2018年8月西北太平洋热带气旋频数异常的成因分析

张润宇，凌铁军,2，李响,2，张蕴斐,2，邓小花，黄焕卿

（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，北京100081）

1 引言

全球平均每年热带气旋（Tropical Cyclone，TC）活动数量为80～90个，分布在七大海域，其中，西北太平洋海域是全球最为活跃的海域，约占全球总数的33%[1]。我国是全世界受TC影响严重的国家之一，强烈的TC将带来强风、大暴雨、巨浪和风暴潮过程，对近海渔业和人民的生命财产造成严重威胁[2]。

目前已有许多学者研究发现，ENSO（El Niño-Southern Oscillation，厄尔尼诺-南方涛动）循环、热带大气季节内振荡（Madden-Julian Oscillation，MJO）、北极涛动（Arctic Oscillation，AO）等大气海洋模态，对TC频数的年际、季节内异常变化有显著影响[3-6]。另一方面，许多学者从大气环流场的分析中，发现低层大气环流异常、潜热通量和短波辐射通量变化、澳大利亚东侧的环流异常、热带辐合带（Intertr-opical Convergence Zone，ITCZ)对流活动的异常及夏季风活动的异常等均与西北太平洋海域TC活动有着密切的联系[7-12]。

影响TC生成的环境背景场因子众多，但TC生成最终决定因素来自生成源地的洋面热状况、近地层涡度、高低空风切变等。在前人研究的基础上，Emanuel等[13]提出了一种TC潜在生成指数（Genesis Potential Index，GPI），该指数涉及几个大尺度环境因子，包括850 hPa绝对涡度、600 hPa相对湿度、850 hPa和200 hPa的垂直风切变和最大潜在强度（Maximum Potential Intensity，MPI），其中MPI是由海洋上的海面温度和大气热力环境条件决定的。利用这个指数，Camargo等[14]分析了ENSO对不同地区TC生成的影响，Bruyere等[15]使用GPI指数重建了北大西洋TC的年频数变化趋势。韩翔等[16]研究发现GPI指数收支分析显示对流层低层绝对涡度和中层相对湿度是调制整个海域TC生成的两个重要的大尺度环境因子。杨宇星[17]利用IPCC第四次评估中GFDL CM2.0模式结果分析了GPI指数在CO2加倍过程中和加倍过程后TC生成的变化趋势,并探讨了引起TC趋势变化的可能环流因素。

目前，对TC月生成频数及季节生成频数的预测是十分值得研究的问题。TC活动往往受到多尺度过程的共同影响，生成指数中涉及的环流场物理量是影响TC形成最主要的物理因素，物理量的异常会较迅速地导致TC生成时空特征的异常[8]。

统计1979—2018年西北太平洋海域TC频数发现（数据来自中国气象局“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”），西北太平洋全年各月均有TC生成，TC发生频数主要集中在7—10月，占总数的70%，并在8月份达到峰值，占全年发生次数的21.2%。而2018年8月，西北太平洋海域活跃的TC和气候态相比，数量明显偏多。本文通过分析西北太平洋TC生成最敏感的因子异常的程度，及环流背景场的状态，由此得出2018年8月TC频数异常的可能机制，为提高西北太平洋TC生成频数的预测能力提供参考。

表1 2018年8月份生成TC概况

2 资料与方法

本文采用的TC资料取自中国气象局“CMASTI热带气旋最佳路径数据集”[18]。大气与海洋数据资料来自ERA_Interim逐月再分析资料[19]，包括逐月相对湿度、相对涡度、纬向风、经向风、水汽通量、海表面温度及位势高度等，选取时间段为1979—2018年，水平空间分辨率为0.75°×0.75°。

本文使用的TC强度根据《热带气旋等级》国家标准（GB/T19201—2006）定义当CMA-STI热带气旋最佳路径数据集中近洋面上的最大风速首次达到或超过10.8 m/s的时刻，作为该TC的生成时刻，并把该时刻TC所处的经纬度作为其生成位置。所采用的分析方法主要为相关分析方法、合成分析方法及天气学分析方法。

根据Emanuel等[13]的定义：

式中：T1=|105η|3/2，其中，η指850 hPa绝对涡度，单位：/s；T2=（1+0.1Vshear）-2，Vshear指风垂直切变，为850 hPa（代表对流层低层）和200 hPa（代表对流层高层）的纬向风速之差，单位：m/s；T3=（H/50）3，H指600 hPa相对湿度，单位：%；T4=（Vpot/70）3，Vpot指台风 MPI，单位：m/s，用海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）和200～850 hPa垂直风切变（Vshear）来拟合得到[20]。

