鄧孟珂 ,田鵬飛 ,楊華棟 ,楊夢兮 ,蔡娜佳

(1.江蘇省泰州市氣象局，江蘇 泰州 225300；2.中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，江蘇 南京 210000)

引言

西北太平洋是全球臺風活動最活躍的區(qū)域之一，西北太平洋臺風活動的變化對我國夏季氣候變化有著重要影響。一方面，臺風總是伴隨著狂風暴雨甚至還有風暴潮，經(jīng)常給受影響地區(qū)造成嚴重災害，給人民的生命財產(chǎn)帶來嚴重威脅；另一方面，臺風帶來的豐沛降水可以解除干旱，我國東南沿海夏季伏旱期常常依靠臺風降雨來緩和旱情。因此加強對西北太平洋臺風發(fā)生發(fā)展的研究，認識西北太平洋臺風活動的變化規(guī)律及其機制并在此基礎上進行預測試驗，具有重要的科學意義和應用價值，對我國社會經(jīng)濟建設和各級黨政部門領導防災減災決策具有十分重要的現(xiàn)實意義。已經(jīng)有研究[1-2]表明西北太平洋臺風和區(qū)域海溫之間有一定的時滯相關關系，即：西北太平洋臺風晚于赤道東太平洋海溫變化2個月存在最高負相關，臺風晚于海溫17～18個月有最大正相關；中國東南沿海臺風與西太平洋赤道附近海溫有隔季正相關。秋季海溫對于影響華南秋季的臺風活動(強度和路徑)具有重要作用，從而對華南秋季降水產(chǎn)生影響——當赤道中東太平洋海表增(降)溫時，影響華南臺風活動減少(增多)以致秋季少(多)雨[3]。另外，已經(jīng)有研究[4]表明前期中高緯度印度洋海面溫度(sea surface temperature，SST)與西北太平洋臺風相關顯著，且獨立于熱帶東太平洋SST(或ENSO)對西北太平洋臺風的影響；中高緯度印度洋SST年際變化對西北太平洋臺風年際變化的指示能力相當或超過熱帶東太平洋。綜合兩者的影響預測夏季西北太平洋臺風生成數(shù)的變化有非常重要的現(xiàn)實意義。進一步的分析表明，中高緯度印度洋SST對西北太平洋臺風影響有明顯的滯后性，前期相關顯著而同期相關不顯著。這種滯后性意味著其前期中高緯度印度洋SST對西北太平洋臺風的影響并不是通過SST的持續(xù)性，而很可能是通過南半球大氣活動的持續(xù)性及異常信號在大氣中的傳播而影響到夏季的環(huán)流，最終影響西北太平洋臺風異常。

印度洋海溫異常(sea surface temperature anomaly，SSTA)同夏季西北太平洋臺風之間究竟存在怎樣的關系呢？本文試圖找出印度洋海溫異常對西北太平洋臺風影響的關鍵區(qū)，通過對臺風季西北太平洋大氣環(huán)流狀況的分析，找出相應的物理機制，從而為西北太平洋臺風活動的預報提供參考依據(jù)，為國家防臺減災提供決策服務。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為：美國國家環(huán)境預報中心/國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)月平均高度場、風場、渦度場、相對濕度場、垂直速度場資料；美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)重構的月平均海溫資料；美國聯(lián)合臺風預警中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)臺風最佳路徑資料。研究時段為1979—2018年。除海溫場格距為2°×2°，其他分辨率為2.5°×2.5°。文中研究的西北太平洋區(qū)域為0°～40°N，110°～180°E的太平洋海域，印度洋區(qū)域為30°S～25°N，35°～120°E的印度洋海域。本文中各季均相對于北半球而言，春季和夏季分別為當年3—5月和6—8月。

1.2 臺風強度的定義

本文利用CAMARGO and SOBEL[5]使用的累積氣旋能量(accumulated cyclone energy，ACE)指數(shù)來衡量臺風的強度。累積氣旋能量指數(shù)(IACE)定義為年度熱帶氣旋在其各自持續(xù)時間內(nèi)每6 h最大風速(Vmax，單位：m·s-1)的平方和，計算公式為：

(1)

