西北太平洋累积气旋能量的年代际变化＊

王功录，王 启＊＊，赵 海

（中国海洋大学1.海洋－大气相互作用与气候实验室；2.海洋环境学院，山东 青岛266100；3.91458部队气象台，海南 三亚572000）

热带气旋是1种具有暖心结构的气旋性涡旋，它能够带来狂风、暴雨、巨浪、风暴潮等灾害，以及泥石流等次生灾害，这对人们的生产生活及军事行动等带来了严重的影响，也对工农渔等行业造成了巨大的损失，已经成为世界上最严重的自然灾害之一。因此，对此研究不仅可以加深对热带气旋的了解，还对沿海的防台抗台，提供必要的理论支持和指导。

热带气旋一般用中心风速或气压表示其强度大小。单一的风速或气压只能表示某一时刻热带气旋的强度，而不能表征整个生命过程中热带气旋强弱。Bell等[1]定义了1个表示热带气旋强度的指数，即累积气旋能量（ACE，Accumulated Cyclone Energy），用以分析大西洋热带气旋的活跃度情况。ACE从风速和观测频数上描述热带气旋的强弱，具有更好的表达效果。

对于ACE的研究，国内外学者已经有了部分研究成果。Suzana和 Adam[2－3]用 ACE指数来分析 ENSO与热带气旋强度之间的关系，他们还以ACE作为活跃指数，通过大尺度环境变量[包括气温，风，相对涡度，OLR （Outgoing Longwave Radiation），SST（Sea Surface Temperature）和水汽]的滞后回归，分析了西北太平洋热带气旋对大尺度环境的影响。Chan[4]分析了热带气旋强度年际变化的成因，他指出，SST平均变化不能解释形成高低ACE年的原因；在高ACE年，西北太平洋东南部分海域的动力学和热力学条件都有利于热带气旋的形成。而在低ACE年，情况正好相反。Klotzbach[5]研究近20年全球热带气旋的ACE的变化，发现SST不是导致热带气旋产生频率和强度变化的原因，且没有明显的证据表明，全球ACE有增长的趋势。

黄丽娜等[6]分析了西北太平洋台风累积动能的气候特征，并分析了累积动能与极端台风事件的关系。邱品竣和余嘉峪[7]以及赖芬芬等[8]对西北太平洋热带气旋台风季ACE的年际变化的极值进行分类，并分析了其背景场的差异。黄静等[9－10]分析了进入广东的热带气旋的ACE与ENSO的关系。

前人对ACE的年际变化及其成因、ACE的时空特征以及ACE与ENSO的关系等进行了比较详细的分析，但是ACE的年代际变化基本没有涉及。因此，本文着重对ACE的年代际变化进行分析，并分析其变化机制。

1 资料和方法

1.1 资料

本文所使用的热带气旋资料取自中国台风网（www.typhoon.gov.cn）“CMA－STI热带气旋最佳路径数据集”，时间是1949—2011年，范围包括西北太平洋海域（含南中国海，180°以西，赤道以北）。CMA－STI热带气旋最佳路径数据集包括热带气旋每6h的间隔观测，每日4个时次，分别为00，06，12和18时[8]。其内容包含时间、强度标记、经纬度、近中心最大风速、中心气压等因素。本文研究近中心风速最大值大于17.2m/s的热带气旋。

风场和位势高度场是来源于美国国家环境预报中心 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）和美国国家大气科学研究中心NCAR（The Na－tional Center for Atmospheric Research）的再分析资料。该资料为月平均资料，网格为2.5（°）×2.5（°），时间为1953年1月～2011年12月。位势高度场和风场为17 层，即1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10hPa。

SST的月平均资料来源于英国大气环流中心，时间为1953年1月～2010年12月，网格为1（°）×1（°）。

1.2 定义

Bell等人[1]定义的ACE为：达到热带风暴或以上等级的热带气旋，当其位于热带风暴状态或飓风状态时，每6h一次观测的最大风速平方的累积之和。本文ACE定义为：以月为观测值的累积时间段，计算当最大风速大于等于17.2m/s时的热带气旋的风速平方的累积之和，即

