2020年西北太平洋熱帶氣旋生成指數(shù)的異常特征

吳敏敏，彭旭鋼，甘秋瑩，王磊

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，近海海洋環(huán)境變化與災(zāi)害預(yù)警實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江 524088）

西北太平洋（Western North Pacific，WNP）是熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）生成活動(dòng)最活躍的海域，在該海域生成的TC（包括臺(tái)風(fēng)）可能會(huì)給我國(guó)帶來(lái)嚴(yán)重的影響［1－3］。WNP海域TC生成活動(dòng)的氣候變化和氣候異常也是科技工作者一直關(guān)注的重要問(wèn)題［4－8］。WNP海域TC生成數(shù)量存在明顯的年際變化，可能會(huì)在某些年份出現(xiàn)TC生成數(shù)量的異常偏多或者異常偏少。了解引起這些異常年份TC生成數(shù)量異常偏多或者偏少的物理原因，有助于提高業(yè)務(wù)人員對(duì)TC活動(dòng)異常的氣候預(yù)測(cè)和預(yù)警能力。以往的研究也已經(jīng)針對(duì)某些具體的TC活動(dòng)的異常年份開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，例如，2014年8月WNP的“空臺(tái)”事件［9］，1998年與2016年WNP TC活動(dòng)異常特征的對(duì)比［10］，2018夏季異?；钴S的TC活動(dòng)［11－12］與2018年秋季不活躍的TC活動(dòng)［13］。

2020年WNP海域TC的生成活動(dòng)呈現(xiàn)出一些顯著的異常特征：既存在沒(méi)有TC生成的2020年7月，出現(xiàn)了“空臺(tái)”這種TC異常偏少的情況；也有2020年10月出現(xiàn)7個(gè)TC，達(dá)到該月TC數(shù)量歷史最高值的TC異常偏多的情況。本研究將分析2020年7和10月WNP TC生成指數(shù)的異常特征，考察與TC形成相關(guān)的背景環(huán)境場(chǎng)，旨在可以更好地理解2020年WNP出現(xiàn)這些TC活動(dòng)異常情況的形成原因。

1 數(shù)據(jù)和方法

研究中使用的大氣環(huán)境場(chǎng)資料來(lái)自于NCEPNCAR再分析月平均數(shù)據(jù)［14］，海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）來(lái)自ERSST月平均數(shù)據(jù)［15］。TC信息來(lái)自IBTrACS數(shù)據(jù)集［16］。氣候平均為1990—2019年平均值。

TC潛在生成指數(shù)（Genesis Potential Index，GPI）最早由Emanuel等［17］定義，用來(lái)定量表征不同環(huán)境場(chǎng)因子對(duì)TC生成的影響和相對(duì)重要性，其中包含兩個(gè)動(dòng)力因子（低層大氣相對(duì)渦度和大氣垂直風(fēng)切變）和兩個(gè)熱力因子（中層大氣相對(duì)濕度和TC 潛能最大強(qiáng)度）。Murakami等［18］新加入了大氣垂直速度，提出了一種改進(jìn)形式的GPI定義：

其中，η為850 hPa大氣絕對(duì)渦度（s－1）；RH為600 hPa大氣相對(duì)濕度（%）；Vpot為T(mén)C潛能最大強(qiáng)度（m·s－1）；Vs為大氣850 hPa與200 hPa之間垂直風(fēng)切變的大?。╩·s－1）；ω為500 hPa大氣垂直速度（Pa·s－1）。GPI的數(shù)值越大表示對(duì)應(yīng)的環(huán)境場(chǎng)越有利于TC的生成。

根據(jù)Camargo等［19］的方法，定量評(píng)估GPI中的某一個(gè)因子的單獨(dú)貢獻(xiàn)：在計(jì)算GPI時(shí)，僅保留這個(gè)因子的異常值，而將其他因子都取為氣候平均態(tài)的值，這樣計(jì)算得到的GPI被定義為GPI－RH、GPI－Vor、GPI－shear、GPI－PI和GPIOmega，分別表示大氣相對(duì)濕度、大氣渦度、大氣垂直風(fēng)切變、潛能強(qiáng)度和大氣垂直速度項(xiàng)的異常所帶來(lái)的對(duì)GPI異常的貢獻(xiàn)。將GPI中所有因子項(xiàng)都采用真實(shí)值計(jì)算的GPI被稱為GPI－total，里面包含了所有因子的異常對(duì)GPI異常的綜合貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)比GPI－total和僅保留其中一個(gè)因子（其余因子取為氣候平均值）計(jì)算得到的GPI，可以評(píng)估GPI中各個(gè)因子在其中所起的相對(duì)貢獻(xiàn)和重要性大小。這種分析方法也已經(jīng)在之前有關(guān)TC氣候變異的研究中被廣泛采用［20－22］。

