季风涡旋影响西北太平洋台风生成初步分析

李肖雅,吴立广,宗慧君

(气象灾害省部共建教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044)

季风涡旋影响西北太平洋台风生成初步分析

李肖雅,吴立广,宗慧君

(气象灾害省部共建教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044)

西北太平洋对流层低层大尺度低频环流季风涡旋与台风生成有密切的关系。利用时间滤波方法将季风涡旋和台风环流从逐日台风风场中分离出来,对两次季风涡旋活动个例分析发现,气旋初始扰动都首先出现在季风涡旋中心东部,一次季风涡旋活动可以伴随着一个或几个热带气旋的生成。通过进一步分析2000—2009年季风涡旋活动与热带气旋的生成关系发现,虽然季风涡旋的定义与环流强度和持续时间有关,但是热带气旋的生成位置大多数分布在季风涡旋的中心和东部,这可能与季风涡旋的Rossby波能量频散有关。

季风涡旋;低频环流;热带气旋;Rossby波能量频散

0 引言

太平洋和南海地区夏季盛行西南季风,对流层低层季节和气候平均流场上西南季风和信风形成季风槽。季风槽活动与热带气旋生成的关系一直都受到广泛关注(Harr and Elsberry,1991,1995a;Gray 1998)。Gray(1968)对西北太平洋达到台风强度时的热带气旋位置进行统计发现,这些位置大多分布在赤道槽至20°N以内。热带气旋的生成位置与季风槽的东进和西退有联系(Chen et al.,1998),其发生频数和当年季风的强弱也存在较高的相关(孙秀荣和端义宏,2003)。Frank(1988)认为约80%的热带气旋初始扰动来自于季风槽。Harr and Elsberry(1991,1995a)的研究认为,表征西北太平洋季风槽强度的低层纬向风异常对热带气旋的生成位置和路径有着重要影响,西北太平洋季风槽活跃(不活跃)的流型在700 hPa表现为气旋(反气旋)性环流异常,对应了热带气旋的活跃(不活跃)阶段(Harr and Elsberry,1995b)。

有时候季风在活跃期间表现为季风涡旋或季风低压的形式(Lander,2004)。Lander(1994)描述的季风涡旋为发生在7—9月西北太平洋对流层低层最外层环流等压线直径接近2 500 km,历时2～3周的近似圆形涡旋,上层配合弱脊或反气旋性环流。Chen et al.(2004,2008)研究了包括部分天气尺度(生命期5 d以上)在内的季风涡旋,发现82%的季风涡旋发展来源于季风槽和东风波的相互作用。Lander(1994)认为季风涡旋和季风槽是季风环流与大尺度环流系统相互配置产生的不同环流形态,它们之间可以相互演变并且没有明确的划分界限,并指出季风涡旋的形成是由于对流层热源响应和上部槽向赤道的入侵,相同的机制能激发赤道罗斯贝波(Kiladis and Wheeler,1995;Bessafi and Wheeler,2006)。John et al.(2007)发现当西传的罗斯贝波包到达太平洋中部的强辐合区时振幅增加并且波的纬向尺度收缩,最大振幅出现在辐合区的最西端(Webster and Chang,1988;Chang and Webster,1990),因此也有人认为季风涡旋是由对流层低层西传的赤道罗斯贝波包中的低压发展而来。Holland(1995)对季风环境里有利或不利台风发展的复杂动力相互作用过程进行了研究,指出非绝热对流活动和气流辐散产生的平流涡度能在对流层低层产生闭合的类似季风涡旋的扰动。

季风涡旋活动可以影响热带气旋生成。早在20世纪50年代,Arakawa(1952)就观测到一系列台风在中纬度气旋中生成。Ritchie and Holland(1999)分析了与西北太平洋台风生成相关的五种典型的低层大尺度环流以及中尺度对流系统,发现1984—1992年3%热带气旋生成与季风涡旋有关。Lander(1994)对1991年8月的季风涡旋活动及活动过程中生成的几个热带气旋进行分析发现,当季风涡旋出现的时候,持续的深对流云带在系统的南—东南缘发展,云带的边缘会有中尺度涡旋出现。Chen et al.(2008)认为西北太平洋气旋活动的年际变化是由于海温异常引起的季风环流变化,从而导致季风涡旋活动的调整,统计结果显示热带气旋发生的总频数和季风涡旋的累积生命期长度有着很大程度的相关。对比西北太平洋和北大西洋的热带气旋生成活动发现,北大西洋东风波中生成的热带气旋比例远大于西北太平洋东风波中生成的热带气旋比例,原因是西北太平洋约71%的热带气旋在有利于季风涡旋激发的天气尺度环境中生成。

