孟加拉湾季风对热带气旋生成和发展的调制机制研究

李 志,孟 强,薛 亮

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266061;3.国家海洋局 南海调查技术中心,广东 广州510660)

热带气旋(TC)是世界上分布最广,频率最高的自然灾害之一,其主要分布在孟加拉湾(Bay of Bengal,BoB)、西北太平洋(Northwest Pacific,NWP)、东北太平洋(Northeast Pacific,NEP)、北大西洋(North Atlantic,NATL)、南印度洋(South Indian Ocean,SIO)和西南太平洋(Southwest Pacific,SWP)。相比其他海盆,孟加拉湾气旋发生频数虽然较少,但伤亡率最高的10个气旋有6个发生在孟加拉湾。如2008-05超强气旋(STC)Nargis登陆缅甸,造成10余万人死亡、上百万人流离失所,经济损失更是难以计算[1-5]。因此研究孟加拉湾气旋有着重要的社会意义。

孟加拉湾气旋的气候态季节分布也与其他海盆不同,主要体现在孟加拉湾气旋有2个主要发生期,分别是4—5月(冬-夏季风转换期,春季转换期)和10—11月(夏-冬季风转换期,秋季转换期)[6-9]。而其他海盆,西北太平洋、东北太平洋、北大西洋、南印度洋和南太平洋,只有1个主要的气旋发生季,一般都是该海盆的夏季。此外,孟加拉湾气旋虽然有双峰结构但是双峰并不对称,发生在秋季转换期内的气旋频数远远高于春季气旋频数。虽然春季转换期气旋频数少于秋季转换期,但是超强气旋(Saffir-Simpson 4,5级)生成率却远远高于秋季转换期,是所有热带海盆气旋季超强气旋生成率之最。鉴于这些独特的双峰结构,孟加拉湾气旋研究具有重要科学意义。

Gray指出,海表温度,低层大气相对旋度、科氏参数、垂直风速剪切、大气稳定度和中低层水汽都可以影响气旋生成[10]。Gray提出了TC生成指数,他认为孟加拉湾气旋的独特双峰结构主要是因为孟加拉湾季风造成的[11]。以上研究认为孟加拉湾夏季风爆发时,季风环流迅速增强垂直风速剪切,进而破坏气旋的暖心结构,抑制气旋生成和发展。这一研究解释了气旋很少在夏季风盛行期生成而较多在春季转换期和秋季转换期生成的原因,是早期对孟加拉湾气旋气候态双峰分布的物理解释。该观点被气旋研究界广泛接受,延续至今。孟加拉湾气旋有独特的双峰结构,且2个峰值不对称。然而对于孟加拉湾在2个气旋季内气旋频数不对称学界一直没有明确的研究。Emanuel在此基础上进一步精炼影响气旋生成因子,提出气旋潜在生成指数(Genesis Potential Index,GPI)①EMANUEL K A,NOLAN D S.Tropical cyclone activity and global climate.Preprints.26th Conf.on Hurricanes and Tropical Meteorology,Miami,FL,American Meteorological Society,2004,10A.2.https:∥ams.confex.com/ams/26HURR/techprogram/paper_75463.htm.。GPI不仅可以很好地描述西北太平洋、东北太平洋、北大西洋等海盆的气旋生成特征,也能很好地再现孟加拉湾气旋气候态季节分布特点(图1)[12-15]。本研究尝试用GPI定量诊断季风对孟加拉湾气旋生成的影响。

