熱帶氣旋路徑的年際變化

熱帶氣旋路徑的年際變化

1個(gè)歷史概念,主要是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)、源地偏東和供熱熱帶雨林是造成世界人民生命和財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。2004年的臺(tái)風(fēng)非常異常。無(wú)數(shù)臺(tái)風(fēng)襲擊了日本。與此同時(shí)，由于臺(tái)風(fēng)減少，中國(guó)南部在1951年以來(lái)出現(xiàn)了最嚴(yán)重的干旱。在緊接著的2005年,臺(tái)風(fēng)“麥莎”、“泰利”、“卡努”等臺(tái)風(fēng)襲擊我國(guó)華東等地區(qū),造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。隨著熱帶氣旋的運(yùn)動(dòng)路徑的不同影響區(qū)域也不同,對(duì)熱帶氣旋路徑進(jìn)行深入的研究顯得尤為重要。關(guān)于熱帶氣旋頻數(shù)的變化特征及原因很多學(xué)者進(jìn)行了深入探討。對(duì)于熱帶氣旋路徑,Wu等研究發(fā)現(xiàn),在過(guò)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?yáng)|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(jié)論,指出1980年代以來(lái)我國(guó)南海熱帶氣旋增加,我國(guó)東海和菲律賓海熱帶氣旋減少,并認(rèn)為臺(tái)風(fēng)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(guān),副高向亞洲的東南沿岸伸展可能導(dǎo)致了更多臺(tái)風(fēng)的轉(zhuǎn)向。近來(lái)研究表明,ENSO年份大氣環(huán)流的變化會(huì)引起熱帶氣旋生成位置和熱帶氣旋活動(dòng)的變化,認(rèn)為在ElNi?o年熱帶氣旋生成源地偏東且易在日本東部轉(zhuǎn)向。Wu等認(rèn)為熱帶氣旋路徑變化主要是由于大尺度環(huán)境引導(dǎo)氣流和生成位置變化引起的,并且生成位置的變化對(duì)熱帶氣旋路徑的影響要大于引導(dǎo)氣流的影響。通過(guò)分析2004年西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng),董美瑩等指出,該年臺(tái)風(fēng)源地偏東轉(zhuǎn)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(guān)。Wu等研究了熱帶氣旋強(qiáng)度與熱帶氣旋主要源地和路徑的關(guān)系,認(rèn)為路徑有偏東的趨勢(shì),從而允許熱帶氣旋有更長(zhǎng)的生命期,以達(dá)到更強(qiáng)的強(qiáng)度。陳光華等研究了暖池?zé)釥顟B(tài)與熱帶氣旋路徑的關(guān)系,認(rèn)為暖池處于暖狀態(tài)時(shí),熱帶氣旋對(duì)我國(guó)的影響要比冷狀態(tài)時(shí)更加明顯。上述對(duì)熱帶氣旋路徑的研究,大多都是針對(duì)某一特定區(qū)域出現(xiàn)熱帶氣旋頻率進(jìn)行研究,對(duì)熱帶氣旋實(shí)際行走路徑進(jìn)行歸類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析的研究較少,Camargo等利用數(shù)學(xué)理論得出最優(yōu)路徑類(lèi)別數(shù)目為7類(lèi)進(jìn)行聚類(lèi)分析,路徑類(lèi)別數(shù)目較多不利于統(tǒng)計(jì)分析,且得到的結(jié)果與實(shí)際路徑亦有所差別(比如有些直線路徑被歸并到轉(zhuǎn)向類(lèi)型中)。因此,我們利用路徑信息比較豐富的中國(guó)氣象局整編的熱帶氣旋年鑒資料進(jìn)行分析,得到影響我國(guó)的西行、西北、轉(zhuǎn)向這三類(lèi)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(guān)系。2路徑控制策略對(duì)我國(guó)的影響本文采用中國(guó)氣象局整編的1949—2007年共59年熱帶氣旋年鑒資料,該資料對(duì)西北太平洋熱帶氣旋路徑的分類(lèi)十分細(xì)致,多達(dá)13類(lèi)路徑,分別為:⑴北上,⑵西北行,⑶西行,⑷東轉(zhuǎn)向(140°E以東轉(zhuǎn)向),⑸中轉(zhuǎn)向(125~140°E之間轉(zhuǎn)向),⑹西轉(zhuǎn)向(120~125°E之間轉(zhuǎn)向),⑺南海轉(zhuǎn)向,⑻南海消失,⑼登陸后轉(zhuǎn)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(jì)歸納分析,我們對(duì)13類(lèi)路徑資料進(jìn)行了適當(dāng)?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(fù)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(gè)左右),且對(duì)我國(guó)影響不大,另外,東轉(zhuǎn)向路徑熱帶氣旋對(duì)我國(guó)影響也較小,故這里不考慮這4類(lèi)路徑。