式中：m表示某月发生最大风速大于等于17.2m/s时的热带气旋个数；n表示1个热带气旋中，大于等于17.2m/s风速的观测数；u为风速。

2 ACE的季节变化

图1给出了依次取风速大于等于17.2，24.5，32.7，41.5，51.0m/s 5种不同风速阈值的 ACE的季节变化。

图1 西北太平洋热带气旋ACE季节分布图Fig.1 Seasonal variations of ACE over the western North Pacific

由图1可知，当取风速大于等于17.2和24.5m/s时，8月ACE最大。当取风速大于等于32.7m/s以上时，9月份ACE最大。而以上5种阈值的8、9月的ACE之和均占各自总ACE的40%左右。

从ACE的方差贡献看（见图2），当取风速大于等于17.2和24.5m/s时，8月方差贡献最大。当取风速大于等于32.7m/s以上时，9月份方差贡献最大。而以上5种阈值的8、9月的方差贡献之和占各自总贡献的40%左右。

另外分析17.2～24.5，24.5～32.7，32.7～41.5，41.5～51.0和大于51.0m/s的5个风速段的 ACE的季节分布可知，前4个风速段8月份ACE最大。风速大于51.0m/s时，9月份ACE最大（图略）。

图2 西北太平洋热带气旋ACE方差季节分布图Fig.2 Seasonal variations of variance of ACE over the western North Pacific

不同阈值风速的ACE季节变化结果表明，以最大风速大于等于17.2m/s为阈值的ACE，与取更高风速阈值的ACE相比，具有相同的特征。取17.2m/s为阈值，既达到了热带风暴以上等级，又包含更多的热带气旋，具有更好的代表性。所以本文中取17.2m/s为风速阈值计算ACE。

以上分析可知，以不同的风速阈值计算的ACE及其方差贡献，最大值都发生在8或9月，不同风速段ACE的最大值月也是8或9月。另外统计结果表明，不同强度热带气旋频数的季节分布也是以8或9月最多[11]。鉴于此种情况，本文选取每年8、9月的ACE之和作为此年的ACE指数，分析ACE的年代际变化情况。

3 ACE的年代际变化

图3给出了西北太平洋热带气旋1949—2011年逐年8～9月ACE的时间序列。从7年平滑结果（实圆点线）可以看出，1953—1971年ACE较高，之后ACE较低。但仔细分析，还可看出，在1976—1994年是ACE缓慢线性增长期，而之后则是ACE低值期。

ACE的7年滑动t检验结果显示（见图4），1950年代末以后，ACE强度存在2次通过α＝0.05的显著性检验的突变，一次在1972—1973年，另一次在1997—1998年。

图3 西北太平洋热带气旋8－9月ACE时间序列Fig.3 Time variations series of ACE in August and September over the western North Pacific

图4 西北太平洋热带气旋8～9月ACE的滑动t检验Fig.4 Time variations series of sliding t test about ACE in August and September over the western North Pacific

于是可以将ACE的年代际变化分为3段，分别为：1953—1972年，1973—1997年，1998—2011年。第一阶段大部分年的ACE值较大，第二阶段的ACE值大体呈从低值缓慢增长的特征，第三阶段大部分年的ACE值较小。为突出不同年代的特征，分别各自取11年合成，即第一阶段取1957—1967年，称其为57～67高值期；第二阶段取1976—1986年，称其为76～86过渡期；第三阶段取1998—2008年，称其为98～08低值期。

