2010年和1998年西北太平洋热带气旋频数异常与东亚夏季风系统的关联性分析

余丹丹,张韧,李荔珊,董兆俊

(1.北京市5111信箱,北京 100094;2.解放军理工大学 气象海洋学院,江苏 南京 211101;3.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044)



2010年和1998年西北太平洋热带气旋频数异常与东亚夏季风系统的关联性分析

余丹丹1,张韧2,3,李荔珊1,董兆俊1

(1.北京市5111信箱,北京 100094;2.解放军理工大学 气象海洋学院,江苏 南京 211101;3.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044)

利用西北太平洋编号台风资料、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA向外长波辐射(outgoing longwave radiation,OLR)资料等,选取西北太平洋热带气旋频数异常偏少的2010年和1998年,诊断分析ENSO事件及其东亚夏季风环流异常与热带气旋频数异常的关系,给出东亚夏季风系统部分成员影响热带气旋频数的天气学图像:由春入夏,赤道东太平洋海温异常偏暖,赤道哈得来环流偏强,沃克环流偏弱;西太平洋副热带高压异常强大,位置偏西;季风槽位置偏南,东西向不发展;南海、西太平洋越赤道气流偏弱;异常热源和水汽汇偏南,南海和菲律宾以东地区对流活动受到抑制,热带对流活跃区位于赤道以南;热带气旋生成个数明显偏少,位置偏西。

天气学;热带气旋频数;东亚夏季风系统;天气学图像

0 引言

西北太平洋是全球热带气旋发生频数最多、分布范围最广的海域。我国濒临西北太平洋,受热带气旋影响灾害深重,因此研究西北太平洋热带气旋活动的基本气候特征、规律及影响因子,对我国南海及华南沿岸减灾防灾工作意义重大。

西太平洋热带气旋活动特征每年都有差异,1998年,西北太平洋生成的热带气旋个数为12个,年发生频数创下建国以来最低纪录。而2010年紧随1998年之后,是热带气旋生成个数的次少年,仅比1998年多2个。对比2010年和1998年的气候背景,两者存在诸多相似性,其一,这两年在气候上都属于极端偏热年份。台风活动与全球气候变暖之间的关系一直是当前台风气候学争论的焦点。虽然目前尚不能证明全球变暖对台风频数有明显的影响,但是在全球变暖背景下,台风的强度及强台风频数有增加的趋势(雷小途等,2009)。其二,这两年间都发生了ENSO事件,都是从ENSO循环的暖位相向冷位相转变。大量研究揭示了ENSO事件与西北太平洋热带气旋发生频数关系密切。赤道东太平洋海温异常可以通过影响太平洋低纬地区的纬圈环流、热带辐合带、海温、对流、风切变幅度进而影响西太平洋台风的活动频次,强度,位置(Camargo and Sobel,2005;王会军等,2007;陶丽等,2012,2013;朱伟军等,2014)。其三,这两年东亚夏季风偏弱。南半球高压、越赤道气流、赤道西风、副热带高压及其南侧的信风东风以及季风槽都是东亚夏季风环流系统的组成部分(余丹丹等,2007,2014;张韧等,2013)。热带气旋在东亚夏季风系统的有机整体之中,必然受到东亚夏季风环流及其系统成员的影响和制约。

基于此,本文采用上海台风所提供的1979—2010年西北太平洋编号热带气旋资料,源于美国国家环境预报中心NCEP(National Centers for Environmental Prediction)和国家大气研究中心NCAR(National Centers for Atmospheric Research)的同期的逐日再分析资料(风场、高度场、温度场、湿度场和垂直速度场)以及美国国家海洋和大气管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)卫星观测的OLR(outgoing longwave radiation,向外长波辐射)资料(2.5°×2.5°网格)。针对2010年和1998年热带气旋频数异常偏少的特点,揭示ENSO事件期间东亚夏季风活动异常与西北太平洋热带气旋频数异常的关系,建立东亚夏季风系统成员对热带气旋影响的天气学图像,为热带气旋活动的长期气候预测提供有益的参考。

1 2010年和1998年西北太平洋热带气旋活动特征

2010年和1998年西北太平洋热带气旋活动特点极为相似,如表1所示,首先,在西北太平洋和南海海域生成的热带气旋个数较常年明显偏少,而登陆热带气旋比例较常年明显偏高;其次,热带气旋生成位置集中于110～140°E的海域,生成源地较常年偏西;再次,热带气旋集中生成于下半年,7—10月占全年总数90%以上;最后,7月之前没有影响我国的热带气旋生成。

表1 2010年和1998年西北太平洋热带气旋活动特征的比较

Table 1 Comparison of activity characteristics of tropical cyclones in the north western Pacific between 2010 and 1998

注：多年平均数据是根据1949—2010年上海台风研究所整编的“CMA-STI”热带气旋最佳路径数据集,经统计分析所得.

