达到-5m/s,这也从一个侧面反应为何这一区域在TC异常高值年有大量热带气旋生成。

OLR表示地面或云顶向外辐射的长波辐射,因此,在海洋上可以用OLR来表示大气对流活动的强弱,OLR值越低,则对流活动越强。如图8b所示,OLR值在20°N以南,尤其SE区域产生负异常,TC生成异常高值年相比异常低值年明显偏低,故对流在此区域更活跃,有利于TC生成。

水汽是TC生成的原动力,700~500hPa的平均相对湿度对TC的形成会产生重要的作用。如图9c所示,相对于异常低值年,异常高值年在NE区域的相对湿度也明显偏大,这有利于TC在此生成,进一步补充解释图7的TC生成位置成因。

从以上结果综合分析可以看出:异常年份时,季风槽确实发生了明显变化,异常高值年的季风槽相比于异常低值年走向更加偏西且偏纬向,强度也更强。结合850hPa涡度场,高值年TC大多生成WNP的SW,SE区域,而低值年更多生成在WNP的NW,SW区域,V_WS差异和OLR差异进一步解释了高值年SE区域TC生成较多的物理成因,700~500hPa的平均湿度差异则解释了高值年NE区域TC生成较多的物理成因。以上,反映出季风槽相关环流型和PTC环流型强弱确实发生明显变化且对TC生成产生影响,进一步验证之前的推测。而850hPa相对涡度差异和其他因素差异匹配并不是很好,一部分也解释了TC强度在高低值年差异不大的原因。

3 结论与讨论

利用1979—2013年日本气象厅JRA-25再分析资料和美国JTWC热带气旋的观测资料将5—10月热带气旋生成环流型分为五类,对受其影响的TC频数,生成位置及强度特征分别进行统计,从大尺度环流型分类出发探讨与之联系的热带气旋年际变化特征及物理机制。

1)根据Yoshida R and Ishikawa(2013)的分类标准,将热带气旋生成的大尺度环流分为五类,分别是SL、CR、GY、EW和PTC,其中SL环流型下生成的热带气旋数最多,GY最少,与季风槽有关环流型(SL+CR+PTC)下生成了约67%的热带气旋,EW和PTC环流型下生成的热带气旋数分别占了16%和12%。

2)TC生成异常年季风槽扰动仍然占主导地位。异常高值年季风槽加强,TC生成数增多,导致受已有热带气旋罗斯贝波影响的TC增多,进一步使得TC异常增多;异常低值年,越赤道气流减弱,季风槽减弱,东风波大幅增强,从而引起TC频数减少。因此,可以说PTC环流型的异常增强和季风槽环流型的异常减弱是导致TC异常增加和异常减少的主要因素。

3)在TC生成异常高值年,TC位置特征兼具季风槽和PTC环流型下的TC生成特征,集中生成在WNP南部区域,强度占比与季风槽下生成的TC基本一致。在TC生成异常低值年,EW扰动即使大幅增强,对TC的影响力仍然小于季风槽,故低值年生成的TC更多的仍然体现季风槽下TC的生成特点,越赤道气流的减弱使得带来的东西风切边减小,季风槽更趋近于经向,使得TC集中生成在WNP西北和西南区域,强度占比仍然与季风槽下生成的TC基本一致。

参考文献