柳龍生 許映龍

國家氣象中心，北京 100081

提 要： 利用1979—2018年美國聯合臺風警報中心發(fā)布的熱帶氣旋數據和ERA-Interim提供的1°×1°再分析資料分析了北印度洋秋季超級氣旋風暴的活動特征。結果表明：1998年以后，北印度洋秋季生成的超級氣旋風暴數目顯著增多；1999—2018年北印度洋平均最大潛在強度指數高于1979—1998年；與1979—1998年相比，1999—2018年更高的平均海面溫度和海洋熱含量為超級氣旋風暴的生成和發(fā)展提供了有利的條件，更弱的垂直風切變、更強的水汽通量和低層氣旋性渦度輸送促進了熱帶風暴強度的持續(xù)增長。

引 言

研究表明，5月和10—12月是北印度洋熱帶風暴活動的高峰期(Camargo et al，2007；Kikuchi and Wang，2010；Evan and Camargo，2011；Yanase et al，2012)。陳聯壽和丁一匯(1979)和范隆(1990)認為風場的垂直切變是影響孟加拉灣風暴生成的重要條件。而Krishnamurti et al(1981)和Mao and Wu(2011)研究指出，水平風切變引起的正壓不穩(wěn)定能量是導致孟加拉灣風暴生成的原因。吳國雄等(2010)研究表明，北印度洋和亞洲熱帶地區(qū)春季強烈的海-陸-氣相互作用是激發(fā)孟加拉灣渦旋發(fā)生的一個重要原因。還有研究學者指出，熱帶大氣季節(jié)內振蕩(intraseasonal oscillation,ISO)對孟加拉灣風暴的生成具有調制作用(Kikuchi and Wang，2010；Yanase et al，2010；2012)，4—5月第一支向北傳播的ISO觸發(fā)了孟加拉灣季風的爆發(fā)(Li K P et al，2013)，這正是孟加拉灣風暴生成開始活躍的時期，ISO低層氣流帶來的水汽和渦度輸送加速熱帶氣旋的發(fā)展(Camargo et al，2009；Kikuchi and Wang，2010；Yanase et al，2010；2012)。Li Z et al(2013b)研究指出，孟加拉灣在4—5月出現強度更強的熱帶氣旋的可能性比10—11月更大，這是由于向北傳播的ISO帶來的氣旋性環(huán)流、邊界層輻合以及充沛的水汽條件可以使得熱帶氣旋強度快速發(fā)展。2008年5月2日，極強氣旋風暴納爾吉斯(Nargis;59 m·s-1，17級，相當于我國定義的超強臺風級)登陸緬甸造成7萬多人死亡、5萬多人失蹤(Yanase et al，2010)，“納爾吉斯”在登陸之前經歷了快速加強(24 h內強度增到23.1 m·s-1)。

在21世紀初，觀測到的全球平均地面溫度上升速度相對于1970—1998年的快速變暖期有所減緩(Xie and Kosaka，2017)，在減速期間，大氣層頂部的輻射不平衡與前幾十年幾乎相同(Trenberth et al，2014)，表明進入地球系統(tǒng)的能量是恒定的，由于海洋相對于大氣和陸地的熱容量很大，大部分多余的熱量儲存在海洋中(Yan et al，2016)，這將導致海溫和海洋熱含量增加，而海溫的異常會進一步影響熱帶氣旋的活動。Singh et al(2000；2001)研究指出，北印度洋熱帶風暴的生成、強度和路徑受到全球變暖的影響。而進入21世紀后，北印度洋秋季(10—12月)強度更強的熱帶風暴活動頻數顯著增多，通常這些熱帶風暴登陸印度東北部或孟加拉國后向偏北偏東方向移動時，會給我國西南地區(qū)帶來猛烈的雨雪天氣(陳聯壽和丁一匯，1979)。2007年11月15日北印度洋超級氣旋風暴錫德(Sidr)在孟加拉國登陸，登陸時中心附近最大風力達到41 m·s-1(13級，相當于我國定義的臺風級)，造成超過4 200人死亡或失蹤，受其殘余云系影響，青藏高原東南部出現了大范圍的雨雪天氣，我國西藏察隅站3天的累計降水量達到69.9 mm，突破了歷年11月降水量極值，云南德欽縣最大積雪深度達到50 cm(王子謙等，2010)。2013年10月10—15日，受北印度洋超級氣旋風暴費林(Phailin,中心附近最大風力為72 m·s-1)影響，西藏地區(qū)發(fā)生特大暴雪，聶拉木日降雪量最大為118 mm，過程累計降水量達到191 mm(德慶等，2015；柳龍生等，2015)。

