2020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析

刘达，许映龙，向纯怡，陈博宇

(国家气象中心，北京 100081）

1 引 言

台风是发生在热带海洋上具有暖心结构的强烈气旋性涡旋，西北太平洋、北大西洋以及孟加拉湾是其活跃的主要区域，其中西北太平洋热带气旋生成频数最高，约占全球台风生成总数的36%[1]。西北太平洋和南海海域台风活动具有明显的季节性，夏秋季节活跃的台风数量约占全年台风总数的80%[2]，然而2020年7月西北太平洋和南海海域无台风生成，成为有气象记录以来首次7月“空台”，属历史罕见的异常事件。由于7月缺少台风活动，导致我国华南大部分地区降水较历史同期偏少5成，并出现持续高温天气，其中广东、海南平均温度达到了1961 年以来最高，多个站点出现极端高温事件[3]。此外“空台”为后续台风预报尤其是强度预报增加了难度。因此，对此次台风异常事件的分析不仅有助于今后台风生成预报，也为台风生成的相关研究提供了有益的补充。针对此次“空台”事件，已有研究表明热带洋面的海温异常通过大尺度环流影响西北太平洋海域的大气环流，异常下沉气流抑制了台风的生成和发展[4]。

台风生成过程通常为热带扰动在适宜的海温、涡度、水汽以及垂直风切变等诸多因素的共同作用下进一步发展加强[5]，这表明活跃的热带扰动是台风生成的必要条件，适宜的热力和动力条件则为扰动的发展提供了可能。大尺度环流系统不仅影响着热带扰动的生成，对提供其发展所需的热力和动力条件也具有重要影响。陈联寿等[1]指出台风多形成于东西风切变线的北侧，构成这条切变线的环流主体分别是其北部的副热带高压（以下简称“副高”）和南部的越赤道气流。夏季南半球强盛的马斯克林高压使得索马里急流强度增强，越赤道气流开始活跃，与副高南侧的偏东气流形成一个低压带，季风槽得以建立。季风槽低层气流辐合具有气旋式环流的特征，与此同时西南季风起到了水汽输送的作用，导致季风槽内部形成高温高湿的对流环境，在适宜的动力和热力条件的共同作用下，有利于热带扰动的生成和发展，西北太平洋和南海海域约80%的热带扰动生成于季风槽中[6-7]。季风槽的强度和位置与热带扰动的活动密切相关，当副高位置偏南，越赤道气流偏弱时，季风槽强度偏弱且位置偏南偏西，此时活跃的热带扰动数量偏少，因此季风槽的强度和发展对于台风活跃期的预报具有重要的指示作用[8]。在前人的研究成果中，我们注意到副高和越赤道气流直接影响季风槽的活动，前两者的变化则与多时空尺度环流的相互作用密切相关，因此在复杂的环流系统中，识别对台风活跃期具有重要指示意义的环流形势对提高台风活跃期预报水平具有重要意义，也有助于认识影响台风活动的多尺度环流系统的相互作用。

本文将首先简要介绍使用的数据及方法，其次对西北太平洋和南海台风活动概况进行说明，然后重点从不同尺度环流系统相互影响的角度出发，分析影响7 月台风活动异常的关键因素，通过总结及讨论为未来预测台风生成和发展提供参考。

2 数据与方法

2.1 数 据

研究中使用的资料如下。

（1） 美 国 国 家 环 境 预 报 中 心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）最优插值海表温度（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，OISST），水平分辨率为1 °×1 °（https://www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html）[9]，本文使用的时间范围为2020年，利用该数据集1971—2000年气候态得到海表温度异常。

（2）NCEP/DOE 再分析数据集（https://www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis2.html）[10]中高度 场、海 平面 气压场（sea surface pressure，SLP）、风场、辐射通量、气温以及相对湿度等变量。

（3）1949—2020 年中国气象局台风最佳路径数据集（http://tcdata.typhoon.org.cn /zjljsjj_sm.html）[11-12]。

