夏季西北太平洋热带气旋生成频次与热带海温关系的年代际变化

陈慕妍 ，陈锐丹 ，2

（1. 中山大学大气科学学院/南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082；2. 广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，广东 珠海 519082）

1 引 言

西北太平洋(Western North Pacific，WNP)暖池作为全球海表温度最高的海域之一，是热带气旋活动最为活跃的地区，每年约有三分之一的热带气旋生成于此，热带气旋登陆带来的狂风暴雨、洪水、风暴潮等灾害给沿海地区带来巨大的经济损失和严重的人员伤亡[1-3]。因此，为了提高对热带气旋活动的预测能力以便更好地应对热带气旋灾害，WNP 热带气旋的活动特征及其影响因子一直以来都是研究热点。

已有许多研究提出了影响热带气旋生成频次(Tropical Cyclone Genesis Frequency，TCGF)的因子[4-9]。Gray[4]总结了影响热带气旋的关键环境因子，指出当对流层出现低层相对涡度、中低层相对湿度、海表温度正异常，以及风场低层辐合高层辐散、高低层间垂直风切变减弱时，有利于TCGF 增多。 热带海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA)可以通过影响大尺度环流系统从而调节与TCGF 有关的环境因子。影响TCGF 的热带海温型主要包括厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation，ENSO)[5-7,11-12]、东 印 度 洋SSTA[8]、热带北大西洋 SSTA[9-10]等。

ENSO是热带太平洋海温年际变化的主模态，虽然它与WNP TCGF 没有显著相关，但它对热带气旋生成位置有重要影响，从而对WNP 上各个子象限的TCGF 起明显的调制作用[4]。不同类型ENSO 所激发出的大气环流响应呈现明显不同的时空分布特征，进而对TCGF 产生不同的影响[6,11-12]。譬如，张宏杰等[11]指出在中部型El Niño年季风槽的强度较东部型El Niño年弱，且位置偏西偏北，使得热带气旋的生成位置较东部型El Niño年更偏北偏西。对于其它热带海域，Zhan等[8]指出El Niño衰退年夏季热带东印度洋海盆显著增暖，对WNP TCGF 具有明显的抑制作用。Yu等[9]指出热带北大西洋SSTA会通过调节印度洋的SSTA和大气环流进而遥相关地影响WNP TCGF。上述研究从不同海区出发揭示了热带SSTA 对WNP TCGF年际变化的影响。那么，不同热带海区对TCGF年际变化的协同影响如何？本文将分析WNP TCGF与整个热带海温的关系。

另外，一些研究指出WNP TCGF 与其影响因子的关系并不是长期稳定的[13-15]。Zhan 等[14]指出1970年代末期之后，由于东印度洋SSTA的覆盖范围明显扩张，WNP 大气环流异常对东印度洋SSTA 的响应增强，二者由几乎不相关转变为显著的负相关。Chang 等[15]指出1980年代初期以来热带北大西洋SSTA 对西北太平洋-北印度洋海气耦合模态的影响明显增强，从而影响WNP TCGF。

那么，整个热带海温与WNP TCGF 的关系是否也存在显著的年代际变化？如果是，不同年代背景下热带海温对TCGF 的影响机制分别如何？发生年代际变化的可能原因又是什么？本文围绕以上科学问题探讨夏季WNP TCGF 与整个热带海温关系的年代际变化。

2 资料及方法

本文采用的资料包括：(1) 中国气象局热带气旋资料中心提供的最佳路径数据集[16]，选取生成位置在WNP(包含南海)且强度达到热带风暴及以上(VMAX≥17.2 m/s)的热带气旋进行分析。(2) 哈德莱中心提供的逐月海温资料，水平分辨率为1 °×1 °；(3)日本气象厅提供的 JRA-55 大气环流逐月再分析资料，水平分辨率为1.25 °×1.25 °，垂直方向 1 000～1 hPa 共 37 层；(4) 全球降水气候计划提供的逐月降水资料，水平分辨率为2.5 °×2.5 °。研究时段为1979—2018年6—8月。

研究方法主要包括傅里叶谐波分解、相关分析、回归分析、Student’st检验。本文定义的TCGF 为逐年夏季在WNP 生成的热带气旋总数。本文所有数据都利用傅里叶谐波分解进行了9年高通滤波处理。值得一提的是，为了验证基于逐月资料得到的环流异常并非由热带气旋本身的信号所导致，我们也利用剔除热带气旋发生日期的逐日资料进行分析，所得结果与逐月资料结果十分一致(图略)，说明本文的结果确实体现了大尺度环流背景对热带气旋的调制，而非热带气旋本身的信号。