2 結(jié)果與分析

在1990—2019年期間，平均每年7月份有3.9個(gè)TC在WNP生成，平均生成位置位于131.0°E，18.4°N，其中，7月份WNP TC生成個(gè)數(shù)最多的年份是2017年，有8個(gè)；7月份TC生成個(gè)數(shù)最少的年份出現(xiàn)在1998、1999、2003、2004、2008、2009和2010年，都是只有2個(gè)。然而，在2020年7月，WNP海域沒(méi)有TC生成，出現(xiàn)了“空臺(tái)”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在過(guò)去30年的7月份是沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的。

在1990—2019年期間，平均每年10月份有3.6個(gè)TC在WNP生成，平均生成位置位于143.9°E，13.8°N，其中，10月份WNP TC生成個(gè)數(shù)最多的年份是1992年，有7個(gè)；10月份WNP TC生成個(gè)數(shù)最少的年份出現(xiàn)在2011年，0個(gè)。在2020年10月，WNP海域有7個(gè)TC生成，達(dá)到了在過(guò)去30年中10月份TC生成數(shù)量的最大值。

通過(guò)計(jì)算GPI可以考察2020年7和10月與TC生成密切相關(guān)的環(huán)境場(chǎng)的異常特征。圖1顯示了2020年7和10月的GPI與GPI氣候平均值的差值。選取TC的主要生成區(qū)域?yàn)椋?20°E—155°E，10°N—25°N），在此區(qū)域計(jì)算相關(guān)物理量的區(qū)域平均值。7月份，30年氣候平均值的GPI在TC主要生成區(qū)域的平均值為6.00，2020年7月份GPI的區(qū)域平均值為2.95。2020年7月WNP TC主要生成區(qū)域的GPI比氣候平均值減少了50.8%，GPI數(shù)值的異常減少可以解釋TC活動(dòng)的異常偏少。在10月份，30年氣候平均值的GPI在TC主要生成區(qū)域的平均值為4.44，2020年10月份GPI的區(qū)域平均值為8.74。2020年10月份TC主要生成區(qū)域的GPI比氣候平均值增加了96.9%，這種GPI值的增強(qiáng)可以支持TC活動(dòng)的異常偏多。

圖1 2020年7月（a）和10月（b）的GPI與氣候平均的差值

通過(guò)對(duì)比GPI－total與單獨(dú)保留其中一個(gè)因子變化計(jì)算得到的GPI（GPI－Vor、GPI－RH、GPI－PI、GPI－shear和GPI－Omega）（圖2），可以考察GPI中的不同環(huán)境因子在其中的貢獻(xiàn)程度和相對(duì)重要性大小。計(jì)算結(jié)果表明中層大氣的相對(duì)濕度是造成2020年7和10月GPI異常的最大貢獻(xiàn)因子，結(jié)果突顯了大氣水汽含量對(duì)2020年7和10月WNP海域TC生成活動(dòng)異常的重要作用。

根據(jù)圖2a，2020年7月負(fù)的GPI異常的最大貢獻(xiàn)因子是中層大氣的相對(duì)濕度，此外大氣垂直速度和低層大氣相對(duì)渦度也能夠?qū)е翯PI的負(fù)異常。大氣垂直速度是負(fù)GPI異常的第2大貢獻(xiàn)因子。TC潛能強(qiáng)度和垂直風(fēng)切變引起的GPI異常是正值，表明2020年7月的局地SST和垂直風(fēng)切變可能對(duì)TC的影響是更有利于TC的生成，這兩個(gè)因子引起的GPI正異常在一定程度上抵消和減弱了由其他因子引起的GPI負(fù)異常。

根據(jù)圖2b，2020年10月正的GPI異常的最大貢獻(xiàn)因子也是來(lái)自中層大氣的相對(duì)濕度，大氣垂直速度同樣也是正GPI異常的第2大貢獻(xiàn)因子，其他3個(gè)因子引起的GPI的異常值相對(duì)較小，表明其他3個(gè)因子對(duì)TC生成的影響相比較大氣相對(duì)濕度和垂直速度來(lái)說(shuō)是比較弱的。

圖2 2020年7月（a）和10月（b）GPI各量與氣候平均GPI的差值在WNP TC主要生成區(qū)域的區(qū)域平均值

圖3進(jìn)一步展示了大氣中層相對(duì)濕度在2020年與氣候平均值的差異。在7月份，30年氣候平均的600 hPa相對(duì)濕度在TC主要生成區(qū)域的平均值為53.2%，2020年7月份對(duì)應(yīng)的600 hPa相對(duì)濕度區(qū)域平均值減小為44.2%。在10月份，30年氣候平均的600 hPa相對(duì)濕度在TC主要生成區(qū)域的平均值為45.4%，2020年10月份對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度區(qū)域平均值增加為54.1%。

