2020年西北太平洋热带气旋生成指数的异常特征

吴敏敏，彭旭钢，甘秋莹，王磊

（广东海洋大学海洋与气象学院，近海海洋环境变化与灾害预警实验室，广东湛江 524088）

西北太平洋（Western North Pacific，WNP）是热带气旋（Tropical Cyclone，TC）生成活动最活跃的海域，在该海域生成的TC（包括台风）可能会给我国带来严重的影响［1－3］。WNP海域TC生成活动的气候变化和气候异常也是科技工作者一直关注的重要问题［4－8］。WNP海域TC生成数量存在明显的年际变化，可能会在某些年份出现TC生成数量的异常偏多或者异常偏少。了解引起这些异常年份TC生成数量异常偏多或者偏少的物理原因，有助于提高业务人员对TC活动异常的气候预测和预警能力。以往的研究也已经针对某些具体的TC活动的异常年份开展了相关的研究工作，例如，2014年8月WNP的“空台”事件［9］，1998年与2016年WNP TC活动异常特征的对比［10］，2018夏季异常活跃的TC活动［11－12］与2018年秋季不活跃的TC活动［13］。

2020年WNP海域TC的生成活动呈现出一些显著的异常特征：既存在没有TC生成的2020年7月，出现了“空台”这种TC异常偏少的情况；也有2020年10月出现7个TC，达到该月TC数量历史最高值的TC异常偏多的情况。本研究将分析2020年7和10月WNP TC生成指数的异常特征，考察与TC形成相关的背景环境场，旨在可以更好地理解2020年WNP出现这些TC活动异常情况的形成原因。

1 数据和方法

研究中使用的大气环境场资料来自于NCEPNCAR再分析月平均数据［14］，海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）来自ERSST月平均数据［15］。TC信息来自IBTrACS数据集［16］。气候平均为1990—2019年平均值。

TC潜在生成指数（Genesis Potential Index，GPI）最早由Emanuel等［17］定义，用来定量表征不同环境场因子对TC生成的影响和相对重要性，其中包含两个动力因子（低层大气相对涡度和大气垂直风切变）和两个热力因子（中层大气相对湿度和TC 潜能最大强度）。Murakami等［18］新加入了大气垂直速度，提出了一种改进形式的GPI定义：

其中，η为850 hPa大气绝对涡度（s－1）；RH为600 hPa大气相对湿度（%）；Vpot为TC潜能最大强度（m·s－1）；Vs为大气850 hPa与200 hPa之间垂直风切变的大小（m·s－1）；ω为500 hPa大气垂直速度（Pa·s－1）。GPI的数值越大表示对应的环境场越有利于TC的生成。

根据Camargo等［19］的方法，定量评估GPI中的某一个因子的单独贡献：在计算GPI时，仅保留这个因子的异常值，而将其他因子都取为气候平均态的值，这样计算得到的GPI被定义为GPI－RH、GPI－Vor、GPI－shear、GPI－PI和GPIOmega，分别表示大气相对湿度、大气涡度、大气垂直风切变、潜能强度和大气垂直速度项的异常所带来的对GPI异常的贡献。将GPI中所有因子项都采用真实值计算的GPI被称为GPI－total，里面包含了所有因子的异常对GPI异常的综合贡献。通过对比GPI－total和仅保留其中一个因子（其余因子取为气候平均值）计算得到的GPI，可以评估GPI中各个因子在其中所起的相对贡献和重要性大小。这种分析方法也已经在之前有关TC气候变异的研究中被广泛采用［20－22］。

2 结果与分析

在1990—2019年期间，平均每年7月份有3.9个TC在WNP生成，平均生成位置位于131.0°E，18.4°N，其中，7月份WNP TC生成个数最多的年份是2017年，有8个；7月份TC生成个数最少的年份出现在1998、1999、2003、2004、2008、2009和2010年，都是只有2个。然而，在2020年7月，WNP海域没有TC生成，出现了“空台”现象，这种现象在过去30年的7月份是没有出现过的。

在1990—2019年期间，平均每年10月份有3.6个TC在WNP生成，平均生成位置位于143.9°E，13.8°N，其中，10月份WNP TC生成个数最多的年份是1992年，有7个；10月份WNP TC生成个数最少的年份出现在2011年，0个。在2020年10月，WNP海域有7个TC生成，达到了在过去30年中10月份TC生成数量的最大值。

通过计算GPI可以考察2020年7和10月与TC生成密切相关的环境场的异常特征。图1显示了2020年7和10月的GPI与GPI气候平均值的差值。选取TC的主要生成区域为（120°E—155°E，10°N—25°N），在此区域计算相关物理量的区域平均值。7月份，30年气候平均值的GPI在TC主要生成区域的平均值为6.00，2020年7月份GPI的区域平均值为2.95。2020年7月WNP TC主要生成区域的GPI比气候平均值减少了50.8%，GPI数值的异常减少可以解释TC活动的异常偏少。在10月份，30年气候平均值的GPI在TC主要生成区域的平均值为4.44，2020年10月份GPI的区域平均值为8.74。2020年10月份TC主要生成区域的GPI比气候平均值增加了96.9%，这种GPI值的增强可以支持TC活动的异常偏多。