3 WNP TTCCGGFF 与热带海温关系的年代际变化

WNP TCGF 具有明显的年际变化(图 1a)，计算得到的年际分量方差贡献高达75.2%。本文首先考察整个研究时段内TCGF年际变化与热带海温的关系(图1b)，结果显示赤道中东太平洋上相关信号弱，说明ENSO指数和同期TCGF之间不存在显著相关，这与前人的研究结果一致[5]；相比之下，热带印度洋、南海、WNP 的西北海域以及热带大西洋均存在显著负相关，而WNP 东部海域为显著正相关。由此可见，热带不同海区SSTA 对TCGF年际变化很可能存在协同影响。

图1 TCGF的距平序列(实线)及其年际分量(柱状)(a)以及TCGF年际分量与夏季SSTA相关系数的空间分布(b)

那么，WNP TCGF 与热带海温的关系是否长期稳定呢？图2a 给出了二者的13年滑动相关，由于滑动相关会损失数据头尾的一些年份，我们将数据向前延长至1949年，以便看1979年以来的变化。总体而言，WNP TCGF 与热带海温的关系在1970年代中期和1990年代初期出现了明显的年代际变化。1970年代中期前，整个热带海区SSTA与TCGF 的关系很弱，只存在一些零散的局地信号；1970年代中期至 1990年代初期，TCGF 的正异常伴随着显著的热带印度洋冷SSTA、热带西太平洋暖SSTA 及热带大西洋冷SSTA；1990年代初期后，40～80 °E 之间热带印度洋的负相关明显减弱，南海出现了显著负相关，而西太平洋及热带中东太平洋的相关均与1990年代初期之前反相；2006年之后，热带海区SSTA 与TCGF 之间的关系又变得不再显著。据此，本文以1991/1992年为转折点，探究1979—1991年和1992—2006年两个年代间SSTA 与TCGF 关系发生年代际变化的原因。选取1979年以来的资料是由于1970年代末以来浮标测站网的建立以及卫星云迹风产品的投入使得热带气旋观测资料的准确性大大提高[17]。

图2b～2c 给出了两个年代同期夏季SSTA 对TCGF 的回归场。对于第一个年代，TCGF 偏多时热带 SSTA 呈现类东部型 La Niña 分布，热带中东太平洋上为冷SSTA 且显著信号集中在东太平洋，热带西太平洋呈现南-北偶极子型，热带印度洋为显著冷SSTA。对于第二个年代，TCGF 偏多时热带SSTA 呈现类中部型El Niño 分布，中东太平洋上出现暖SSTA 且显著信号集中在中太平洋，热带西太平洋、印度洋及大西洋都存在显著冷SSTA，其中大西洋冷SSTA 比第一个年代范围明显扩大，向南延伸至赤道和南半球。由此证实了影响TCGF 的热带海温型在两个年代确实存在明显差异。

图2 1949—2018年夏季5 °S～15 °N纬带平均的SSTA与TCGF的13年滑动相关系数分布(a) (等值线，间隔0.15)以及1979—1991年(b)、1992—2006年(c)标准化TCGF序列回归的夏季SSTA(单位：℃)

4 两个年代热带海温对WNP TTCCGGFF的影响过程

4.1 两个年代WNP TCGF异常的空间分布

为了对比两个年代TCGF 异常空间分布的差异，我们首先将逐个热带气旋的生成位置插值到2.5 °×2.5 °的格点上，计算每年夏季热带气旋生成数的空间分布，再用TCGF 指数回归逐年的空间分布。图3 给出了TCGF 异常回归的空间场(图3a～3b)以及回归值在经向 0 °～30 °N 平均的纬向分布(图 3c)和在纬向 100 °E～180 °平均的经向分布(图3d)。从二维水平空间分布看（图3a 和图3b），第一个年代大值中心出现在菲律宾以东（130 °E，20 °N）和南海地区（115 °E，15 °N），第二个年代大值中心出现在菲律宾以东（135 °E，15 °N）和南海地区（117.5 °E，15 °N）。从经向平均和纬向平均看（图3c 和图3d），第一个年代TCGF 异常在160 °E以西和15 °N以北大部分为正值、160 °E以东和15 °N以南主要为负值，正异常最大值出现在 125 °E，20 °N；第二个年代正异常可以向东延伸至 180 °、向南延伸至 10 °N，最大值出现在135 °E，15 °N。相较而言，第一个年代的 TCGF正异常集中在WNP 偏西偏北区域，第二个年代的TCGF 正异常位置偏南且可以扩展到更东的区域。

