El Nio衰减年西北太平洋热带气旋活动特征的差异性

钟校尧 余锦华 欧立健 张旭煜

(南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)

引 言

热带气旋(Tropical Cyclone， TC)是发生在热带海洋上的一种具有暖心结构的强烈气旋性涡旋，其伴随的暴雨和大风等现象常给我国沿海地区造成严重灾害。El Nio是气候系统最显著的年际变化信号，也是西北太平洋TC活动季节预测重要的可预报性来源[1-2]。观测显示，El Nio一般在北半球春季和夏季发展，冬季达到峰值，次年处于衰减阶段。WANG， et al[3]注意到El Nio衰减年西北太平洋TC生成频数减少的现象，并利用海温和环流的异常进行解释。但最近研究发现，有些El Nio衰减年出现TC生成频数增加的情况[4-5]，El Nio衰减年TC活动的多样性给TC的气候预测带来挑战。因此，研究El Nio衰减年TC活动特征，可提高El Nio与TC活动关联的认识，为TC活动的季节预测奠定科学基础。

已有的统计分析指出，夏季和秋季的TC生成频数与前期峰值的Nio3.4指数存在显著的负相关[6]，并认为这与西北太平洋异常反气旋(Western North Pacific Anomalous Anticyclone， WNPAC)的维持有关。WANG， et al[7]的研究表明，在El Nio衰减年，赤道中东太平洋海温冷偏差通过西传的Rossby波和海—气耦合形成WNPAC。热带印度洋和北大西洋的电容器效应对WNPAC的维持也起重要作用，形成不利于TC生成的环境条件[8-14]，抑制了西北太平洋TC的生成[15-18]。这些研究很好地阐述了El Nio衰减年TC生成频数减少的机理。

1 资料与方法

1.1 资料

使用美国联合台风预警中心 (Joint Typhoon Warning Center， JTWC)的热带气旋最佳路径数据，包括TC的中心位置和附近最大风速，数据时间间隔为6 h。只考虑生命史中最大强度大于或等于热带风暴级别(TS， 近中心风速超过17.2 m·s-1)，生成于西北太平洋海域(0°～ 40°N， 100°E ～ 180°)的热带气旋，首次达到TS强度的位置作为生成点。计算热带气旋潜在生成指数以及环境场所使用的数据为欧洲中期预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting， ECMWF)的ERA-5再分析月平均资料，空间网格分辨率为1.0°×1.0°，所使用的要素包括气温、比湿、水平风场、垂直速度、相对湿度以及海平面气压。哈德来中心海表面温度月平均资料(HadISST1)用于计算Nio3.4指数，空间网格分辨率为1.0°×1.0°。研究的时段为1970—2018年7—10月，这段时间生成的TC约占全年的70%，称为TC活跃季，采用的气候态为1981—2010年，相对于该气候态的偏差为异常。

1.2 方法介绍

1.2.2 热带气旋潜在生成指数

采用Murakami, et al[14]提出的热带气旋潜在生成指数来评估环境要素对TC生成的影响，其计算公式如下：

(1)

其中：η为850 hPa绝对涡度(单位:s-1);RH为600 hPa相对湿度(单位:%);Vpot为最大可能强度(单位: m·s-1)，Vshear为850 hPa和200 hPa之间的垂直风切变(单位: m·s-1)，ω为500 hPa垂直速度(单位: Pa·s-1)。等式最右边的t1～t5表示公式中的各项。

最大可能强度计算公式：

(2)

其中：Ts为海表温度;T0为平均流出层温度;CK为海—气热力拖曳系数;CD为动力拖曳系数;CAPE*为海表面空气饱和时的对流有效位能;CAPE为边界层空气对流有效位能。

垂直风切变公式为：

(3)

引入LI， et al[19]的方法对MWGPI计算公式中的各项因子进行定量诊断，对MWGPI公式的各项进行差分运算：

(4)

其中：δ表示该物理量的异常，而上方横线表示物理量的气候态。

1.2.3 统计检验方法

2 El Nio衰减年西北太平洋热带气旋生成频数异常特征

2.1 热带气旋生成频数异常的差异性特征

表1 El Nio衰减事件的两种情形Table 1 Two types of El Nio decaying years

表1 El Nio衰减事件的两种情形Table 1 Two types of El Nio decaying years

El Niño衰减年分组年份TC生成频数偏少1983、1998、2003、2010TC生成频数偏多1978、1992、1995、2016

如图2b所见，TC生成频数偏少情形下，西北太平洋TC生成频数的负异常主要发生在西北太平洋的中东部，即位于(15°～25°N， 140°～150°E)和(5°～25°N， 150°～170°E)，约占西北太平洋TC生成频数负异常的90%。而TC生成频数偏多情形下，南海和菲律宾附近海域(15°～25°N， 110°～120°E)和(5°～25°N， 120°～130°E)TC生成频数显著增加(图2c)，约占整个区域正异常的71%。