以往关于季风涡旋的研究多使用Lander(2004)提出的定义,即季风涡旋是为期2～3周的大尺度低频环流系统,有关季风涡旋对热带气旋活动影响的统计分析使用的是逐日再分析资料或卫星资料。但是实际观测中发现,由于季风涡旋的时间、空间尺度和热带气旋不同,当一个甚至多个热带气旋出现在季风涡旋系统中心或附近时,就很难区分出气旋和季风涡旋两个独立的系统,把热带气旋视为季风涡旋环流的一部分,影响了对低频季风涡旋范围和强度的判断,而滤波后风场上天气尺度扰动的形态与滤波前是有区别的。在以往的研究中对于季风涡旋活动时间的判断没有客观的方法,在逐日风场上对季风涡旋活动的起止时间进行识别不仅带有主观误差,也使统计工作变得繁琐。因此,我们针对系统的环流特征对低频季风涡旋进行筛选。另外,目前学界对较长时期西北太平洋低频季风涡旋活动对热带气旋生成影响进行分析的文章并不多。本文通过个例分析初步探讨热带气旋生成与低频季风涡旋活动关系,并对较长时间内季风涡旋活动对热带气旋生成影响进行统计,目的是为了进一步探讨西北太平洋季风涡旋和热带气旋生成的关系。

1 资料和方法

主要利用NCEP/NCAR的6 h一次,空间分辨率为1°×1°,700 hPa 的FNL风场资料和高度场资料,以及关岛联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center)的最佳路径资料集,包括每6 h的台风中心经度、纬度和台风强度(中心气压和最大风速)。研究时段包括 2000—2009年5—10月。利用Lanczos滤波方法对FNL风场资料进行时间滤波,将风场资料分成10 d以上的低频部分和10 d以下的天气尺度部分。由于季风涡旋环流是主要出现在对流层中低层的低频环流,因此采用了700 hPa低通滤波风场资料研究季风涡旋的活动。

由于低频风场上涡旋的结构常常不对称,为保证准确找出涡旋中心尤其是强度较弱的涡旋中心,首先要判断低频风场上的涡旋是否闭合;其次,越接近气旋中心,相邻点的风向(东、西、南、北四点风向)转变也越大,因此季风涡旋的中心为涡旋内相邻点风向转变最大的单圈环流中心。

为了区别季风涡旋和低频风场上的其他涡旋,对涡旋进行挑选时不仅需要考虑涡旋的环流特征和生成位置,同时也要考虑涡旋的时空尺度。此外还考虑到涡旋出现多个环流中心的情况,当出现多中心时,则讨论热带气旋生成与最临近涡旋的关系。因此对低频风场上每一个涡旋活动主要进行以下判断:

1)生成区域。季风涡旋多被认为发生在低纬120～180°E、0～30°N范围内,但观测发现南海也是低频涡旋的频发区域。因此,本文研究的季风涡旋为中心位置在110～170°E、0～30°N范围内的低频闭合涡旋;

2)空间尺度。在本文研究中的,季风涡旋的水平尺度(涡旋水平方向上的直径)必须达到2 200 km;

图1 环流积分运算示意图(圆点为计算区域中心,矩形abcda为环流积分运算的最小运算区域,最小区域面积为1 760 km×2 640 km;矩形ABCDA为环流积分运算的最大运算区域,最大区域面积为2 640 km×2 640 km)Fig.1 Schematic diagram of the circulation integration(The dots represent the regional calculation centers,rectangules abcda and ABCDA of Fig.1(a) and (b) represent the minimum and maximum circulation integral domains,respectively.The minimum circulation integral area is 1 760 km×2 640 km and the maximum circulation integral area is 2 640 km×2 640 km)

