1951-2016年ENSO事件對登陸中國熱帶氣旋的影響

毛蘭花,查 軒,黃少燕,陳世發(fā),戴金梅,白永會,張 婧,邱占林

(1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,福州 350007; 2.福建師范大學(xué) 地理研究所,福州 350007; 3.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室,福州 350007)

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶、亞熱帶地區(qū)海面上急速旋轉(zhuǎn)的大氣渦旋[1-2]，是地理環(huán)境中最具破壞性的天氣系統(tǒng)之一[3]，而中國是世界上熱帶氣旋登陸最多的國家之一[4]。熱帶氣旋所引起的高強度降水、大風、巨浪等災(zāi)害給中國和中國人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失[5]。因此，研究熱帶氣旋對中國的影響極為重要。

ENSO(厄爾尼諾—南方濤動)為熱帶太平洋的厄爾尼諾[6](ElNio)和熱帶大氣中的南方濤動[7](Southern Oscillation，縮寫為SO)的簡稱，是全球氣候影響最強烈的大尺度海洋和大氣相互作用事件，導(dǎo)致全球大多數(shù)區(qū)域降水異常，尤以對赤道太平洋地區(qū)影響最為嚴重[8]。有眾多研究表明[9-11]，熱帶氣旋發(fā)生的頻數(shù)與ENSO事件具有很好的相關(guān)性，但前人的研究[12-16]主要集中在某個區(qū)域或者某個省而研究，鮮少研究ENSO對登陸中國熱帶氣旋的影響。

本文以1951—2016年登陸中國的熱帶氣旋為出發(fā)點，并以ENSO特征值為基礎(chǔ)[17]，分析ENSO事件與登陸中國的熱帶氣旋之間的關(guān)系，以期得到一些具體的預(yù)報模式，提前做好防范工作，減少災(zāi)難的發(fā)生。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 熱帶氣旋數(shù)據(jù)及分類

熱帶氣旋資料來源于中國氣象局編寫的《熱帶氣旋年鑒》中的熱帶氣旋紀要表(1951—2016年)[18]，根據(jù)中國氣象局“關(guān)于實施熱帶氣旋等級國家標準”的通知，采用以下分類方法，即以熱帶氣旋底層中心附近最大風速將熱帶氣旋劃分為6個等級[19]：熱帶低壓，風力為6～7級；熱帶風暴，風力8～9級；強熱帶風暴，風力10～11級；臺風12～13級；強臺風，底層中心附近最大平均風速41.5～50.9 m/s，即14～15級；超強臺風，底層中心附近最大平均風速≥51.0 m/s，即16級或以上。

1.2 ENSO數(shù)據(jù)來源

ENSO數(shù)據(jù)來源于美國大氣局(NOAA)氣候預(yù)測中心(CPC)公布的逐年海平面溫度SST距平值、南方濤動指數(shù)SOI距平值和ENSO多變量指數(shù)MEI距平值(1951—2016年)。

