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ENSO与西北太平洋强TC相关关系年代际变化研究

2018-09-10陶丽

大气科学学报 2018年5期

摘要利用美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC),中国气象局(China Meteorological Administration,CMA)上海台风所,日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)的台风最佳路径资料以及美国NCAR/NCEP再分析资料等,深入研究厄尔尼诺—南方涛动(El NioSouthern Oscillation,ENSO)与西北太平洋强热带气旋(Tropical Cyclone,TC),即1 min最大风速大于等于114 kn相关关系的变化。结果表明,ENSO与热带西北太平洋(Western North Pacific,WNP)强TC频数之间的相关关系存在明显年代际变化。在1960—1971年期间(前一阶段),强TC年频数与Nio34(11月—次年1月平均)相关性较弱;而在1983—2014年期间(后一阶段)两者的相关性则为强的正相关。并且强TC的年频数、生命史以及生成位置在后一阶段El Nio和La Nia年之间的差异相比前一阶段都有明显的增大。进一步分析发现:热带太平洋海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)的西移是造成后一阶段Nio34指数与强TC年频数相关性提高的关键因素。在后一阶段的El Nio(La Nia)年,SSTA的西移使得WNP东南象限的相对湿度明显增加(减少),从而有利于(不利于)TC在此象限生成。又因为位于东南象限的TC比较容易发展成强TC,因此导致后一阶段的El Nio(La Nia)年有更多(更少)的强TC在西北太平洋的东南象限生成。

关键词西北太平洋;ENSO;强TC;年代际变化

热带气旋(TC)是一种严重的突发性自然灾害。西北太平洋(WNP)是全球TC活动最频繁的海域,平均每年有32个热带气旋生成,同时也是对中国影响最大的海域,因此其TC活动受到普遍关注。许多研究都表明西北太平洋的TC活动不仅具有非常明显的季节内变化,而且存在明显的年际变化。Chen and Huang(2006)发现1964年在西北太平洋有44个TC生成,而到了2010年僅仅有19个TC生成。同样强TC(即1min最大风速大于等于114 kn,简称TC45)的频数也显示出了明显年际变化。例如,在1964和2004年各有12个TC生成,而在1985年则只有1个TC生成(图1)。

之前很多研究也都指出西北太平洋TC活动的年际变化与ENSO(Chan,1985;Lander,1994;Chen et al.,1998;Chia and Ropelewski,2002;Wang and Chan,2002;Camargo and Sobel,2005;余丹丹等,2015;赵海坤和吴立广,2015;钱伊恬和徐邦琪,2016)、印度洋的海表温度异常(Du et al.,2011;Zhan et al.,2011;Tao et al.,2012)、平流层准两年振荡(QuasiBiennial Oscillation,QBO)(Gray,1984a,1984b;Chan,1995;Camargo and Sobel,2010)、热带北大西洋的海温异常(Huo et al.,2015;Yu et al.,2015;霍利微等,2016)都密切相关。虽然TC的年频数与ENSO的相关并不显著,但很多研究都表明ENSO对西北太平洋TC的生成位置分布,TC的生命史以及强TC的年频数都具有很强的调制作用(Wang and Chan,2002;Camargo and Sobel,2005;Kim et al.,2011)。即El Nio发展年西北太平洋季风槽的向东延伸使更多的TC在WNP的东南象限生成,由于这些TC在洋面上的生命史更长,故强度更强,因此与La Nia发展年和正常年相比,El Nio发展年明显有更多的强TC生成。然而最近的研究发现,在El Nio衰减年的春季和夏季,西北太平洋异常反气旋的维持与印度洋的海温暖异常有很强的相关性(Du et al.,2011;Zhan et al.,2011;王美等,2016)。在TC活跃季节(6—10月),这个异常反气旋对西北太平洋的TC生成起到抑制的作用,因此,TC的年频数,特别是弱TC的年频数与印度洋的海温异常呈显著的负相关。

