2018年8月西北太平洋熱帶氣旋頻數異常的成因分析

張潤宇，凌鐵軍,2，李響,2，張蘊斐,2，鄧小花，黃煥卿

（1.國家海洋環境預報中心，北京100081；2.自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京100081）

1 引言

全球平均每年熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）活動數量為80～90個，分布在七大海域，其中，西北太平洋海域是全球最為活躍的海域，約占全球總數的33%[1]。我國是全世界受TC影響嚴重的國家之一，強烈的TC將帶來強風、大暴雨、巨浪和風暴潮過程，對近海漁業和人民的生命財產造成嚴重威脅[2]。

目前已有許多學者研究發現，ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation，厄爾尼諾-南方濤動）循環、熱帶大氣季節內振蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO）、北極濤動（Arctic Oscillation，AO）等大氣海洋模態，對TC頻數的年際、季節內異常變化有顯著影響[3-6]。另一方面，許多學者從大氣環流場的分析中，發現低層大氣環流異常、潛熱通量和短波輻射通量變化、澳大利亞東側的環流異常、熱帶輻合帶（Intertr-opical Convergence Zone，ITCZ)對流活動的異常及夏季風活動的異常等均與西北太平洋海域TC活動有著密切的聯系[7-12]。

影響TC生成的環境背景場因子眾多，但TC生成最終決定因素來自生成源地的洋面熱狀況、近地層渦度、高低空風切變等。在前人研究的基礎上，Emanuel等[13]提出了一種TC潛在生成指數（Genesis Potential Index，GPI），該指數涉及幾個大尺度環境因子，包括850 hPa絕對渦度、600 hPa相對濕度、850 hPa和200 hPa的垂直風切變和最大潛在強度（Maximum Potential Intensity，MPI），其中MPI是由海洋上的海面溫度和大氣熱力環境條件決定的。利用這個指數，Camargo等[14]分析了ENSO對不同地區TC生成的影響，Bruyere等[15]使用GPI指數重建了北大西洋TC的年頻數變化趨勢。韓翔等[16]研究發現GPI指數收支分析顯示對流層低層絕對渦度和中層相對濕度是調制整個海域TC生成的兩個重要的大尺度環境因子。楊宇星[17]利用IPCC第四次評估中GFDL CM2.0模式結果分析了GPI指數在CO2加倍過程中和加倍過程后TC生成的變化趨勢,并探討了引起TC趨勢變化的可能環流因素。

目前，對TC月生成頻數及季節生成頻數的預測是十分值得研究的問題。TC活動往往受到多尺度過程的共同影響，生成指數中涉及的環流場物理量是影響TC形成最主要的物理因素，物理量的異常會較迅速地導致TC生成時空特征的異常[8]。

統計1979—2018年西北太平洋海域TC頻數發現（數據來自中國氣象局“CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數據集”），西北太平洋全年各月均有TC生成，TC發生頻數主要集中在7—10月，占總數的70%，并在8月份達到峰值，占全年發生次數的21.2%。而2018年8月，西北太平洋海域活躍的TC和氣候態相比，數量明顯偏多。本文通過分析西北太平洋TC生成最敏感的因子異常的程度，及環流背景場的狀態，由此得出2018年8月TC頻數異常的可能機制，為提高西北太平洋TC生成頻數的預測能力提供參考。

表1 2018年8月份生成TC概況

2 資料與方法

本文采用的TC資料取自中國氣象局“CMASTI熱帶氣旋最佳路徑數據集”[18]。大氣與海洋數據資料來自ERA_Interim逐月再分析資料[19]，包括逐月相對濕度、相對渦度、緯向風、經向風、水汽通量、海表面溫度及位勢高度等，選取時間段為1979—2018年，水平空間分辨率為0.75°×0.75°。

