東亞高層緯向風季節內振蕩與盛夏登陸中國大陸熱帶氣旋頻數年際變化的聯系

謝潔宏 余錦華 錢曉蕾 葉夢茜 葉天

摘要 利用1979—2017年歐洲中期天氣預報中心提供的ERA-Interim再分析數據與中國氣象局-上海臺風研究所（China Meteorological Administration-Shanghai Typhoon Research Institute，CMA-STI）、美國聯合臺風警報中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）整編的西北太平洋熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）資料集，分析東亞高層（200 hPa）緯向風季節內振蕩（Intraseasonal Oscillation，ISO）與7—8月登陸中國大陸TC頻數年際變化的聯系。結果表明：7—8月中國大陸登陸TC頻數與西風急流出口區南側（北側）緯向風為顯著負（正）相關，南側顯著相關區與北側的差定義的東亞西風急流指數（East Asian Westerly Jet Index，EAWJI）可定量描述急流經向移動，EAWJI負異常時急流北移、登陸TC偏多，反之急流南移、登陸TC偏少。急流北移，TC活動區域對流層高層呈偏東風異常，產生異常東風切變，有利于TC登陸過程的維持，使登陸中國大陸TC頻數增多。東亞高層緯向風ISO與年際變化的標準差場、EOF模態的高度相似性說明兩者由同一空間主導模態所控制，表明若其ISO偏北偏南振蕩發生頻率為非正態分布，剩余偏差將改變其季節平均。TC登陸多年，東亞西風急流指數ISO呈更高頻率偏北移動，引起急流出口區南側ISO尺度擾動渦度通量輻合，使季節平均西風減小，急流位置北移，說明高層緯向風ISO可通過間接調制影響TC登陸的大尺度環流進而與登陸TC頻數的年際變化相聯系。

關鍵詞 登陸熱帶氣旋; 東亞高層緯向風; 季節內振蕩; 年際變化

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）是影響我國的主要災害性天氣系統，其登陸過程給沿途地區帶來重大經濟損失甚至人員傷亡，是氣象領域的研究熱點。TC是否登陸與大尺度引導氣流密切相關（Chan and Gray，1982）。對流層垂直風切變、低層相對渦度和水汽輸送等條件可影響TC登陸前后的發展與維持（李英等，2004）。中國大陸位于西北太平洋西側且大多位于副熱帶以北區域，東風引導氣流有利于TC西行登陸中國東南沿岸，特別是副熱帶以北地區，該區域環流易受中緯度環流系統影響。對流層高層西風急流是熱帶外行星尺度大氣環流重要組成部分，其經向移動表征了整個大氣環流的經向位移，在季節與年際尺度上都很明顯，對東亞氣候異常產生顯著影響（董麗娜等，2010;金榮花等，2012）。近期研究發現，夏季東亞西風急流年際經向移動與登陸中國大陸的西北太平洋TC活動有顯著相關（薛華星和余錦華，2016;Yu et al.，2017），當急流位置偏北，登陸TC活動增強，中國東南部TC潛在災害增大。急流與登陸中國TC活動之間的聯系也體現了大尺度環流背景對TC活動的調制作用。

Madden and Julian（1971）基于譜分析方法首次于赤道附近發現大氣風場與氣壓場中存在季節內振蕩（Intraseasonal Oscillation，ISO）現象，隨后人們將熱帶大氣這種大尺度ISO現象稱為MJO（Madden-Julian Oscillation）。后續研究發現，ISO現象在全球大氣皆有所體現（李崇銀，1991），作為大氣運動在月季尺度上的重要變率，ISO對天氣氣候系統具有重要影響（李麗平和羅婷，2014）。ISO對TC活動的調制作用已有很多研究結果。大多關注ISO位相與TC活動的聯系，當ISO處于活躍位相時，大氣低層的低頻氣旋性環流能提供更充足的水汽條件與正渦度距平，有利于TC的生成和發展（Sobel and Maloney，2000;陶麗等，2012;Li and Zhou，2013a;游立軍等，2019）。Li and Zhou（2013b）通過研究發現由于兩種ISO模式即MJO與準雙周振蕩（Quasi-BiWeekly Oscillation，QBWO）具有不同的起源、空間尺度與傳播特性，導致了西北太平洋地區TC調制的特殊性，MJO活躍位相下TC主要為西移與西北移，處于1+2位相時副高南側強東風易導致登陸中國TC增多。錢曉蕾等（2018）發現，當東亞高層緯向風處于偏北位相（西風急流在ISO尺度上偏北）時，登陸中國大陸22°N以北TC頻數顯著多于偏南位相的登陸頻數，且于偏北位相登陸的TC具有更長的生命史。