图1 El Nio衰减年西北太平洋TC生成频数异常的合成偏少(实线)和偏多(虚线) (单位：频次)Fig.1 The anomalies of TC genesis frequency in the post-El Nio period:less TC(solid line); more TC(dotted line) (unit: number)

2.2 TC生成异常与环境要素的联系

西北太平洋MWGPI气候态的空间型(图3a)与TC生成频数气候态(图2a)相似，大值位于150°E以西，菲律宾群岛以东和部分南海海域。TC生成频数偏少情形下，MWGPI在西北太平洋东部有显著的负异常(图3b)，与图2b观测得到的TC生成频数的显著负异常有较好的对应关系。TC生成频数偏多情形下，MWGPI在中国南海和菲律宾附近存在的正异常(图3c)，其空间分布与实际情况基本吻合(图2c)。在此基础上，将偏少型西北太平洋东部(East Western North Pacific,EWNP)为(15°～25°N， 140°～150°E)和(5°～25°N， 150°～170°E) 偏多型的中国南海和菲律宾近海(SCSF)，即(15°～25°N， 110°～120°E)和(5°～25°N， 120°～130°E)作为主要研究对象，定量研究各环境要素对MWGPI变化的贡献(表2)。

图2 (a)TC生成频数在7—10月的气候态、El Nio衰减年TC生成频数(b)偏少和(c)偏多两种情形的异常空间型(深灰色和浅灰色阴影表示通过α=0.05的显著性检验， 单位:次·a-1)Fig.2 The climatological mean of TC genesis frequency from July to October (a); anomalous fields of TC genesis frequency in the post-El Nio period from July to October for the composite events in the case of (b) less TC and (c)more TC(The dark gray and light gray shading parts indicate that the significance exceeds 95% confidence level, unit: number·a-1)

结果表明，在TC生成频数偏少情形下，垂直风切变和600 hPa相对湿度对西北太平洋东部MWGPI负异常贡献最大，分别为40.3%和23.0%，其次是850 hPa绝对涡度和500 hPa垂直速度，贡献了22.9%和18.2%。从图4a可见，在西北太平洋东部600 hPa存在大的相对湿度负异常区域。分析发现，比湿的减少导致相对湿度的减少，与西北太平洋异常反气旋南侧的东风(图略)将东侧的干空气输送到该地区上空有关。垂直速度与相对湿度存在高相关，因此相对湿度减少一般伴随着异常下沉运动。西北太平洋中下层(850 hPa)为异常反气旋，20°N以南为显著的东风异常 (图4c)，对流层上层为气旋性环流异常(图4e)，其南侧(TC生成频数减少区域)为西风异常，这样的上下层环流配置，使西北太平洋东部的垂直风切变显著增大。

图3 潜在生成指数在7—10月的气候态(a)、El Nio衰减年TC生成频数偏少(b)和偏多(c)两种情形的异常空间型(红色和蓝色填色部分为通过α=0.1的显著性检验)Fig.3 The climatological mean of MWGPI from July to October (a); anomalous fields of MWGPI in the post-El Nio period from July to October for the composite events in the case of (b) less TC and (c) more TC (The red and blue shading parts indicate that the significance exceeds 90% confidence level)

表2 环境要素异常对δMWGPI的贡献Table 2 Contributions of anomalous environmental factors to δMWGPI

在TC生成频数偏多情形下，600 hPa相对湿度增加对MWGPI正异常的贡献最大，达64.3%。对流层中层垂直速度(对流增强)贡献了30.0%，对流层低层绝对涡度贡献了23.1%。相对湿度增加与南海对流层中低层的气旋性异常环流 (图4d)有关，其周围的的高湿空气向该地辐合，导致比湿增大，造成相对湿度的正异常，垂直速度的正异常(图4b)，即对流运动增强，也与气旋性环流异常有关。对流层高层200 hPa的环流异常信号在南海地区较弱，使垂直风切变异常信号较小(图4f)。

最大可能强度对西北太平洋TC生成频数在东南部海域异常减少和南海及菲律宾群岛附近异常增加都为负贡献。这与西北太平洋绝大部分区域海表温度变化是异常大气环流强迫的作用有关。对流层低层西北太平洋大范围的异常反气旋(图4c)使西北太平洋绝大部分区域海表温度升高(图略)，最大可能强度显著增加(图4g)，东侧的减少不显著，对TC生成影响小。同样，南海地区的最大可能强度减小(图4h)，对该区域的TC 生成频数增加也没有贡献。

