3套资料中西北太平洋热带气旋活动特征的比较分析

张冬娜，张 翰，程旭华，陈大可

(1.河海大学 海洋学院，江苏 南京 210098；2.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；4.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519082;5.上海交通大学 海洋学院，上海 200030)

0 引言

热带气旋是发生在热带、亚热带海面上的暖性气旋性环流[1]，最大持续风速超过32.7 m/s的热带气旋在西北太平洋一般称为台风[2]。热带气旋是地球物理环境中最具破坏性的天气系统之一，强烈的热带气旋不仅会形成狂风暴雨，还往往伴随着巨浪、风暴潮等，会对人民的生命及财产安全造成严重损失。西北太平洋是全球热带气旋发生频率最高、强度最强、破坏力最大的海区。据统计，在西北太平洋平均每年约35个热带气旋生成，约占全球热带气旋生成总数的1/3[3]。我国地处西北太平洋西岸，是热带气旋登陆最频繁的国家之一[4]，也是受台风灾害最严重的国家之一[5]。据统计，1980—2004年期间，台风灾害造成我国伤亡人数约24万，直接经济损失4 000多亿元人民币[6]。因此，研究西北太平洋热带气旋活动特征及变化对于我国防灾减损、经济发展及环境安全保障等都有重要意义。

对西北太平洋热带气旋活动特征的研究[7-13]表明，自20世纪50年代以来热带气旋的数量呈下降趋势[14]，移速在1949—2016年期间显著下降了20%[15],并且在过去的30 a中，其最大强度的平均纬度有向极地移动的显著趋势[16]。

不同的资料集在热带气旋位置、强度、数量等方面研究结果都存在一定的差异，这与热带气旋观测技术的改变有关[17-20]。SONG et al[21]使用了美国联合台风预警中心、日本气象厅和中国气象局3套热带气旋最佳路径数据，对西北太平洋热带气旋强度进行了分析，结果表明，定强技术差异会造成不同资料集的热带气旋强度长期变化趋势不同。另外，1980年前后，在热带气旋资料处理中开始广泛应用卫星资料，各国卫星观测技术发展的不相同，对不同资料集的热带气旋统计结果产生了一定的影响[22-23]。

为了加深对西北太平洋热带气旋活动特征的认识，本文使用了3套热带气旋最佳路径数据资料，对位置点频数、移速、最大持续风速和最大风速半径的分布及变化进行了对比分析，对3套资料所呈现的热带气旋活动的一致规律进行了总结。

1 资料及方法

本文使用的资料为中国气象局(http://www.typhoon.org.cn)的热带气旋最佳路径数据集(简称CMA资料)，美国联合台风预警中心(https://pzal.ndbc.noaa.gov/collab/jtwc)的最佳路径数据集(简称JTWC资料)以及日本气象厅(http://www.jma.go.jp)的最佳路径数据集(简称RSMC资料)。CMA资料提供了1949年以来西北太平洋热带气旋每6 h的位置和强度(2 min平均近中心最大持续风速)；JTWC资料提供了1945年以来西北太平洋热带气旋每6 h的位置、强度(1 min平均风速)和2000年之后的最大风速半径；RSMC资料提供了1951年以来西北太平洋热带气旋每6 h的位置和1977年以来热带气旋的强度(10 min平均风速)，并且该资料不提供热带低压(热带气旋最大持续风速低于17.2 m/s)级别的数据。为了更好地对3套资料进行对比，本文选取3套资料共同的时间段(1951—2016年)作为研究期。1970年前后卫星资料开始被广泛应用，1972年发明了DVORAK技术[24]，在1980年左右，实现了地球静止卫星的全球覆盖[25]。另外，1976年左右太平洋出现了一次气候相位转换(太平洋年代际震荡相位由负转为正)[26]。考虑到1980年前数据资料存在很多不确定性，1980年后资料相对更为可靠，所以本文将整个研究期分为1980年前(1951—1980年)和1980年后(1981—2016年)。