1.3 ENSO事件統(tǒng)計

ENSO為熱帶海洋與大氣相互作用的強信號[20]，其典型事件為厄爾尼諾現(xiàn)象(El Nio)與拉尼娜現(xiàn)象(La Nio)。參考陳世發(fā)[21]和唐曉春[22]給出的ENSO事件的定義來確定ENSO冷暖事件，即赤道東太平洋海平面溫度SST距平值高于0.5℃以上且持續(xù)時間達6個月及以上(可允許一個月低于0.5℃)，視為厄爾尼諾年(ENSO暖事件),反之，赤道東太平洋海平面溫度SST距平值低于0.5℃以上且持續(xù)時間達6個月及以上(可允許一個月低于0.5℃)，視為拉尼娜年(ENSO冷事件)。據(jù)此標準，采用Excel 2003軟件畫圖并計算，結(jié)果顯示(表1)，在1951—2016年的66 a中，共有21次厄爾尼諾現(xiàn)象，13次拉尼娜現(xiàn)象。在厄爾尼諾年平均登陸中國的熱帶氣旋數(shù)為7.91次，拉尼娜年平均登陸中國的熱帶氣旋數(shù)為13.46，ENSO事件時期平均登陸中國的熱帶氣旋數(shù)為10.68，非ENSO事件時期平均登陸中國的熱帶氣旋數(shù)為14.75，表現(xiàn)為厄爾尼諾年<拉尼娜年<非ENSO事件。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)1951—2016年登陸中國熱帶氣旋資料統(tǒng)計(圖1)，從1951年以來熱帶氣旋呈現(xiàn)波動下降趨勢，下降速率為-0.18次/10 a。1951—2016年期間出現(xiàn)熱帶氣旋有813次，年平均12.32次，最高年份為1961年，達25次，最少發(fā)生在1957年、1969年、1983年、1997年，均為7次，且這7 a均發(fā)生在ENSO暖事件時期(表1)。研究過程中發(fā)現(xiàn)以70年代為界限，熱帶氣旋活動有著明顯的氣候振動，并且在70年代以前氣候發(fā)生突變，表現(xiàn)為70年代以前熱帶氣旋頻數(shù)增多、強度偏強的趨勢，而70年代后則相反，而陳興芳等[23]對1951—1991年臺風活動的氣候突變分析印證了本文的研究結(jié)果。

2.1 熱帶氣旋次數(shù)與強度分析

根據(jù)1951—2016年登陸中國熱帶氣旋數(shù)據(jù)依據(jù)氣旋的強度分級統(tǒng)計(圖2)，統(tǒng)計結(jié)果顯示66 a登陸中國的熱帶氣旋共有813次，其中21次ENSO厄爾尼諾現(xiàn)象中登陸中國熱帶氣旋次數(shù)共166次，13次拉尼諾現(xiàn)象登陸中國熱帶氣旋次數(shù)共175次，由此可見，登陸中國的熱帶氣旋頻數(shù)在厄爾尼諾年較拉尼娜年偏少。在21個厄爾尼諾現(xiàn)象中，登陸中國的強臺風和超強臺風共19次，平均每年發(fā)生的強臺風或者超強臺風的概率為90.4%，在13個拉尼娜現(xiàn)象登陸中國的強臺風和超強臺風共14次，平均每年發(fā)生的強臺風或超強臺風的概率為107.7%，因此，厄爾尼諾現(xiàn)象時期發(fā)生超強臺風或強臺風的概率比拉尼娜現(xiàn)象時期發(fā)生超強臺風或強臺風的概率偏低，這與胡婭敏等[24]研究ENSO事件對廣東熱帶氣旋影響的結(jié)果一致，認為拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生時熱帶氣旋的數(shù)量明顯比厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時的頻數(shù)多，并且強風暴的生命力增長，產(chǎn)生的強臺風或超強臺風的概率較大。此外，在拉尼娜現(xiàn)象時期熱帶風暴、強熱帶風暴和熱帶低壓均比厄爾尼諾現(xiàn)象時期多。非ENSO事件時期登陸中國的熱帶氣旋共472次，高于ENSO事件時期發(fā)生的熱帶氣旋頻數(shù)，并且強度比ENSO事件時期大。厄爾尼諾通過對沃克環(huán)流的影響，使得沃克環(huán)流隨厄爾尼諾現(xiàn)象的不同強度而產(chǎn)生不同幅度的移動，從而影響登陸中國熱帶氣旋的頻數(shù)和強度比非ENSO事件時期登陸中國熱帶氣旋的頻數(shù)和強度都偏少和偏弱[25]。

