西北太平洋累積氣旋能量的年代際變化＊

王功錄，王 啟＊＊，趙 海

（中國海洋大學(xué)1.海洋－大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室；2.海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島266100；3.91458部隊(duì)氣象臺(tái)，海南 三亞572000）

熱帶氣旋是1種具有暖心結(jié)構(gòu)的氣旋性渦旋，它能夠帶來狂風(fēng)、暴雨、巨浪、風(fēng)暴潮等災(zāi)害，以及泥石流等次生災(zāi)害，這對(duì)人們的生產(chǎn)生活及軍事行動(dòng)等帶來了嚴(yán)重的影響，也對(duì)工農(nóng)漁等行業(yè)造成了巨大的損失，已經(jīng)成為世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。因此，對(duì)此研究不僅可以加深對(duì)熱帶氣旋的了解，還對(duì)沿海的防臺(tái)抗臺(tái)，提供必要的理論支持和指導(dǎo)。

熱帶氣旋一般用中心風(fēng)速或氣壓表示其強(qiáng)度大小。單一的風(fēng)速或氣壓只能表示某一時(shí)刻熱帶氣旋的強(qiáng)度，而不能表征整個(gè)生命過程中熱帶氣旋強(qiáng)弱。Bell等[1]定義了1個(gè)表示熱帶氣旋強(qiáng)度的指數(shù)，即累積氣旋能量（ACE，Accumulated Cyclone Energy），用以分析大西洋熱帶氣旋的活躍度情況。ACE從風(fēng)速和觀測頻數(shù)上描述熱帶氣旋的強(qiáng)弱，具有更好的表達(dá)效果。

對(duì)于ACE的研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有了部分研究成果。Suzana和 Adam[2－3]用 ACE指數(shù)來分析 ENSO與熱帶氣旋強(qiáng)度之間的關(guān)系，他們還以ACE作為活躍指數(shù)，通過大尺度環(huán)境變量[包括氣溫，風(fēng)，相對(duì)渦度，OLR （Outgoing Longwave Radiation），SST（Sea Surface Temperature）和水汽]的滯后回歸，分析了西北太平洋熱帶氣旋對(duì)大尺度環(huán)境的影響。Chan[4]分析了熱帶氣旋強(qiáng)度年際變化的成因，他指出，SST平均變化不能解釋形成高低ACE年的原因；在高ACE年，西北太平洋東南部分海域的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件都有利于熱帶氣旋的形成。而在低ACE年，情況正好相反。Klotzbach[5]研究近20年全球熱帶氣旋的ACE的變化，發(fā)現(xiàn)SST不是導(dǎo)致熱帶氣旋產(chǎn)生頻率和強(qiáng)度變化的原因，且沒有明顯的證據(jù)表明，全球ACE有增長的趨勢(shì)。

黃麗娜等[6]分析了西北太平洋臺(tái)風(fēng)累積動(dòng)能的氣候特征，并分析了累積動(dòng)能與極端臺(tái)風(fēng)事件的關(guān)系。邱品竣和余嘉峪[7]以及賴芬芬等[8]對(duì)西北太平洋熱帶氣旋臺(tái)風(fēng)季ACE的年際變化的極值進(jìn)行分類，并分析了其背景場的差異。黃靜等[9－10]分析了進(jìn)入廣東的熱帶氣旋的ACE與ENSO的關(guān)系。

前人對(duì)ACE的年際變化及其成因、ACE的時(shí)空特征以及ACE與ENSO的關(guān)系等進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，但是ACE的年代際變化基本沒有涉及。因此，本文著重對(duì)ACE的年代際變化進(jìn)行分析，并分析其變化機(jī)制。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所使用的熱帶氣旋資料取自中國臺(tái)風(fēng)網(wǎng)（www.typhoon.gov.cn）“CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”，時(shí)間是1949—2011年，范圍包括西北太平洋海域（含南中國海，180°以西，赤道以北）。CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集包括熱帶氣旋每6h的間隔觀測，每日4個(gè)時(shí)次，分別為00，06，12和18時(shí)[8]。其內(nèi)容包含時(shí)間、強(qiáng)度標(biāo)記、經(jīng)緯度、近中心最大風(fēng)速、中心氣壓等因素。本文研究近中心風(fēng)速最大值大于17.2m/s的熱帶氣旋。