研究發現，ISO活動在一定條件下可影響年際尺度的變化，如Goswami and Mohan（2001）和Goswami et al.（2006）通過對印度夏季風ISO與年際變化關系的研究指出，夏季風ISO與季節平均的年際變率由同一空間主導模態所支配，不對稱的ISO活躍與斷裂發生頻率將導致季節偏差，由于這種季節偏差與季節平均值在本質上是準線性的，更高的ISO活躍位相發生頻率將造成強季風年。Suhas et al.（2012）通過印度夏季風ISO與季節平均間的動能交換率來理解ISO對夏季風年際與年代際變化的影響。

以往針對東亞高層緯向風與登陸中國大陸TC的研究多從緯向風ISO或季節平均角度單獨分析，顯示西風急流在ISO或年際尺度上偏北（偏南）皆有利（不利）于TC登陸過程的維持。高層緯向風發生年際變化主要區域與其ISO信號顯著區域高度一致，集中分布在氣候平均急流出口區南北兩側，這種高度一致的空間分布可能隱含兩種尺度信號之間的聯系。高層緯向風ISO與其季節平均之間如何關聯，是本文關注的科學問題。

1 資料和方法

資料包括：1）歐洲長期天氣預報中心所提供的ERA-Interim逐 6 h與月等壓面再分析風場資料，水平分辨率為0.7°×0.7°，垂直方向為32層。2）中國氣象局上海臺風研究所（CMA-STI）和美國聯合臺風警報中心（JTWC）整編的西北太平洋熱帶氣旋最佳路徑數據集，包括TC每6 h的經緯度信息、中心氣壓和近中心最大持續風速等。以TC影響中國最活躍的7—8月（盛夏）為研究季節，所指季節平均皆為7—8月平均，研究時段為1979—2017年。

選取7—8月登陸中國東南沿海TC（含6月生成7月登陸，不含登陸臺灣島、海南島個例）。針對JTWC資料集，若相鄰兩時次經緯度點的連線與中國大陸邊界相交則確定TC登陸。CMA-STI登陸TC樣本來自官方記錄。

逐日資料由ERA-Interim逐6 h風場數據整合而成，并去除原始序列的逐日氣候態與前三個諧波分量得到異常場。采用Lanczos濾波器進行10～90 d帶通濾波獲取ISO信號。

使用包含緯向非均勻基本流的Takaya-Nakamura波通量（簡稱T-N波通量）（Takaya and Nakamura，2001）來描述200 hPa上ISO尺度擾動渦度通量的輸送，這里采用的是二維表達式。具體波作用通量W的計算公式如下：

W=12|U|U（ψ′2x-ψ′ψ′xx）+V（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）

U（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）+V（ψ′2y-ψ′ψ′yy）。（1）

其中：ψ′為準地轉流函數相對于氣候場的擾動;基本流場U=（U，V）表示氣候場，并用·W表示擾動渦度通量散度。本文中所提及擾動特指10～90 d的ISO尺度擾動，通過分析T-N波通量所表征的擾動渦度通量輸送可以表征ISO尺度擾動對季節平均緯向風速的影響。

