孟加拉灣季風(fēng)對熱帶氣旋生成和發(fā)展的調(diào)制機制研究

李 志,孟 強,薛 亮

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266061;3.國家海洋局 南海調(diào)查技術(shù)中心,廣東 廣州510660)

熱帶氣旋(TC)是世界上分布最廣,頻率最高的自然災(zāi)害之一,其主要分布在孟加拉灣(Bay of Bengal,BoB)、西北太平洋(Northwest Pacific,NWP)、東北太平洋(Northeast Pacific,NEP)、北大西洋(North Atlantic,NATL)、南印度洋(South Indian Ocean,SIO)和西南太平洋(Southwest Pacific,SWP)。相比其他海盆,孟加拉灣氣旋發(fā)生頻數(shù)雖然較少,但傷亡率最高的10個氣旋有6個發(fā)生在孟加拉灣。如2008-05超強氣旋(STC)Nargis登陸緬甸,造成10余萬人死亡、上百萬人流離失所,經(jīng)濟損失更是難以計算[1-5]。因此研究孟加拉灣氣旋有著重要的社會意義。

孟加拉灣氣旋的氣候態(tài)季節(jié)分布也與其他海盆不同,主要體現(xiàn)在孟加拉灣氣旋有2個主要發(fā)生期,分別是4—5月(冬-夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期,春季轉(zhuǎn)換期)和10—11月(夏-冬季風(fēng)轉(zhuǎn)換期,秋季轉(zhuǎn)換期)[6-9]。而其他海盆,西北太平洋、東北太平洋、北大西洋、南印度洋和南太平洋,只有1個主要的氣旋發(fā)生季,一般都是該海盆的夏季。此外,孟加拉灣氣旋雖然有雙峰結(jié)構(gòu)但是雙峰并不對稱,發(fā)生在秋季轉(zhuǎn)換期內(nèi)的氣旋頻數(shù)遠遠高于春季氣旋頻數(shù)。雖然春季轉(zhuǎn)換期氣旋頻數(shù)少于秋季轉(zhuǎn)換期,但是超強氣旋(Saffir-Simpson 4,5級)生成率卻遠遠高于秋季轉(zhuǎn)換期,是所有熱帶海盆氣旋季超強氣旋生成率之最。鑒于這些獨特的雙峰結(jié)構(gòu),孟加拉灣氣旋研究具有重要科學(xué)意義。

Gray指出,海表溫度,低層大氣相對旋度、科氏參數(shù)、垂直風(fēng)速剪切、大氣穩(wěn)定度和中低層水汽都可以影響氣旋生成[10]。Gray提出了TC生成指數(shù),他認為孟加拉灣氣旋的獨特雙峰結(jié)構(gòu)主要是因為孟加拉灣季風(fēng)造成的[11]。以上研究認為孟加拉灣夏季風(fēng)爆發(fā)時,季風(fēng)環(huán)流迅速增強垂直風(fēng)速剪切,進而破壞氣旋的暖心結(jié)構(gòu),抑制氣旋生成和發(fā)展。這一研究解釋了氣旋很少在夏季風(fēng)盛行期生成而較多在春季轉(zhuǎn)換期和秋季轉(zhuǎn)換期生成的原因,是早期對孟加拉灣氣旋氣候態(tài)雙峰分布的物理解釋。該觀點被氣旋研究界廣泛接受,延續(xù)至今。孟加拉灣氣旋有獨特的雙峰結(jié)構(gòu),且2個峰值不對稱。然而對于孟加拉灣在2個氣旋季內(nèi)氣旋頻數(shù)不對稱學(xué)界一直沒有明確的研究。Emanuel在此基礎(chǔ)上進一步精煉影響氣旋生成因子,提出氣旋潛在生成指數(shù)(Genesis Potential Index,GPI)①EMANUEL K A,NOLAN D S.Tropical cyclone activity and global climate.Preprints.26th Conf.on Hurricanes and Tropical Meteorology,Miami,FL,American Meteorological Society,2004,10A.2.https:∥ams.confex.com/ams/26HURR/techprogram/paper_75463.htm.。GPI不僅可以很好地描述西北太平洋、東北太平洋、北大西洋等海盆的氣旋生成特征,也能很好地再現(xiàn)孟加拉灣氣旋氣候態(tài)季節(jié)分布特點(圖1)[12-15]。本研究嘗試用GPI定量診斷季風(fēng)對孟加拉灣氣旋生成的影響。