表1 1951-2016年ENSO事件與登陸中國的熱帶氣旋

圖1 1951-2016年登陸中國的熱帶氣旋變化趨勢

2.2 ENSO事件對登陸中國熱帶氣旋時間的影響

通過統(tǒng)計1951—2016年登陸中國的熱帶氣旋時間(圖3)，發(fā)現(xiàn)在時間跨度上，登陸中國的熱帶氣旋最早在4月份，最晚在12月份，主要集中在7—9月，厄爾尼諾現(xiàn)象時期中國熱帶氣旋在7—9月登陸的次數(shù)占全年總數(shù)的84.2%，拉尼娜現(xiàn)象時期占全年的70.3%，正常年占全年的80%。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)登陸中國的熱帶氣旋在厄爾尼諾現(xiàn)象時期初旋是最晚的，發(fā)生在5月份，拉尼娜現(xiàn)象時期登陸熱帶氣旋的最早時間發(fā)生在4月，有2次，最早在2008年4月18日海南文昌；非ENSO事件時期最早登陸熱帶氣旋的時間在4月份，在1991年4月28日海南萬寧登陸，同時，ENSO事件時期終旋均在12月(ENSO暖事件為2004年12月4日，ENSO冷事件為1974年12月2日)，而非ENSO事件時期在12月份沒有熱帶氣旋。這與全球風帶的北移和洋面溫度的因素密切相關(guān)，海洋溫度7—9月氣溫高，適于熱帶氣旋的生成。

圖2 1951-2016年登陸中國熱帶氣旋強度統(tǒng)計特征

2.3 ENSO與登陸中國熱帶氣旋相關(guān)性分析

(1) SST距平值對熱帶氣旋的影響。厄爾尼諾事件是赤道東太平洋海平面溫度(SST)異常曾暖的現(xiàn)象，拉尼娜事件反之。對1951—2016年登陸中國的熱帶氣旋與赤道東太平洋的SST距平值進行相關(guān)性分析(圖4A)，分析結(jié)果表明登陸中國的熱帶氣旋與SST距平值呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，隨著SST距平值的增加登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)呈減少的趨勢。

圖3 1951-2016年熱帶氣旋月際登陸統(tǒng)計特征

(2) SOI距平值對熱帶氣旋的影響。南方濤動是指熱帶太平洋與熱帶印度洋之間氣壓變化呈反相關(guān)的振蕩現(xiàn)象，而南方濤動指數(shù)(SOI)是為使這種現(xiàn)象定量化而被沃克所定義的，是由東西太平洋氣壓值之差算出[26]。SOI是影響ENSO的重要特征值，并且與熱帶海平面氣壓變化、季風降雨等密切聯(lián)系。通過對1951—2016年登陸中國的熱帶氣旋與南方濤動指數(shù)(SOI)距平值進行相關(guān)性分析(圖4B)，分析結(jié)果表明登陸中國的熱帶氣旋與SOI距平值呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)隨著SOI距平值增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

(3) MEI距平值對熱帶氣旋的影響。SST指數(shù)反映了赤道中東部太平洋地區(qū)的海表溫度，SOI指數(shù)反映了熱帶太平洋地區(qū)的海平面氣壓差值，有時候兩者在Nino3.4區(qū)(5°N—5°S,120—170°W)的變化不一致，尤其是是SOI，由于SOI會考慮到塔希提(Tahiti)島和達爾文(Darwin)島氣壓的影響，所以SOI的變化有時并不真正的反映到大尺度現(xiàn)象[27]。因此為了綜合考慮SST和SOI這兩個ENSO的特征值，美國氣候診斷中心(CDC)提出了一個多變量的ENSO指標稱為MEI(Multivariate ENSO Index)，MEI指數(shù)是運用到了海平面氣壓、地面經(jīng)向風、地面緯向風、海溫、海平面氣溫、總云量共6個參數(shù)[28]。對1951—2016年登陸中國的熱帶氣旋與赤道東太平洋的MEI指數(shù)進行相關(guān)性分析(圖4C)，分析結(jié)果表明：登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)與MEI指數(shù)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)隨著MEI指數(shù)的增加呈減少趨勢。

同時，對1951—2016年登陸中國的熱帶氣旋與赤道東太平洋ENSO事件3個特征值的相關(guān)性分析，表明MEI(p=0.001)比SST(p=0.003)和SOI(p=0.015)具有更好的相關(guān)性，這是由MEI指數(shù)所參考的變量更多而決定的。