使用該指數(shù)統(tǒng)計年度熱帶氣旋強度具有極大的優(yōu)越性，能較為真實直觀地反映當年熱帶氣旋的活躍程度，指數(shù)越高，熱帶氣旋活躍程度越高，反之則越低。它將年度熱帶氣旋所有氣候參量簡化為累積動能，并且隨著總持續(xù)時間的增加，累積動能也逐漸增加，使年度熱帶氣旋總和強度在總持續(xù)時間內(nèi)得到精確量化。本文只考慮達到熱帶風暴(tropical storm，TS)強度的熱帶氣旋。

2 夏季西北太平洋臺風與前期及同期印度洋海溫的耦合關系

為了討論夏季西北太平洋臺風與前期及同期印度洋海溫的耦合關系，對海溫與臺風作如下相關分析，設定以下四種耦合模態(tài)：1)1979—2018年前期春季印度洋海溫距平與夏季西北太平洋臺風頻數(shù)的相關性(耦合1)；2)1979—2018年前期春季印度洋海溫距平與夏季西北太平洋臺風ACE指數(shù)的相關性(耦合2)；3)1979—2018年同期夏季印度洋海溫距平與夏季西北太平洋臺風頻數(shù)的相關性(耦合3)；4)1979—2018年同期夏季印度洋海溫距平與夏季西北太平洋臺風ACE指數(shù)的相關性(耦合4)。表1給出4種耦合模態(tài)下的相關系數(shù)，通過比較發(fā)現(xiàn)：前期春季和同期夏季印度洋海溫與西北太平洋臺風頻數(shù)的相關性相對比來說，它們與ACE的相關性更顯著，其中春季印度洋海溫比夏季印度洋海溫與西北太平洋海溫的相關性更顯著。第1、2、3種模態(tài)的相關系數(shù)都通過了α=0.05的顯著性檢驗，說明前三種模態(tài)兩者之間相關性顯著。夏季印度洋海溫異常與夏季西北太平洋ACE的檢驗值雖然沒有通過顯著性檢驗，但是檢驗值已經(jīng)接近臨界，說明偶然性已經(jīng)較小。因此下文主要分析前期春季印度洋海溫對西北太平洋臺風頻數(shù)和強度的影響。

表1 各耦合模態(tài)下的相關系數(shù)

圖1給出了春季全球海溫距平和夏季西北太平洋臺風頻數(shù)及ACE的相關系數(shù)空間分布，色階部分為通過α=0.05的顯著性檢驗。由圖1a可以看出，在東太平洋相關系數(shù)呈現(xiàn)正值分布，而在本文研究區(qū)域——印度洋，相關系數(shù)呈現(xiàn)一致的負值分布，在赤道偏北印度洋和西南印度洋，相關系數(shù)達到極小值，這表明如果前期春季印度洋海溫異常增暖會導致夏季西北太平洋臺風數(shù)量減少的趨勢，反之，前期春季印度洋海溫異常降低會導致夏季西北太平洋臺風數(shù)量增多的趨勢。圖1b給出了春季全球海溫距平和夏季西北太平洋臺風ACE的相關系數(shù)空間分布，與頻數(shù)類似，在印度洋相關系數(shù)呈現(xiàn)負值分布，在東北印度洋和西南印度洋，相關系數(shù)達到極小值，這表明如果前期春季印度洋海溫異常增暖會導致夏季西北太平洋臺風強度減弱的趨勢，反之，前期春季印度洋海溫異常降低會導致夏季西北太平洋臺風強度增強的趨勢。

圖1 全球海溫距平與西北太平洋臺風的相關系數(shù)空間分布(a.春季全球海溫距平與夏季西北太平洋臺風頻數(shù),b.春季全球海溫距平與夏季西北太平洋臺風ACE；色階表示海溫距平和臺風的相關系數(shù))

