ENSO與西北太平洋強TC相關關系年代際變化研究

摘要利用美國聯合臺風警報中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC），中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）上海臺風所，日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）的臺風最佳路徑資料以及美國NCAR/NCEP再分析資料等，深入研究厄爾尼諾—南方濤動（El NioSouthern Oscillation，ENSO）與西北太平洋強熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC），即1 min最大風速大于等于114 kn相關關系的變化。結果表明，ENSO與熱帶西北太平洋（Western North Pacific，WNP）強TC頻數之間的相關關系存在明顯年代際變化。在1960—1971年期間（前一階段），強TC年頻數與Nio34（11月—次年1月平均）相關性較弱；而在1983—2014年期間（后一階段）兩者的相關性則為強的正相關。并且強TC的年頻數、生命史以及生成位置在后一階段El Nio和La Nia年之間的差異相比前一階段都有明顯的增大。進一步分析發現：熱帶太平洋海溫異常（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）的西移是造成后一階段Nio34指數與強TC年頻數相關性提高的關鍵因素。在后一階段的El Nio（La Nia）年，SSTA的西移使得WNP東南象限的相對濕度明顯增加（減少），從而有利于（不利于）TC在此象限生成。又因為位于東南象限的TC比較容易發展成強TC，因此導致后一階段的El Nio（La Nia）年有更多（更少）的強TC在西北太平洋的東南象限生成。

關鍵詞西北太平洋；ENSO；強TC；年代際變化

熱帶氣旋（TC）是一種嚴重的突發性自然災害。西北太平洋（WNP）是全球TC活動最頻繁的海域，平均每年有32個熱帶氣旋生成，同時也是對中國影響最大的海域，因此其TC活動受到普遍關注。許多研究都表明西北太平洋的TC活動不僅具有非常明顯的季節內變化，而且存在明顯的年際變化。Chen and Huang（2006）發現1964年在西北太平洋有44個TC生成，而到了2010年僅僅有19個TC生成。同樣強TC（即1min最大風速大于等于114 kn，簡稱TC45）的頻數也顯示出了明顯年際變化。例如，在1964和2004年各有12個TC生成，而在1985年則只有1個TC生成（圖1）。

之前很多研究也都指出西北太平洋TC活動的年際變化與ENSO（Chan，1985；Lander，1994；Chen et al.，1998；Chia and Ropelewski，2002；Wang and Chan，2002；Camargo and Sobel，2005；余丹丹等，2015；趙海坤和吳立廣，2015；錢伊恬和徐邦琪，2016）、印度洋的海表溫度異常（Du et al.，2011；Zhan et al.，2011；Tao et al.，2012）、平流層準兩年振蕩（QuasiBiennial Oscillation，QBO）（Gray，1984a，1984b；Chan，1995；Camargo and Sobel，2010）、熱帶北大西洋的海溫異常（Huo et al.，2015；Yu et al.，2015；霍利微等，2016）都密切相關。雖然TC的年頻數與ENSO的相關并不顯著，但很多研究都表明ENSO對西北太平洋TC的生成位置分布，TC的生命史以及強TC的年頻數都具有很強的調制作用（Wang and Chan，2002；Camargo and Sobel，2005；Kim et al.，2011）。即El Nio發展年西北太平洋季風槽的向東延伸使更多的TC在WNP的東南象限生成，由于這些TC在洋面上的生命史更長，故強度更強，因此與La Nia發展年和正常年相比，El Nio發展年明顯有更多的強TC生成。然而最近的研究發現，在El Nio衰減年的春季和夏季，西北太平洋異常反氣旋的維持與印度洋的海溫暖異常有很強的相關性（Du et al.，2011；Zhan et al.，2011；王美等，2016）。在TC活躍季節（6—10月），這個異常反氣旋對西北太平洋的TC生成起到抑制的作用，因此，TC的年頻數，特別是弱TC的年頻數與印度洋的海溫異常呈顯著的負相關。