本文使用的TC強度根據《熱帶氣旋等級》國家標準（GB/T19201—2006）定義當CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數據集中近洋面上的最大風速首次達到或超過10.8 m/s的時刻，作為該TC的生成時刻，并把該時刻TC所處的經緯度作為其生成位置。所采用的分析方法主要為相關分析方法、合成分析方法及天氣學分析方法。

根據Emanuel等[13]的定義：

式中：T1=|105η|3/2，其中，η指850 hPa絕對渦度，單位：/s；T2=（1+0.1Vshear）-2，Vshear指風垂直切變，為850 hPa（代表對流層低層）和200 hPa（代表對流層高層）的緯向風速之差，單位：m/s；T3=（H/50）3，H指600 hPa相對濕度，單位：%；T4=（Vpot/70）3，Vpot指臺風 MPI，單位：m/s，用海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）和200～850 hPa垂直風切變（Vshear）來擬合得到[20]。

此外，由于絕對渦度為相對渦度和地轉渦度（即科氏力參數的絕對值）之和，而科氏力只與緯度有關，所以本文中直接選取了相對渦度進行分析。

3 2018年8月熱帶氣旋數量異常特征

2018年8月，西北太平洋海域共生成9個TC，相比氣候態（1981—2010年8月TC平均生成數為5.77個，近10 a平均4.4個，近20 a平均5個）明顯多近一倍。其中，4個在我國沿海登陸，相比氣候態（30 a平均登陸2個，近10 a 1.8個，近20 a 1.85個）多一倍。

從表1和圖1可以看出，8月中旬的10 d中，先后有6個TC活躍，西北太平洋上呈現出多TC共存的現象，這在歷史上極為少見。

圖1 2018年8月份生成TC路徑

圖2 1979—2018年各因子與TC頻數的相關系數（陰影可通過信度95%的顯著性統計檢驗，黑色圓點為1979—2017年8月TC生成位置，綠色圓點為2018年8月TC生成位置）

4 影響熱帶氣旋生成的各因子分析

根據GPI指數中涉及的大尺度環流因子與熱力因子，本文首先比較了600 hPa相對濕度、850 hPa相對渦度、海表面溫度和風垂直切變因子與8月TC生成頻數的相關關系（見圖2），發現600 hPa相對濕度因子、850 hPa相對渦度因子與TC生成頻數的顯著相關區與TC生成源地有很好的對應，并都體現為正相關關系，這與前人的研究較為一致[8，21]。對于西北太平洋TC的生成，海洋熱能的正異常會起到積極的作用，但一般TC生成海域熱能條件均能滿足，熱力因子對TC生成頻數的影響顯著減弱[20]。而海表面溫度因子與8月TC生成頻數之間也沒有發現明顯的正相關區域，反而在南海南部海域和中緯度地區出現負相關區域。從圖3a中可以看出2018年8月熱帶氣旋生成的絕大部分海域，海表面溫度表現為負距平場，因此2018年8月熱帶氣旋生成頻數偏多并不是由海表面溫度的異常引起。從海水混合層厚度（26℃等深面）對8月TC生成的影響來看，正異常是TC生成的有利條件，并且TC生成源地混合層厚度大于100 m（氣候態）時更有利于生成。但2018年8月，在大多數TC生成區域海水混合層厚度表現出負距平狀態（見圖3b），因此也排除了海水混合層厚度因子的異常對2018年8月熱帶氣旋生成頻數偏多的影響。綜上所述，海洋狀態可能不是影響TC生成的主要因素。垂直風切變因子與TC生成頻數的顯著相關區與TC生成源地的集中區不吻合，此外，其北側（20°N、100°～150°E）區域存在與TC生成頻數的顯著正相關區，其內的TC生成頻數也相當可觀。高相關區與TC生成源地集中區的不一致意味著高低層緯向風垂直切變因子的作用弱于渦度和濕度因子，這和吳勝安等[8]的研究結果一致。