3)环流强度。涡旋的环流强度和空间尺度大小有关。观测表明,涡旋的正涡度区域会随着涡旋强度和尺度的增大而扩大,因此可以用一定范围内的环流强度来表征涡旋的强度和判断涡旋的尺度。流体力学中对环流的定义为流场中流体速度沿闭合曲线的线积分(Robert et al.,2003),根据斯托克斯理论,闭合曲线上的环流等于该曲线所包围的面积上的涡度和,由于我们所用的资料是1°×1°,所以环流为某一区域内涡度的离散积分,即系统的环流强度用区域内的涡度和来表示。以涡旋中心点为计算区域中心,在1 760 km×2 640 km的最小范围(图1a中的矩形abcda)到2 640 km×2 640 km的最大范围(图1b中的矩形ABCDA)内,分别向东西(南北)向各扩大110 km的宽度便进行一次环流积分运算,最后将所有横纵向运算的最大值作为判断低频涡旋是否是季风涡旋的依据,这样计算能保证涡旋环流最强部分都落在计算区域。由于季风涡旋的形状多为东西向(也有少数为南北向),东—西或南—北向的直径相差较大,取最大值是为了避免过多的将周围的负涡度区域计算进去,影响涡旋强度的判断,漏选满足尺度的涡旋。用以上方法统计得到2000—2009年5—10月低频风场上所有涡旋的平均环流积分值为1.98×10-3s-1,因此可以初步判断季风涡旋的环流积分值大于1.98×10-3s-1,为保证不漏掉环流强度较弱但尺度达到条件的闭合涡旋,环流积分值也不宜取太高。

图2a—c为3个不同季风涡旋的环流强度,分别为2.22×10-3s-1、3.22×10-3s-1、6.78×10-3s-1。通过对比不同环流强度的季风涡旋(图2)发现,环流强度达到3.0×10-3s-1的涡旋其涡度值大于1.5×10-5s-1的区域至少有一个方向上尺度能达到20个经纬度,且具有较清晰的闭合环流结构(图2b、c),故将3.0×10-3s-1的环流积分值规定为本文研究的季风涡旋强度的临界值。

图2 环流强度为2.22×10-3 s-1(a)、3.22×10-3 s-1(b)、6.78×10-3 s-1(c)的季风涡旋(黑色圆点为程序找出的季风涡旋中心;阴影表示相对涡度,单位:10-5 s-1)Fig.2 Circulation intensity of three different monsoon gyres with circulation intensity of (a)2.22×10-3 s-1,(b)3.22×10-3 s-1 and (c)6.78×10-3 s-1,respectively (Centers of monsoon gyres are denoted by black dots and different relative vorticity values(10-5 s-1) are shaded in different colors)

图3 2000年9月的季风涡旋的环流强度演变(黑实线之间的区域为季风涡旋环流强度达到3.0×10-3 s-1的时段)Fig.3 Evolution of monsoon gyre circulation intensity in September,2000(Monsoon gyre circulation integral was over 3.0×10-3 s-1during the period between the two black solid lines)

一次季风涡旋活动涡旋的环流强度演变如图3所示,是一个逐渐增强到减弱的过程。图为2000年9月的季风涡旋的环流强度演变。该季风涡旋环流强度连续11.5d达到临界值,黑实线之间的区域为季风涡旋环流强度达到3.0×10-3s-1的时段。本文研究的季风涡旋为5—10月700 hPa 10 d低频风场上110～170°E、0～30°N范围内环流强度连续1 d达到临界值,且水平尺度不小于2 200 km的闭合涡旋,即图3实线区域内的季风涡旋活动。为避免滤波方法带来的误差,我们通过空间尺度来区别季风涡旋和热带气旋这两个不同的系统。但由于涡旋形态很不规则,在保证不漏选的情况下,少数尺度不满足条件的个例仍需要人为去除。在下文的研究中,对强度在临界值以外的涡旋活动以及涡旋活动期间生成的热带气旋不进行统计。

2 季风涡旋影响的热带气旋生成个例分析

西北太平洋大尺度的季风环流能显著的影响热带气旋形成、结构以及形状变化(Harr and Elsberry,1991),Lander(1994)对1991年8月季风涡旋影响下生成的几个热带气旋/热带风暴进行分析后也得到一致的结论。为初步观察季风涡旋与台风生成的关系,本文挑选了2009年7月27日—8月10日和2002年10月4—13日两个季风涡旋个例以及这两次过程中生成4个热带气旋进行分析。两次个例活动包括一次季风涡旋活动过程中伴随单个和多个热带气旋生成的情况。

2.1 2009年7月的季风涡旋

2009年7月的季风涡旋为10 a中历时最长的季风涡旋之一,环流强度连续14.25 d达到临界值。活动期间季风涡旋环流先后经历了一次分裂与合并,活动期间共伴随着3个热带气旋的生成,分别为热带低压天鹅(Goni)、台风莫拉克(Morakot)和热带低压艾涛(Etau)。图4a—e分别为2009年7月26日06时、27日12时、8月3日00时、7日00时和10日06时700 hPa 10 d以上FNL低通滤波风场(矢量箭头)和涡度场(彩色阴影),黑色圆点为季风涡旋中心,黑色五星表示强度为热带风暴以上(最大风速大于17.2 m/s)热带气旋中心,空心矩形为热带风暴以下的(最大风速小于17.2 m/s)热带气旋中心。图4f—j分别为2009年7月30日06时、8月2日00时、4日06时、5日18时和7日18时700 hPa 10 d以下FNL高通滤波风场(矢量箭头)和FNL 1 000 hPa位势高度(彩色阴影)点G为天鹅,M为莫拉克,E为艾涛。