Ashok et al.（2007）、Kug et al.（2009）、Kao and Yu（2009）都在研究中揭示了兩種不同類型的El Nio事件。中太平洋El Nio（CPEN）和東太平洋El Nio（EPEN），這兩種類型的El Nio對WNP的TC活動有著不同的影響。Kim et al.（2011），Chen and Tam（2010）和Ha et al.（2012）發現西北太平洋的TC在CPEN發展年的頻數遠大于其在EPEN發展年的頻數。Chen and Tam（2010）認為這兩種類型El Nio只有在夏季（6—8月）的時候才會對WNP的TC活動有不同的影響，而在秋季（9—11月）它們的影響并沒有明顯的不同。但Zhang et al.（2015）卻提出不同的觀點，他們發現CPEN發展年的秋季在WNP生成的強TC頻數明顯高于EPEN發展年的秋季。進一步對比分析發現，在Chen and Tam（2010）文章中研究的是1960—2008年時間段，而Zhang et al.（2015）分析的時段則是1970—2009年。因此分析時段的不同得出的結論也可能會不一樣。

上述提到的一些年際尺度上的相關關系同時也存在年代際的變化。Zhao and Wang（2015）研究發現，PDO（Pacific Decadal Oscillation）對ENSO與WNP的臺風活動（10—12月）之間的關系存在一個年代際的調制。在PDO暖階段（1979—1997年），年際時間尺度的PDO與ENSO相關性不大，此階段ENSO與臺風生成頻數相關較弱，但臺風生成頻數較多；但在PDO冷階段（1998—2012年），年際時間尺度的PDO與ENSO呈正相關，且ENSO與臺風生成頻數相關性較好，但臺風生成頻數少。他們提出，ENSO與臺風活動之間關系的變化主要是由于前后兩階段的大尺度環境場（特別是低層渦度，垂直風切變等）發生了變化。但Zhao and Wang（2015）的文章中研究的臺風是指最大風速大于等于64 kn，而在本文主要討論的強TC則定義為最大風速大于等于114 kn。Tao et al.（2012）、陶麗等（2013）發現ENSO事件與西北太平洋的強TC（最大風速大于等于114 kn）頻數有著密切的關系，但它們的相關存在年代際變率，即在1949—1968年和1989—2008年的WNP強TC頻數與ENSO顯著相關，而在1969—1988年間兩者相關并不顯著。1969—1988年間，強TC頻數偏少（007）；1949—1968年和1989—2008年，強TC頻數偏多（分別為069和070）。然而在Tao et al.（2012）中并沒有對強TC頻數與ENSO相關關系年代際變化的可能機制做進一步的探討。本文將針對以上的問題，通過對ENSO與西北太平洋強TC的相關分析，系統的研究ENSO與WNP強TC相關關系的年代際變化及其變化機理，揭示ENSO與WNP強TC相關關系年代際變化的內在聯系。

1資料和方法

研究時段為1950—2014年的7—11月，與強TC的主要活動時間區間一致。使用資料有：1）中國氣象局（CMA）上海臺風所的臺風最佳路徑資料（1950—2014年），美國聯合臺風警報中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）的臺風最佳路徑資料（1950—2014年），以及日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）的臺風最佳路徑資料（1951—2013年）。2）美國NCAR/NCEP的風場，位勢高度場，相對渦度場等再分析的月平均資料，分辨率為25°×25°。3）HadISST中心的月平均海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）資料。

由于JMA資料在1977年之前沒有風速數據，所以本文利用Takahashi的風壓關系來計算JMA資料前期階段（1951—1976年）的最大風速（Emanuel，2005）：如果pc為熱帶氣旋的中心最低氣壓，V為最大風速，則V=595（1 010-pc）。同時考慮到JTWC的資料使用的是1 min的平均持續風速，CMA的資料使用的是2 min的平均持續風速，而JMA的資料記錄的是10 min的平均持續風速。因此為了統一，文中利用Knapp and Kruk（2010）的方法把CMA的2 min和JMA的10 min的平均持續風速轉換成1 min的平均持續風速。在本文中強TC的定義為熱帶氣旋的最大風速大于或等于114 kn，即SaffirSimpson的颶風等級上定義為4 、5級的TC。