對(duì)剩余的9類(lèi)路徑按其路徑軌跡歸并為西行、西北和轉(zhuǎn)向三類(lèi)路徑(圖1)。本文所討論的熱帶氣旋是指持續(xù)時(shí)間在2天以上(觀測(cè)時(shí)次超過(guò)8次以上),強(qiáng)度達(dá)到熱帶風(fēng)暴以上的熱帶氣旋,即風(fēng)速大于等于17.2m/s的熱帶氣旋,為方便起見(jiàn)用TC表示。1949—2007年的資料中風(fēng)速大于17.2m/s的TC共1599個(gè),本文3類(lèi)路徑西行、西北和轉(zhuǎn)向路徑TC分別為420、219和494個(gè),三類(lèi)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(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)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(cè)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(guó)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(shí)間尺度變化圖2是三類(lèi)路徑TC的季節(jié)變化。從圖2可看出,三類(lèi)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(zhuǎn)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。總的來(lái)說(shuō),西北行路徑TC主要發(fā)生在暖季,而轉(zhuǎn)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(shí)間變化。西北路徑TC近50年來(lái)沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)(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(jì)初期又稍微下降,但不是很顯著。結(jié)合圖4a的小波分析可以看出,西北路徑TC有兩個(gè)時(shí)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(zhuǎn)向路徑TC頻數(shù)隨時(shí)間的變化,1949—2007年有明顯的下降趨勢(shì),其趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)為-0.25,通過(guò)了95%信度檢驗(yàn);在1980年初期以前呈現(xiàn)波動(dòng)變化,之后表現(xiàn)為持續(xù)穩(wěn)定下降的趨勢(shì);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(shì)為顯著的下降趨勢(shì),其趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.31,在下降的趨勢(shì)上還疊加有年代際變化特征,但年代際變化不顯著。對(duì)西行路徑TC頻數(shù)進(jìn)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(lèi)路徑TC主要以小于8年的年際變化為主。3類(lèi)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(shuō)明確實(shí)有必要將TC分路徑歸類(lèi)進(jìn)行細(xì)致研究。4海溫與tc的關(guān)系海溫與TC的生成發(fā)展有密切關(guān)系。由于三類(lèi)TC頻數(shù)主要以小于8年的年際變化為主,因此對(duì)TC年頻數(shù)的時(shí)間序列進(jìn)行濾波,只保留8年以下的年際變化,對(duì)年平均海溫資料也做相應(yīng)的濾波處理,著重研究TC與海溫在年際尺度上的關(guān)系。將濾波后的TC年頻數(shù)時(shí)間序列和年平均SST求相關(guān)得到兩者的年際相關(guān)(圖5)。可見(jiàn),西北路徑TC與SST的正相關(guān)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(fù)相關(guān)區(qū)域。轉(zhuǎn)向路徑TC與SST的相關(guān)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(fù)相關(guān)。而西行路徑與SST的相關(guān)顯著區(qū)域呈零星分布,與西太平洋SST的關(guān)系不很明顯。因此下面著重分析西北路徑和轉(zhuǎn)向路徑TC與海溫的關(guān)系。考察兩種路徑TC頻數(shù)隨時(shí)間變化序列之間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.26,通過(guò)95%信度相關(guān)顯著檢驗(yàn),說(shuō)明兩種路徑TC數(shù)目在59年來(lái)有此多彼少的關(guān)系。而西行路徑TC與海溫年際相關(guān)并不明顯。