熱帶氣旋路徑的年際變化

熱帶氣旋路徑的年際變化

1個歷史概念,主要是臺風活動、源地偏東和供熱熱帶雨林是造成世界人民生命和財產損失最嚴重的自然災害之一。2004年的臺風非常異常。無數(shù)臺風襲擊了日本。與此同時，由于臺風減少，中國南部在1951年以來出現(xiàn)了最嚴重的干旱。在緊接著的2005年,臺風“麥莎”、“泰利”、“卡努”等臺風襲擊我國華東等地區(qū),造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。隨著熱帶氣旋的運動路徑的不同影響區(qū)域也不同,對熱帶氣旋路徑進行深入的研究顯得尤為重要。關于熱帶氣旋頻數(shù)的變化特征及原因很多學者進行了深入探討。對于熱帶氣旋路徑,Wu等研究發(fā)現(xiàn),在過去幾十年,熱帶氣旋的盛行路徑發(fā)生了變化,與1965—1983年相比,1984—2003年東亞副熱帶地區(qū)經(jīng)歷了較多的熱帶氣旋影響,而南海則較少影響;然而Ho等[9卻得出了相反的結論,指出1980年代以來我國南海熱帶氣旋增加,我國東海和菲律賓海熱帶氣旋減少,并認為臺風路徑的年代際變化與1970年代末的西北太平洋副高西伸有關,副高向亞洲的東南沿岸伸展可能導致了更多臺風的轉向。近來研究表明,ENSO年份大氣環(huán)流的變化會引起熱帶氣旋生成位置和熱帶氣旋活動的變化,認為在ElNi?o年熱帶氣旋生成源地偏東且易在日本東部轉向。Wu等認為熱帶氣旋路徑變化主要是由于大尺度環(huán)境引導氣流和生成位置變化引起的,并且生成位置的變化對熱帶氣旋路徑的影響要大于引導氣流的影響。通過分析2004年西北太平洋熱帶氣旋活動,董美瑩等指出,該年臺風源地偏東轉向路徑偏多與越赤道氣流、赤道輻合帶和西太平洋副高有關。Wu等研究了熱帶氣旋強度與熱帶氣旋主要源地和路徑的關系,認為路徑有偏東的趨勢,從而允許熱帶氣旋有更長的生命期,以達到更強的強度。陳光華等研究了暖池熱狀態(tài)與熱帶氣旋路徑的關系,認為暖池處于暖狀態(tài)時,熱帶氣旋對我國的影響要比冷狀態(tài)時更加明顯。上述對熱帶氣旋路徑的研究,大多都是針對某一特定區(qū)域出現(xiàn)熱帶氣旋頻率進行研究,對熱帶氣旋實際行走路徑進行歸類統(tǒng)計分析的研究較少,Camargo等利用數(shù)學理論得出最優(yōu)路徑類別數(shù)目為7類進行聚類分析,路徑類別數(shù)目較多不利于統(tǒng)計分析,且得到的結果與實際路徑亦有所差別(比如有些直線路徑被歸并到轉向類型中)。因此,我們利用路徑信息比較豐富的中國氣象局整編的熱帶氣旋年鑒資料進行分析,得到影響我國的西行、西北、轉向這三類主要的熱帶氣旋路徑,分析考察它們的變化特征,并分析熱帶氣旋路徑與西北太平洋海溫之間的關系。2路徑控制策略對我國的影響本文采用中國氣象局整編的1949—2007年共59年熱帶氣旋年鑒資料,該資料對西北太平洋熱帶氣旋路徑的分類十分細致,多達13類路徑,分別為:⑴北上,⑵西北行,⑶西行,⑷東轉向(140°E以東轉向),⑸中轉向(125~140°E之間轉向),⑹西轉向(120~125°E之間轉向),⑺南海轉向,⑻南海消失,⑼登陸后轉向,⑽登陸后西行,⑾登陸消失,⑿回旋,⒀東北行。為了便于統(tǒng)計歸納分析,我們對13類路徑資料進行了適當?shù)脑俜治龊蜌w納:回旋路徑由于路徑怪異,其形成原因很復雜,而東北路徑和北上路徑熱帶氣旋在數(shù)目上比較少(年平均1個左右),且對我國影響不大,另外,東轉向路徑熱帶氣旋對我國影響也較小,故這里不考慮這4類路徑。對剩余的9類路徑按其路徑軌跡歸并為西行、西北和轉向三類路徑(圖1)。本文所討論的熱帶氣旋是指持續(xù)時間在2天以上(觀測時次超過8次以上),強度達到熱帶風暴以上的熱帶氣旋,即風速大于等于17.2m/s的熱帶氣旋,為方便起見用TC表示。1949—2007年的資料中風速大于17.2m/s的TC共1599個,本文3類路徑西行、西北和轉向路徑TC分別為420、219和494個,三類路徑共占TC總數(shù)的71%,包括西北太平洋的大部分熱帶氣旋。