2 7—8月登陸中國大陸熱帶氣旋頻數年際變化特征

圖1是1979—2017年7—8月登陸中國大陸的TC頻數，顯示登陸頻數具有顯著年際變化。對于上海臺風研究所整編的資料集，以下簡稱CMA資料集，部分年份如1984、1994、2013年，平均登陸頻數大于等于6，而在1983、1987、1991、1993、2010、2011年，登陸頻數為1，年際差異顯著。JTWC資料集統計結果與CMA相似，序列相關高達0.900，都通過了0.001信度的顯著性水平檢驗，兩套資料統計結果存在差異可能與機構的估計TC強度的誤差有關（余錦華等，2012）。

3 7—8月登陸中國大陸熱帶氣旋頻數與東亞西風急流年際變化的關系

3.1 東亞西風急流指數

登陸TC頻次與7—8月200 hPa緯向風的相關分析被用于了解兩者年際變化上的關系（圖2）。急流出口區南北兩側存在大范圍區域相關性通過0.05信度的顯著性水平檢驗，南側（北側）為顯著負（正）相關。表示當出口區南側（北側）西風減弱（增強），即急流北抬時對應年份登陸TC頻數偏多，間接說明大尺度環流場有利于TC登陸，反之急流南移登陸頻數偏少，環流場不利于TC登陸，與已往研究（薛華星和余錦華，2016;Yu et al.，2017）結論較為相符。

為定量描述東亞高層西風急流的經向移動，現基于登陸TC頻數與200 hPa緯向風之間顯著的相關區域，定義東亞西風急流指數IEAWJ （East Asian Westerly Jet Index，簡稱EAWJI）：

IEAWJ=uA-uB。（2）

其中：uA、uB分別表示7—8月200 hPa緯向風在A區域與B區域（圖2黑框）的區域平均。當EAWJI為負異常時，表示西風急流偏北，反之為正異常時，表示西風急流偏南。

3.2 東亞西風急流指數與登陸中國大陸熱帶氣旋頻數年際變化的聯系

登陸TC頻數與EAWJI的標準化序列（圖3）呈現顯著負相關，相關系數分別高達-0.508（CMA）與-0.551（JTWC），皆通過0.001信度的顯著性水平檢驗。這種高相關性表示，在EAWJI負（正）異常年，7—8月登陸TC頻數可能偏多（偏少）。

為方便后續研究，基于登陸TC頻數標準化序列（圖3虛線）挑選異常年，將數值大于+1σ、小于-1σ年份定義為登陸偏多年（landfall high-frequency years，H-F）與登陸偏少年（landfall low-frequency years，L-F）。兩套數據所挑選年份稍不同，具體如下：CMA（登陸偏多年：1984、1994、1995、2001、2004、2006、2012、2013、2017年，登陸偏少年：1983、1987、1991、1993、2010、2011年），JTWC（登陸偏多年：1984、1989、1994、1995、1997、2006、2012、2013、2017年，登陸偏少年：1983、1986、1987、1993、2010、2011年）。兩套資料集皆挑選出9個登陸偏多年與6個登陸偏少年。

3.3 東亞西風急流與登陸熱帶氣旋活動影響因素的關系

環境因素是影響TC登陸過程能否維持的重要條件（胡皓和端義宏，2016）。圖4為登陸偏多年與偏少年200 hPa緯向風合成差場，顯示急流出口區南北兩側皆有大片區域異常通過0.05信度的顯著性水平檢驗，與圖2顯著相關區對應良好，包含上文定義EAWJI的兩個關鍵區，具體表現為急流出口區北側（南側）為顯著西風（東風）異常，即登陸多年（少年）對應急流偏北（偏南）年。登陸偏多年與偏少年高層緯向風存在的這種異常反映了西風急流位置顯著的年際變動，在此將急流出口區南北兩側的異常顯著區定義為東亞高層緯向風年際變化關鍵區。

