王相軍，李秋勝

(1. 揚州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225147；2. 香港城市大學(xué)建筑學(xué)及土木工程學(xué)系，中國 香港 999077)

1 引 言

熱帶氣旋(TCs)作為一種大尺度(1 000 km)的天氣系統(tǒng)，其在生成、發(fā)展和登陸過程中不但會帶來大風(fēng)和強(qiáng)降雨，還會引發(fā)洪澇和地質(zhì)災(zāi)害，給沿海地區(qū)的居民生活和農(nóng)作物的生產(chǎn)帶來很大的影響。全球有8個熱帶氣旋的發(fā)源地，西北太平洋是熱帶氣旋生成數(shù)量最多，分布范圍最廣且生成時間跨度最大的海區(qū)[1]。中國很多省份毗鄰西北太平洋，很容易受熱帶氣旋不同程度的影響，為此，掌握熱帶氣旋產(chǎn)生的位置、緯度、頻數(shù)和強(qiáng)度等特性，對預(yù)防熱帶氣旋所造成的經(jīng)濟(jì)和財產(chǎn)損失具有重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者在熱帶氣旋生成頻數(shù)、強(qiáng)度和路徑的變化特征的研究方面已經(jīng)開展了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)西北太平洋和北太平洋東部及中部的熱帶氣旋的生成頻數(shù)呈下降趨勢[2]，且熱帶氣旋移動速度逐年變緩[3]，而造成這些變化主要和西北太平洋的海溫[4-5]和全球氣候變暖[3]有關(guān)，Emanuel[6]分析發(fā)現(xiàn)海洋表面溫度每升高1 ℃，熱帶氣旋最大風(fēng)速會增加5%左右。同樣，登陸中國TCs 的活動變化特征也受到了廣泛關(guān)注，曹楚等[7]研究發(fā)現(xiàn)登陸我國TCs 的平均強(qiáng)度和極端強(qiáng)度均有減弱趨勢，登陸位置偏向我國中部；石先武等[8]分析發(fā)現(xiàn)1949—2010年登陸中國的熱帶氣旋年頻數(shù)呈下降趨勢；張春艷等[9]采用趨勢分析、R/S分析和周期分析等方法研究了1951—2017年登陸我國TCs的個數(shù)、頻次、強(qiáng)度以及登陸位置等熱帶氣旋活動特征，發(fā)現(xiàn)登陸中國TCs 的個數(shù)和頻次均呈下降趨勢，歷年最低中心氣壓、平均中心氣壓均呈增加趨勢，且TCs 登陸位置呈向東、向北偏移趨勢。這些研究為分析登陸我國TCs 的活動特征提供了參考。然而，熱帶氣旋的活動特征和其強(qiáng)度、生成月份和經(jīng)緯度有很大關(guān)系，張金善等[10]發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，其生成地緯度帶范圍越窄且越靠近赤道；姚才等[11]研究得出7—9月登陸我國華南地區(qū)的TCs 和臺風(fēng)頻數(shù)均有微弱的上升趨勢，尤其是近十年來登陸華南的強(qiáng)臺風(fēng)有明顯增加的趨勢；朱志存等[12]發(fā)現(xiàn)118 °E 以東TCs登陸前后平均維持時間及登陸前平均強(qiáng)度基本上大于 118 °E 以西的區(qū)間，登陸后平均強(qiáng)度東西兩段相差不大；郭麗霞等[13]發(fā)現(xiàn)登陸大陸入海加強(qiáng)的比率明顯高于登陸臺灣或登陸海南的比率，登陸時強(qiáng)度為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴的最多，其路徑在南海和北部灣有迂回盤轉(zhuǎn)式；許向春等[14]分析了登陸中國大陸、海南和臺灣不同強(qiáng)度TCs 變化特征，發(fā)現(xiàn)不同強(qiáng)度的熱帶氣旋的頻數(shù)、生成位置的年際變化趨勢不一致。這些研究表明：針對不同強(qiáng)度的熱帶氣旋開展它們活動特征精細(xì)化的對比分析十分必要。