2 ENSO事件对热带气旋频数异常的影响

关于ENSO事件与西北太平洋热带气旋发生频数关系的研究,以El Nio年西北太平洋台风频数较常年偏少,而La Nia年则明显偏多的结论最为普遍(Chan et al.,1998,2001)。而1998年和2010年比较特殊,它们都经历了ENSO循环的暖位相向冷位相过渡。

图1 2010年1—4月(a)、7—10月(b)以及1998年1—4月(c)、7—10月(d)的平均海温距平分布(单位:℃)

这样的海温分布异常与2010年和1998年热带气旋活动频数异常密切相关。从这两年西北太平洋热带气旋活动情况来看,在7月前几乎没有热带气旋生成并影响我国,8—9月热带气旋集中生成并频繁影响我国。由于海温对大气环流影响的持续性,大气环流对海温响应的滞后性,因此2010年和1998年上半年赤道中东太平洋海温异常偏暖可能是导致西北太平洋热带气旋频数异常偏少的主要原因之一,密切关注前冬及当年春季的赤道中东太平洋海温变化,对预测当年热带气旋频数意义重大。

3 东亚夏季风系统活动异常对热带气旋频数异常的影响

根据陶诗言等(2001)关于东亚季风指数定义,计算1979—2010年(100～150°E,10～20°N)区域6—8月平均的850 hPa上u分量,减去同期(100～150°E,25～35°N)区域平均850 hPa的u分量(图略),对比发现,2010年和1998年都属于弱夏季风年。再以4—10月850 hPa纬向风沿100～150°E平均的纬度—时间剖面(图2),来看东亚夏季风的强弱变化。由图可见,2010年和1998年具有一些共同特征,5—7月低纬地区盛行东风,西风明显偏弱,直到8月以后在5～15°N才盛行西风,从而造成西风与副高南缘东南风形成的气旋性切变偏弱,不利于热带气旋的生成,导致这两年热带气旋明显偏少。

图2 2010年(a)和1998年(b)4—10月850 hPa纬向风沿100～150°E平均的纬度—时间剖面(单位:m·s-1)

3.1 西太平洋副热带高压

西太平洋副热带高压(以下简称副高)作为东亚夏季风系统的重要成员,是最直接的控制和影响台风活动的主要大型天气系统。参照中央气象台长期预报组(1976)定义的副高特征指数,计算并绘制了1979—2010年夏季(6—8月)副高各个特征参数逐月演变(图略),显示2010年是副高近30多年来范围最广、强度最强、位置最西的一年,1998年次之。由2010年和1998年副高面积指数和西脊点指数的逐月变化(图3)可见,1—10月,几乎全年副高面积指数都在均值以上,副高西脊点指数都在均值以下,再次说明与多年平均相比,这两年副高范围广、强度强且位置偏西显著。值得一提的是,副高的强大不止体现在夏季,冬、春两季也很明显,以1998年更为突出,1—5月的副高基本可达到9、10月的强度。由此可见,前冬及当年春季的副高活动是预测当年热带气旋频数的前期重要因子之一。

图3 1998年(a,c)、2010年(b,d)副高面积指数(a,b)和西脊点指数(c,d)的逐月变化(曲线为1979—2010年平均值)

图4 2010年5—10月垂直速度距平沿120～140°E平均的纬度—高度剖面(a;单位:m·s-1)和垂直速度距平沿5～20°N平均的经度—高度剖面(b;单位:m·s-1)

图4为2010年5—10月120～140°E平均经向垂直运动距平分布和5～20°N平均纬向垂直运动距平分布。由图4a可见,在5～20°N,低层到高层皆为正距平,表明该区域的下沉气流比往年要强,5°N以南的上升气流明显强于往年。这样的距平分布表明该年对流活跃区位置偏南,在南海和菲律宾以东地区接近赤道。而10～20°N之间原本为热带气旋多发区却以下沉气流为主,这不利于热带气旋的生成和发展。由图4b可见,沃克环流明显减弱,主要上升区在西印度洋,广阔的西太平洋为下沉区,表明西北太平洋在强大的副高控制下,以下沉气流为主。1998年的垂直环流分布特点与之相似,不再赘述。进一步分析可知,由于赤道中东太平洋海温异常偏暖,东西向海温梯度变小,沃克环流明显减弱,整个赤道地区平均海温上升,南北温度梯度进一步加剧,促使赤道哈得来环流发展,副热带的下沉分支强烈发展,使得副高进一步加强。