2.2 分析方法

为了分析大尺度环流系统对西北太平洋和南海台风活动的影响，使用台风潜在生成指数（Dynamic Genesis Potential Index，DGPI）[13]定量描述该区域环流系统是否有利于台风生成。Wang 等[13]利用多个大尺度动力和热力环流因子对全球各海域台风生成进行统计检验，最终确定了850 hPa绝对涡度、500 hPa垂直速度、垂直风切变以及500 hPa 纬向风的经向梯度4 个最显著影响台风活动的因子，并建立了适用于全球各海域台风生成预测的DGPI，其计算公式如下：

其中，Vs代表200～850 hPa 垂直风切变，u为500 hPa 纬向风速，ω为500 hPa 垂直速度，η是850 hPa 绝对涡度。我们利用上述公式计算了西北太平洋和南海1981—2020年期间逐月DGPI，并考察其与同期台风生成数量的相关性发现相关系数达到0.81（通过0.01 显著性检验），证明了该指数可以较好地反映大尺度环流系统对西北太平洋和南海台风生成的指示作用，本文将利用该指数进一步确定对2020 年7 月“空台”影响最显著的环流因素。

采用副高的面积和强度指数客观地反映副高的范围及其强弱。上述两个指数利用10 °N以北、110 °E～180°范围内，500 hPa 高度场上所有高于588 dagpm的格点所围成的面积总和，及所有高于588 dagpm 的格点所围成的面积总和与该格点高度值减去587 dagpm 差值的乘积的总和计算得到[14-15]。

为了保持研究的一致性，本文中西北太平洋和南海的范围定义为105～150 °E，10～30 °N。

3 西北太平洋和南海海域台风活动概况

1949—2019年期间西北太平洋和南海海域逐月台风活跃情况显示（图1），7—10 月是该区域台风的活跃期，其中7月台风生成频数（平均值为4.1个）较1—6 月显著增加，代表台风活跃期开始，8月是台风最活跃的时段，9 月起台风生成逐渐减少，10 月平均生成数量与7 月基本持平。回顾2020年台风活动情况，不难发现，最明显的特征是7月台风生成数量较历史平均显著偏少，为历史同期最低，创造了新的记录。8月台风生成数量迅速增加，9 月台风生成数量再次低于历史均值，10 月活跃的台风数量达到了历史极值。2020年夏季（6—8 月）活跃台风数量较秋季（9—11 月）偏少5 个，历史上夏季活跃的台风数量（11.62 个）较秋季（11.38 个）略偏多，7 月“空台”导致了2020 年夏秋季节活跃台风数量的巨大差异。

图1 1949—2019年西北太平洋和南海逐月台风生成数量

利用DGPI 分析发现，2020 年1—9 月该指数较历史平均（1981—2019 年）均偏弱，而10 月以后较历史同期偏强。与历史平均变化趋势所不同的是，2020年7月的DGPI指数较6月没有增大，反而减小（图2），并且较同期显著偏低，表明大尺度环流不利于台风生成。8 月DGPI 相对7 月显著增加，台风数量相应地从0 增加到高于历史同期75%，10 月DGPI 显著偏大，台风活动达到了历史极值。DGPI 的变化较好地表征了2020 年台风异常活动，表明大尺度环流背景场对台风活动具有重要影响。

图2 1981—2019年气候态和2020年西北太平洋和南海逐月DGPI

为研究7 月、8 月西北太平洋和南海海域台风生成的大尺度环流背景，首先考察了历史（1949—2019年）上上述月份台风生成源地，其中，7月台风主要生成在105～150 °E，10～25 °N 附近，且大值区集中在南海东北部和中东部海域以及菲律宾东北洋面，8 月台风生成密集区域北界延伸至30 °N 附近，向东扩展到170 °E 附近（图3），台风活跃的区域相比7月明显扩大，台风生成源地的大范围变化与大尺度环流背景的调整密切相关。