雖然在孟加拉灣氣旋在春季轉(zhuǎn)換期頻數(shù)較少,但是超強氣旋的生成率卻極高,而且這期間所有超強氣旋都伴隨著觸發(fā)夏季風(fēng)爆發(fā)的第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩(FNISO)發(fā)生[16]。然而并不是每一個伴隨FNISO 發(fā)生的氣旋都能發(fā)展成為超強氣旋。即便孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期內(nèi)伴隨FNISO 發(fā)生的熱帶氣旋有50%概率發(fā)展成為超強氣旋,人們?nèi)匀徊荒軐γ霞永瓰炒杭巨D(zhuǎn)換期超強氣旋做出較為準確的預(yù)報。例如,2013-05的熱帶氣旋Mahasen發(fā)生在當年FNISO 對流位相,當時聯(lián)合國教科文組織-政府間海洋學(xué)委員會-西太分委會、夏威夷大學(xué)國際太平洋研究中心、自然資源部第一海洋研究所和孟加拉國吉大港大學(xué)等國際組織以及國內(nèi)、外科研單位都預(yù)報和預(yù)測Mahasen將發(fā)展為超強氣旋并將登陸孟加拉國,孟加拉國相關(guān)政府部門認同該預(yù)報結(jié)果并做出相應(yīng)的防災(zāi)安排,多次發(fā)布預(yù)警通知民眾。但實際上Mahasen并未發(fā)展成為超強氣旋,直到登陸孟加拉國時也只有熱帶風(fēng)暴的強度。這次不準確的預(yù)報不僅引發(fā)了民眾的恐慌情緒,還造成了大量防災(zāi)物資的浪費。同時說明我們對孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期內(nèi)超強氣旋的形成原因仍不明晰,導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果存在較大偏差。鑒于孟加拉灣及其周邊國家和地區(qū)受氣旋災(zāi)害影響嚴重,所以國際社會和科學(xué)家對準確預(yù)報孟加拉灣超強氣旋給予了極大關(guān)注。

1 超強臺風(fēng)定義與數(shù)據(jù)來源

1.1 超強臺風(fēng)定義

利用薩菲爾-辛普森熱帶氣旋等級標準[17]作為超強臺風(fēng)定義依據(jù)。定義海面10 m 高度1 min平均風(fēng)速為持續(xù)風(fēng)速,根據(jù)最大風(fēng)速和中心最低氣壓將颶風(fēng)/臺風(fēng)分為五級(表1),最大風(fēng)速越大,臺風(fēng)等級越高。依據(jù)上述標準,我們把4和5級熱帶氣旋定義為超強氣旋,即將最大風(fēng)速≥58.6 m s-1,中心氣壓＜945 hPa的熱帶氣旋定義為超強氣旋。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)主要包括:1)1981—2016年熱帶氣旋最佳軌道數(shù)據(jù)由美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心(JTWC,http:∥www.usno.navy.mil/NOOC/nmfc-ph/RSS/jtwc/best_tracks/)提供①②CHUJH,SAMPSONCR,LEVINEAS,et al.The joint typhoon warning center tropical cyclone best-tracks,1945—2000.Joint Typhoon Warning Center,Pearl Harbor,Hawaii,United States of Ameriea,2002.[18-19];2)月平均與日平均的風(fēng)場、多層氣溫、比濕、相對濕度數(shù)據(jù),來自美國國家環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)數(shù)據(jù)集[20];3)月平均和日平均海表溫度以及對外長波輻射數(shù)據(jù)由美國國家海洋大氣管理局(NOAA)提供[20]。其中氣旋數(shù)據(jù)分辨率為6 h,風(fēng)場、氣溫、比濕、相對濕度、對外長波輻射數(shù)據(jù)的空間分辨率為2.5°×2.5°,海表溫度數(shù)據(jù)分辨率為2°×2°。

