关于西北太平洋季风槽年际和年代际变异及其对热带气旋生成影响和机理的研究

总结和综述近年来中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,关于西北太平洋季风槽的年际和年代际变异及其对热带气旋和台风(TCs)生成的影响和机理的气候学研究进展,并综述一些有关的国内外研究。给出了夏、秋季西北太平洋季风槽的气候特征以及利于TCs生成的四类季风槽环流型,表明了西北太平洋季风槽强度和位置有明显的年际和年代际变异。特别是揭示了西北太平洋季风槽的年际和年代际变异不仅通过影响西北太平洋上空对流层低层气流的涡度和对流层高层的散度、对流层中、下层的水汽以及对流层上下层风场的垂直切变等利于TCs生成的大尺度环境因子的分布而影响TCs的生成,而且通过对热带对流耦合波动的转化和提供扰动能量而对TCs生成起着重要的动力作用。还指出今后有关西北太平洋季风槽和TCs活动一些亟需进一步研究的气候学问题。     

南海-西北太平洋季风槽强度的变化特征及其与热带气旋活动的关系

利用1979—2005年NCEP/DOE AMIP-Ⅱ再分析逐日平均资料,根据西北太平洋季风槽的特点,研制了能较好表征季风槽活动的强度指数和位置指数,并分三段描述不同区域季风槽的活动特征及其对生成于南海-西北太平洋季风槽的热带气旋（MTTC）活动的影响,结果表明：（1） 季风槽强度指数和位置指数呈正相关关系,季风槽强度越强,其位置越偏北。（2） 季风槽强度存在明显的年际变化,1994年前以4～5年的变化周期较为显著,1994年后2～3年的周期较明显。（3） 不同区域季风槽强度的影响因子不同。前期海温场的异常将导致大气环流异常,致使不同区域的季风槽强度异常。（4） 季风槽强度与MTTC频数异常密切相关,3个不同区域的季风槽以南海季风槽强度与MTTC频数异常的关系最为密切。MTTC异常偏少年大多出现在季风槽总体偏弱,各区域季风槽也偏弱的年份;MTTC异常偏多年可能出现在季风槽偏强的年份,也可能出现在季风槽总体偏弱但南海季风槽偏强的年份,且后者出现的概率更大一些。（5） 季风槽强度的季节内变化能为TC的生成和发展提供有利条件,季风槽同时处于30～60天振荡和准双周10～20天振荡的活跃期时,有利于MTTC的生成。     

1991年西北太平洋的热带气旋

本文分析了1991年西北太平洋地区热带气旋的发生情况、强度变化和路径特点。认为近海北上路径少和无登陆北上路径,登陆热带气旋少和登陆的时空分布相对集中,近海强度和速度多变以及近海异常路径偏多,是本年度西北太平洋热带气旋活动的主要特点。     

1995年西北太平洋和南海热带气旋概述

1活动概况和主要特征1．1生成个数少1995年在西北太平洋（含南海）共产生热带气旋24个，23个达到编号标准；仅一个热带低压，比常年平均数显著偏少，是近45年来最少的年份之一（195年生成编号热带气旋20个）。台风占全年编号数的比例比正常偏少22％。表11995年热带气性发生激与历年平均比较1．2生成时间集中第一个热带气旋出现在《月底，最末一个结束于12月31日。l、2、3、5月份无热带气旋生成；8、9、10月为热带气旋多发期，分别为6个、5个和6个，达到历年同期高峰值，占全平年数的74％。其中10月份比历年平均值多2个；6、7、11月份比历年…     

MJO与西北太平洋热带气旋活动的关系及其年代际变化

利用澳大利亚气象局RMM指数(Real-time Multivariate MJO Index)和美国联合预警中心(Joint Typhoon Warming Center)的最佳台风路径资料以及NCEP/NCAR逐日和逐月平均的再分析资料,分析研究西北太平洋热带气旋(TC)的年代际变化及其与MJO之间的关系。结果表明,相比1979—1997年时段,1998—2010年时段的西北太平洋TC生成频数发生显著减少的改变,且TC频数减少主要出现在MJO活跃位相(4、5、6、7位相)中。通过对1979—1997年和1998—2010年两个时段的气候背景与MJO传播进程比较分析发现,1998—2010年时段TC频数显著降低,主要由于赤道太平洋海表温度La Ni?a型的冷却,导致该时段Walker环流增强,从而使得西北太平洋地区产生底层东风异常、负相对涡度增加、海平面气压升高、垂直风切变加大等抑制TC生成的大尺度环流条件。同时,在此气候背景下的MJO周期缩短、活跃持续日数减少、部分活跃位相低频风场出现东风异常和对流活跃面积收缩,也可能进一步导致TC频数在上述两个时段的较大差异。      