本文中的移速是指热带气旋每6 h相邻位置的平均移速，位置距离是基于地球椭球体的WGS-84模型计算而来。本文研究的时间序列趋势利用线性回归分析得到，回归分析采用F检验统计量，p值作为结果置信度的递减指标。相关系数表征变量之间线性相关程度，相关系数的大小表明了3套资料结果变化趋势的一致程度，相关系数越接近于1，说明资料间的结果一致性越高。

2 热带气旋活动特征

2.1 位置点频数

热带气旋位置点频数是指数据集中记录的热带气旋次数，它是综合了热带气旋个数与生命史长度的量，在一定程度上表征了热带气旋活动的特点。图1是3套资料中每年热带气旋位置点频数的变化。在1951—1980年,两两数据集之间(CMA和JTWC、CMA和RSMC、JTWC和RSMC，下同)的相关系数分别为0.454(p=0.01)、0.898(p=1.82×10-11)和0.666(p=5.81×10-5)，CMA和RSMC资料结果一致性较高，其次为JTWC和RSMC资料，而CMA和JTWC资料结果一致性较低。3套资料(CMA、JTWC、RSMC)显示1951—1980年西北太平洋热带气旋位置点频数每年分别增加2.0个(p=0.67)、8.4个(p=0.03)和4.3个(p=0.35)。1981—2016年,两两数据集之间热带气旋位置点频数的相关系数分别为0.479(p=3.10×10-3)、0.901(p=7.20×10-14)和0.688(p=3.53×10-6)，与1951—1980年相比一致性更高。同样地CMA和RSMC之间的变化显著一致，而1990—2000年JTWC资料中位置点频数明显偏大，与CMA资料结果的相关系数较小。3套资料中，1951—2016年热带气旋位置点频数分别为64 199个(CMA)、64 098个(JTWC)和63 218个(RSMC)。3套资料结果相差不大，RSMC资料中位置点频数略微偏小，部分原因是RSMC资料中不包含热带低压数据。3套资料(CMA、JTWC、RSMC)中1981—2016年西北太平洋热带气旋位置点频数每年分别减少6.9个(p=0.04)、8.6个(p=0.12)和5.1个(p=0.17)。

位置点频数的单位空间分布反映了热带气旋的路径密度(图2)。3套资料结果大致相同：南海中部、吕宋岛以东至台湾岛东南部洋面，热带气旋活动最频繁，活跃中心位置分别约为(18.5°N, 115°E)和(17°N, 127°E)，这两个热带气旋出现高频区域位于西太暖池地区，有利于热带气旋的生成及发展。CMA资料结果显示南海中部热带气旋活动更频繁，而JTWC资料结果则显示吕宋岛以东至台湾岛东南部洋面热带气旋活动更频繁。

图1 CMA、JTWC和RSMC资料中1951—2016年西北太平洋热带气旋位置点频数的年际变化(实线) 及1980年前、后的变化趋势(虚线)Fig.1 Annual mean numbers of TC position points in western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC(solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

图2 CMA(a)、JTWC(b)和RSMC(c)资料中1951—2016年西北太平洋热带气旋路径密度Fig.2 TC track density in the western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA(a), JTWC(b) and RSMC(c) (等值线是统计了2.5°×2.5°经纬度网格内的热带气旋位置点频数。) (The contour lines are calculated by the numbers of TC position points in every 2.5°×2.5° statistical grid.)