Ashok et al.(2007)、Kug et al.(2009)、Kao and Yu(2009)都在研究中揭示了两种不同类型的El Nio事件。中太平洋El Nio(CPEN)和东太平洋El Nio(EPEN),这两种类型的El Nio对WNP的TC活动有着不同的影响。Kim et al.(2011),Chen and Tam(2010)和Ha et al.(2012)发现西北太平洋的TC在CPEN发展年的频数远大于其在EPEN发展年的频数。Chen and Tam(2010)认为这两种类型El Nio只有在夏季(6—8月)的时候才会对WNP的TC活动有不同的影响,而在秋季(9—11月)它们的影响并没有明显的不同。但Zhang et al.(2015)却提出不同的观点,他们发现CPEN发展年的秋季在WNP生成的强TC频数明显高于EPEN发展年的秋季。进一步对比分析发现,在Chen and Tam(2010)文章中研究的是1960—2008年时间段,而Zhang et al.(2015)分析的时段则是1970—2009年。因此分析时段的不同得出的结论也可能会不一样。

上述提到的一些年际尺度上的相关关系同时也存在年代际的变化。Zhao and Wang(2015)研究发现,PDO(Pacific Decadal Oscillation)对ENSO与WNP的台风活动(10—12月)之间的关系存在一个年代际的调制。在PDO暖阶段(1979—1997年),年际时间尺度的PDO与ENSO相关性不大,此阶段ENSO与台风生成频数相关较弱,但台风生成频数较多;但在PDO冷阶段(1998—2012年),年际时间尺度的PDO与ENSO呈正相关,且ENSO与台风生成频数相关性较好,但台风生成频数少。他们提出,ENSO与台风活动之间关系的变化主要是由于前后两阶段的大尺度环境场(特别是低层涡度,垂直风切变等)发生了变化。但Zhao and Wang(2015)的文章中研究的台风是指最大风速大于等于64 kn,而在本文主要讨论的强TC则定义为最大风速大于等于114 kn。Tao et al.(2012)、陶丽等(2013)发现ENSO事件与西北太平洋的强TC(最大风速大于等于114 kn)频数有着密切的关系,但它们的相关存在年代际变率,即在1949—1968年和1989—2008年的WNP强TC频数与ENSO显著相关,而在1969—1988年间两者相关并不显著。1969—1988年间,强TC频数偏少(007);1949—1968年和1989—2008年,强TC频数偏多(分别为069和070)。然而在Tao et al.(2012)中并没有对强TC频数与ENSO相关关系年代际变化的可能机制做进一步的探讨。本文将针对以上的问题,通过对ENSO与西北太平洋强TC的相关分析,系统的研究ENSO与WNP强TC相关关系的年代际变化及其变化机理,揭示ENSO与WNP强TC相关关系年代际变化的内在联系。

1资料和方法

研究时段为1950—2014年的7—11月,与强TC的主要活动时间区间一致。使用资料有:1)中国气象局(CMA)上海台风所的台风最佳路径资料(1950—2014年),美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)的台风最佳路径资料(1950—2014年),以及日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)的台风最佳路径资料(1951—2013年)。2)美国NCAR/NCEP的风场,位势高度场,相对涡度场等再分析的月平均资料,分辨率为25°×25°。3)HadISST中心的月平均海洋表面温度(Sea Surface Temperature,SST)资料。

由于JMA资料在1977年之前没有风速数据,所以本文利用Takahashi的风压关系来计算JMA资料前期阶段(1951—1976年)的最大风速(Emanuel,2005):如果pc为热带气旋的中心最低气压,V为最大风速,则V=595(1 010-pc)。同时考虑到JTWC的资料使用的是1 min的平均持续风速,CMA的资料使用的是2 min的平均持续风速,而JMA的资料记录的是10 min的平均持续风速。因此为了统一,文中利用Knapp and Kruk(2010)的方法把CMA的2 min和JMA的10 min的平均持续风速转换成1 min的平均持续风速。在本文中强TC的定义为热带气旋的最大风速大于或等于114 kn,即SaffirSimpson的飓风等级上定义为4 、5级的TC。