2007年西北太平洋热带气旋活动综述

利用热带气旋年鉴、海温和大气环流再分析资料,分析2007年西北太平洋(包括南海)的风暴级以上热带气旋(简称TC)活动状况及海-气条件.结果表明,相对于气候平均值,2007年西北太平洋TC活动的季节峰期推后了约2个月,源地明显偏北,生成点纬度发生了2次明显跃变,年度TC的总体活动较弱,但个体的强度较强,路径以西北行为主,登陆比例偏大.影响上述TC活动特征的一个重要原因是年内ENSO循环的位相使得上半年的大气环流不利因素居多,而下半年大尺度上升运动、热带辐合带均较强,副高偏北、局地垂直风切变较小和对流层低层较强的扰动活动等条件,也十分有利热带气旋活动.     

西北太平洋热带气旋的年际和年代际变化及其与南亚高压的关系

利用1949～1996年48年西北太平洋热带气旋(TC)的年个数资料和1958～1997年40年南亚高压(SAH)特征参数的月平均资料，讨论了西北太平洋TC年个数的年际、年代际变化、年个数周期和周期能量等特点及其与SAH特征参数的关系和异常TC年前期SAH环流场和100 hPa高度场的特征。结果表明，西北太平洋TC具有明显的年际和年代际变化，前期SAH对当年TC频数有一定影响，SAH中心位置偏北、偏西，中心强度偏弱时，当年TC偏多，反之，当年TC偏少。     

热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进

本研究评估了现有热带气旋(Tropical Cyclone,TC)潜在生成指数(Genesis Potential Indice,GPI)对北大西洋和西北太平洋热带气旋生成频数(TC Genesis Frequency,TCGF)时空特征的表征能力。结果表明,现阶段使用的GPIs能较好地再现两个海盆TCGF的空间分布和季节循环特征,以及北大西洋TCGF的年际变化,但几乎不能模拟西太平洋TCGF年际时间尺度上的变化。利用美国联合飓风警报中心(Joint Typhoon Warming Center,JTWC)提供的1979—2017年热带气旋最佳路径数据集和ERA-Interim再分析数据,对西北太平洋GPI进行了改进。考虑到相对涡度在西北太平洋对热带气旋生成的重要作用,将绝对涡度分离为相对涡度和地转涡度(f),移除相对湿度,使用多元线性回归的方法构建了GPI_WNP。与现有GPIs相比,改进后的GPI_WNP不仅对西北太平洋TCGF的空间分布和季节循环有较好的模拟能力,并且可以再现其年际变化特征。     

西北太平洋季风槽的季节和年际变化特征及其与热带气旋生成大尺度环境因子的联系

利用ERA-Interim再分析资料分析了夏秋季西北太平洋季风槽的气候特征以及季节和年际变化特征及其对西北太平洋热带气旋和台风(TCs)生成大尺度环境因子的影响。研究结果表明了西北太平洋季风槽有很明显的季节变化,在6~7月,季风槽和强对流活动区在5°N~15°N的南海和西北太平洋西侧上空,并逐渐东伸;到了8~9月,季风槽和强对流活动区向北移动、并向东扩展,一般位于10°N~20°N的南海和西北太平洋西侧、中部上空,有的年份可东伸到西北太平洋东侧,强度加强;到了10~11月,季风槽迅速减弱,并成为涡旋,强对流活动区也向南移和向西收缩。同时,研究还表明了西北太平洋季风槽有明显的年际变化。在季风槽强的年份,季风槽和强对流活动区可以从南海经西北太平洋西侧和中部东伸到西北太平洋的东侧上空;而在季风槽弱的年份,季风槽和强对流活动区主要位于南海和西北太平洋西侧和中部上空,季风槽强度的年际变化对它的季节变化也有重要影响。此外,研究还表明了随着季风槽的季节和年际变化,西北太平洋TCs生成的大尺度环境因子分布也发生很明显的变化。     

