北太平洋濤動對熱帶氣旋活動的響應(yīng)

北太平洋濤動對熱帶氣旋活動的響應(yīng)

人們早就注意到，仙童以南的風(fēng)浪對太平洋地區(qū)（wdp）和太平洋沿岸物種候變帶（ta）的活動頻率、強(qiáng)度、發(fā)生區(qū)域和著陸特征有顯著影響。結(jié)果表明，ens對亞熱帶氣候的影響主要是通過影響緯向風(fēng)的垂直變斜率、海表面溫度、沃克循環(huán)以及太平洋臺風(fēng)槽的活動來實(shí)現(xiàn)的。gry和chay還指出了平面擾動對風(fēng)暴和臺風(fēng)活動的影響。然而,臺風(fēng)/颶風(fēng)活動的年際變化非常復(fù)雜,所以,研究其他因素對臺風(fēng)/颶風(fēng)活動的可能影響對于了解臺風(fēng)/颶風(fēng)活動的變異和可預(yù)測性非常重要.所以,基于前人研究工作的基礎(chǔ),本文重點(diǎn)研究北太平洋濤動(NPO)和臺風(fēng)/颶風(fēng)活動頻次之間的聯(lián)系,主要是分析研究NPO的變化如何以及怎樣和臺風(fēng)/颶風(fēng)活動所依賴的大尺度及區(qū)域大氣環(huán)流及海溫條件聯(lián)系起來的.NPO是北太平洋大氣年際變化的主要模態(tài),反映的是北太平洋區(qū)域海平面氣壓(SLP)在高緯和低緯之間的翹翹板式變化特征.關(guān)于NPO的定義:已經(jīng)有很多種,主要是3類用兩個(gè)點(diǎn)(65°N,170°E)和(25°N,165°E)之間的氣壓差的標(biāo)準(zhǔn)化值;用兩個(gè)區(qū)域平均的氣壓差的標(biāo)準(zhǔn)化值;用北太平洋區(qū)域SLP的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解的第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù).對這3種定義作了初步比較發(fā)現(xiàn)其結(jié)果非常相似,3種指數(shù)在1949～1998年期間年際變化的相關(guān)系數(shù)都高于0.75,前兩個(gè)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)高于0.90.并且,這3個(gè)指數(shù)都和西太平洋臺風(fēng)有類似的相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為:0.37,0.30,0.41)因此,用這3個(gè)指數(shù)均能較好地代表NPO,本文中統(tǒng)一用第一種定義.值得指出的是,我國學(xué)者在NPO及相關(guān)研究中有很多成果[14,16,17,18,19,20].最近的研究還揭示了南極濤動對西太平洋臺風(fēng)頻次之間的關(guān)系國內(nèi)外的這些研究成果增加了對NPO以及臺風(fēng)氣候的年際和年代際變化規(guī)律的認(rèn)識.但是,對于NPO和臺風(fēng)/颶風(fēng)活動之間的聯(lián)系還沒有研究,這也正是本文的出發(fā)點(diǎn).1美國大氣再分析結(jié)果兩種本文所用的西太平洋和熱帶大西洋臺風(fēng)和颶風(fēng)資料均來自于美國的聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心(JointTyphoonWarningCenter)和美國國家海洋大氣局的颶風(fēng)研究部(HurricaneResearchDivision),資料長度分別為1945～1998年和1851～1998年;應(yīng)用了美國國家大氣科學(xué)研究中心和環(huán)境預(yù)測中心的大氣再分析資料(1949～1998年),水平分辨率是2.5°×2.5°,垂直方向有17層;使用了英國Hadley氣候預(yù)測和研究中心的海平面氣壓(SLP)分析資料(1871～1998年,5°×5°水平分辨率)以及美國國家海洋大氣局的最優(yōu)差值的海溫(SST)資料.本文中使用Saffir-Simpson標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)/颶風(fēng),即,當(dāng)風(fēng)速處于39～73mi/h(或者62.8～117.5km/h),定義為熱帶風(fēng)暴;當(dāng)風(fēng)速大于74mi/h(或者119.1km/h),定義為臺風(fēng)/颶風(fēng).2路徑和相關(guān)場首先計(jì)算6～9月NPO指數(shù)和臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次(即,一年中有多少個(gè)臺風(fēng)/颶風(fēng))的相關(guān)系數(shù),結(jié)果是:1949～1998年期間NPO和西太平洋臺風(fēng)頻次(TNWP)相關(guān)系數(shù)是0.37,和熱帶大西洋颶風(fēng)頻次(HNAT)的相關(guān)系數(shù)為-0.28.