針對熱帶氣旋生成頻數(shù)、強(qiáng)度和路徑的年際變化之間的差異，Bengtsson 等[15]指出熱帶氣旋頻數(shù)的增加不但和海水表面溫度的增加有關(guān)，還有可能和大尺度大氣環(huán)流的變化有關(guān)系[16]；除此之外，熱帶氣旋的生成頻數(shù)和強(qiáng)度的變化還與ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation，厄爾尼諾-南方濤動)事件有關(guān)，ENSO 是熱帶太平洋海面的厄爾尼諾(El Ni?o)現(xiàn)象[17]和熱帶大氣中的南方濤動(Southern Oscillation)現(xiàn)象[18]的簡稱，是一種對全球氣候產(chǎn)生強(qiáng)烈影響的大尺度海洋和大氣互相作用 的 事件 。Wang 等[5]、Chen 等[4]及 Fudeyasu 等[19]研究發(fā)現(xiàn)ENSO 事件影響熱帶氣旋生成位置及其路徑移向；Chan 等[20]指出西北太平洋的熱帶氣旋發(fā)源和生產(chǎn)數(shù)量主要受ENSO 的影響?？滋N淇等[21]研究發(fā)現(xiàn)兩類El Ni?o 事件期間1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋在中國的登陸率差異沒有通過顯著性檢驗；顧成林[22]分析了 ENSO 對1951—2015年登陸我國熱帶氣旋活動的時空變化作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)El Ni?o年登陸我國的熱帶氣旋的生成位置向東南方向移動，La Ni?a年向東北方向移動，El Ni?o年影響中國大陸海岸線附近的熱帶氣旋頻數(shù)偏少。鑒于此，針對中國沿海登陸熱帶氣旋的活動特征受ENSO 的影響，本文采用分位數(shù)回歸分析方法綜合開展西北太平洋熱帶氣旋最大風(fēng)速、中心最低氣壓、生成頻率、生命周期以及生成位置的時間和空間變化特征長周期的研究，重要對比分析受ENSO 影響和不受ENSO 影響下登陸中國的熱帶氣旋活動特征的年際變化規(guī)律以及不同分位數(shù)下趨勢系數(shù)，結(jié)果可為我國東南沿海地區(qū)的臺風(fēng)預(yù)警提供參考。

2 數(shù)據(jù)和分析方法介紹

2.1 熱帶氣旋數(shù)據(jù)來源

西北太平洋的熱帶氣旋數(shù)據(jù)主要源于中國氣象局的熱帶氣旋資料[17](https://www.typhoon.org.cn/)，該資料包括1949—2018年在西北太平洋生成的熱帶氣旋的名稱、生成時間、經(jīng)緯度、中心最低氣壓等，該數(shù)據(jù)同樣記錄的熱帶氣旋每6小時的活動特征。本文分析熱帶氣旋最大風(fēng)速≥17.2 m/s的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)中國氣象局對熱帶氣旋等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)樣本又可分為熱帶風(fēng)暴TS(17.2～24.4 m/s)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴 STY(24.5～32.6 m/s)、臺風(fēng)TY(32.7～41.4 m/s)、強(qiáng)臺風(fēng) STY(41.5～50.9 m/s)和超強(qiáng)臺風(fēng)Super TY(≥51.0 m/s)。

2.2 分位數(shù)回歸方法

本文采用的數(shù)據(jù)分析方法主要是分位數(shù)回歸法，分位數(shù)回歸根據(jù)因變量的條件分位數(shù)對自變量進(jìn)行估計，獲得不同條件分位點下自變量對相應(yīng)的因變量的回歸模型，從而更全面地描述因變量的變化范圍，特別是能更好地描述自變量對因變量尾部特征的影響。該方法可處理變量分布分散以及變量概率分布非對稱的情況，因此，分位數(shù)回歸在自然災(zāi)害、電力負(fù)荷、金融等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)該方法在登陸中國熱帶氣旋年際變化特征中的具體應(yīng)用簡要進(jìn)行介紹。