虽然在孟加拉湾气旋在春季转换期频数较少,但是超强气旋的生成率却极高,而且这期间所有超强气旋都伴随着触发夏季风爆发的第一支北传季节内振荡(FNISO)发生[16]。然而并不是每一个伴随FNISO 发生的气旋都能发展成为超强气旋。即便孟加拉湾春季转换期内伴随FNISO 发生的热带气旋有50%概率发展成为超强气旋,人们仍然不能对孟加拉湾春季转换期超强气旋做出较为准确的预报。例如,2013-05的热带气旋Mahasen发生在当年FNISO 对流位相,当时联合国教科文组织-政府间海洋学委员会-西太分委会、夏威夷大学国际太平洋研究中心、自然资源部第一海洋研究所和孟加拉国吉大港大学等国际组织以及国内、外科研单位都预报和预测Mahasen将发展为超强气旋并将登陆孟加拉国,孟加拉国相关政府部门认同该预报结果并做出相应的防灾安排,多次发布预警通知民众。但实际上Mahasen并未发展成为超强气旋,直到登陆孟加拉国时也只有热带风暴的强度。这次不准确的预报不仅引发了民众的恐慌情绪,还造成了大量防灾物资的浪费。同时说明我们对孟加拉湾春季转换期内超强气旋的形成原因仍不明晰,导致预报结果存在较大偏差。鉴于孟加拉湾及其周边国家和地区受气旋灾害影响严重,所以国际社会和科学家对准确预报孟加拉湾超强气旋给予了极大关注。

1 超强台风定义与数据来源

1.1 超强台风定义

利用萨菲尔-辛普森热带气旋等级标准[17]作为超强台风定义依据。定义海面10 m 高度1 min平均风速为持续风速,根据最大风速和中心最低气压将飓风/台风分为五级(表1),最大风速越大,台风等级越高。依据上述标准,我们把4和5级热带气旋定义为超强气旋,即将最大风速≥58.6 m s-1,中心气压＜945 hPa的热带气旋定义为超强气旋。

1.2 数据来源

本研究所用数据主要包括:1)1981—2016年热带气旋最佳轨道数据由美国联合台风预警中心(JTWC,http:∥www.usno.navy.mil/NOOC/nmfc-ph/RSS/jtwc/best_tracks/)提供①②CHUJH,SAMPSONCR,LEVINEAS,et al.The joint typhoon warning center tropical cyclone best-tracks,1945—2000.Joint Typhoon Warning Center,Pearl Harbor,Hawaii,United States of Ameriea,2002.[18-19];2)月平均与日平均的风场、多层气温、比湿、相对湿度数据,来自美国国家环境预测中心(NCEP)数据集[20];3)月平均和日平均海表温度以及对外长波辐射数据由美国国家海洋大气管理局(NOAA)提供[20]。其中气旋数据分辨率为6 h,风场、气温、比湿、相对湿度、对外长波辐射数据的空间分辨率为2.5°×2.5°,海表温度数据分辨率为2°×2°。

表1 萨菲尔-辛普森飓风/台风等级标准Table 1 Saffir-Simpson hurricane wind scale

2 孟加拉湾夏季风对双气旋季的调制

2.1 孟加拉湾热带气旋气候态季节分布

本文选取1981—2010年来验证GPI指数可否有效描述气候态气旋频数的分布特征。在此基础上利用GPI公式发展诊断方法来分析在这期间孟加拉湾气旋形成双峰分布的原因[12,23]。GPI公式为

*是海表假相当位温,θe是边界层相当位温。GPI指数(图1)可以很好地反映各个海盆中气旋分布特征,尤其是在孟加拉湾,GPI指数较为准确地反映了该地区热带气旋的双峰分布特征,正因如此,GPI可以被用于发展定量诊断方法来揭示季风对孟加拉湾气旋双峰分布的调制。

对式(1)两侧取对数可得:

对式(2)两侧变量进行全微分可得:

式(1)代入式(3)可得:

图1 1981—2009年各月热带气旋频数和气旋生成指数Fig.1 Monthly TC numbers and GPI during 1981—2009

通过该定量诊断方法可以计算每个因子在每个月对气旋发生频数的贡献(图2)。与以前认为垂直风速剪切造成气旋频数双峰分布[11]不同,本文定量诊断结果显示孟加拉湾夏季风期间水汽充沛,中层大气相对湿度高,促进气旋生成,虽然垂直风速剪切为气旋生成提供了最大的负贡献,但是也不足以抵消相对湿度的正贡献,垂直风速剪切和底层大气旋度以及潜在强度项(Potential Intensity,PI)共同作用,抵消相对湿度对气旋生成的促进作用,达到抑制气旋生成的效果,最终形成独特的双峰结构。该诊断采用不同平均算法,得到的结果与观测结果接近,这说明该诊断方法稳定且诊断结果准确。