图4 2009年7月26日06时(a)、27日12时(b)、8月3日00时(c)、7日00时(d)和10日06时(e)700 hPa 10 d以上FNL低通滤波风场(箭矢;单位:m/s)和涡度场(阴影;单位:10-5 s-1)(黑色圆点为季风涡旋中心,黑色五星表示强度为热带风暴以上(最大风速大于17.2 m/s)热带气旋中心,空心矩形为热带风暴以下(最大风速小于17.2 m/s)热带气旋中心);以及2009年7月30日06时(f)、8月2日00时(g)、4日06时(h)、5日18时(i)和7日18时(j)700 hPa 10 d以下FNL高通滤波风场(箭矢;单位:m/s)和FNL 1 000 hPa位势高度(阴影;单位:gpm)(点G为天鹅,M为莫拉克,E为艾涛)Fig.4 10 days lowpass filtered 700 hPa wind(m·s-1) superimposed with relative vorticity(10-5 s-1) valid at (a)0006 UTC on 26 July,(b)0012 UTC on 27 July,(c)0000 UTC on 3 August,(d)0000 UTC on 7 August and (e)0006 UTC on 10 August,2009;10 days highpass filtered 700 hPa wind(m·s-1) superimposed with geopotential height(gpm) valid at (f)0006 UTC on 30 July,(g)0000 UTC on 2 August,(h)0006 UTC on 4 August,(i)0018 UTC on 5 August and (j)0018 UTC on 7 August,2009.Centers of monsoon gyres,tropical cyclones whose intensity are stronger and weaker than tropical storm are denoted by black dots,black five-pointed stars and hollow rectangles,respectively.The letters “G”、“M” and “E” indicate Goni,Morakot and Etau,respectively

在季风涡旋出现前西北太平洋副热带高压的主体位置偏东,中心位于165°E附近,环流形势有利于较大尺度季风涡旋的形成。7月26日季风涡旋的扰动出现在10°N附近并沿纬向不断发展,最西端可达到南海东部,直径约30个纬度(图4a)。由于Rossby波能量频散,季风涡旋东南部有弱的反气旋生成。当季风涡旋经过菲律宾时分裂为东、西两个气旋环流,涡旋呈现双中心的结构(图4c)。天鹅的初始扰动在未分裂的涡旋中心附近的东部出现(图4b)。由于副高南部东风加强,7月30日00时在天鹅初始扰动的东北方有一个闭合气旋环流A在东风波中形成,由于气旋的能量频散,天鹅扰动和气旋A的东南部分别出现反气旋B和C(图4f和图4g),莫拉克的初始扰动在B,C环流之间生成,此时天气尺度风场上形成清晰的正反气旋交替的波列。随着副高的持续西伸,西行的莫拉克进入东部低频涡旋中心并与之发生合并(图4h)。热带气旋与低频涡旋的合并改变了季风涡旋原有的能量分布,使季风涡旋东南侧反气旋的强度增强(Elsberry and Carr,1995) (图4d),反气旋北部的西风与季风涡旋南部西南风叠加,在季风涡旋的东南部形成西南风急流,加强了涡旋东南侧的辐合。天气尺度风场上也观测到在8月5到6日,10°N以南,135～155°E有明显的西南风加强(图4i),8月7日艾涛的初始扰动在急流的左侧出现(图4j)。

可见,2009年的季风涡旋活动中伴随生成的3个热带气旋是大尺度背景场和天气尺度系统相互作用的结果。尽管这几个热带气旋的生成机制并不相同,但它们的初始扰动都在季风涡旋中心东部生成,其中天鹅和莫拉克初始扰动距离涡旋中心较近,艾涛的初始扰动则距离涡旋中心较远。初始扰动距离季风涡旋环流中心较近的热带气旋其生成过程比较类似,都经历了扰动尺度收缩不断增强,从涡旋东部向涡旋中心移动,进入季风涡旋中心达到热带风暴强度这一过程。而距离季风涡旋中心较远的艾涛则沿着季风涡旋东部的大风区向北移动(图4e)。天鹅的强度远弱于莫拉克的强度,这可能是与藤原效应的合并型有关(Fujiwhara S,1921,1931)。Lander(1994)认为在季风涡旋东部生成的涡旋可以被季风涡旋捕获一并西移,涡旋以这样的方式发生并维持自身中心强对流,最后可能发展成为热带气旋。