風(fēng)場和位勢(shì)高度場是來源于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心 NCEP（National Centers for Environmental Prediction）和美國國家大氣科學(xué)研究中心NCAR（The Na－tional Center for Atmospheric Research）的再分析資料。該資料為月平均資料，網(wǎng)格為2.5（°）×2.5（°），時(shí)間為1953年1月～2011年12月。位勢(shì)高度場和風(fēng)場為17 層，即1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10hPa。

SST的月平均資料來源于英國大氣環(huán)流中心，時(shí)間為1953年1月～2010年12月，網(wǎng)格為1（°）×1（°）。

1.2 定義

Bell等人[1]定義的ACE為：達(dá)到熱帶風(fēng)暴或以上等級(jí)的熱帶氣旋，當(dāng)其位于熱帶風(fēng)暴狀態(tài)或颶風(fēng)狀態(tài)時(shí)，每6h一次觀測的最大風(fēng)速平方的累積之和。本文ACE定義為：以月為觀測值的累積時(shí)間段，計(jì)算當(dāng)最大風(fēng)速大于等于17.2m/s時(shí)的熱帶氣旋的風(fēng)速平方的累積之和，即

式中：m表示某月發(fā)生最大風(fēng)速大于等于17.2m/s時(shí)的熱帶氣旋個(gè)數(shù)；n表示1個(gè)熱帶氣旋中，大于等于17.2m/s風(fēng)速的觀測數(shù)；u為風(fēng)速。

2 ACE的季節(jié)變化

圖1給出了依次取風(fēng)速大于等于17.2，24.5，32.7，41.5，51.0m/s 5種不同風(fēng)速閾值的 ACE的季節(jié)變化。

圖1 西北太平洋熱帶氣旋ACE季節(jié)分布圖Fig.1 Seasonal variations of ACE over the western North Pacific

由圖1可知，當(dāng)取風(fēng)速大于等于17.2和24.5m/s時(shí)，8月ACE最大。當(dāng)取風(fēng)速大于等于32.7m/s以上時(shí)，9月份ACE最大。而以上5種閾值的8、9月的ACE之和均占各自總ACE的40%左右。

從ACE的方差貢獻(xiàn)看（見圖2），當(dāng)取風(fēng)速大于等于17.2和24.5m/s時(shí)，8月方差貢獻(xiàn)最大。當(dāng)取風(fēng)速大于等于32.7m/s以上時(shí)，9月份方差貢獻(xiàn)最大。而以上5種閾值的8、9月的方差貢獻(xiàn)之和占各自總貢獻(xiàn)的40%左右。

另外分析17.2～24.5，24.5～32.7，32.7～41.5，41.5～51.0和大于51.0m/s的5個(gè)風(fēng)速段的 ACE的季節(jié)分布可知，前4個(gè)風(fēng)速段8月份ACE最大。風(fēng)速大于51.0m/s時(shí)，9月份ACE最大（圖略）。

圖2 西北太平洋熱帶氣旋ACE方差季節(jié)分布圖Fig.2 Seasonal variations of variance of ACE over the western North Pacific

不同閾值風(fēng)速的ACE季節(jié)變化結(jié)果表明，以最大風(fēng)速大于等于17.2m/s為閾值的ACE，與取更高風(fēng)速閾值的ACE相比，具有相同的特征。取17.2m/s為閾值，既達(dá)到了熱帶風(fēng)暴以上等級(jí)，又包含更多的熱帶氣旋，具有更好的代表性。所以本文中取17.2m/s為風(fēng)速閾值計(jì)算ACE。

