南海海表温度气候变异及对局地台风的影响

邱 婷,左军成*,王鼎琦,吕晓凤,刘大海

(1.河海大学海洋学院,江苏南京210098;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266061)

南海海表温度气候变异及对局地台风的影响

邱 婷1,左军成1*,王鼎琦2,3,吕晓凤1,刘大海2

(1.河海大学海洋学院,江苏南京210098;2.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061; 3.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266061)

通过分析1951—2010年海表面温度(SST)数据发现,南海SST在1980年前后发生了显著的气候变异:与1980年以前相比,南海SST在1980年后平均升高0.44℃,升温幅度明显强于西北太平洋。利用同一时期风应力数据分析探讨了南海SST气候变异与南海风应力变化的关系,发现1980年后南海风应力平均较1980年前减弱了1.04×10-2N/m2,风应力的显著减弱是导致SST跃升的主要原因。进一步通过数据分析,研究了SST气候变异对南海大尺度环流和南海局地台风活动的影响。结果表明,受SST显著增暖的影响,1980年后南海台风多发季节大气环流发生北风和西风异常,台风高频区东退,强度显著增强,登陆中国华南地区前的气压平均较1980年前下降约8.4 hPa,对华南地区的影响加剧。

南海;海表面温度;气候变异;台风

近100 a来,全球大洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)表现为显著增暖的趋势[1],而这种增暖在区域海盆内的表现特征并不一致[2-4]。就中国近海而言,前人做的较多的工作主要是研究SST的季节和年际特征[5-7],在年代际变化的研究方面主要为分析SST变化的显著周期[8-9]。也有少量研究指出中国近海SST增暖在20世纪存在显著变异,但主要关注东海海域[10-11],对南海SST增温变异的研究相对较少[12-13],且对这种变异的原因并没有深入的研究。

局地海洋的SST的变化主要受海面热通量变化控制[14],而海水热量的储存和年际变化在很大程度上受制于海表风场的变化。大气通过风应力影响海气界面热通量,风应力的减弱使得海洋失热减少,从而引起SST升高[15]。海表风场带走海表面水汽而形成海气比湿差,加速海水蒸发[16],导致潜热通量增加,进而使得SST降低。南海处于东亚季风区,其SST变化受东亚季风影响显著[17-18],与风应力变化关系密切[19]。

南海是世界上最大的边缘海之一,也是受台风影响最显著的海区之一。南海升温会影响东亚大气环流结构而引起台风路径变化[20],通过局地作用增强台风登陆前的强度[21],对我国社会经济和人员安全造成更大的影响,因此研究南海SST的变化具有重要的现实意义。南海SST在20世纪70年代末发生了显著的年代际跃升,但是目前还缺乏对这一现象及其机制分析的工作,缺乏对南海SST增暖变异对南海局地台风活动长期变化影响的研究。本文主要分析南海SST在1951—2010年的时空变化趋势以及在1980年前后的气候跃变,探讨南海风应力变化对南海SST变异的影响,同时研究南海SST的气候变异对台风多发季节南海大气环流与局地台风的路径及强度的影响,加强对全球变暖气候背景下南海局地台风演变的认识,为我国台风的预报及防灾减灾工作做出一定贡献。

(王 燕 编辑)

1 数据及方法

为研究南海(South China Sea,SCS)海表面温度(SST)的变化特征及对南海局地台风的影响,本文选用数据空间范围为2°30'S～24°N,99°～120°E,包括了南海及部分附近海域。海表面温度(SST)数据采用英国气象局哈德利中心(Met Office Hadley Center)1951—2010年月均SST数据,空间分辨率为1°×1°;风应力数据使用美国环境预报中心和美国大气研究中心(NCEP/NCAR)1951—2010年的月均再分析数据,数据为高斯格点资料,全球共有192×94个格点。大气环流为NCEP资料700 h Pa风场,时间分辨率为6 h,水平分辨率为1°×1°。台风数据采用日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)1951—2010年台风最佳路径数据,该数据集提供每6 h 1次的台风中心位置、最低海表面气压(Minimum Sea Level Pressure,MSLP)以及从1977年开始的10 min平均的最大风速。将5—10月定义为台风多发季节,11月至次年4月定义为台风少发季节。根据JMA台风最佳路径资料,将每6 h 1次的台风中心及台风强度(本文使用MSLP代表台风强度)统计到研究海域1°×1°的网格上,得到南海台风频数及强度的空间分布。

2 南海SST的气候变异

本文分别对1951—1980年和1981—2010年期间的SST进行对比分析,从上升速率、空间分布等方面研究不同时期SST的变化特征。从增温的时间变化来看,南海SST存在明显的上升趋势,升温速率为0.013 5℃/a,60 a平均上升超过0.8℃。对比1980年前后两个气候态时期,如图1所示,南海SST发生了显著的气候变异:1980年以后南海平均SST比1980年以前升高了0.44℃,升温明显强于西北太平洋(0.20℃)。从增温的空间分布来看(图2),南海大部分海区均有显著的增暖。1980年前(后),南海海盆整体处于冷(暖)相位,较1951—2010年平均值低0.3℃(高0.3℃)。SST变化较强处体现在南海东北部海区及马来西亚外海,变化最强处相比1951—2010年平均升高超过0.4℃。将1980年前后时期夏季(6—8月)和冬季(12月至次年2月)SST气候态平均分别与夏季、冬季完整气候态平均相比较,发现SST年均变化特征主要与冬季一致(图略)。