2ENSO與西北太平洋強TC相關關系的年代際變化

為了檢驗在WNP海域的強TC（TC45）頻數與ENSO關系的年代際變化，本文計算了1950—2014年期間西北太平洋強TC的年頻數與冬季（11月—次年1月）平均的Nio34指數的20 a滑動相關（圖2）。從圖2可以看出，在1970s之前，TC45的年頻數與Nio34指數相關性很低（沒有通過001的信度檢驗），特別是對于JTWC和CMA資料。而CMA和JMA資料到了1976年，JTWC資料則是到了1983年，由這些資料統計得到的TC45年頻數與Nio34指數的相關系數才變得顯著性相關，且之后也一直保持這個顯著性。但考慮到3類臺風最佳路徑資料的不一致性，因此在文中進一步的分析研究相關關系的年代際變化中，主要選取1960—1971年（前一階段），1983—2014年（后一階段）這兩個階段（3類TC資料在這兩個階段里表現出一致的顯著性水平）。雖然在1972—1982年期間，CMA和JAM資料對應的相關系數表現一致，但JTWC資料和它們相差比較大，所以把1972—1982年從中剔除。因此前一階段為12 a，后一階段有32 a。

3西北太平洋的強TC在El Nio，La Nia事件中的年代際變化

為了進一步了解西北太平洋強TC與ENSO之間相關關系的變化，接下來將分析討論WNP強TC的頻數、平均生成位置以及生命史等要素在ENSO冷、暖事件中的變化。

31生成頻數

表1列出前后兩階段的El Nio年，La Nia年以及正常年份。為了深入地了解WNP的強TC在前后階段中不同ENSO事件上的變化，表2、表3給出的分別是TSA（Tropical Storm or Above：熱帶風暴或以上強度）和TC45在不同階段的El Nio年、La Nia年7—11月的頻數。由表2可知，在后一階段，總共有216個TSA在El Nio年生成，162個TSA在La Nia年生成，對應的頻數分別為196和18 a-1。可見TSA的頻數在后一階段的El Nio、La Nia年之間并沒有明顯差異。而在前一階段，El Nio年共有79個TSA生成，頻數為198 a-1；La Nia年共有83個TSA生成，頻數為277 a-1，兩者之間存在很大的差異。但是由于前一階段的El Nio、La Nia個例太少，因此差異并沒有通過顯著性檢驗。而在后一階段強TC的生成頻數在El Nio、La Nia年之間卻存在顯著的差異（通過了95%的信度檢驗）。在后一階段El Nio年生成的216個TSA中有75個發展成了強TC，即有35%的TSA發展成了強TC；而La Nia年生成的162個TSA中僅有44個發展成了強TC，即有27%的TSA發展成了強TC。后一階段El Nio、La Nia年的強TC頻數分別為68和49 a-1。雖然TSA的頻數在后一階段的El Nio年、La Nia年之間沒有表現出明顯差異，但是在El Nio年卻有更多的TSA發展成強TC。在前一階段，強TC在El Nio年、La Nia年的頻數分別為70和67 a-1，并沒有顯著的差異。為了更好地解釋在后一階段的El Nio年有更多的TSA增強發展成強TC，本文將試圖從TSA，強TC在El Nio、La Nia年的生成位置及其生命史進行分析（表4、表5）。

