西北太平洋熱帶氣旋活動的年際變化及其與大尺度背景場的關系?

楊呂玉慈， 吳立新

(中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

熱帶氣旋是一種大尺度(1 000 km)的天氣系統，其生成、發展、路徑等均受大尺度背景場的影響。強熱帶氣旋的破壞性巨大，會影響海上船只正常航行、破壞海上石油平臺，引發的風暴潮嚴重影響沿海地區。登陸的熱帶氣旋帶來的大風、強降水及其引發的洪澇、地質災害等往往給經濟發達、人口稠密的沿海地區造成毀滅性的打擊[1]。全球主要有8個臺風源地，西北太平洋是熱帶氣旋生成頻數最多、分布范圍最廣，同時也是全球海域中各月均能觀測到熱帶氣旋活動的海區[2]。中國毗鄰西北太平洋，很容易受到熱帶氣旋的影響。探究熱帶氣旋活動的變化特征，并從大氣及海洋背景場出發研究對熱帶氣旋的影響有重要的意義。

1 資料和方法

中國氣象局對熱帶氣旋的強度等級標準進行了劃分，將熱帶氣旋分為熱帶低壓TD(Tropical Depression,10.8～17.1 m/s)、熱帶風暴TS(Tropical Strom,17.2～24.4 m/s)、強熱帶風暴STS(Severe Tropical Strom,24.5～32.6 m/s)、臺風TY(Typhoon,32.7～41.4 m/s)、強臺風STY(Severe Typhoon,41.5～50.9 m/s)和超強臺風SuperTY(Super Typhoon,≥51.0 m/s)6個等級。本文所用的1950—2016年的熱帶氣旋資料取自中國臺風網(www.typhoon.gov.cn)“CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數據集”，該數據集記錄了西北太平洋海域熱帶氣旋每6 h的位置和強度。

熱帶氣旋頻數是指資料中出現在西北太平洋的熱帶氣旋個數，熱帶氣旋生成源地定義為第一次達到熱帶低壓等級記錄的地理位置，生命期為熱帶氣旋在登陸變性之前的總小時數。環境風速垂直切變采用全風速垂直切變，由200和850 hPa的經向風速和緯向風速計算而得。Bell定義的累積氣旋能量指數(ACE，Accumulated Cyclone Energy)，是熱帶氣旋強度達到熱帶風暴等級及以上時，每6 h近中心最大風速的累積平方和，是一個描述熱帶氣旋能量大小的指數，包括了熱帶氣旋風速、生命期、頻數三個方面[12]。全風速垂直切變和累積氣旋能量指數公式分別為：

(1)

(2)

其中：u200、v200和u850、v850分別是200和850 hPa高度層的緯向風和經向風風速；Uj是近中心最大風速；j表示氣旋個例中大于或等于17.2 m/s風速的記錄個數。

2 西北太平洋熱帶氣旋活動特征分析

2.1 熱帶氣旋頻數的變化特征

賴芬芬指出，由于熱帶氣旋的觀測手段、定強方法等隨著科學技術的提高而有所變化，1975年以前主要依靠高空觀測，1976—1987年間由衛星和高空觀測共同完成，而1988年以后則主要依靠衛星觀測[13]。因此，68年的熱帶氣旋頻數在1949—1975年、1976—1987年、1988—2016年三個時段分別進行距平處理，去掉資料差異造成的影響，并取1950—2016年的數值進行統計分析。

由1949—2015年7—10月西北太平洋熱帶氣旋生成總頻數和各等級熱帶氣旋頻數的小波分析可知，在整個時間序列中生成頻數存在2～8年的年際變化周期(圖略)。程炳巖等人利用小波變換分析ENSO事件的時頻變化特征，振蕩能量主要集中在2～8年的年際尺度上。兩者的年際變化周期基本一致，可推測西北太平洋熱帶氣旋的頻數變化受ENSO的影響[14]。

迭代次數epochs對模型的泛化精度有一定的影響,若迭代次數太多,模型出現過擬合,太少又會欠擬合.本文設置了4個epochs值:10、20、30和40,預測單節點對間的鏈路,以確定節點數與epochs之間的關系.模型訓練過程中的實際效果分別如圖8和圖9所示.

表1 熱帶氣旋活動特征與Nino-3.4區SSTA的相關系數Table 1 Correlation coefficients between characteristics of tropical cyclone activity and SSTA in Nino-3.4 region

注：斜體相關系數表示通過95%的顯著性檢驗。

Note: Correlation coefficients in italic are significant at the 95% confidence level.