西風急流北移時，中國東部TC活動區域對流場高層西風較常年偏小，為東風異常，使該地產生東風異常垂直風切變與偏東風異常引導氣流，直接影響調控TC登陸的環流背景。其中垂直風切變可影響TC活動強度變化（李英等，2004）。強西風垂直風切變易使TC活動衰弱，使之逐漸消亡，而東風垂直切變利于TC活動維持。急流北移，高層西風減弱，所產生東風異常有利于東風垂直切變形成。兩類年份的緯向垂直風切合成差場（圖5a、c）顯示零等值線約位于25°N，以北（南）為負（正）值，表明TC在25°N以北活動時，環境垂直風切更利于TC活動維持。TC是否登陸與引導氣流關系密切。急流北移所產生東風異常同樣能促進偏東風引導氣流形成（Chan and Gray，1982），利于將TC往西牽引至登陸中國大陸。兩類年份引導氣流合成差值顯示（圖5b、d），臺灣島以北TC活動區為顯著偏東風異常，數值可達3 m/s，表示活躍于臺灣島以北的TC，大尺度引導氣流將促使其登陸中國大陸。

綜上可知，環境因素差值結果皆表示西北太平洋TC活動區域的環境背景場在登陸多年與少年具有顯著差異。在登陸偏多年，西風急流整體北移，此時環流場更有利于位于較高緯度（約25°N以北）的TC登陸中國大陸，這表明在急流偏北年份，登陸中國大陸TC頻數可能會偏多且登陸平均位置可能偏北，急流偏南年時則反之，統計的登陸偏多年（少年）平均登陸位置體現了這種特征：登陸偏多年（CMA：116.95°E、25.17°N，JTWC：116.68°E、25.32°N），登陸偏少年（CMA：115.9°E、23.8°N，JTWC：115.08°E、 23.52°N），這與盛夏TC生成位置為全年最北有關。

4 東亞高層緯向風季節內振蕩及其與年際變化的關聯

4.1 東亞高層緯向風季節內振蕩特征

圖6a為東亞高層緯向風ISO分量（10～90 d）方差貢獻分布，急流出口區南北側各有方差貢獻達50%以上高值區，說明ISO活動強烈。此外，ISO分量的經驗正交函數分析（EOF，圖6b）顯示，EOF1為典型經向分布，表明急流經向移動ISO較強，其正負異常中心的地理分布與急流出口區兩側方差貢獻高值區良好對應，包含定義EAWJI的關鍵區（圖2）。經計算，EAWJI的ISO分量（ISO-EAWJI）與ISO-EOF1對應時間系數PC1相關高達0.74（圖6c），相關性通過0.001信度的顯著性水平檢驗，肯定了使用ISO-EAWJI表征西風急流ISO尺度經向移動的有效性。ISO-EAWJI為正（負）異常，表示急流在ISO尺度上南移（北移）。

經檢驗，1979—2017年7—9月ISO-EAWJI功率譜（圖略）大多超過0.1顯著性水平的紅噪聲譜，其中10～20 d與30～60 d周期內信號最為顯著，在此不進行具體區分。

為獲取東亞高層緯向風ISO位相模態，對ISO-EAWJI序列進行標準化，將數值小于-1σ（大于+1σ）定義為東亞高層緯向風ISO偏北（偏南）位相并進行合成。如圖7所示，當表現為ISO偏北位相時，急流出口區北側（南側）為西風（東風）異常，即急流在ISO尺度上為北移，偏南位相則反之。對比發現，偏北偏南位相正負異常中心在空間分布上與高層緯向風年際變化關鍵區高度重合，表明高層緯向風季節內變異性與其年際變異性之間似乎有所關聯。

4.2 東亞高層緯向風季節內振蕩與其年際變化的聯系

為進一步探索東亞高層緯向風ISO與其年際變化之間的關系，高層緯向風ISO標準差與季節平均（7—8月）的年際變率被進行了對比（圖8），發現兩種尺度信號的振蕩強烈區皆處于中緯度地區，兩者模態相關系數高達0.93，說明高層緯向風ISO與年際變率高度相似，但這只表明了兩者具有一致的空間型態。

