近160年西北太平洋副高的年代际变化及其对台风年际变化的影响

柴博语 ，徐峰 ，徐建军 ，韩利国 ，陈思奇 ，李雅洁 ，季倩倩 ，杨金艺 ，张韶晶

(1. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2. 广东海洋大学南海海洋气象研究院，广东 湛江 524088)

1 引言

在西北太平洋生成的热带气旋(TC)约占全球海洋生成热带气旋总数的36%[1]，常对我国造成比较严重的影响。因此，对西北太平洋台风的研究是目前的一个热点课题。在全球变暖的长时间尺度背景下[2]，在西北太平洋，台风的活动路径和影响范围发生了明显的变化[3-7]，如果我们能够对百年以来台风的活动进行深入研究，从气候变化的年代际时间尺度上探究副热带高压的变化对台风活动逐年变化的影响机制，从而找出其中的变化规律，推测台风活动的变化趋势，对于东亚地区乃至全球TC活动变化的防范和预测将是十分有意义的。

西北太平洋副热带高压(Western North Pacific Subtropical High, WNPSH)是影响台风等天气过程的重要系统之一。陈思奇等[8]通过对副高强度指数和副高面积指数求平均值定义了西太副高综合指数，发现1950—2018 年期间副高强度存在年代际突变，1977年为分界点。慕巧珍等[9]和龚道溢等[10]研究了WNPSH 强度、北界、西界的变化，发现其强度、北界有显著的40 a 周期，西界有显著的16 a 周期。吴国雄等[11]通过对质量通量的计算研究了Hadley 环流与WNPSH 的关系，结果表明，近地层WNPSH 脊线上Hadley 环流表现为一致的下沉运动，导致大气增暖变干，天气晴好，抑制水汽辐合，WNPSH 增强。JIANG 等[12]的研究表明，随着年份的变化，Hadley 环流下沉支中心存在南北方向的变化，Walker 环流的上升支存在东西方向的变化，这种变化会对WNPSH的强度产生影响。总体而言，夏季(7—9 月)西北太平洋副热带高压（WNPSH）存在年代际变化，其在1980年代后明显增强[13]，控制的范围向西扩张增大[14]。

现有很多对台风活动变化及WNPSH 与台风之间变化关联的研究。TU 等[15]研究了台风季西北太平洋上台风的潜在破坏指数（PDI）的年代际变化，发现以1998 年前后为转折点，在这之后，PDI 指数明显升高，台风的潜在破坏能力明显增强，西北太平洋台风影响的区域也随之扩大，像“布拉万”、“利奇马”、“玲玲”、“黑格比”、“巴威”这种路径先西北行后转正北，严重影响我国东部或朝鲜半岛的强台风，在夏季，尤其是8 月有增多的趋势，这些现象与副高的控制范围和脊线的位置有着十分重要的关系[16]。林春辉[17]利用中国气象局1884—1985 年的台风资料，发现随着WNPSH控制范围北抬，南海区域台风的影响频率将有所下降，而我国东海、朝鲜半岛受台风影响的频率有所上升。HO等[18]发现夏季WNPSH在年代际上明显增强，而热带气旋的引导气流会受副热带高压边缘的控制，从而引导台风向纬度更高的区域移动，增加台风在东亚侵袭纬度更高的区域的可能性。慕巧珍等[19]对WNPSH 近百年四季的变化进行了研究，发现WNPSH与影响我国的台风降水有密切关系，可能有包括30 a周期在内的多种周期，且各区域周期不一致。

CMIP(CoupledModelIntercomparison Project)数据着眼于在不同情景下的地球系统如何响应外强迫，并对未来气候变化的趋势进行预测评估，前人已将CMIP 系列数据运用于台风、ENSO、IOD 等的研究当中[20]。SONG 等[21]将CMIP5 和CMIP6 模式数据进行了对比模拟分析，结果表明，CMIP6 数据更能反映对存在周期的标量观测结果。WANG等[22]利用CMIP5模式模拟年平均态的Hadley 环流。BROWN 等[23]、GE 等[24]分析了CMIP5 耦合模式中ENSO海温异常纬向空间分布的模拟偏差,发现El Niño 事件暖海温的异常区域的实际位置比模拟偏东，这会影响WNPSH的范围和强度。