值得注意的是，热带气旋潜在生成指数最早由Emanuel， et al[8]提出，是综合影响TC生成的多环境要素拟合出来的指数[9-11]，用于描述北大西洋TC生成频数的气候态， 宽阔洋面上的TC生成频数变化也能较好表述。但在(5°～15°N，110°～150°E)范围，下垫面较为复杂，且与西北太平洋暖池高度重合，可能包含了一些非线性的过程影响着TC生成，TC潜在生成指数在该地区不能很好描述TC生成频数的异常特征[12-13]。图4a、4c、4e和图4g显示，南海与菲律宾附近海域，垂直风切变、最大可能强度和相对湿度对TC的生成具有促进作用，绝对涡度抑制TC生成，从而使TC生成频数的正异常不显著(图2b)，即该区域，潜在生成指数高估了垂直风切变和最大可能强度的作用。而TC生成频数显著正异常发生在南海与菲律宾附近海域的情形(图2c)，TC潜在生成指数异常与实际较为吻合(对比图3c与图2c)，该情形下，相对湿度的影响最大，绝对涡度也是正的贡献。可见，TC潜在生成指数能否较好描述TC生成频数异常与各环境要素的影响大小有关，同一区域内，由于抑制和有利于TC生成环境要素的作用效应相对不同，使TC潜在生成指数对实际TC生成频数异常的表述出现一定的不稳定性。

图4 El Nio衰减年7—10月TC生成频数偏少(a、c、e、g)和偏多(b、d、f、h)两种情形下环境要素异常合成(打点表示阴影通过α =0.05的显著性检验;网状填充表示相对湿度通过α =0.05的显著性检验; 风场只显示通过α =0.1的显著性检验部分;黄框为主要研究区域): (a、b) 500 hPa垂直速度异常(阴影， 单位: -1.0 Pa·s-1)和600 hPa相对湿度异常(等值线， 单位: %);(c、d)850 hPa绝对涡度异常(阴影， 单位: 10-5s-1)和850 hPa水平风场异常(箭矢， 单位: m·s-1);(e、f)垂直风切变(阴影， 单位: m·s-1)和200 hPa水平风场(箭矢， 单位: m·s-1); (g、h) 最大潜在风速(阴影， 单位: m·s-1)Fig.4 Composite events in the case of less TC (a，c，e，g) and more TC (b，d，f，h) over the western North Pacific in the post-El Nio period from July to October (The stippling indicates the significance of shading exceeding 95% confidence level，the net shape indicates the significance of relative humidity exceeding 95% confidence level and only the wind vector anomaly abovethe 90% confidence level is shown; yellow box is the main research area): (a， b)anomalous fields of vertical velocity (shading， unit:-1.0 Pa·s-1) at 500 hPa and relative humidity (contour， unit: %) at 600 hPa; (c， d) absolute vorticity (shading， unit:10-5s-1) at 850 hPa and wind vector (arrow, unit: m·s-1) at 850 hPa; (e， f) vertical wind shear (shading， unit: m·s-1) and wind vector (arrow, unit: m·s-1) at 200 hPa; (g， h)the max potential intensity (shading， unit: m·s-1)

图5 El Nio衰减年7—10月TC生成频数偏少(实线)和偏多(虚线)两种情形的西北太平洋异常反气旋指数 Fig.5 WNPAC in the post-El Nio period from July toOctober for the composite events in the case of less TC (solid line) and more TC (dotted line)

图6 TC活动日数在7—10月的气候态(a)以及El Nio衰减年两种情形下TC活动日数异常合成(b、c)(深灰色和浅灰色阴影为通过α =0.05的显著性检验， 单位:次·a-1) Fig.6 The climatological mean of TC days from July to October (a); anomalous fields of TC days in the post-El Nio period fromJuly to October for the composite events in two conditions (b，c) (Dark gray and light gray shading parts indicatethat significance exceeds 95% confidence level, unit: number·a-1)

西北太平洋反气旋指数(15°～25°N， 115°～150°E，850 hPa流函数)异常合成[20]结果显示(图5)，TC生成频数偏少情形，反气旋指数在整个TC活跃季为大的正异常，抑制了TC成。TC生成频数偏多情形，反气旋指数在El Nio次年都为小的正异常，8月转为负值，形成有利于TC生成的气旋性环流异常。

3 El Nio衰减年热带气旋活动的差异性

利用与TC生成频数相同的插值方法，将热带气旋活动日数(TC days)[21]插值到网格中。图6a显示，我国台湾岛东侧的TC活动最为频繁，平均每年TC活动在5 d以上。在TC生成频数偏少的情形中，绝大部分地区TC活动日数相比气候态偏少(图6b)，即使有偏东风引导气流的存在(图7a)，西北太平洋东部TC生成频数减少，使得整体TC活动减弱。而TC生成频数偏多的情形中，整个西北太平洋TC活动增强(图6c)，在中国南海以及菲律宾近海最明显，主要因为该地区TC生成频数显著增多。