分析可知，前期春季印度洋海溫影響西北太平洋臺風的最明顯區(qū)域范圍約在東北印度洋和西南印度洋。因此，將與ACE和頻數(shù)均有顯著相關的區(qū)域20°～30°S，60°～80°E和0°～20°N，70°～110°E定義為影響臺風的關鍵區(qū)，通過對關鍵區(qū)內(nèi)海溫做區(qū)域平均計算(圖2)，得出：1979年至20世紀80年代后期，春季印度洋海溫表現(xiàn)為降低的趨勢，而夏季西北太平洋臺風頻數(shù)表現(xiàn)為增加趨勢；從20世紀90年代前期開始，春季印度洋海溫大致保持增暖的趨勢，而夏季西北太平洋臺風頻數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(圖2a)。在春季印度洋海溫與夏季西北太平洋ACE關系(圖2b)中也可得出類似的結論。

圖2 春季印度洋關鍵區(qū)海溫距平與夏季西北太平洋臺風頻數(shù)(a)及ACE(b)

3 春季印度洋SSTA影響后期夏季西北太平洋臺風的可能原因

為了確定印度洋海溫異常對西北太平洋臺風影響的關鍵區(qū)，結合圖1的情況，可以發(fā)現(xiàn)，春季印度洋海溫異常影響西北太平洋臺風的關鍵區(qū)位于赤道偏北印度洋和西南印度洋。下文主要分析前期春季印度洋海溫異常影響夏季西北太平洋臺風的可能原因。

為了比較春季印度洋海溫異常對大氣環(huán)流，繼而對后期夏季西北太平洋臺風的影響，首先對關鍵區(qū)的印度洋SSTA場時間序列進行標準化處理，然后分別選取大于1.2個標準差和小于-1.2個標準差的年份為春季印度洋關鍵區(qū)海溫異常暖年和冷年。最后選取1988、1998、2001、2003、2010、2017年為異常暖年，1975、1993、1997、2008、2015年為異常冷年。下文主要通過合成分析方法來尋找春季印度洋關鍵區(qū)海溫異常影響后期夏季西北太平洋臺風的可能原因，后文所指印度洋海溫及冷暖年都基于關鍵區(qū)的海溫。

3.1 海溫

臺風的發(fā)生發(fā)展主要取決于熱力因素和動力因素。海洋是臺風形成和發(fā)展的下墊面，海溫的高低分布是影響臺風發(fā)生發(fā)展的重要因素[6]。前期春季印度洋海溫與后期夏季西北太平洋海溫存在怎樣的相關性呢？

首先對春季印度洋關鍵區(qū)和同期及后期夏季西北太平洋(0°～40°N，110°～180°E)海溫做區(qū)域平均計算，然后計算它們之間的相關系數(shù)，相關系數(shù)分別為0.37、0.43，通過了α=0.05的顯著性檢驗。這表明印度洋海溫異常增暖時，西北太平洋海溫也有增暖的趨勢。而增暖的海溫有利于臺風的發(fā)生發(fā)展，這與上文的研究結果不相符，說明海溫不是印度洋海溫異常影響西北太平洋臺風的原因。

3.2 春季印度洋海溫異常年夏季垂直環(huán)流變化分析

排除海溫的原因，下文主要從動力學角度討論春季印度洋海溫異常對西北太平洋大氣環(huán)流形勢的影響。大量研究[7-10]結果顯示，海洋對氣候的影響有一定的滯后性，它首先使得大氣環(huán)流發(fā)生調(diào)整進而引起氣候的變化，而它對大氣環(huán)流的影響首先表現(xiàn)在垂直環(huán)流上。既然春季印度洋海溫異常同后期夏季西北太平洋臺風之間存在著顯著的關系，那么春季印度洋海溫異常對后期夏季經(jīng)圈環(huán)流產(chǎn)生怎樣的影響呢?

圖3是春季印度洋海溫異常年110°～180°E經(jīng)圈偏差環(huán)流。印度洋海溫異常暖年的后期夏季，赤道至20°N都表現(xiàn)為異常的下沉氣流，僅在25°～40°N，800～300 hPa為上升氣流；在春季印度洋異常冷年，后期夏季基本表現(xiàn)為一致的異常上升氣流。

圖3 春季印度洋海溫異常年夏季110°～180°E平均經(jīng)圈偏差環(huán)流(a.異常暖年后期夏季，b.異常冷年后期夏季)

