PDO不同位相期间MJO对南海热带气旋生成的影响
2020-07-01吴虹璇
吴虹璇，凌 征
PDO不同位相期间MJO对南海热带气旋生成的影响
吴虹璇，凌 征
（广东海洋大学海洋与气象学院//广东省近海海洋环境变化与灾害预警重点实验室，广东 湛江 524088）
【目的】探讨PDO不同位相期间MJO对南海热带气旋生成的影响。【方法】基于热带气旋最佳路径数据集、向外长波辐射和大气再分析资料，采用高斯滤波、经验正交函数分解和合成分析等方法。【结果与结论】南海热带气旋在PDO正（负）位相期间生成较多（少）；PDO正位相期间，MJO对南海热带气旋的调制作用更强，热带气旋日生成率在MJO活跃位相和非活跃位相之比达5.60，远高于PDO负位相期间的2.59。在PDO正位相期间，MJO信号在南海北部更强，使得影响热带气旋生成的各动力因子在MJO活跃和非活跃位相的差异更大，从而导致在PDO正位相期间MJO对南海热带气旋生成的调制作用更强。
PDO；MJO；南海；热带气旋生成
作为热带气旋最活跃的西北太平洋边缘海，南海深受热带气旋的影响。除来自西北太平洋的热带气旋，南海本地也有热带气旋生成，Wang等[1]经过统计分析发现每年平均约有10个热带气旋影响南海，其中大约7个来自西北太平洋，其它在南海本地生成。由于南海是一个独特的半封闭海盆，四周被陆地包围，热带气旋生成后会很快登陆，预报难度大，给周边国家带来重大人员和经济损失[2]。前人研究[3-9]还表明热带气旋对南海环流、上层海洋结构和海洋初级生产力等均有显著影响，故开展南海热带气旋研究具有重要的科学和现实意义。
鉴于南海热带气旋的重要性，前人已开展了不少研究工作，发现季风、大气季节内振荡、ENSO(El Niño-Southern Oscillation)、太平洋年代际振荡（PDO,Pacific Decadal Oscillation）、西北太平洋副热带高压、梅雨锋面和印度洋海温异常等均对南海热带气旋生成有着重要影响[1,10-20]。Li等[21]发现MJO对西北太平洋热带气旋的调制作用在El Nino期间更强。那么在PDO不同位相期间，MJO对南海热带气旋生成的影响是否也存在差异，目前尚未见有研究报道。鉴于南海热带气旋在夏季西南季风期间（5－9月）生成较多[22]，笔者拟探讨1979－2018年夏季（5－9月）PDO不同位相期间MJO对南海热带气旋生成的影响。
1 数据和方法
1.1 数据
PDO指数和热带气旋数据来源于日本气象厅的热带气旋最佳路径数据。PDO指数时间分辨率为月；热带气旋数据时间分辨率为6 h，包含热带气旋中心位置，中心最低气压和10 min平均近中心最大风速等信息。
向外长波辐射（Outgoing longwave radiation, OLR）数据源自美国海洋大气管理局。时间分辨率为1 h，空间分辨率为2.5°×2.5°。
大气数据来源于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）。本研究使用的数据版本为ERA-Interim，使用的数据包括850、200 hPa风场及500 hPa垂向速度场。数据时空分辨率分别为1 d和0.75°。本研究所有数据时间跨度为1979－2018年。
1.2 方法
为挑选出PDO正负位相年，参照Mantua[23]及Goh等[19]的方法，用10月至次年3月平均的PDO指数来进行判断，当其高于气候态平均PDO指数0.5倍方差为正位相年，低于气候态平均PDO指数0.5倍方差为负位相年。根据该方法共挑出14个正位相年和13个负位相年，见表1。
表1 PDO正负位相年份
为划分MJO的位相，首先对OLR数据用高斯滤波器进行了30 ~ 60 d的带通滤波；再对滤波后数据进行经验正交函数分解，得到第一模态和第二模态的时间序列；最后参考Jia等[24]方法，根据第一模态和第二模态时间序列的比值将MJO分成8个位相。
2 结果分析
2.1 MJO对南海热带气旋生成总数的影响
如表2所示，1979－2018年夏季（5－9月）共有101个热带气旋在南海生成，日生成率（热带气旋个数除以总的天数）为1.65%。从各位相看，南海热带气旋在位相2、3、4、5生成较少（18个），在位相6、7、8、1生成较多（83个）。为更好分析比较，下文分析中将位相2、3、4、5定义为非活跃位相，位相6、7、8、1定义为活跃位相。从日生成率看，日生成率在位相2+3和4+5显著降低，分别为0.86%和0.35%；在位相8+1则显著升高，达到3.26%；活跃位相和非活跃位相日生成率之比达到4.3。
表2 1979－2018年夏季MJO各位相时长、南海热带气旋生成数量和日生成率
注：上标*和**分别表示通过90%和95%置信度检验。
南海热带气旋生成个数变化与MJO对流中心的活动密切相关。如图1所示，MJO对流抑制中心在位相2+3进入南海中南部，在位相4+5则控制了整个南海北部，不利于南海热带气旋生成；MJO对流活跃中心在位相6+7进入南海中南部，在位相8+1则控制了整个南海中北部，有利于南海热带气旋的生成。MJO伴随的对流中心的活动使得南海热带气旋在位相2、3、4、5生成较少，而在位相6、7、8、1生成较多。同时，随着MJO对流中心的北移，南海热带气旋生成位置也随之北移。
黑点表示南海热带气旋生成位置；括号内数字表示南海热带气旋生成个数；图中值均通过了95%置信度检验
