錢(qián)伊恬,徐邦琪

南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

2015年西北太平洋臺(tái)風(fēng)季提早展開(kāi):2015/2016超級(jí)厄爾尼諾的影響

錢(qián)伊恬,徐邦琪*

南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

2016-03-03收稿，2016-10-12接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375100);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015CB453200)

2015年1—5月西北太平洋上異常出現(xiàn)了7個(gè)熱帶風(fēng)暴(Tropical Storms,TS),其中有5個(gè)發(fā)展成臺(tái)風(fēng)(Typhoons,TY),分別為氣候平均態(tài)(1979—2015年)的2.5和3.6倍,亦即2015年的臺(tái)風(fēng)季提前展開(kāi)。利用ERA-Interim再分析資料、JTWC熱帶氣旋最佳化路徑數(shù)據(jù)等資料,通過(guò)計(jì)算臺(tái)風(fēng)生成指數(shù)(Genesis Potential Index,GPI)和比較天氣尺度和季節(jié)內(nèi)振蕩分量,探討2015年臺(tái)風(fēng)季提前的原因。結(jié)果表明:1)2015年初異?；钴S的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)與2015/2016年超級(jí)El Ni?o事件于西北太平洋上引發(fā)的海氣狀態(tài)異常有關(guān)。2)通過(guò)對(duì)大尺度環(huán)境場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)潛在生成指數(shù)(GPI)的診斷分析發(fā)現(xiàn),動(dòng)力因子(低層渦度、垂直速度)和熱力因子(與海表面溫度、大氣溫度有關(guān)的潛在強(qiáng)度、中低層大氣相對(duì)濕度)均對(duì)2015年1—5月臺(tái)風(fēng)的發(fā)生有正貢獻(xiàn)。其中,渦度項(xiàng)的貢獻(xiàn)最大,相對(duì)濕度的貢獻(xiàn)次之。3)3～10 d天氣尺度擾動(dòng)和10～90 d季節(jié)內(nèi)振蕩在2015年1—5月也異?；钴S,有利于TS和TY的生成與發(fā)展。

2015超級(jí)El Ni?o

臺(tái)風(fēng)活動(dòng)

GPI

高、低頻擾動(dòng)

厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)為赤道中東太平洋海氣相互作用的大尺度氣候異常,其為年際時(shí)間尺度上最顯著的信號(hào)之一。ENSO與赤道太平洋的海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)的變化有密切的關(guān)系,并且將影響到全球的氣溫、環(huán)流和降水(Bradley et al.,1987;Ropelewski and Halpert,1987)。厄爾尼諾(El Ni?o)和拉尼娜(La Ni?a)分別是其暖事件和冷事件,周期一般是3～7 a(Collins,2005;Camargo et al.,2010)。業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)上通常用Ni?o3.4區(qū)(170～120°W,5°S～5°N)3個(gè)月滑動(dòng)平均的逐月海溫距平(SST Anomaly,SSTA)來(lái)衡量El Ni?o的強(qiáng)度(Trenberth,1997;Gergis and Fowler,2005)。

2015—2016年冬季爆發(fā)了一次超級(jí)El Ni?o事件,這次事件的強(qiáng)度與20世紀(jì)1997/1998年的超級(jí)El Ni?o事件相當(dāng),2015—2016年全球各地出現(xiàn)了不同的氣候異常特征,例如:在肯尼亞和烏干達(dá)等東非國(guó)家在10—12月的降水增加,而在南非地區(qū)卻遭遇了干旱,造成了糧食危機(jī);處于西南季風(fēng)區(qū)的南亞地區(qū),6—9月的降水明顯增加,西南太平洋的降水減少,中東太平洋地區(qū)對(duì)流頻發(fā),導(dǎo)致東南亞國(guó)家(如印度尼西亞等國(guó))的干旱、森林火災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā);在美洲中南部,墨西哥、秘魯北部等地區(qū)春季的降水增加,而在哥倫比亞和巴拿馬地區(qū)降水減少,美國(guó)南(北)部降水增加(減少)。值得注意的是,氣象學(xué)家原本認(rèn)為在2015/2016超級(jí)El Ni?o發(fā)生前1 a(2014/2015)可能會(huì)出現(xiàn)本世紀(jì)的超級(jí)El Ni?o事件。從2014年5月開(kāi)始,赤道中東太平洋的海溫距平(SSTA)開(kāi)始逐漸上升,11月時(shí),Ni?o3.4區(qū)的海溫距平就已經(jīng)超過(guò)了0.5 ℃,但是在2014年末時(shí),SSTA卻開(kāi)始下降。對(duì)于2014/2015 El Ni?o事件的意外夭折,有些學(xué)者(Su et al.,2014;Levine and McPhaden,2016)認(rèn)為是由于在2014年夏季時(shí),持續(xù)的西風(fēng)停止,取而代之的是東風(fēng)爆發(fā)(easterly wind burst),這一東風(fēng)爆發(fā)阻止了2014—2015年的冬季El Ni?o的發(fā)展,并且根據(jù)充放電理論(Jin,1997),爆發(fā)的東風(fēng)阻礙了暖水向兩極輸送,暖水儲(chǔ)存了下來(lái)。因此停止的El Ni?o卻沒(méi)有在2015年轉(zhuǎn)變成La Ni?a,反而為2015/2016的超強(qiáng)El Ni?o積蓄了力量(Levine and McPhaden,2016)。因此從2015年2月開(kāi)始,海溫又重新升高,在8月Ni?o3.4區(qū)的SSTA超過(guò)1.5 ℃,并且在北半球冬季達(dá)到鼎盛狀態(tài),繼而發(fā)展成為一個(gè)超級(jí)El Ni?o事件。