2 数据与方法

2.1 研究数据来源

研究所用台风资料来自国际气候管理最佳档案IBTRACS（http://ibtracs.unca.edu/），该数据包括热带风暴位置和强度的相关物理量，间隔为6 h，记录了1884—2020 年在西北太平洋发生发展的4 193 个热带气旋，用于台风发生年平均时长、年频率及台风路径经纬度的研究。

500 hPa 高度场数据利用了国家气候中心(Beijing Climate Centre，BCC) 的 BCC-CSM2-MR_historical_r3i1p1f1 和法国国家气象研究中心（National Centre for Meteorological Research，CNRM）的CNRM-CM6-1_historical_r2i1p1f2 两套CMIP6 数据与ERA5 数据(https://cds. climate.copernicus.eu/)进行对比，数据建立在温室气体、太阳常数、火山活动、臭氧和气溶胶的强迫同历史观测值一致的基础上进行模拟，为1861—2014 年的月平均资料，空间分辨率约为1 °×1 °，垂直方向共分19层。对于500 hPa高度场2014年之后的数据则选取分辨率为0.25 °×0.25 °的ERA5 数据进行衔接，从而与IBTRACS 台风数据(https://climate.copernicus.eu/climate-data-store)终止时间对齐，用于1861—2020年WNPSH的研究。

此外，本研究还运用了1948—2020 年的NCEP 垂直速度数据(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)，分辨率为2.5 °×2.5 °，并且通过动力学方法将1861—1947 年的垂直速度数据利用u、v风场计算出来[25]。u、v风场数据采用了CMIP5 国际耦合模式比较计划中的GFDL-ESM2M_historical数据，时间分辨率为1 d，空间分辨率约为2.0 °×2.5 °，垂直方向分为8层(所用CMIP 数据均来源于https://esgf-node.llnl.gov/projects/)。水平和垂直风场数据用于Hadley 环流和Walker环流的上升、下沉区域的研究。

2.2 研究思路与方法

2.2.1 思 路

研究先关注1861—2020 年西太平洋区域500 hPa 高度场的变化趋势，并分析1910—2020 年各区域500 hPa高度场与台风到达的最低经度、最高纬度之间的相关系数。定义500 hPa 高度场变化的关键区，进行小波分析，再对1884—2020年西北太平洋台风活动的年平均时长和年频数进行分区域、分时间段分析，探究百年来西北太平洋台风每年的影响时长在各区域是否存在显著的变化。再分析1861—2020 年Hadley 环流下沉支及Walker环流上升支对WNPSH的影响，并通过曲线估计对副高关键区的500 hPa 高度场进行模拟。探究我国华东、华南区域百年来台风频数的变化受以上哪种因素的影响较大，并通过曲线估计对华东、华南地区受台风影响的年频数进行模拟。

前人的研究表明，我国华东地区和华南地区台风影响频率的变化趋势不具有一致性，应分开讨论，因此在台风对我国沿海区域的影响时间的研究过程中，将华东地区、华南地区分别进行讨论，华东地区选取范围为118～124 °E，27.0～40.5 °N；华南地区选取范围为108～118 °E，16～24 °N。由于1910年之前台风的观测范围有限，因此计算涉及台风最西经度、最北纬度信息的物理量时选取1910年以来的台风数据。

2.2.2 方 法

在对台风影响年平均时长的分析中，采用了均值T检验来对标量进行显著性检验。在计算副高关键区高度场的年代际变化时，采用1861—2020 年每10 年该区域7—9 月季节平均高度场的平均值表示关键区500 hPa高度场的年代际变化，而对副高北界和西脊点的研究中则通过最小二乘法来提取线性趋势。在对关键区进行小波分析时，首先对关键区500 hPa高度场进行了空间上的平均和时间上7—9 月的季节平均，从而研究其时间变化，母小波类型采用了Morlet小波，并加入了红噪声检验和卡方检验（Chi-square test）。在计算相关系数时，选取各网格点上1910—2020 年500 hPa 高度场7—9 月季节平均的时间序列与台风对应年份所到达的最北纬度、最西经度的时间序列进行计算。

