基于GIS的西北太平洋熱帶氣旋活動的空間特征分析

李 明賴安偉閔錦忠

(1.嘉善縣氣象局,浙江嘉善314100;2.中國氣象局武漢暴雨研究所,湖北武漢430074; 3.南京信息工程大學江蘇省氣象災害重點實驗室,江蘇南京210044)

基于GIS的西北太平洋熱帶氣旋活動的空間特征分析

李 明1賴安偉2閔錦忠3

(1.嘉善縣氣象局,浙江嘉善314100;2.中國氣象局武漢暴雨研究所,湖北武漢430074; 3.南京信息工程大學江蘇省氣象災害重點實驗室,江蘇南京210044)

利用1949—2003年近55 a的西北太平洋熱帶氣旋(WNPTC)移動路徑6 h中心經(jīng)緯度矢量資料,矢量柵格化到1°×1°網(wǎng)格,統(tǒng)計WNPTC出現(xiàn)的次數(shù)、不同移動方向的次數(shù)及走向率,結果表明:(1)西北太平洋熱帶氣旋空間分布具有積聚性,從生成源區(qū)向外遞減。WNPTC消亡區(qū)在陸地比較集中,而洋面上相對離散;(2)WNPTC季節(jié)變化明顯,冬季大值中心緯度最低,春季次之,夏季達到最高,秋季較夏季向南偏移1～3個緯度;(3)在El Nino次年熱帶氣旋增多的區(qū)域,而La Nina次年熱帶氣旋減少,15°N附近為分界線,反之亦然;(4)西北太平洋熱帶氣旋移動方向和走向率除具有明顯的緯向分布特點,在經(jīng)向方向上也有差異;各個移動方向區(qū)域與其相對應的走向率區(qū)域基本相同,但是最大值中心并不重合。

西北太平洋熱帶氣旋;頻率;走向率;GIS;空間特征

0 引 言

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的一種強烈的暖性氣旋性渦旋,依其強度,可以分為熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風、超強臺風(2003年之前的熱帶氣旋分類只包括前4類)。一方面它所帶來的強風、暴雨、海潮往往會嚴重危害人民的生命和財產(chǎn)安全,是影響我國乃至世界其他國家和地區(qū)較為嚴重的災害性天氣之一;另一方面對于干旱地區(qū)而言,由熱帶氣旋直接或間接帶來的降水有著積極作用[1-2]。全球平均每年生成熱帶氣旋約80個[2],西北太平洋是全球生成熱帶氣旋最多的海域。所以,研究西北太平洋熱帶氣旋(WNPTC)對防災減災和我國的國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的意義。

當前,熱帶氣旋是大氣科學重點研究課題之一,在各方面都取得了一定的成果。就西北太平洋熱帶氣旋空間變化研究,青木考[3]利用主成分分析法對西北太平洋臺風出現(xiàn)頻率的地理分布進行研究,以探明臺風出現(xiàn)頻率的地理分布的長期變化。雷小途等[4]研究表明熱帶氣旋在移動過程中因其中心所在緯度的變化即會引起熱帶氣旋路徑的偏折。雷小途、陳聯(lián)壽等[5]用1949—1998年的資料研究表明,西北太平洋的熱帶氣旋活動具有顯著的緯度差異。穆海振等[6]對熱帶氣旋出現(xiàn)頻數(shù)場進行EOF分析,得到了具有明顯物理意義的特征向量,西太平洋地區(qū)熱帶氣旋生成頻數(shù)和熱帶氣旋登陸次數(shù)均存在著準5 a的周期變化,這種變化可能與ENSO現(xiàn)象有關。周俊華等[7]從季節(jié)和年際變化角度分析了西北太平洋熱帶氣旋的時空變換規(guī)律。已有的研究基本上描述了西北太平洋熱帶氣旋的時空特征,包括熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)的年際變化、季節(jié)分布、臺風源地以及登陸中國的熱帶氣旋的強度分布和路徑類型,而對熱帶氣旋在移動方向和經(jīng)向的空間分布特征研究較少。熱帶氣旋的生成點、移動路徑、三維空間結構等都包含了空間信息即具有地理參考特征的各種屬性信息[8],且地理信息系統(tǒng)(GIS)具有強大空間分析功能。因此,本文利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS對西北太平洋熱帶氣旋(WNPTC)路徑的空間分布,以及熱帶氣旋在移動過程中的走向問題進行探討,旨在對熱帶氣旋移動路徑預報提供參考。