图3 1949—2019年7月（a）和8月（b）西北太平洋和南海台风生成源地

4 “空台”环流特征及动力和热力条件

台风活跃需要适宜的大尺度环境条件，DGPI可以较好地反映大尺度系统配置及其相互作用是否有利于台风的生成和发展[16]，2020年DGPI的变化与台风生成数量之间的联系验证了上述结论。上文提到，DGPI 在7 月和8 月的变化表明环流背景的调整使得8 月台风活动开始活跃，对比分析DGPI 各项的变化将有助于明确影响2020 年台风活跃期的主要因素。考察上述两月西北太平洋和南海区域DGPI各项相对于气候态的变化（图4）发现，与历史同期相比，尽管2020年7月和8月DGPI均为负异常，但是7月的异常达到了-4.0以上约低于同期DGPI 指数一半以上（图2），这表明大尺度环流背景极不利于台风生成。进入8 月后DGPI指数显著增大，台风活动逐渐频繁，此时台风主要生成于DGPI 相对历史同期偏大的区域（图略）。进一步对比7、8 月DGPI 各项的差异可以发现，对流层垂直风切变和500 hPa 大气垂直运动是造成7、8月DGPI差异的主要贡献项，因此，下文中我们将主要关注上述两项相关的环流系统的异常变化。

图4 2020年7月（红色）和8月（蓝色）西北太平洋和南海DGPI及各项相对于气候态的异常

4.1 季风槽活动异常

前文中提到，季风槽的建立对台风活跃期具有重要的指示作用。从气候态分布来看（图5），7月和8 月台风活跃的范围多处于西南季风和东南风汇合的季风槽附近，并且随着季风槽的加深，台风生成源地随之变大。2020 年7 月、8 月季风槽的活动情况显示，7月西南季风活跃的区域主要位于阿拉伯海和孟加拉湾，越赤道气流位置较常年显著偏西，其东界位于中南半岛以西区域，较气候态偏西约10个经度，同时赤道西风的强度偏弱，气候态赤道西风的强度可达5～10 m/s 以上，而2020 年7 月西北太平洋和南海海域赤道西风强度的负异常达到了2 m/s以上。同时，菲律宾以东洋面和南海海域均被强盛的偏东气流控制，其中部分海域的东风异常高达5 m/s。受偏东气流增强和西南季风减弱的共同影响，夏季常活跃在110～130 °E，10～20 °N 区域内的季风槽在2020 年7 月并未出现，导致月内南海及西北太平洋热带对流云团活动显著偏少。

图5 气候态(a、b)和2020年(c、d)7月(a、c)、8月(b、d)850 hPa风场 填色为纬向风速（单位：m/s），d中红色点代表2020年8月台风生成源地。

进入8 月，西南季风显著增强，与偏东气流在南海北部海域至菲律宾偏东海域一带汇合，季风槽开始建立，台风活动增多，8 月活跃的7 个台风均生成于季风槽内，由此可见季风槽的建立对于台风活跃具有标志性意义。季风槽的建立受西南季风和副高的共同影响，活跃的西南季风和减弱东退的副高为季风槽的建立创造了适宜的环流背景。

4.1.1 副热带高压对季风槽的影响

季风槽的建立受副高强度和位置变化的影响，副高是台风中长期预报参考的主要大尺度环流系统之一。已有研究表明，台风生成频数与副高强度呈现显著的负相关，这意味着当副高强度偏强时，西北太平洋和南海区域台风生成频数减小[17]，因此，副高减弱东退通常意味着西北太平洋和南海台风活动将趋于活跃。从副高的气候态（图6）变化上可以看出，7、8 月副高脊线通常位于30 °N 附近，8 月副高西脊点由120 °E 附近东退到130 °E 附近，副高的东退为台风生成创造了有利环境，因此气候态上8 月台风活动的范围比7 月更广泛。2020 年7 月副高的强度和位置明显异于历史同期，除8 日外，副高面积和强度指数均较历史同期显著偏强（图7），异常偏强的副高导致对流层500 hPa 下沉运动增强，且影响的范围广阔，强烈的下沉气流一方面不利于热带扰动生成，另一方面也限制了11日左右活跃的热带扰动进一步发展增强。

图6 7月（a）和8月（b）气候态500 hPa平均位势高度场以及2020年7月（c）、8月（d）500 hPa平均位势高度场（单位：dagpm） 红色方框所示区域为历史同期台风生成源地，红色点代表2020年8月台风生成位置。