可見(jiàn),不同路徑TC與海溫的關(guān)系并不一致,以往研究中認(rèn)為T(mén)C與海溫關(guān)系不顯著可能是由于不同路徑的TC與海溫之間的關(guān)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(shí)SST的實(shí)際狀況,為了避免TC經(jīng)過(guò)時(shí)對(duì)海洋造成的降溫影響,對(duì)每一類(lèi)所有TC過(guò)程發(fā)生前一天的SST進(jìn)行合成,以此表示TC發(fā)生時(shí)的海洋背景狀況。由于衛(wèi)星資料長(zhǎng)度有限制,只采用了1998—2007年的資料進(jìn)行合成。圖6為西北和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向路徑的洋面溫度,從西北路徑和轉(zhuǎn)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(dá)到1°C左右,說(shuō)明在西北路徑發(fā)生時(shí)西北太平洋局地海溫確實(shí)要比轉(zhuǎn)向路徑時(shí)偏暖。結(jié)合圖5中顯示的與海溫的相關(guān)關(guān)系,當(dāng)西北太平洋局地SST偏高時(shí)西北路徑TC發(fā)生較多,反之局地SST偏低時(shí)TC可能更容易轉(zhuǎn)向。相對(duì)于大氣而言,海洋是個(gè)巨大的能量存儲(chǔ)庫(kù),它對(duì)大氣環(huán)流的影響也是一個(gè)比較緩慢的持續(xù)變化過(guò)程。那么這種西北太平洋局地海溫與TC的關(guān)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(gè)問(wèn)題,深入研究了局地SST與TC年頻數(shù)的超前滯后相關(guān)關(guān)系(圖7),海溫時(shí)間序列為關(guān)鍵區(qū)(10~30°N,110~140°E)SST的區(qū)域平均時(shí)間序列。如圖7所示,橫軸負(fù)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(guān)系數(shù)的大小,點(diǎn)線為90%信度檢驗(yàn)的臨界值。在西北路徑TC發(fā)生前6個(gè)月左右,局地海溫對(duì)TC發(fā)生開(kāi)始有顯著的正相關(guān),這一顯著正相關(guān)一直持續(xù)到TC發(fā)生后;而在轉(zhuǎn)向路徑TC發(fā)生前半年左右到TC發(fā)生后局地海溫對(duì)TC發(fā)生有持續(xù)的負(fù)相關(guān)。即局地海溫對(duì)這兩類(lèi)TC有持續(xù)半年左右的超前相關(guān),且為負(fù)相關(guān)。局地海溫對(duì)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(duì)TC影響的空間形態(tài),采用美國(guó)Scripps海洋研究所環(huán)境分析中心的0~400m海溫資料,對(duì)11個(gè)層次分別求超前滯后相關(guān),得到超前滯后相關(guān)系數(shù)的深度-時(shí)間剖面(圖8),圖中縱軸表示海洋深度,橫軸負(fù)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(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域。對(duì)于西北路徑TC(圖8a),海溫從超前于TC6個(gè)月左右開(kāi)始持續(xù)正的相關(guān),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(guān),說(shuō)明海洋次表層整層海溫對(duì)西北行TC在其發(fā)生約半年前就開(kāi)始有持續(xù)正的影響。而轉(zhuǎn)向TC與局地海溫則是海溫超前半年左右就開(kāi)始有持續(xù)的負(fù)相關(guān),但這種顯著的負(fù)相關(guān)到達(dá)的深度較淺(圖8b)。再比較圖8a和8b中TC對(duì)所經(jīng)過(guò)區(qū)域海溫的影響可發(fā)現(xiàn),在TC生成以后,轉(zhuǎn)向路徑TC與海溫的相關(guān)系數(shù)持續(xù)為顯著負(fù)相關(guān),TC對(duì)海洋的降溫作用使得原有的負(fù)相關(guān)更強(qiáng),持續(xù)時(shí)間更久;西北路徑TC與局地海溫并無(wú)明顯的負(fù)相關(guān),只是減弱了原有的正相關(guān),使顯著的正相關(guān)區(qū)很快消失。采用TMI海溫日資料對(duì)TC發(fā)生前一天的海溫減去TC發(fā)生當(dāng)天的海溫,表示TC對(duì)海洋的降溫作用,再對(duì)兩類(lèi)路徑分別進(jìn)行合成后相減,得到兩類(lèi)路徑降溫差值圖(圖9)。證實(shí)了西北路徑TC的降溫比轉(zhuǎn)向路徑降溫小,其原因?qū)⑦M(jìn)行進(jìn)一步的探討。通過(guò)以上分析可知,西北太平洋局地海溫對(duì)西北、轉(zhuǎn)向路徑TC有超前半年左右的持續(xù)影響,而且整個(gè)溫躍層以上海洋的熱狀態(tài)對(duì)TC路徑都有影響,局地海洋較暖時(shí)有利于TC西北行,局地海洋較冷時(shí)有利于TC轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向路徑TC對(duì)海洋有顯著的降溫作用,而西北路徑TC對(duì)海洋的降溫作用較小。