1 資料及處理

本文所使用的西北太平洋熱帶氣旋資料來源于1949—2003年全國臺風紀要資料,其中熱帶氣旋包括熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風。近55 a來共有1852個熱帶氣旋,平均每年生成33.7個熱帶氣旋。全國臺風紀要資料所包含的主要字段有:熱帶氣旋編號、中央臺編號、開始時間、消亡時間、強度級別、生成點經(jīng)緯度、過程最低氣壓、過程最大風速、路徑詳情(包括每6 h的中心經(jīng)緯度、中心最低氣壓、最大風速)。文中主要使用熱帶氣旋每6 h中心經(jīng)緯度觀測數(shù)據(jù)(也稱為矢量數(shù)據(jù))。把熱帶氣旋作為質(zhì)點,相鄰兩次觀測點間的熱帶氣旋路徑假設為直線,總移動路徑簡化為折線。將矢量數(shù)據(jù)柵格化[8]到1°×1°的經(jīng)緯網(wǎng)格中,統(tǒng)計柵格中出現(xiàn)熱帶氣旋的總頻數(shù)(同一個熱帶氣旋相鄰6 h位置出現(xiàn)在同一個柵格,記為2次)及熱帶氣旋從此柵格向9個方向移動(包括不移出本柵格)的頻數(shù)和走向率。

2 參數(shù)定義

定義熱帶氣旋的走向率為:

式中i為柵格的行號;j為柵格的列號;k為方向(k=0,1,2,…,8),其中0為熱帶氣旋所處的位置,1～8分別代表西北、北、東北、東、東南、南、西南和西等8個方向;Fi,j為第i行第j列柵格中55 a來熱帶氣旋出現(xiàn)總頻數(shù);Fi,j,k為第i行第j列柵格中熱帶氣旋向k方向移動的頻數(shù);Pi,j,k為第i行第j列柵格中熱帶氣旋向k方向移動的走向率。

3 結果分析

3.1 西北太平洋熱帶氣旋年平均空間分布特征

全球平均每年生成熱帶氣旋約80個[2],西北太平洋是全球生成熱帶氣旋最多的海域,在1949—2003年間西北太平洋每年平均生成33.7個,絕大部份出現(xiàn)在0.5°N～58°N,95°E～180°E區(qū)域。因此本文統(tǒng)計的范圍為0.5°N～55°N,95 °E～180°E(如圖1)。圖1為55 a西北太平洋熱帶氣旋年均出現(xiàn)次數(shù)分布圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),熱帶氣旋有3個活躍中心,它們是我國南海(15 °N～20°N,110°E～120°E)、琉球群島附近洋面、菲律賓至關島洋面(10°N～20°N,125°E～145 °E)。從圖3可以發(fā)現(xiàn)第1,3中心也是熱帶氣旋主要的生成源區(qū)。熱帶氣旋出現(xiàn)次數(shù)從3個活躍中心依次向外遞減,向東、北方向遞減速率小,而向西、南方向遞減速率大,最小遞減率出現(xiàn)在東北方向。柵格中年均次數(shù)最大值為2次,出現(xiàn)在中國的南海;年均次數(shù)≥1次的區(qū)域主要位于10°N～25°N,110°E～140°E,廣東省沿岸、海南省、臺灣省和菲律賓群島北部位于該區(qū)域中。中國東南沿海區(qū)域處在0.1～0.5次/a的范圍,熱帶氣旋次數(shù)向內(nèi)陸逐漸減少。

西北太平洋熱帶氣旋空間分布具有明顯的季節(jié)變化(圖略),本文結果與周俊華[7]等研究結果相一致。春(3,4,5月)、冬(12月、次年1月和2月)兩季熱帶氣旋較少,55 a來絕大部分柵格內(nèi)出現(xiàn)的熱帶氣旋次數(shù)不大于10次,最大出現(xiàn)次數(shù)也只有27次,其中冬季熱帶氣旋主要出現(xiàn)在25°N以南,110°E～170°E區(qū)域之間。夏(6, 7,8月)、秋(9,10,11月)兩季熱帶氣旋較多,主要出現(xiàn)在4°N～58°N,100°E～180°E區(qū)域;55 a以來秋季熱帶氣旋出現(xiàn)次數(shù)最大值為59次;夏季最大值達到了66次。冬、春季出現(xiàn)熱帶氣旋的大值中心較夏秋季向南偏移了5個緯度,冬季大值中心緯度最低,春季次之,夏季達到最高,秋季較夏季向南偏移1～3個緯度。