2.2.1 分位數(shù)回歸定義

如果不同年份的隨機(jī)變量X對應(yīng)的熱帶氣旋活動特征的分布函數(shù)為F(X)，對于任意0＜τ＜1，稱F-1(τ)= inf{x:F(x)≥τ}為X的τ-分位數(shù)[23]。從決策理論角度考慮，定義損失函數(shù)為：

其中0＜τ＜1，I(u)為示性函數(shù)：

則損失函數(shù)為：

可以看出ρτ(u)≥0的分段函數(shù)。

求解，

分位數(shù)回歸實際上就是通過τ在0～1 之間取值來調(diào)整回歸平面的位置和方法，讓分位數(shù)回歸變量估計對應(yīng)因變量的不同分位數(shù)，其能夠代表所有數(shù)據(jù)的信息。本文通過調(diào)整τ在熱帶氣旋活動特性參數(shù)的概率密度分布函數(shù)的取值，研究不同分位數(shù)下熱帶氣旋的年際變化規(guī)律。

目前對上式的算法主要有：單純形算法(Simplex Method)，內(nèi) 點 算 法 (Interior Point Method)和平滑算法(Smoothing Method)。平滑算法能夠緩解其他兩種算法在運算效率和計算速度上的不足，適合處理大數(shù)據(jù)集和多變量的數(shù)據(jù)集[24]應(yīng)用到分位數(shù)回歸分析中，其在分位數(shù)回歸中的應(yīng)用流程如下。

通過對該方程使用Frisch-Newton 算法，經(jīng)過有限次迭代可求得參數(shù)解。

2.2.2 分位數(shù)回歸參數(shù)估計的置信區(qū)間

根據(jù)目前的文獻(xiàn)，區(qū)間估計方法也可分為三種：漸進(jìn)分布估計法、秩得分法和重復(fù)抽樣法。重復(fù)抽樣法使用了MCMB(Markov Chain Marginal Bootstrap)算法，該算法能夠高效率運算，節(jié)省運算時間，本文中使用該算法。

3 登陸中國的熱帶氣旋活動特征分析

考慮到ENSO 循環(huán)對熱帶氣旋活動年際變化規(guī)律的影響，本部分首先以 Ni?o 3.4 區(qū)(120～170 °W，5 °N～5 °S)全年平均海平面溫度異常(SSTA)平均值對ENSO 循環(huán)的冷暖事件年進(jìn)行判定，當(dāng) SSTA 平均值≥0.5 ℃，定義為 El Ni?o年(即暖年)；SSTA 平均值小于等于-0.5 ℃的年份定義為 La Ni?a年(即冷年)，其他的年份定義為正常年份[21]，暖事件共有 15年，依次為 1953、1957、1958、1963、1965、1969、1972、1977、1982、1987、1991、1992、1997、2002、2015年；冷事件共有 16年，依次為1950、1955、1956、1971、1973、1974、1975、1984、1985、1988、1989、1999、2000、2007、2008、2011年；平常年共 38年，依次為：1951、1952、1954、1959、1960、1961、1962、1964、1966、1967、1968、1970、1976、1978、1979、1980、1981、1983、1986、1990、1993、1994、1995、1996、1998、2001、2003、2004、2005、2006、2009、2010、2012、2013、2014、2016、2017、2018年，具體結(jié)果如圖1。