2004年西北太平洋和南海地区的热带气旋活动规律

21世纪以来,前几年在西北太平洋和南海地区发生和发展的热带气旋均为20个左右。而2004年竞达30个,是近几年来该地区热带气旋出现最多的一年,且大多集中在西北太平洋地区,在南海产生和发展的热带气旋较少、强度也较弱,在华南登陆的热带气旋相对较少,从而造成了我国海南、广东、广西等地夏秋两季的严重干旱。该文从热带气旋的发源地、移动路径、活动特征等方面对2004年西北太平洋和南海地区的热带气旋进行了分析。     

西太平洋暖池对西北太平洋季风槽和台风活动影响过程及其机理的最近研究进展

本文回顾和综述了近年来关于西太平洋暖池对西北太平洋热带气旋和台风（TCs）活动影响过程及其机理的研究进展。文中首先简单回顾了近年来关于西太平洋暖池热状态和菲律宾周围对流活动变化特征及其对与TCs活动有关的南海夏季风爆发和西太平洋副热带高压的季节内、年际变异的影响过程和机理的研究;然后,本文系统地回顾了近年来关于西太平洋暖池热状态通过西北太平洋季风槽影响TCs活动年际和年代际变化的影响过程及其机理的研究。此外,文中还指出了关于西太平洋暖池对西北太平洋上空季风槽和TCs活动变异的热力和动力作用需进一步深入研究的科学问题。     

2010年西北太平洋与南海热带气旋活动异常的成因分析

利用中国气象局热带气旋（TC）资料、NCEP/NCAR 再分析资料和美国 NOAA 向外长波辐射（OLR）等资料,分析了2010年西北太平洋（WNP）及南海（SCS）热带气旋活动异常的可能成因,讨论了同期大气环流配置和海温外强迫对TC生成和登陆的动力和热力条件的影响。结果表明,2010年生成TC频数明显偏少,生成源地显著偏西,而登陆TC频数与常年持平。导致7～10月TC频数明显偏少的大尺度环境场特征为：副热带高压较常年异常偏强、西伸脊点偏西,季风槽位置异常偏西,弱垂直风切变带位置也较常年偏西且范围偏小,南亚高压异常偏强,贝加尔湖附近对流层低高层均为反气旋距平环流,这些关键环流因子的特征和配置都不利于 TC 在WNP的东部生成。影响TC活动的外强迫场特征为：2010年热带太平洋经历了El Ni?o事件于春末夏初消亡、La Ni?a事件于7月形成的转换;7～10月,WNP海表温度维持正距平,140°E以东为负距平且对流活动受到抑制;暖池次表层海温异常偏暖,对应上空850 hPa为东风距平,有利于季风槽偏西和TC在WNP的西北侧海域生成。WNP海表温度和暖池次表层海温的特征是2010年TC生成频数偏少、生成源地异常偏西的重要外强迫信号。有利于7～10月热带气旋西行和登陆的500 hPa风场特征为：北太平洋为反气旋环流距平,其南侧为东风异常,该东风异常南缘可到25°N,并向西扩展至中国大陆地区;南海和西北太平洋地区15°N以南的低纬也为东风异常;在这样的风场分布型下,TC容易受偏东气流引导西行并登陆我国沿海地区。这是2010年生成TC偏少但登陆TC并不少的重要环流条件。     

Tropical cyclone genesis frequency over the western North Pacific simulated in medium-resolution coupled general circulation models