由此可見秋季北印度洋超級氣旋風暴的活動對我國具有十分重大的影響，研究秋季北印度洋熱帶風暴活動的影響因子具有非常重要的意義，這將為今后北印度洋熱帶風暴的預報和防災減災提供重要參考。

1 資料和方法

使用美國聯合臺風警報中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)發(fā)布的1979—2018年北印度洋熱帶風暴數據，包括熱帶風暴發(fā)生的區(qū)域、編號、發(fā)生時間、中心位置、中心附近最大風速等信息；海面溫度(sea surface temperature,SST)和環(huán)流背景場采用歐洲中期天氣預報中心資料(ERA-Interim)提供的1979—2018年1°×1°的1日4次的再分析資料。

熱帶氣旋最大潛在強度(maximum potential intensity,MPI)計算公式(Bister and Emanuel，2002)為本文使用t檢驗方法進行顯著性水平檢驗(魏鳳英，2003)。

式中：Vpot表示熱帶氣旋最大潛在強度(單位：m·s-1)，Ts表示海面溫度(單位：K)，To表示對流層上層出流溫度(單位：K)，Ck表示焓交換系數，CD表示海面拖曳系數，CAPE*表示海面對流有效位能(單位：J·kg-1)，CAPEb表示最大風速半徑處邊界空氣對流有效位能(單位：J·kg-1)。

海洋熱含量(ocean heat content，OHC)計算公式(Leipper and Volgenau，1972)

Q=ρcpΔTΔZ

式中：Q為海洋熱含量(單位：kJ·cm-2)，ρ為平均海水密度(單位：kg·m-3)，cp表示定壓熱容量(單位：J·kg-1·K-1)，計算ΔT(單位：℃)時只考慮海面溫度高于26℃時的情況，ΔZ表示固定深度(單位：m)，這里固定深度取300 m(Li Z et al，2013)。

2 北印度洋超級氣旋風暴的主要變化特征

利用JTWC發(fā)布的1979—2018年北印度洋熱帶風暴數據進行統(tǒng)計(圖1)，定義熱帶風暴最大風速達到或超過100 kt(Vmax≥51.4 m·s-1，相當于我國定義的超強臺風級)為超級氣旋風暴，1979—2018年達到超級氣旋風暴強度的一共有27個，其中4—6月有13個，10—12月有14個，而這也分別對應著北印度洋熱帶風暴活動的兩個峰值，下面將分別分析初夏(4—6月)和秋季(10—12月)這兩個季節(jié)北印度洋超級氣旋風暴活動的年代際變化特征。