图3 1979—1991年(a)、1992—2006年(b)标准化TCGF序列回归的TCGF异常空间分布以及(a、b)中异常场对100 ºE～180 º经向平均值的纬向分布(c)、对0 °～30°N纬向平均值的经向分布(d)，c中折线为柱状的5点滑动平均，橙色(蓝色)柱子和红实线(蓝虚线)为第一(二)个年代。

4.2 两个年代大气环流对WNP TCGF异常的影响

WNP 上空的大尺度环流对热带气旋活动有重要调节作用。图4 给出了两个年代200 hPa、500 hPa、850 hPa环流异常对TCGF 的回归场。从对流层高层看，当TCGF 为正异常时，气候态洋中槽西侧出现闭合高压异常中心和显著的反气旋环流异常(图4a～4b；气候态图略)，这将抑制洋中槽西伸，有利于高空辐散加强和热带气旋增多。第二个年代高层高压异常比第一个年代偏强、偏南且纬向范围明显更大，180 °附近第一个年代为低压异常而第二个年代为高压异常，这有利于第二个年代TCGF 正异常往东扩展。同时，两个年代印度洋地区高空的低压异常也明显不同，第一个年代的低压异常中心位于印度洋中部，而第二个年代的低压异常中心位于海洋性大陆附近，这与SSTA 型的差异有关(见图6e 和6f)。从对流层中低层看，当TCGF 为正异常时，两个年代WNP 上空均被异常气旋与低压环流控制，且中心位置正好位于气候态季风槽附近及西太副高西侧(图4c～4f，气候态图略)，表明季风槽加强、西太副高减弱东撤，这有利于热带气旋增多。此外，第一个年代的低压异常中心偏东偏北，低层低压异常中心位于 145 °E，22.5 °N 附近，范围相对较小；第二个年代的低层低压异常中心偏西偏南，位于130 °E，17.5 °N 附近，且范围相比第一年代往东往南扩展，第二个年代中低层热带地区出现显著的西风异常，而第一个年代没有。两个年代低压异常的差异有利于第二个年代TCGF 正异常相较第一个年代偏南且向东延伸。

图4 1979—1991年（a、c、e）和1992—2006年（b、d、f）标准化TCGF序列回归的200 hPa(a、b)、500 hPa(c、d)、850 hPa(e、f)位势高度异常(等值线，单位：gpm；填色代表达到90%置信度)和风场异常(矢量，单位:m/s；只给出通过0.1显著性检验分布)

大尺度环流异常可以通过调制环境因子进而导致TCGF 异常。图5 给出了相关的大气环境因子异常，其中低层辐合高层辐散形势用垂直速度场进行分析。对于第一个年代(图5 左列)，显著的低层涡度和相对湿度正异常中心出现在160 °E以西，这与TCGF 的正异常分布一致，说明它们对热带气旋增多起重要作用；显著的上升运动异常仅出现在 160 °E，15 °N 附近，对 TCGF 正异常贡献相对较小；而垂直风切变的显著负异常出现在台湾岛以东和 160 °E，12.5 °N 附近，西侧的负异常贡献较大，东侧的负异常贡献相对较小；TCGF 在160 °E 以东并没有明显正异常，这可能是由于缺乏低层正涡度和水汽条件的支持。对于第二个年代(图5 右列)，各个环境因子异常的纬向范围都明显比第一个年代更宽广，其中低层显著的相对湿度正异常明显向东扩展至日界线，这与低层热带强盛的西南风异常有关，对WNP 东部TCGF 正异常起重要贡献。此外，第二个年代高低层垂直风切变异常在160 °E，12.5 °N 附近也有显著异常负中心，与其它因子共同配合导致该区域TCGF 正异常。

图5 1979—1991年（a、c、e）和1992—2006年（b、d、f）标准化TCGF序列回归的 850 hPa风场(矢量，单位：m/s)及相对涡度(填色，单位:10-6 s-1)异常(a、b)；700 hPa相对湿度(填色，单位：%)和500 hPa垂直速度(等值线，单位:10-2 Pa/s，间隔1，绿色实线代表异常上升，红色实线代表异常下沉) 异常(c、d)；200 hPa与850 hPa之间的垂直风切变异常(填色，单位单位:m/s) (e、f)

