1953—2022年南海地區強熱帶氣旋破壞力的時空分布特征和成因

摘要 為認識南海地區（105°～120°E，3°～25°N）強熱帶氣旋（severe tropical cyclone，STC；達到臺風及以上等級的熱帶氣旋）各種目標破壞力的時空分布特征，利用中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）熱帶氣旋最佳路徑數據集，計算南海地區熱帶氣旋強度達到STC等級時段內的能量耗散指數（power dissipation index，PDI），并將其分配到空間不同位置，進而對1953—2022年STC引發南海地區破壞力的時空分布特征進行分析。結果表明：（1）STC對南海地區破壞力的空間分布呈東北高、西南及南部低的特征，其中東沙群島附近海域（116°～120°E，17°～21°N）是PDI最高的區域，以此為中心，PDI向西、向南呈輻射狀遞減的趨勢。（2）STC對南海地區破壞力較高區域的空間分布范圍隨時間的變化呈先擴大后縮小再擴大的趨勢。（3）STC對南海地區不同緯度破壞力的時間變化呈先增大后減小再增大的趨勢，而不同時期STC破壞力呈隨緯度降低先增大后減小的趨勢，其重心則呈總體南移的趨勢。進一步分析認為，途經南海地區的西太平洋STC數量和持續時間的變化是導致南海地區STC破壞力時空分布特征發生變化的主要因素。

關鍵詞 南海；臺風；能量耗散指數（PDI）；破壞力；時空分布

中圖分類號： P732.3文獻標志碼： A文章編號： 20963599（2025）01007911

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20240107001

Abstract To understand the spatiotemporal distribution characteristics of the destructive forces of the severe tropical cyclones （STCs; tropical cyclones with intensities equal to or higher than typhoon） to various targets in the South China Sea （SCS; 105°-120°E， 3°-25°N）， the China Meteorological Administration （CMA） Tropical Cyclone Best Track Dataset is used to calculate the power dissipation indices （PDIs） of the tropical cyclones reaching the level of STC. Thereafter， the PDIs are assigned to different spatial locations to analyze the spatiotemporal distribution characteristics of the STCs’ destructive forces in the SCS from 1953 to 2022. The results are listed below. （1） The STCs’ destructive forces in the SCS exhibit high values in the northeastern part and low values in the southwestern and southern parts. That is， the waters around the Dongsha Islands （116°-120°E， 17°-21°N） have the highest PDI， and as it is far away from the Dongsha Islands， the PDI decreases towards the west and the south. （2） The spatial extent of highdestructiveforce areas first expands， then narrows， and expands again over the time. （3） The temporal variation of the STCs’ destructive forces at different latitudes shows an increasing-decreasing-increasing trend， while the forces in different periods first increase and then decrease from north to south. Moreover， the centroids of the PDIs are generally seen moving southward. Further analysis indicates that the changes in the numbers and duration of the STCs， which are produced in the western Pacific and then enter the SCS， are the most important factor for the spatiotemporal variations of the STCs’ destructive forces in the SCS.

Keywords the South China Sea; typhoon; power dissipation index （PDI）; destructive force; spatiotemporal distribution

引言

南海（the South China Sea，SCS）是西北太平洋熱帶氣旋（tropical cyclone，TC）最頻繁經過的地區之一，也是TC生成和發生的重要區域［1］。TC在形成—移動—消亡過程中，往往伴隨著強烈的自然災害，如狂風、暴雨、巨浪和風暴潮等［2］。這些災害不僅會引起海岸水動力、地形地貌以及生態系統的劇烈變化［3］，還會威脅到人民的生命安全并造成巨大的經濟損失［4］。此外，TC引發的海浪可對海洋上遠距離的島礁造成極高的破壞［5］。

隨著全球氣候變暖趨勢加劇，南海地區TC的強度和頻率也在不斷增強，其造成的災害頻率也具有顯著增多的趨勢［6］。這不僅會對南海地區的珊瑚礁生態系統構成很大威脅，而且還會導致南海地區島礁上的軍事、漁政設施以及礁區內的漁業活動面臨很大的風險。因此，厘清TC對南海地區破壞力的時間變化和空間分布特征，有助于對高風險區域的識別與預測，從而有針對性地進行防護工程的建設和防災減災策略的制定。

TC的頻率和強度是衡量其活動特征的重要指標，但兩者都不能夠較為全面地反映出TC潛在的破壞性威脅［7］。例如，Landsea等［8］發現，1944—1995年，北大西洋TC的強度總體減弱，其中強颶風頻數減少，但北大西洋TC所造成的經濟損失卻有所增加。鑒于此，Emanuel［7］綜合考慮TC的頻數、強度和持續時間等因素，提出了能量耗散指數（power dissipation index，PDI），以便比較全面地評估TC對各種目標的潛在破壞力。