從統(tǒng)計分析的結果來看，1979—2018年初夏(4—6月)北印度洋超級氣旋風暴生成數并未出現明顯的上升或下降趨勢(圖1a)，而在秋季(10—12月)則呈現顯著的上升趨勢(圖1b)，通過了Mann-Kendall趨勢檢驗方法0.05的顯著性水平檢驗，說明秋季超級氣旋風暴的生成數在最近20年顯著增加。從Morlet小波分析的結果來看，初夏北印度洋超級氣旋風暴的生成數在4～10 a時間尺度的周期上呈現高低振蕩(圖1c)，小波方差的兩個峰值對應著準4 a和準8 a的周期(圖1e)，這說明風暴的活動數存在著4 a和8 a的主要周期。秋季超級氣旋風暴生成數則分別在3、9和20 a的時間尺度上呈現高低振蕩(圖1d)，并且小波方差在準20 a周期最大(圖1f)，有理由認為秋季生成的超級氣旋風暴數量在1979—2018年的40年間出現了一次異常的突變，從秋季超級氣旋風暴生成數的滑動t檢驗結果(圖1g)來看也證實了這一點，在1999年出現顯著(通過0.05顯著性水平檢驗)的正增長。由此可見，1979—2018年初夏(4—6月)北印度洋超級氣旋風暴的活動頻次并未有顯著變化，而秋季(10—12月)的活動頻次明顯升高，下文將具體分析這種現象產生的原因。

圖1 1979—2018年初夏(4—6月)(a，c，e)和秋季(10—12月)(b，d，f)北印度洋超級氣旋風暴生成數的變化趨勢(a，b)、Morlet小波分析(c，d)、小波方差(e，f)以及秋季的滑動t檢驗(g)Fig.1 Variation trend (a, b), Morlet wavelet analysis (c, d), wavelet variance (e, f) and t test (g) of super cyclonic storms from April to June (a, c, e) and October to December (b, d, f) over the North Indian Ocean during 1979-2018

3 秋季北印度洋超級氣旋風暴顯著增多的成因診斷

以往研究表明，海面溫度、垂直風切變、中層濕度條件、低層相對渦度、最大潛在強度等大尺度環(huán)境因子對熱帶氣旋的活動具有關鍵性的影響(Gray，1968；Emanuel et al，2013；Camargo，2013；Kossin et al，2016；涂石飛等，2019)。將秋季北印度洋超級氣旋風暴分成兩組樣本：年代際偏少年(1979—1998年)和年代際偏多年(1999—2018年)，年代際偏少年超級氣旋風暴的編號為198804、199504、199607，年代際偏多年超級氣旋風暴的編號為199904、199905、200706、201004、201302、201403、201404、201504、201505、201703、201806，對年代際偏少年(1979—1998年)和年代際偏多年(1999—2018年)的大尺度環(huán)境因子進行合成對比分析。

3.1 最大潛在強度(MPI)

MPI是Emanuel (1995)提出的一個經驗函數，由海面溫度、海平面氣壓、垂直大氣溫度和水汽混合比構成，用于定量計算熱帶氣旋最大可能強度。不少學者也研究了熱帶氣旋的觀測強度和潛在強度之間在氣候態(tài)、趨勢、季節(jié)變率等方面的特征(Emanuel，2000；Wing et al，2007；Zeng et al，2007；Holland and Bruyère, 2014；Kossin，2015；Gilford et al，2019)，結果表明MPI指數與熱帶氣旋在特定環(huán)境條件下能夠達到的最大強度在季節(jié)變率方面具有密切的相關性。Wing et al(2007)研究了熱帶氣旋潛在和實際強度之間的年際關系，發(fā)現它們在季節(jié)變化上大體上是一致的。分析年代際偏多年(1999—2018年)與年代際偏少年(1979—1998年)MPI的差值場(圖2)，阿拉伯海大部分海域MPI均為正值，最大達到6 m·s-1，說明熱帶風暴生成以后發(fā)展到更大強度的可能性更高，從實際來看1999—2018年在阿拉伯海生成和發(fā)展起來的4個超級氣旋風暴都出現在MPI正異常區(qū)。而在孟加拉灣北側(15°～20°N、80°～95°E)MPI表現為負異常，這是由于該海域平均海溫偏低(圖3c)，雖然年代際偏多年的7個超級氣旋風暴與年代際偏少年的3個超級氣旋風暴都最終出現在孟加拉灣北側MPI負異常區(qū)域，但是在超級氣旋風暴達到最大強度之前都長時間經歷MPI正異常區(qū)域，這也指示著最終熱帶風暴能達到更大強度。