4.3 两个年代热带海温对大气环流的影响过程

热带海温可以通过调制大气环流进而影响热带气旋活动，图6 给出了两个年代SSTA 与环流异常的配置。对于第一个年代(图6 左列)，热带海温从前冬到随后秋季呈现东部型La Niña衰减位相，热带东太平洋冷SSTA 在前冬最强，夏季显著冷SSTA 集中在140 °W 以东，至秋季基本没有显著信号。与此同时，热带印度洋上的冷SSTA 从前冬开始发展，在夏季达到最强，随后开始减弱消散。热带SSTA 通过海气相互作用影响WNP 环流异常。前冬热带中东太平洋上的冷SSTA 导致局地降水减少，通过Gill 响应在其西北侧激发出异常反气旋，反气旋西北侧的西南风异常使东北信风减弱，海表的风蒸发作用随之减弱，使得下方SSTA 偏暖，暖SSTA 再通过Gill 响应在其西北侧激发出气旋异常[18-19]。上述过程一直维持到初夏，随后夏季背景西南风取代东北信风破坏了海温-风-蒸发正反馈，WNP 的暖SSTA 在夏季明显减弱。另一方面，印度洋在“电容器效应”作用下冷SSTA 范围和强度在夏季达到最强，并通过激发东传开尔文波维持和加强WNP的气旋异常[19-20]。

对于第二个年代(图6 右列)，热带SSTA 演变呈现东部型 La Niña向中部型 El Niño 快速转换的位相，热带东太平洋在前冬出现显著冷SSTA，在春季完全消失，夏季中太平洋开始出现显著暖SSTA，并在秋季继续进一步发展，夏季东印度洋至海洋性大陆附近以及大西洋出现显著冷SSTA，北印度洋冷SSTA 则相对第一个年代明显减弱。夏季热带中太平洋暖SSTA 导致局地降水增多，通过Gill 响应在WNP 上空激发出气旋异常，气旋异常的南侧为大范围偏西南风和降水正异常。同时，东印度洋至海洋性大陆附近大范围的冷SSTA导致降水显著减少，与WNP 构成东北正-西南负的偶极子型降水异常分布，表明二者可能通过垂直环流圈联系起来。此外，热带大西洋的冷SSTA也可能通过纬圈环流与热带太平洋的异常相联系。

图6 1979—1991年(a、c、e、g)和1992—2006年(b、d、f、h)标准化TCGF序列回归的前冬(a、b)，春季(c、d)，夏季(e、f)，秋季(g、h)SSTA场分布(填色，单位：℃)、降水异常(等值线，单位：mm/d，间隔0.5，绿色实线代表降水正异常，橙色实线代表降水负异常)和850 hPa风场异常(矢量，单位：m/s)，(f)中的蓝色实线(20 °S, 83 °E)～(155 °E, 40 °N)用于图7a的垂直环流分析

因此，进一步选取沿着东印度洋至WNP 降水异常偶极子的垂直剖面以及热带 5 °S～10 °N 平均的纬向垂直剖面，分析垂直环流异常进而探讨不同海区之间的联系。图7 给出了第二个年代TCGF 回归的两个垂直剖面环流异常。从图7a 可见，东印度洋至海洋性大陆上的冷SSTA 导致其上空出现显著的异常下沉，并通过垂直环流有利于WNP 上空产生显著的异常上升，这有利于菲律宾东侧降水增多，进一步加强其西北侧气旋异常。从热带纬圈环流看(图7b)，热带的三极型SSTA 对应着两个异常纬向环流圈，热带中太平洋暖SSTA对应上升支，东印度洋至海洋性大陆和热带大西洋的冷SSTA 各对应一个下沉支，说明东印度洋至海洋性大陆和热带大西洋的冷SSTA 可以通过垂直环流圈维持中太平洋上空的上升运动，相应地降水增多，其西北侧的气旋异常也加强。

图7 1992—2006年标准化TCGF序列回归的垂直环流圈异常

两个年代热带海温型的差异导致WNP 气旋环流和TCGF 异常存在明显差异。第一个年代的气旋异常由WNP 局地暖SSTA 通过Gill 响应激发、并由北印度洋暖SSTA 加以维持，第二个年代的气旋异常由热带中太平洋暖SSTA 通过Gill 响应激发、并由东印度洋冷SSTA 通过垂直环流圈加强。因此，第一个年代WNP 上的气旋异常和TCGF 正异常偏西偏北；第二个年代气旋异常和TCGF正异常明显偏南并且向东扩展。另外，第二个年代中太平洋暖SSTA 西北侧强盛的西南风异常带来丰富的水汽，也有利于更多热带气旋在WNP东部生成。

