全球變暖背景下西北太平洋熱帶氣旋生成位置及路徑變化

李丹，張紅，陳澍

（1.山東省氣象服務(wù)中心，山東濟(jì)南 250031；2.山東省氣象信息中心，山東濟(jì)南 250031）

西北太平洋平均每年生成的熱帶氣旋的數(shù)量較多，對人類造成的影響也較大［1］。伴隨著熱帶氣旋生成位置及路徑的不同，其影響到的區(qū)域也不同，因此任何可能的熱帶氣旋生成位置及路徑的變化無論對政府還是公眾都是十分重要的［2］。隨著全球氣候變暖，氣候極端事件呈上升趨勢［3］，因此研究全球變暖背景下西北太平洋熱帶氣旋生成位置及路徑的變化具有十分重要的意義。

就目前的研究結(jié)果來看，有學(xué)者提出由于西太平洋暖池及南海SOTA偏暖，導(dǎo)致西北太平洋副熱帶高壓偏南，引導(dǎo)氣流有利臺風(fēng)往偏西移動(dòng)［4］。李陽斌等［5］提出受副高變化影響，熱帶氣旋西北行路徑增多；李力等［6］利用中尺度大氣數(shù)值模式MM5設(shè)計(jì)了兩組模擬實(shí)驗(yàn)，指出在全球變暖的背景下，西風(fēng)氣流的增強(qiáng)導(dǎo)致未來的熱帶氣旋的路徑整體上比現(xiàn)在偏東，并且在轉(zhuǎn)向時(shí)時(shí)間也更早，其變化與未來西太平洋副高強(qiáng)度增強(qiáng)、脊線向南移動(dòng)有關(guān)。

全球變暖會(huì)導(dǎo)致環(huán)境場的變量發(fā)生改變［7］，而環(huán)境場發(fā)生變化會(huì)對熱帶氣旋的活動(dòng)產(chǎn)生極大的影響［8］。最近的氣候模式研究表明，大尺度環(huán)流的變化導(dǎo)致東北轉(zhuǎn)向路徑增多［9］。此外，李力等［6］指出熱帶氣旋的活動(dòng)特征還與垂直風(fēng)切變、相對渦度等環(huán)境場的變化密切相關(guān)，而相對濕度對熱帶氣旋的影響不是十分明顯。考慮到在不同的季節(jié)熱帶氣旋的活動(dòng)特征有所差別，以及在不同的季節(jié)對熱帶氣旋活動(dòng)特征的變化具有影響的環(huán)境場不同，故本研究對季節(jié)劃分也略有不同，除了進(jìn)行全年的研究外，對前季（4—6月）、盛季（7—9月）和后季（10—12月）也進(jìn)行了相應(yīng)的研究和討論。由于1—3月熱帶氣旋數(shù)量較少，因此在本研究不進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 資料介紹

本研究所使用資料有JTWC 6 h熱帶氣旋Best track資料；Hadley中心的月平均海表面溫度（SST）資料，空間分辨率為1°×1°；NCEP的月平均200、500、850 hPa風(fēng)場，700 hPa相對濕度場及500 hPa位勢高度場等再分析資料，空間分辨率均為1.5°×1.5°；使用的時(shí)間段均為1979年1月至2013年12月。本研究所討論的熱帶氣旋指的是風(fēng)速≥17.2 m／s，即達(dá)到熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度的熱帶氣旋。研究方法為利用過去幾十年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來推測氣候變化對熱帶氣旋所產(chǎn)生的影響。

2 頻數(shù)分布

由圖1可以看出，3個(gè)季節(jié)受熱帶氣旋影響的區(qū)域大致相同，但盛季的頻數(shù)依次多于后季和前季；盛季頻數(shù)較大的區(qū)域與其他季節(jié)相比偏北（與全年的頻數(shù)分布大致相同）且相對集中，而后季頻數(shù)較大的區(qū)域略微偏東偏南，位于菲律賓群島以西，呈帶狀分布。

圖1 1979—2013年西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)的分布（單位：個(gè)）

3 生成位置的變化

熱帶氣旋的生成位置即風(fēng)速首次達(dá)到17.2 m／s時(shí)的位置。熱帶氣旋的年平均生成位置集中在15°N—20°N，132°E—141°E，平均位置為16.7°N、135.5°E（圖2a）。由圖2b-d可知，前季的年平均生成位置較為分散，僅在菲律賓群島東側(cè)較為集中，平均生成位置為13.0°N，132.1°E；盛季的年平均生成位置較為集中，平均生成位置為19.3°N，135.5°E；后季的年平均生成位置向南移動(dòng)，空間分布較為分散，平均生成位置為14.4°N，136.0°E。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，盛季的年平均生成位置更加集中且偏北，前季則更加偏南，后季則更加偏東。