图2 各主要海气因子对气候态月平均孟加拉湾气旋频数分布的贡献Fig.2 Climatological monthly contribution of each term to TC distribution over the BoB

具体分析显示:从2—3月到4—5月,气旋容易生成,这是源于中层大气的相对湿度(即:水汽的作用);从4—5月到6—7月,气旋频数减少,主要是因为垂直风速剪切、低层大气旋度和潜在强度共同作用抵消了相对湿度对气旋生成的促进作用,从而抑制了气旋的生成。从8—9月到10—11月,气旋频数增加,主要是因为垂直风速剪切减弱;从10—11月到12—1月,气旋频数变小,主要是因为水汽减少(表2)。

表2 孟加拉湾气旋增长和减少区间海气因子对GPI变化的贡献Table 2 Contribution toδGPI in the BoB during increasing and decreasing TC formation periods

孟加拉湾气旋不仅有独特的双峰结构(4—5月和10—11月),而且该双峰还不对称,10—11月气旋频数约是4—5月的3倍。定量诊断结果显示10—11月与4—5月气旋生成指数之差为0.72,其中绝对旋度项之差为0.07,贡献率是10%;垂直风速剪切项之差为0.03,贡献率是5%;相对湿度项之差为0.82,贡献率是113%;潜在强度项之差为-0.20,贡献率是-28%。我们由此可知10—11月气旋频数比4—5月多,这主要是由于夏季风后水汽充沛,大气相对湿度更高(图3),有益气旋生成。

图3 600 hPa相对湿度在10—11月和4—5月的差异及其在各月的分布Fig.3 Difference(October—November minus April—May)of the environmental relative humidity at 600 hPa and the climatological annual cycle and standard deviation of the relative humidity in the BoB

2.2 孟加拉湾春季转换期内超强气旋与第一支北传季节内振荡的关系

孟加拉湾春季转换期气旋频数相较秋季转换期偏少,但是超强气旋(4,5级气旋)生成率却很高。孟加拉湾春季转换期超强气旋生成率约为40%,而秋季转换期超强气旋生成率只有约10%,春季转换期超强气旋生成率约是秋季转换期的4倍,不仅如此,孟加拉湾春季转换期超强气旋生成率在全球范围内也是最高的(表3)。

表3 各个海盆在其气旋季内超强气旋生成率Table 3 The super TC genesis ratio over all basins during TC season

孟加拉湾春季转换期内超强气旋都是伴随第一支北传季节内振荡生成,但是并不是每一个伴随第一支北传季节内振荡发生的气旋都能发展成为超强气旋。1981—2016年间,孟加拉湾春季转换期内有15个气旋伴随第一支北传季节内振荡生成和运动,但是仅有7个发展成为超强气旋(表4)。通过合成分析比对影响两组气旋生成发展的环境因子,筛选出差异最大的环境因子,并深入分析调制气旋能否发展成为超强气旋的环境条件及其内在物理过程。考虑到各个环境因子由于单位不同导致的数值差异,我们引入区域差异指数(BDI),该指数可以有效对各个因子进行无量纲化,进而定量比对各个环境因子的差异性。BDI公式为

式中,M为某个变量所有样本的均值,σ为其标准差,下标“stc”和“tc”分别表示超强气旋和普通气旋的样本组。

表4 孟加拉湾1981—2016年春季转换期气旋和超强气旋的生命周期和强度等级Table 4 The lifetime and category of STC and TC during pre-monsoon transition period of 1981—2016

以气旋中心为中心点,分别选择5°×5°和10°×10°的区域,在季节内尺度上计算海气环境要素的BDI值(表5,表6)。计算结果表明,同样是伴随第一支北传的季节内振荡发生的气旋,其发展强度可以不尽相同,这主要是由于季节内振荡强度差异和气旋与季节内振荡深对流中心的位置远近有关(图4,图5)。当季节内振荡强且气旋与季节内振荡中心位置接近时(图4),季节内振荡深对流对气旋影响较大,强大的抬升作用把液态水抬升到高层(200 hPa左右),液态水吸热气化,降低高层温度,增加高低层大气的温度差(图6),这使得气旋潜在强度增加且有助于气旋达到其最大潜在强度。这从季节内尺度上揭示了伴随第一支北传季节内振荡发生的气旋发展为超强气旋的原因。反之亦然(图5)。