2.2 PDO不同位相MJO对南海热带气旋生成影响
表3显示PDO正负位相年期间MJO各位相南海热带气旋生成情况。在14个PDO正位相年共有36个热带气旋在南海生成，其中31个在活跃位相（位相6、7、8、1）生成，而仅有5个在非活跃位相生成（位相2、3、4、5）。日生成率显示PDO正位相期间日生成率为1.68%，略高于气候态平均值1.65%（表2）。从各位相看，南海热带气旋在位相4+5显著减少，而在位相8+1显著增多，活跃位相和非活跃位相日生成率之比为5.60，高于气候态平均值4.3。在13个PDO负位相年，共有31个热带气旋在南海生成，其中23个在活跃位相生成，8个在非活跃位相生成，日生成率为1.56%，低于气候态平均值。日生成率在各位相均未通过显著性检验，活跃位相和非活跃位相日生成率之比仅为2.59，不及PDO正位相年期间的一半，表明MJO在PDO正位相期间对南海热带气旋生成的调制作用更强。
表3 PDO正负位相MJO各位相时长、热带气旋生成数量和日生成率
注：上标*和**分别表示通过90%和95%置信度检验。
图2为PDO正负位相期间的OLR和850 hPa风场异常场。PDO正负位相期间MJO对流信号传播特征与总的特征基本一致：在位相2+3，对流抑制中心在南海中南部，在位相4+5北移至南海北部，不利于南海热带气旋生成；对流活跃中心在位相6+7到达南海中南部，在位相8+1控制整个南海北部，有利于南海热带气旋生成。但在强度方面，PDO正负位相期间存在显著差异：在非活跃位相，PDO正位相期间MJO对流抑制信号显著强于PDO负位相；在活跃位相，在位相6+7，对流活跃信号在PDO负位相期间更强，在位相8+1则PDO正位相期间略强。这也导致在非活跃位相，南海热带气旋在PDO正位相期间生成更少；在活跃位相，虽然MJO对流信号在位相6+7在PDO负位相期间更强，但由于此时对流中心位于南海中南部，而南海热带气旋主要在中北部生成，故影响相较小；而在位相8+1，对流中心位于南海北部与南海热带气旋生成主要位置重合，影响较大，故导致南海热带气旋在PDO正位相期间生成更多。上述影响导致MJO对南海热带气旋生成的调制作用在PDO正位相期间更强。
黑点表示南海热带气旋生成位置；括号内数字表示南海热带气旋生成个数；图中值均通过了95%置信度检验
2.3 影响因子分析
影响热带气旋生成的因子众多[25]，Wang等[1]指出夏季南海热带气旋生成主要受动力因子控制，下面笔者将分析PDO不同位相期间各动力因子的变化。为去除南海热带气旋自身对动力因子的影响，以下合成分析均剔除南海热带气旋活动时间段。图3为PDO正位相期间各动力因子的异常场。图3可见，在位相2、3、4、5，南海北部850 hPa相对涡度显著减小，风速剪切增大，500 hPa高度上为异常的下降运动，这些变化均不利于热带气旋生成；在位相6+7(8+1)，南海中（北）部主要体现为850 hPa相对涡度显著增大，风速剪切减小，500 hPa高度上为异常的上升运动，有利于南海热带气旋的生成。这些因子变化导致南海热带气旋日生成率在位相6、7、8、1较大，而在位相2、3、4、5较小，两者之比达5.60。
黑点为热带气旋生成位置，图中值均通过了95%置信度检验
图4为PDO负位相期间各动力因子的异常场。PDO负位相期间各动力因子异常场分布特征和PDO正位相期间基本一致：在位相2、3、4、5，南海北部850 hPa相对涡度显著减小，风速剪切增大，500 hPa高度上为异常的下降运动；而在位相6+7(8+1)，南海中（北）部主要体现为850 hPa相对涡度显著增大，风速剪切减小，500 hPa高度上为异常的上升运动，有利于南海热带气旋的生成。上述变化导致南海热带气旋在位相6、7、8、1生成较多，而在位相2、3、4、5生成较少，与PDO正位相期间一致，但两者日生成率之比仅为2.59，不及PDO正位相期间的一半，下面将进一步分析造成这种差异的原因。
黑点为热带气旋生成位置，图中值均通过了95%置信度检验
图5为PDO正负位相期间各影响因子在活跃位相和非活跃位相中的差异。如图5所示，PDO正负位相期间，各影响因子在活跃位相和非活跃位相的差异分布形态基本一致：相比于非活跃位相，活跃位相期间南海北部850 hPa相对涡度较大，风速剪切较小，而500 hPa垂向速度在南北陆架区外都增大。上述变化均有利于热带气旋生成，故导致南海大多数热带气旋在活跃位相生成。图5a3-c3为PDO正负位相期间的差异。如图5所示，相比于PDO负位相期间，PDO正位相期间MJO活跃位相和非活跃位相在850 hPa相对涡度、风速剪切和500 hPa垂向速度差异均较大，故导致在PDO正位相期间MJO活跃位相和非活跃位相南海热带气旋日生成率之比显著大于PDO负位相期间。
图6 为PDO正负位相期间30 ~ 60 d带通滤波后OLR的均方根误差。如图所示，PDO正位相期间30 ~ 60 d带通滤波后OLR的均方根误差在南海北部较PDO负位相期间更大，表明MJO信号更强。强的MJO信号使得PDO正位相期间南海北部热带气旋各影响因子在MJO活跃和非活跃位相差异更大，进而导致MJO活跃和非活跃位相热带气旋日生成率之比更大，即MJO对热带气旋生成的调制作用更强。
a为850 hPa相对涡度（RV，10-6s-1）；b为200-850 hPa风速剪切（VWS，m/s）；c为500 hPa垂向速度（W，10-2Pa/s）