研究[11-12]表明，低層輻合高層輻散的上升環(huán)流形勢有利于臺風的發(fā)生發(fā)展。前文研究表明在春季印度洋暖年，西北太平洋臺風偏少、強度偏弱；春季印度洋冷年，西北太平洋臺風偏多、強度偏強。這與冷暖年的經(jīng)圈環(huán)流形勢是相符的——春季印度洋暖年的異常下沉氣流會抑制臺風的發(fā)生發(fā)展，而春季印度洋暖年的異常上升氣流有利于臺風的發(fā)生和加強。因此可知，印度洋海溫異?？梢詫е挛鞅碧窖蟮慕?jīng)圈垂直環(huán)流發(fā)生調(diào)整，從而影響臺風的發(fā)生發(fā)展。

3.3 春季印度洋海溫異常年夏季風場變化分析

上下層的風場對臺風的發(fā)生發(fā)展有很大影響[13]，進一步厘清春季印度洋海溫異常對西北太平洋區(qū)域上下層風場的影響，進而更深入地理解夏季西北太平洋臺風變化的可能原因。圖4是春季印度洋海溫異常年，后期夏季的700 hPa和200 hPa距平風場。

圖4 春季印度洋海溫異常年后期夏季距平風場(a.異常暖年700 hPa距平風場，b.異常暖年200 hPa距平風場，c.異常冷年700 hPa距平風場，d.異常冷年200 hPa距平風場；單位：m·s-1)

700 hPa上，在春季印度洋異常暖年，后期夏季西北太平洋110°～150°E，25°～30°N內(nèi)有異常偏西風，而在赤道附近有明顯的偏東風異常，構成整個西北太平洋大面積的反氣旋式環(huán)流；而在春季印度洋異常冷年，后期夏季西北太平洋130°～160°E，表現(xiàn)為異常氣旋式環(huán)流。200 hPa上，春季印度洋異常暖年，150°～180°E，5°～30°N的西北太平洋海域表現(xiàn)為異常氣旋式環(huán)流；春季印度洋異常冷年，20°N附近為異常東風，而在其他區(qū)域都表現(xiàn)為異常反氣旋式環(huán)流。

由以上距平風場的分析結果可以看出，春季印度洋異常暖年對應夏季西北太平洋低層反氣旋式距平環(huán)流，高層氣旋式距平環(huán)流，低層低頻輻散高層輻合；而春季印度洋異常冷年對應夏季西北太平洋低層氣旋式距平環(huán)流，高層反氣旋式距平環(huán)流，低層輻合高層輻散。

李崇銀等[14]曾研究熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對西北太平洋臺風生成數(shù)的影響。低層輻合、高層輻散的環(huán)流有利于臺風的發(fā)生發(fā)展，這與上文春季印度洋異常時西北太平洋臺風的狀況是相符的，表明上下層風場是春季印度洋海溫異常影響西北太平洋臺風的機制之一。

3.4 春季印度洋海溫異常年夏季低層渦度場變化分析

大氣低層渦度是影響臺風發(fā)生發(fā)展的重要因素[15]。在北半球低層正渦度表示氣旋式環(huán)流，有利于臺風的發(fā)生發(fā)展。為了更清楚地看出春季印度洋海溫異常年夏季低層渦度特征，對春季印度洋異常年后期夏季西北太平洋850 hPa平均渦度場進行距平化處理。由圖5可以看出，在春季印度洋海溫異常暖年，西北太平洋10°～25°N，110°～180°E區(qū)域渦度表現(xiàn)為負距平；而在春季印度洋海溫異常冷年，25°～40°N，130°～180°E和近赤道地區(qū)的西北太平洋表現(xiàn)為正距平。

圖5 春季印度洋海溫異常暖年(a)和冷年(b)后期夏季低層距平相對渦度場(單位：10-5 s-1)

由以上分析可以看出，春季印度洋異常冷、暖年，后期夏季西北太平洋上的低層距平渦度場呈現(xiàn)相反的位相分布。正的低層渦度不僅為臺風的生成提供初始擾動，也有利于臺風的加強發(fā)展[15]。這與上文春季印度洋異常年臺風活動特征是相符的，表明低層渦度是春季印度洋海溫異常影響西北太平洋臺風的機制之一。