為了解ISO與年際活動的空間變化特征是否有所聯系，即ISO與年際變率是否具有共同空間格局，進一步進行了年際EOF分析。結果表明（圖9a、b），年際EOF1、EOF2方差貢獻分別高達28.08%、15.01%，空間分布特征與ISO-EOF1（圖6b）相似，皆呈現出明顯的經向分布。由此可知，東亞高層緯向風具有一個相同的主導模式支配著其ISO與年際變化，即其ISO與年際變化有所聯系。在此不具體區分年際EOF1、2的相異性，認為兩個典型模態一同描述了西風急流年際經向移動的主導變異性，EOF1、EOF2對應時間系數PC1、PC2與EAWJI標準化序列的高相關性（相關系數分別為0.74、0.57;圖9c、d）也證明EAWJI有效捕獲西風急流年際經向移動的能力。

由前文已知登陸多年（少年）急流偏北（偏南），這種顯著年際差異是否有ISO的貢獻？高層緯向風ISO與年際變化的關系表明，不對稱的ISO偏南偏北條件發生頻率將產生剩余偏差，剩余偏差與季節平均本質上呈現準線性關系，越高的偏北（偏南）條件發生概率將更促使急流發生北移（南移），為此兩類年份ISO-EAWJI序列的概率密度函數（PDF）被進行了對比（圖10），顯示登陸多年（圖10a，b）與少年（圖10c、d）PDF呈現明顯非正態分布，登陸多年（少年）PDF明顯偏向負值（正值），表示更高的偏北（偏南）位相發生頻率，即高層緯向風ISO對急流年際尺度偏北（偏南）移動有正貢獻，與實際急流偏北（偏南）情況對應良好，通過實例定性證明高層緯向風ISO能影響其年際變化。

急流偏北（偏南）年大尺度環流場有利（不利）于TC登陸，對應年份登陸頻數就可能偏多（偏少），而高層緯向風ISO與其年際變化的關系表示，更高的偏北（偏南）條件發生頻率產生的剩余偏差將促使急流北移（南移），使形成急流偏北（偏南）年，即高層緯向風ISO可通過影響其季節平均從而改變大尺度環流間接調控TC登陸活動，進而與登陸TC頻數年際變化產生聯系。

4.3 東亞高層緯向風季節內振蕩影響年際變化的可能機理

圖11為兩類年份在200 hPa上T-N波通量合成差場，顯示急流出口區南側異常顯著區中南部存在顯著擾動渦度通量輻合，JTWC結果（圖11b）較CMA（圖11a）輻合更明顯，間接表明基于JTWC所選取年份中偏南偏北條件發生頻率差異更大，登陸多年PDF顯示JTWC結果（圖10b）向負值區偏移程度較CMA（圖10a）更顯著，也反映了該問題，說明針對本研究，JTWC所選取年份更為理想?，F將CMA與JTWC在A區中同時滿足通量顯著性過檢驗區（C區：112.5°～121°E，29.0°～33.0°N）稱為擾動渦度通量異常區。差值顯示，由于登陸多年偏南偏北條件發生頻率有差異，急流出口區南側出現異常擾動渦度通量輻合（C區區域平均通量散度均為負值，CMA和JTWC分別為-10.798×10-5 、-11.235×10-5 m·s-2），在輻合區強迫西風減弱。空間分布上，異常擾動渦度通量輻合區位于高層緯向風合成差場（圖4）顯著負異常區內，即通量輻合區與西風減弱區對應良好。由此可知，高層緯向風ISO非對稱的季節內模態發生頻率引起異常擾動渦度通量輻合從而影響月平均緯向風速，對急流位置的年際變動產生貢獻。

5 結論與討論

利用ERA-Interim再分析風場資料和CMA-STI、JTWC兩套西北太平洋TC數據集，探討了盛夏東亞高層緯向風ISO與登陸中國大陸TC頻數年際變化的聯系。結論如下：

1）7—8月登陸中國大陸TC頻數存在顯著年際變化，且登陸頻數與西風急流出口區北側（南側）高層緯向風為顯著正（負）相關，即西風急流偏北（偏南）年份，登陸TC頻數偏多（偏少）。