另外,在此期間NPO和上述兩個(gè)區(qū)域熱帶風(fēng)暴頻次的相關(guān)系數(shù)分別是-0.20和0.23.所以,NPO和臺風(fēng)/颶風(fēng)的頻次變化相關(guān)程度更高一些,所以,集中討論臺風(fēng)/颶風(fēng)的頻次變化和NPO的聯(lián)系問題.圖1給出了1945～1998年6～9月NPO、西太平洋熱帶風(fēng)暴頻次和臺風(fēng)頻次標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列,從圖1中可以看出,確實(shí)存在NPO和西太平洋熱帶風(fēng)暴頻次及臺風(fēng)頻次之間顯著的同向變化對應(yīng)關(guān)系.另外在整個(gè)1871～1998年這128a中NPO和熱帶大西洋颶風(fēng)頻次的反向變化對應(yīng)關(guān)系也很好,5a滑動平均的變化對應(yīng)關(guān)系還更好一些(圖略).為了進(jìn)一步印證NPO和臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次變化的關(guān)系,分析了NPO和SLP的相關(guān)場以及臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次和SLP的相關(guān)場分布(圖2).我們看到,NPO的相關(guān)場在北太平洋區(qū)域存在相當(dāng)規(guī)則的分布特征,在低緯太平洋區(qū)是反相關(guān),在高緯太平洋區(qū)是正相關(guān).同時(shí)在熱帶大西洋區(qū)是正相關(guān).西太平洋臺風(fēng)頻次和SLP的相關(guān)分布在太平洋區(qū)和NPO-SLP的相關(guān)場基本相似;而熱帶大西洋颶風(fēng)頻次和SLP相關(guān)分布和NPO-SLP的相關(guān)場分布在熱帶大西洋區(qū)基本相反.這就印證了NPO和西太平洋臺風(fēng)頻次、熱帶大西洋颶風(fēng)頻次的正相關(guān)和反相關(guān)關(guān)系的存在.緯向風(fēng)的垂直切變幅度(MWS)對于熱帶氣旋生成和發(fā)展是非常重要的一個(gè)環(huán)境參量,可以定義為150和850hPa之間緯向風(fēng)垂直切變的絕對值.這里分析了NPO-MWS的相關(guān)分布,并和TNWP-MWS以及HNAT-MWS的相關(guān)分布進(jìn)行比較(圖3),發(fā)現(xiàn)NPO-MWS的相關(guān)系數(shù)在熱帶大西洋區(qū)是正值,當(dāng)然HNAT-MWS的相關(guān)是負(fù)值;而且從空間分布來看HNAT-MWS和NPO-MWS的結(jié)果也基本相反.說明,NPO的變化確實(shí)是和熱帶大西洋颶風(fēng)頻次變化相反.西太平洋臺風(fēng)的初始生成區(qū)域主要是在5°～20°N的熱帶中西部太平洋區(qū)域,所以這個(gè)區(qū)域的MWS的變化非常關(guān)鍵,從圖3(c)和(d)的B區(qū)中的變化看到,NPO-MWS的相關(guān)是負(fù)的,這和TNWP-MWS的相關(guān)特征是一致的.所以,如果NPO處于正異常位相,則B區(qū)MWS處于負(fù)位相,有利于臺風(fēng)生成和發(fā)展;反之亦然.圖4又進(jìn)一步給出了NPO-MWS的大尺度相關(guān)分布,從圖4中看到,存在很清楚的遙相關(guān)分布型,一個(gè)是在北太平洋和熱帶西太平洋之間,另一個(gè)是在北太平洋和熱帶大西洋之間.正是這兩個(gè)遙相關(guān)型把NPO的變化和西太平洋及熱帶大西洋的變化聯(lián)系起來,使得臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次的變化和NPO聯(lián)系起來.海溫的變化對于熱帶氣旋的生成和發(fā)展是至關(guān)重要的熱力條件.圖5顯示,NPO和SST的相關(guān)場在熱帶太平洋是正相關(guān),所以當(dāng)NPO處于正(負(fù))位相時(shí)該區(qū)域傾向于有正(負(fù))的海溫距平,而有(不)利于臺風(fēng)生成和發(fā)展.然而,在熱帶大西洋,情況則祝好相反,即,當(dāng)SST處于正(負(fù))位相時(shí),會傾向于有負(fù)(正)的海溫距平存在而不(有)利于颶風(fēng)生成和發(fā)展.反之亦然.3緯向風(fēng)垂直切變幅度的變化現(xiàn)在討論一下NPO和臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次相關(guān)聯(lián)的可能機(jī)制.考慮NPO處于正距平的年份和處于負(fù)距平的年份的平均差異,會有什么變化,把標(biāo)準(zhǔn)化NPO序列中正異常和負(fù)異常的年份組合分別作為NPO正距平組合和負(fù)距平組合.