图7 2020年7月副高强度（黑色虚线）和面积（黑色实线）指数异常

副高的强度和位置变化进一步受中高纬度大尺度环流系统的影响，张瑞萍等[18]指出极涡主体位于西半球一侧，亚洲北部大气经向环流减弱，南下的冷空气路径偏北，副高强度偏强，位置偏西，因此分析中高纬环流形势为判断副高的变化提供了参考。2020 年7 月500 hPa 平均位势高度场与常年同期相比极涡呈现出多极型分布（图8），其中两个极涡中心分别位于格陵兰岛东部、北美洲西北部，强度均低于552 dagpm，且对应负距平区域（图8e），以上分析表明2020 年7 月强盛的极涡主体均位于西半球。与此同时，西西伯利亚受高压脊控制，高压脊阻挡了极涡主体冷空气影响东半球，因此7 月内影响亚洲东部冷空气势力较弱，导致副高位置较往年显著偏西。8月，贝加尔湖以北出现一个低涡，亚洲北部处于低压槽区，冷空气活动加强，副高开始东退。

图8 7月（a）、8月（b）北半球500 hPa平均位势高度场气候态，2020年7月（c）、8月（d）500 hPa平均位势高度场及其（e、f）距平（单位：dagpm）

除了极涡和冷空气的影响外，夏季对流层高层的南亚高压是影响副高进退和强度变化的另一个重要因素。陶诗言等[19]在前人研究的基础上进一步指出了南亚高压的活动对预报副高进退的指示意义，即当南亚高压的中心向东移动时，副高西进，反之则东撤。任荣彩等[20]利用观测资料对1998 年7 月副高的异常活动进行分析，指出南亚高压东移对流层高层通过负涡度平流的动力强迫作用使得副高内部出现强烈的下沉运动，导致副高西部单体强度增强。此后，学者们通过敏感性试验验证了南亚高压对副高强度的影响，当南亚高压增强时，强迫对流层中层出现动力辐散和绝热加热，从而使副高加强[21]。受青藏高原热源效应加强的影响，2020 年7 月南亚高压出现两个中心，分别位于伊朗和青藏高原，影响范围向东扩展约5 个经度，同时南亚高压的脊线位于25～30 °N之间，较常年同期偏南，其强度较历史同期偏强（图9c），南亚高压东侧强劲的偏东气流导致洋中槽断裂，在130 °E，20 °N 附近形成一个闭合的反气旋环流中心，导致该区域对流层中下层下沉气流增强，使副高强度增强。2020 年7 月副高位置偏西强度偏强影响了季风槽的建立，从而抑制了热带扰动的发生和发展。

图9 7月（a）和8月（b）200 hPa风场气候态，2020年7月（c）和8月（d）200 hPa风场及其异常（e～f）填色为纬向风速（单位：m/s）。

4.1.2 越赤道气流对季风槽的影响

前文主要关注了副高的强度和位置变化对季风槽的影响，除副高外，季风槽的建立与越赤道气流的活动也有密切联系。2020 年7 月越赤道气流活跃的区域主要位于阿拉伯海和孟加拉湾以西海域（图5a），西北太平洋和南海均处于偏东气流的控制之下，7月内唯一活跃的热带扰动出现在11—13 日偏西气流增强的菲律宾东北洋面（图10b），7月偏弱的越赤道气流导致季风槽无法建立从而缺乏活跃的热带扰动。8月后，南海和菲律宾东部海域越赤道气流开始活跃（图5b），为季风槽的建立创造了有利条件，台风活动开始加强。