图1 南海和西北太平洋SST时间序列Fig.1 Time series of SST of SCS and Northwest Pacific Ocean

图2 SST气候变异的空间分布Fig.2 Spatial pattern of climatological SST

3 风应力变化对SST气候变异的影响

大气通过风应力影响海气界面热通量,前者的减弱使得海洋失热减少,从而导致SST升高[15]。1951—2010年期间南海风应力表现为明显的下降趋势,与SST变化趋势相反。通过99.9%显著性检验的相关分析显示,风应力和SST变化存在显著的负相关关系,相关系数为-0.629 4(图3a)。考虑大气对海洋影响过程的适应时间,进一步利用超前滞后相关分析,结果表明风应力的变化超前于SST的变化1个月时两者有最好的负相关性(图3b)。与SST变异发生时间类似,风应力在1980年前后出现一个突然的下降[22]:1980年后南海风应力平均较1980年以前减弱了1.04×10-2N/m2。与前人对海气相互作用的研究相联系,可以推断南海SST的气候态增强主要是由南海风应力的气候态减弱造成的。

图3 风应力与SST的超前滞后相关Fig.3 Lead-lag correlation between wind stress and SST

如图4所示,SST与风应力在空间分布上也有显著的负相关关系。夏季南海SST与风应力整体表现为强烈的负相关,尤其以南海中部风急流区最为明显(相关系数＜-0.5,超过99%的置信检验)。冬季,南海SST与风应力的负相关关系主要表现在南海北部和南海南部,负相关系数绝对值大于0.4。南海中部因受到冬季东北季风和从吕宋海峡进入黑潮暖水的影响[23],SST和风应力表现为正相关关系。1951—2010年气候态平均结果与冬季较为相似。SST与风应力的相关性分析进一步说明南海SST的气候态变异主要是由南海风应力变异导致的。

图4 SST与风应力相关系数分布Fig.4 The correlation between climatological mean SST and wind stress in SCS

4 SST气候变异对南海台风活动的影响

4

.1 台风频数的变化

南海台风主要有两个来源,大部分生成于西北太平洋,受大尺度环流及beta效应控制西行进入南海[24],称为西太传入台风;其余部分受南海局地海气条件控制直接在南海海盆生成,称为土台风。本文将两个源地的台风统一称为南海局地台风,统计研究海域每1°×1°的网格里台风观测记录频数,以此说明每个网格所表示区域台风活动的频繁程度,反映在南海活动的局地台风的路径变化。由图5a可以看出,南海台风活动分布在6°N以北[25],主要集中在吕宋群岛、吕宋海峡至我国华南沿海的南海东北部海区,表现为东南—西北走向的台风高频带,这与前人研究[24]一致。

作为典型的中尺度天气系统,台风的路径及强度的局地变化受局地SST影响显著[26-27],因此南海SST的气候变异必然会对南海局地台风带来时间和空间上的影响。对比图5b和图5c可以看出,相较于1980年以前,1980年后广东沿海、海南岛附近海区的台风频数减少,台风活跃区向东移动,更加靠近吕宋群岛。

南海局地升温会诱导Rossby波产生,引起南海大尺度环流的变异。而台风的移动受环流的引导,其中对流层中层环流的引导作用尤为重要。700 hPa与500 hPa以及多层加权平均组合环流等被广泛应用在大尺度环流对台风的引导作用研究上[28-30],考虑研究海域为南海,本文选用700 hPa环流作为引导气流,分析南海大尺度环流对南海台风移动路径的引导作用。图6a显示南海台风的东南—西北走向与南海台风多发季节的大尺度环流方向相符,南海中北部及吕宋海峡东部的引导气流为东南风,诱导西北太平洋生成台风及南海东部生成的台风向西向北运动。南海SST于1980年前后的年代际跃升对大尺度环流产生影响,台风多发季节在南海的中部和东部表现为北风和西风异常(图6b),使得南海台风高频区东退[20]。

图5 台风频数分布Fig.5 Spatial distribution of typhoon frequencies

图6 气候态平均台风多发季节的700 hPa引导气流Fig.6 Climatological mean steering flows at 700 hPa in typhoon seasons

4.2 台风强度的变化

台风强度可以依据近中心最大风速与气旋中心最低海表面气压(MSLP)刻画,本文选用MSLP气压来描述台风强度,每个网格台风气压值反映该网格所表示区域的台风强度,中心气压越低,台风强度越强。