图5 2010年(a)、1998年(b)5—10月平均的850 hPa流场及OLR距平分布(单位:W·m-2;阴影小于等于-10 W·m-2)

副高的异常强大,热带辐合带偏弱,位置偏南,热带西太平洋上空的对流活动受到抑制,热带气旋生成缺乏必要的初始扰动条件,故生成个数较常年偏少。为此下面将进一步探讨热带辐合带对热带气旋活动的影响。

3.2 热带辐合带

西北太平洋季风槽是北半球夏季和副热带高压脊南侧的东北信风辐合成的低压带,属于热带辐合带的一部分。西北太平洋夏季风主要是通过季风槽活动影响热带气旋生成。从5—10月850 hPa平均流场(图5)可以清楚地看到季风槽、副高以及热带辐合带等系统的强弱和位置关系。图5显示了副高西端脊伸至我国内陆,西北太平洋完全在副高的控制下,赤道西风只在中南半岛一带,它们与东风的汇合带在南海地区,因此季风槽位置偏南,东西向不发展,主体位于5～10°N(气候平均季风槽位置处于10～20°N)。热带气旋的生成位置偏西,位于季风槽后,副高西侧边缘的偏南气流中。热带西太平洋地区盛行偏东气流,南海和菲律宾以东地区对流活动受到抑制,热带对流活跃区位于赤道以南。以上描述与3.1节结论相符,可见热带辐合带偏弱是热带气旋生成偏少的主要原因。而造成热带辐合带偏弱的原因就要归结到南半球越过赤道的西南气流。

3.3 越赤道气流

南半球的中低纬大气环流是亚洲季风系统的重要组成部分,南半球冷空气爆发以及越赤道气流强度对西北太平洋热带气旋生成也有着重要的影响(范可和王会军,2006)。从2010年和1998年5—10月850 hPa流场的距平(图6)可以看出,澳大利亚东侧是一反气旋性距平环流,相应地在120～160°E赤道附近出现东风距平,尽管索马里地区出现了南风距平,但90～150°E的越赤道气流处均出现北风距平,表明越赤道气流整体偏弱,赤道西风随之偏弱,从而造成季风槽不发展,菲律宾以东对流活动偏弱,西太平洋热带气旋生成位置偏西,生成个数偏少。

为了更清楚地表征南半球冷空气活动以及越赤道气流强弱特征,定量给出2010年和1998年逐月40～50°E、80～90°E、100～110°E、120～130°E、145～155°E等5个经度带5°S～5°N之间的经向风距平的格点平均值,以此分别表征索马里、孟加拉湾、南海、菲律宾和赤道新几内亚5支越赤道气流的强度。从逐月分布图(图略)上可以看到,4—11月,索马里和孟加拉湾向北越赤道气强度与常年持平,南海和菲律宾越赤道气流则从5月开始转向北,到10月转向南,强度与常年相比明显偏弱。越赤道气强弱又与南半球高压活动有关,可见,由于南半球冷空气爆发很弱,南半球越赤道西南气流很弱而未能越过赤道去加强北半球的热带辐合带,这就使得热带辐合区很弱,造成辐合区里难以生成热带气旋。

图6 2010年(a)、1998年(b)5—10月850 hPa流场的距平分布

4 大气视热源和视水汽汇

绝大多数的热带环流是热力驱动的,为此下面将从热源的角度进行讨论。文中大气视热源和视水汽汇的计算方案由Yanai et al.(1973)得到。

图7为2010年和1998年5—10月平均对流层整层垂直积分的大气视热源和视水汽汇的距平分布。由图可见,同年热源和水汽汇分布相似,对比2010年和1998年的热源和水汽汇分布,发现这两年差别不大,异常热源和水汽汇偏南,主要分布在赤道以南、印尼附近的洋面上,而位于0°～20°N的南海及菲律宾以东广阔的太平洋上空皆为干燥和辐射冷却区。由于副热带高压及平均脊区大气辐射冷却并失去水分,因此图上负距平区的分布很好地反映了副高异常强大和位置偏西。

2010年和1998年南海及菲律宾以东地区视热源和视水汽汇较常年明显减弱,热带气旋主要源区的热力条件不利于热带气旋的生成和发展,因此造成热带气旋活动偏少。

综上所述,伴随着年内的ENSO循环,海温外强迫的异常造成垂直环流异常,东亚夏季风系统成员活动异常,引起视热源和视水汽汇以及对流等物理量的异常,从而影响热带气旋的生成个数。图8给出2010年和1998年ENSO事件及东亚夏季风系统部分成员影响热带气旋频数的天气学图像。