文中還用到了1948—2007年的NCAR/NCEP2.5°×2.5°的月平均850hPa和500hPa風場、高度場等再分析資料和Hadley中心的1°×1°月平均海面溫度資料,1998—2007年熱帶測雨衛(wèi)星(TRMM)微波成像儀(TMI)的微波遙感資料反演的高分辨率(0.25°×0.25°)逐日海表面溫度資料以及1955—2003年美國Scripps海洋研究所的0~400m深度共11層的海溫再分析資料,水平分辨率為2°×5°。3西北路徑tc的時間尺度變化圖2是三類路徑TC的季節(jié)變化。從圖2可看出,三類路徑的TC都有明顯的季節(jié)變化,通常都是夏秋季較多,而冬春季較少。但西北行TC主要發(fā)生在6—9月的較暖的季節(jié),尤其是7、8月最多,轉向路徑TC在全年均有發(fā)生,主要集中在5—11月,以8、9月最多,西行路徑TC主要發(fā)生在7—12月,在盛夏(8月)和秋季(9—11月)較多,在較冷的冬季(12月)也多有發(fā)生?？偟膩碚f,西北行路徑TC主要發(fā)生在暖季,而轉向和西行路徑TC主要發(fā)生在夏秋季,而且在寒冷的冬季也有發(fā)生。圖3是3種路徑TC頻數(shù)的時間變化。西北路徑TC近50年來沒有明顯的變化趨勢(圖3a),主要表現(xiàn)為年際和年代際變化,從1950—1960年代中期處于下降階段,到1970年代中期為上升階段,之后到1980年代初下降,1980年代初到1990年代初期又有所上升,之后到21世紀初期又稍微下降,但不是很顯著。結合圖4a的小波分析可以看出,西北路徑TC有兩個時間尺度上的顯著周期,分別為8年以下的年際變化和16年左右的年代際變化。圖3b顯示的是轉向路徑TC頻數(shù)隨時間的變化,1949—2007年有明顯的下降趨勢,其趨勢相關系數(shù)為-0.25,通過了95%信度檢驗;在1980年初期以前呈現(xiàn)波動變化,之后表現(xiàn)為持續(xù)穩(wěn)定下降的趨勢;小波分析顯示其變化主要為年際變化,有小于8年的顯著周期(圖4b)。西行路徑TC的總趨勢為顯著的下降趨勢,其趨勢相關系數(shù)達-0.31,在下降的趨勢上還疊加有年代際變化特征,但年代際變化不顯著。對西行路徑TC頻數(shù)進行小波分析發(fā)現(xiàn),其顯著周期為小于4年的年際變化(圖4c)。以上分析可知,除西北路徑TC有16年左右的顯著年代際變化之外,3類路徑TC主要以小于8年的年際變化為主。3類TC頻數(shù)的季節(jié)變化和年際變化均表現(xiàn)出較大差異,也說明確實有必要將TC分路徑歸類進行細致研究。4海溫與tc的關系海溫與TC的生成發(fā)展有密切關系。由于三類TC頻數(shù)主要以小于8年的年際變化為主,因此對TC年頻數(shù)的時間序列進行濾波,只保留8年以下的年際變化,對年平均海溫資料也做相應的濾波處理,著重研究TC與海溫在年際尺度上的關系。將濾波后的TC年頻數(shù)時間序列和年平均SST求相關得到兩者的年際相關(圖5)?？梢?西北路徑TC與SST的正相關區(qū)在10~40°N的西北太平洋并延伸至北太平洋的中部地區(qū),在太平洋的東部有顯著的負相關區(qū)域。轉向路徑TC與SST的相關圖(圖5b)則大致呈現(xiàn)相反的分布形態(tài),在西北太平洋與SST顯著負相關。而西行路徑與SST的相關顯著區(qū)域呈零星分布,與西太平洋SST的關系不很明顯。因此下面著重分析西北路徑和轉向路徑TC與海溫的關系?？疾靸煞N路徑TC頻數(shù)隨時間變化序列之間的關系可以發(fā)現(xiàn)兩者的相關系數(shù)為-0.26,通過95%信度相關顯著檢驗,說明兩種路徑TC數(shù)目在59年來有此多彼少的關系。而西行路徑TC與海溫年際相關并不明顯?？梢?