3.5 春季印度洋海溫異常年夏季對流層中部相對濕度場變化分析

對流層中部大的濕度也是臺風生成和發(fā)展的重要條件之一[16-17]。在西北太平洋臺風季,對流層中部大的濕度能夠為臺風的發(fā)生發(fā)展提供充足的水汽條件。水汽在上升過程中凝結釋放大量潛熱，有助于標志著臺風強度的風眼墻的建立；相反，不夠充足的水汽不利于臺風的發(fā)生發(fā)展。為了更清楚地看出水汽狀況,對對流層中部(700～500 hPa)水汽按高度積分,得到氣柱的總水汽含量(可降水量)，然后進行距平處理，得到相對濕度的距平場。圖6是春季印度洋異常年夏季西北太平洋的對流層中部水汽含量距平分布。

圖6 春季印度洋海溫異常暖年(a)和冷年(b)后期夏季西北太平洋相對濕度距平(單位：%)分布

在春季印度洋異常暖年的后期夏季，西北太平洋上的水汽分布明顯呈現(xiàn)負距平形勢，水汽含量異常偏少。在菲律賓以東洋面，水汽含量最少。而在春季印度洋異常冷年的后期夏季，西北太平洋上的水汽分布呈現(xiàn)明顯的正距平，說明水汽含量相對偏大。

由以上分析可以看出，春季印度洋異常冷、暖年，后期夏季西北太平洋上的水汽分布呈現(xiàn)相反的位相分布。這與上文的西北太平洋臺風冷、暖年狀況是相符合的，因此可以看出，水汽條件是印度洋赤道海溫異常影響西北太平洋臺風的機制之一。

3.6 春季印度洋海溫異常年夏季西北太平洋副熱帶高壓變化分析

西北太平洋副熱帶高壓與西太平洋和東亞地區(qū)的天氣變化有著極其密切的聯(lián)系[18-19]，它的強度、東西向及南北向的位置變化對臺風活動有著直接的影響。通常西北太平洋副熱帶高壓強時，臺風活動偏少、強度偏弱；西北太平洋副熱帶高壓弱時，臺風活動較多、強度偏強。研究春季印度洋海溫異常是否會引起西北太平洋副熱帶高壓異常，進而對西北太平洋臺風產(chǎn)生影響。

圖7給出了春季印度洋海溫異常年后期夏季500 hPa高度場特征。由此可見在春季印度洋異常暖年，后期夏季500 hPa高度上，5 860 gpm閉合線包含整個西北太平洋和南海以及中國南部地區(qū)，范圍很大。且存在最強為5 890 gpm的閉合中心，位于140°～180°E，25°～35°N的西北太平洋海域上空，表明西北太平洋副熱帶高壓加強、西伸。而在異常冷年，后期夏季只有最強為5 870 gpm的閉合中心，5 860 gpm線僅僅包含130°～180°E，15°～30°N范圍，表明副熱帶高壓明顯偏弱、東退。

圖7 春季印度洋海溫異常暖年(a)和冷年(b)后期夏季500 hPa高度場(單位：gpm)特征

結合上文提到的西北太平洋副熱帶高壓對臺風活動的影響，可以看出：在春季印度洋異常年，西北太平洋副熱帶高壓的變化與臺風活動的變化是相符合的。這表明西北太平洋副熱帶高壓是印度洋海溫異常影響西北太平洋臺風活動的機制之一。

3.7 春季印度洋海溫異常年夏季西北太平洋緯向風垂直切變變化分析

研究[20-22]指出西北太平洋上高(200 hPa)、低(850 hPa)層緯向風的垂直切變是影響西北太平洋熱帶氣旋和臺風生成和發(fā)展的一個重要的動力因子，在臺風的預測中常被用作重要的指標。弱的垂直風切變有利于臺風的生成和發(fā)展，相反，強的垂直風切變可能導致對流切離，從而減弱臺風強度。陳聯(lián)壽和丁一匯[23]指出緯向風速垂直切變小于10 m·s-1是臺風暖心形成的有利環(huán)境條件。研究春季印度洋海溫異常是否會引起西北太平洋高、低層緯向風垂直切變異常，進而對西北太平洋臺風產(chǎn)生影響。