在对影响副高的机理的研究过程中，计算垂直速度为比较关键和困难的一步，由于垂直速度的数据不具备160年的长度，因此利用动力学方法通过u、v将垂直速度计算出来，主要用到的动力学公式[26]为：

其中，D为水平散度。

在对关键区高度场以及华东、华南地区受台风影响的年频率进行拟合时，采用气候统计学上的曲线拟合，设因变量为自变量的三次函数，表达式为：

并将不显著的项忽略，最终得到多元三次的拟合方程。

3 WWNNPPSSHH 对西北太平洋台风年际变化的影响

3.1 近160 a西太副高年代际变化特征

3.1.1 气候统计特征

将CNRM-CM6-1_historical_r2i1p1f2 及BCCCSM2_MR_historical_r3i1p1fl 两套CMIP6 数据中1860—2014年台风活跃季（JAS）500 hPa高度场的平均值数据分别与衔接的2014—2020年台风活跃季500 hPa 高度场平均值ERA5 数据进行差值计算（图1），对比选出适合进行衔接且精度较高的数据。

图1 1861—2014年BCC（a）、CNRM（b）与2014—2020年ERA5高度场数据差值（单位：10 gpm）

如图1 所示，在中低纬BCC 数据差值远小于CNRM 数据，效果更好，适合进行衔接使用。由于台风主要发生在夏季，因此对1860 年以来台风活跃季（7—9）月西北太平洋500 hPa 高度场进行单独分析，台风活跃季（JAS，7—9月）500 hPa高度场的数据利用了效果较好的BCC-CSM2-MR_historical_r3i1p1f1数据，结果如图2所示。

图2 1861—1880年(a)、1881—1900年(b)、1901—1920年(c)、1921—1940年(d)、1941—1960(e)、1961—1980年(f)、1981—2000年(g)、2001—2020年(h)西太平洋7—9月500 hPa高度场分布气候态

图2 为西北太平洋及欧亚大陆部分地区1861—2020 年台风活跃季（7—9 月）500 hPa 高度场的气候态变化CMIP6 模式输出的500 hPa 高度场显示588 线北抬趋势明显，1980 年后北抬速率可达1 °/（20 a）（图3b）。588 线控制范围存在扩大的趋势，尤其是1980年代之后。WNPSH西脊点明显西伸，脊线位置先北抬后南压，稳定在27 °N 附近。这样的变化有利于引导台风的影响区域向纬度更高的方向扩展，增加了台风影响我国华东沿海的概率。

图3 500 hPa高度场关键区的平均位势高度场的时间序列（蓝线）及年代际变化（橙色虚线）图(a)；588线北界变化的时间序列（蓝线）及趋势（橙线）图(b)；WNPSH西脊点变化的时间序列（蓝线）及趋势（橙线）图(c)

定义表示副高变化的关键区。将近160 a 7—9 月台风活跃季期间副高西脊点到达的最东端定义为关键区的东界（152 °E），到达的最西端定义为西界（81 °E），副高脊线到达的最北端（31.5 °N）定义为关键区的北界，最南端(22.5 °N)定义为南界，将该区域台风活跃季（JAS）500 hPa 平均高度场的年变化以及年代际变化表示出来，并与1861—2020 年7—9 月500 hPa 平均高度场588 线到达的北界以及西脊点进行对比（图3）。

如图3a 所示，近160 a 来关键区500 hPa 高度场变化情况主要可分为3 个阶段，1940 年代前变化比较平稳，从1940 年代起呈波动上升趋势，在1980年代后上升速度明显加快且之后维持在较高水平，21 世纪初达到最大，之后又略有下降，但仍处高位。588 线北界在1980 年之前无明显变化，但在1980 年之后588 线北界明显北抬；同时，与之对应的WNPSH 西脊点的变化在1980 年前后也发生了突变，1980 年前，西脊点经度略有降低，但不明显，而1980 年后西脊点经度呈迅速降低趋势。500 hPa关键区平均高度场越高，588线越靠北，西脊点经度越低，台风活动越偏西偏北，台风对我国的影响的可能性越大，而大洋上由于副高较强，总体台风生成频率可能减小。