不同路徑TC與海溫的關系并不一致,以往研究中認為TC與海溫關系不顯著可能是由于不同路徑的TC與海溫之間的關系相互抵消造成的。TC生命期只有1周左右,采用衛(wèi)星得到的TMI逐日海溫資料考察TC發(fā)生時SST的實際狀況,為了避免TC經(jīng)過時對海洋造成的降溫影響,對每一類所有TC過程發(fā)生前一天的SST進行合成,以此表示TC發(fā)生時的海洋背景狀況。由于衛(wèi)星資料長度有限制,只采用了1998—2007年的資料進行合成。圖6為西北和轉向路徑SST的分布。比較圖6a和6b,可以看出西北路徑TC發(fā)生前熱帶西北太平洋洋面溫度要高于轉向路徑的洋面溫度,從西北路徑和轉向路徑TC合成SST差異圖可以看出(圖略),在西北太平洋10°N以北的廣大區(qū)域均為正值區(qū),最大差異達到1°C左右,說明在西北路徑發(fā)生時西北太平洋局地海溫確實要比轉向路徑時偏暖。結合圖5中顯示的與海溫的相關關系,當西北太平洋局地SST偏高時西北路徑TC發(fā)生較多,反之局地SST偏低時TC可能更容易轉向。相對于大氣而言,海洋是個巨大的能量存儲庫,它對大氣環(huán)流的影響也是一個比較緩慢的持續(xù)變化過程。那么這種西北太平洋局地海溫與TC的關系是否具有持續(xù)性?若具有持續(xù)性又能持續(xù)多久呢?為了回答這個問題,深入研究了局地SST與TC年頻數(shù)的超前滯后相關關系(圖7),海溫時間序列為關鍵區(qū)(10~30°N,110~140°E)SST的區(qū)域平均時間序列。如圖7所示,橫軸負值為海溫超前TC的月份,正值為海溫落后TC的月份,縱軸表示相關系數(shù)的大小,點線為90%信度檢驗的臨界值。在西北路徑TC發(fā)生前6個月左右,局地海溫對TC發(fā)生開始有顯著的正相關,這一顯著正相關一直持續(xù)到TC發(fā)生后;而在轉向路徑TC發(fā)生前半年左右到TC發(fā)生后局地海溫對TC發(fā)生有持續(xù)的負相關。即局地海溫對這兩類TC有持續(xù)半年左右的超前相關,且為負相關。局地海溫對TC的影響是只存在很淺的表層還是從淺到深層均有影響?為了考察局地海溫對TC影響的空間形態(tài),采用美國Scripps海洋研究所環(huán)境分析中心的0~400m海溫資料,對11個層次分別求超前滯后相關,得到超前滯后相關系數(shù)的深度-時間剖面(圖8),圖中縱軸表示海洋深度,橫軸負值表示海溫超前于TC的月份,正值表示海溫落后于TC的月份,陰影部分為通過95%信度檢驗的區(qū)域。對于西北路徑TC(圖8a),海溫從超前于TC6個月左右開始持續(xù)正的相關,而且從海表到120m深度左右的溫躍層附近均有顯著的正相關,說明海洋次表層整層海溫對西北行TC在其發(fā)生約半年前就開始有持續(xù)正的影響。而轉向TC與局地海溫則是海溫超前半年左右就開始有持續(xù)的負相關,但這種顯著的負相關到達的深度較淺(圖8b)。再比較圖8a和8b中TC對所經(jīng)過區(qū)域海溫的影響可發(fā)現(xiàn),在TC生成以后,轉向路徑TC與海溫的相關系數(shù)持續(xù)為顯著負相關,TC對海洋的降溫作用使得原有的負相關更強,持續(xù)時間更久;西北路徑TC與局地海溫并無明顯的負相關,只是減弱了原有的正相關,使顯著的正相關區(qū)很快消失。采用TMI海溫日資料對TC發(fā)生前一天的海溫減去TC發(fā)生當天的海溫,表示TC對海洋的降溫作用,再對兩類路徑分別進行合成后相減,得到兩類路徑降溫差值圖(圖9)。證實了西北路徑TC的降溫比轉向路徑降溫小,其原因將進行進一步的探討。通過以上分析可知,西北太平洋局地海溫對西北、轉向路徑TC有超前半年左右的持續(xù)影響,而且整個溫躍層以上海洋的熱狀態(tài)對TC路徑都有影響,局地海洋較暖時有利于TC西北行,局地海洋較冷時有利于TC轉向。轉向路徑TC對海洋有顯著的降溫作用,而西北路徑TC對海洋的降溫作用較小。