表1 薩菲爾-辛普森颶風(fēng)/臺風(fēng)等級標準Table 1 Saffir-Simpson hurricane wind scale

2 孟加拉灣夏季風(fēng)對雙氣旋季的調(diào)制

2.1 孟加拉灣熱帶氣旋氣候態(tài)季節(jié)分布

本文選取1981—2010年來驗證GPI指數(shù)可否有效描述氣候態(tài)氣旋頻數(shù)的分布特征。在此基礎(chǔ)上利用GPI公式發(fā)展診斷方法來分析在這期間孟加拉灣氣旋形成雙峰分布的原因[12,23]。GPI公式為

*是海表假相當位溫,θe是邊界層相當位溫。GPI指數(shù)(圖1)可以很好地反映各個海盆中氣旋分布特征,尤其是在孟加拉灣,GPI指數(shù)較為準確地反映了該地區(qū)熱帶氣旋的雙峰分布特征,正因如此,GPI可以被用于發(fā)展定量診斷方法來揭示季風(fēng)對孟加拉灣氣旋雙峰分布的調(diào)制。

對式(1)兩側(cè)取對數(shù)可得:

對式(2)兩側(cè)變量進行全微分可得:

式(1)代入式(3)可得:

圖1 1981—2009年各月熱帶氣旋頻數(shù)和氣旋生成指數(shù)Fig.1 Monthly TC numbers and GPI during 1981—2009

通過該定量診斷方法可以計算每個因子在每個月對氣旋發(fā)生頻數(shù)的貢獻(圖2)。與以前認為垂直風(fēng)速剪切造成氣旋頻數(shù)雙峰分布[11]不同,本文定量診斷結(jié)果顯示孟加拉灣夏季風(fēng)期間水汽充沛,中層大氣相對濕度高,促進氣旋生成,雖然垂直風(fēng)速剪切為氣旋生成提供了最大的負貢獻,但是也不足以抵消相對濕度的正貢獻,垂直風(fēng)速剪切和底層大氣旋度以及潛在強度項(Potential Intensity,PI)共同作用,抵消相對濕度對氣旋生成的促進作用,達到抑制氣旋生成的效果,最終形成獨特的雙峰結(jié)構(gòu)。該診斷采用不同平均算法,得到的結(jié)果與觀測結(jié)果接近,這說明該診斷方法穩(wěn)定且診斷結(jié)果準確。

圖2 各主要海氣因子對氣候態(tài)月平均孟加拉灣氣旋頻數(shù)分布的貢獻Fig.2 Climatological monthly contribution of each term to TC distribution over the BoB

具體分析顯示:從2—3月到4—5月,氣旋容易生成,這是源于中層大氣的相對濕度(即:水汽的作用);從4—5月到6—7月,氣旋頻數(shù)減少,主要是因為垂直風(fēng)速剪切、低層大氣旋度和潛在強度共同作用抵消了相對濕度對氣旋生成的促進作用,從而抑制了氣旋的生成。從8—9月到10—11月,氣旋頻數(shù)增加,主要是因為垂直風(fēng)速剪切減弱;從10—11月到12—1月,氣旋頻數(shù)變小,主要是因為水汽減少(表2)。

表2 孟加拉灣氣旋增長和減少區(qū)間海氣因子對GPI變化的貢獻Table 2 Contribution toδGPI in the BoB during increasing and decreasing TC formation periods

孟加拉灣氣旋不僅有獨特的雙峰結(jié)構(gòu)(4—5月和10—11月),而且該雙峰還不對稱,10—11月氣旋頻數(shù)約是4—5月的3倍。定量診斷結(jié)果顯示10—11月與4—5月氣旋生成指數(shù)之差為0.72,其中絕對旋度項之差為0.07,貢獻率是10%;垂直風(fēng)速剪切項之差為0.03,貢獻率是5%;相對濕度項之差為0.82,貢獻率是113%;潛在強度項之差為-0.20,貢獻率是-28%。我們由此可知10—11月氣旋頻數(shù)比4—5月多,這主要是由于夏季風(fēng)后水汽充沛,大氣相對濕度更高(圖3),有益氣旋生成。

圖3 600 hPa相對濕度在10—11月和4—5月的差異及其在各月的分布Fig.3 Difference(October—November minus April—May)of the environmental relative humidity at 600 hPa and the climatological annual cycle and standard deviation of the relative humidity in the BoB