針對600 hPa相對濕度因子、850 hPa相對渦度因子，選擇歷史上8月份生成頻數偏多年展開因子特征差異分析工作。另外，分析2018年8月因子的異常情況。文中TC生成頻數偏多年的選擇標準定義為標準差超過1.0的年份。依據上述標準，對1979—2018年8月的TC頻數進行標準差處理（見圖4），得到除2018年外的偏多年份4個，分別為1985年、1992年、1994年、2004年。

圖3 2018年8月距平場（黑色圓點為2018年8月TC生成位置）

圖4 1979—2018年8月生成TC頻數（圓點）及標準差（柱狀圖）

4.1 850 hPa相對渦度

根據圖2a，可以發現，南海、菲律賓以東（15°～25°N、125°～145°E）海域，存在顯著的正相關區域。1979—2017年8月TC生成位置多覆蓋在正相關區域內，及正相關區域邊緣（相關梯度大值區）。南海海域最大相關系數達到0.55，2018年1816號TC生成在此海域，菲律賓以東海域最大相關系數達到0.5，1814號、1815號、1819號生成在此海域，此外，1818號、1813號、1820號、1821號TC均生成在正相關區域邊緣。

圖5a為多年（1979—2018年）平均8月850 hPa相對渦度分布圖，及所有年8月TC生成位置，可以發現在中低緯度地區存在幾個明顯大值區，分別為南海中西部海域，臺灣島西北側及東南側，以及菲東海域，大值區和圖2a顯著相關區對應較好，大部分TC生成在正渦度區，但中緯度負渦度區也仍有TC生成。圖5b為偏多年與多年（1979—2018年）平均8月850 hPa相對渦度差異圖，及偏多年8月TC生成位置，可以看到在20°～25°N，南海至臺灣以東到菲東海域存在相對渦度正距平區域，差值在0.1×10-4/s～1.5×10-4/s。對比圖5a和圖5b發現，偏多年TC生成位置和相對渦度正異常區域幾乎重合，證明850 hPa相對渦度的正異常是TC生成十分有利的因素。圖5c為2018年8月與多年（1979—2018年）平均850 hPa相對渦度的差異圖，及2018年TC生成位置，可以看出，和圖5b表現出相似的正異常區域，并且上述區域的850 hPa相對渦度正異常均較圖5b明顯。2018年8月TC的生成位置均位于正異常區域，平均正距平達到0.1×10-4/s，其中南海北部的1816號TC生成所在區域正距平超過0.25×10-4/s。2018年8月TC生成海域的850 hPa相對渦度比多年平均值偏高，也較偏多年平均值偏高，進一步證明850 hPa相對渦度對TC的生成提供有力的背景動力環境條件支撐。

圖5 8月850 hPa相對渦度（單位：/s，黑色圓點為TC生成位置）

4.2 600 hPa相對濕度

根據圖 2b，可以發現，在 10°～20°N、100°～180°E地區，存在連續的顯著正相關區域，最大相關系數為0.48。1979—2017年8月TC生成位置多覆蓋在正相關區域內，及正相關區域北側邊緣（相關梯度大值區）。2018年1816號TC生成位置和南海北部的顯著相關區對應較好，1813號、1814號、1815號、1819號、1820號、1821號TC均位于菲律賓以東海域的相關區北側邊緣。

圖6a為多年（1979—2018年）平均8月600 hPa相對濕度分布圖，及所有年8月TC生成位置，可以發現從10°N附近向北至30°N附近，600 hPa相對濕度呈現出遞減的趨勢，TC的生成位置多集中在相對濕度50%～75%的范圍內。圖6b為偏多年與多年（1979—2018年）平均8月600 hPa相對濕度差異圖，及偏多年8月TC生成位置，可以看到在南海北部海域（20°N附近）及菲律賓以東海域存在相對濕度正距平區域，量級低于6%。對比圖6a和圖6b發現，除少數TC外，大部分偏多年TC生成位置和相對濕度正異常區域重合，證明600 hPa相對濕度的正異常也是TC生成十分有利的因素，但有利程度低于850 hPa相對渦度因子。圖6c為2018年8月600 hPa相對濕度與多年（1979—2018年）平均值的差異圖，及2018年8月TC生成位置，可以看出，10°～20°N之間，存在一條東西向的正距平區域，除1817號和1818號TC外，其余7個均對應了600 hPa相對濕度偏高明顯的區域，差異值為8%～10%。對比圖6b和圖6c，不難看出2018年8月TC生成海域的600 hPa相對濕度比多年平均值偏高，也比偏多年平均值偏高，對TC的生成提供有力的背景熱力環境條件支撐。

