西北太平洋厄尔尼诺年与拉尼娜年的热带气旋路径对比

桂辛未,李自强,张水平,孟昭祎,高淑敏,王士成,韩树宗*

(1.中国海洋大学海洋与大气学院,山东 青岛 266100;2.61741部队,北京 100094;3.国防科技大学气象海洋学院,湖南 长沙 410073)

引 言

热带气旋是发生在热带和亚热带地区海面上的低压、气旋性漩涡。在西北太平洋及其沿岸地区称为台风,按照其强度可划分为热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)、超强台风(SuperTY),台风以上等级的热带气旋因最大平均风速超过32.7 m/s而具有很强的破坏性。台风灾害是全球发生频率高、影响严重的自然灾害之一,台风的到来伴随着大风、降雨、风暴潮等[1],更有泥石流、洪水等二次灾害发生的可能,每年在全球造成大量的人员伤亡及经济损失。而西北太平洋更是发生频率最高,强度最强的地方,数量占全球总数1/3以上,更有半数以上的热带气旋发展成台风[2]。中国位于太平洋西岸,是受台风影响最严重的国家之一,不仅在经济方面损失惨重,甚至造成巨大人员伤亡。因此对西北太平洋台风的特点进行分析,掌握其路径规律,对正确预测台风是非常有必要的。

厄尔尼诺现象主要指太平洋东部和中部热带海洋的海水温度异常地持续变暖,使整个世界气候模式发生变化,造成一些地区干旱而另一些地区又降雨过多。反厄尔尼诺现象,又称拉尼娜现象,与厄尔尼诺现象正好相反,都是热带海洋与大气共同作用的产物。

很多学者和机构对西北太平洋的热带气旋活动进行过研究。陈世荣[3]对1949—1986年西北太平洋上生成的热带风暴进行统计,得出热带风暴的三个主要源地。刘欢等[4]对1990—2009年西北太平洋热带气旋活动进行分析,得出热带气旋主要影响地区,发生频次以及路径的季节性变化。Wang等[5]通过35年(1965—1999)数据的分析表明在厄尔尼诺夏季和秋季,热带气旋形成的频率在东南象限(0°～17°N,140°～180°E)显著增加,在西北象限(17°～30°N,120°～140°E)显著减少。Wu等[6]等研究发现,相对于正常年,在厄尔尼诺年的9—11月或更晚,除日本和朝鲜半岛外,登陆北太平洋西部的热带气旋数量显著减少。另一方面,在拉尼娜现象的后期,中国可能会有更多的台风登陆。黄荣辉等[7]通过分析西北太平洋热带气旋移动路径的年际变化及其机理,发现西北太平洋热带气旋移动路径有明显的年际变化且与西北太平洋暖池热状态有密切关系。施能等[8]对厄尔尼诺当年与来年的南海台风活动进行了统计,发现厄尔尼诺当年台风偏少,来年偏多,Du等[9]也发现在强厄尔尼诺之后的夏季,尽管当地海面温度变化不大,西北太平洋上的热带气旋数目却明显减少,何敏等[10]也有相似结论。焦梦梁[11]对影响福建省的厄尔尼诺年与拉尼娜年热带气旋进行数量与强度的分析,对比厄尔尼诺年与拉尼娜年热带气旋的频数、高峰期、强台风及超强台风发生时间。李天然等[12]、郑浩阳等[13]通过单个台风分析路径特点。袁金南等[14]、王晨稀等[15]、王秋良等[16]通过不同模式对热带气旋路径集合做预报试验。余锦华等[17]、倪钟萍等[18]对台风路径预报误差进行了分析。Zhao等[19]、Hong等[20]、殷明等[21]和索南巴桑等[22]分析了厄尔尼诺年对西北太平洋热带气旋路径的影响。杨亚新等[23]利用2006—2015年的热带气旋资料,对平常年份下的西北太平洋热带气旋活动特征进行统计分析。

前人已经对西北太平洋的热带气旋活动进行了大量研究,但研究内容主要集中在厄尔尼诺年或拉尼娜年台风数量、强度、路径上,时间范围普遍只有10～30年。本文利用长时间热带气旋最佳路径数据集(1949—2017年),通过定义“年平均次”和“增强区频次”以及细分台风强度等方法,对平常年、厄尔尼诺年以及拉尼娜年对西北太平洋上台风发生频次、路径分布、强度变化等台风特征进行对比研究并总结规律。