2.2 熱帶氣旋生命期與ACE指數的變化特征

由西北太平洋各等級熱帶氣旋年平均生命期和平均ACE指數時間序列的小波分析可知，在整個時間序列中存在2～8年的年際變化周期(圖略)。因此，進一步證實了西北太平洋熱帶氣旋的活動變化受ENSO事件的影響。

由表1可知，除了熱帶低壓，其他等級的熱帶氣旋平均生命期與SSTA是正相關，其中超強臺風平均生命期與SSTA的相關性達0.242 9，所有熱帶氣旋的平均生命期與SSTA的相關性達0.243 5，兩者均通過95%置信度檢驗。三個時間段各等級熱帶氣旋平均生命期見表2，只有超強臺風在暖異常年的平均生命期均大于冷異常年的平均生命期。以上分析可知，同期7—10月的ENSO循環的暖事件年對熱帶氣旋(除熱帶低壓)均有延長生命期的影響趨勢，其中對超強臺風生命期的影響最為顯著，暖異常年的生命期比冷異常年的生命期偏長，長達200 h以上。

表2 各等級熱帶氣旋的平均生命期Table 2 Mean life span of tropical cyclones at all levels /h

注：斜體表示暖事件年的平均生命期大于冷事件年的平均生命期。

Note: Mean life span in italic indicate that values of warm events are greater than that of cold events.

同樣，對熱帶氣旋的ACE指數進行分析，通過95%置信度檢驗的熱帶氣旋總ACE與SSTA是正相關，但強熱帶風暴與SSTA是負相關，強臺風及超強臺風則為正相關(見表1)。通過對比1950—2016年西北太平洋各等級熱帶氣旋ACE距平值與ENSO循環中冷暖事件年的SSTA月平均值可知，強熱帶風暴ACE負距平與13個暖事件年相對應，ACE正距平與10個冷事件年相對應；強臺風ACE正距平與9個暖事件年相對應，ACE負距平與13個冷事件年相對應；超強臺風ACE正距平與11個暖事件年相對應，ACE負距平與11個冷事件年相對應。

以上分析說明臺風及以下等級熱帶氣旋在ENSO循環的暖事件年ACE偏小，強臺風及以上等級熱帶氣旋的ACE偏大，冷事件年相反，也進一步證實了上述對生成頻數及生命期的分析。在暖事件年中，強臺風及以上等級熱帶氣旋的生成頻數、生命期均有增加的趨勢，ACE指數與SSTA正相關性更強，說明其強度有所增加，冷事件年情況相反。

2.3 熱帶氣旋生成位置及路徑的變化特征

由于1976—1987年沒有異常冷年，因此探討1950—1975年、1988—2016年這兩個時段熱帶氣旋生成位置的情況。計算所有等級熱帶氣旋生成位置的平均經緯度可知：1950—1975年期間，暖事件年的平均生成位置在15.883 6°N、137.282 2°E，冷事件年則為18.282 7°N、136.164 5°E；1988—2016年期間，暖事件年的平均生成位置在15.684 7°N、144.916 2°E，冷事件年則為17.558 2°N、135.744 1°E。

各等級熱帶氣旋在冷事件年的平均生成位置見圖1與2。在兩個時段中，強臺風及超強臺風在暖事件年生成位置均偏東偏南，在冷事件年生成位置則偏西偏北。1988—2016年期間的熱帶低壓與臺風等級的熱帶氣旋也表現出相同的規律。由此可見，7—10月的ENSO循環對同期較高等級熱帶氣旋生成位置的影響更為顯著，尤其是強臺風和超強臺風，在暖事件年生成位置偏東偏南，在冷事件年生成位置偏西偏北。

圖3顯示極端冷事件年超強臺風的生成位置在9°N～21°N、120°E～145°E區域之間，平均生成位置相比極端暖事件年偏西偏北，年平均生成數只有2.33個。而由圖4所示，極端暖事件年中，超強臺風的生成位置基本在5°N～22°N、126°E～174°E區域之間，有極個別超強臺風生成于163°E以東，年平均生成數達7.75個。因此，對于超強臺風而言，在暖事件年，其生成頻數偏多，生成位置偏東偏南，冷事件年則情況相反，所得結論與前述一致。

對比圖3與4的超強臺風路徑，極端暖事件年的超強臺風轉向路徑偏多，在菲律賓以東的海面向西北方向移動，并在中國東部海域20°N以北的地區轉向東北方向，因此影響朝鮮、韓國和日本的超強臺風偏多。在極端冷事件年中，超強臺風轉向路徑偏少，在朝鮮、韓國和日本登陸的可能性偏小；一部分在菲律賓以東的海面上向西北偏西方向移動，通過菲律賓或巴士海峽進入到中國南海，導致在中國廣東省、海南島或越南北部地區登陸的臺風數偏多；一部分的超強臺風向西北方向移動，穿過臺灣海峽，在中國福建、浙江等東南沿海登陸。

(星號為各等級熱帶氣旋的生成位置,實心圓為平均生成位置；藍色為冷事件年，紅色為暖事件年，黃色為平常年。Asterisks represent genesis locations of TCs. Solid circles indicate mean genesis locations：Blue(red) denotes the cold(warm) events. Yellow represents the normal years.)