圖6 8月600 hPa相對濕度（單位：%，黑色圓點為TC生成位置）

5 因子異常原因分析

通過生成指數中各因子的對比分析，我們基本確定了850 hPa相對渦度因子和600 hPa相對濕度因子對TC的生成提供有力的背景熱動力環境條件支撐，也發現某些年份兩因子的正異常造成了該年份8月TC偏多的現象。那么，是什么因素導致了兩因子的異常出現呢？為了進一步探尋渦度和濕度因子異常的來源，接下來對2018年8月環境場進行分析。

圖7 2018年8月500 hPa高度場異常圖（氣候態為1981—2010年。黃色陰影、藍色陰影區域分別代表位勢高度偏高、偏低區域，黑色實線代表1981—2010年氣候態8月位勢高度場，紅色實線代表2018年8月5 880位勢米高度線）

圖8 2018年8月850 hPa流場及風速異常（紅色陰影區域代表風異常值，單位：m/s）

5.1 850 hPa相對渦度異常分析及對TC頻數影響的物理機制

倪文琪等[22]發現，西北太平洋8月TC頻數和赤道、副熱帶區域500 hPa位勢高度有顯著負相關，當西太平洋副高位置偏南時，TC生成頻數偏少。從圖7可以發現，氣候態下副高西伸脊點位于135°E附近，脊線位置在30°N附近。2018年8月，副高明顯面積偏大，西伸脊點達到120°E附近，脊線位置達到30°N以北，呈現明顯偏西偏北的特征。此外，在南海北部海域為位勢高度負距平。

圖8是2018年8月850 hPa流場（黑色線）及緯向風、經向風的異常（陰影）圖，選取的氣候態為1981—2010年。圖8a可以看出，在南海北部海域，存在一明顯的氣旋式環流，在北印度洋至我國南海到達菲律賓以東洋面的中低緯度海域上空，存在明顯的緯向風異常，西風較氣候態偏強。季風槽主要位于南海北部至副高西南側，由東南氣流和偏西氣流交匯形成，位置偏北，呈現西北-東南走向。同時，季風槽的位置和2018年8月兩因子正異常的區域有很好的對應關系。

西北太平洋海域8月份處于東亞夏季風環流系統[23]。圖8b可以看出，2018年8月，東亞主要存在3大系統：90°～120°E之間的向北越赤道氣流、南海-西北太平洋季風槽、以及150°E以東的副高南側的偏東氣流。在孟加拉灣和南海海域，存在經向風異常，南風較氣候態偏強。從印度洋來的偏西氣流以及孟加拉灣和南海海域的偏南氣流，在南海北部海域匯合后，形成長達數千公里低空急流。

Mcbride等[24]的研究結果表明，只有當初始對流擾動移動到低層大于平均氣旋性渦度的大尺度環境中，才會有TC生成；能夠發展成為TC的云團所處的環境場，與不發展的對流云團相比，在其對流層低層1×104～2×104km尺度水平范圍內，存在相對渦度的增強。低層輻合是決定對流是否產生的關鍵性因子。2018年8月低空急流的加強活動可以強迫低層輻合增強，使得TC生成頻數增多。同時，當季風槽西風氣流加強時，地面的緯向氣壓梯度增強，導致了進入季風槽的氣流加速，并伴隨著季風槽向極一側的副熱帶高壓脊同時加強，季風槽北側產生強烈東風，增強氣旋性渦度，從而有利于TC的生成。