進(jìn)一步將其生成的經(jīng)度和緯度分開來進(jìn)行研究。首先得到平均生成經(jīng)度隨時(shí)間的變化及其線性趨勢。經(jīng)計(jì)算，前季、盛季和后季的回歸系數(shù)分別為-0.087 7、-0.136 6和-0.167 2，全年為-0.181 1，結(jié)果表明，后季年平均生成經(jīng)度向西移動(dòng)的趨勢要比盛季和前季明顯，分別西移了大約5.7°、4.6°和3.0°，年平均生成經(jīng)度西移了大約6°。

同理可得平均生成緯度隨時(shí)間的變化及其線性趨勢（圖略）。統(tǒng)計(jì)可知，前季、盛季和后季的回歸系數(shù)分別為0.019 2、0.037 2和0.040 5，全年為0.049 0，結(jié)果表明，后季年平均生成緯度向北移動(dòng)的趨勢要比盛季和前季明顯，分別北移了大約1.4°、1.3°和0.7°，年平均生成緯度北移了大約1.6°。

圖2 1979—2013年西北太平洋熱帶氣旋平均生成位置的分布

4 三種路徑的變化

我國學(xué)者探討了熱帶氣旋的3種主要路徑，分別為轉(zhuǎn)向、西北行和西行路徑［10］。本研究也主要對這3種主要路徑進(jìn)行分析。在西北太平洋中按照2°×2°劃分若干個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)中的頻數(shù)在這35年中的線性趨勢，即通過建立一元線性回歸方程來得到回歸系數(shù)，得出熱帶氣旋頻數(shù)在不同區(qū)域的增減趨勢，從而得到熱帶氣旋轉(zhuǎn)向、西北行和西行路徑的變化。

由圖3a可以看出，該時(shí)間段內(nèi)菲律賓群島及其東部海域熱帶氣旋頻數(shù)減少，臺灣島及其東北部海域臺風(fēng)頻數(shù)增多，西行路徑減少，西北行及轉(zhuǎn)向路徑增多，且西北行路徑的增加趨勢比轉(zhuǎn)向路徑明顯。圖3b-d表明，在前季，西北行路徑有所減少，西行、轉(zhuǎn)向路徑有所增多；盛季與全年一致；在后季，西行路徑減少，西北行及轉(zhuǎn)向路徑增多。

圖3 1979—2013年西北太平洋熱帶氣旋頻數(shù)的線性趨勢

5 環(huán)境場的變化

5.1 海表面溫度（SST）

SST對與熱帶氣旋的影響可能為海洋的熱力狀態(tài)對大氣環(huán)流產(chǎn)生了影響，進(jìn)而對熱帶氣旋的生成位置和路徑產(chǎn)生影響［11］。在過去的35年中SST在太平洋西部及南部有所上升，而從東部延伸至中部有下降趨勢，這就使得低層?xùn)|風(fēng)增強(qiáng)、生成位置西移（圖4a）。SST升高意味著海面蒸發(fā)旺盛，位勢不穩(wěn)定增強(qiáng)，有利于熱帶氣旋的生成發(fā)展。40°N—50°N范圍內(nèi)的SST升高趨勢比其他區(qū)域要大，這也導(dǎo)致了生成位置的北移。前季、盛季和后季（圖略）SST升高區(qū)域與全年基本相同，但后季SST升高趨勢最大的區(qū)域比盛季和前季更靠西，這與之前統(tǒng)計(jì)出的3個(gè)季節(jié)里熱帶氣旋的生成經(jīng)度西移的趨勢程度相對應(yīng)。

5.2 850～200 hPa垂直風(fēng)切變

環(huán)境風(fēng)垂直切變大小對CISK機(jī)制維持有重要作用［12］。在垂直風(fēng)切變減弱的區(qū)域，有利于熱帶氣旋的生成［13］。由圖4b可以看出，南海及菲律賓群島以北的海域在35年中垂直風(fēng)切變減弱，與此相對應(yīng)的是臺灣附近熱帶氣旋頻數(shù)具有明顯的上升趨勢，這也是生成位置西移的原因之一。在前季，130°E以東的垂直風(fēng)切變減弱的趨勢比130°E以西減弱趨勢要明顯，因此垂直風(fēng)切變對生成位置的改變沒有起到主導(dǎo)作用；在盛季，垂直風(fēng)切變減弱較明顯的區(qū)域與其他季節(jié)相比更加靠北，這與圖2c顯示的盛季生成位置較其他季節(jié)偏北相對應(yīng)；后季與全年結(jié)果一致。