图10 2020年7月（a）、8月（b）850 hPa 10～20 °N纬向风场（单位：m/s）

越赤道气流活跃程度与南印度洋永久性的环流系统马斯克林高压密切相关。北半球夏季马斯克林高压的主体通常位于60～80 °E，30 °S 附近，作为连接南北半球环流活动的系统，其强度变化对印度西南季风具有重要影响。2020 年7 月马斯克林高压强度偏弱且主体位置偏西，导致月内西南季风强度偏弱。8 月马斯克林高压位置发生了显著变化，其东侧的中心加强，尽管较历史同期强度仍偏弱，但是南印度洋上建立环流中心后，其北侧的偏东气流使得索马里急流加强（图略），西南季风显著增强，南海和菲律宾以东海域越赤道气流开始活跃，季风槽得以建立。南印度洋海表温度影响了马斯克林高压的强度，7月由于海陆温差较小，不利于气压梯度形成，8 月随着陆地气温升高，海陆温差加大，海陆之间的气压梯度增加，南印度洋洋面上冷高压加强。与此同时，南印度洋上60 °E附近海温负异常逐渐增强（图11），海洋温度的异常变化通过热通量输送影响大气环流。利用刘娜[22]使用的计算方法，我们考察了海温变化通过海气净热通量对大气的加热作用。本文使用净热通量的定义为潜热通量、感热通量、向上的长波辐射和向下的短波辐射之和，其中各变量均以向上为正。随着南印度洋海温负异常的增加，海洋对大气的加热作用逐渐减弱（图12），洋面上气温降低使得气压加强，马斯克林高压强度增强，从而导致越赤道气流的变化。

图11 2020年7月（a）和8月（b）印度洋海表温度异常（单位：℃）

图12 2020年7月（a）和8月（b）印度洋净热通量（单位：W/m2）

本节通过对环流背景的分析表明，7月季风槽异常偏弱不利于热带扰动的生成和发展。由于极涡主体位置偏西，冷空气活动不活跃，同时南亚高压异常偏东偏强，导致副热带高压偏强且位置偏西，西北太平洋和南海海域低层以偏东气流为主，中层主要受到副高内部强烈的下沉气流控制，使得季风槽活动偏弱。同时，南印度洋马斯克林高压较常年同期偏西偏弱，索马里急流减弱，南海及菲律宾以东海域越赤道气流不活跃，导致季风槽无法建立，月内南海及西北太平洋热带对流云团活动偏弱。

4.2 动力和热力条件

4.2.1 垂直风切变

大尺度环流不仅为热带扰动提供有利的背景，同时也影响扰动发展所需的热力和动力条件。已有学者指出环境垂直风切变是影响台风生成和发展的重要因素，其决定了台风暖心结构能否形成，垂直风切变过大会将积云对流释放的潜热迅速向四周扩散，导致热量无法在对流层上层长时间积累，从而不利于暖心的形成，因此适宜的垂直风切变是台风形成的重要条件[23]。国内外学者通过大量的统计分析和数值试验研究发现垂直风切变的临界值为8～10 m/s[24-25]，超过这一数值，台风几乎完全不会发展。7月是台风趋于活跃的月份，过去多年统计平均显示该月西北太平洋和南海的垂直风切变均低于8 m/s（图13b），为热带扰动的发展提供了有利的环境条件。利用DGPI 分析发现垂直风切变异常是大尺度环境场抑制2020 年7月台风活动的重要因素之一，由于大尺度环流系统异常，导致月内台风主要的生成源地南海中北部海域、菲律宾吕宋岛以东洋面的垂直风切变几乎均高于8 m/s，且正异常达到2 m/s 以上，尤其是南海中北部海域垂直风切变达到14 m/s 以上（图13c），过高的垂直风切变抑制了热带扰动的发展，使得其难以发展成为台风。

图13 西北太平洋和南海垂直风切变 a. 2020年7月；b. 7月气候态；c. 2020年7月距平。单位：m/s。

4.2.2 水汽和热力条件

除动力学因素外，热带扰动发展的根本能量来源于海洋提供的水汽[26]，长时间的观测统计表明台风通常生成于海表温度高于26 ℃的海域[23]。温暖的洋面、丰富的水汽使得对流层下层存在较强的位势不稳定，从而激发扰动内部的对流形成台风的暖心结构。2019年赤道中东太平洋发生了一次厄尔尼诺事件，事件在2020 年春季开始减弱并于8 月逐渐转向了负位相（图略）。赤道太平洋海表温度呈现出西正东负的特征，西北太平洋和南海海表温度均达到26 ℃以上（图略），为台风的生成提供了温暖的下垫面。适宜的下垫面有利于上升气流的形成和维持，而其能否发展成为台风取决于低层大气的位势不稳定层结。分析2020年7月对流层相对湿度发现，西北太平洋和南海海域相对湿度均低于45%（图14），与常年同期相比菲律宾以东洋面表现为显著的负异常。湿度的变化主要是受到副高和西南季风的影响，副高的异常活动不仅阻断了西南季风对菲律宾以东洋面和南海海域水汽的输送作用，其主体下沉气流的增温作用使得该区域的相对湿度减小。同时，由于极涡主体偏向西半球，影响东半球的冷空气势力较弱，南海和菲律宾以东洋面的低层气温均高于12 ℃（图15），较常年同期偏高，因此高温低湿的环境条件不利于位势不稳定的形成，从而抑制了热带扰动的发展，不利于台风的生成和发展。