5機械分析5.1tc生成的背景和過程海溫對TC路徑的影響可能主要是海洋熱狀態(tài)對大氣環(huán)流產生影響,進而引起TC路徑的變化。為此,針對局地海溫暖年與西北路徑TC多年,局地海溫冷年與轉向TC多年的大氣環(huán)流狀況合成進行對比分析,看它們之間是否存在相似性,從而判斷海溫對TC路徑的影響是否是通過海溫對大氣環(huán)流調整進而影響TC路徑的。另外,考慮到大氣環(huán)流的季節(jié)變化顯著,為消除季節(jié)變化影響采用了6—10月的平均流場進行合成。首先對局地海溫關鍵區(qū)的平均海溫序列標準化取絕對值,大于1.0的年份作為局地海溫冷、暖年,由于主要考察TC與海溫年際變化之間的關系,所以海溫時間序列經(jīng)過濾波只保留8年以下的變化,并且去掉了海溫的氣候變化趨勢。由此得到8個暖年:1952、1953、1954、1966、1983、1987、1988、1998年和8個冷年:1962、1963、1968、1971、1972、1974、1976、1986年。用同樣的方法挑選西北、轉向路徑TC的多發(fā)年份,得到10個西北路徑多年:1949、1950、1961、1966、1971、1976、1983、1988、1991、1993年,以及10個轉向路徑多年:1955、1960、1971、1976、1985、1986、1991、1994、1997、2004年。陳光華等的研究中發(fā)現(xiàn),當西太平洋暖池處于暖狀態(tài)時TC生成位置偏西北,而西太平洋暖池冷狀態(tài)時TC生成位置偏東南。通常關鍵區(qū)海溫是滿足TC生成所必須的熱力條件的,除了SST滿足條件外,TC形成需要有初始擾動,而在關鍵區(qū),由南側西南氣流和北側東風氣流交匯形成的季風槽區(qū)存在明顯的氣旋性渦度,為TC的形成提供了有利的初始擾動場。比較圖10中6—10月合成850hPa流場可以發(fā)現(xiàn),在暖年和西北路徑多年季風槽東端偏西,且槽部較淺,TC生成主要集中在140°E以西洋面,生成在140°E以東的TC甚少。而冷年和轉向路徑多年時季風槽東端延伸至160°E附近,且槽線位置偏南,在10°N以南,從而TC易于在140°E以東區(qū)域生成。TC的移動路徑很大程度上受到對流層中層氣流的引導,因此合成了500hPa風場距平(圖11),由圖可見,在暖年和西北路徑偏多年份,500hPa風場在20°N以南地區(qū)出現(xiàn)東風異常,使得西太平洋副高西南側有較強的東南氣流,引導TC向西北行走影響我國。而在冷年和轉向路徑偏多年份,20°N以南主要以西風異常為主,減弱了副高西南側的東南氣流,有利于TC移動到較北的緯度發(fā)生轉向。通過關鍵區(qū)暖年和西北路徑TC多年,冷年和轉向路徑多年環(huán)流形式對比分析可以發(fā)現(xiàn),關鍵區(qū)海溫通過對其上空的大氣環(huán)流調整而對TC路徑有很大影響。暖年和西北路徑多年大氣環(huán)流形式比較相似,季風槽偏西,TC生成位置偏西北,20°N以南中層引導氣流為東風異常,容易引導TC西北行;冷年和轉向路徑多年,季風槽東端延伸至160°E附近,TC生成多在140°E以東,且500hPa以西風異常為主,TC易在臺灣島東部海面轉向。5.2cd-s3—不同路徑熱帶氣旋對海溫影響差異分析轉向路徑TC對局地海溫產生顯著的降溫作用,而西北路徑TC產生的降溫作用并不顯著,對此我們做了進一步分析。統(tǒng)計西北路徑和轉向路徑TC的風速等級分布(圖略)可看出,西北路徑TC頻數(shù)最多的是強度為17.2~32m/s的TC,而轉向路徑TC強度大于53m/s的最多,西北路徑TC的平均強度小于轉向路徑TC的平均強度。圖12給出西北路徑多年與轉向路徑多年3—5月海溫差異的經(jīng)向-深度剖面(10~30°N平均)。為了盡量消除TC對海溫的影響,選取TC多發(fā)季節(jié)(6—9月)之前的3—5月。由圖12可見,在100m以上的150°E以西溫度差異基本為正值,最大差異在130~150°E約120m處。