不少研究指出厄爾尼諾-南方濤動(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)對熱帶氣旋的發(fā)生頻數(shù)、強度、位置以及登陸特征都具有明顯的影響。ENSO影響熱帶氣旋活動主要是通過影響緯向風垂直切變、區(qū)域大氣輻合輻散、海平面氣壓、Walker環(huán)流以及季風槽活動來實現(xiàn)的[10-12]。本文分別統(tǒng)計1949—2003年中的El Nino年(1951,1953,1957,1963,1965,1972,1982, 1987,1991,1997,2002年)和La Nina年(1954, 1955,1956,1964,1970,1971,1973,1975,1988, 1998,1999年)次年熱帶氣旋平均次數(shù)與55 a平均次數(shù)之差的空間分布(圖1b、1c)。結果表明,在El Nino發(fā)生次年,熱帶氣旋次數(shù)正距平區(qū)主要位于16°N以南,110°E～135°E,而負距平區(qū)分布較廣,我國沿海位于負距平區(qū),這說明影響我國的熱帶氣旋次數(shù)較平均水平明顯偏少。而La Nina發(fā)生次年熱帶氣旋次數(shù)正距平區(qū)主要位于15°N以北廣大的區(qū)域,北面到達45°N附近,但是負距平區(qū)范圍較小。我國南海、海南島、廣東、福建、臺灣和浙江等位于正距平區(qū),這意味著在La Nina事件發(fā)生次年登陸和影響我國的熱帶氣旋偏多。所以,El Nino發(fā)生次年熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)減少,強度較弱,移動路徑偏南;而La Nina發(fā)生次年熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)增多,強度較強,移動路徑較偏北。呈現(xiàn)一種基本的空間結構為在El Nino年熱帶氣旋增多的區(qū)域,在La Nina年熱帶氣旋就會減少;反之亦然,且在15°N附近為分界線。

圖1 1949—2003年WNPTC年均出現(xiàn)次數(shù)的空間分布

3.2 生成源區(qū)與消亡區(qū)

本文將熱帶氣旋第一個觀測記錄位置為氣旋生成點,最后一個觀測記錄位置為消亡點。如圖2a所示,西北太平洋熱帶氣旋主要生成于2°N～30°N,105°E～180°E區(qū)域。熱帶氣旋的生成源區(qū)具有明顯的空間特征。其有兩大生成區(qū):(1)中國的南海中東部(10°N～20°N,110°E～121°E);(2)菲律賓群島至關島洋面(5°N～25°N, 126°E～155°E)。我國臺灣島附近也是熱帶氣旋多發(fā)區(qū)。但是,從圖中可以看到大陸上也有少量的熱帶氣旋生成,這主要是由于熱帶氣旋登陸以后,不斷減弱至低壓系統(tǒng)。在一段時間內(nèi),大陸下墊面不斷給低壓系統(tǒng)提供能量、水汽,或者低壓系統(tǒng)與其它天氣系統(tǒng)相互作用,使得低壓系統(tǒng)重新達到熱帶氣旋強度,該情況不作為熱帶氣旋的生成。兩大區(qū)域中,第1個區(qū)域范圍比第2個區(qū)域小,生成熱帶氣旋也比第2個區(qū)域少;但是,第2區(qū)域較第1個區(qū)域的離散程度高。可能原因是中國南海被大陸和島嶼包圍,且南海面積較小,洋面的性質(zhì)比較均一,而菲律賓群島以東洋面面積較大,受各種因子的影響,洋面的性質(zhì)地理分布差異較大,為熱帶氣旋的形成提供有利的條件。