目前，PDI已被廣泛應用于衡量、分析TC活動及其潛在破壞力的變化［9-10］。例如，Emanuel［7］發現，自20世紀70年代中期以來，北太平洋西部和北大西洋盆地TC的PDI呈現顯著增加的趨勢；Liu等［11］發現1980—2018年登陸中國大陸的TC的PDI也呈顯著增加趨勢。喬守文等［12］探討了1980—2015年進入北部灣海域TC的頻數、強度、持續時間和PDI等指標的年際變化趨勢，結果表明TC頻數和最大風速的增加導致了PDI的逐年增大。而駱方露等［13］通過對PDI等指標的統計分析發現，TC的破壞力與其生成海域的海面溫度（sea surface temperature，SST）有強相關關系。可以看到，PDI能夠用于描述TC對全球或特定區域的整體破壞力［11，14-15］，但還難以用于表達TC破壞力的空間分布。換而言之，目前仍較少將PDI用于TC破壞力時空分布特征的研究。

按照GB/T 19201—2006《熱帶氣旋等級》［16］劃分標準，TC可以根據底層中心附近最大風速劃分為熱帶低壓（tropical depression，TD；底層中心附近最大風速為10.8～17.1 m·s-1），熱帶風暴（tropical storm，TS；底層中心附近最大風速為17.2～24.4 m·s-1），強熱帶風暴（severe tropical storm，STS；底層中心附近最大風速為24.5～32.6 m·s-1），臺風（typhoon，TY；底層中心附近最大風速為32.7～41.4 m·s-1），強臺風（severe typhoon，STY；底層中心附近最大風速為41.5～50.9 m·s-1）和超強臺風（super typhoon，SuperTY；底層中心附近最大風速超過51.0 m·s-1）。

當達到TY、STY和SuperTY等級時，TC對各種目標的潛在破壞力很強［17］。例如，2021年西太平洋生成的SuperTY“雷伊”侵襲南海時，南海島礁遭受了嚴重的風雨影響［18］；2013年STY“蝴蝶”席卷南海西沙群島的永樂環礁海域，造成數十艘船只沉沒、62人喪生以及2 m水深處約46%的珊瑚嚴重損壞［19］；2014年海南遭受SuperTY“威馬遜”的襲擊，造成325.8萬人受災和108億元直接經濟損失［3］。Liu等［20］曾統計南海1988—2019年STY和SuperTY的年累積PDI，結果發現STY和SuperTY破壞力呈顯著增大的趨勢，其分析指出，南海STY和SuperTY破壞力的增大是導致南海灰沙島近30 a呈現侵蝕趨勢的重要原因。

TY、STY和SuperTY等級的TC對南海島礁等各種目標的影響與破壞力很強［3，7，18-20］，而政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告［21］則指出全球變暖很可能會導致TY、STY與SuperTY等級的TC發生頻數進一步增加。因此，此文將達到TY及以上等級的熱帶氣旋稱為強熱帶氣旋（severe tropical cyclone，STC），并探討STC引發南海地區（105°～120°E，3°～25°N）破壞力的時空分布特征及可能的成因。其中STC包括等級為TY、STY和SuperTY的熱帶氣旋。

1計算方法

（4）遍歷給定時間段 內第i條STC路徑上的每個位置j，計算相應的PDI，并與正方形模板M 相乘，獲得模板Ni，j 。

（5）計算位置j在圖像I 中對應的行列號，將其與模板Ni，j 的中心對齊，進而將Ni，j 累加到圖像I 中（相當于把模板M 的中心平移至位置j）。

遍歷完時間段 內的所有STC路徑位置之后，以上算法獲得的I 即為STC對南海地區破壞力的空間分布圖像。將CMA熱帶氣旋最佳路徑數據集劃分為若干不同時間段，分別計算，就可以得到南海地區STC破壞力空間分布的時間變化序列。

需要補充說明的是，文中將具體考慮2種類型的STC：分別是TY及以上等級熱帶氣旋（包括TY、STY和SuperTY，以下簡稱“TYs”）和STY及以上等級熱帶氣旋（包括STY和 SuperTY，以下簡稱“STYs”）。因此，在以上計算PDI的過程中，對于一條具體的CMA熱帶氣旋最佳路徑，參與計算的起點和終點分別選擇的是達到相應等級的第一個點和最后一個點。例如，對于TYs的PDI計算，起點和終點分別選擇的是達到TY等級的第一個點和最后一個點；同理，對于STYs的PDI計算，起點和終點分別選擇的是達到STY等級的第一個點和最后一個點。如果TC路徑中達到相應等級的點在中間有斷開，則在去掉中間斷開的點后，重新尋找下一個起點和終點。