作為年際尺度上最重要的變化之一,ENSO與臺(tái)風(fēng)的發(fā)生有非常密切的關(guān)系,許多學(xué)者都對(duì)此有很深入詳細(xì)的研究(Chan,1985;Dong,1988;Wu et al.,2004;陶麗等,2013),并且在不同的海域中的影響結(jié)果往往不同。最早Gray(1984)就研究了大西洋上的臺(tái)風(fēng)與El Ni?o的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)El Ni?o發(fā)生時(shí),大西洋上的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)往往低于氣候平均;而在La Ni?a年,會(huì)有更多的颶風(fēng)在大西洋上產(chǎn)生(Pielke and Landsea,1999)。西北太平洋上臺(tái)風(fēng)的年際變化也與ENSO關(guān)系密切,Wang and Chan(2002)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)El Ni?o事件發(fā)展階段(北半球夏季),西北太平洋上會(huì)有更多的臺(tái)風(fēng),在El Ni?o成熟期過(guò)后的夏天,臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)會(huì)明顯減少,臺(tái)風(fēng)數(shù)量的變化與海溫異常相關(guān)的Walker環(huán)流經(jīng)向偏移有關(guān)(Chan,1985;Wu and Lau,1992;Chan,2000)。ENSO不僅影響臺(tái)風(fēng)的個(gè)數(shù),也與臺(tái)風(fēng)生成的位置和軌跡相關(guān),對(duì)于西北太平洋上的臺(tái)風(fēng)而言,在El Ni?o(La Ni?a)年,臺(tái)風(fēng)會(huì)生成在比較偏東南(西北)方(Chan,1985;Chen et al.,1998;Chia and Ropelewski,2002;Wang and Chan,2002),并且臺(tái)風(fēng)軌跡更加往東北方彎曲且向北深入(Camargo et al.,2007)。除此之外,還有學(xué)者對(duì)于El Ni?o對(duì)臺(tái)風(fēng)生成時(shí)間的影響進(jìn)行了研究。Chan(2000)統(tǒng)計(jì)了El Ni?o年每個(gè)月發(fā)生臺(tái)風(fēng)的個(gè)數(shù),發(fā)現(xiàn)9、10月中國(guó)南海的臺(tái)風(fēng)偏少而在西北太平洋東部的臺(tái)風(fēng)偏多,在El Ni?o之后的1 a整個(gè)西北太平洋上的臺(tái)風(fēng)都偏少。

在這次2015/2016超級(jí)El Ni?o發(fā)展成熟之前,西北太平洋上的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)出現(xiàn)異常特征。例如:進(jìn)入典型臺(tái)風(fēng)季(6—10月)開(kāi)始前,西北太平洋上出現(xiàn)多個(gè)超強(qiáng)熱帶氣旋系統(tǒng),2015年5月16日在西北太平洋上生成的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)Dolphin(Category 5,風(fēng)速>114 knots)已是2015年西北太平洋第3個(gè)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。同樣是超級(jí)El Ni?o,1997年西北太平洋上第3個(gè)Cat 5臺(tái)風(fēng)發(fā)生于7月22日,比2015年晚了兩個(gè)月。換言之,2015年的臺(tái)風(fēng)季于年初(1—5月)即已展開(kāi)。ENSO或是超級(jí)El Ni?o如何影響臺(tái)風(fēng)季的開(kāi)始時(shí)間?對(duì)此學(xué)界還少有研究,本文以2015/2016超級(jí)El Ni?o事件為例,探討2015年初臺(tái)風(fēng)活動(dòng)異常活躍的原因,包括:診斷西北太平洋上大尺度熱力、動(dòng)力場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)生成增多的相對(duì)貢獻(xiàn),以及探討高頻天氣尺度擾動(dòng)、季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)的影響。

1 資料和方法

1.1 資料

1)臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集:由美國(guó)海軍太平洋氣象及海洋中心下屬的聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)提供。前人研究指出(Song et al.,2010;Wu and Zhao,2012),相較于其他臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)(如:日本氣象廳RSMC_Tokyo數(shù)據(jù)、上海臺(tái)風(fēng)所臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)等),JTWC對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的掌握更為精確,因此本研究采用JTWC提供的熱帶氣旋數(shù)據(jù)。時(shí)間長(zhǎng)度從1979—2015年,時(shí)間間隔為6 h。根據(jù)Saffir-Simpson的熱帶氣旋等級(jí)定義,本文中將最大地表風(fēng)速大于34 knots定義為熱帶風(fēng)暴(Tropical Storm,TS),大于64 knots定義為臺(tái)風(fēng)(TYphoon,TY)。熱帶氣旋的生成頻率是統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)次西北太平洋上每一個(gè)2.5°×2.5°格點(diǎn)上熱帶氣旋生成的個(gè)數(shù),熱帶氣旋的出現(xiàn)頻率是每一個(gè)格點(diǎn)中的熱帶氣旋的經(jīng)過(guò)總次數(shù)。TS(TY)的生成位置定義為熱帶風(fēng)暴最大風(fēng)速第一次超過(guò)34(64)knots的位置。

2)為了解大尺度海、氣狀態(tài)異常,本研究收集了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的再分析資料(ERA-Interim;Dee et al.,2011)和美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局的擴(kuò)展重建海溫[NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature(ERSST),Smith and Reynolds,2004],時(shí)間長(zhǎng)度皆為1979—2015年,時(shí)間分辨率為逐月資料,ERSST的空間分辨率為2°×2°,ERA-Interim三維數(shù)據(jù)的空間分辨率為1.5°×1.5°,垂直方向有37層,變量有水平風(fēng)速u(mài)和v,垂直速度w(Pa·s-1),溫度T、比濕q。為了研究高頻波動(dòng)的影響,也采用了ERA-Interim日平均的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3)月平均降水?dāng)?shù)據(jù)采用的是1979—2015年全球降水氣候項(xiàng)目(Global Precipitation Climatology Project,GPCP;Adler et al.,2003),分辨率為2.5°×2.5°。