以上分析可知，以不同的風(fēng)速閾值計(jì)算的ACE及其方差貢獻(xiàn)，最大值都發(fā)生在8或9月，不同風(fēng)速段ACE的最大值月也是8或9月。另外統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，不同強(qiáng)度熱帶氣旋頻數(shù)的季節(jié)分布也是以8或9月最多[11]。鑒于此種情況，本文選取每年8、9月的ACE之和作為此年的ACE指數(shù)，分析ACE的年代際變化情況。

3 ACE的年代際變化

圖3給出了西北太平洋熱帶氣旋1949—2011年逐年8～9月ACE的時(shí)間序列。從7年平滑結(jié)果（實(shí)圓點(diǎn)線）可以看出，1953—1971年ACE較高，之后ACE較低。但仔細(xì)分析，還可看出，在1976—1994年是ACE緩慢線性增長期，而之后則是ACE低值期。

ACE的7年滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示（見圖4），1950年代末以后，ACE強(qiáng)度存在2次通過α＝0.05的顯著性檢驗(yàn)的突變，一次在1972—1973年，另一次在1997—1998年。

圖3 西北太平洋熱帶氣旋8－9月ACE時(shí)間序列Fig.3 Time variations series of ACE in August and September over the western North Pacific

圖4 西北太平洋熱帶氣旋8～9月ACE的滑動(dòng)t檢驗(yàn)Fig.4 Time variations series of sliding t test about ACE in August and September over the western North Pacific

于是可以將ACE的年代際變化分為3段，分別為：1953—1972年，1973—1997年，1998—2011年。第一階段大部分年的ACE值較大，第二階段的ACE值大體呈從低值緩慢增長的特征，第三階段大部分年的ACE值較小。為突出不同年代的特征，分別各自取11年合成，即第一階段取1957—1967年，稱其為57～67高值期；第二階段取1976—1986年，稱其為76～86過渡期；第三階段取1998—2008年，稱其為98～08低值期。

4 熱帶氣旋特征的年代際變化

4.1 源地分布

圖5給出了西北太平洋熱帶氣旋源地分布的年代際變化圖（以5（°）×5（°）的經(jīng)緯度間隔空間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)生成熱帶風(fēng)暴以上的熱帶氣旋數(shù)）。

從發(fā)生3次以上源地（圖5中涂色的網(wǎng)格）總體分布看，1957—1967高值期（見圖5a）范圍最廣（向東可達(dá)170°E），1998—2008低值期（見圖5c）次之，76～86過渡期（見圖5b）范圍最?。ㄖ饕?0°N～25°N發(fā)生較少），但是1998—2008低值期的高值網(wǎng)格數(shù)較76～86過渡期為少。57～67高值期源地最大值區(qū)位于10°N～20°N，140°E～150°E，分別為10和8，呈西南－東北分布；1976—1986過渡期源地最大值區(qū)也位于10°N～20°N，140°E～150°E，分別為9和7，呈東南－西北分布；1998—2008低值期源地最大值區(qū)位于15°N～20°N，135°E～145°E，都為6，呈東－西分布；所以1998—2008低值期源地最大值區(qū)相對(duì)偏西偏北。

3個(gè)時(shí)期源地分布的最大差異位于菲律賓以東，5°N～10°N之間，此緯帶形成的熱帶氣旋有比較充足的洋面可以發(fā)展，形成較強(qiáng)熱帶氣旋的可能性較高，因此ACE也較大。由圖5可知，57～67高值期在140°E～160°E都有發(fā)生3次以上源地。76～86過渡期僅在150°E～155°E發(fā)生，而98～08低值期在此緯帶不存在發(fā)生3次以上的源地。

4.2 分類頻數(shù)