圖1 1950—1975年7—10月生成位置分布圖
Fig.1 Distribution diagram of genesis location during July to October from 1950 to 1975

(星號為各等級熱帶氣旋的生成位置,實心圓為平均生成位置；藍色為冷事件年，紅色為暖事件年，黃色為平常年。Asterisks represent genesis locations of TCs. Solid circles indicate mean genesis locations. Blue(red) denotes the cold(warm) events. Yellow represents the normal years.)

圖2 1988—2016年7—10月生成位置分布圖
Fig.2 Distribution diagram of genesis location during July to October from 1988 to 2016

圖3 極端冷事件年中7—10月超強臺風的路徑Fig.3 Tracks of superTY during July to October in strong cold events

圖4 極端暖事件年中7—10月超強臺風的路徑Fig.4 Tracks of superTY during July to October in strong warm events

3 影響熱帶氣旋活動的大尺度背景場

大尺度環流因子會對熱帶氣旋的活動產生影響，在ENSO循環的暖事件年與冷事件年中，熱帶氣旋的活動存在差異，那么這兩個時期大尺度環流差異會更明顯。Gary在熱帶氣旋發生的氣候研究中定義了影響熱帶氣旋季節性發生的6個參數[15]。本文從季風槽的分布、低層相對渦度和高層散度、環境風垂直切變和中層相對濕度出發，對大尺度背景場進行合成分析，探究熱帶氣旋生成的物理機制。

3.1 季風槽

西北太平洋的季風槽是越赤道的西南季風與副熱帶高壓南側的信風相互輻合形成的低壓帶，常有低壓擾動生成于此。呂新燕等人的研究指出，70%以上的熱帶氣旋生成于季風槽內，季風槽內熱帶擾動的發展概率遠高于非季風槽內的熱帶擾動[16]。圖5是暖異常年與冷異常年中850 hPa平均緯向風和流場分布圖，定義850 hPa緯向風等于0的位置為季風槽槽線。暖事件年，季風槽槽線最南端的位置可達5°N，最東位置延伸至168°E；而冷事件年中，季風槽槽線最南端的位置在10°N以北，最東位置只延伸至137°E。由此可見，冷事件年的季風槽輻合區相對暖事件年偏西偏北。

3.2 低層相對渦度和高層散度

較大的低層相對渦度和高層散度有利于氣旋性渦旋的發展，因此本文分析850 hPa渦度場和500 hPa散度場(見圖6)。由渦度分布可知，6×10-6s-1以上的渦度值在暖事件年中存在于5°N～25°N區域之間，最東可至176°E，但冷事件年菲律賓以東126°E～176°E的區域不存在6×10-6s-1以上的渦度值，且3×10-6s-1以上渦度區只存在于9°N以北、146°E以西的區域。比較暖事件年與冷事件年這兩個時期渦度場的差異，通過95%置信度檢驗的正差異值基本位于菲律賓以東的海域。高層散度場中，冷事件年3×10-6s-1的散度值相對于暖事件年位置偏西，基本只位于148°E以西。通過95%置信度檢驗的正差異值主要分布在15°N以北，138°E以東的區域。高層水平風散度是與低層相對渦度相對應的，散度差異場與渦度差異場分布基本一致，因此冷事件年的高值渦散度相對暖事件年偏西偏北。

(黑色實線為平均緯向風等值線(單位：m·s-1)，藍色帶箭頭實線為平均流場。The black solid lines represent contours of mean zonal wind. (Unit: m·s-1). The blue solid lines with arrows indicate mean streamline.)

圖5 1950—2016年7—10月850 hpa平均緯向風和平均流線分布圖
Fig.5 Distribution diagram of mean zonal wind and mean streamline corresponding to 850 hPa during July to October from 1950 to 2016

(左右排分別對應相對渦度和散度；圖(a)和圖(d)中的黑色圓點表示冷暖事件的差異值通過95%置信度檢驗，黑色實線為等值線(單位:s-1)。The left and right rows correspond to relative vorticity and divergence.The black dots in (a) and (d) mark regions where the differences between warm events and cold events are significant at the 95% confidence level. The black solid lines represent contours. (Unit: s-1).)