1.2 方法

1)熱帶氣旋生成潛在指數(shù)(Genesis Potential Index,GPI)診斷

本文采用的是經(jīng)過(guò)Murakami and Wang(2010)改進(jìn)了之后的GPI,和原來(lái)的GPI公式(Emanual and Nolan,2004)相比,加入了垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng),以下為GPI(IGPI)的公式:

(1)

其中:ζ是850 hPa的絕對(duì)渦度(單位:s-1);IRH是700 hPa的相對(duì)濕度(單位:%);Vpot是熱帶氣旋的最大潛在強(qiáng)度(Potential Intensity,PI;單位:m·s-1);Vs是850 hPa和200 hPa之間的垂直風(fēng)切變的大小(單位:m·s-1);ω是500 hPa的垂直速度(單位:Pa·s-1)。PI的定義是基于Emanuel(1995)的工作,同時(shí)經(jīng)過(guò)Bister and Emanual(1998)的改進(jìn)。

為了計(jì)算GPI變化量中各項(xiàng)物理過(guò)程的相對(duì)貢獻(xiàn),GPI的各項(xiàng)可以簡(jiǎn)單表示為:

IGPI=η·γ·ψ·s·ω。

(2)

其中:η代表低層渦度;Υ代表低層濕度;ψ代表有關(guān)海溫及大氣溫度的PI項(xiàng);s代表高低層的垂直風(fēng)切變;ω代表垂直風(fēng)速。將方程兩邊取對(duì)數(shù)后,可將非線性的各項(xiàng)相乘轉(zhuǎn)為線性的各項(xiàng)相加,如下式:

ln(IGPI)=lnη+lnγ+lnψ+lns+lnω。

(3)

X=

(4)

同理,可得其他項(xiàng)的相對(duì)貢獻(xiàn)大小。各項(xiàng)貢獻(xiàn)之和等于GPI相對(duì)于氣候態(tài)的變化。分母是各項(xiàng)絕對(duì)值之和。

2)水汽方程診斷

根據(jù)Yanaietal.(1973),在等壓面上某一層的水汽傾向方程可以表示為:

(5)

其中:q是比濕;t為時(shí)間;V是水平風(fēng);是水平梯度算符;p是氣壓;ω是垂直速度;Q2是視水汽匯(由于凝結(jié)和蒸發(fā)過(guò)程造成的潛熱加熱和次網(wǎng)格尺度的水汽通量輻合);L是凝結(jié)潛熱。方程(5)左邊代表水汽傾向或是水汽變化率,右邊為造成水汽變化的物理過(guò)程,右邊第1項(xiàng)-V·q為水汽平流的貢獻(xiàn);第2項(xiàng)為垂直平流的貢獻(xiàn);第3項(xiàng)與潛熱釋放有關(guān)的水汽源匯項(xiàng)。2015年初異常水汽的變化可能來(lái)自于不同時(shí)間尺度的運(yùn)動(dòng)引發(fā)的物理過(guò)程,為了定量研究水汽的變化來(lái)自于何種尺度相互作用,將每月的水汽傾向和各個(gè)變量都表示為氣候態(tài)與距平場(chǎng)的和:

(6)

(7)

方程(7)左邊表示水汽距平的傾向;右邊的第1—3項(xiàng)分別表示異常風(fēng)場(chǎng)輻合氣候平均水汽場(chǎng)、氣候風(fēng)場(chǎng)輻合水汽距平場(chǎng)以及異常風(fēng)場(chǎng)輻合水汽距平場(chǎng);第4項(xiàng)代表垂直速度的距平場(chǎng)平流氣候平均水汽;第5項(xiàng)代表氣候平均的垂直速度平流水汽距平場(chǎng);第6項(xiàng)代表垂直速度的距平場(chǎng)平流水汽距平場(chǎng);第7項(xiàng)代表視水汽匯的距平。

3)再分析數(shù)據(jù)中對(duì)臺(tái)風(fēng)的濾除和帶通濾波

再分析數(shù)據(jù)中的大尺度信號(hào)可能包含了臺(tái)風(fēng)本身,即臺(tái)風(fēng)的信號(hào)反饋可能隱含在大尺度場(chǎng)當(dāng)中(Hsu et al.,2008)。為了濾除再分析數(shù)據(jù)中包含的臺(tái)風(fēng)信號(hào),本文采用了Kurihara et al.(1995)運(yùn)用在GFDL模式上的去除臺(tái)風(fēng)的方法,這種方法主要是根據(jù)切向風(fēng)的徑向梯度和大小來(lái)確定臺(tái)風(fēng)的邊界。同時(shí),為了提取3～10 d和10～90 d的環(huán)流信號(hào),采用了Lanczos帶通濾波(Duchon,1979)。

2 2015/2016超強(qiáng)El Nio的演變過(guò)程和臺(tái)風(fēng)特征

圖1 2014—2016年各季節(jié)的平均海溫(等值線)分布及其與氣候平均態(tài)(1979—2015年)的差值(陰影,紅色代表正距平大于0.5 ℃,藍(lán)色代表負(fù)距平小于-0.5 ℃)[藍(lán)色框代表Nio3.4區(qū)(170～120°W,5°S～5°N)的位置;單位:℃] a.2014年秋季;b.2014/2015年冬季;c.2015年春季;d.2015年夏季;e.2015年秋季;f.2015/2016年冬季Fig.1 2014—2016 seasonal mean SST(contours;units:℃) and its anomaly(relative to the climatology in 1979—2015)[red(blue) shading indicates SSTAs greater(smaller) than 0.5 ℃(-0.5 ℃);blue box represents the Nio3.4 region(5°S—5°N,170—120°W);units:℃]:(a)2014 autumn;(b)2014/2015 winter;(c)2015 spring;(d)2015 summer;(e)2015 autumn;(f)2015/2016 winter