除了TC生成频数和TC活动日数之外，其他TC活动也存在较大差异(表3)。在TC生成频数偏多的情形下，登陆中国大陆TC频数偏多(由于涉及二次登陆问题，不包括登陆台湾省以和海南省)，这与TC生成频数偏多以及广东和福建沿岸的东南风异常(图7b)有关，其次强TC也是偏多，这也与TC生成频数偏多有关。可见，在这种情形下TC的活动对我国影响更大，更值得我们去关注。

4 结论

本文采用JTWC的热带气旋最佳路径数据和ECMWF提供的ERA-5再分析资料，着重分析了El Nio衰减年西北太平洋TC生成频数偏少和偏多两种情形下的TC活动，得到以下结论：

表3 El Nio衰减年两种情况TC活动特征Table 3 Characteristics of TC activities in two types of El Nio decaying years

表3 El Nio衰减年两种情况TC活动特征Table 3 Characteristics of TC activities in two types of El Nio decaying years

区域登陆中国大陆TC平均频次/(次·a-1)强TC平均频次/(次·a-1)总TC平均生命史/h登陆中国后TC平均生命史/ hTC生成频数偏少0.22-2.18-14.98-6.31*TC生成频数偏多1.72**2.57*1.13-1.71偏多-偏少1.50*4.75**16.114.60气候态5.0311.93141.8122.71

注:*和**分别表示通过α =0.1和α =0.05的显著性检验．(1) TC生成频数偏少的情形，TC生成频数的偏少主要体现在东部海域(15°～25°N， 140°～150°E)和(5°～25°N， 150°～170°E)，600 hPa相对湿度的负异常、垂直风切变的正异常、绝对涡度的负异常以及异常的下沉运动是引起TC生成频数减少的主要原因，相对湿度的减少与西北太平洋异常反气旋南侧的东风将东侧的干空气输送到该地区上空有关，850 hPa反气旋性异常环流南侧东风异常和200 hPa气旋性异常环流南侧西风异常这种上下层异常环流配置，使西北太平洋东部的垂直风切变显著增大。

图7 El Nio衰减年两种情形下7—10月引导气流异常的合成(红色矢量代表通过α =0.1的显著性检验):(a)TC偏少;(b)TC偏多Fig.7 Anomalous fields of guide wind in the post-El Nio period from July to October for the composite events in two conditions(The red vector indicates that the significance exceeds 90% confidence level):(a) less TC; (b)more TC

(2) TC生成频数偏多的情形，TC生成频数的偏多主要体现在中国南海和菲律宾近海(15°～25°N， 110°～120°E)和(5°～25°N， 120°～130°E)，600 hPa相对湿度的正异常是引起该地区TC增加的最主要原因，600 hPa存在的气旋性异常环流使周围的水汽向南海地区辐合。对比两者的WNPAC指数发现，在8月之前均为正值，因为西北太平洋850 hPa存在着巨大的反气旋异常，抑制着该地区TC的生成。在8月之后，TC生成频数偏多的情形下WNPAC逐渐减弱消亡，转为气旋性异常环流，TC活动增加。对比两种情形TC活动发现，TC生成频数偏少的情形下TC活动日数偏少，与东部TC生成频数偏少有关。TC生成频数偏多的情形下登陆中国大陆TC频数偏多以及南海TC活动日数的增加，原因是南海地区TC生成频数偏多和广东和福建沿岸的东南风的正异常。

(3) 若对1970—2018年所有年份7—10月的TC活动进行研究，以同样分类的标准可以将其分为TC生成频数偏少和偏多的两种情形。对比发现，在TC生成频数偏少情形，所有年份合成在空间上与El Nio衰减年不同，前者TC生成的负异常发生在西北太平洋东部海域和南海，而后者主要发生在西北太平洋的东南部海域，南海和菲律宾群岛附近有不显著的正异常出现，这些特征与环境要素异常分布相对应。同样，TC生成频数正异常所有年份合成在空间上与El Nio衰减年也表现出不一样的特征。

本文研究的TC样本数虽然都只有4 a，但是TC生成频数偏少和偏多都是显著的，这是本文研究的基础。结果是否具有普适性，期待今后在有更多的样本条件下，证实两种情形的差异性。另外，还发现两种情形下，印度洋海表温度有较为明显的差异，即TC生成频数偏少情形，热带印度洋海表显著增暖，TC生成频数偏多情形，热带印度洋海表温度异常信号弱，这表明，El Nio衰减年，西北太平洋TC活动的差异与印度洋有关，下一步工作将深入探讨El Nio衰减年印度洋海表温度差异形成的原因。