南海处于热带海区,海表高温(SST＞26.5℃)十分有利于气旋的形成及对流发展(图7a),为进入南海的台风的发展提供充足的热量来源。受南海暖湿洋面的影响,南海台风在登陆华南沿海或越南之前,或东北行离开南海之前强度达到最强[31],存在2个强台风区:南海西北部海南岛附近海区及吕宋海峡附近海区。

图7 台风气候态平均强度Fig.7 Climatological mean intensity of typhoons in SCS

研究表明,台风在南海的强度变化受南海SST影响极为明显,南海SST的升高导致台风在登陆前的强度显著增强[32],因而1980年以后南海平均SST升高0.44℃使得南海两个强台风区的台风强度都有显著的提高(图7b和7c)。其中海南岛附近海区虽然1980年后SST升高不明显,但台风成长过程中经过明显增暖的南海东部海面而强度得以增强,同时强热带气旋的beta效应较强,故海南岛海区台风强度亦有明显增强。对该海区1980年前后时期台风平均强度比较发现,1980年以后台风登陆中国华南前的气压平均比1980年以前下降约8.4 hPa,台风强度增强显著,对我国华南地区的影响加剧。

5 结 论

本文利用Hadley中心月均SST,NCEP/NCAR月均风应力,700 hPa风场及JMA台风资料,研究了南海SST于1980年前后的气候跃迁,并讨论该变异与风应力的相关,对台风多发季节南海大尺度环流及局地台风演变的影响。结果显示1951—2010年南海SST存在明显的上升趋势,于1980年前后发生了显著的气候态增暖,1980年后SST相较于1980年前上升达0.44℃。南海东北部海区及马来西亚外海SST变化强烈,SST整体年均变化特征与冬季较为一致。

1951—2010年期间南海风应力总体表现为下降趋势,并在1980年前后突然发生明显下降,与SST变异发生时间相近,1980年后风应力平均较1980年前减弱了1.04×10-2N/m2。通过相关性分析发现南海SST的气候态增暖与南海风应力气候态减弱密切相关,平均相关系数达到-0.629 4,风应力超前1个月时相关性最强。空间上,夏季整体表现为强烈的负相关,冬季主要表现在北部和南部。

南海SST的气候态增暖对南海台风活动产生了显著的影响。SST于1980年前后的变异影响了大尺度环流,使得台风多发季节大尺度环流在南海中部和东部表现为北风和西风异常,使得台风高频区东退,向吕宋群岛附近海区集中,广东沿海、海南岛附近海区的频数减少。在台风强度方面,SST的气候态跃升导致台风登陆前的强度显著增强,南海西北部海南岛附近海区及吕宋海峡附近海区的两个强台风区的台风强度都有明显提高。1980年后台风登陆中国华南前的中心气压平均较1980年前下降约8.4 h Pa,意味着台风对我国华南地区的影响加剧。

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Variation of Climatological Sea Surface Temperature and Its Effect on Local Typhoon Activities in the South China Sea

QIU Ting1,ZUO Jun-cheng1,WANG Ding-qi2,3,LÜXiao-feng1,LIU Da-hai2
(1.College of Oceanography,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 3.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

Observational data analysis from 1951 to 2010 revealed that the variation of climatological sea surface temperature(SST)in the South China Sea(SCS)around 1980.Results suggested that the average SST during the period from 1981 to 2010 increased by 0.44℃,comparing with that during the period from 1951 to 1980 in SCS,This increase in SCSis substantially higher than that in the Northwest Pacific Ocean. The relationship between SST climatology variation and wind stress was discussed.It was shown that wind stress weakened by 1.04×10-2N/m2in the period 1951-1980 compared to the period 1981-2010 in SCS. The significant increase of SST was attributed to the weakened wind stress over the SCS.Further research was carried out about the effect of climatological SST variation on steering flow and local typhoon activities in the SCS.Results showed that the SST variation led to a northerly and westerly anomaly in the atmospheric circulation after 1980 in SCS,which resulted in eastward moving of typhoon activities in SCS.In the period 1951-1980,the averaged central pressure of typhoon decreased by 8.4 h Pa before landing on South China compared to the period 1981-2010.Typhoon intensity enhanced by SST variation,led to more severe impacts on South China.

South China Sea;sea surface temperature;climatology variation;typhoon

P731.11

A

:1671-6647(2017)01-0032-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.004

2016-08-26

国家重点基础研究发展计划项目——上层海洋对台风的响应及调制机理研究(2013CB430302);“全球变化与海气相互作用”专项——印度洋-太平洋海洋环境变异与海气相互作用(GASI-IPOVAI-04)和海洋动力系统可预报性研究(GASI-IPOVAI-06);国家科技重大专项——典型海洋现象大数据分析预报技术(2016YFC1401905)

邱 婷(1992-),女,江苏南京人,硕士研究生,主要从事海气相互作用、气候变化方面研究.E-mail:qiuting@hhu.edu.cn

*通信作者:左军成(1965-),男,山东日照人,教授,博士生导师,主要从事气候变化方面研究.E-mail:zuo@ouc.edu.cn

Received:August 26,2016