圖2 1979—2015年氣候平均(灰色)和2015年(紅色)各月在西北太平洋(100～200°E,0～40°N)上發(fā)生的TS(a)及TY(b)個(gè)數(shù)Fig.2 1979—2015 climatological mean(gray bars) and 2015(red bars) (a)TS and (b)typhoon counts over the western North Pacific(0—40°N,100—200°E) in each month

對(duì)應(yīng)熱帶太平洋海溫異常的演化,西北太平洋臺(tái)風(fēng)活動(dòng)也出現(xiàn)明顯的異常。由熱帶氣旋每月在西北太平洋上生成的個(gè)數(shù)(圖2)可以看出,就氣候平均(1979—2015)而言,在西北太平洋海域,全年都有TS(圖2a)和TY(圖2b)生成,每年6—10月為臺(tái)風(fēng)季,生成在6—10月的TS(TY)占全年的73%(80%)。值得注意的是,在2015年的臺(tái)風(fēng)季(6—10月)期間,熱帶氣旋的個(gè)數(shù)與氣候平均并沒(méi)有太大的差別,并且全年總個(gè)數(shù)也沒(méi)有太大差距,反而在臺(tái)風(fēng)季發(fā)生之前的1—5月,2015年的熱帶氣旋個(gè)數(shù)在每個(gè)月均大于氣候平均。2015年1—5月TS的個(gè)數(shù)為7個(gè),而氣候平均只有2.8個(gè)(圖2a),2015年是氣候平均的2.5倍。2015年1—5月TY的個(gè)數(shù)也達(dá)5個(gè),大約是氣候平均(1.4個(gè))的3.6倍。

圖4是TY的生成和出現(xiàn)頻率,與TS結(jié)論一致,菲律賓海以東的熱帶太平洋(130～170°E,2.5～12.5°N)洋面上有較多TY生成,西北太平洋上TY頻次增加。下文將進(jìn)一步討論有利于2015年年初熱帶氣旋活動(dòng)的關(guān)鍵大尺度環(huán)境場(chǎng)以及高頻擾動(dòng)。

3 大尺度環(huán)境場(chǎng)對(duì)2015年初臺(tái)風(fēng)活動(dòng)活躍的貢獻(xiàn)

3.1 大尺度環(huán)境場(chǎng)分析

熱帶氣旋的生成與大尺度大氣與海洋狀況有密切的關(guān)系(Gray,1979),圖5顯示與2015年1—5月臺(tái)風(fēng)生成有關(guān)的大尺度環(huán)境距平場(chǎng)。2015年年初時(shí),熱帶太平洋的海溫異常增暖(圖5a),并且赤道中東太平洋有一個(gè)暖水異常中心,東太平洋/加州西岸亦為暖水異常區(qū),這些暖海溫異常與這次El Nio事件在2015年春季開(kāi)始迅速發(fā)展有關(guān)。赤道中東太平洋的暖海溫對(duì)應(yīng)低壓異常(圖5f)及低層的輻合/氣旋式環(huán)流異常(圖5b、e)的發(fā)生,低層西風(fēng)使信風(fēng)存在負(fù)異常,日界線附近垂直風(fēng)切變減小(圖5d)。同時(shí),Walker環(huán)流上升區(qū)異常東移至中太平洋150～180°E一帶(圖5c)。伴隨著異常低壓氣旋和異常上升運(yùn)動(dòng),赤道西太平洋140°E以東,大氣中層水汽呈正異常(圖5g)、降水引發(fā)較強(qiáng)的非絕熱加熱異常(圖5h),這些大尺度的變化提供了熱帶擾動(dòng)產(chǎn)生和發(fā)展的環(huán)境。

圖3 西北太平洋1—5月TS生成(a—c)及出現(xiàn)(d—f)頻率分布(單位:a-1) a,d.1979—2015年氣候平均;b,e.1979—2014年氣候平均;c.a與b的差值;f.d與e的差值Fig.3 The frequency of TS (a—c)genesis and (d—f)occurrence(units:a-1) during January to May over the western North Pacific:(a,d)1979—2015 climatological mean;(b,e)1979—2014;(c)difference between (a) and (b);(f)difference between (d) and (e)

圖4 西北太平洋1—5月TY生成(a—c)及出現(xiàn)(d—f)頻率分布(單位:a-1) a,d.1979—2015年氣候平均;b,e.1979—2014年氣候平均;c.a與b的差值;f.d與e的差值Fig.4 The frequency of TY (a—c)genesis and (d—f)occurrence(units:a-1) during January to May over the western North Pacific:(a,d)1979—2015 climatological mean;(b,e)1979—2014;(c)difference between (a) and (b);(f)difference between (d) and (e)

圖5 2015年1—5月海表面溫度(a;單位:℃)、850 hPa流函數(shù)[b;藍(lán)色風(fēng)標(biāo)為風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1);單位:10-6 m2·s-1]、500 hPa垂直速度(c;單位:Pa·s-1)、垂直風(fēng)切變(d;單位:m·s-1)、850 hPa的速度勢(shì)(e;單位:10-6 m2·s-1)、平均海平面氣壓(f;單位:Pa)、400～700 hPa各層平均的比濕(g;單位:10-3kg·kg-1)和(h)降水(h;單位:mm·d-1)的距平場(chǎng)分布(實(shí)線代表正距平,虛線代表負(fù)距平)Fig.5 Large-scale environmental anomalies for January to May 2015:(a)SST(units:℃);(b)850 hPa stream function(units:10-6 m2·s-1) and wind fields(blue vectors;units:m·s-1);(c)ω(units:Pa·s-1);(d)vertical wind shear(units:m·s-1);(e)velocity potential(units:10-6 m2·s-1);(f)mean sea level pressure(units:Pa);(g)400—700 hPa averaged humidity(units:10-3 kg·kg-1);(h)precipitation(units:mm·d-1)(solid lines represent positive anomalies;dotted lines represent negative anomalies)