此外，由于绝对涡度为相对涡度和地转涡度（即科氏力参数的绝对值）之和，而科氏力只与纬度有关，所以本文中直接选取了相对涡度进行分析。

3 2018年8月热带气旋数量异常特征

2018年8月，西北太平洋海域共生成9个TC，相比气候态（1981—2010年8月TC平均生成数为5.77个，近10 a平均4.4个，近20 a平均5个）明显多近一倍。其中，4个在我国沿海登陆，相比气候态（30 a平均登陆2个，近10 a 1.8个，近20 a 1.85个）多一倍。

从表1和图1可以看出，8月中旬的10 d中，先后有6个TC活跃，西北太平洋上呈现出多TC共存的现象，这在历史上极为少见。

图1 2018年8月份生成TC路径

图2 1979—2018年各因子与TC频数的相关系数（阴影可通过信度95%的显著性统计检验，黑色圆点为1979—2017年8月TC生成位置，绿色圆点为2018年8月TC生成位置）

4 影响热带气旋生成的各因子分析

根据GPI指数中涉及的大尺度环流因子与热力因子，本文首先比较了600 hPa相对湿度、850 hPa相对涡度、海表面温度和风垂直切变因子与8月TC生成频数的相关关系（见图2），发现600 hPa相对湿度因子、850 hPa相对涡度因子与TC生成频数的显著相关区与TC生成源地有很好的对应，并都体现为正相关关系，这与前人的研究较为一致[8，21]。对于西北太平洋TC的生成，海洋热能的正异常会起到积极的作用，但一般TC生成海域热能条件均能满足，热力因子对TC生成频数的影响显著减弱[20]。而海表面温度因子与8月TC生成频数之间也没有发现明显的正相关区域，反而在南海南部海域和中纬度地区出现负相关区域。从图3a中可以看出2018年8月热带气旋生成的绝大部分海域，海表面温度表现为负距平场，因此2018年8月热带气旋生成频数偏多并不是由海表面温度的异常引起。从海水混合层厚度（26℃等深面）对8月TC生成的影响来看，正异常是TC生成的有利条件，并且TC生成源地混合层厚度大于100 m（气候态）时更有利于生成。但2018年8月，在大多数TC生成区域海水混合层厚度表现出负距平状态（见图3b），因此也排除了海水混合层厚度因子的异常对2018年8月热带气旋生成频数偏多的影响。综上所述，海洋状态可能不是影响TC生成的主要因素。垂直风切变因子与TC生成频数的显著相关区与TC生成源地的集中区不吻合，此外，其北侧（20°N、100°～150°E）区域存在与TC生成频数的显著正相关区，其内的TC生成频数也相当可观。高相关区与TC生成源地集中区的不一致意味着高低层纬向风垂直切变因子的作用弱于涡度和湿度因子，这和吴胜安等[8]的研究结果一致。

针对600 hPa相对湿度因子、850 hPa相对涡度因子，选择历史上8月份生成频数偏多年展开因子特征差异分析工作。另外，分析2018年8月因子的异常情况。文中TC生成频数偏多年的选择标准定义为标准差超过1.0的年份。依据上述标准，对1979—2018年8月的TC频数进行标准差处理（见图4），得到除2018年外的偏多年份4个，分别为1985年、1992年、1994年、2004年。

图3 2018年8月距平场（黑色圆点为2018年8月TC生成位置）

图4 1979—2018年8月生成TC频数（圆点）及标准差（柱状图）

4.1 850 hPa相对涡度

根据图2a，可以发现，南海、菲律宾以东（15°～25°N、125°～145°E）海域，存在显著的正相关区域。1979—2017年8月TC生成位置多覆盖在正相关区域内，及正相关区域边缘（相关梯度大值区）。南海海域最大相关系数达到0.55，2018年1816号TC生成在此海域，菲律宾以东海域最大相关系数达到0.5，1814号、1815号、1819号生成在此海域，此外，1818号、1813号、1820号、1821号TC均生成在正相关区域边缘。

图5a为多年（1979—2018年）平均8月850 hPa相对涡度分布图，及所有年8月TC生成位置，可以发现在中低纬度地区存在几个明显大值区，分别为南海中西部海域，台湾岛西北侧及东南侧，以及菲东海域，大值区和图2a显著相关区对应较好，大部分TC生成在正涡度区，但中纬度负涡度区也仍有TC生成。图5b为偏多年与多年（1979—2018年）平均8月850 hPa相对涡度差异图，及偏多年8月TC生成位置，可以看到在20°～25°N，南海至台湾以东到菲东海域存在相对涡度正距平区域，差值在0.1×10-4/s～1.5×10-4/s。对比图5a和图5b发现，偏多年TC生成位置和相对涡度正异常区域几乎重合，证明850 hPa相对涡度的正异常是TC生成十分有利的因素。图5c为2018年8月与多年（1979—2018年）平均850 hPa相对涡度的差异图，及2018年TC生成位置，可以看出，和图5b表现出相似的正异常区域，并且上述区域的850 hPa相对涡度正异常均较图5b明显。2018年8月TC的生成位置均位于正异常区域，平均正距平达到0.1×10-4/s，其中南海北部的1816号TC生成所在区域正距平超过0.25×10-4/s。2018年8月TC生成海域的850 hPa相对涡度比多年平均值偏高，也较偏多年平均值偏高，进一步证明850 hPa相对涡度对TC的生成提供有力的背景动力环境条件支撑。