为了研究具体的500 hPa 高度场对西北太平洋台风活动位置的影响，分别对1910 年以来500 hPa高度场与台风到达的最北纬度、最西经度的相关系数进行了计算（图4）。

图4 1910—2020年台风所到达的最北纬度(a)和最西经度(b)与500 hPa高度场的相关系数分布

结果表明：500 hPa 高度场与台风到达的最北纬度、最西经度的相关性大致以40 °N 为界，南北两侧关系相反，台风到达最大纬度与500 hPa高度场的相关系数在40 °N 以北为负值，40 °N 以南为正值，这是由于40 °N以南区域为副高主体活动区域，当500 hPa高度场升高，副高加强时，利于台风的北上。同样，40 °N 以南区域平均500 hPa 高度场和台风到达的最小经度均呈现显著负相关，当副高越强时，台风影响范围越偏西，越容易登陆，副高在我国东部较弱时，脊线偏东，则台风更易影响日本一带；而在我国40 °N 以北地区，由于该区域不属于我国夏季副热带高压的控制范围，500 hPa 高度场的数值本身就比较低，因此当副高移近，500 hPa 高度场数值升高时，台风才有可能影响该区域，因此相关系数数值为正。

总的来说，通过副热带高压、副高西脊点和脊线位置的年代际变化来对台风的活动范围进行研究，具有一定的实际意义和研究价值。

3.1.2 关键区小波特征分析

关键区500 hPa 高度场发生变化会改变台风对我国乃至东亚沿岸地区的影响情况，因此对这一区域的500 hPa高度场进行小波分析（图5）。

图5 副高关键区1860年以来500 hPa平均高度场变化小波分析通过0.10显著性检验的区域用黑点标出。

小波分析表明，西北太平洋500 hPa高度场变化关键区的500 hPa平均高度存在以2～4 a为主的周期变化，这与ENSO 的周期变化相一致。但是，并不是每一阶段的周期性变化都通过了显著性检验，且在1980 年代前后出现了高度场周期性变化的中断（蓝色方框标出）。这证明了1980年代前后同样也是WNPSH周期性变化的一个间断点，在此之后，WNPSH 明显增强，此后又在一个新的强度上呈现一定的周期性变化，影响我国的WNPSH是一个以2～4 a周期为主的波动增强的过程，与之相对应的台风造成的影响可能也是波动的过程。

3.2 近百年西北太平洋台风活动特征及其与西太副高年代际变化的关联

3.2.1 近百年西北太平洋台风年影响时长分析

将台风影响区域分为整个西北太平洋以及华东、华南三个，分析1884年以来台风影响的年平均时长。陆晓婕等[27]发现1980年代前后为影响我国沿海地区台风频率的转折点，同样，陈思奇等[8]也发现1970年代后期为副高强度变化速率加快的转折点，与上文结论相近。因此，选取1975年作为年代的分界点，另一个分界点选取1930 年，可将1884—2020 年整个时段三等分，1884—1930 年为年代一（N1），1930—1975 年为年代二（N2），1975—2020 年为年代三（N3），在假设均值相等的前提下，进行独立样本T检验，通过方差的等值（后文统一称为Sig）对比三个年代台风影响年平均时长的时间序列是否存在显著差异，并进行显著性检验，结果如表1 所示。显著性Sig (a,b)表示在a,b两年代间台风活动的项目存在差异的显著性数值，当显著性Sig ＜0.1时，认为原假设不成立。例如华东地区，三个年代对比Sig 均小于0.1，说明该区域三个年代之间的台风影响时长均存在显著差异。

表1 假设均值相等的前提下台风发生年平均时长百年来变化情况

由表1 第一行可知，在西北太平洋上，1884—1930 年台风的影响总时长较短，而1930—1975 年间台风影响总时长明显增加，1975 年之后同1930—1975年这段时间相比影响时长有所下降。但是对于我国沿海地区来说却不是这种情况，在我国很多沿海地区，随着近年来台风活动范围的向北、向西扩张，其受台风影响的年平均时长有所增加，尤其是华东沿海地区，台风影响的年平均影响时长的增加比较显著，而华南地区台风影响的年平均影响时长变化不像华东那样显著。