圖1 1949—2018年Ni?o 3.4區(qū)的SSTA年平均值

3.1 熱帶氣旋的最大風(fēng)速

本文統(tǒng)計了16個La Ni?a年生成的熱帶氣旋總的數(shù)量為 431個，15個 El Ni?o年生成的熱帶氣旋總的數(shù)量為406個，38個平常年生成的熱帶氣旋總的數(shù)量為1 032個。圖2 給出了登陸中國的熱帶氣旋生命期最大風(fēng)速的概率密度和累積概率分布，在正常年、El Ni?o年和 La Ni?a年，風(fēng)速在35 m/s 之后的數(shù)值越大，樣本的概率密度值越小，最大風(fēng)速20～50 m/s 的熱帶氣旋所占比例最大；熱帶氣旋生命期最大風(fēng)速累積概率分布斜率在El Ni?o年最大，其次為平常年，最后 La Ni?a年，這說明正常年、El Ni?o年和 La Ni?a年的熱帶氣旋生命期最大風(fēng)速的累積概率分布存在差異，同一累積概率密度下對應(yīng)的三種年份的熱帶氣旋的最大風(fēng)速不同。

圖2 登陸中國的熱帶氣旋生命期最大風(fēng)速的概率分布

圖3 總結(jié)統(tǒng)計期內(nèi)所有登陸中國的熱帶氣旋生命期最大風(fēng)速的年際變化規(guī)律。在平常年，分位數(shù)回歸和最小二乘法回歸得到的趨勢系數(shù)都為負(fù)值，即登陸中國的所有熱帶氣旋生命期的最大風(fēng)速隨著年份的增加而減??；但在El Ni?o年，在0.5、0.6、0.7、0.8 分位數(shù)下，趨勢系數(shù)為正值(圖3d)，這四個分位數(shù)在概率密度分布中對應(yīng)的風(fēng)速等級分別為臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)(圖 2b)，即在 El Ni?o年登陸中國臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)隨著年份的增加，強(qiáng)度在增加，該結(jié)論與楊呂玉慈等[25]的研究結(jié)論一致，而其他等級的熱帶氣旋隨著年份的增加強(qiáng)度在減小；在La Ni?a年，在0.1和0.2分位數(shù)下，趨勢系數(shù)為正值(圖3f)，其他分位數(shù)下趨勢系數(shù)為負(fù)值，根據(jù)圖2b 的累積概率分布圖，0.1 和0.2 分位數(shù)對應(yīng)的風(fēng)速等級分別為熱帶風(fēng)暴TS，即在La Ni?a年，除了熱帶風(fēng)暴的風(fēng)速隨著年份的增加而減小之外，其他等級的熱帶氣旋最大風(fēng)速隨著年份的增加而增加。

圖3 登陸中國的熱帶氣旋年最大風(fēng)速變化規(guī)律

圖4分析了平常年、El Ni?o年和La Ni?a年熱帶氣旋登陸中國時風(fēng)速的年際變化規(guī)律，在平常年，分位數(shù)回歸和最小二乘法回歸得到的趨勢系數(shù)都為正值，即熱帶氣旋登陸時風(fēng)速隨著年份的增加而增加；但在 El Ni?o年，在 0.5、0.7、0.8 分位數(shù)下，趨勢系數(shù)為負(fù)值(圖4d)，這三個分位數(shù)在概率密度分布中對應(yīng)的風(fēng)速等級分別為臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)(圖 2b)，即在 El Ni?o年臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)登陸時的風(fēng)速隨著年份的增加，強(qiáng)度在減小，而其他等級的熱帶氣旋隨著年份的增加強(qiáng)度在增加；在La Ni?a年，在0.1 分位數(shù)下，趨勢系數(shù)為正值(圖4f)，其他分位數(shù)下趨勢系數(shù)為負(fù)值，根據(jù)圖2b 的累積概率分布圖，0.1 分位數(shù)對應(yīng)的風(fēng)速等級分別為熱帶風(fēng)暴TS，即在La Ni?a年，除了熱帶風(fēng)暴的風(fēng)速隨著年份的增加而增加之外，其他等級的熱帶氣旋最大風(fēng)速隨著年份的增加而減小。根據(jù)平常年、El Ni?o年和 La Ni?a年熱帶氣旋登陸中國時風(fēng)速的年際變化規(guī)律，相關(guān)部門可根據(jù)不同強(qiáng)度的熱帶氣旋制定針對性的防控措施，減小熱帶氣旋登陸我國東南沿海地區(qū)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