图5 8月850 hPa相对涡度（单位：/s，黑色圆点为TC生成位置）

4.2 600 hPa相对湿度

根据图 2b，可以发现，在 10°～20°N、100°～180°E地区，存在连续的显著正相关区域，最大相关系数为0.48。1979—2017年8月TC生成位置多覆盖在正相关区域内，及正相关区域北侧边缘（相关梯度大值区）。2018年1816号TC生成位置和南海北部的显著相关区对应较好，1813号、1814号、1815号、1819号、1820号、1821号TC均位于菲律宾以东海域的相关区北侧边缘。

图6a为多年（1979—2018年）平均8月600 hPa相对湿度分布图，及所有年8月TC生成位置，可以发现从10°N附近向北至30°N附近，600 hPa相对湿度呈现出递减的趋势，TC的生成位置多集中在相对湿度50%～75%的范围内。图6b为偏多年与多年（1979—2018年）平均8月600 hPa相对湿度差异图，及偏多年8月TC生成位置，可以看到在南海北部海域（20°N附近）及菲律宾以东海域存在相对湿度正距平区域，量级低于6%。对比图6a和图6b发现，除少数TC外，大部分偏多年TC生成位置和相对湿度正异常区域重合，证明600 hPa相对湿度的正异常也是TC生成十分有利的因素，但有利程度低于850 hPa相对涡度因子。图6c为2018年8月600 hPa相对湿度与多年（1979—2018年）平均值的差异图，及2018年8月TC生成位置，可以看出，10°～20°N之间，存在一条东西向的正距平区域，除1817号和1818号TC外，其余7个均对应了600 hPa相对湿度偏高明显的区域，差异值为8%～10%。对比图6b和图6c，不难看出2018年8月TC生成海域的600 hPa相对湿度比多年平均值偏高，也比偏多年平均值偏高，对TC的生成提供有力的背景热力环境条件支撑。

图6 8月600 hPa相对湿度（单位：%，黑色圆点为TC生成位置）

5 因子异常原因分析

通过生成指数中各因子的对比分析，我们基本确定了850 hPa相对涡度因子和600 hPa相对湿度因子对TC的生成提供有力的背景热动力环境条件支撑，也发现某些年份两因子的正异常造成了该年份8月TC偏多的现象。那么，是什么因素导致了两因子的异常出现呢？为了进一步探寻涡度和湿度因子异常的来源，接下来对2018年8月环境场进行分析。

图7 2018年8月500 hPa高度场异常图（气候态为1981—2010年。黄色阴影、蓝色阴影区域分别代表位势高度偏高、偏低区域，黑色实线代表1981—2010年气候态8月位势高度场，红色实线代表2018年8月5 880位势米高度线）

图8 2018年8月850 hPa流场及风速异常（红色阴影区域代表风异常值，单位：m/s）

5.1 850 hPa相对涡度异常分析及对TC频数影响的物理机制

倪文琪等[22]发现，西北太平洋8月TC频数和赤道、副热带区域500 hPa位势高度有显著负相关，当西太平洋副高位置偏南时，TC生成频数偏少。从图7可以发现，气候态下副高西伸脊点位于135°E附近，脊线位置在30°N附近。2018年8月，副高明显面积偏大，西伸脊点达到120°E附近，脊线位置达到30°N以北，呈现明显偏西偏北的特征。此外，在南海北部海域为位势高度负距平。

图8是2018年8月850 hPa流场（黑色线）及纬向风、经向风的异常（阴影）图，选取的气候态为1981—2010年。图8a可以看出，在南海北部海域，存在一明显的气旋式环流，在北印度洋至我国南海到达菲律宾以东洋面的中低纬度海域上空，存在明显的纬向风异常，西风较气候态偏强。季风槽主要位于南海北部至副高西南侧，由东南气流和偏西气流交汇形成，位置偏北，呈现西北-东南走向。同时，季风槽的位置和2018年8月两因子正异常的区域有很好的对应关系。