3.2 潛在生成指數(shù)(GPI)分析

圖5說(shuō)明了西北太平洋上的動(dòng)力因子(低層正渦度、低壓、上升運(yùn)動(dòng)、垂直風(fēng)切變)和熱力因子(暖海溫、濕度增加)均提供了2015年年初臺(tái)風(fēng)發(fā)生的有利條件,為了進(jìn)一步確認(rèn)這些因子的相對(duì)貢獻(xiàn),進(jìn)一步計(jì)算熱帶氣旋的潛在生成指數(shù)(GPI)。圖6是2015年1—5月的GPI相對(duì)于氣候平均的總變化(圖6a)和GPI每一項(xiàng)變量的改變?cè)斐傻腉PI的變化(圖6b—6f)。GPI的正異常距平區(qū)位于140°E以東的熱帶太平洋區(qū),與TS/TY生成增多的區(qū)域(圖3c,圖4c)非常接近。異常的氣旋性渦度(圖6b)、較濕的中低層大氣(圖6c)、上升運(yùn)動(dòng)(圖6f)以及與海溫及大氣溫度有關(guān)的PI項(xiàng)(圖6d)都在2015年1—5月提供了一個(gè)有利熱帶氣旋生成的環(huán)境條件。通過(guò)對(duì)它們?cè)赥S/TY生成關(guān)鍵區(qū)域(130～170°E,2.5～12.5°N)進(jìn)行區(qū)域平均后發(fā)現(xiàn)(圖7),其中渦度項(xiàng)的貢獻(xiàn)最大,達(dá)到了83%,其次是相對(duì)濕度項(xiàng)(45%),PI項(xiàng)和垂直速度項(xiàng)作用相當(dāng)(18%),而垂直切變項(xiàng)的正貢獻(xiàn)出現(xiàn)在170°E以東,在關(guān)鍵區(qū)的平均貢獻(xiàn)為負(fù)值(-64%)。

圖6 2015年1—5月的GPI距平(a)及由各分項(xiàng)導(dǎo)致的GPI差異(b—f分別為渦度、相對(duì)濕度、PI、垂直風(fēng)切變和垂直速度的貢獻(xiàn);陰影部分代表正距平的區(qū)域)Fig.6 (a)GPI anomaly during January—May 2015 and the GPI changes induced by individual terms:(b)vorticity;(c)RH;(d)PI;(e)vertical shear;(f)ω effects(shading represents positive anomalies)

圖7 TS/TY生成關(guān)鍵區(qū)(130～170°E,2.5～12.5°N)區(qū)域的平均GPI變化(各項(xiàng)貢獻(xiàn)之和)及其各項(xiàng)貢獻(xiàn)的百分比(單位:%)Fig.7 Changes in total GPI(sum of each budget term) and each budget term over the key region(2.5—12.5°N,130—170°E) for tropical storms/typhoon genesis

3.3 水汽方程診斷分析

圖8 2014年10月—2015年5月逐月的400～700 hPa積分的比濕距平(a;單位:10-4 kg·m-2)、比濕距平傾向(b;單位:10-6 kg·m-2·s-1)在TS/TY生成關(guān)鍵區(qū)(130～170°E,2.5～12.5°N)的變化以及2014年11月—2015年1月平均的400～700 hPa積分的水汽收支項(xiàng)(c;單位:10-6 kg·m-2·s-1)Fig.8 (a)400—700 hPa integrated monthly moisture anomaly(units:10-4 kg·m-2) and (b)anomalous moisture tendency(units:10-6 kg·m-2·s-1) over the TS/typhoon genesis region(2.5—12.5°N,130—170°E) during October 2014 to May 2015,and (c)moisture budget terms(units:10-6 kg·m-2·s-1) averaged from November 2014 to January 2015

圖9 2015年1—5月平均(a,d)和1979—2015年1—5月氣候平均(b,e)的3～10 d(a—c)和10～90 d(d—f)渦度標(biāo)準(zhǔn)差以及兩者的差值(c,表示a減去b;f,表示d減去e)(單位:10-5s-1)Fig.9 Standard deviations of (a—c)3—10-day and (d—f)10—90-day band-pass filtered vorticity in (a,d)January—May 2015 and (b,e)the 1979—2015 climatological mean,and (c,d)their respective differences(units:10-5 s-1)

4 天氣尺度擾動(dòng)和季內(nèi)振蕩異常的貢獻(xiàn)

除了大尺度環(huán)境背景場(chǎng)的作用之外,許多學(xué)者的研究結(jié)果都表明天氣尺度擾動(dòng)和季節(jié)內(nèi)振蕩都對(duì)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生明顯影響。北半球夏季期間,西北太平洋上東北—西南傾斜的天氣尺度波列顯著,隨時(shí)間向西北移行(Li,2006;Hsu and Li,2011),觀測(cè)中有許多熱帶低壓系統(tǒng)在天氣尺度波列中生成,因此3～10 d的天氣尺度波列也稱(chēng)為T(mén)D-type擾動(dòng)(Liebmann and Hendon,1990;Takayabu and Nitta,1993;Dunkerton and Baldwin,2015)。圖9a、9b是運(yùn)用Kurihara et al.(1995)去除臺(tái)風(fēng)的方法將大尺度環(huán)境場(chǎng)中的臺(tái)風(fēng)去除以后得到的3～10 d擾動(dòng)的強(qiáng)度。2015年年初,天氣尺度擾動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)于氣候平均態(tài)(圖9c),推測(cè)有較多的TS/TY可以生成于較活躍的TD-type擾動(dòng)系統(tǒng)。