图3 CMA、JTWC和RSMC资料中1951—2016年每2°纬度内西北太平洋热带气旋位置点频数Fig.3 Numbers of TC position points in every 2° latitude-interval over western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC

图3为每2°纬度内热带气旋的位置点频数统计结果。3套资料的结果基本一致，但是在25°N以南，RSMC资料结果相较CMA、JTWC资料结果偏低，而在25°N以北则偏高。位置点频数随纬度呈先增大后减小的变化规律，在18°N—20°N区间内达到最大。热带气旋主要出现在10°N—25°N范围内，约占热带气旋总位置点频数的65.3%(CMA)、67.0%(JTWC)和59.5%(RSMC)。

3套资料(CMA、JTWC、RSMC)显示1951—1980年西北太平洋热带气旋位置点每年分别南移0.04°(p=0.18)、0.03°(p=0.34)和0.04°(p=0.23)；1981—2016年每年分别北移0.03°(p=0.14)、0.06°(p=0.01)和0.06°(p=0.01)(图4)。两两数据集之间，1951—2016年的相关系数分别为0.675(p=5.29×10-10)、0.806(p=3.32×10-16)和0.532(p=4.20×10-6)，3套资料的变化显著一致，尤其是CMA和RSMC之间。相比较CMA资料结果，JTWC资料中热带气旋位置点的平均纬度偏南，RSMC资料结果则偏北。

图4 CMA、JTWC和RSMC资料中1951—2016年西北太平洋热带气旋位置点在纬度上的年际 变化(实线)及1980年前、后的变化趋势(虚线)Fig.4 Annual mean latitude change of TC position points in western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC (solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

2.2 移速

图5为西北太平洋热带气旋移速的空间分布。3套资料的结果均表明，移速随纬度增大而增大，且在25°N左右明显加快，在纬度较高的区域，移速可达12 m/s，与纬度较低的区域移速相差约10 m/s。热带气旋移速主要受其环境引导气流的影响，相比较赤道地区，纬度较高的区域背景气流为西风急流，相对较强。

图5 CMA(a)、JTWC(b)和RSMC(c)资料中1951—2016年西北太平洋热带气旋移速的空间分布Fig.5 Spatial distribution of TC translation speed in the western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA(a), JTWC(b) and RSMC(c)

3套资料(CMA、JTWC、RSMC)显示1951—1980年西北太平洋热带气旋移速每年分别减小0.020 m/s(p=0.01)、0.034 m/s(p=1.70×10-3)和0.024 m/s(p=0.02)；1981—2016年移速每年分别减小0.002 m/s(p=0.78)、增加0.004 m/s(p=0.47)、减小0.011 m/s(p=0.07)(图6)。两两数据集之间，1951—2016年移速的相关系数分别为0.770(p=4.13×10-14)、0.779(p=1.35×10-14)和0.850(p=3.63×10-19)，3套资料的变化规律显著一致，尤其是JTWC和RSMC之间。1980年前移速呈显著减小的趋势，而1980年后移速的变化趋势不显著。

图6 CMA、JTWC和RSMC资料中1951—2016年西北太平洋热带气旋移速的年际变化(实线) 及1980年前、后的变化趋势(虚线)Fig.6 Annual mean TC translation speed in western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC (solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

单位移速区间内西北太平洋热带气旋位置点频数的统计结果见图7。位置点频数随移速增大呈先增加后减少的变化规律，在4～5 m/s移速区间内达到最大。在2～6 m/s 移速区间范围内位置点频数较高，约占总位置点频数的56.5%(CMA)、57.2%(JTWC)和53.4%(RSMC)。3套资料的结果基本一致。在3～8 m/s 移速区间内，CMA资料结果相比于JTWC和RSMC资料结果稍微偏大。

图7 CMA、JTWC和RSMC资料中1951—2016年单位移速区间内西北太平洋热带气旋位置点频数Fig.7 Numbers of TC position points in unit translation speed interval during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC

2.3 最大持续风速

图8为西北太平洋热带气旋最大持续风速的空间分布。最大持续风速在海盆中部区域(12°N—36°N，120°E—150°E)较大，以JTWC资料结果最为明显，此区域也是热带气旋活动频发之地。CMA资料结果与JTWC和RSMC资料相比偏小，RSMC资料显示最大持续风速在空间上变化不大。最大持续风速在3套资料中计算方式不同，CMA中为2 min平均风速，JTWC中为1 min平均风速，RSMC中为10 min平均风速且只提供1977年以后的最大持续风速数据，这些差异会对3套资料中热带气旋最大持续风速的空间分布结果带来影响。