2ENSO与西北太平洋强TC相关关系的年代际变化

为了检验在WNP海域的强TC(TC45)频数与ENSO关系的年代际变化,本文计算了1950—2014年期间西北太平洋强TC的年频数与冬季(11月—次年1月)平均的Nio34指数的20 a滑动相关(图2)。从图2可以看出,在1970s之前,TC45的年频数与Nio34指数相关性很低(没有通过001的信度检验),特别是对于JTWC和CMA资料。而CMA和JMA资料到了1976年,JTWC资料则是到了1983年,由这些资料统计得到的TC45年频数与Nio34指数的相关系数才变得显著性相关,且之后也一直保持这个显著性。但考虑到3类台风最佳路径资料的不一致性,因此在文中进一步的分析研究相关关系的年代际变化中,主要选取1960—1971年(前一阶段),1983—2014年(后一阶段)这两个阶段(3类TC资料在这两个阶段里表现出一致的显著性水平)。虽然在1972—1982年期间,CMA和JAM资料对应的相关系数表现一致,但JTWC资料和它们相差比较大,所以把1972—1982年从中剔除。因此前一阶段为12 a,后一阶段有32 a。

3西北太平洋的强TC在El Nio,La Nia事件中的年代际变化

为了进一步了解西北太平洋强TC与ENSO之间相关关系的变化,接下来将分析讨论WNP强TC的频数、平均生成位置以及生命史等要素在ENSO冷、暖事件中的变化。

31生成频数

表1列出前后两阶段的El Nio年,La Nia年以及正常年份。为了深入地了解WNP的强TC在前后阶段中不同ENSO事件上的变化,表2、表3给出的分别是TSA(Tropical Storm or Above:热带风暴或以上强度)和TC45在不同阶段的El Nio年、La Nia年7—11月的频数。由表2可知,在后一阶段,总共有216个TSA在El Nio年生成,162个TSA在La Nia年生成,对应的频数分别为196和18 a-1。可见TSA的频数在后一阶段的El Nio、La Nia年之间并没有明显差异。而在前一阶段,El Nio年共有79个TSA生成,频数为198 a-1;La Nia年共有83个TSA生成,频数为277 a-1,两者之间存在很大的差异。但是由于前一阶段的El Nio、La Nia个例太少,因此差异并没有通过显著性檢验。而在后一阶段强TC的生成频数在El Nio、La Nia年之间却存在显著的差异(通过了95%的信度检验)。在后一阶段El Nio年生成的216个TSA中有75个发展成了强TC,即有35%的TSA发展成了强TC;而La Nia年生成的162个TSA中仅有44个发展成了强TC,即有27%的TSA发展成了强TC。后一阶段El Nio、La Nia年的强TC频数分别为68和49 a-1。虽然TSA的频数在后一阶段的El Nio年、La Nia年之间没有表现出明显差异,但是在El Nio年却有更多的TSA发展成强TC。在前一阶段,强TC在El Nio年、La Nia年的频数分别为70和67 a-1,并没有显著的差异。为了更好地解释在后一阶段的El Nio年有更多的TSA增强发展成强TC,本文将试图从TSA,强TC在El Nio、La Nia年的生成位置及其生命史进行分析(表4、表5)。