在以往关于莫拉克的个例分析中指出,热带气旋与低频涡旋的合并影响了气旋的结构和运动路径变化,合并过程中热带气旋西南部气压梯度不断增加,风速不断增强。同时,低频涡旋由于最初的能量分布发生变化也呈现出不对称的结构(Wu et al.,2011)。在莫拉克与不同时间尺度低频涡旋相互作用的模拟试验中还发现,当莫拉克与涡旋合并时它的移动路径都会发生北折(Liang et al.,2011)。此外,不同尺度涡旋的合并也为艾涛的发生提供了有利条件。从观测中可以看出,无论是天气尺度风场还是低频风场,艾涛的生成位置都位于合并后季风涡旋(热带气旋)东南部增强的西南风中,这一过程可能与Rossby波能量频散有关。

2.2 2002年10月的季风涡旋

2002年季风涡旋活动只生成强热带风暴巴威(Bavi)。和2009年的季风涡旋个例不同的是,涡旋出现前大尺度风场较单一,宽阔且偏南的副高限制了季风涡旋的发展,使得季风涡旋形成于低纬15°N以南,整个活动过程季风涡旋均为单中心结构,空间尺度较小。图5a—e为2002年10月2日00时、5日06时、10日06时、12日00时和13日12时700 hPa 10 d以上FNL低通滤波风场(矢量箭头)和涡度场(彩色阴影),黑色圆点为季风涡旋中心,黑色五星为热带风暴强度以上(最大风速大于17.2 m/s)热带气旋中心。图5f—j为2002年10月6日00时、8日06时、10日06时、12日00时和13日12时700 hPa 10 d以下FNL高通滤波风场(矢量箭头)和FNL 1 000 hPa位势高度场(彩色阴影)。

9月下旬,西北太平洋副热带高压南部东风和南半球高压北部越赤道的西南风在150～180° E、0～10° N形成东——西向辐合带,季风涡旋最初的扰动在辐合带中出现,表现为160 °E东西两侧各为一个弱的闭合涡旋(图5a)。随着160° E东侧的气旋的减弱,西侧涡旋的强度逐渐增强(图5b),最后流场上只有中心位于150° E、13° N的一个椭圆形大尺度涡旋(图5c)。6日00时(图5f)热带气旋的扰动也在季风涡旋中心东部出现,扰动逐渐移至季风涡旋中心并跟随引导气流向西移动,8日06时在季风涡旋中心附近加强致1 000 hPa以下(图5g),10日06时达到热带风暴强度(图5h),气旋的东南方出现明显的波列频散。在季风涡旋活动的后期,热带气旋并没有随着季风涡旋强度的减弱而减弱(图5d和图5i),直到13日季风涡旋消亡(图5e),热带气旋的强度才迅速减弱为热带风暴并沿副高西北侧转为东北行(图5j)。

图5 2002年10月2日00时(a)、5日06时(b)、10日06时(c)、12日00时(d)和13日12时(e)700 hPa 10 d以上FNL低通滤波风场(箭矢;单位:m/s)和涡度场(阴影;单位:10-5 s-1)(黑色圆点为季风涡旋中心,黑色五星为热带风暴强度以上(最大风速大于17.2 m/s)热带气旋中心);以及2002年10月6日00时(f)、8日06时(g)、10日06时(h)、12日00时(i)和13日12时(j)700 hPa 10 d以下FNL高通滤波风场(箭矢;单位:m/s)和FNL 1 000 hPa位势高度场(阴影;单位:gpm)Fig.5 10 days lowpass filtered 700 hPa wind(m·s-1) superimposed with relative vorticity(10-5 s-1) valid at (a)0000 UTC on 2 October,(b)0006 UTC on 5 October,(c)0006 UTC on 10 October,(d)0000 UTC on 12 October and (e)0012 UTC on 13 October,2002;10 days highpass filtered 700 hPa wind(m·s-1) superimposed with geopotential height(gpm) valid at (f)0000 UTC on 6 October,(g)0006 UTC on 8 October,(h)0006 UTC on 10 October,(i)0000 UTC on 12 October and (j)0012 UTC on 13 October,2002.Centers of monsoon gyres,tropical cyclones whose intensity are stronger than tropical storm are denoted by black dots and black five-pointed stars,respectively