2強熱帶氣旋對南海地區破壞力的空間分布特征

圖2給出了1953—2022年南海地區STC 70 a累積PDI的空間分布。從整體上看，TYs和STYs的PDI具有相似的空間分布模式，即東北部的PDI較高，而西南部和南部則相對較低。具體來說，70 a累積PDI高值區[ZW（DYB]第2節所言PDI高值區定義為：對于TYs而言，高值區為IPDgt;9.0×1010 m3·s-2的區域；而對于STYs而言，高值區為IPDgt;5.5×1010 m3·s-2的區域。高值區對應圖2中的紅色區域。[ZW）]主要集中在南海東北部的東沙群島附近海域（116°～120°E，17°～21°N）（圖2a），即STC對這一區域的破壞較為嚴重。而以東沙群島附近海域為中心，70 a累積PDI向西、向南呈現輻射狀遞減的特征。

對于TYs而言，70 a累積PDI高值區主要集中在東沙群島東部海域以及西沙群島、中沙群島至東沙群島之間的海域（圖2a），PDI最高可達11.7×1010 m3·s-2。說明這些區域在過去70 a中頻繁遭受TYs的侵襲，承受了較強的STC破壞力。對于STYs而言，70 a累積PDI高值區主要集中在東沙群島東部海域（圖2b），PDI最高可達7.4×1010 m3·s-2，其范圍顯著小于TYs。

綜上所述，STC對南海地區破壞力的空間分布呈現出東北高、西南及南部低的特征。對于STYs而言，相較于南海其他海域，東沙群島的東部海域往往會受到STY和SuperTY更強的沖擊。

根據TC年鑒資料，西太平洋的STC移動路徑主要分為3種類型：西行路徑、西北行路徑以及轉向路徑［24］。其中，西行路徑、西北行路徑是影響南海地區最常見的兩種路徑類型［24］。這兩種路徑受到西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“西太副高”）位置和狀態的影響。例如，西太副高外圍流場通常會形成一個穩定的氣流引導結構，促使STC沿著該結構移動［24］。當西太副高強度強、面積大且西伸脊點偏西時，STC通常會受西太副高南側邊緣東風氣流的引導，向西或西北偏西方向移動進入南海［24］。柴博語等［26］對1861—2020年西太副高的年代際統計特征研究表明，西太副高總體上呈強度增強、范圍增大以及西脊點西伸的特征。這促進了西太平洋STC的西行，使得南海北部受西太平洋STC的影響顯著高于南海的其他區域。

此外，廖菲等［27］針對1949—2017年途經南海的1 101個TC的統計分析結果表明，西太平洋很多STS及TY向西北移動至南海地區后，往往會發生強度快速加強為TY及STY的事件（即強熱帶風暴快速加強為臺風、臺風快速加強為強臺風的事件）。其中，東沙群島附近海域和中沙群島至西沙群島之間的海域是發生這些事件最集中的區域，而這兩個區域也是此文STC的PDI高值區主要分布區域。

因此，西太副高的增強及其西脊點西伸有利于西太平洋TC西行進入南海北部地區并增強為STC，而這正是STC對南海地區的破壞力在空間分布上呈現東北高、南部和西南部低特征的主要原因。

3強熱帶氣旋對南海地區破壞力空間分布的時間變化特征

綜上所述，南海地區STC的PDI空間分布具有很強的年代際變化特征，整體上高值區范圍呈先擴大后縮小再擴大的過程。值得注意的是，1963—1972年STC的PDI高值區范圍最大，而在1993—2002年STC的PDI高值區范圍最小。其次，隨著緯度從高到低，南海地區STC在不同時期的PDI呈先增大后減小的趨勢，直至接近赤道（約4°N）時PDI值降至0。而STC破壞力的重心位置則經歷緯度先下降后上升再下降的過程，2013—2022年STC破壞力重心南移的趨勢很明顯。

為更好地理解1953—2022年南海地區STC的PDI空間分布的逐10 a變化特征以及不同緯度PDI的變化特征，對各時段內“南海土臺風”以及西太平洋生成且途經南海地區時能達到STC等級的TC數量（圖7）進行統計，并繪制了各個時段STC的路徑點（圖8）。

南海地區STC總數的變化趨勢與西太平洋生成且途經南海的STC數量的變化趨勢基本保持一致（圖7）。馮小麗［28］亦指出，1979—2019年發源于西太平洋且移入南海后達到STC等級的TC數量與在南海活動的STC總數十分接近。因此，西太平洋TC生成數量的增多（減少）會引起南海地區STC的數量增多（減少）。