圖3 2020年7月（a）和10月（b）與氣候平均的600 hPa相對(duì)濕度的差值（填色，%）、SH范圍（實(shí)線）和MT位置（虛線）的對(duì)比

大氣中層的水汽含量與大氣垂直速度也是密切聯(lián)系的，大氣上升（下沉）運(yùn)動(dòng)異常將增強(qiáng)（減弱）低層大氣水汽的向上輸運(yùn)，從而引起大氣中層相對(duì)濕度的增加（減?。?。大氣中層水汽含量和垂直速度的異?？赡苁艿絎NP副熱帶高壓（Subtropical High，SH）和季風(fēng)槽狀態(tài)的顯著影響。本研究利用500 hPa 588 dagpm的等位勢(shì)高度線來(lái)大體表征WNP SH的控制范圍。根據(jù)Hu等［20］，利用850 hPa大氣風(fēng)場(chǎng)相對(duì)渦度的4×10－6s－1等值線來(lái)表征季風(fēng)槽（Monsoon Trough，MT）的大致范圍。根據(jù)圖3a可知，2020年7月的SH相比較氣候平均態(tài)出現(xiàn)顯著的偏西和偏強(qiáng)，同時(shí)伴隨著MT的范圍明顯縮小和減弱。在異常偏強(qiáng)的SH的控制下，WNP海域的中層大氣水汽含量和相對(duì)濕度將出現(xiàn)異常偏小，大氣對(duì)流活動(dòng)和TC生成將受到抑制，從而出現(xiàn)TC生成數(shù)量的異常偏少。2020年10月，在SH外圍南側(cè)可以觀測(cè)到中層大氣相對(duì)濕度的顯著增加（圖3b）。10月份WNP海域TC的平均生成緯度相比較7月份出現(xiàn)顯著南移，10月份TC的平均生成緯度大約位于13.8°N，這一位置也大致位于SH的外圍南側(cè)。因此，2020年10月WNPSH南側(cè)的大氣相對(duì)濕度的增加能夠?yàn)門(mén)C的生成提供更有利的環(huán)境，從而導(dǎo)致2020年10月TC生成數(shù)量的異常偏多。

此外，熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩（Madden－Julian Oscillation，MJO）的位相異常也可能是造成2020年7和10月TC生成數(shù)量異常的重要影響因素。根據(jù)Zhao等［24］的研究，MJO的位相也會(huì)對(duì)WNP的TC生成產(chǎn)生重要的影響：MJO位相4、5、6、7更有利于WNP的TC生成，而MJO位相8、1、2、3則不利于WNP海域的TC的生成。本研究發(fā)現(xiàn)2020年7和10月的MJO位相也出現(xiàn)顯著的異常，2020年7月MJO位相主要集中在位相1和位相2，而2020年10月MJO位相主要集中在位相5。2020年7月（10月）的MJO位相的這些異常特征也可以解釋W(xué)NP TC生成數(shù)量的異常偏少（偏多）。在2020年7和10月MJO位相出現(xiàn)異常的物理原因及其對(duì)WNP TC生成活動(dòng)異常的影響，還需要在今后開(kāi)展更深入的研究工作。

3 結(jié)論

2020年7月WNP海域TC生成數(shù)量異常偏少，而2020年10月的TC生成數(shù)量異常偏多。本研究分析了2020年7和10月WNP海域TC GPI的異常特征。2020年7月WNP TC主要生成區(qū)域的GPI比氣候平均值減少了50.8%，2020年10月WNP TC主要生成區(qū)域的GPI比氣候平均值增加了96.9%，這些GPI的異常可以用來(lái)解釋W(xué)NP海域TC生成活動(dòng)的異常。通過(guò)定量比較GPI中各個(gè)環(huán)境因子的相對(duì)貢獻(xiàn)大小，發(fā)現(xiàn)中層大氣的相對(duì)濕度是造成2020年7月和10月GPI異常的最大貢獻(xiàn)因子，結(jié)果突顯了大氣水汽含量對(duì)2020年7和10月WNP海域TC生成活動(dòng)異常的重要作用。

2020年7月和10月的WNP海域TC生成數(shù)量?jī)A向反位相的異常，這也表明在不同的季節(jié)WNP海域TC的氣候變異特征可能具有顯著的差異［25－26］。不同季節(jié)的WNP海域TC的氣候變異過(guò)程和機(jī)制還需要在未來(lái)開(kāi)展更進(jìn)一步的研究工作。