圖2 秋季北印度洋超級氣旋風暴年代際偏多年(1999—2018年)與年代際偏少年(1979—1998年)MPI差值場(等值線，單位:m·s-1)(藍線為年代際偏多年，綠線為年代際偏少年；實心圓點和氣旋符號分別表示風暴生成和達到極值強度的位置；灰色陰影表示通過了0.05顯著性水平檢驗；下同)Fig.2 Difference field (contour, unit: m·s-1) of MPI between years (1999-2018) with more super cyclonic storms and years (1979-1998) with fewer in autumn over the North Indian Ocean(Solid dots and cyclone symbols indicate the location of storm generation and extreme intensity respectively； blue line is for years with more super cyclonic storms and green line for years with fewer super cloclonic storms; gray shadows indicate having passed the significance test at 0.05 level; same as below)

3.2 海面溫度和海洋熱含量

研究表明，SST大于26℃是熱帶氣旋發(fā)展增強的必要條件(Gray，1968)，并且熱帶氣旋的最大可能強度與SST關系密切(Holland and Bruyère，2014；Strazzo et al，2015)，87%的熱帶氣旋經過SST較高(27～29℃)海域時強度增強至最大強度(Baik and Paek，1998)。秋季北印度洋在年代際偏少年(圖3a)和年代際偏多年(圖3b)生成的超級氣旋風暴都出現在平均SST高于28℃的海域，年代際偏多年阿拉伯海和孟加拉灣的東南部存在平均SST高于29℃的暖水區(qū)，這為熱帶風暴生成并發(fā)展到超級氣旋風暴提供了良好的條件，而從年代際偏多年和年代際偏少年SST的差值場(圖3c)來看，北印度洋超級氣旋風暴在生成和發(fā)展的多數時間都位于SST正異常區(qū)域。

不僅如此，OHC對熱帶氣旋強度的影響也至關重要。90%的熱帶氣旋過境海洋暖渦后強度達到最大強度(Oropeza and Raga，2015)，上層OHC越大對于熱帶氣旋快速發(fā)展增強十分有利(王關鎖等，2018；楊薇等，2019)，2008年北印度洋超級氣旋風暴納爾吉斯在緬甸近?？焖偌訌娬怯捎诮涍^了深厚的暖海洋次表層(Lin et al，2009；Maneesha et al，2012)。伴隨熱帶風暴強烈發(fā)展帶來的強風和大浪引起海洋躍層以下深冷水上翻，進而導致SST降低(Hart，2011)，這不利于熱帶風暴強度的持續(xù)增長，而深厚寬闊的暖海水層可以抵消冷海水上翻的降溫效應，從而使得熱帶風暴獲得持續(xù)的海洋熱通量輸送。年代際偏少年北印度洋生成的3個超級氣旋風暴都發(fā)生在平均OHC大于325 kJ·cm-2的海域(圖3d)，并且在風暴發(fā)展加強的階段OHC的數值均大于300 kJ·cm-2。年代際偏多年北印度洋平均OHC大于300 kJ·cm-2的范圍顯著擴大，平均OHC最大達到375 kJ·cm-2以上(圖3e)，生成的11個超級氣旋風暴生成和發(fā)展的多數時間都位于OHC的正異常區(qū)(圖3f)，這對熱帶風暴持續(xù)發(fā)展到更高強度提供了十分有利的條件。

圖3 秋季北印度洋超級氣旋風暴年代際偏少年(a，d)與年代際偏多年(b，e)的平均SST(a，b)和平均OHC(d，e)，以及年代際偏多年與年代際偏少年的SST(c，單位：℃)和OHC(f，單位：kJ·cm-2)差值場Fig.3 The average SST (a， b) and OHC (d， e) in (a, d) years with fewer super cyclonic storms (1979-1998) and (b, e) years with more (1999-2018) over the North Indian Ocean in autumn and the differences of SST (c, unit:℃) and OHC (f, unit: kJ·cm-2) between them