圖6 1950—2016年7—10月的850 hPa平均相對渦度和200 hPa平均散度：暖事件年與冷事件年的合成值之差(a)(d)、暖事件年合成值(b)(e)、冷事件年合成值(c)(f)
Fig.6 Distribution diagram of 850 hPa mean relative vorticity and 200 hPa mean divergence during July to October from 1950 to 2016: Difference in mean composites when the cold-event values are substracted from warm-event values (a)(d)、warm-event composites (b)(e) and cold-event composites (c)(f)

由圖5與6對比可知，季風槽區的環流形勢為低層正渦度氣旋式環流和高層正散度反氣旋式環流，有利于熱帶氣旋的生成和發展，從而證明了熱帶氣旋在暖事件年生成位置會偏東偏南，在冷事件年生成位置則偏西偏北。

3.3 環境風垂直切變

強的環境風垂直切變會抑制熱帶氣旋的發生和發展，觀測研究表明熱帶氣旋要發展成臺風，垂直風切變值小于7 m/s，使其強度減弱的臨界值可能在8～10 m/s之間。通過計算得到暖事件年與冷事件年的平均全風速垂直切變分布見圖7。在暖事件年，10 m/s以下的風切變分布在30°N以北、110°E以東的區域。而冷事件中，10 m/s以下的風切變最北可至32°N，西伸可達101°E，所占面積相對于暖事件年偏大且位置偏西偏北。在10°N～25°N通過95%置信度檢驗的負風切變差異值處于128°E以東，影響了熱帶氣旋的生成位置。

(左右排分別對應環境風垂直切變和相對濕度；圖(a)和圖(d)中的黑色圓點表示冷暖事件的差異值通過95%置信度檢驗，黑色實線為等值線(單位:m·s-1或%)。The left and right rows correspond to vertical wind shear(VWS) and relative humidity. The black dots in (a) and (d) mark regions where the differences between warm events and cold events are significant at the 95% confidence level. The black solid lines represent contours. (Unit: m·s-1or %).)

圖7 1950—2016年7—10月的平均環境風垂直切變和平均相對濕度：暖事件年與冷事件年的合成值之差(a) (d)、暖事件年合成值(b)(e)、冷事件年合成值(c)(f)
Fig.7 Distribution diagram of mean VWS and mean relative humidity during July to October from 1950 to 2016: Difference in mean composites when the cold-event values are substracted from warm-event values (a)(d)、warm-event composites (b)(e)、cold-event composites (c)(f)

3.4 相對濕度

暖濕空氣有利于深層對流的發展，對流層700 hPa年平均相對濕度場見圖7。由圖可知，正差異值基本位于144°E以東，其中通過95%置信度檢驗的正差異值位于西北太平洋的東南部，負差異值位于西北太平洋的西北部。因此暖事件年中，較高的相對濕度相對于冷事件年分布偏東偏南。

4 結論

(1)臺風及以下等級熱帶氣旋的生成頻數在暖事件年偏少，強臺風及以上等級的生成頻數偏多。ENSO事件暖異常年對熱帶氣旋(除熱帶低壓)均有延長生命期的影響，其中對超強臺風的影響最為顯著。臺風及以下等級熱帶氣旋在暖事件年ACE偏小，強臺風及以上等級熱帶氣旋的ACE偏大，也進一步證實了上述對生成頻數及生命期的分析。在暖事件年中，強臺風及以上等級熱帶氣旋的生成頻數、生命期均有增加的趨勢，ACE指數與SSTA正相關性更強，說明其強度有所增加，冷事件年情況相反。

(2)1950—1975年、1988—2016年這兩個時段中，7—10月的ENSO循環的冷暖事件對同期較高等級的熱帶氣旋生成位置的影響更為顯著，尤其是強臺風和超強臺風，在暖事件年生成位置偏東偏南，在冷事件年生成位置偏西偏北。極端暖事件年中的超強臺風多為轉向路徑，影響朝鮮、韓國和日本的超強臺風偏多。在極端冷事件年中，超強臺風轉向路徑偏少，多向西北方向移動，影響我國沿海地區并在我國登陸的可能性增加。

(3)季風槽區的高低層環流形勢，配合垂直風切變及對流層暖濕空氣，導致熱帶氣旋的生成位置在冷暖事件中發生變化。生成于西北太平洋東南部的熱帶氣旋，在登陸消亡之前有更長時間的海氣相互作用，可使其生命期更長，強度更強，因此有利于強熱帶氣旋(強臺風、超強臺風)的產生及發展。