5.3 700 hPa相對濕度

相對濕度增大，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的位勢不穩(wěn)定加強(qiáng)，有利于熱帶氣旋的生成和加強(qiáng)［14］。將圖4c與圖4a進(jìn)行對比后可以發(fā)現(xiàn)，相對濕度增大的區(qū)域與SST增加的區(qū)域基本一致。在前季，菲律賓附近的相對濕度增大的趨勢比周圍區(qū)域略大，這很可能是導(dǎo)致生成緯度偏西的原因，這與之前得到的前季平均生成經(jīng)度比其他季節(jié)更加偏西相一致。在盛季，菲律賓群島相對濕度增大的較多，有利于熱帶氣旋的生成。后季相對濕度增大的區(qū)域在北半球也是集中于菲律賓群島以及日本南部，導(dǎo)致生成位置向西、向北移動(dòng)。

5.4 850 hPa相對渦度

相對渦度增強(qiáng)有利于熱帶氣旋的生成。5.1節(jié)指出，熱帶氣旋的生成位置集中于15°N—20°N之間，同時(shí)熱帶氣旋的生成緯度有向北移的趨勢，而在圖4d中20°N及略偏北的區(qū)域的相對渦度有明顯的上升趨勢，因此可以得出結(jié)論，20°N以北的相對渦度的增強(qiáng)也是造成熱帶氣旋生成位置北移的原因之一。但在后季，菲律賓群島以東的區(qū)域相對渦度趨于減弱，因此后季相對渦度對熱帶氣旋生成位置的影響不明顯。

5.5 500 hPa位勢高度與風(fēng)場

副高的位置和氣流的流向?qū)釒庑穆窂接休^大的影響。副高的強(qiáng)度在30°N及以北明顯增強(qiáng)，而在太平洋中部出現(xiàn)了明顯減弱的區(qū)域，表明在副高北部等高線變密集，導(dǎo)致在中緯度地區(qū)對流層中層的西風(fēng)氣流增強(qiáng)，而熱帶氣旋的路徑受該引導(dǎo)氣流的影響很大，導(dǎo)致熱帶氣旋西北行和轉(zhuǎn)向路徑增多（圖4e）。盛季、后季與全年一致；而在前季，副高減弱的區(qū)域比其他季節(jié)的范圍更廣，尤其是在西北太平洋中出現(xiàn)了更多的減弱的區(qū)域。

圖4 1979—2013年西北太平洋熱帶氣旋各環(huán)境場的線性趨勢

為進(jìn)一步研究對流層中層引導(dǎo)氣流對西北太平洋熱帶氣旋路徑的影響，合成500 hPa風(fēng)場的線性趨勢。500 hPa風(fēng)場在140°E以西、20°N以南的地區(qū)東南風(fēng)增強(qiáng)，引導(dǎo)著熱帶氣旋西北行路徑增多，同時(shí)西行路徑減少（圖4f），這與圖3a的結(jié)果相一致。

在前季，西北太平洋15°N附近東風(fēng)增強(qiáng)，使得西行路徑增多，同時(shí)在20°N及其北部出現(xiàn)西風(fēng)增強(qiáng)，副高西南側(cè)的東南氣流減弱，有利于熱帶氣旋發(fā)生轉(zhuǎn)向，西北行路徑減少；在盛季20°N以南的西風(fēng)增強(qiáng)也使得西行路徑減少；在后季20°N以南的西風(fēng)增強(qiáng)及120°E—140°E洋面上向北氣流的增強(qiáng)也使得西北行、轉(zhuǎn)向路徑增多，這些都與之前得出的結(jié)論相一致。

6 結(jié)論

1）在全球變暖的背景下，1979—2013年期間，西北太平洋熱帶氣旋的年平均生成位置為16.7°N，135.5°E，盛季的年平均生成位置更加集中且偏北，前季則更加偏南，后季則更加偏東。

2）就整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化而言，無論是全年還是分季節(jié)來看，西北太平洋熱帶氣旋生成位置均向北、向西發(fā)生了移動(dòng)，35年來生成緯度約北移了1.6°，生成經(jīng)度西移了約6°。后季向北及向西移動(dòng)的趨勢依次大于盛季和前季。

3）由于西北部海域SST升高、南海及菲律賓群島以北海域850～200 hPa垂直風(fēng)切變減弱、菲律賓群島以及日本南部海域700 hPa相對濕度增大、菲律賓群島以東的徑向狹長海域及日本南部海域850 hPa相對渦度增大，這些都有利于生成熱帶氣旋，因此熱帶氣旋生成位置向西北方向移動(dòng)。前季、盛季和后季生成位置變化的影響因素略有不同。

4）全年、盛季和后季西行路徑減少，西北行及轉(zhuǎn)向路徑增多，而前季西北行路徑減少，西行、轉(zhuǎn)向路徑增多。路徑的變化與對流層中層引導(dǎo)氣流的變化密切相關(guān)，而生成位置的北移，也使得熱帶氣旋的路徑更容易受到副高的影響，從而發(fā)生變化。