5 热带海温与WNP TTCCGGFF 关系发生年代际变化的可能原因

由以上分析可见，影响TCGF 的热带海温型在1990年代初发生了年代际变化，本节从海温本身的变化探讨此次年代际变化的可能原因。由于海温资料经过9年高通滤波处理，因此两个年代海温平均态并不存在明显差异。根据两个年代TCGF 回归海温型演变的异同（图6），我们猜想夏季热带海温型的差异可能与ENSO 的演变速率有关。前文均从TCGF 出发进行回归分析，那么，两个年代热带海温本身的演变是否也存在明显差异呢？图8给出了两个年代标准化的前冬Niño3.4区(5 °S～5 °N，120～170 °W)平均海温指数回归的前冬至随后秋季的热带SSTA 演变，这里海温指数乘以-1 以便与TCGF 的回归结果进行对比。对于第一个年代，从前冬至夏季表现为La Niña 的衰减，热带中东太平洋的冷SSTA 消散得较慢，到了夏季热带太平洋上仍表现为类La Niña 型海温分布。同时，北印度洋为显著冷SSTA，海洋性大陆附近和热带大西洋东侧仍有暖SSTA 存在。对于第二个年代，SSTA 的演变速率加快，表现为La Niña向中部型El Niño 转换，夏季热带中太平洋上出现了暖SSTA 信号，表现为类中部型El Niño 分布。同时，东印度洋至海洋性大陆出现显著的冷SSTA，热带大西洋东部也开始转为冷SSTA。比较图8与图6可以发现，两个年代ENSO 本身的演变特征与影响TCGF 的海温演变特征类似，夏季的海温型也较为一致，这说明热带海温与WNP TCGF 关系的年代际变化与ENSO 的演变速率有关，因此，影响TCGF 的海温区和相关影响过程也随之发生变化。另外，第二个年代夏季暖SSTA 出现在热带中太平洋可能与中部型El Niño 在1990年代初以来频繁发生有关[21-22]。

图8 两个年代负的标准化前冬Niño3.4指数回归的前冬(a、b)，春季(c、d)，夏季(e、f)，秋季(g、h) SSTA(填色，单位：℃)。

6 结 论

本文利用1979—2018年的热带气旋、海温、降水以及大气环流再分析资料，探究了夏季WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化，发现二者的关系在1991/1992年发生了明显的年代际变化，进而比较了1979—1991年和1992—2006年两个年代热带海温通过调制大气环流进而影响TCGF 的过程。

在第一个年代，当热带气旋偏多时，热带SSTA 从前冬到随后秋季的演变表现为东部型La Niña 衰减位相。前冬至春季WNP 的局地暖SSTA通过Gill 响应在其西北侧激发出气旋异常。热带印度洋在“电容器效应”作用下冷SSTA 不断发展并在夏季达到最强，通过开尔文波响应维持WNP气旋异常。在WNP 局地暖SSTA 和北印度洋冷SSTA 作用下，WNP气旋异常和TCGF正异常主要分布在WNP偏西偏北的区域。

在第二个年代，当热带气旋偏多时，热带SSTA 从前冬到随后秋季表现为东部型La Niña向中部型El Niño 快速转换的位相，夏季热带中太平洋为显著暖SSTA、热带东印度洋至海洋性大陆和北大西洋为显著冷SSTA。其中，热带中太平洋暖SSTA 通过Gill 响应在其西北侧激发出气旋异常，东印度洋至海洋性大陆的冷SSTA 和北大西洋的冷SSTA 通过垂直环流圈进一步维持WNP 气旋异常。在热带中太平洋暖SSTA 和热带东印度洋至海洋性大陆冷SSTA 的作用下，WNP 气旋异常的位置相较于第一个年代偏南且纬向范围更宽广，相应地TCGF 正异常位置也偏南且向东扩展至中太平洋。

WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化与ENSO 循环转变速率的变化有关。第一个年代ENSO 转变速率较慢，前冬La Niña 衰减到夏季仍为类 La Niña 型 SSTA，第二个年代 ENSO 转变速率加快，前冬La Niña 到夏季转变为类中部型El Niño 型 SSTA，因此影响 WNP TCGF 的热带海温型也发生相应的变化。