4 热带气旋特征的年代际变化

4.1 源地分布

图5给出了西北太平洋热带气旋源地分布的年代际变化图（以5（°）×5（°）的经纬度间隔空间，统计每个网格内生成热带风暴以上的热带气旋数）。

从发生3次以上源地（图5中涂色的网格）总体分布看，1957—1967高值期（见图5a）范围最广（向东可达170°E），1998—2008低值期（见图5c）次之，76～86过渡期（见图5b）范围最小（主要是20°N～25°N发生较少），但是1998—2008低值期的高值网格数较76～86过渡期为少。57～67高值期源地最大值区位于10°N～20°N，140°E～150°E，分别为10和8，呈西南－东北分布；1976—1986过渡期源地最大值区也位于10°N～20°N，140°E～150°E，分别为9和7，呈东南－西北分布；1998—2008低值期源地最大值区位于15°N～20°N，135°E～145°E，都为6，呈东－西分布；所以1998—2008低值期源地最大值区相对偏西偏北。

3个时期源地分布的最大差异位于菲律宾以东，5°N～10°N之间，此纬带形成的热带气旋有比较充足的洋面可以发展，形成较强热带气旋的可能性较高，因此ACE也较大。由图5可知，57～67高值期在140°E～160°E都有发生3次以上源地。76～86过渡期仅在150°E～155°E发生，而98～08低值期在此纬带不存在发生3次以上的源地。

4.2 分类频数

表1给出了不同年代8、9月各类热带气旋的发生频数，以及风速达到和超过17.2m/s的持续时间累加值（表1中括号内数值，单位为h）。可知并不是各类热带风暴以上热带气旋数都随年代减少，其中热带风暴（TS）和强台风（STY）在98～08低值期反而较57～67高值期增多，分别是24/17（累加时间1 014h/456h）和23/14（累加时间4 200h/2 058h），但是强热带风暴（STS）、台风（TY）和超强台风（SuperTY）频数的减少，特别是超强台风的巨大差异（42/16，累加时间7 536h/3 150h），使得98～08低值期的ACE远小于57～67高值期。以上不同类别热带气旋能量随年代变化的不一致性，有待进一步深入研究。

图5 西北太平洋5（°）×5（°）网格内热带气旋源地分布图Fig.5 Space variations of TC sources over the western North Pacific by per 5°latitude/longitude

表1 热带气旋生成频数Table 1 Number of TCs in 11years

5 背景场的年代际变化

5.1 副热带高压

西太平洋副热带高压与ACE年代际变化有明显的对应（见图6）：57～67高值期副高最弱，850hPa的1 500位势高度线局限于10°N 以北，135°E以东；98～08低值期副高最强、面积最大，1 500位势高度线西伸北扩；其低纬度形状表明：5°N～10°N之间气压在98～08低值期明显升高。

结合热带气旋源地分析（见图5）可知，西太平洋副热带高压的年代际差异与热带气旋源地年代际变化是一致的，即西太平洋副热带高压的西伸北扩，使得热带气旋源地在98～08低值期偏西偏北，并且在5°N～10°N之间生成的热带气旋大大减少。

500hPa副高也有相同的变异特征，图略。

5.2 低空涡度

图6 副热带高压（850hPa）1 500线分布图Fig.6 Space variations of 1 500line of hgt in 850hPa

初始扰动是热带气旋形成的1个必要条件，而涡度则是表示扰动大小的1个物理量[11]。涡度越大，上升气流越强，扰动就越强，形成热带气旋几率就越大。图7给出了850hPa涡度的年代际变化，其中最突出的现象是5°N～10°N的菲律宾以东的正涡度异常与ACE的年代际分布非常一致：57～67高值期该地区正涡度异常最强，最大值中心向东接近160°E；而98～08低值期该地区正涡度异常很弱，160°E附近是负涡度异常。

另外也可以注意到10°N～15°N，130°E附近涡度异常的差异，57～67高值期该地区是负涡度异常。而98～08低值期该地区是正涡度异常，可能部分解释了98～08低值期在此地区生成较多热带气旋的原因（见图5）。