This study examines the tropical cyclone (TC) genesis frequency over the western North Pacific simulated in atmosphere–ocean coupled general circulation models from the World Climate Research Programme’s Coupled Model Intercomparison Project phase 3. We first evaluate performances of eight models with atmospheric horizontal resolution of T63 or T106 by analyzing their daily-mean atmospheric outputs of twentieth-century climate simulations available from the Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison database. The genesis frequency is validated against the best-track data issued by the Japan Meteorological Agency. Five of the eight models reproduce realistic horizontal distribution of the TC genesis with a large fraction over the 10°–20°N, 120°–150°E area. These five high-performance models also realistically simulate the summer–winter contrast of the frequency. However, detailed seasonal march is slightly unrealistic; four of the models overestimate the frequency in the early season (May–June) while all of them underestimate the frequency in the mature season (July–September). Reasons for these biases in the seasonal march for the five high-performance models are discussed using the TC genesis potential (GP) index proposed by Emanuel and Nolan (in Am Meteor Soc, pp 240–241, 2004). The simulated GP has seasonal biases consistent with those of the TC genesis frequency. For all five models, the seasonal biases in GP are consistent with those in environmental lower-tropospheric vorticity, vertical wind shear, and relative humidity, which can be attributed to the simulated behavior of monsoon trough. The observed trough migrates northward from the equatorial region to reach the 10°–20°N latitudinal band during the mature season and contributes to the TC frequency maximum, whereas the simulated trough migrates northward too rapidly and reaches this latitude band in the early season, leading to the overestimation of the TC genesis frequency. In the mature season, the simulated trough reaches as far as 15°–25°N, accompanied by a strong vertical shear south of the trough, providing an unfavorable condition for TC genesis. It is concluded that an adequate simulation of the monsoon trough behavior is essential for a better reproduction of the TC frequency seasonal march.     

热带大气季节内振荡与西北太平洋热带气旋活动的季节预测:统计事实研究

应用NOAA气候预测中心提供的热带大气季节内振荡(MJO)客观业务指数及中国气象局上海台风研究所提供的西北太平洋热带气旋(TC)最佳路径资料集,定量统计榆验了MJO对夏季西北太平洋TC活动的调制作用.结果表明:MJO对TC的生成、强度、路径和登陆活动都有显著的调节作用.当高空辐合中心位于120°E～160°E(MJO位相3～5)时,西北太平洋TC生成偏少,且生成位置偏北;而当高空辐合中心位于10°W～70°E(MJO位相8～10)时,西北太平洋TC生成偏多,且生成位置偏南;随着TC强度加强,能达到显著调节作用的MJO位相逐渐减少,当高空辐合辐散中心位于70°E(MJO位相10)时,对TC强度调制最显著.在路径调节方面,MJO位相1～4和10时,TC活跃于菲律宾以东的西北太平洋上,主要路径为西北偏北行,可能登陆华东、华北;而位相5～8时,TC主要活跃在菲律宾附近及以西到南海,以偏西行路径为主,可能登陆华南.MJO对登陆华南TC也有显著影响.该定量统计检验结果可为TC活动季节内预测提供依据.     

西北太平洋大气准双周振荡对热带气旋活动的影响

利用JRA逐日风场资料、 NOAA/NCEP的逐日OLR场资料以及美国联合台风预报中心的热带气旋 (TC) 数据, 通过对西北太平洋 (WNP) 上空10～20天大气准双周振荡 (QBWO) 不同位相的划分, 深入分析了QBWO对WNP区域生成TC的调制作用。研究结果表明: 在西北太平洋准双周尺度上, 对流与纬向风表现出沿热带地区向西偏北传播的特性。不同位相合成的季风槽位置和强度也发生相应的改变, 由此可见, QBWO是WNP上空季风槽季内变化的重要影响因子。当处于位相1、 4时, WNP生成TC的概率较低, 且登陆我国TC的数量也较少; 当处于位相2、 3时, WNP发生TC的概率较高, 特别是处于位相3时, 不仅TC发生概率最高, 而且登陆我国的TC数量也最多。沿热带地区西传的天气尺度波动 (周期10天以下) 在WNP通过季风槽的纬向风辐合作用, 易于转变为波数较大、 波长较短的热带低压 (TD) 型扰动, 这种扰动在季风槽区通过能量的转换有利于发展成为TC。     