早期的觀測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋活動(dòng)在時(shí)間和空間上具有群發(fā)的特性(丁一匯等,1977;Gray,1979),活躍和中斷的周期約為2～3周。隨著全球格點(diǎn)資料的逐漸豐富,許多研究進(jìn)一步指出熱帶氣旋活動(dòng)的周期變化與季節(jié)內(nèi)振蕩有關(guān)(Liebmann et al.,1994;Maloney and Hartmann,2000;祝從文等,2004;Kim et al.,2008;孫長(zhǎng)等,2009;李崇銀等,2012;何潔琳等,2013),季節(jié)內(nèi)振蕩處于對(duì)流位相時(shí),低頻氣旋性環(huán)流和輻合區(qū)均有利于天氣尺度擾動(dòng)從季節(jié)內(nèi)振蕩獲得動(dòng)能,因此有較多的臺(tái)風(fēng)發(fā)生并且增強(qiáng)(陳光華和黃榮輝,2009;Hsu et al.,2011)。Camargo et al.(2009)和Zhao et al.(2015)也指出季節(jié)內(nèi)尺度的中層水汽場(chǎng)和低層渦度場(chǎng)與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的低頻變化密切相關(guān),同時(shí),季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋路徑也有一定的影響(陶麗等,2012)。與天氣尺度擾動(dòng)相似,10～90 d季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)在2015年初也呈現(xiàn)較活躍的特征,大氣低頻擾動(dòng)的增強(qiáng)也可能是2015年1—5月臺(tái)風(fēng)生成增多的原因之一。

5 結(jié)論

2015年初活躍的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)與熱帶太平洋海溫引發(fā)的大氣動(dòng)力和熱力狀態(tài)的變化有關(guān)。2014/2015年的El Nio雖然夭折,但其余留下的赤道暖海溫于2014年底至2015年初開(kāi)始持續(xù)增強(qiáng)(圖1),至2015年底達(dá)到最強(qiáng)。2015年初(1—5月)在赤道中東太平洋海溫加熱的作用下,西北太平洋大氣出現(xiàn)羅斯貝波響應(yīng)(Gill,1980),因此在西北太平洋上為氣旋性環(huán)流盤(pán)據(jù),低層西風(fēng)使赤道信風(fēng)減弱,垂直風(fēng)切變隨之減弱;同時(shí)Walker環(huán)流上升支加強(qiáng),中低層大氣水汽充足,降水導(dǎo)致較高的非絕熱加熱作用,這些大尺度海—?dú)鈼l件提供了TS/TY生成的有利大尺度環(huán)境(圖5)。

而水汽平流為負(fù)貢獻(xiàn)。

除了大尺度環(huán)境場(chǎng)對(duì)于臺(tái)風(fēng)生成的貢獻(xiàn)之外,2015年年初西北太平洋地區(qū)的3～10 d天氣尺度擾動(dòng)和10～90 d季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)也明顯增強(qiáng)(圖9),這些活躍的大氣高頻、低頻擾動(dòng)系統(tǒng),也為T(mén)S/TY的生成提供了可能的有利條件(Takayabu and Nitta,1993;Liebmann et al.,1994;Maloney and Hartmann,2000)。

過(guò)去研究發(fā)現(xiàn)ENSO會(huì)影響西北太平洋臺(tái)風(fēng)季(6—10月)的TS活動(dòng)(Chan,1985;Chen et al.,1998;Chia and Ropelewski,2002;Wang and Chan,2002),本研究則進(jìn)一步指出,ENSO可能也會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)季的起始產(chǎn)生調(diào)控作用。此次2015/2016超級(jí)厄爾尼諾事件使2015年臺(tái)風(fēng)季提早發(fā)生,且2016年臺(tái)風(fēng)季延遲發(fā)生(第1個(gè)臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)在2016年7月)。本文討論了2015年臺(tái)風(fēng)季提早發(fā)生的原因,未來(lái)將對(duì)2016年臺(tái)風(fēng)季延遲發(fā)生的原因,以及ENSO如何影響臺(tái)風(fēng)季早晚的機(jī)制進(jìn)行深入研究。

References)

Adler R F,Huffman G J,Chang A,et al.,2003.The version 2 Global Precipitation Climatology Project(GPCP) monthly precipitation analysis(1979—present)[J].J Hydrometeor,4(6):1147-1167.

Bister M,Emanuel K A,1998.Dissipative heating and hurricane intensity[J].Meteor Atmos Phys,65(3):233-240.

Bradley R S,Diaz H F,Kiladis G N,et al.,1987.ENSO signal in continental temperatures and precipitation records[J].Nature,327(6122):497-501.

Camargo S J,Sobel A H,2005.Western North Pacific tropical cyclone intensity and ENSO[J].J Climate,18(15):2996-3006.

Camargo S J,Robertson A W,Gaffney S J,et al.,2007.Cluster analysis of typhoon racks:Part II:Large-scale circulation and ENSO[J].J Climate,20(14):3654-3676.

Camargo S J,Wheeler M C,Sobel A H,2009.Diagnosis of the MJO modulation of tropical cyclogenesis using an empirical index[J].J Atmos Sci,66(10):3061-3074.

Camargo S J,Sobel A H,Barnston A G,et al.,2010.The influence of natural climate variability on tropical cyclones,and seasonal forecasts of tropical cyclone activity[J].Global Perspectives on Tropical Cyclones,4(11):325-359.

Chan J C L,1985.Tropical cyclone activity in the Northwest Pacific in relation to the El Nio/Southern Oscillation phenomenon[J].Mon Wea Rev,113(4):599-606.

Chan J C L,2000.Tropical cyclone activity over the western North Pacific associated with El Nio and La Nia events[J].J Climate,13(16):2960-2972.

Chan J C L,2007.Interannual variations of intense typhoon activity[J].Tellus,59A(4):455-460.

陳光華,黃榮輝,2009.西北太平洋低頻振蕩對(duì)熱帶氣旋生成的動(dòng)力作用及其物理機(jī)制[J].大氣科學(xué),33(2):205-214. Chen G H,Huang R H,2009.Dynamical effects of low frequency oscillation on tropical cyclogenesis over the western North Pacific and the physical mechanisms[J].Chin J Atmos Sci,33(2):205-214.(in Chinese).