5.2 600 hPa相對濕度異常分析及對TC頻數影響的物理機制

Emanuel[25-26]，Rotunno等[27]的研究表明風驅動的海氣熱量交換機制（Wind Induced Surface Heat Exchange，WISHE）是TC發展的根本原因。風驅動從高溫的海洋表面吸收大量潛熱，導致邊界層高相當位溫空氣的形成，高相當位溫空氣向上輸送，在對流層中高層釋放熱量，導致高層溫度正的擾動。高層溫度擾動又增強了TC渦旋環流，從而進一步增強風驅動的海面潛熱通量，如此循環。海水溫度通過海氣交換過程造成低層空氣溫度升高，濕度也隨之顯著增大，對流層低層的相對濕度為TC中潛熱釋放提供所需的能量供應。

圖9為2018年8月與氣候態（1981—2010年）平均水汽通量及其矢量的距平圖，可以看出，20°N附近有一條東-西走向的水汽通量異常高值帶，與風向走向一致，最強中心在巴士海峽，達350 kg/（m·s），水汽輸送十分強盛。在副高的西南側，也存在一條由東向西的水汽通量異常高值區，在115°E附近轉向南輸送，在南海北部海域形成了氣旋式環流。2018年8月水汽輸送的異常使得15°～20°N區域的相對濕度明顯高于氣候態。Cheung[28]統計了1990—2001年共405個TC生成時500～700 hPa相對濕度的量值大小，發現當中層相對濕度達到70%～80%時，TC的生成頻數更多。從圖6可以發現，15°～20°N區域多年平均的相對濕度處于65%～75%，而2018年8月該區域的相對濕度明顯增加，達到75%～85%，使得TC生成頻數偏多。

圖9 2018年8月水汽通量及其矢量距平圖（氣候態1981—2010年）（陰影區域代表水汽通量異常值，單位：kg（/m·s））

6 結論

本文為了研究2018年8月TC頻數偏多的原因，比較了TC生成參數中各因子與西北太平洋海域8月TC生成頻數的相關關系，分析了2018年8月850 hPa相對渦度與600 hPa相對濕度因子的異常情況，并從環境場探究南海北部海域因子異常的成因，得到以下結論：

（1）2018年8月，TC生成頻數較多年平均值多近一倍，生成時間集中；

（2）與TC生成參數中其他因子相比，850 hPa相對渦度和600 hPa相對濕度因子與西北太平洋海域8月TC生成頻數的相關關系最好；

（3）南海及菲律賓以東（15°～25°N、125°～145°E）區域的850 hPa相對渦度，和8月TC的生成有很好的正相關關系。2018年8月，TC生成位置均位于正異常區域，上述區域的850 hPa相對渦度與多年平均值平均正距平達0.1×10-4/s，最大正距平達0.25×10-4/s；

（4）10°～20°N、100°～180°E區域的600 hPa相對濕度，和8月TC的生成有很好的正相關關系。2018年8月，7個TC生成在正異常區域，上述區域的600 hPa相對濕度比多年平均值高8%～10%；

（5）2018年8月，副高位置偏西偏北、北印度洋至我國南海大范圍海域西風異常、南海海域經向風異常、水汽通量正異常，以及季風槽的位置決定了兩因子正異常的出現，觸發對流活動的增強，并通過WISHE機制為TC中潛熱釋放提供所需的能量供應，最終導致TC生成頻數偏多。

本文從大尺度環流因子及熱力因子出發，針對西北太平洋海域2018年8月TC頻數偏多的特征原因進行了探討，給出了2018年相關性較好因子的異常分析，并從環流場分析了因子異常的原因，對TC頻數的預測有一定的指導意義。但研究仍是初步的，對于相關性較好因子的可預報性及發生極端性改變的物理機制還有待于今后做更深入的研究。