图8 CMA(a)、JTWC(b)资料中1951—2016年和RSMC(c)资料中1977—2016年西北太平洋热带气旋最大持续风速的空间分布Fig.8 Spatial distribution of TC maximum wind speed in the western North Pacific in CMA(a), JTWC(b) datasets during 1951-2016 and RSMC dataset during 1977-2016(c)

CMA和JTWC资料显示1951—1980年最大持续风速每年分别减慢0.083 m/s(p=0.11)和0.413 m/s(p=1.98×10-6)，JTWC资料相比CMA资料结果偏大且变化趋势显著(图9)。两两数据集之间，1981—2016年最大持续风速的相关系数分别为0.487(p=2.60×10-3)、0.878(p=2.14×10-12)和0.580(p=2.09×10-4)，CMA资料与RSMC资料的变化显著一致。3套资料(CMA、JTWC、RSMC)显示1981—2016年最大持续风速的变化分别为每年增加0.043 m/s(p=0.18)、0.320 m/s(p=6.30×10-5)和0.025 m/s(p=0.37)，其中JTWC资料中最大持续风速增大的趋势尤为显著。

每5 m/s最大持续风速区间内西北太平洋热带气旋位置点频数如图10所示。位置点频数随风速增大呈先增加后减少的变化规律，CMA资料与JTWC资料结果表明，位置点频数在10～15 m/s最大持续风速区间内达到最大，且CMA资料较JTWC资料结果偏大。由于RSMC资料仅提供1977—2016年热带低压以上的最大持续风速数据，故其结果与CMA资料和JTWC资料结果存在差异。达到台风级别的热带气旋(最大持续风速高于32.7 m/s)的位置点频数占总数的28.6%(CMA)、37.9%(JTWC)和40.7%(RSMC)。

图9 CMA、JTWC资料中1951—2016年和RSMC资料中1977—2016年西北太平洋热带气旋最大持续风速的 年际变化(实线)及1980年前、后的变化趋势(虚线)Fig.9 Annual mean TC maximum wind speed in western North Pacific in CMA, JTWC datasets during 1951-2016 and RSMC dataset during 1977-2016(solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

图10 CMA、JTWC资料中1951—2016年和RSMC资料中1977—2016年每5 m/s最大持续风速区间内西北 太平洋热带气旋位置点频数Fig.10 Numbers of TC position points in 5 m/s maximum wind speed interval in the western North Pacific in CMA, JTWC datasets during 1951-2016 and RSMC dataset during 1977-2016

2.4 最大风速半径

由于最大风速半径数据仅JTWC资料提供，因此不同资料之间无法进行比较，在此只分析JTWC资料中热带气旋和台风的最大风速半径特征。图11为热带气旋和台风最大风速半径的空间分布。在热带气旋最大持续风速较大的区域(12°N—36°N，120°E—150°E)，最大风速半径较小，区域内平均最大风速半径为45.31 km。在12°N以南及150°E以东的地区，热带气旋最大风速半径较大，区域内平均最大风速半径为66.72 km。台风的最大风速半径在25°N以北较大，区域内平均最大风速半径为 39.73 km。

图11 JTWC资料中2001—2016年西北太平洋热带气旋(a)和台风(b)的最大风速半径的空间分布Fig.11 Spatial distribution of radius of maximum wind speed of TC(a) and typhoon(b) in the western North Pacific in JTWC datasets during 2001-2016

2001—2016年热带气旋和台风的最大风速半径每年分别减小0.46 km(p=0.30)和0.54 km(p=0.14)，但并不显著(图12)。2005年前，热带气旋年平均最大风速半径逐年减小，并在2005年达到极小值，为35.18 km。台风年平均最大风速半径在2006年达到极小值，为24.75 km。虽然台风的最大风速半径和热带气旋相比较小，但是两者变化规律显著一致，相关系数为0.847(p=3.41×10-5)。