Chen T C,Weng S P,Yamazaki N,et al.,1998.Interannual variation in the tropical cyclone activity over the western North Pacific[J].Mon Wea Rev,126:1080-1090.

Chia H H,Ropelewski C F,2002.The interannual variability in the genesis location of tropical cyclones in the northwest Pacific[J].J Climate,15(20):2934-2944.

Dee D P,Uppala S M,Simmons A J,et al.,2011.The ERA-Interim reanalysisi:Configuration and performance of the data assimilation system[J].Quart J Roy Meteor Soc,137(656):553-597.

丁一匯,范惠君,薛秋芳,1977.熱帶輻合區(qū)中多臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)展的初步研究[J].大氣科學(xué),1(2):89-98. Ding Y H,Fan H J,Xue Q F,1977.A preliminary study on the simultaneous developments of the multiple typhoons in the intertropical convergence zone[J].Chin J Atmos Sci,1(2):89-98.(in Chinese).

Duchon C E,1979.Lanczos filtering in one and two dimensions[J].J Appl Meteor,18(8):1016-1022.

Dunkerton T J,Baldwin M P,2015.Observation of 3-6-day meridional wind oscillations over the tropical Pacific,1973—1992:Horizontal structure and propagation[J].J Atmos Sci,52(10):1585-1601.

Emanuel K A,1995.Sensitivity of tropical cyclones to surface exchange coefficients and a revised steady-state model incorporating eye dynamics[J].J Atmos Sci,52(22):3969-3976.

Emanuel K A,Nolan D S,2004.Tropical cyclone activity and global climate[C]//26th conference on hurricanes and tropical meteorology,Miami FL:Amer Meteor Soc.

Gergis J L,Fowler A M,2005.Classification of synchronous oceanic and atmospheric El Nio-Southern Oscillation(ENSO) events for palaeoclimate reconstruction[J].Int J Climatol,25(12):1541-1565.

Gill A E,1980.Some simple solutions for heat-induced tropical circulation[J].Quart J Roy Meteor Soc,106(449):447-462.

Gray W M,1979.Hurricanes:Their formation,structure and likely role in the tropical circulation.Meteorology over the tropical oceans[M].Bracknall:Royal Meteorological Society.

Gray W M,1984.Atlantic seasonal hurricane frequency.Part I:El Nio and 30 mb quasi-biennial oscillation influences[J].Mon Wea Rev,112(9):1649-1668.

何潔琳,段安民,覃衛(wèi)堅(jiān),2013.熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩與西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)的季節(jié)預(yù)測(cè):統(tǒng)計(jì)事實(shí)研究[J].氣候與環(huán)境研究,18(1):101-110. He J L,Duan A M,Qin W J,2013.Statistics on the modulation of Madden-Julian oscillation on tropical cyclone activity in the western North Pacific[J].Climatic Environ Res,18(1):101-110.(in Chinese).

Hsu H H,Hung C H,Lo A K,et al.,2008.Influence of tropical cyclones on the estimation of climate variability in the tropical western North Pacific[J].J Climate,21(12):2960-2975.

Hsu P C,Li T,Tsou C H,2011.Interactions between boreal summer intraseasonal oscillations and synoptic-scale disturbances over the western North Pacific.Part I:Energetics diagnosis[J].J Climate,24(3):927-941.

Hsu P C,Li T,2011.Interactions between boreal summer intraseasonal oscillations and synoptic-scale disturbances over the western North Pacific.Part II:Apparent heat and moisture sources and eddy momentum transport[J].J Climate,24(3):942-961.

Jin F F,1997.An equatorial ocean recharge paradigm for ENSO.Part I:Conceptual model[J].J Atmos Sci,54(7):811-829.

Kim J H,Ho C H,Kim H S,et al.,2008.Systematic variation of summertime tropical cyclone activity in the western North Pacific in relation to the Madden-Julian oscillation[J].J Climate,21(6):1171-1191.

Kurihara Y,Bender M A,Tuleya R E,et al.,1995.Improvements in the GFDL hurricane prediction system[J].Mon Wea Rev,123(9):2791-2801.

Levine A F Z,McPhaden M J,2016.How the July 2014 easterly wind burst gave the 2015/2016 El Nio a head start[J].Geophys Res Lett,43(12):6503-6510.

李崇銀,潘靜,田華,2012.西北太平洋臺(tái)風(fēng)活動(dòng)與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩[J].氣象,38(1):1-16. Li C Y,Pan J,Tian H,2012.Typhoon activities over western North Pacific and atmospheric intraseasonal oscillation[J].Meteor Mon,38(1):1-16.(in Chinese).

Li T,2006.Origin of the summertime synoptic-scale wave train in the western North Pacific[J].J Atmos Sci,63(3):1390-1409.

Liebmann B,Hendon H H,1990.Synoptic-scale disturbances near the equator[J].J Atmos Sci,47(12):1463-1479.

Liebmann B,Hendon H H,Glick J D,1994.The relationship between tropical cyclones of the western Pacific and Indian Oceans and the Madden-Julian oscillation[J].J Meteor Soc Japan,72(3):401-411.

Maloney E D,Hartmann D L,2000.Modulation of hurricane activity in the Gulf of Mexico by the Madden-Julian oscillation[J].Science,287(5460):2002-2004.

Murakami H,Wang B,2010.Future change of North Atlantic tropical cyclone tracks:Projection by a 20-km-mesh global atmospheric model[J].J Climate,23(10):2699-2721.

Pielke J R A,Landsea C W,1999.La Nia,El Nio and Atlantic hurricane damages in the United States[J].Bull Amer Meteor Soc,80(10):2027-2033.

Ropelewski C F,Halpern M S,1987.Global and regional scale precipitation patterns associated with the El Nio/Southern Oscillation[J].Mon Wea Rev,115(8):1606-1626.