圖4 熱帶氣旋登陸時風(fēng)速年際變化規(guī)律

3.2 熱帶氣旋的最低中心氣壓

圖5 給出了不同分位數(shù)下登陸中國的熱帶氣旋生命期最低中心氣壓在不同年份的變化規(guī)律，在平常年，除了 0.1 和0.3 分位數(shù)之外(圖5b)，分位數(shù)回歸和最小二乘法回歸得到的趨勢系數(shù)都為負(fù)值；在 El Ni?o年，在 0.1 和 0.8 分位數(shù)下(圖 5d)，趨勢系數(shù)為正值，其他分位數(shù)下為負(fù)值；在La Ni?a年，在0.1和0.2分位數(shù)下(圖5f)，趨勢系數(shù)為正值，其他分位數(shù)下為負(fù)值。由此可看出，除了個別分位數(shù)之外，登陸中國的熱帶氣旋最低中心氣壓隨著年份增加而減小。

圖5 登陸中國的熱帶氣旋年最低中心氣壓變化規(guī)律

3.3 熱帶氣旋的生命期

同樣，對熱帶氣旋的生命期進(jìn)行分析，通過對比1949—2018年登陸中國的熱帶氣旋的生命期在不同分位數(shù)下的趨勢系數(shù)(圖6)可知，在平常年、El Ni?o年和 La Ni?a年，分位數(shù)回歸和最小二乘法回歸得到的趨勢系數(shù)都為負(fù)值，在分位數(shù)0.5下，平常年的熱帶氣旋的生命期最長在8 天左右，El Ni?o年的熱帶氣旋的最長生命期在7 天左右，在La Ni?a年，在熱帶氣旋的最長生命期在8 天左右。登陸中國的熱帶氣旋最長生命期在平常年、El Ni?o年和 La Ni?a年隨著年份的增加而減小，且熱帶氣旋最長生命期的均值La Ni?a年要大于El Ni?o年。

3.4 熱帶氣旋的生成位置

本文基于熱帶氣旋生成點的經(jīng)緯度，探討1949—2016年熱帶氣旋生成位置的情況，圖7 和圖8(見下頁)分別給出了登陸中國的熱帶氣旋發(fā)源地的分布和生成位置的年際變化規(guī)律，El Ni?o年的熱帶氣旋發(fā)源地分布經(jīng)度范圍更廣，生成經(jīng)緯度位置基本在 105～174 °E，5～25 °N 之間，而La Ni?a年熱帶氣旋發(fā)源地分布緯度范圍更大，生成經(jīng)緯度位置基本在 110～155 °E，5～30 °N 之間。在0.5 分位數(shù)下，登陸中國的熱帶氣旋生成位置在正常年為 132 °E，12.5 °N，在 El Ni?o年為131 °E，14 °N，在La Ni?a年為131 °E，12.5 °N；在0.9 分位數(shù)下，登陸中國的熱帶氣旋生成位置在正常年為151 °E，20 °N，在El Ni?o年為151 °E，22 °N，在La Ni?a年為156 °E，20 °N。

圖7 登陸中國熱帶氣旋的生成位置

圖8 登陸中國熱帶氣旋生成位置年際變化趨勢

表1(見20 頁）)給出了不同分位數(shù)下登陸中國熱帶氣旋生成位置趨勢系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，在0.1～0.9分位數(shù)下，登陸中國熱帶氣旋生成位置的緯度的趨勢系數(shù)基本都是正值，但經(jīng)度的趨勢系數(shù)在La Ni?a年為正值，在正常年和 El Ni?o年有部分負(fù)值，說明在正常年、El Ni?o年和 La Ni?a年，登陸中國的熱帶氣旋的生成位置的經(jīng)度隨著年份的增加有向東移動的趨勢，但登陸中國的熱帶氣旋的生成位置的緯度只有在La Ni?a年往北移的趨勢比較明顯，該結(jié)論與顧成林[22]的研究結(jié)果基本一致。在且 El Ni?o年和 La Ni?a年的趨勢系數(shù)要大于正常年，同樣可看出ENSO 循環(huán)對熱帶氣旋生成位置的影響較顯著。