5.3 垂直风切变

高低空垂直风切变对于热带气旋的形成和发展具有重要作用[12]。前人分析认为，低于12.5m/s的垂直风切变有利于热带气旋的形成[12－14]，而有人则认为是8～10m/s是一个阈值[15]。一般认为垂直风切变越小，越有利于热带气旋的形成。

图7 850hPa涡度异常分布图（单位：10－6s－1）Fig.7 Space variations of relative vorticity anomaly in 850hPa（unit：10－6s－1）

图8给出了高低空垂直风切变的年代际变化，其计算公式为：

其中：w代表垂直风切变；u200、u850分别为200、850 hPa等压面上纬向风速；v200、v850分别为200、850hPa等压面上经向风速[16]。

垂直风切变年代际变化主要体现在位于10°N～20°N，150°E～165°E的最小垂直风切变区域，57～67高值期该地区基本上是低于6m/s，而98～08低值期该区垂直风切变较大，这时期低于6m/s的最小垂直风切变区域偏西偏北。所以这种最小垂直风切变区年代际变化特性，可能是57～67高值期超强台风（Super－TY）频数偏多的原因之一。

5.4 海表面温度

高温洋面是热带气旋生成的必要条件之一，海表面温度（SST）异常的年代际变化也是ACE年代际变化的重要背景因素。图9给出了SST的年代际变化，其中与ACE年代际变化匹配的SST最显著特性表现在5°N以北，150°E以东的洋面上。57～67高值期此区域SST大部分为较大的正异常（见图9a），有利于热带气旋生成。而此区生成的热带气旋在向西移动过程中可经历更长的暖洋面，有利于成长为强热带气旋，从而使ACE变大。而98～08低值期该区大部分为负异常和较小的正异常（见图9c），所以这时期不利于强热带气旋生成。但是低纬度偏西洋面98～08低值期有更多的SST正异常区，这可能是这个时期热带风暴（TS）和强台风（STY）较多的原因之一。

图8 垂直风切变场Fig.8 Vertical wind shear/m·s－1

图9 西北太平洋SST异常场Fig.9 Sea surface temperature anomaly over the western North Pacific

综上，副热带高压、低空涡度、高低空垂直风切变和SST的年代际变化是热带气旋ACE年代际变化的重要影响因素，深入研究这些背景场的变化特征，是预测强热带气旋变异的重要途径。

6 结论

本文中选用17.2m/s风速阈值计算热带气旋ACE，描述了8、9月份西北太平洋热带气旋ACE的年代际变化特征。通过分析副热带高压、低空涡度、高低空垂直风切变和SST等背景场的年代际差异，探讨了西北太平洋热带气旋年代际变化的原因。主要结论如下：

（1）西北太平洋热带气旋ACE的年代际变化主要分为57～67高值期、76～86过渡期和98～08低值期。其中强热带风暴（STS）、台风（TY）和超强台风（Super－TY），特别是超强台风是西北太平洋热带气旋ACE年代际变化的决定成分。热带风暴（TS）和强台风（STY）的ACE反而有相反的年代际变化。

（2）源地分布的最大差异位于5°N～10°N，140°E～160°E区域。从57～67高值期到98～08低值期，此区域热带气旋的生成频数明显减少。

（3）西太平洋副热带高压的加强，使得热带气旋源地在98～08低值期偏西偏北，不利于5°N～10°N之间热带气旋的生成。

（4）57～67高值期在5°N～10°N菲律宾以东区域低空正涡度异常最强，并且最大值中心偏东接近160°E。

（5）垂直风切变年代际变化主要体现在位于10°N～20°N，150°E～165°E的最小垂直风切变区域，57～67高值期该地区基本上是低于6m/s，可能是此时期超强台风（SuperTY）频数偏多的原因之一。

（6）与ACE年代际变化匹配的SST最显著特性表现在5°N以北，150°E以东的洋面上，57～67高值期此区域SST大部分为较大的正异常，有利于超强台风（SuperTY）的生成和成长。

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