32平均生成位置以及生命史

對比表4中的前后兩個階段，發現在后一階段的總年份和El Nio年，7—11月的TSA平均生成緯度都比前一階段低2°；而在La Nia年，TSA平均生成緯度僅比前一階段低06°。這就預示著TSA在后一階段El Nio年的平均生成緯度相比前一階段存在向南的偏移。同樣的，平均生成經度在前后階段也存在明顯的差異。在后一階段的El Nio年，TSA的平均生成經度位于143°E，相對前一階段的140°E向東偏移了3個經度。而在La Nia年，TSA的平均生成經度相對前一階段則有向西1個經度的偏移。通過對表4的分析表明，TSA在后一階段El Nio年的平均生成位置相對前一階段向東南偏移，在La Nia年相對前一階段則是向西偏移。正是由于在后一階段El Nio年TSA的生成位置有了向東南的偏移，因此TSA的生命史也有相應的延長。TSA在后一階段El Nio年的生命史較前一階段延長了70 h，而在La Nia年則只有32 h的延長。從El Nio年、La Nia年TSA生命史延長的差異表明，在后一階段ENSO的影響有所加強。

而對于強TC來說，前后兩階段的生成位置和生命史的差異就更明顯（表5）。在后一階段，總年份的強TC平均生成緯度（117°N）相對前一階段（142°N）向南偏移了25個緯度。后一階段的El Nio年強TC的平均生成緯度相對前一階段向南偏移了4個緯度，而在La Nia年則向北偏移04°。這表明ENSO對強TC的平均生成緯度的影響在后一階段加強了，尤其是El Nio年。同時，平均生成經度也表現出顯著的差異。總年份的強TC平均生成經度由前一階段的147°E，發展到后一階段的152°E，向東偏移了5°；而在El Nio年強TC平均生成經度則是向東偏移10°；但在La Nia年卻是向西偏移34°。由上述可知，在后一階段El Nio年，強TC的平均生成位置相對前一階段有東南向的偏移，而在La Nia年則是向西北偏移，因此導致在后一階段的El Nio年強TC的生命史延長了94 h；而在La Nia年則只是延長了30 h，這比平均年份的延長（69 h）還要少39 h。從強TC在不同階段的El Nio，La Nia年的生成位置和移動軌跡的分布（圖3）也可以得到類似的結論。

總的來說，強TC的平均生成位置和生命史在El Nio年、La Nia年之間的差異在后一階段有明顯的增大。后一階段的El Nio年，TSA的生成位置向東南偏移，因此TSA在海洋上維持較長的時間，可以積聚更多的能量，所以有更多的TSA發展成強TC，導致后一階段El Nio年有更多的強TC生成。這意味著后一階段ENSO對強TC活動的影響相對前一階段有了很大的加強，特別是對于El Nio年。

33TC在西北太平洋熱帶地區四個象限的平均生成頻數

圖4為TSA和強TC在熱帶WNP（120～180°E，0°～30°N）4個象限的平均生成頻數。其中150°E和15°N作為分隔線把WNP分成4個象限（Chen and Tam，2010）。由圖4可以看出，在后一階段El Nio年，TSA頻數（7—11月）在WNP的東南象限為71 a-1，西北象限為31 a-1，這兩個象限的TSA頻數差異為4 a-1，通過95%的信度檢驗。而在前一階段的El Nio年，TSA頻數在這兩個象限卻并沒有明顯的差異。在后一階段El Nio年的強TC頻數在東南和西北象限的差異也同樣顯著，并通過95%的信度檢驗。在后一階段El Nio年，強TC在WNP的東南象限的頻數（445 a-1）比前一階段的頻數（175 a-1）增多；而在西北象限的頻數（018 a-1）則比前一階段的頻數（25 a-1）要減少很多。這表明在后一階段的El Nio年有更多的強TC在東南象限生成，即在后一階段El Nio年對TC活動的影響在WNP的東南象限加強。