图6 2000—2009年5—10月间连续10 d环流强度达到临界值的季风涡旋活动特征 a.季风涡旋年活动特征(不同颜色柱状表示2000—2009各年不同月份的季风涡旋活动天数);b.季风涡旋的月活动频数Fig.6 Characteristics of monsoon gyres reaching the critical threshold for a successive 10 days in May-October during 2000—2009 a.Inter-annual activity variation of monsoon gyres during 2000—2009(Monsoon gyre activity days in different months are shaded in different colors);b.Monthly activity frequency of monsoon gyres during 2000—2009

3 季风涡旋活动的统计特征

观测发现,西北太平洋2～3周的低频季风涡旋大概2 a出现1次(Lander,1994)。本文对2000—2009年5—10月的环流强度连续10、5、1 d达到临界值的季风涡旋活动分别进行统计,结果显示季风涡旋活动存在着明显的年际变化,环流强度连续不同天数达到临界值的季风涡旋,其活动频数也不一样。

图6a、7a、8a分别表示2000—2009年5—10月间700 hPa 10 d低频风场上强度连续10、5和1 d达到临界值的季风涡旋的活动天数。不同颜色柱状表示在不同月份出现的季风涡旋,纵坐标为活动天数,横坐标为年份;图6b、7b、8b分别表示2000—2009年5—10月各月份环流强度连续10、5和1 d达到临界值的季风涡旋的活动次数,纵坐标为频数,横坐标为月份。这些涡旋中达到临界值时间最长的为15 d,最短的为1.5 d,较短时间达到临界值的季风涡旋其空间尺度也能满足条件。2000—2009年环流强度连续10 d达到临界值的季风涡旋共有6个(图6a),只在2000年、2006年和2009年出现,5、6月没有涡旋活动,8、9月的活动次数最多,均为两次(图6b)。连续5 d达到临界值的季风涡旋个数明显多于连续10 d达到临界值的季风涡旋个数,共有季风涡旋活动20个,且在6月也有涡旋活动(图7a),活动频率为2 次/a。除2003年和2008年外,其余年份都有次数不等的季风涡旋活动发生,其中活动的高峰期在8月和9月,各出现5次,其次是10月,出现4次,6、7月最少,各3次(图7b)。连续1 d达到临界值的季风涡旋每年都有发生(图8a),10 a发生次数为39个,年发生频数为3.9次/a。2000年和2001年发生的次数最多,均为6次,2008年只发生了两次。季风涡旋活动在5—10月都有出现,活动次数呈明显的单峰型,8月为高峰期(图8b)。

可见,挑选季风涡旋的条件不一样,统计得到涡旋的活动频数也不一洋。但从统计中可以看到,季节变化是基本一致的,即8、9月时季风涡旋活动最活跃的月份,其次是7月和10月。季风涡旋多发生年和少发生年的大尺度环流特征存在较大区别。在季风涡旋多发年份(2000、2006和2009年,7—10月季风涡旋达到临界值天数为37.7 d/a),大尺度平均流场上副高范围较小,赤道到20°N以南,南海到菲律宾东部140°E范围内为明显的闭合气旋性环流(图9a)。而在季风涡旋很少发生的年份(2003年和2008年,7—10月季风涡旋达到临界值天数为7.8 d/a),大尺度平均流场上副高较强盛且脊线位置偏南,副高的外围环流能达到东南沿海,南海区域对应弱的季风槽,并不形成闭合气旋环流(图9b)。

图7 2000—2009年5—10月间连续5 d环流强度达到临界值的季风涡旋活动特征 a.季风涡旋年活动特征(不同颜色柱状表示2000—2009各年不同月份的季风涡旋活动天数);b.季风涡旋的月活动频数Fig.7 Characteristics of monsoon gyres reaching the critical threshold for a successive 5 days in May-October during 2000—2009 a.Inter-annual activity variation of monsoon gyres during 2000—2009(Monsoon gyre activity days in different months are shaded in different colors);b.Monthly activity frequency of monsoon gyres during 2000—2009

图8 2000—2009年5—10月间连续1 d环流强度达到临界值的季风涡旋活动特征 a.季风涡旋年活动特征(不同颜色柱状表示2000—2009各年不同月份的季风涡旋活动天数);b.季风涡旋的月活动频数Fig.8 Characteristics of monsoon gyres reaching the critical threshold for one day in May-October during 2000—2009 a.Inter-annual activity variation of monsoon gyres during 2000—2009(Monsoon gyre activity days in different months are shaded in different colors);b.Monthly activity frequency of monsoon gyres during 2000—2009