表1給出了不同年代8、9月各類熱帶氣旋的發(fā)生頻數(shù)，以及風(fēng)速達(dá)到和超過17.2m/s的持續(xù)時(shí)間累加值（表1中括號(hào)內(nèi)數(shù)值，單位為h）。可知并不是各類熱帶風(fēng)暴以上熱帶氣旋數(shù)都隨年代減少，其中熱帶風(fēng)暴（TS）和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（STY）在98～08低值期反而較57～67高值期增多，分別是24/17（累加時(shí)間1 014h/456h）和23/14（累加時(shí)間4 200h/2 058h），但是強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（STS）、臺(tái)風(fēng)（TY）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（SuperTY）頻數(shù)的減少，特別是超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的巨大差異（42/16，累加時(shí)間7 536h/3 150h），使得98～08低值期的ACE遠(yuǎn)小于57～67高值期。以上不同類別熱帶氣旋能量隨年代變化的不一致性，有待進(jìn)一步深入研究。

圖5 西北太平洋5（°）×5（°）網(wǎng)格內(nèi)熱帶氣旋源地分布圖Fig.5 Space variations of TC sources over the western North Pacific by per 5°latitude/longitude

表1 熱帶氣旋生成頻數(shù)Table 1 Number of TCs in 11years

5 背景場的年代際變化

5.1 副熱帶高壓

西太平洋副熱帶高壓與ACE年代際變化有明顯的對(duì)應(yīng)（見圖6）：57～67高值期副高最弱，850hPa的1 500位勢(shì)高度線局限于10°N 以北，135°E以東；98～08低值期副高最強(qiáng)、面積最大，1 500位勢(shì)高度線西伸北擴(kuò)；其低緯度形狀表明：5°N～10°N之間氣壓在98～08低值期明顯升高。

結(jié)合熱帶氣旋源地分析（見圖5）可知，西太平洋副熱帶高壓的年代際差異與熱帶氣旋源地年代際變化是一致的，即西太平洋副熱帶高壓的西伸北擴(kuò)，使得熱帶氣旋源地在98～08低值期偏西偏北，并且在5°N～10°N之間生成的熱帶氣旋大大減少。

500hPa副高也有相同的變異特征，圖略。

5.2 低空渦度

圖6 副熱帶高壓（850hPa）1 500線分布圖Fig.6 Space variations of 1 500line of hgt in 850hPa

初始擾動(dòng)是熱帶氣旋形成的1個(gè)必要條件，而渦度則是表示擾動(dòng)大小的1個(gè)物理量[11]。渦度越大，上升氣流越強(qiáng)，擾動(dòng)就越強(qiáng)，形成熱帶氣旋幾率就越大。圖7給出了850hPa渦度的年代際變化，其中最突出的現(xiàn)象是5°N～10°N的菲律賓以東的正渦度異常與ACE的年代際分布非常一致：57～67高值期該地區(qū)正渦度異常最強(qiáng)，最大值中心向東接近160°E；而98～08低值期該地區(qū)正渦度異常很弱，160°E附近是負(fù)渦度異常。

另外也可以注意到10°N～15°N，130°E附近渦度異常的差異，57～67高值期該地區(qū)是負(fù)渦度異常。而98～08低值期該地區(qū)是正渦度異常，可能部分解釋了98～08低值期在此地區(qū)生成較多熱帶氣旋的原因（見圖5）。

5.3 垂直風(fēng)切變

高低空垂直風(fēng)切變對(duì)于熱帶氣旋的形成和發(fā)展具有重要作用[12]。前人分析認(rèn)為，低于12.5m/s的垂直風(fēng)切變有利于熱帶氣旋的形成[12－14]，而有人則認(rèn)為是8～10m/s是一個(gè)閾值[15]。一般認(rèn)為垂直風(fēng)切變?cè)叫?，越有利于熱帶氣旋的形成?/p>

圖7 850hPa渦度異常分布圖（單位：10－6s－1）Fig.7 Space variations of relative vorticity anomaly in 850hPa（unit：10－6s－1）

圖8給出了高低空垂直風(fēng)切變的年代際變化，其計(jì)算公式為：

其中：w代表垂直風(fēng)切變；u200、u850分別為200、850 hPa等壓面上緯向風(fēng)速；v200、v850分別為200、850hPa等壓面上經(jīng)向風(fēng)速[16]。