南海地區1953—1962年STC總數為112個，1963—1972年STC總數下降至74個（圖7a），與此同時，1963—1972年STC的PDI高值區范圍卻向西擴大至西沙群島、中沙群島海域。不過，通過對比1953—1962年與1963—1972年的STC路徑點（圖8a、b），發現1963—1972年南海地區STY和SuperTY路徑點分布范圍更廣、數量更多、持續時間更長。這是1963—1972年南海STC數量雖然減少但其PDI高值區分布范圍卻呈現擴大趨勢的主要原因。

南海地區1973—1982年、1983—1992年的TYs數量相近（圖7a），STYs數量也相近（圖7b）。但與1953—1972年相比，TYs和STYs都呈現出下降趨勢。圖8c、d表明，STY和SuperTY的路徑點數量驟減，且大部分STC路徑點都集中縮減至15°N以北。因此，南海地區STC數量減少與分布范圍北移是1973—1992年南海PDI高值區分布范圍逐漸縮小的主要原因。1993—2002年，南海TYs、STYs的破壞力（PDI）降至最低。在此期間，南海地區TYs和STYs數量也分別降至最低，其中TYs為39個、STYs為13個（圖7a、b）。且該時期內并無SuperTY途經南海地區（圖8e）。因此，南海地區STC數量減少及強度減弱是1993—2002年南海地區STC的PDI高值區范圍縮減的主要原因。2003年以后，STC的PDI高值區范圍重新出現擴大的趨勢。南海地區STC的數量不斷增多，且SuperTY的路徑點重新出現（圖7及圖8f、g）。這是導致南海地區STC的PDI高值區在2003年以后重新出現且不斷擴張的主要原因。

此外，南海地區STC路徑點主要分布在10°N以北，隨著緯度的降低，STC路徑點逐漸稀疏（圖8）。換而言之，低緯度地區STC存活概率很低。因此，隨著緯度降低至靠近赤道時，STC的PDI會逐漸減小至接近0。

綜上所述，STC對南海地區破壞力空間分布的年代際變化與西太平洋生成并進入南海地區的STC數量變化相關，西太平洋生成且途經南海地區的STC數量增加（減少）和持續時間長（短），導致了南海STC空間分布范圍的擴大（縮減）。低緯度地區STC存活概率較低，也是其破壞力隨緯度降低而逐漸減小的主要原因。

4結論與討論

利用CMA熱帶氣旋最佳路徑數據集計算了南海地區TC強度達到STC等級時段內的PDI，并將STC的PDI按照熱帶氣旋路徑點的圓形緩沖區分配到空間中的每一個位置，進而對1953—2022年STC引發南海地區破壞力的時空分布特征進行分析，結果表明：

（1）70 a間，STC對南海地區的破壞力呈現東北高、西南及南部低的特征，破壞力高值區主要集中在南海東北部的東沙群島附近海域（116°～120°E，17°～21°N）（STYs主要集中在東沙群島東部海域），且STC破壞力以此為中心逐漸向西、向南呈輻射狀遞減的特征。STC對南海地區的破壞力在空間分布上呈現此特征的主要原因是，西太副高的增強及其西脊點西伸有利于西太平洋很多TC西行進入南海北部并增強為STC。

（2）70 a間，STC對南海地區破壞力較強區域分布范圍隨時間的變化呈先擴大后縮小再擴大的趨勢。究其原因，STC對南海地區破壞力空間分布的年代際變化與西太平洋生成并進入南海地區的STC數量的變化相關。換而言之，西太平洋生成并途經南海地區的STC數量增加（減少）和持續時間長（短），導致南海STC空間分布范圍的擴大（縮減）。

（3）70 a間，南海地區STC破壞力的重心位置經歷緯度先下降后上升再下降的過程，尤其是2013—2022年STC重心南移的趨勢很明顯。此外，不同緯度STC破壞力的逐10 a變化呈先增大后減小再增大的趨勢，且目前南海地區并非處于STC破壞力最強烈的時期。隨著緯度降低，不同時間段內的STC破壞力呈先增大后減小趨勢（接近赤道或接近4°N時降為0），其最大值出現在18°N附近；低緯度地區STC存活概率較低，是造成其破壞力隨緯度降低而逐漸減小的主要原因。

[HTH]致謝：[HTSS]感謝廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室雍陽陽老師和武漢大學遙感信息工程學院陶鵬杰等老師在該論文研究和撰寫過程中所給予的幫助與指導。

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