4 季风涡旋活动与台风生成的关系

Ritchie and Holland(1999)和Chen et al.(2004)分别对连续8 a(1984—1992年,除1989年)和23 a(1979—2002)的季风涡旋活动中生成的热带气旋进行统计,前者认为与季风涡旋活动有关的热带气旋生成仅占气旋总数的3%,而后者则认为达到71%。对比两者的研究发现,使统计结果存在较大差异的原因可能是对季风涡旋的定义不同。Ritchie and Holland(1999)用的是Lander(1994)研究中提出的定义,即西北太平洋上历时2～3周的低频涡旋,而Chen et al.(2004)则定义季风涡旋为生命期达到5 d以上的涡旋。为检验季风涡旋定义的不同是否会影响热带气旋的统计结果,分别统计了环流强度连续10、5和1 d达到临界值的季风涡旋其达到临界值期间生成的热带气旋数量。

图9 季风涡旋7—10月700 hPa 10 d以上的低频风场特征 a.季风涡旋多发生年(2000、2006和2009年);b.季风涡旋少发生年(2003和2008年)Fig.9 10 days lowpass filtered 700 hPa wind averaged over July to October a.Monsoon gyre high occurrence years (2000,2006 and 2009);b.Monsoon gyre rare occurrence years(2003 and 2008)

统计结果显示,强度连续不同天数达到临界值的季风涡旋,其临界值期间生成的热带气旋数量也不一样(图10)。图10a—c分别表示低频风场上环流强度连续10 d(图10a)、5 d(图10b)、1 d(图10c)达到临界值的季风涡旋活动期间生成的热带气旋生成点相对涡旋中心的经纬向距离,横向表示纬度距离,纵向表示经度距离,单位为°。

低频风场上环流强度连续10、5和1 d达到临界值的季风涡旋在其达到临界值期间生成热带气旋数目分别为15个、42个和56个,分别占2000—2009年5—10月生成的热带气旋总数(201个)的7.5%、20.9%和27.9%。而无论强度连续10、5和1 d达到临界值的季风涡旋,临界值期间热带气旋的生成位置(最大风速到达17.2 m/s时的位置)大多都位于季风涡旋中心和中心东部,这两个区域气旋的生成数量在强度连续10 d、5 d和1 d达到临界值的涡旋活动期间生成气旋总数中所占的比例分别为73.3%、81.0%和85.7%。经观测发现,这些热带气旋的最初扰动主要形成于三个区域。

1)扰动在季风涡旋环流的东—东南侧生成

以往的研究指出,季风涡旋的东—东南侧是热带气旋扰动易发生的区域(Holland,1995),除了涡旋东侧和涡旋东部的辐合区外,季风涡旋大部分区域是无云的(Webster and Chang,1988)。统计中也发现,强度达到临界值以上的季风涡旋,其最强的辐合区一般偏向涡旋的东南部,这一区域强对流的形成可能与季风涡旋的Rossby波能量频散有关。

由于Rossby波能量频散,涡旋的东南部有时会有反气旋生成,涡旋的东侧边缘伴随着大风和强辐合的出现,使季风涡旋呈现出不对称的结构(Ritchie and Holland,1999)。Chen et al.(2008)认为季风涡旋东南侧辐合区的形成可能是涡旋东南侧强的南风将小行星涡度向极输送,在下游方向形成负涡度倾向,东南侧正涡度延伸抵抗了β平流的影响,因此该区域强对流和降水得以维持。当西传的东风波到达辐合区便会产生一系列的扰动,在这种能量频散环境下,热带气旋的发展速度比平常更快。相反的,热带气旋的初始位置也会影响季风涡旋最终的能量分布,当季风涡旋中有热带气旋生成,热带气旋外部的相对涡度平流会改变季风涡旋原有的相对涡度分布,进而影响热带气旋移动路径和辐合区的对流活动(Ritchie and Holland,1999)。

2)扰动在季风涡旋中心生成

季风涡旋环流结构较对称的时候,扰动会在涡旋中心生成,这样的情况通常多发生在季风涡旋发展较成熟的阶段。Lander(1994)分析了1991年8月16日生成于季风涡旋中心的葛拉丝(Gladys),发现前半个生命期西移的季风涡旋中心气压1 d仅降低1 hPa,当其中心具有热带气旋的特征后,中心气压便快速下降,数日后涡旋的中心区域发展为一个完整的热带气旋。在我们的统计中,自身发展成为热带气旋的季风涡旋个例往往空间尺度较小。