Smith T M,Reynolds R W,2003.Extended reconstruction of global sea surface temperatures based on COADS data(1854—1997)[J].J Climate,16(10):1495-1510.

Song J J,Wang Y,Wu L,2010.Trend discrepancies among three best track data sets of western North Pacific tropical cyclones[J].J Geophys Res,115(D12),D12128.

Su J,Li T,Zhang R,2014.The initiation and developing mechanisms of central Pacific El Nio[J].J Climate,27(12):4473-4485.

孫長(zhǎng),毛江玉,吳國(guó)雄,2009.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)夏季西北臺(tái)平洋熱帶氣旋群發(fā)性的影響[J].大氣科學(xué),33(5):950-958. Sun C,Mao J Y,Wu G X,2009.Influences of intraseasonal oscillations on the clustering of tropical cyclone activities over the western North Pacific during boreal summer[J].Chin J Atmos Sci,33(5):950-958.(in Chinese).

Takayabu Y N,Nitta T,1993.3～5 day-period disturbances coupled with convection over the tropical Pacific ocean[J].J Meteor Soc Japan,71(2):221-246.

陶麗,李雙君,濮梅娟,等,2012.熱帶大氣準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋路徑的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(4):404-414. Tao L,Li S J,Pu M J,et al.,2012.Impact of QBW on TC’s track change over the western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,35(4):404-414.(in Chinese).

陶麗,靳甜甜,濮梅娟,等,2013.西北太平洋熱帶氣旋氣候變化的若干研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),36(4):504-512. Tao L,Jin T T,Pu M J,et al.,2013.Review of the researches on climatological variations of tropical cyclones over western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,36(4):504-512.(in Chinese).

Trenberth K E,1997.The definition of El Nio[J].Bull Amer Meteor Soc,78(12):2771-2777.

Wang B,Chan J C L,2002.How strong ENSO events affect tropical storm activity over the western North Pacific[J].J Climate,15(13):1643-1658.

Wu G,Lau N C,1992.A GCM simulation of the relationship between tropical-storm formation and ENSO[J].Mon Wea Rev,120(6):958-977.

Wu L,Zhao H,2012.Dynamically derived tropical cyclone intensity changes over the western North Pacific[J].J Climate,25(1):89-98.

Wu M C,Chang W L,Leung W M,2004.Impacts of El Nio southern oscillation events on tropical cyclone landfalling activity in the western North Pacific[J].J Climate,17(6):1419-1428.

Yanai M,Esbensen S,Chu J H,1973.Determination of bulk properties of tropical cloud clusters from large-scale heat and moisture budgets[J].J Atmos Sci,30(4):611-627.

Zhao H,Jiang X,Wu L,2015.Modulation of Northwest Pacific tropical cyclone genesis by the intraseasonal variability[J].J Meteor Soc Japan,93:103-119.

祝從文,Nakazawa T,李建平,2004.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)印度洋—西太平洋地區(qū)熱帶低壓/氣旋生成的影響[J].氣象學(xué)報(bào),62(1):42-50. Zhu C W,Nakazawa T,Li J P,2004.Modulation of tropical depression/cyclone over the Indian western Pacific oceans by Madden-Julian oscillation[J].Acta Meteorologica Sinica,62(1):42-50.(in Chinese).

Early onset of the typhoon season over the western North Pacific in 2015:Influence of the 2015/2016 super El Nio event

QIAN Yitian,HSU Pang-chi

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

To investigate what mechanisms induced the earlier onset of the typhoon season in 2015,we diagnosed the large-scale environments from ERA-Interim and NOAA ERSST data.The results show that the unusual growth of TS activity in early 2015 was related to the anomalous air-sea conditions of the 2015/2016 super El Nio event.The anomalous warming over the central equatorial Pacific associated with the abortion of the 2014/2015 El Nio was accompanied by a cyclonic anomaly,low-level convergence and increased atmospheric moisture content over the WNP,where tropical cyclones were generated.We further analyzed the genesis potential index(GPI) to understand the relative roles of different dynamic and thermodynamic effects in the increased number of typhoons during January to May 2015,as compared to the climatological state.The results of the GPI diagnosis indicated that the dynamic(low-level vorticity and vertical velocity) and thermodynamic(potential intensity related to sea surface and air temperature and atmospheric relative humidity in the lower to middle levels) factors both contributed positively to the increases in typhoon genesis during January to May in 2015.The low-level vorticity anomaly showed the largest contribution,while the enhanced relative humidity was the secondary contributor.The former may have been related to the Rossby wave response to the warm sea surface temperature in the central equatorial Pacific.The low-level westerly wind associated with the cyclonic anomaly may have weakened the trade winds and vertical wind shear.The processes related to increased moisture content were examined in detail through moisture budget diagnosis.The leading term was related to the advection of low-level seasonal mean moisture in the warm pool via the anomalous ascending motion of the Walker circulation.The strengthened vertical moisture advection rapidly increased from November 2014 to January 2015 and reached its maximum value in February 2015,resulting in mid-level moistening and atmospheric diabatic heating.Apart from the influence of large-scale air-sea conditions,3—10-day synoptic-scale disturbances and 10—90-day intraseasonal oscillation were also enhanced during January to May 2015,favoring the genesis and development of tropical depressions/typhoon systems.

(責(zé)任編輯：孫寧)

錢(qián)伊恬,徐邦琪,2016.2015年西北太平洋臺(tái)風(fēng)季提早展開(kāi):2015/2016超級(jí)厄爾尼諾的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(6):788-800. Qian Y T,Hsu P C,2016.Early onset of the typhoon season over the western North Pacific in 2015:Influence of the 2015/2016 super El Nio event[J].Trans Atmos Sci,39(6):788-800.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20161012010.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20161012010

*聯(lián)系人，E-mail:pangchi@nuist.edu.cn