两类El Niño型对西北太平洋季风槽及热带气旋生成的可能影响

通过对1948~2015年不同El Ni?o事件下西北太平洋季风槽变化和热带气旋(tropical cyclone,TC)生成进行分析,初步探讨了不同El Ni?o型事件对季风槽及其对TC的可能影响。分析结果表明,较东太平洋增暖(eastern Pacific warming,EPW)年,中太平洋增暖(central Pacific warming,CPW)年季风槽偏弱,位置相对偏西、偏北。在CPW年,中(西和东)太平洋海温增暖(降低)引起了从中到西太平洋热带地区的西风异常和中太平洋地区上升运动及对流活动加强,使得季风槽加强东伸,同时西太平洋副高偏弱、偏北,季风槽向北推进;而在EPW年,赤道东(西)太平洋海温增暖(降低)使得赤道地区西风异常显著加强东扩,异常Walker环流的上升支东移至东太平洋,季风活动加强,副高偏强、偏南,这使得季风槽较CPW年相比更强、更偏东。利于TC生成的大尺度环境因子随季风槽强度和位置的变化而发生改变,在CPW年,低层气旋性涡度、高层辐散、高的中层相对湿度以及低垂直风切变区随着季风槽向北移动;而在EPW年,这些因子随季风槽向南、向东偏移。这些大尺度环境因子的变化使得西北太平洋TC生成的位置在CPW年比EPW年更加偏北、偏西。     

1949—2009年西北太平洋热带气旋气候特征

利用1949—2009年中国气象局热带气旋（TC:Tropical Cyclone）最佳路径数据集,对西北太平洋TC生成源地的时空分布、生成和登陆我国TC的年、月频数分布、强度分布和地理分布等气候特征进行统计分析。研究结果表明：在这61年中生成的TC呈减少趋势,登陆我国的TC数量比较稳定,不过近10年来登陆的较强TC数量却呈现出上升趋势;每年6—10月是TC高发期,强度等级越高的TC生成季节越偏晚,而8月是生成和登陆数量最多的月份;TC平均生命期随强度等级的增加而增大,且逐渐表现出单峰值分布特征;TC频数的地理分布以我国南海和菲律宾以东洋面为中心,向四周呈辐射状减少,近10年来其活动范围有所西伸加强。     

西北太平洋与南海热带气旋活动季节变化的差异及可能原因

利用1945~2011年美国联合台风预警中心(JTWC)西北太平洋热带气旋资料,研究了南海(5°N~25°N,110°E~120°E)与西北太平洋(5°N~25°N,120°E~180°)热带气旋生成位置、生成频数、强度和持续时间的季节变化差异及其成因。从热带气旋路径穿越经度带频数的角度,探讨了ENSO对气旋活动年际变化的影响。结果表明,南海热带气旋活动显著地受季风调控。在南海冬季风作用下,1~4月热带气旋生成于10°N以南且频数较少、强度较弱,这主要是低层气旋式相对涡度和弱东风切变区偏南造成的。相反,受夏季风影响,6~9月是热带气旋生成最多、最频繁的季节,大都生成于南海北部17°N附近。在5月(10月)的季节转换期,生成位置大幅度北进(南撤)且生成频数显著增加(减少),取决于风速垂直切变及中层的相对湿度的急剧转变。11、12月两海域热带气旋生成于10°N以南主要归因于其上空中层大气相对湿度较北部偏大。在西北太平洋,热带气旋生成的季节变化没有南海显著,只在7月有一次明显的变化,7~10月是热带气旋活动的"盛期"。在强度上,西北太平洋大部分区域全年均为弱东风切变,因此热带气旋以台风为主且持续时间长;但南海多为热带风暴。ENSO事件使得不同季节热带气旋生成区域和气旋路径地理位置发生显著变化。在El Nio事件期间,穿越南海所在经度带路径频数为负距平,而西北太平洋经度带为正距平;在La Nia事件期间,情况相反。     

利用人工神经网络模型预测西北太平洋热带气旋生成频数

通过对60年(1950~2009年)北半球夏、秋季(6~10月)热带气旋(TC)频数与春季(3~5月)大尺度环境变量的相关分析,挑选出8个相关性较高的前期预报因子建立人工神经网络(ANN)模型,对2010~2017年8年夏、秋季TC频数进行回报,并将回报结果与传统多元线性回归(MLR)方法所得结果进行对比分析。结果表明,ANN模型对60年历史数据的拟合精度高,相关系数高达0.99,平均绝对误差低至0.77。在8年回报中,ANN模型相关系数为0.80,平均绝对误差为1.97;而MLR模型相关系数仅为0.46,平均绝对误差为3.30。ANN模型在历史数据拟合和回报中的表现都明显优于MLR模型,未来可考虑应用于实际的业务预测中。