3)扰动在季风涡旋环流外东部生成

季风涡旋的东部有时会伴随叠加了越赤道气流的西南风急流和强的东西辐合区,发展到辐合带中的急流往往会沿着涡旋东侧形成南北向结构,为热带气旋发展提供有利环境(Webster and Chang,1988)。除此之外,由于季风涡旋多位于西北太平洋西部,因此一些天气尺度系统,如东风波、热带气旋的罗斯贝波列频散和赤道混合Rossby 波等,往往在季风涡旋的东部生成,这些天气尺度系统也是促使热带气旋早低频涡旋东部生成的原因之一(Fu et al.,2007)。

图10 环流强度达到临界值的季风涡旋活动期间生成的热带气旋生成点相对涡旋中心的经纬向距离(单位:(°);a—c分别表示环流强度连续10、5和1 d达到临界值)Fig.10 The relative positions of tropical cyclogenesis(black dots) to monsoon gyre centers during the periods with monsoon gyre activity(the vertical coordinate and the horizontal coordinate indicate latitude and longitude distances,respectively.Units:(°)) Circulation intensity reaching the critical threshold for a successive (a)10 days,(b)5 days and (c)1 day,respectively

通过以上分析可知,热带气旋的生成与季风涡旋的活动有关,热带气旋生成数量的统计结果显示季风涡旋东部的确是热带气旋的易发生区域,但统计结果也会因为季风涡旋定义的不同而存在差异。

5 结论和讨论

1)在个例分析中我们发现,一次季风涡旋活动可能伴随单个或者多个热带气旋生成。对两次季风涡旋活动以及活动中生成的4个热带气旋进行初步分析发现,尽管4个热带气旋的生成机制不同,但它们的初始扰动都在季风涡旋中心东部生成。

2)对2000—2009年5—10月环流强度连续10、5和1 d达到临界值的季风涡旋活动分别进行统计,结果显示季风涡旋活动频数存在较大差别。环流强度持续1 d达到临界值的季风涡旋每年都有发生,其中8、9月为季风涡旋活动高峰期。季风涡旋多发年份和较少发生年份7—10月的平均环流场特征分别对应南海到菲律宾东部有明显的闭合气旋性环流和南海区域为弱的季风槽。

3)统计结果显示,临界值期间热带气旋大多在季风涡旋的中心和东部生成,它们的初始扰动主要出现在季风涡旋中心附近的东部、涡旋中心生成和季风涡旋环流外东部,与以往研究中季风涡旋东——东南部是中小尺度涡旋扰动的易发生区域这一结论是一致的。这可能和Rossby波频散使涡旋东南侧形成强对流区有关。

本文的研究是根据观测资料分析季风涡旋活动对热带气旋生成的影响,所得的结论是建立在前人研究的结果和观测事实的基础上的。但是热带气旋生成与多尺度系统相互作用的机制是复杂的,对于季风涡旋活动具体如何影响热带气旋生成,目前我们还没有一个确定的结论,它们之间相互作用的机制有待进一步分析研究。

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(责任编辑：孙宁)

AnalysisofinfluenceofmonsoongyresontropicalcyclogenesisoverthewesternNorthPacific

LI Xiao-ya,WU Li-guang,ZONG Hui-jun

(Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China)

Studies have shown that large-scale monsoon gyre activity is closely associated with tropical cyclogenesis over the western North Pacific.In this study,two cases of monsoon gyre activities in 2002 and 2009 were first examined.It was found that a monsoon gyre can be linked to the formation of one or more tropical cyclones,which usually occur near or to the east of the gyre center.Further analysis of the monsoon gyre activity during the period of 2000—2009 indicates that tropical cyclogenesis mainly occurs near or to the east of the gyre center,although the definition of a monsoon gyre depends on its duration and the circulation intensity.It is suggested that the tropical cyclogensis may be associated with the Rossby wave energy dispersion of monsoon gyres.

monsoon gyre;low-frequency circulation;tropical cyclone;Rossby wave energy dispersion

2011-12-30；改回日期2012-03-29

国家自然科学基金资助项目(40875038)

吴立广,教授,研究方向为热带气旋,liguang@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111230001.

1674-7097(2014)05-0653-12

P424

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111230001

李肖雅,吴立广,宗慧君.2014.季风涡旋影响西北太平洋台风生成初步分析[J].大气科学学报,37(5):653-664.

Li Xiao-ya,Wu Li-guang,Zong Hui-jun.2014.Analysis of influence of monsoon gyres on tropical cyclogenesis over the western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,37(5):653-664.(in Chinese)