图6 PDO正位相（a）和负位相（b）期间30 ~ 60 d带通滤波OLR的均方根误差
3 结论
本研究利用热带气旋、向外长波辐射和大气再分析资料等数据结合高斯滤波、经验函数分解和统计合成分析等方法探讨PDO正负位相期间MJO对南海热带气旋生成的影响，结果表明：
1）PDO正位相期间南海热带气旋生成偏多，在PDO负位相期间偏少。
2）在MJO活跃位相（非活跃位相），南海热带生成主要区域850 hPa相对涡度增大（减小），风速剪切减小（增大），500 hPa垂向速度增大（减小），有利于（不利于）热带气旋生成，导致更多（少）南海热带气旋生成。
3）PDO正位相期间，MJO信号在南海北部更强，使得影响热带气旋生成的各动力因子在MJO活跃位相和非活跃位相差异在热带气旋生成主要区域均较PDO负位相期间大，进而导致MJO对南海热带气旋生成的调制作用在PDO正位相期间更强：PDO正位相期间，南海热带气旋日生成率在MJO活跃位相和非活跃位相之比达到5.60，而在PDO负位相期间仅为2.59。
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The Impact of the Madden-Julian Oscillation on the Tropical Cyclone Genesis Over the South China Sea Under Different Pacific Decadal Oscillation Phases
WU Hong-xuan, LING Zheng
（,//,524088,）
【Objective】To investigate the impact of the MJO on the tropical cyclone (TC) genesis over the South China Sea (SCS) under different PDO phases. 【Method】Based on the tropical cyclone dataset named “best track data”, outgoing long-wave radiation and atmospheric reanalysis datasets, combined with the methods of Gaussian filter, empirical orthogonal function decomposition, synthesis analysis.【Result and Conclusion】More (or less) tropical cyclones formed over the South China Sea during the PDO positive (or negative) phase. In the positive PDO phase, MJO has a stronger modulation on tropical cyclone genesis over the South China Sea and the ratio of the daily genesis rate of tropical cyclones between the active and inactive phases of the MJO reaches 5.60 , which is significantly higher than that in the negative phase of PDO2.59). MJO signals are stronger in the northern SCS in the positive phase of PDO, leading to the difference of the dynamic factors affecting the genesis of tropical cyclone between the active and inactive phases of MJO are larger, resulting in the stronger modulation of MJO on tropical cyclone genesis over the South China Sea during the positive PDO phase.
PDO; MJO; South China Sea; tropical cyclone genesis
P466
A
1673-9159（2020）04-0060-08
10.3969/j.issn.1673-9159.2020.04.009
2020-03-17
广东海洋大学启动经费资助项目--热带气旋与地形相互作用对南海影响研究（R17073）
吴虹璇（1995－）, 女, 硕士研究生, 研究方向为南海台风及海气相互作用。E-mail:wwwuhx2013@163.com
凌征（1981－）, 男, 博士, 副研究员，从事南海台风及海气相互作用研究。E-mail: lingz@gdou.edu.cn
吴虹璇，凌征. PDO不同位相期间MJO对南海热带气旋生成的影响[J].广东海洋大学学报，2020，40（4）：60-67.
（责任编辑：刘岭）