圖8給出了春季印度洋海溫異常年后期夏季西北太平洋緯向風垂直切變特征。由此可見在印度洋異常暖年，西北太平洋大部分區(qū)域的緯向風垂直切變在5～10 m·s-1之間。在160°E以東，5°～25°N之間逐漸增強，最高值可達20 m·s-1；在印度洋異常冷年，緯向垂直風切變在27°N以南，150°E以西表現(xiàn)為負值，僅在27°N以北，150°E以東表現(xiàn)為正值，最高分析出垂直切變?yōu)?5 m·s-1的閉合線?？梢钥闯?，春季印度洋異常暖年，后期夏季西北太平洋上的緯向風垂直切變明顯強于春季印度洋異常冷年。這與上文的西北太平洋臺風冷、暖年狀況是相符合的，因此可以看出，緯向風垂直切變是印度洋赤道海溫異常影響西北太平洋臺風的機制之一。

圖8 春季印度洋海溫異常暖年(a)和冷年(b)緯向風垂直切變(單位：m·s-1)

4 結論與討論

通過對夏季西北太平洋臺風頻數(shù)和強度與前期春季及同期夏季印度洋SSTA的耦合分析發(fā)現(xiàn)，前期春季印度洋海溫同夏季西北太平洋臺風關系最顯著，表明春季印度洋海溫異常對預測后期夏季西北太平洋臺風的變化有著明確的指示性意義。影響頻數(shù)和強度的關鍵區(qū)位于赤道偏北印度洋和西南印度洋。如果春季印度洋海溫異常偏暖，后期夏季西北太平洋臺風偏少、偏弱，反之，如果春季印度洋海溫異常偏冷，后期夏季西北太平洋臺風偏多、偏強。

這可能與印度洋被熱帶太平洋的厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)“充電”后又會影響西北太平洋大氣環(huán)流狀況有關[24-25]。研究表明，在El Nio事件次年，印度洋被異?！凹訜帷保禺惓Ｔ雠?，產(chǎn)生延伸至西北太平洋的開爾文波，影響了西北太平洋大氣環(huán)流。

在春季印度洋異常暖年，后期夏季，110°～180°E的經(jīng)向垂直環(huán)流表現(xiàn)為異常下沉氣流，對應風場的低層低頻風輻散、高層輻合的形勢。這種環(huán)流形勢使得低層水汽無法向上輸送，對流層中層水汽異常偏少。西北太平洋副熱帶高壓加強、西伸，緯向風垂直切變偏大。綜合以上物理因子，西北太平洋臺風在春季印度洋異常暖年偏少、偏弱。在春季印度洋異常冷年，正好相反。后期夏季，110°～180°E的經(jīng)向垂直環(huán)流表現(xiàn)為異常上升氣流，對應風場的低層輻合、高層輻散的形勢。這種環(huán)流形勢使得低層水汽向上輸送，對流層中層水汽異常偏多。西北太平洋副熱帶高壓偏弱、東退，緯向風垂直切變偏小。綜合以上物理因子，西北太平洋臺風在春季印度洋異常冷年偏多、偏強。

根據(jù)LI et al.[26]、WU and WANG[27]、ZHOU et al.[28]的研究，結合以上物理因子，可以推出以下的傳播機制：在春季印度洋海溫異常暖年，源自印度洋海溫異常引起的大氣波動向東方向傳播，這種異常低頻振蕩對周圍大氣環(huán)流有正反饋的作用，產(chǎn)生異常Walker環(huán)流，形成風場的低層低頻風輻散、高層輻合的形勢，增強下沉運動，維持了緯向風大的垂直切變，同時Ekman輻散抑制了西北太平洋大氣對流，這就在El Nio事件的次年維持了西北太平洋反氣旋，使其持續(xù)到夏季，加強西北太平洋副熱帶高壓，不利于臺風的生成和發(fā)展。而在印度洋異常冷年由于相反的機制，形成風場的低層輻合、高層輻散，增強上升運動，緯向風垂直切變偏小，西北太平洋副熱帶高壓減弱，促進臺風的發(fā)生發(fā)展。

以上研究重點利用合成分析從統(tǒng)計的角度討論了印度洋海溫異常影響夏季西北太平洋臺風的原因，雖然給出了可能的相應的動力學機制，但機制合理性仍然需要進一步的研究和驗證。