與El Nio年不同，La Nia年在熱帶WNP的西北和西南象限都有較多的TSA和強TC生成。在前一階段La Nia年，TSA在東南象限為的頻數2 a-1，在西北象限的頻數為87 a-1，兩個象限之間的頻數差異為67 a-1，通過了95%的置信度檢驗。到了后一階段TSA在兩個象限之間的頻數差異更大，更顯著。但是強TC的頻數在這兩個象限之間的差異卻并不像TSA頻數表現的那樣顯著。可能是因為La Nia年在西北象限生成的TSA的生命史都比較短，沒能從溫暖海洋里獲得足夠的能量發展成強TC。在前一階段La Nia年，強TC頻數在東南和西北象限的差異僅為034 a-1，并不顯著。在后一階段，由于強TC頻數在東南象限減少，故兩個象限的頻數差異開始變顯著，并通過了90%的置信度檢驗。

綜合上述分析可得：在后一階段的ENSO事件中強TC的頻數在東南和西北兩個象限的頻數差異變得更顯著，而且主要體現在后一階段的El Nio年。

4可能的機理

41潛在生成指數（GPI）

GPI（Genesis Potential Index）可以大致地描述氣候狀態下TC的發生頻率（Emanuel，2005），以及TC的年代際變化（Camargo and Sobel，2005），它可以用來定量描述環境參數對TC生成頻數變化的影響。因此本文討論分析對應7—11月平均的GPI和組成GPI的各因子在熱帶WNP的分布，試圖分析是哪些因子增大了ENSO事件中強TC在東南和西北象限生成頻數的差異。

圖5給出前后兩階段GPI指數（7—11月平均）在El Nio和La Nia年之間的差值。由圖可見，在后一階段正的GPI差值在東南象限較前一階段有所增強，負的GPI差值在西北和西南象限較前一階段也有適當的增強，即在后一階段的ENSO年，GPI在東南象限和西北象限的分布對比更加明顯。這與上述分析得到的結論相對應。即：后一階段的ENSO事件中強TC的頻數在東南和西北兩個象限的頻數差異變得更顯著，且相比前一階段，后一階段的El Nio年有更多的TSA和強TC在WNP的東南象限生成，更少的TSA和強TC在西北象限生成；而在La Nia年，TSA和強TC在東南象限生成頻數則是減小的。

GPI指數由4個因子構成：低層的絕對渦度，中層的相對濕度，MPI（Maximum Possible Intensity）以及風速的垂直切變。接下來對這4個因子分別在前后階段的El Nio和La Nia年進行合成，并與GPI的分布場（圖5）進行對比分析，發現7—11月平均的中層相對濕度變化是導致后一階段GPI在東南和西北象限分布對比更明顯的關鍵因子。由圖6可見，在前一階段的El Nio年，相對濕度異常值為1的等值線位于熱帶太平洋175°W，到了后一階段則西伸至160°E。由圖6e可以看出，在后一階段的El Nio年相對濕度在東南象限明顯增加，這有利于TC的生成和發展。在La Nia年相對濕度異常值為-1的等值線則從前一階段的175°W西移到了160°E附近，導致后一階段東南象限的相對濕度明顯降低，不利于TC的生成和發展。

同樣，分析研究7—11月平均的低層的絕對渦度場、垂直風切變場、MPI場（文中沒有呈現），但是無論是在El Nio或La Nia年，它們在東南和西北象限之間的分布都沒有顯著差異。這說明相對濕度是造成強TC在后一階段El Nio和La Nia年東南象限的生成頻數差異增大的主要原因。

42海洋表面溫度（SST）

熱帶WNP相對濕度異常場的西移很有可能是由于海溫異常的西伸所引起的。圖7、圖8給出的分別是前后兩階段的El Nio、La Nia年（7—11月）的SSTA的合成場。在El Nio年，正的SSTA由前一階段位于熱帶太平洋東部，到后一階段西移至熱帶太平洋中部。因此正的SSTA西伸到了WNP的東南象限，這將導致東南象限的相對濕度增大。而在La Nia年（圖8）則剛好相反，在后一階段負的SSTA相對前一階段西移至熱帶WNP的東南象限，從而使得該象限的相對濕度減小。