由春入夏,赤道东太平洋海温异常偏暖,赤道哈得来环流偏强,上升支偏南,沃克环流偏弱,上升区位于西印度洋和中东太平洋,广阔的西太平洋为下沉区,西太平洋副热带高压偏强,位置偏西,季风槽位置偏南,东西向不发展,南海、西太平洋越赤道气流偏弱,异常热源和水汽汇偏南,热带对流活跃区位于赤道以南,南海和菲律宾以东地区对流活动受到抑制,热带气旋生成个数偏少,位置偏西。

图7 2010年(a,b)和1998年(c,d)5—10月平均的对流层整层垂直积分的大气视热源距平(a,c)和大气视水汽汇距平(b,d)分布(单位:W·m-2)

图8 2010年和1998年ENSO事件及东亚夏季风系统部分成员影响西北太平洋热带气旋频数的示意图

5 结论

2010年和1998年同为西北太平洋热带气旋生成个数偏少的典型年份,在气候背景上有诸多相似性,为此,对2010年和1998年热带气旋活动特点以及大尺度环流背景进行了对比分析,主要结论如下:

1)2010年和1998年西北太平洋热带气旋活动特点极为相似:生成个数明显偏少,登陆比例明显偏高;生成源地偏西;生成多集中于下半年,7月之前没有影响我国的热带气旋生成。

3)2010年和1998年同为弱夏季风年,东亚夏季风系统主要成员活动异常表现为:西太平洋副热带高压范围广、强度强且位置偏西显著;季风槽位置偏南,东西向不发展;南海、西太平洋越赤道气流偏弱。

4)前冬及当年春季的赤道中东太平洋海温变化和副高活动对预测当年热带气旋频数有较好的预报意义。

5)从2010年和1998年的天气事实,抽取出热带气旋频数异常与东亚夏季风系统部分成员的关联结构和天气学图像:由春入夏,赤道东太平洋海温异常偏暖,赤道哈得来环流偏强,沃克环流偏弱;西太平洋副热带高压异常强大,位置偏西;季风槽位置偏南,东西向不发展;南海、西太平洋越赤道气流偏弱;异常热源和水汽汇偏南,热带对流活跃区位于赤道以南,南海和菲律宾以东地区对流活动受到抑制,热带气旋生成个数偏少,位置偏西。

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(责任编辑：刘菲)

Correlation analysis between tropical cyclone frequency anomalies in the northwestern Pacific and East Asian summer monsoon system in 2010 and 1998

YU Dan-dan1,ZHANG Ren2,3,LI Li-shan1,DONG Zhao-jun1

(1.P.O.Box 5111 of Beijing,Beijing 100094,China;2.College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China;3.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China)

The tropical cyclone frequencies in the northwestern Pacific in 2010 and 1998 are far less than the normal frequency,so the diagnostic analyses are performed on relationships between ENSO events,East Asian summer monsoon circulation anomalies and the tropical cyclone frequency anomalies based on the data of serially numbered typhoons in the northwestern Pacific,the data derived from NCEP/NCAR reanalysis dataset and the interpolated outgoing longwave radiation(OLR) data provided by NOAA.The synoptic images of the main memberships of East Asian summer monsoon system influencing the tropical cyclone frequency are given:From spring to summer,the sea surface temperature in the equatorial eastern Pacific is warmer,Hadley circulation is stronger,and Walker circulation is weaker;the West Pacific subtropical high is intensified and moves westward;the monsoon trough extends southward without eastward and westward spread;the cross-equatorial flow in South China Sea and the western Pacific is weaker;the abnormal apparent heat source and apparent moist sink extends southward,and the tropical convective activity is not active in South China Sea and the Philippines,but it is active in south of the equator;therefore the tropical cyclone frequency is significantly less than the normal and the tropical cyclone moves westward.

synoptic meteorology;tropical cyclone frequency;East Asian summer monsoon system;synoptic image

2012-08-06；改回日期：2012-11-10

国家自然科学基金资助项目(41075045)

张韧,博士,教授,研究方向为海洋气象学与海气相互作用,zren63@126.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120806001.

1674-7097(2015)01-0019-08

P433

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120806001

余丹丹,张韧,李荔珊，等.2015.2010年和1998年西北太平洋热带气旋频数异常与东亚夏季风系统的关联性分析[J].大气科学学报,38(1):19-26.

Yu Dan-dan,Zhang Ren,Li Li-shan,et al.2015.Correlation analysis between tropical cyclone frequency anomalies in the northwestern Pacific and East Asian summer monsoon system in 2010 and 1998[J].Trans Atmos Sci,38(1):19-26.(in Chinese)