3.2.2 近百年西北太平洋台风年频数分析

按照上述年代的分段标准，对比三个时段西北太平洋、华南地区、华东地区的台风年频数，即每年进入区域内的台风的个数结果如表2 所示。显著性Sig (a,b)表示在a,b两年代间台风活动的项目存在差异的显著性数值，当显著性Sig＜0.1 时，认为原假设不成立。

表2 假设均值相等的前提下台风发生年频数百年来变化情况

1930年后，各区域台风年频数均显著增加，而1975 年之后与1930—1975 年这段时间相比，整个西北太平洋地区和华南地区台风发生的年频数无明显变化，华东地区台风发生的年频数有所增加。

结合表1、表2 可得出，1930 年之后各区域台风年平均影响时长和年频率均增加；以1975 年为界，整个西北太平洋台风年平均影响时长下降但发生年频率无明显变化，说明整个西北太平洋上单个台风的生命周期有所减小，这可能与近些年台风活动纬度升高造成台风不易存活过久相关，也可能与WNPSH 强度的变化相关[16]；华南地区台风年影响时长和年频数仅略有下降而未通过检验，无明显变化；华东地区台风年影响时长和年频数均增加，说明华东地区受台风活动影响的时长和年频数均呈上升趋势。后文将通过影响WNPSH 的机制的变化来研究WNPSH 与西北太平洋台风间的相关关系，进行更深入的研究。

3.2.3 近160 a WNPSH对台风影响机制分析

WNPSH 所在区域为Hadley 环流的下沉支所在区域，Hadley 环流下沉支越强，越利于副高增强。而Walker环流所在的上升支位于120～160 °E的赤道上，当西太暖池较强，季风槽较活跃时，赤道上Walker 环流的上升支也越强，这种情况会使得副高位置偏西偏北[28],利于台风影响我国。对120～160 °E，0 °～40 °N 的Hadley 环流进行v-w风合成分析，得到1861—2020 年120～160 °E 纬向平均下，0 °～40 °N 的Hadley 环流的平均状况（图6a）。同样，为了研究Walker 环流上升支，对1861—2020 年120～160 °E 的赤道上的平均u-w风也进行了合成分析（图6b）

图6 1861—2020年120 °～160 °E纬向平均，0 °～40 °N的v-w风合成分析(a)，1861—2020年120～160 °E赤道上平均u-w风合成分析(b)

如图6 所示，160 a 平均下的Hadley 环流在热带上升，副热带下沉，在21～31 °N，850 hPa以上为下沉的大值区。而赤道上的Walker环流上升支在120～160 °E 上分为了两支，一支位于122～127 °E的850 hPa 以上区域，一支位于150～155 °E 的850 hPa以上区域，计算Hadley环流下沉支的大值区域（图6a 中蓝色方框表示的区域）160 年来下沉运动的平均值的变化，定义为wh，以及两个Walker 环流上升支的大值区域（图6b 中蓝色方框表示的区域）的平均值160 年来上升运动的变化，定义为ww。同时，将上文关键区的500 hPa 平均位势高度场定义为h，经计算，h与wh的相关系数达到了0.151，通过了0.10 显著性检验；与ww的相关性达到了-0.172，通过了0.05 显著性检验。以年份t、wh、ww作为自变量，通过气候统计学上的曲线拟合对h进行模拟和预测，得到h的拟合方程（3）为：

可看出，关键区500 hPa 高度场h随年份波动变化，呈上升趋势，且当wh较大时，副热带下沉作用较强，副高较强，h较大；当ww较小时，Walker 环流上升支较弱，存在w的正异常，副高较强，h较大。通过该模拟结果与wh、ww、h的实际结果进行对比，如图7所示。