1 数据来源及预处理

1.1 热带气旋数据

本文中的台风路径资料取自中国气象局热带气旋资料中心的1949—2017年CMA-STI热带气旋最佳路径数据集(http://www.tcdata. typhoon.gov.cn)。该数据集提供了1949—2017年西北太平洋(含南海,赤道以北,东经180°以西)海域热带气旋每6 h的位置和强度,其中强度包含该气旋的中心最低气压与2 min平均近中心最大风速。该数据集所记录的热带气旋从强度为热带低压开始记录,至热带气旋变性后结束。

1.2 厄尔尼诺年数据

本文参考焦梦梁[11]给出的方法,规定当某一年的5—9月份均处于厄尔尼诺(拉尼娜)事件(用Nino3.4指数表征)时,则为一个厄尔尼诺(拉尼娜)年。Nino3.4指数来自于美国气象预报中心(https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/)。本文选取1949年至2017年中共有14个厄尔尼诺年和15个拉尼娜年,其中厄尔尼诺年分别是:1953、1957、1958、1963、1965、1969、1972、1982、1987、1991、1997、2002、2009与2014年;拉尼娜年分别为:1950、1954、1955、1956、1964、1971、1973、1974、1975、1985、1988、1989、1999、2000与2008年。

2 厄尔尼诺年与拉尼娜年的热带气旋频数统计

2.1 厄尔尼诺年的热带气旋数统计

图1中统计了厄尔尼诺年的热带气旋数与台风及台风以上级别的热带气旋数。经统计,厄尔尼诺年平均每年生成热带气旋31.3个,在厄尔尼诺年生成的热带气旋中,半数以上达到台风等级,平均每年17.5个,占55.9%。

图1 厄尔尼诺年热带气旋统计情况

2.2 拉尼娜年的热带气旋数统计

图2中统计了拉尼娜年的热带气旋数与台风及以上级别的热带气旋数。经统计拉尼娜年每年发生的热带气旋数量平均为35.3个,其中台风及以上等级的热带气旋数量不及热带气旋数的一半,平均每年16.5个,占46.8%。

图2 拉尼娜年热带气旋统计情况

对比图1与图2的数据可以看出,拉尼娜年平均每年产生的热带气旋数量略多于厄尔尼诺年,但平均每年热带气旋强度发展至台风及以上的比例少于厄尔尼诺年。

3 平常年份与厄尔尼诺年和拉尼娜年的热带气旋路径统计

3.1 平常年份热带气旋路径统计

图3显示平常年份热带气旋路径的总体年平均频次分布图(左)与增强区的年平均频次分布图(右),左图中的数值表示每年经过该区域的热带气旋的平均数量,右图中的数值表示每年经过该区域后强度增加的热带气旋的平均数量,浅色区域为分布频次较高的区域,深色区域为分布频次较低的区域。本文用热带气旋的中心气压来衡量热带气旋的强度,定义增强区为热带气旋强度增强的区域即热带气旋中心气压从开始下降至将至最低的部分。从图3可看出热带气旋路径和增强区主要分布在我国南海及菲律宾群岛东侧,其中路径在我国南海分布更集中,增强区的分布在菲律宾东侧更集中。

图3 平常年份热带气旋路径年平均频次分布图与增强区频次分布图

为了进一步观察等级高的台风路径,这里将热带气旋强度为台风等级以下的剔除后再次进行观察。

图4显示了强度为台风以上的平常年份热带气旋路径分布规律(左)与增强区分布规律(右)。从图中可以看出相比于所有强度的热带气旋路径分布,强度为台风以上的热带气旋路径分布偏北,主要集中在15～25°N我国台湾及菲律宾东侧的中低纬地区。

图4 强度为台风以上的平常年份热带气旋路径年平均频次分布图与增强区频次分布图

3.2 厄尔尼诺年热带气旋路径统计

图5显示了厄尔尼诺年热带气旋路径的总体年平均分布频次(左)与增强区的分布规律(右)。从左图中可以看出厄尔尼诺年的热带气旋路径多分布在110°～140°E,10°～20°N的低纬地区,呈东西走向。其中分布频次最大的点主要集中在我国南海北部与菲律宾两侧海域,28.8%的台风经过此处。由右图可见增强区的分布规律与热带气旋路径的分布规律相似,都是集中在10～20°N的低纬地区,与热带气旋路径分布不同的是,增强区的分布在大洋深处更为集中,在我国南海与菲律宾沿岸的分布较为稀疏。