2.2 孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期內(nèi)超強氣旋與第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩的關(guān)系

孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期氣旋頻數(shù)相較秋季轉(zhuǎn)換期偏少,但是超強氣旋(4,5級氣旋)生成率卻很高。孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期超強氣旋生成率約為40%,而秋季轉(zhuǎn)換期超強氣旋生成率只有約10%,春季轉(zhuǎn)換期超強氣旋生成率約是秋季轉(zhuǎn)換期的4倍,不僅如此,孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期超強氣旋生成率在全球范圍內(nèi)也是最高的(表3)。

表3 各個海盆在其氣旋季內(nèi)超強氣旋生成率Table 3 The super TC genesis ratio over all basins during TC season

孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期內(nèi)超強氣旋都是伴隨第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩生成,但是并不是每一個伴隨第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生的氣旋都能發(fā)展成為超強氣旋。1981—2016年間,孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期內(nèi)有15個氣旋伴隨第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩生成和運動,但是僅有7個發(fā)展成為超強氣旋(表4)。通過合成分析比對影響兩組氣旋生成發(fā)展的環(huán)境因子,篩選出差異最大的環(huán)境因子,并深入分析調(diào)制氣旋能否發(fā)展成為超強氣旋的環(huán)境條件及其內(nèi)在物理過程。考慮到各個環(huán)境因子由于單位不同導(dǎo)致的數(shù)值差異,我們引入?yún)^(qū)域差異指數(shù)(BDI),該指數(shù)可以有效對各個因子進行無量綱化,進而定量比對各個環(huán)境因子的差異性。BDI公式為

式中,M為某個變量所有樣本的均值,σ為其標準差,下標“stc”和“tc”分別表示超強氣旋和普通氣旋的樣本組。

表4 孟加拉灣1981—2016年春季轉(zhuǎn)換期氣旋和超強氣旋的生命周期和強度等級Table 4 The lifetime and category of STC and TC during pre-monsoon transition period of 1981—2016

以氣旋中心為中心點,分別選擇5°×5°和10°×10°的區(qū)域,在季節(jié)內(nèi)尺度上計算海氣環(huán)境要素的BDI值(表5,表6)。計算結(jié)果表明,同樣是伴隨第一支北傳的季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生的氣旋,其發(fā)展強度可以不盡相同,這主要是由于季節(jié)內(nèi)振蕩強度差異和氣旋與季節(jié)內(nèi)振蕩深對流中心的位置遠近有關(guān)(圖4,圖5)。當季節(jié)內(nèi)振蕩強且氣旋與季節(jié)內(nèi)振蕩中心位置接近時(圖4),季節(jié)內(nèi)振蕩深對流對氣旋影響較大,強大的抬升作用把液態(tài)水抬升到高層(200 hPa左右),液態(tài)水吸熱氣化,降低高層溫度,增加高低層大氣的溫度差(圖6),這使得氣旋潛在強度增加且有助于氣旋達到其最大潛在強度。這從季節(jié)內(nèi)尺度上揭示了伴隨第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生的氣旋發(fā)展為超強氣旋的原因。反之亦然(圖5)。

表5 季節(jié)內(nèi)尺度和年際尺度的各個環(huán)境要素的BDI值Table 5 The BDI and significance level of various factors between STC and TC groups on intraseasonal and interannual timescale

表6 季節(jié)內(nèi)尺度和年際尺度上氣旋中心5°×5°區(qū)域內(nèi)不同高度上的BDI值Table 6 The BDI of 5°×5°box around the STC and TC centers at different atmosphere levels on intraseasonal and interannual timescale

圖4 1981—2016年冬-夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期(4—5月)內(nèi)超強臺風(fēng)和季節(jié)內(nèi)振蕩深對流中心軌跡Fig.4 The track of the STC center and FNISO center over the BoB during PMT 1981—2016

在年際尺度上,也可以發(fā)現(xiàn)超強氣旋生成的時段高低層溫差比普通氣旋時的高低層溫差更大,這也有助于理解為何同是伴隨第一支季節(jié)內(nèi)振蕩北傳,有的氣旋會發(fā)展成為超強氣旋,有的卻保持常規(guī)強度(表5,6和圖6)。