图14 700 hPa相对湿度 a. 2020年7月；b. 7月气候态；c. 2020年7月距平。 单位：%。

图15 700 hPa气温 a. 2020年7月；b. 7月气候态；c. 2020年7月距平。 单位：℃。

5 总结与讨论

使用NCEP 再分析数据集和相关观测资料，利用台风潜在生成指数（Dynamic Genesis Potential index，DGPI）分析发现2020 年7 月大尺度环境条件不利于台风生成。因此，从影响台风活跃期的相关环流背景出发，探讨了2020 年7 月西北太平洋和南海无台风生成的环流特征及动力和热力条件。

（1）2020 年7 月西北太平洋和南海地区无台风生成，创造了气象历史的记录。分析发现7月南半球马斯克林高压明显偏弱，导致索马里急流偏弱，越赤道气流偏西，其东界位于中南半岛以西地区，月内菲律宾以东洋面和南海海域主要以偏东气流为主，导致季风槽无法建立，不利于热带扰动的生成。

（2）7 月，副热带高压强度偏强且位置偏西，副高的异常变化一方面影响了季风槽的建立，另一方面导致对流层中层下沉活动增强，抑制了热带扰动的形成和发展。副热带高压的异常活动主要是受到极涡主体偏西且南亚高压偏强偏东的共同影响，上述环流系统间接的影响了季风槽活动。

（3）月内菲律宾吕宋岛以东洋面和南海中北部海域垂直风切变均高于8 m/s，尤其是南海中北部海域垂直风切变达到14 m/s 以上，过大的环境垂直风切变不利于热带扰动发展成为台风。

（4）2020 年下半年，赤道太平洋海温呈现出西高东低的特征，西北太平洋和南海海表温度均高于26 ℃，然而由于副高偏强且位置偏西，不利于形成高温、高湿的环境条件，大气层结较为稳定，不利的热力条件抑制了热带对流的发展。

针对2020 年7 月西北太平洋和南海海域无台风生成的异常现象进行了大尺度环流背景分析，发现季风槽的异常活动对此次“空台”发生具有重要贡献。陈联寿等[1]指出季风槽、东风波、高空冷涡在对流层诱发的低压和斜压扰动是热带气旋前期扰动的主要来源。据统计，约有80%的台风是由季风槽内的热带扰动加强而成[7,27]，由东风波和热带对流层上部槽生成的台风不多，因此，本文从月尺度上讨论台风生成的异常情况时，主要关注了季风槽的影响。此外，有研究指出ENSO 事件与台风生成频数具有滞后关系，表现为ENSO 冷事件当年9 月至次年8 月是台风生成活跃的时段[28]。另外，MJO 的位相也与西北太平洋和南海台风活动密切相关，当MJO 处于1～4 位相时，台风发展受到抑制，5、6 位相则有利于台风生成和发展[29-30]，2020 年7 月MJO 处于1～3 位相，MJO 相关的对流活动主要位于印度洋，西北太平洋对流不活跃，也影响了热带扰动生成。本文并未考察年际变化以及季节内尺度变化（如ENSO 事件、MJO活动）对7 月“空台”的影响，相关研究有待进一步开展。本文分析了2020 年7 月“空台”的环流背景特征，尤其关注了季风槽的影响，但该特征能否解释“空台”的具体成因还需要进一步探讨。由于“空台”现象的极端性，没有足够的资料分析其所涉及的环流背景从而得出共性的结论，因此未来需要进一步采用数值模拟的手段分析“空台”的具体成因。此外，对于可能对“空台”具有重要贡献的环流系统及其日变化的作用也需要更深入的研究。