5機(jī)械分析5.1tc生成的背景和過(guò)程海溫對(duì)TC路徑的影響可能主要是海洋熱狀態(tài)對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生影響,進(jìn)而引起TC路徑的變化。為此,針對(duì)局地海溫暖年與西北路徑TC多年,局地海溫冷年與轉(zhuǎn)向TC多年的大氣環(huán)流狀況合成進(jìn)行對(duì)比分析,看它們之間是否存在相似性,從而判斷海溫對(duì)TC路徑的影響是否是通過(guò)海溫對(duì)大氣環(huán)流調(diào)整進(jìn)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(chǎng)進(jìn)行合成。首先對(duì)局地海溫關(guān)鍵區(qū)的平均海溫序列標(biāo)準(zhǔn)化取絕對(duì)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(guān)系,所以海溫時(shí)間序列經(jīng)過(guò)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(shì)。由此得到8個(gè)暖年:1952、1953、1954、1966、1983、1987、1988、1998年和8個(gè)冷年:1962、1963、1968、1971、1972、1974、1976、1986年。用同樣的方法挑選西北、轉(zhuǎn)向路徑TC的多發(fā)年份,得到10個(gè)西北路徑多年:1949、1950、1961、1966、1971、1976、1983、1988、1991、1993年,以及10個(gè)轉(zhuǎn)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(dāng)西太平洋暖池處于暖狀態(tài)時(shí)TC生成位置偏西北,而西太平洋暖池冷狀態(tài)時(shí)TC生成位置偏東南。通常關(guān)鍵區(qū)海溫是滿(mǎn)足TC生成所必須的熱力條件的,除了SST滿(mǎn)足條件外,TC形成需要有初始擾動(dòng),而在關(guān)鍵區(qū),由南側(cè)西南氣流和北側(cè)東風(fēng)氣流交匯形成的季風(fēng)槽區(qū)存在明顯的氣旋性渦度,為T(mén)C的形成提供了有利的初始擾動(dòng)場(chǎng)。比較圖10中6—10月合成850hPa流場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),在暖年和西北路徑多年季風(fēng)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(zhuǎn)向路徑多年時(shí)季風(fēng)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(dòng)路徑很大程度上受到對(duì)流層中層氣流的引導(dǎo),因此合成了500hPa風(fēng)場(chǎng)距平(圖11),由圖可見(jiàn),在暖年和西北路徑偏多年份,500hPa風(fēng)場(chǎng)在20°N以南地區(qū)出現(xiàn)東風(fēng)異常,使得西太平洋副高西南側(cè)有較強(qiáng)的東南氣流,引導(dǎo)TC向西北行走影響我國(guó)。而在冷年和轉(zhuǎn)向路徑偏多年份,20°N以南主要以西風(fēng)異常為主,減弱了副高西南側(cè)的東南氣流,有利于TC移動(dòng)到較北的緯度發(fā)生轉(zhuǎn)向。通過(guò)關(guān)鍵區(qū)暖年和西北路徑TC多年,冷年和轉(zhuǎn)向路徑多年環(huán)流形式對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵區(qū)海溫通過(guò)對(duì)其上空的大氣環(huán)流調(diào)整而對(duì)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(fēng)槽偏西,TC生成位置偏西北,20°N以南中層引導(dǎo)氣流為東風(fēng)異常,容易引導(dǎo)TC西北行;冷年和轉(zhuǎn)向路徑多年,季風(fēng)槽東端延伸至160°E附近,TC生成多在140°E以東,且500hPa以西風(fēng)異常為主,TC易在臺(tái)灣島東部海面轉(zhuǎn)向。5.2cd-s3—不同路徑熱帶氣旋對(duì)海溫影響差異分析轉(zhuǎn)向路徑TC對(duì)局地海溫產(chǎn)生顯著的降溫作用,而西北路徑TC產(chǎn)生的降溫作用并不顯著,對(duì)此我們做了進(jìn)一步分析。統(tǒng)計(jì)西北路徑和轉(zhuǎn)向路徑TC的風(fēng)速等級(jí)分布(圖略)可看出,西北路徑TC頻數(shù)最多的是強(qiáng)度為17.2~32m/s的TC,而轉(zhuǎn)向路徑TC強(qiáng)度大于53m/s的最多,西北路徑TC的平均強(qiáng)度小于轉(zhuǎn)向路徑TC的平均強(qiáng)度。圖12給出西北路徑多年與轉(zhuǎn)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(duì)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(jiàn),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。