圖5 1981—2016年冬-夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期(4—5月)內(nèi)常規(guī)強度氣旋和季節(jié)內(nèi)振蕩深對流中心軌跡Fig.5 The track of the TC center and FNISO center over the BoB during PMT 1981—2016

圖6 超強氣旋與常規(guī)氣旋中心合成的溫度剖面、標準差及其溫差Fig.6 Composites of the profiles of STCs'and TCs'temperature,standard error and their differences on intraseasonal and interannual timescale

3 結(jié) 語

孟加拉灣季風(fēng)環(huán)流,尤其是季風(fēng)爆發(fā)時背景場,對氣旋的生成和發(fā)展有重要影響。本研究利用診斷方法,定量研究了孟加拉灣季風(fēng)調(diào)制氣旋生成和發(fā)展的物理機制,進一步增進了對孟加拉灣季風(fēng)如何影響該地區(qū)氣旋的理解。本研究得到的主要結(jié)論可以歸納為3點:

1)已有研究[11]認為,孟加拉灣夏季風(fēng)時,季風(fēng)增強風(fēng)速垂直剪切是導(dǎo)致孟加拉灣氣旋頻數(shù)氣候態(tài)呈雙峰分布的主要原因。我們定量分析結(jié)果進一步證明,單純依靠夏季風(fēng)時強,風(fēng)速垂直剪切不足以抵消季風(fēng)期內(nèi)充沛水汽對氣旋生成的促進作用。風(fēng)速垂直剪切需要配合低層大氣旋度和氣旋潛在強度因子共同作用,抵消水汽的促進作用,抑制氣旋生成,最終造成孟加拉灣氣旋頻數(shù)的雙峰分布特征。

2)以往研究主要關(guān)注孟加拉灣氣旋頻數(shù)的雙峰機構(gòu),并沒有詳細解釋雙峰不對稱現(xiàn)象,即在春季轉(zhuǎn)換期氣旋頻數(shù)約是秋季轉(zhuǎn)換期氣旋頻數(shù)的1/3。通過診斷分析可知,這種頻數(shù)不對稱主要歸因于夏季風(fēng)前后大氣中層的相對濕度的差異。夏季風(fēng)后的秋季轉(zhuǎn)換期間大氣中層相對濕度明顯大于夏季風(fēng)前的春季轉(zhuǎn)換期,充沛水汽導(dǎo)致氣旋頻數(shù)在秋季轉(zhuǎn)換期更高,即雙峰不對稱。

3)雖然春季轉(zhuǎn)換期氣旋頻數(shù)較少,但是超強氣旋生成率很高。在過去36 a(1981—2016年)共有7個超強氣旋在孟加拉灣春季轉(zhuǎn)換期生成,且每一個超強氣旋都是伴隨觸發(fā)季風(fēng)爆發(fā)的第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩一起發(fā)生發(fā)展的,然而并不是每一個伴隨第一支北傳季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生的氣旋都能發(fā)展為超強氣旋。本研究引入BDI指數(shù)對影響超強氣旋生成的海氣因子的作用進行定量比較,并深入分析其中主要物理過程。分析指出,由于北傳季節(jié)內(nèi)振蕩深對流位相強度的不同以及氣旋中心與深對流中心相對距離的差異,使得發(fā)生在強對流位相且距離深對流中心較近的氣旋受到更強的抬升作用,把液態(tài)水抬升到高層(200 h Pa左右),液態(tài)水吸熱氣化,降低高層溫度,增加高低層大氣的溫度差,使得氣旋潛在強度增加且有助于氣旋達到其最大潛在強度,最終發(fā)展成為超強氣旋。

雖然已有研究很大程度上增進了人們對孟加拉灣季風(fēng)影響氣旋的理解,但是仍有很多問題需要深入理解。例如,雖然孟加拉灣冬-夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換期內(nèi)超強氣旋生成率很高,但是并不是每一年春季轉(zhuǎn)換期都有氣旋生成,理解氣旋生成的內(nèi)在原因是預(yù)測超強氣旋的基礎(chǔ),仍需要進一步探討。