图7 wh(a)、ww(b)、h (c)的年变化（蓝线）及模拟结果（c中橙色点线）

通过图7 可看出，wh与ww对500 hPa 高度场关键区h的变化趋势的模拟具有一定的指示意义，但对于1980年后关键区高度场的突变模拟得不如实际变化幅度大。h在趋势上的升高，尤其是1980年代后的爆发性增长利于台风活动路径偏西偏北，从而登陆我国。

计算wh、ww、h与华东、华南地区台风发生年频率的相关系数，判断对于我国特定的华东、华南区域，台风频率的变化究竟受哪些具体的机制影响（表3）。

表3 wh、ww、h与华东、华南地区台风发生年频率的相关系数

由表3 可知，对于我国华东地区，台风发生年频率主要受500 hPa 关键区高度场h的直接影响，而对于我国华南地区，台风发生年频率与h的关系不大，与Hadley 环流下沉支wh以及Walker 环流上升支ww存在关系。

根据上述结果，通过曲线估计方法建立曲线方程，利用相关系数通过显著性检验的变量模拟华东、华南台风个数的变化趋势fe、fs，其中华东台风年频数（fe）用时间t和500 hPa 关键区高度场h来表示，华南台风年频数（fs）用时间t、Hadley 环流下沉支wh、以及Walker 环流上升支ww来表示。得到1884 年以来华东、华南的台风发生年频数的变化趋势情况fe（公式（4）），fs（公式（5）），并与华东、华南地区1884 年以来台风发生的实际频数进行对比（图8）。

图8 影响华东区域(a)、华南区域(b)台风的年频数（蓝线）及年频数变化趋势的模拟（橙色点线）图

由图8可看出，华东地区台风影响年频数始终存在上升趋势，1980 年之后影响年频数易出现较大的极值，模拟值也相对较高；而华南地区台风影响年频数则在1940 年代有一个跳跃式的增长，且在1960—1980 年代达到最高峰，此后华南地区台风影响年频数有所下降。

总的来说，h与wh、ww存在显著的相关关系，且三者与影响我国的台风也存在相关性。方程（4）、（5）的模拟结果可以大致反应台风影响年频率的变化趋势，具有一定的指示意义。

4 结论与讨论

4.1 结 论

（1）BCC-CSM2_MR_historical_r3i1p1fl 数据与ERA5数据在热带和副热带的差值较小，精度较高，模拟结果表明：1860年以来，WNPSH存在波动增强的趋势，尤其是1980 年之后，变化更加明显，其面积和北界、西界的范围明显扩大，但副热带高压脊线的纬度变化不大，一直维持在27 °N 左右。近百年来500 hPa 高度场与台风所到达的最大纬度、最小经度的相关系数分布在40 °N南北两侧相反。副高关键区的平均高度场主要以2～4 a 的周期波动上升，这种情况利于台风活动区域向西向北拓展，从而增加了台风影响我国的概率。

（2）近百年来，各区域1930 年后台风影响时长和年频数均增加；而1975—2020 年时段西北太平洋台风年平均影响时长与1930—1975年时段相比有所下降，但发生年频率无明显变化；华南地区的年影响时长与年频数没有明显变化；但我国华东沿海地区台风的年影响平均时长与年频数均显著增加，与WNPSH近160 a来的变化相关显著。

（3）WNPSH 关键区的平均500 hPa 高度场h与Hadley 环流下沉支垂直速度wh呈显著正相关，与Walker 环流上升支平均垂直速度ww呈显著负相关。华东地区受台风影响的年频数与h显著相关；而华南地区受台风影响的年频数则与wh、ww显著相关。并且，用t、h作为自变量进行曲线估计可以较成功的模拟华东地区的台风影响的年频数；用t、wh、ww作为自变量进行曲线估计可以较成功的模拟华南地区的台风影响的年频数。

4.2 讨 论

研究通过副热带高压的强度、西脊点和脊线位置的年代际变化来对台风的活动范围进行研究，具有一定的实际意义和研究价值。并且，WNPSH 与Hadley 环流下沉支及Walker 环流上升支之间存在显著的相关关系，这种相关关系对于WNPSH 的强度及影响我国的台风活动具有一定的指示意义。此外，存在其他造成WNPSH和台风活动变化的外界强迫，如辐射、热通量等，也值得进行进一步的研究和讨论。