西北太平洋热带气旋和台风分别在每20 km和10 km 最大风速半径区间内位置点频数见图13，位置点频数均随最大风速半径的增大呈先增加后减少的变化规律，分别在20～40 km和 20～30 km最大风速半径区间内达到最大。热带气旋的最大风速半径主要在0～100 km的范围内，约占热带气旋总位置点频数的97.2%。台风最大风速半径主要在10～50 km 的范围内，约占台风总位置点频数的88.9%。

图12 JTWC资料中2001—2016年西北太平洋热带气旋(a)和台风(b)的最大风速半径的 年际变化(实线)及其变化趋势(虚线)Fig.12 Annual mean radius of maximum wind speed of TC(a) and typhoon(b) in western North Pacific in JTWC dataset during 2001-2016(solid lines) and the trends (dashed lines)

图13 JTWC资料中2001—2016年西北太平洋热带气旋每20 km最大风速半径区间内(a)和台风每10 km 最大风速半径区间内(b)的位置点频数Fig.13 Numbers of position points in TC 20 km(a) and typhoon 10 km(b) maximum wind speed interval in JTWC dataset during 2001-2016

3 结论

本文使用了CMA、JTWC、RSMC 3套资料中1951—2016年西北太平洋热带气旋的最佳路径数据，对位置点频数、移速、最大持续风速、最大风速半径进行了统计分析，得到结论如下：

3套资料的结果在1980年后一致性更高。1980年前热带气旋位置点频数有增加的趋势，1980年后相反。在南海中部、吕宋岛以东至台湾岛东南部洋面，热带气旋活动最频繁，活跃中心位置分别约为(18.5°N, 115°E) 和(17°N, 127°E)。1980年前热带气旋位置点有南移的趋势，1980年后相反。热带气旋主要发生在10°N—25°N范围内，其位置点频数随纬度呈先增大后减小的变化规律，在18°N—20°N区间内达到最大。

热带气旋移速随纬度增大而增大，且在25°N左右明显加快。1980年前移速呈显著减小的趋势，而1980年后移速的变化趋势不显著。移速主要在2～6 m/s 范围内，其位置点频数随移速增大呈先增加后减少的变化规律，在4～5 m/s移速区间内达到最大。

在最大持续风速的空间分布上，CMA资料结果与JTWC和RSMC资料相比偏小。最大持续风速在海盆中部区域(12°N—36°N，120°E—150°E)较大，此区域也是热带气旋活动频发之地。1980年前最大持续风速有减小的趋势，1980年后有增加的趋势，且JTWC资料结果尤为显著。JTWC资料结果与其他资料的结果相差较大。位置点频数随风速增大呈先增加后减少的变化规律，在10～15 m/s最大持续风速区间内达到最大，达到台风级别的热带气旋占28.6%(CMA)、37.9%(JTWC)和40.7%(RSMC)。

最大持续风速较大的区域里最大风速半径较小，台风的最大风速半径在25°N以北较大，热带气旋和台风最大风速半径的变化显著一致，热带气旋和台风2001—2016年最大风速半径有减小的趋势。台风的最大风速半径和热带气旋相比较小。热带气旋和台风位置点频数随最大风速半径的增大呈先增加后减小的变化规律，分别在20～40 km和20～30 km最大风速半径区间内达到最大。热带气旋的最大风速半径主要出现在0～100 km范围内，台风的主要出现在10～50 km范围内。

总体来说，CMA资料和RSMC资料得到的西北太平洋热带气旋活动特征(包括位置点频数、移速以及最大持续风速)高度一致，而JTWC资料结果则与CMA和RSMC资料结果都存在一定的差异。这些差异究竟是由资料间差异造成的，或是卫星观测技术变化造成的，还是气候变化造成的，需要进一步探讨。