總的來說，由于后一階段熱帶太平洋海溫異常的西伸從而導致在后一階段，強TC頻數與Nio34指數的相關關系增強。SSTA的向西延伸，在El Nio（La Nia）年導致WNP的東南象限有正的（負的）相對濕度異常，有利（不利）于TSA在東南象限的生成，由于在東南象限的TC更有可能發展成強TC，所以熱帶WNP海溫異常的西移還會影響到后一階段ENSO事件中強TC的頻數變化。

5討論和結論

ENSO事件對西北太平洋強TC的形成和發展有重要的影響。隨著20世紀CPEl Nio的出現，ENSO事件發生了變化，那么ENSO與西北太平洋強TC的相關關系可能也會發生變化。本文主要利用多種（JTWC，CMA，JMA）熱帶氣旋數據，HadISST海溫資料，NCAR/NCEP的再分析月平均資料等進行對比分析，得到以下結論：

1）西北太平洋TC45年頻數與Nio34指數的相關關系存在年代際變化，后一階段強TC頻數與ENSO相關性很好，而在前一階段兩者相關性差。

2）在后一階段，在El Nio，La Nia年之間TC45的頻數存在明顯的差異：有更多的TC45在El Nio年生成，更少的TC45在La Nia年生成；而在前一階段，在El Nio、La Nia年之間TC45的頻數差異并不明顯。并且在后一階段TC45的生命史及生成位置在El Nio、La Nia年之間的差異也較前一階段有明顯的增大。在后一階段的El Nio年TC45在WNP東南象限的頻數相比前一階段是增多，而在La Nia年，這個象限的TC45頻數相比前一階段則是減少的。

3）熱帶西北太平洋SSTA（7—11月）的西移是造成后一階段Nio34指數與TC45年頻數相關性提高的關鍵因素。在后一階段的El Nio年，正的SSTA的西移使得WNP東南象限的相對濕度明顯增加，從而有利于TC在此象限生成；在后一階段的La Nia年，負的SSTA的西移使得WNP東南象限的相對濕度明顯減少，所以不利于TC的生成。又因為位于東南象限的TC比較容易發展成TC45，所以在后一階段的El Nio年相對La Nia年有更多的強TC生成。

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Interdecadal variations in the relationship between the intense tropical cyclones over the Western North Pacific Ocean and the ENSO

TAO Li1，LAN Yufeng2，KONG Chengcheng3

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；

2Guangxi Meteorological Training Centre，Nanning 530022，China；

3Jingyuan Meteorological Bureau，Guyuan，Ningxia 756400，China

The interdecadal variations of the relationship between the intense tropical cyclone（TC） over the western North Pacific Ocean（WNP） and the El NioSouthern Oscillation（ENSO），were examined based on the TC Best Track data（JTWC，CMA，and JMA） and the reanalysis data of the NCAR/NCEP.It was determined that during the period ranging from 1960 to 1971（first examined period），the intense TC frequencies and the NDJ Nio34 were not statistically correlated.Meanwhile，during the period ranging from 1983 to 2014（second examined period），they were found to be closely correlated.Moreover，the differences in the life spans and genesis locations of TC45 between the El Nio developing years and the La Nia developing years had become enlarged in the more recent years，when compared to those during the prior period.The results of this studys analysis revealed that the westward extensions of the SSTA over the tropical Pacific Ocean during the more recent period were key factors in the enhancement of the relationship between the Nio34 index and the annual TC45 frequency.The extensions of the SSTA caused significant

increases（decreases） of the relative humidity in the southeastern quadrant of the tropical WNP for the El Nio（La Nia） developing years during the period ranging from 1983 to 2014，which was favorable（unfavorable） to the TC genesis and affected the TC45 frequency variations with the ENSO events during the more recent period.This was due to the fact that the TC in southeastern quadrant was more likely to intensify into the TC45.During the period ranging from 1983 to 2014，more（less） TC45 occurred in the southeastern quadrant for the El Nio（La Nia） developing years.

Western North Pacific Ocean；TC45；interdecadal variations；ENSO

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20160913001

（責任編輯：劉菲）