32平均生成位置以及生命史

对比表4中的前后两个阶段,发现在后一阶段的总年份和El Nio年,7—11月的TSA平均生成纬度都比前一阶段低2°;而在La Nia年,TSA平均生成纬度仅比前一阶段低06°。这就预示着TSA在后一阶段El Nio年的平均生成纬度相比前一阶段存在向南的偏移。同样的,平均生成经度在前后阶段也存在明显的差异。在后一阶段的El Nio年,TSA的平均生成经度位于143°E,相对前一阶段的140°E向东偏移了3个经度。而在La Nia年,TSA的平均生成经度相对前一阶段则有向西1个经度的偏移。通过对表4的分析表明,TSA在后一阶段El Nio年的平均生成位置相对前一阶段向东南偏移,在La Nia年相对前一阶段则是向西偏移。正是由于在后一阶段El Nio年TSA的生成位置有了向东南的偏移,因此TSA的生命史也有相应的延长。TSA在后一阶段El Nio年的生命史较前一阶段延长了70 h,而在La Nia年则只有32 h的延长。从El Nio年、La Nia年TSA生命史延长的差异表明,在后一阶段ENSO的影响有所加强。

而对于强TC来说,前后两阶段的生成位置和生命史的差异就更明显(表5)。在后一阶段,总年份的强TC平均生成纬度(117°N)相对前一阶段(142°N)向南偏移了25个纬度。后一阶段的El Nio年强TC的平均生成纬度相对前一阶段向南偏移了4个纬度,而在La Nia年则向北偏移04°。这表明ENSO对强TC的平均生成纬度的影响在后一阶段加强了,尤其是El Nio年。同时,平均生成经度也表现出显著的差异。总年份的强TC平均生成经度由前一阶段的147°E,发展到后一阶段的152°E,向东偏移了5°;而在El Nio年强TC平均生成经度则是向东偏移10°;但在La Nia年却是向西偏移34°。由上述可知,在后一阶段El Nio年,强TC的平均生成位置相对前一阶段有东南向的偏移,而在La Nia年则是向西北偏移,因此导致在后一阶段的El Nio年强TC的生命史延长了94 h;而在La Nia年则只是延长了30 h,这比平均年份的延长(69 h)还要少39 h。从强TC在不同阶段的El Nio,La Nia年的生成位置和移动轨迹的分布(图3)也可以得到类似的结论。

总的来说,强TC的平均生成位置和生命史在El Nio年、La Nia年之间的差异在后一阶段有明显的增大。后一阶段的El Nio年,TSA的生成位置向东南偏移,因此TSA在海洋上维持较长的时间,可以积聚更多的能量,所以有更多的TSA发展成强TC,导致后一阶段El Nio年有更多的强TC生成。这意味着后一阶段ENSO对强TC活动的影响相对前一阶段有了很大的加强,特别是对于El Nio年。

33TC在西北太平洋热带地区四个象限的平均生成频数

图4为TSA和强TC在热带WNP(120~180°E,0°~30°N)4个象限的平均生成频数。其中150°E和15°N作为分隔线把WNP分成4个象限(Chen and Tam,2010)。由图4可以看出,在后一阶段El Nio年,TSA频数(7—11月)在WNP的东南象限为71 a-1,西北象限为31 a-1,这两个象限的TSA频数差异为4 a-1,通过95%的信度检验。而在前一阶段的El Nio年,TSA频数在这两个象限却并没有明显的差异。在后一阶段El Nio年的强TC频数在东南和西北象限的差异也同样显著,并通过95%的信度检验。在后一阶段El Nio年,强TC在WNP的东南象限的频数(445 a-1)比前一阶段的频数(175 a-1)增多;而在西北象限的频数(018 a-1)则比前一阶段的频数(25 a-1)要减少很多。这表明在后一阶段的El Nio年有更多的强TC在东南象限生成,即在后一阶段El Nio年对TC活动的影响在WNP的东南象限加强。