图1 2020年7月（a）和10月（b）的GPI与气候平均的差值

通过对比GPI－total与单独保留其中一个因子变化计算得到的GPI（GPI－Vor、GPI－RH、GPI－PI、GPI－shear和GPI－Omega）（图2），可以考察GPI中的不同环境因子在其中的贡献程度和相对重要性大小。计算结果表明中层大气的相对湿度是造成2020年7和10月GPI异常的最大贡献因子，结果突显了大气水汽含量对2020年7和10月WNP海域TC生成活动异常的重要作用。

根据图2a，2020年7月负的GPI异常的最大贡献因子是中层大气的相对湿度，此外大气垂直速度和低层大气相对涡度也能够导致GPI的负异常。大气垂直速度是负GPI异常的第2大贡献因子。TC潜能强度和垂直风切变引起的GPI异常是正值，表明2020年7月的局地SST和垂直风切变可能对TC的影响是更有利于TC的生成，这两个因子引起的GPI正异常在一定程度上抵消和减弱了由其他因子引起的GPI负异常。

根据图2b，2020年10月正的GPI异常的最大贡献因子也是来自中层大气的相对湿度，大气垂直速度同样也是正GPI异常的第2大贡献因子，其他3个因子引起的GPI的异常值相对较小，表明其他3个因子对TC生成的影响相比较大气相对湿度和垂直速度来说是比较弱的。

图2 2020年7月（a）和10月（b）GPI各量与气候平均GPI的差值在WNP TC主要生成区域的区域平均值

图3进一步展示了大气中层相对湿度在2020年与气候平均值的差异。在7月份，30年气候平均的600 hPa相对湿度在TC主要生成区域的平均值为53.2%，2020年7月份对应的600 hPa相对湿度区域平均值减小为44.2%。在10月份，30年气候平均的600 hPa相对湿度在TC主要生成区域的平均值为45.4%，2020年10月份对应的相对湿度区域平均值增加为54.1%。

图3 2020年7月（a）和10月（b）与气候平均的600 hPa相对湿度的差值（填色，%）、SH范围（实线）和MT位置（虚线）的对比

大气中层的水汽含量与大气垂直速度也是密切联系的，大气上升（下沉）运动异常将增强（减弱）低层大气水汽的向上输运，从而引起大气中层相对湿度的增加（减小）。大气中层水汽含量和垂直速度的异常可能受到WNP副热带高压（Subtropical High，SH）和季风槽状态的显著影响。本研究利用500 hPa 588 dagpm的等位势高度线来大体表征WNP SH的控制范围。根据Hu等［20］，利用850 hPa大气风场相对涡度的4×10－6s－1等值线来表征季风槽（Monsoon Trough，MT）的大致范围。根据图3a可知，2020年7月的SH相比较气候平均态出现显著的偏西和偏强，同时伴随着MT的范围明显缩小和减弱。在异常偏强的SH的控制下，WNP海域的中层大气水汽含量和相对湿度将出现异常偏小，大气对流活动和TC生成将受到抑制，从而出现TC生成数量的异常偏少。2020年10月，在SH外围南侧可以观测到中层大气相对湿度的显著增加（图3b）。10月份WNP海域TC的平均生成纬度相比较7月份出现显著南移，10月份TC的平均生成纬度大约位于13.8°N，这一位置也大致位于SH的外围南侧。因此，2020年10月WNPSH南侧的大气相对湿度的增加能够为TC的生成提供更有利的环境，从而导致2020年10月TC生成数量的异常偏多。

此外，热带季节内振荡（Madden－Julian Oscillation，MJO）的位相异常也可能是造成2020年7和10月TC生成数量异常的重要影响因素。根据Zhao等［24］的研究，MJO的位相也会对WNP的TC生成产生重要的影响：MJO位相4、5、6、7更有利于WNP的TC生成，而MJO位相8、1、2、3则不利于WNP海域的TC的生成。本研究发现2020年7和10月的MJO位相也出现显著的异常，2020年7月MJO位相主要集中在位相1和位相2，而2020年10月MJO位相主要集中在位相5。2020年7月（10月）的MJO位相的这些异常特征也可以解释WNP TC生成数量的异常偏少（偏多）。在2020年7和10月MJO位相出现异常的物理原因及其对WNP TC生成活动异常的影响，还需要在今后开展更深入的研究工作。

3 结论

2020年7月WNP海域TC生成数量异常偏少，而2020年10月的TC生成数量异常偏多。本研究分析了2020年7和10月WNP海域TC GPI的异常特征。2020年7月WNP TC主要生成区域的GPI比气候平均值减少了50.8%，2020年10月WNP TC主要生成区域的GPI比气候平均值增加了96.9%，这些GPI的异常可以用来解释WNP海域TC生成活动的异常。通过定量比较GPI中各个环境因子的相对贡献大小，发现中层大气的相对湿度是造成2020年7月和10月GPI异常的最大贡献因子，结果突显了大气水汽含量对2020年7和10月WNP海域TC生成活动异常的重要作用。

2020年7月和10月的WNP海域TC生成数量倾向反位相的异常，这也表明在不同的季节WNP海域TC的气候变异特征可能具有显著的差异［25－26］。不同季节的WNP海域TC的气候变异过程和机制还需要在未来开展更进一步的研究工作。