西北太平洋熱帶氣旋的消亡區(qū)也有兩個相對集中區(qū)域(如圖2b):(1)南亞以及我國廣東省、福建省的沿海地區(qū)和臺灣海峽(12°N～27°N, 102°E～125°E);(2)35°N～55°N,175°E～180°E范圍。消亡區(qū)是東北走向的帶狀區(qū)域,最大值出現(xiàn)在區(qū)域的兩端。與生成區(qū)相比較:(1)消亡區(qū)范圍廣,其面積大約是生成區(qū)面積的2倍;(2)離散程度大,空間分布相對均勻;(3)生成區(qū)呈東西走向,消亡區(qū)呈西南-東北走向。消亡區(qū)主要分為陸地和海洋,前一個消亡區(qū)域主要是陸地,相對集中,這說明大部分熱帶氣旋登陸以后,地形對其移動有阻擋作用[10],很快就減弱至消亡;而在洋面上消亡的熱帶氣旋分布比較分散。導致這種差異的主要原因是陸地與海洋的性質(zhì)有差異。

圖2 WNPTC的生成和消亡區(qū)

3.3 西北太平洋熱帶氣旋移動方向空間分布

如圖3,熱帶氣旋在不同緯度帶移動方向不同。向西移動主要位于5°N～30°N,105°E～165 °E,是所有移動方向中次數(shù)最多的區(qū)域;向西北移動的區(qū)域與向西移動的空間分布幾乎相同,但大值區(qū)位于菲律賓群島以東,150°E以西,熱帶氣旋向西和西北移動主要是副熱帶高壓南側引導氣流的影響[11]。北移主要位于10°N～35 °N,110°E～150°E。進入上述3個區(qū)域的熱帶氣旋通常對我國有較為重要的影響。東移位于20°N～55°N,110°E～180°E中與水平成45°角的狹長區(qū)域,東北方向移動位于20°N～45°N,120 °E～165°E,東和東北移動的區(qū)域具有相似的特點,只是前者的大值區(qū)較后者更偏北和偏東。熱帶氣旋容易停滯(相鄰兩個時次位于同一個柵格,移速較慢)的區(qū)域位于我國南海(10°N～ 23°N,107°E～121°E)及臺灣省和菲律賓以東的區(qū)域(10°N～29°N,121°E～150°E)。南海區(qū)域主要受南海性質(zhì)和地形等的影響,而臺灣省和菲律賓以東的區(qū)域與熱帶氣旋剛剛形成時移動速度較慢有關系。

向南、西南、東南方向移動的熱帶氣旋極少,屬于異常路徑(圖略)。這3個移動方向的空間分布較離散,但各具特色,東南移向離散程度最大,分布范圍廣,整個區(qū)域都有出現(xiàn),55 a來各柵格次數(shù)只有1～3次,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因非常復雜,需要進一步的研究;向西南、南移動的分布范圍相對東南要小,主要位于35°N以南,但都有一個位于中國南海的相對大值區(qū),最大次數(shù)比向東南移動多3～4倍,這可能與地形的阻擋作用有關。

圖3 WNPTC路徑移動方向年平均空間分布

3.4 西北太平洋熱帶氣旋走向率空間分布

由3.3知,向南、西南、東南方向移動的熱帶氣旋極少,所以,下面只分析其它6個方向的走向率的空間特征,即k=0,1,2,3,4,8。圖4a表明向西移動的走向率Pi,j,k的較大值(大于40%,下同)出現(xiàn)在南海西部和15°N以南的低緯度地區(qū),即南亞沿海和2°N～25°N,而年均次數(shù)的較大值主要位于5°N～30°N,105°E～165°E,這是因為在5°N～30°N,105°E～165°E區(qū)域Fi,j較大,所以Pi,j,k較小。因此熱帶氣旋頻數(shù)較大,并不意味著其向某個方向移動的概率最大。向西移動的走向率Pi,j,k的較大值出現(xiàn)在低緯度地區(qū),這與東風氣流有較為密切的關系。西北移動的走向率Pi,j,k主要位于2°N～35°N,105°E～ 180°E,比向西移動的分布離散,數(shù)值比向西移動小,絕大部分區(qū)域小于40%。北移走向率Pi,j,k大于20%小于40%的緯度帶為20°N～35 °N;該區(qū)域是熱帶氣旋路徑較容易發(fā)生轉折的緯度帶,也是臺風路徑預報中難以準確預報的區(qū)域。東北移動的走向率的較大值位于30°N～55°N,115°E～145°E,向東的走向率Pi,j,k的較大值位于30°N～55°N,150°E～180°E;向東、東北方向的走向率的分布有些重疊,緯度帶相同,前者更靠近陸地,其中心位于日本附近。向東移動主要在155°E以東海洋上,較集中。滯留的走向率主要出現(xiàn)在35°N以南,較大值位于3°N～23 °N,105°E～120°E,表明35°N以北熱帶氣旋的移動速率較大。從走向率分布圖發(fā)現(xiàn),在不同的緯度帶熱帶氣旋的移動方向具有不同的特點,與3.3節(jié)結論相同,但是熱帶氣旋向某個方向移動的頻數(shù)最大,并不意味著向該方向移動的概率最大,走向率更能反映出在不同的區(qū)域中影響熱帶氣旋的因子各不相同。