图5 厄尔尼诺年热带气旋路径年平均频次分布图与增强区频次分布图

图6显示出强度为台风以上的厄尔尼诺年热带气旋路径频次分布规律(左)与增强区分布规律(右)。从左图中可以看出,相比于所有强度的热带气旋路径分布,强度为台风以上的热带气旋路径分布主要集中在17～25°N我国台湾及菲律宾东侧的中低纬地区,相比所有强度的热带气旋的路径分布有所偏北,说明强度为台风以上的热带气旋的影响区域也更为偏北,其分布频次的最大值约为所有强度热带气旋分布频次的56%。从右图中可以看出,其增强区域与路径分布区域基本相同,都是集中在17～25°N我国台湾及菲律宾东侧的中低纬地区。

图6 强度为台风以上的厄尔尼诺年热带气旋路径频次分布图与增强区频次分布图

3.3 拉尼娜年热带气旋路径统计

图7显示了拉尼娜年热带气旋路径的分布规律(左)与增强区分布规律(右),左图与厄尔尼诺年的情况相似,其影响区域主要集中在15～20°N的低纬地区,但对比厄尔尼诺年的热带气旋路径分布情况可以明显的看出,在拉尼娜年热带气旋影响我国南海更为频繁,其最大分布频次约为厄尔尼诺年的1.38倍;菲律宾东侧海域的影响频次在数值上与厄尔尼诺年相当。除此之外,在日本南侧海域,拉尼娜年的热带气旋分布频次也高于厄尔尼诺年,其数值约为厄尔尼诺年的1.75倍。右图增强区其分布情况与热带气旋路径分布情况相似,都是集中在低纬地区且在我国海南岛东侧分布较为密集,最高频次达到厄尔尼诺年的1.28倍。

图7 拉尼娜年热带气旋路径年平均频次分布图与增强区频次分布图

图8分别显示了拉尼娜年强度为台风以上的热带气旋的路径分布情况(左)与增强区分布情况(右),从图中可以看出,拉尼娜年强度为台风以上的热带气旋的路径分布情况与所有强度的热带气旋路径分布情况基本相同,都是集中在15～20°N的低纬地区,但其分布区域更窄更为集中。

图8 强度为台风以上的拉尼娜年热带气旋路径频次分布图与增强区频次分布图

3.4 原因探讨

厄尔尼诺年与拉尼娜年台风路径分布频次的规律,究其原因是因为台风路径与副热带高压密切相关。厄尔尼诺年与拉尼娜年副热带高压位置不同导致台风路径集中区域不同,王万里[24]发现,厄尔尼诺期间固体地球自转速度减慢,经向风垂直切变相对加大,副热带高压西脊点将向东位移,拉尼娜期间固体地球自转加快,经向风垂直切变相对减弱,副热带高压西脊点将向西位移,与本文台风路径集中区域一致。可以推断,厄尔尼诺年和拉尼娜年的副热带高压的位置与台风路径集中区的变化有着较为明显的关联。

4 结论

通过对比平常年份、厄尔尼诺年与拉尼娜年发生在西北太平洋的热带气旋的数量及分布情况可以得出以下结论:

(1)厄尔尼诺年的热带气旋年平均产生数量要少于拉尼娜年,其数量分别为每年31.3个与每年35.3个。但厄尔尼诺年相比于拉尼娜年,发展至强度为台风及以上的热带气旋所占比例更高,其比例分别为55.9%与46.8%。

(2)热带气旋路径的分布都主要集中在10～20°N的低纬地区,厄尔尼诺年的热带气旋路径在菲律宾群岛东侧海域更为集中,拉尼娜年的热带气旋路径分布在菲律宾群岛西侧即我国南海海域更为集中。

(3)强度为台风及以上的热带气旋路径分布规律与所有强度热带气旋路径的分布规律相似,但更偏北一些,尤其在厄尔尼诺年偏北现象更为明显。

(4)热带气旋增强区域的分布与热带气旋路径的分布规律基本相同。