与El Nio年不同,La Nia年在热带WNP的西北和西南象限都有较多的TSA和强TC生成。在前一阶段La Nia年,TSA在东南象限为的频数2 a-1,在西北象限的频数为87 a-1,两个象限之间的频数差异为67 a-1,通过了95%的置信度检验。到了后一阶段TSA在两个象限之间的频数差异更大,更显著。但是强TC的频数在这两个象限之间的差异却并不像TSA频数表现的那样显著。可能是因为La Nia年在西北象限生成的TSA的生命史都比较短,没能从温暖海洋里获得足够的能量发展成强TC。在前一阶段La Nia年,强TC频数在东南和西北象限的差异仅为034 a-1,并不显著。在后一阶段,由于强TC频数在东南象限减少,故两个象限的频数差异开始变显著,并通过了90%的置信度检验。

综合上述分析可得:在后一阶段的ENSO事件中强TC的频数在东南和西北两个象限的频数差异变得更显著,而且主要体现在后一阶段的El Nio年。

4可能的机理

41潜在生成指数(GPI)

GPI(Genesis Potential Index)可以大致地描述氣候状态下TC的发生频率(Emanuel,2005),以及TC的年代际变化(Camargo and Sobel,2005),它可以用来定量描述环境参数对TC生成频数变化的影响。因此本文讨论分析对应7—11月平均的GPI和组成GPI的各因子在热带WNP的分布,试图分析是哪些因子增大了ENSO事件中强TC在东南和西北象限生成频数的差异。

图5给出前后两阶段GPI指数(7—11月平均)在El Nio和La Nia年之间的差值。由图可见,在后一阶段正的GPI差值在东南象限较前一阶段有所增强,负的GPI差值在西北和西南象限较前一阶段也有适当的增强,即在后一阶段的ENSO年,GPI在东南象限和西北象限的分布对比更加明显。这与上述分析得到的结论相对应。即:后一阶段的ENSO事件中强TC的频数在东南和西北两个象限的频数差异变得更显著,且相比前一阶段,后一阶段的El Nio年有更多的TSA和强TC在WNP的东南象限生成,更少的TSA和强TC在西北象限生成;而在La Nia年,TSA和强TC在东南象限生成频数则是减小的。

GPI指数由4个因子构成:低层的绝对涡度,中层的相对湿度,MPI(Maximum Possible Intensity)以及风速的垂直切变。接下来对这4个因子分别在前后阶段的El Nio和La Nia年进行合成,并与GPI的分布场(图5)进行对比分析,发现7—11月平均的中层相对湿度变化是导致后一阶段GPI在东南和西北象限分布对比更明显的关键因子。由图6可见,在前一阶段的El Nio年,相对湿度异常值为1的等值线位于热带太平洋175°W,到了后一阶段则西伸至160°E。由图6e可以看出,在后一阶段的El Nio年相对湿度在东南象限明显增加,这有利于TC的生成和发展。在La Nia年相对湿度异常值为-1的等值线则从前一阶段的175°W西移到了160°E附近,导致后一阶段东南象限的相对湿度明显降低,不利于TC的生成和发展。

同样,分析研究7—11月平均的低层的绝对涡度场、垂直风切变场、MPI场(文中没有呈現),但是无论是在El Nio或La Nia年,它们在东南和西北象限之间的分布都没有显著差异。这说明相对湿度是造成强TC在后一阶段El Nio和La Nia年东南象限的生成频数差异增大的主要原因。

42海洋表面温度(SST)

热带WNP相对湿度异常场的西移很有可能是由于海温异常的西伸所引起的。图7、图8给出的分别是前后两阶段的El Nio、La Nia年(7—11月)的SSTA的合成场。在El Nio年,正的SSTA由前一阶段位于热带太平洋东部,到后一阶段西移至热带太平洋中部。因此正的SSTA西伸到了WNP的东南象限,这将导致东南象限的相对湿度增大。而在La Nia年(图8)则刚好相反,在后一阶段负的SSTA相对前一阶段西移至热带WNP的东南象限,从而使得该象限的相对湿度减小。