圖4 WNPTC走向率的空間分布

4 結 語

通過對1949—2003年西北太平洋熱帶氣旋的空間特征進行統(tǒng)計分析,可以得出以下主要結論:

(1)西北太平洋熱帶氣旋空間分布具有積聚性,有3個活動中心,我國南海、琉球群島附近洋面和菲律賓群島至關島洋面,對應于熱帶氣旋的生成區(qū)。其出現(xiàn)的次數(shù)成明顯的階梯變化,從熱帶氣旋的生成源區(qū)向外遞減,東、北方向遞減速率小,西、南方向速率大。WNPTC消亡區(qū)分布比較廣,陸地相對集中,而洋面上相對離散,這與下墊面的性質(zhì)有關。

(2)WNPTC季節(jié)變化明顯,春季、冬季頻數(shù)較少,空間分布范圍小;夏季、秋季較多,空間分布范圍大。冬、春季出現(xiàn)熱帶氣旋的大值中心較夏秋季向南偏移了5個緯度,冬季大值中心緯度最低,春季次之,夏季達到最高,秋季較夏季向南偏移1～3個緯度。

(3)El Nino發(fā)生次年熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)減少,強度較弱,移動路徑偏南,而La Nina發(fā)生次年熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)增多,強度較強,移動路徑較偏北。呈現(xiàn)一種基本的空間結構為在El Nino年熱帶氣旋增多的區(qū)域,在La Nina年熱帶氣旋就會減少;反之亦然,且在15°N附近為分界線。

(4)西北太平洋熱帶氣旋的移動方向和走向率具有區(qū)域分布特征,不同的移動方向區(qū)域間相互重疊。西北太平洋熱帶氣旋活動的空間特征除具有明顯的緯向分布特點,在經(jīng)向方向上也有差異。各個移動方向的次數(shù)分布區(qū)域與其相對應的走向率區(qū)域分布基本相同,但是最大值中心并不重合。說明熱帶氣旋向某個方向移動的頻數(shù)最大,并不意味著向該方向移動的概率最大,走向率更能反映出在不同的區(qū)域中影響熱帶氣旋的因子。

[1] 王繼志.近百年西北太平洋臺風活動.北京:海洋出版社, 1991.

[2] 陳聯(lián)壽,丁一匯.西北太平洋臺風概論.北京:科學出版社,1979.

[3] 青木考.西北太平洋臺風出現(xiàn)頻率的地理分布和它的長期變化//全國臺風科研協(xié)作技術組.臺風譯文集.北京:海洋出版社,1988.

[4] 雷小途.熱帶氣旋路徑偏折內(nèi)在原因的動力分析.熱帶氣象學報,2000,16(4):307-315.

[5] 雷小途,陳聯(lián)壽.西北太平洋熱帶氣旋活動的緯度分布特征.應用氣象學報,2002,13(2):218-227.

[6] 穆海振,屠其璞.1949～1995年西太平洋熱帶氣旋活動的氣候學特征.南京氣象學院學報,2000,23(2):82-86.

[7] 周俊華,史培軍,陳學文.1949-1999年西北太平洋熱帶氣旋活動時空分異研究.自然災害學報,2002,11(3):44-49.

[8] 黃杏元,馬勁松,湯 勤.地理信息系統(tǒng)概論(修訂版).北京:高等教育出版社,2001.

[9] 曹 楚,彭加毅,余錦華.全球氣候變暖背景下登陸我國臺風特征的分析.南京氣象學院學報,2006,29(4):455-461.

[10] 羅哲賢,陳聯(lián)壽.臺灣島地形對臺風移動路徑的作用.大氣科學,1995,19(6):701-706.

[11] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理與方法.第3版.北京:氣象出版社,2000.

[12] 周波濤,崔 徇,趙 平,等.亞洲-太平洋濤動與西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)的關系.中國科學D輯:地球科學, 2008,38(1):118-123.

2009-04-07