圖3 秋季北印度洋超級氣旋風暴年代際偏少年(a，d)與年代際偏多年(b，e)的平均SST(a，b)和平均OHC(d，e)，以及年代際偏多年與年代際偏少年的SST(c，單位：℃)和OHC(f，單位：kJ·cm-2)差值場Fig.3 The average SST (a， b) and OHC (d， e) in (a, d) years with fewer super cyclonic storms (1979-1998) and (b, e) years with more (1999-2018) over the North Indian Ocean in autumn and the differences of SST (c, unit:℃) and OHC (f, unit: kJ·cm-2) between them

3.3 850 hPa渦度

從850 hPa渦度場來看，年代際偏少年(圖4a)北印度洋渦度場的大值中心自西向東從阿拉伯海到孟加拉灣主要分布在5°～15°N，這與氣旋性風場相對應，生成的超級氣旋風暴在強度發(fā)展階段都經過了渦度的大值區(qū)。年代際偏多年(圖4b)，以印度半島為中心在北印度洋呈現顯著的氣旋性環(huán)流，渦度的大值中心從阿拉伯海一直延伸到孟加拉灣，與年代際偏少年相比較而言(圖4c)，阿拉伯海和孟加拉灣海域都出現了氣旋性輻合的風場，10°N以南的低緯度為異常西風，這有利于低層產生更強的氣旋性渦度(Kikuchi et al，2009)，Felton et al(2013)的研究也指出孟加拉灣低層緯向風的增強提供了額外的低層氣旋發(fā)展的渦度。從實際結果來看，年代際偏多年與年代際偏少年渦度差值場以正值為主，在阿拉伯海西部和孟加拉灣的西北部各有一個顯著的正渦度中心，異常的正渦度表明低層大氣氣旋性擾動增強，這也是在1999—2018年超級氣旋風暴生成數增多的重要原因。

圖4 秋季北印度洋超級氣旋風暴年代際偏少年(a)與年代際偏多年(b)的850 hPa平均相對渦度及年代際偏多年與年代際偏少年的差值場(c，單位:10-6 s-1，矢量：風速)Fig.4 The 850 hPa average relative vorticity (unit: 10-6 s-1) in (a) years with fewer super cyclonic storms (1979-1998) and (b) years with more (1999-2018) over the North Indian Ocean in autumn and (c) the difference (unit: 10-6 s-1) between them (vector: wind)

3.4 水汽條件

中層相對濕度對北印度洋熱帶風暴強度的維持和發(fā)展具有重要作用(Yanase et al，2012；Li Z et al，2013)，中層大氣的增濕效應有利于對流的發(fā)生和暖心的形成。在年代際偏少年(圖5a)和年代際偏多年(圖5b)，熱帶風暴都發(fā)生在緯度相對較低、中層相對濕度較高的區(qū)域。同時發(fā)現，年代際偏多年與年代際偏少年600 hPa相對濕度的差值場在北印度洋均為正(圖5c)，熱帶風暴生成和發(fā)展的階段都有著更好的濕度條件，這有利于減小蒸發(fā)冷卻導致的下沉氣流，對于維持熱帶風暴的對流活動具有重要意義。當然，某一層的濕度條件代表性有限，熱帶氣旋的生成和發(fā)展需要中低層持續(xù)的水汽輸送，通過計算年代際偏多年與年代際偏少年地面到600 hPa水汽通量積分的差值場(圖6)發(fā)現，在阿拉伯海西部以及孟加拉灣中部海域呈現顯著(通過0.05顯著性水平檢驗)的正值區(qū)，中心最大值分別為17 kg·m-1·s-1和14 kg·m-1·s-1，而這也對應著超級氣旋風暴發(fā)展階段，說明1999—2018年更強的水汽輸送通過促進潛熱釋放使得熱帶風暴能夠更多的生成并發(fā)展達到更大的強度，從而使得超級氣旋的風暴數目顯著增多。