表5 季节内尺度和年际尺度的各个环境要素的BDI值Table 5 The BDI and significance level of various factors between STC and TC groups on intraseasonal and interannual timescale

表6 季节内尺度和年际尺度上气旋中心5°×5°区域内不同高度上的BDI值Table 6 The BDI of 5°×5°box around the STC and TC centers at different atmosphere levels on intraseasonal and interannual timescale

图4 1981—2016年冬-夏季风转换期(4—5月)内超强台风和季节内振荡深对流中心轨迹Fig.4 The track of the STC center and FNISO center over the BoB during PMT 1981—2016

在年际尺度上,也可以发现超强气旋生成的时段高低层温差比普通气旋时的高低层温差更大,这也有助于理解为何同是伴随第一支季节内振荡北传,有的气旋会发展成为超强气旋,有的却保持常规强度(表5,6和图6)。

图5 1981—2016年冬-夏季风转换期(4—5月)内常规强度气旋和季节内振荡深对流中心轨迹Fig.5 The track of the TC center and FNISO center over the BoB during PMT 1981—2016

图6 超强气旋与常规气旋中心合成的温度剖面、标准差及其温差Fig.6 Composites of the profiles of STCs'and TCs'temperature,standard error and their differences on intraseasonal and interannual timescale

3 结 语

孟加拉湾季风环流,尤其是季风爆发时背景场,对气旋的生成和发展有重要影响。本研究利用诊断方法,定量研究了孟加拉湾季风调制气旋生成和发展的物理机制,进一步增进了对孟加拉湾季风如何影响该地区气旋的理解。本研究得到的主要结论可以归纳为3点:

1)已有研究[11]认为,孟加拉湾夏季风时,季风增强风速垂直剪切是导致孟加拉湾气旋频数气候态呈双峰分布的主要原因。我们定量分析结果进一步证明,单纯依靠夏季风时强,风速垂直剪切不足以抵消季风期内充沛水汽对气旋生成的促进作用。风速垂直剪切需要配合低层大气旋度和气旋潜在强度因子共同作用,抵消水汽的促进作用,抑制气旋生成,最终造成孟加拉湾气旋频数的双峰分布特征。

2)以往研究主要关注孟加拉湾气旋频数的双峰机构,并没有详细解释双峰不对称现象,即在春季转换期气旋频数约是秋季转换期气旋频数的1/3。通过诊断分析可知,这种频数不对称主要归因于夏季风前后大气中层的相对湿度的差异。夏季风后的秋季转换期间大气中层相对湿度明显大于夏季风前的春季转换期,充沛水汽导致气旋频数在秋季转换期更高,即双峰不对称。

3)虽然春季转换期气旋频数较少,但是超强气旋生成率很高。在过去36 a(1981—2016年)共有7个超强气旋在孟加拉湾春季转换期生成,且每一个超强气旋都是伴随触发季风爆发的第一支北传季节内振荡一起发生发展的,然而并不是每一个伴随第一支北传季节内振荡发生的气旋都能发展为超强气旋。本研究引入BDI指数对影响超强气旋生成的海气因子的作用进行定量比较,并深入分析其中主要物理过程。分析指出,由于北传季节内振荡深对流位相强度的不同以及气旋中心与深对流中心相对距离的差异,使得发生在强对流位相且距离深对流中心较近的气旋受到更强的抬升作用,把液态水抬升到高层(200 h Pa左右),液态水吸热气化,降低高层温度,增加高低层大气的温度差,使得气旋潜在强度增加且有助于气旋达到其最大潜在强度,最终发展成为超强气旋。

虽然已有研究很大程度上增进了人们对孟加拉湾季风影响气旋的理解,但是仍有很多问题需要深入理解。例如,虽然孟加拉湾冬-夏季风转换期内超强气旋生成率很高,但是并不是每一年春季转换期都有气旋生成,理解气旋生成的内在原因是预测超强气旋的基础,仍需要进一步探讨。