3 討 論

以上分析表明，熱帶氣旋的形成首先必須有相當面積的氣壓下降，并與周圍海域形成一定氣壓差，而在厄爾尼諾現(xiàn)象時期，西太平洋海域氣溫偏低且連續(xù)多月保持較穩(wěn)定的氣壓，不易形成熱帶氣旋，這就導(dǎo)致厄爾尼諾現(xiàn)象時期產(chǎn)生的熱帶氣旋總數(shù)減少。厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時擾亂了原有的信風環(huán)流，使能到達中國的熱帶氣旋總數(shù)減少，為此由熱帶氣旋發(fā)展來的熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風等也相應(yīng)減少，即強度下降。相反，在拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生時期，西太平洋海域氣溫偏高但仍連續(xù)多月保持較穩(wěn)定的氣壓，同樣不易形成熱帶氣旋。由此可知，厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生時登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)及強度均有明顯下降，與ENSO時期的夏季，副高偏弱、偏南，空氣對流活動減弱相吻合[29]。ENSO事件時期登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)較少、強度較輕，正常年登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)較多且強度大，因此正常年份更應(yīng)該加強熱帶氣旋災(zāi)害防范工作。

圖4 登陸中國熱帶氣旋與ENSO事件3個特征值的相關(guān)性

登陸中國的熱帶氣旋與赤道太平洋海平面溫度SST有著密切的聯(lián)系。當赤道太平洋中東部SST距平值偏高和熱帶大氣SOI為負時，即厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時，赤道太平洋中東部冷水域海水異常增暖，赤道西太平洋地區(qū)海域水溫降低，熱帶氣旋總數(shù)減少，致使同時期登陸中國的熱帶氣旋總數(shù)減少[30]。同時，在厄爾尼諾現(xiàn)象時期氣壓變化對信風環(huán)流的干擾，加上赤道西太平洋海溫降低，氣壓差減小，產(chǎn)生的熱帶氣旋強度降低，所以當強度較大的熱帶氣旋到達中國時，熱帶氣旋的強度下降就較為明顯。

同理，當赤道太平洋中東部SST距平值偏低和熱帶大氣SOI為正時[31]，即拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生時，赤道西太平洋地區(qū)海域水溫升高，因而熱帶氣旋主要能源區(qū)的能量供給增加，赤道輻合帶增強，積云對流運動增強，有利于熱帶氣旋的生成和發(fā)展的環(huán)境場，致使拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生時期登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)比厄爾尼諾現(xiàn)象時期要偏多。

4 結(jié) 論

(1) 1951—2016年，登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)整體上處于下降的趨勢，70年代之前波動劇烈，70年代后期波動振幅較平穩(wěn)。

(2) 登陸中國的熱帶氣旋頻數(shù)在厄爾尼諾年較拉尼娜年偏少，ENSO事件發(fā)生時期登陸中國的熱帶氣旋頻數(shù)比非ENSO事件時期明顯偏少，因此在海表溫度正常的年份應(yīng)加強熱帶氣旋災(zāi)害的防范工作。

(3) 對比非ENSO事件時期初旋登陸時間，厄爾尼諾年初旋登陸時間偏晚，而拉尼娜年初旋登陸時間偏早。登陸中國熱帶氣旋時間集中在7—9月份，約占全年總數(shù)80%，ENSO暖事件年份內(nèi)7—9月登陸中國熱帶氣旋次數(shù)占全年總數(shù)84.2%，而ENSO冷事件時期僅占全年總數(shù)70.3%，這與初旋開始時間和終旋結(jié)束時間有關(guān)。

(4) 登陸中國的熱帶氣旋次數(shù)與南方濤動指數(shù)SOI距平值呈顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與赤道東太平洋海平面溫度距平值SST呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，與MEI指數(shù)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，且MEI(p=0.001)比SST(p=0.003)和SOI(p=0.015)具有更好的相關(guān)性。