同時(shí),為了盡可能地剔除ENSO的可能影響,把ElNi?o年(1951,1953,19571963,1965,1972,1982,1987,1991,1997)和LaNina年(1954,1955,1956,1964,1970,1971,1973,19751988,1998)都排出去.這樣,在正負(fù)NPO距平的年份組合中各有15a,分析這兩個(gè)15a平均結(jié)果的差異.圖6給出了150和850hPa之間緯向風(fēng)垂直切變幅度的差值分布,其分布特征和圖3,4的結(jié)果非常吻合.這說明NPO的變異確實(shí)和西太平洋區(qū)及熱帶大西洋區(qū)的緯向風(fēng)垂直切變幅度密切相關(guān),這是NPO和臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次聯(lián)系一個(gè)重要環(huán)節(jié).圖7給出了NPO正負(fù)距平組合的150和850hPa風(fēng)場差異的空間分布.在150hPa上,太平洋的20°～40°N區(qū)是西風(fēng)異常—表明西風(fēng)急流加強(qiáng)了(實(shí)際上,也分析了緯向風(fēng)的組合差異,確實(shí)有西風(fēng)急流的加強(qiáng)),由于西風(fēng)急流的加強(qiáng),其南側(cè)的異常反氣旋型環(huán)流形成,其北側(cè)的異常氣旋型環(huán)流形成,結(jié)果導(dǎo)致西太平洋區(qū)有東風(fēng)異常存在.在850hPa,西太平洋區(qū)的緯向風(fēng)異常為東風(fēng)異常,但數(shù)值很小.這樣的高低層緯向風(fēng)異常配置導(dǎo)致高低層緯向風(fēng)垂直切變幅度顯著減小(見圖7中標(biāo)出的矩形區(qū)域).在熱帶大西洋,150hPa上的西風(fēng)急流是減弱的從而導(dǎo)致與西太平洋的變化相反,即,急流的南北兩側(cè)分別有氣旋式異常和反氣旋式異常存在,在熱帶大西洋區(qū)是西風(fēng)異常.同時(shí),850hPa上的緯向風(fēng)變化仍然很小,結(jié)果使得緯向風(fēng)的垂直切變幅度變大了(見圖中標(biāo)出的橢圓區(qū)域).150hPa上急流的變化則和前文提到的兩個(gè)大氣遙相關(guān)密切相關(guān).實(shí)際上,在重力位勢高度場的變化上也可以清楚看到這兩個(gè)遙相關(guān)型(圖8).4檢波關(guān)聯(lián)與耦合模式為了證實(shí)從觀測資料分析中得到的結(jié)果,再來分析一個(gè)全球大氣-海洋環(huán)流耦合模式的氣候態(tài)數(shù)值積分結(jié)果.這個(gè)模式是由挪威的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)共同研發(fā)的海氣耦合模式(BCM),已經(jīng)有很多應(yīng)用,包括幾次在政府間氣候變化委員會的科學(xué)評估中應(yīng)用,其氣候態(tài)的模擬積分了300a,因此,分析這300a積分中NPO和相關(guān)氣候變量的關(guān)系.圖9給出了NPO和150和850hPa之間緯向風(fēng)垂直切變幅度的相關(guān)場,在西太平洋區(qū)確實(shí)是反相關(guān),而在熱帶大西洋區(qū)確實(shí)正相關(guān).這和觀測資料的結(jié)果吻合.NPO和SST的相關(guān)分布(圖10)也和觀測資料的結(jié)果吻合,在西太平洋區(qū)是正相關(guān),在熱帶大西洋區(qū)是反相關(guān).所以,這個(gè)耦合模式的結(jié)果NPO和MWS及SST的相關(guān)分布印證了觀測資料的結(jié)果.還分析了大氣輻散輻合及渦度的變化,由于篇幅的原因,這里給出了NPO和850hPa散度的相關(guān)分布(圖11).B區(qū)是負(fù)的相關(guān)區(qū),即,當(dāng)NPO處于正位相時(shí)為異常輻合區(qū),有利于熱帶氣旋和臺風(fēng)的生成和發(fā)展.在熱帶大西洋區(qū)為正相關(guān),結(jié)果與熱帶西太平洋的情況相反.總之,散度和渦度的變化同樣支持NPO與臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次之間的相關(guān)關(guān)系,印證了觀測資料的結(jié)果.當(dāng)然,基于更多的耦合氣候系統(tǒng)模式的分析研究還是非常需要的,今后的工作中將加強(qiáng)這方面的研究工作.5mws、sst、mws的變化本文揭示了NPO和臺風(fēng)/颶風(fēng)頻次之間存在著顯著的聯(lián)系.研究表明,與NPO的變化相聯(lián)系的西太平洋區(qū)和熱帶大西洋區(qū)的緯向風(fēng)垂直切變幅度、海溫等變化均證實(shí)了這種聯(lián)系的存在性.當(dāng)NPO處于正異常位相時(shí),西太平洋區(qū)MWS減小、SST增高;熱帶大西洋的情況相反.結(jié)果有利于西太平洋臺風(fēng)生成和發(fā)展不利于熱帶大西洋颶風(fēng)生成和發(fā)展.反之亦然.在對流層上層由于兩個(gè)大氣遙相關(guān)的存在使得西