2） 基于登陸頻數與高層緯向風的顯著相關區定義的EAWJI可定量描述東亞高層西風急流經向移動，EAWJI與登陸TC頻數呈顯著負相關，當EAWJI表現為負（正）異常時，急流位置偏北（偏南），對應年份登陸TC頻數偏多。

3） 登陸偏多年，緯向垂直風切變零等值線偏北，同時臺灣島以北TC活動區域為顯著偏東風異常，說明在西風急流偏北年，大尺度環流場更有利于TC登陸過程的維持，使登陸中國大陸頻數增多。

4） 東亞高層緯向風10～90 d信號在急流出口區南北側方差貢獻達50%以上，其EOF模態進一步證明急流經向移動具有明顯ISO特征，PC1與ISO-EAWJI序列的高相關說明ISO-EAWJI能有效描述急流ISO分量經向移動。

5） 東亞高層緯向風ISO與年際變化的標準差場、EOF模態顯示兩者由共同空間主導模式所控制，登陸多年與少年ISO-EAWJI序列PDF呈現出的非正態分布，表明高層緯向風ISO可能影響其年際變化，登陸偏多年（少年）偏北（偏南）位相發生頻率偏高，有利于促使急流北移（南移），與實際的急流偏北（偏南）情況良好契合。

6） 登陸偏多年，急流出口區南側存在顯著ISO尺度擾動渦度通量輻合，使季節平均西風減弱，急流北移，形成利于TC登陸的環境條件，說明高層緯向風ISO不對稱的南北位相發生頻率將導致異常擾動渦度通量輸送來改變其季節平均值，從而間接調控TC登陸年際尺度環流背景場，進一步與登陸TC頻數的年際變化產生聯系。

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Relationship between Intraseasonal Oscillation of East Asian upper-level zonal wind and interannual variation in the frequency of tropical cyclone landfall over mainland China in midsummer

XIE Jiehong，YU Jinhua，QIAN Xiaolei，YE Mengxi，YE Tian

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

Using the ERA-Interim reanalysis database and the tropical cyclone （TC） best-track dataset from both China Meteorological Administration （CMA） and Joint Typhoon Warning Center （JTWC） during the period of 1979—2017，this study analyzes the relationship between Intraseasonal Oscillation （ISO） of East Asian upper-level （200 hPa） zonal wind and the interannual variation in the frequency of tropical cyclone landfall over mainland China during boreal summer.

The TC frequencies of landfall in July—August present a significant interannual variation.In addition，an East Asian Westerly Jet Index （EAWJI），which represents the meridional migration of the westerlies，is defined based on the two regions where significant correlations exist between TC landfall frequencies and 200 hPa zonal wind.The EAWJI and TC landfall exhibit a significant negative correlation.That signifies that when a negative （positive） anomaly appears，westerlies appear in the northern （southern） position，and the TC landfall frequency may increase （decrease）.When the westerly jet moves to the north，the troposphere in the TC active region presents anomalous easterly winds，thereby resulting in abnormal easterly shear，which is conducive to maintaining the TC landfall process and increasing the frequency of TC landfall in mainland China.

The high similarity in both standard deviation and EOF modes regarding the East Asian upper-level zonal winds ISO variation and interannual variation indicates that they are governed by a common mode of spatial variability.This signifies that the asymmetric frequency of north （south） conditions would generate residual deviations and alter the seasonal mean.In Landfall High-Frequency years，ISO-filtered EAWJI exhibits a higher frequency of north conditions，which cause the convergence of ISO-scale transient eddy flux in the south of the westerly jet exit，and lead the westerly jet to drift northward.Therefore，by modulating the large-scale circulation which affects the process of TC landfall，the ISO of the 200 hPa zonal wind can be indirectly connected with the interannual variation of the TC landfall frequency.

tropical cyclone landfall;East Asian upper-level zonal wind;Intraseasonal Oscillation;interannual variation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190412001

（責任編輯：劉菲）