总的来说,由于后一阶段热带太平洋海温异常的西伸从而导致在后一阶段,强TC频数与Nio34指数的相关关系增强。SSTA的向西延伸,在El Nio(La Nia)年导致WNP的东南象限有正的(负的)相对湿度异常,有利(不利)于TSA在东南象限的生成,由于在东南象限的TC更有可能发展成强TC,所以热带WNP海温异常的西移还会影响到后一阶段ENSO事件中强TC的频数变化。

5讨论和结论

ENSO事件对西北太平洋强TC的形成和发展有重要的影响。随着20世纪CPEl Nio的出现,ENSO事件发生了变化,那么ENSO与西北太平洋强TC的相关关系可能也会发生变化。本文主要利用多种(JTWC,CMA,JMA)热带气旋数据,HadISST海温资料,NCAR/NCEP的再分析月平均资料等进行对比分析,得到以下结论:

1)西北太平洋TC45年频数与Nio34指数的相关关系存在年代际变化,后一阶段强TC频数与ENSO相关性很好,而在前一阶段两者相关性差。

2)在后一阶段,在El Nio,La Nia年之间TC45的频数存在明显的差异:有更多的TC45在El Nio年生成,更少的TC45在La Nia年生成;而在前一阶段,在El Nio、La Nia年之间TC45的频数差异并不明显。并且在后一阶段TC45的生命史及生成位置在El Nio、La Nia年之间的差异也较前一阶段有明显的增大。在后一阶段的El Nio年TC45在WNP东南象限的频数相比前一阶段是增多,而在La Nia年,这个象限的TC45频数相比前一阶段则是减少的。

3)热带西北太平洋SSTA(7—11月)的西移是造成后一阶段Nio34指数与TC45年频数相关性提高的关键因素。在后一阶段的El Nio年,正的SSTA的西移使得WNP东南象限的相对湿度明显增加,从而有利于TC在此象限生成;在后一阶段的La Nia年,负的SSTA的西移使得WNP东南象限的相对湿度明显减少,所以不利于TC的生成。又因为位于东南象限的TC比较容易发展成TC45,所以在后一阶段的El Nio年相对La Nia年有更多的强TC生成。

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Interdecadal variations in the relationship between the intense tropical cyclones over the Western North Pacific Ocean and the ENSO

TAO Li1,LAN Yufeng2,KONG Chengcheng3

1Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME),Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;

2Guangxi Meteorological Training Centre,Nanning 530022,China;

3Jingyuan Meteorological Bureau,Guyuan,Ningxia 756400,China

The interdecadal variations of the relationship between the intense tropical cyclone(TC) over the western North Pacific Ocean(WNP) and the El NioSouthern Oscillation(ENSO),were examined based on the TC Best Track data(JTWC,CMA,and JMA) and the reanalysis data of the NCAR/NCEP.It was determined that during the period ranging from 1960 to 1971(first examined period),the intense TC frequencies and the NDJ Nio34 were not statistically correlated.Meanwhile,during the period ranging from 1983 to 2014(second examined period),they were found to be closely correlated.Moreover,the differences in the life spans and genesis locations of TC45 between the El Nio developing years and the La Nia developing years had become enlarged in the more recent years,when compared to those during the prior period.The results of this studys analysis revealed that the westward extensions of the SSTA over the tropical Pacific Ocean during the more recent period were key factors in the enhancement of the relationship between the Nio34 index and the annual TC45 frequency.The extensions of the SSTA caused significant

increases(decreases) of the relative humidity in the southeastern quadrant of the tropical WNP for the El Nio(La Nia) developing years during the period ranging from 1983 to 2014,which was favorable(unfavorable) to the TC genesis and affected the TC45 frequency variations with the ENSO events during the more recent period.This was due to the fact that the TC in southeastern quadrant was more likely to intensify into the TC45.During the period ranging from 1983 to 2014,more(less) TC45 occurred in the southeastern quadrant for the El Nio(La Nia) developing years.

Western North Pacific Ocean;TC45;interdecadal variations;ENSO

doi:1013878/j.cnki.dqkxxb.20160913001

(責任编辑:刘菲)