西北太平洋海域8月份处于东亚夏季风环流系统[23]。图8b可以看出，2018年8月，东亚主要存在3大系统：90°～120°E之间的向北越赤道气流、南海-西北太平洋季风槽、以及150°E以东的副高南侧的偏东气流。在孟加拉湾和南海海域，存在经向风异常，南风较气候态偏强。从印度洋来的偏西气流以及孟加拉湾和南海海域的偏南气流，在南海北部海域汇合后，形成长达数千公里低空急流。

Mcbride等[24]的研究结果表明，只有当初始对流扰动移动到低层大于平均气旋性涡度的大尺度环境中，才会有TC生成；能够发展成为TC的云团所处的环境场，与不发展的对流云团相比，在其对流层低层1×104～2×104km尺度水平范围内，存在相对涡度的增强。低层辐合是决定对流是否产生的关键性因子。2018年8月低空急流的加强活动可以强迫低层辐合增强，使得TC生成频数增多。同时，当季风槽西风气流加强时，地面的纬向气压梯度增强，导致了进入季风槽的气流加速，并伴随着季风槽向极一侧的副热带高压脊同时加强，季风槽北侧产生强烈东风，增强气旋性涡度，从而有利于TC的生成。

5.2 600 hPa相对湿度异常分析及对TC频数影响的物理机制

Emanuel[25-26]，Rotunno等[27]的研究表明风驱动的海气热量交换机制（Wind Induced Surface Heat Exchange，WISHE）是TC发展的根本原因。风驱动从高温的海洋表面吸收大量潜热，导致边界层高相当位温空气的形成，高相当位温空气向上输送，在对流层中高层释放热量，导致高层温度正的扰动。高层温度扰动又增强了TC涡旋环流，从而进一步增强风驱动的海面潜热通量，如此循环。海水温度通过海气交换过程造成低层空气温度升高，湿度也随之显著增大，对流层低层的相对湿度为TC中潜热释放提供所需的能量供应。

图9为2018年8月与气候态（1981—2010年）平均水汽通量及其矢量的距平图，可以看出，20°N附近有一条东-西走向的水汽通量异常高值带，与风向走向一致，最强中心在巴士海峡，达350 kg/（m·s），水汽输送十分强盛。在副高的西南侧，也存在一条由东向西的水汽通量异常高值区，在115°E附近转向南输送，在南海北部海域形成了气旋式环流。2018年8月水汽输送的异常使得15°～20°N区域的相对湿度明显高于气候态。Cheung[28]统计了1990—2001年共405个TC生成时500～700 hPa相对湿度的量值大小，发现当中层相对湿度达到70%～80%时，TC的生成频数更多。从图6可以发现，15°～20°N区域多年平均的相对湿度处于65%～75%，而2018年8月该区域的相对湿度明显增加，达到75%～85%，使得TC生成频数偏多。

图9 2018年8月水汽通量及其矢量距平图（气候态1981—2010年）（阴影区域代表水汽通量异常值，单位：kg（/m·s））

6 结论

本文为了研究2018年8月TC频数偏多的原因，比较了TC生成参数中各因子与西北太平洋海域8月TC生成频数的相关关系，分析了2018年8月850 hPa相对涡度与600 hPa相对湿度因子的异常情况，并从环境场探究南海北部海域因子异常的成因，得到以下结论：

（1）2018年8月，TC生成频数较多年平均值多近一倍，生成时间集中；

（2）与TC生成参数中其他因子相比，850 hPa相对涡度和600 hPa相对湿度因子与西北太平洋海域8月TC生成频数的相关关系最好；

（3）南海及菲律宾以东（15°～25°N、125°～145°E）区域的850 hPa相对涡度，和8月TC的生成有很好的正相关关系。2018年8月，TC生成位置均位于正异常区域，上述区域的850 hPa相对涡度与多年平均值平均正距平达0.1×10-4/s，最大正距平达0.25×10-4/s；

（4）10°～20°N、100°～180°E区域的600 hPa相对湿度，和8月TC的生成有很好的正相关关系。2018年8月，7个TC生成在正异常区域，上述区域的600 hPa相对湿度比多年平均值高8%～10%；

（5）2018年8月，副高位置偏西偏北、北印度洋至我国南海大范围海域西风异常、南海海域经向风异常、水汽通量正异常，以及季风槽的位置决定了两因子正异常的出现，触发对流活动的增强，并通过WISHE机制为TC中潜热释放提供所需的能量供应，最终导致TC生成频数偏多。

本文从大尺度环流因子及热力因子出发，针对西北太平洋海域2018年8月TC频数偏多的特征原因进行了探讨，给出了2018年相关性较好因子的异常分析，并从环流场分析了因子异常的原因，对TC频数的预测有一定的指导意义。但研究仍是初步的，对于相关性较好因子的可预报性及发生极端性改变的物理机制还有待于今后做更深入的研究。