表1 不同分位數(shù)下登陸中國熱帶氣旋生成位置年際變化的趨勢系數(shù)

4 結(jié)論與討論

本文基于西北太平洋熱帶氣旋數(shù)據(jù)，采用分位數(shù)回歸的方法分析了熱帶氣旋最大風(fēng)速、中心最低氣壓、生命期和生成位置的年際變化特征，并通過 Ni?o3.4 區(qū)的 SSTA 平均值將 1949—2017年劃分為 El Ni?o年、La Ni?a年和正常年，對比分析El Ni?o年、La Ni?a年和正常年的熱帶氣旋活動年際變化特征規(guī)律，得出以下主要的結(jié)論。

(1) 熱帶氣旋生命期最大風(fēng)速累積概率分布斜率在El Ni?o年最大，其次為平常年，最后La Ni?a年。在 El Ni?o年登陸中國的臺風(fēng)和強(qiáng)臺風(fēng)隨著年份的增加，強(qiáng)度在增加，而其他等級的熱帶氣旋(熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和超強(qiáng)臺風(fēng))隨著年份的增加強(qiáng)度在減??；在La Ni?a年，除了熱帶風(fēng)暴的風(fēng)速隨著年份的增加而減小之外，其他等級的熱帶氣旋最大風(fēng)速隨著年份的增加而增加；在平常年，登陸中國的所有熱帶氣旋生命期的最大風(fēng)速隨著年份的增加而減小。

(2) 在正常年、El Ni?o年和 La Ni?a年，登陸中國的熱帶氣旋最低中心氣壓隨著年份增加而減小；登陸中國的熱帶氣旋最長生命期在平常年、El Ni?o年和La Ni?a年隨著年份的增加而減小，且熱帶氣旋最長生命期的均值La Ni?a年要大于El Ni?o年。

(3) El Ni?o年的登陸中國熱帶氣旋生成經(jīng)緯度位置基本在 105～174 °E，5～25 °N 之間，而 La Ni?a年登陸中國熱帶氣旋生成經(jīng)緯度位置基本在110～155 °E，5～30 °N 之間。而且，登陸中國的氣旋的生成位置的經(jīng)度隨著年份的增加有向東移動的趨勢，但登陸中國的氣旋的生成位置的緯度只有在La Ni?a年往北移的趨勢比較明顯。

合成分析表明，在El Ni?o年，受局地環(huán)流的改變的影響，西北太平洋的東南部的海溫增加、對流增強(qiáng)、中層相對濕度增加、風(fēng)垂直切變減弱、低層渦度增加和高層散度增加，導(dǎo)致TCs 生成位置的經(jīng)度往東移動。生成位置的向東移動使登陸熱帶氣旋活動有著更長的移動距離，同時具有更高的強(qiáng)度，導(dǎo)致熱帶氣旋的生命期并沒有明顯增加的趨勢；在La Ni?a年，副熱帶高壓減弱，并且生成位置的緯度向北移動，這樣的環(huán)境有利于產(chǎn)生更多的TCs 在La Ni?a年登陸中國，可得出 ENSO對熱帶氣旋活動受熱帶和中、高緯度大氣環(huán)流變化的影響[22]。此外，在全球變暖的大背景下，我國南海北部的亞熱帶地區(qū)、臺灣南部出現(xiàn)更多大規(guī)模的異常氣旋流動，但受Walker 環(huán)流和相對渦度的減弱動力因素的影響，1949—2018年平常年登陸中國熱帶氣旋的強(qiáng)度有減弱的趨勢。