圖5 同圖4，但為600 hPa相對濕度(單位:%)Fig.5 Same as Fig.4, but for 600 hPa relative humidity (unit: %)

圖6 秋季北印度洋超級氣旋風暴年代際偏多年與年代際偏少年地面到600 hPa水汽通量積分差值場(單位: kg·m-1·s-1)Fig.6 Difference field (unit: kg·m-1·s-1) of water vapor flux integrated from surface to 600 hPa between years with more super cyclonic storms and years with fewer over the North Indian Ocean in autumn

3.5 垂直風切變

垂直風切變對北印度洋熱帶風暴的生成和發(fā)展具有重要的制約作用(Camargo et al，2007)，過大的垂直風切變不利于熱帶風暴的形成和發(fā)展(Li Z et al，2013)，較小的環(huán)境風垂直切變是熱帶氣旋加強的有利因素(高拴柱等，2012)。年代際偏少年生成的3個超級氣旋風暴都是在平均垂直風切變小于10 m·s-1的海域(圖7a)，并且在風暴向西北或偏北方向移動的強度發(fā)展階段垂直風切變雖然略有增加，但是不超過20 m·s-1。年代際偏多年(圖7b)，在北印度洋靠近赤道的海域垂直風切變增大，最大達到4 m·s-1，尤其是在阿拉伯海發(fā)展起來的4個超級氣旋風暴都出現在垂直風切變正異常區(qū)域(圖7c)，但是在其發(fā)展加強階段都是建立在平均垂直風切變不超過15 m·s-1的背景場之下。在孟加拉灣生成的7個超級氣旋風暴都在垂直風切變的負異常區(qū)，尤其是在孟加拉灣北側呈現顯著的負異常，熱帶風暴的發(fā)展加強階段都集中在這一區(qū)域，由此可見，孟加拉灣北側垂直風切變顯著減小對于向北移動的熱帶風暴強度的發(fā)展十分有利，這與Felton et al(2013)的結論非常相近。

圖7 同圖4，但為200～850 hPa垂直風切變(單位:m·s-1)Fig.7 Same as Fig.4, but for vertical wind shear between 200 hPa and 850 hPa (unit: m·s-1)

4 結論與討論

利用1979—2018年JTWC發(fā)布的北印度洋熱帶風暴數據和ERA-Interim提供的1°×1°再分析資料對北印度洋熱帶風暴的活動特征進行了分析，結果表明：

(1)1999—2018年秋季(10—12月)生成的超級氣旋風暴數量與1979—1998年相比有了明顯的增長，秋季超級氣旋風暴生成數在3、9和20 a的時間尺度上呈現高低振蕩，并且小波方差在準20 a周期最大。

(2)1999—2018年北印度洋平均MPI指數高于1979—1998年，兩者的差值場在阿拉伯海最大，達到6 m·s-1，而在孟加拉灣北側為負值。

(3)與1979—1998年相比，1999—2018年更高的SST和OHC為超級氣旋風暴的生成和發(fā)展提供了有利的條件，更弱的垂直風切變、更強的水汽通量和低層氣旋性渦度輸送促進了熱帶風暴強度的持續(xù)增長。

北印度洋熱帶氣旋的生成和發(fā)展在季節(jié)變化上具有與其他海域顯著不同的特征，并且熱帶氣旋本身就是多種環(huán)境因子共同作用下的產物，本文只是在前人研究的基礎上對影響熱帶氣旋的主要大尺度環(huán)境因子進行了分析，而不同環(huán)境因子在熱帶氣旋發(fā)展過程中起到的具體貢獻還有待進一步的研究。