垂直風(fēng)切變年代際變化主要體現(xiàn)在位于10°N～20°N，150°E～165°E的最小垂直風(fēng)切變區(qū)域，57～67高值期該地區(qū)基本上是低于6m/s，而98～08低值期該區(qū)垂直風(fēng)切變較大，這時(shí)期低于6m/s的最小垂直風(fēng)切變區(qū)域偏西偏北。所以這種最小垂直風(fēng)切變區(qū)年代際變化特性，可能是57～67高值期超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（Super－TY）頻數(shù)偏多的原因之一。

5.4 海表面溫度

高溫洋面是熱帶氣旋生成的必要條件之一，海表面溫度（SST）異常的年代際變化也是ACE年代際變化的重要背景因素。圖9給出了SST的年代際變化，其中與ACE年代際變化匹配的SST最顯著特性表現(xiàn)在5°N以北，150°E以東的洋面上。57～67高值期此區(qū)域SST大部分為較大的正異常（見圖9a），有利于熱帶氣旋生成。而此區(qū)生成的熱帶氣旋在向西移動(dòng)過程中可經(jīng)歷更長的暖洋面，有利于成長為強(qiáng)熱帶氣旋，從而使ACE變大。而98～08低值期該區(qū)大部分為負(fù)異常和較小的正異常（見圖9c），所以這時(shí)期不利于強(qiáng)熱帶氣旋生成。但是低緯度偏西洋面98～08低值期有更多的SST正異常區(qū)，這可能是這個(gè)時(shí)期熱帶風(fēng)暴（TS）和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（STY）較多的原因之一。

圖8 垂直風(fēng)切變場Fig.8 Vertical wind shear/m·s－1

圖9 西北太平洋SST異常場Fig.9 Sea surface temperature anomaly over the western North Pacific

綜上，副熱帶高壓、低空渦度、高低空垂直風(fēng)切變和SST的年代際變化是熱帶氣旋ACE年代際變化的重要影響因素，深入研究這些背景場的變化特征，是預(yù)測強(qiáng)熱帶氣旋變異的重要途徑。

6 結(jié)論

本文中選用17.2m/s風(fēng)速閾值計(jì)算熱帶氣旋ACE，描述了8、9月份西北太平洋熱帶氣旋ACE的年代際變化特征。通過分析副熱帶高壓、低空渦度、高低空垂直風(fēng)切變和SST等背景場的年代際差異，探討了西北太平洋熱帶氣旋年代際變化的原因。主要結(jié)論如下：

（1）西北太平洋熱帶氣旋ACE的年代際變化主要分為57～67高值期、76～86過渡期和98～08低值期。其中強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（STS）、臺(tái)風(fēng)（TY）和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（Super－TY），特別是超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)是西北太平洋熱帶氣旋ACE年代際變化的決定成分。熱帶風(fēng)暴（TS）和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（STY）的ACE反而有相反的年代際變化。

（2）源地分布的最大差異位于5°N～10°N，140°E～160°E區(qū)域。從57～67高值期到98～08低值期，此區(qū)域熱帶氣旋的生成頻數(shù)明顯減少。

（3）西太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)，使得熱帶氣旋源地在98～08低值期偏西偏北，不利于5°N～10°N之間熱帶氣旋的生成。

（4）57～67高值期在5°N～10°N菲律賓以東區(qū)域低空正渦度異常最強(qiáng)，并且最大值中心偏東接近160°E。

（5）垂直風(fēng)切變年代際變化主要體現(xiàn)在位于10°N～20°N，150°E～165°E的最小垂直風(fēng)切變區(qū)域，57～67高值期該地區(qū)基本上是低于6m/s，可能是此時(shí)期超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（SuperTY）頻數(shù)偏多的原因之一。

（6）與ACE年代際變化匹配的SST最顯著特性表現(xiàn)在5°N以北，150°E以東的洋面上，57～67高值期此區(qū)域SST大部分為較大的正異常，有利于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（SuperTY）的生成和成長。

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