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)嶒炇遥?.海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島266100；3.91458部隊氣象臺，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、暴雨、巨浪、風暴潮等災(zāi)害，以及泥石流等次生災(zāi)害，這對人們的生產(chǎn)生活及軍事行動等帶來了嚴重的影響，也對工農(nóng)漁等行業(yè)造成了巨大的損失，已經(jīng)成為世界上最嚴重的自然災(zāi)害之一。因此，對此研究不僅可以加深對熱帶氣旋的了解，還對沿海的防臺抗臺，提供必要的理論支持和指導(dǎo)。

熱帶氣旋一般用中心風速或氣壓表示其強度大小。單一的風速或氣壓只能表示某一時刻熱帶氣旋的強度，而不能表征整個生命過程中熱帶氣旋強弱。Bell等[1]定義了1個表示熱帶氣旋強度的指數(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從風速和觀測頻數(shù)上描述熱帶氣旋的強弱，具有更好的表達效果。

對于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，相對渦度，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大尺度環(huán)境的影響。Chan[4]分析了熱帶氣旋強度年際變化的成因，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。

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

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

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風網(wǎng)（www.typhoon.gov.cn）“CMA－STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”，時間是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個時次，分別為00，06，12和18時[8]。其內(nèi)容包含時間、強度標記、經(jīng)緯度、近中心最大風速、中心氣壓等因素。本文研究近中心風速最大值大于17.2m/s的熱帶氣旋。

風場和位勢高度場是來源于美國國家環(huán)境預(yù)報中心 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（°），時間為1953年1月～2011年12月。位勢高度場和風場為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：達到熱帶風暴或以上等級的熱帶氣旋，當其位于熱帶風暴狀態(tài)或颶風狀態(tài)時，每6h一次觀測的最大風速平方的累積之和。本文ACE定義為：以月為觀測值的累積時間段，計算當最大風速大于等于17.2m/s時的熱帶氣旋的風速平方的累積之和，即

式中：m表示某月發(fā)生最大風速大于等于17.2m/s時的熱帶氣旋個數(shù)；n表示1個熱帶氣旋中，大于等于17.2m/s風速的觀測數(shù)；u為風速。

2 ACE的季節(jié)變化

圖1給出了依次取風速大于等于17.2，24.5，32.7，41.5，51.0m/s 5種不同風速閾值的 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，當取風速大于等于17.2和24.5m/s時，8月ACE最大。當取風速大于等于32.7m/s以上時，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的方差貢獻看（見圖2），當取風速大于等于17.2和24.5m/s時，8月方差貢獻最大。當取風速大于等于32.7m/s以上時，9月份方差貢獻最大。而以上5種閾值的8、9月的方差貢獻之和占各自總貢獻的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個風速段的 ACE的季節(jié)分布可知，前4個風速段8月份ACE最大。風速大于51.0m/s時，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

不同閾值風速的ACE季節(jié)變化結(jié)果表明，以最大風速大于等于17.2m/s為閾值的ACE，與取更高風速閾值的ACE相比，具有相同的特征。取17.2m/s為閾值，既達到了熱帶風暴以上等級，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為風速閾值計算ACE。

以上分析可知，以不同的風速閾值計算的ACE及其方差貢獻，最大值都發(fā)生在8或9月，不同風速段ACE的最大值月也是8或9月。另外統(tǒng)計結(jié)果表明，不同強度熱帶氣旋頻數(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的時間序列。從7年平滑結(jié)果（實圓點線）可以看出，1953—1971年ACE較高，之后ACE較低。但仔細分析，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t檢驗結(jié)果顯示（見圖4），1950年代末以后，ACE強度存在2次通過α＝0.05的顯著性檢驗的突變，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t檢驗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)計每個網(wǎng)格內(nèi)生成熱帶風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170°E），1998—2008低值期（見圖5c）次之，76～86過渡期（見圖5b）范圍最小（主要是20°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)相對偏西偏北。

3個時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)，以及風速達到和超過17.2m/s的持續(xù)時間累加值（表1中括號內(nèi)數(shù)值，單位為h）?？芍⒉皇歉黝悷釒эL暴以上熱帶氣旋數(shù)都隨年代減少，其中熱帶風暴（TS）和強臺風（STY）在98～08低值期反而較57～67高值期增多，分別是24/17（累加時間1 014h/456h）和23/14（累加時間4 200h/2 058h），但是強熱帶風暴（STS）、臺風（TY）和超強臺風（SuperTY）頻數(shù)的減少，特別是超強臺風的巨大差異（42/16，累加時間7 536h/3 150h），使得98～08低值期的ACE遠小于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應(yīng)（見圖6）：57～67高值期副高最弱，850hPa的1 500位勢高度線局限于10°N 以北，135°E以東；98～08低值期副高最強、面積最大，1 500位勢高度線西伸北擴；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，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

初始擾動是熱帶氣旋形成的1個必要條件，而渦度則是表示擾動大小的1個物理量[11]。渦度越大，上升氣流越強，擾動就越強，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，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 垂直風切變

高低空垂直風切變對于熱帶氣旋的形成和發(fā)展具有重要作用[12]。前人分析認為，低于12.5m/s的垂直風切變有利于熱帶氣旋的形成[12－14]，而有人則認為是8～10m/s是一個閾值[15]。一般認為垂直風切變越小，越有利于熱帶氣旋的形成。

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切變的年代際變化，其計算公式為：

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

垂直風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)垂直風切變較大，這時期低于6m/s的最小垂直風切變區(qū)域偏西偏北。所以這種最小垂直風切變區(qū)年代際變化特性，可能是57～67高值期超強臺風（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過程中可經(jīng)歷更長的暖洋面，有利于成長為強熱帶氣旋，從而使ACE變大。而98～08低值期該區(qū)大部分為負異常和較小的正異常（見圖9c），所以這時期不利于強熱帶氣旋生成。但是低緯度偏西洋面98～08低值期有更多的SST正異常區(qū)，這可能是這個時期熱帶風暴（TS）和強臺風（STY）較多的原因之一。

圖8 垂直風切變場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)測強熱帶氣旋變異的重要途徑。

6 結(jié)論

本文中選用17.2m/s風速閾值計算熱帶氣旋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。其中強熱帶風暴（STS）、臺風（TY）和超強臺風（Super－TY），特別是超強臺風是西北太平洋熱帶氣旋ACE年代際變化的決定成分。熱帶風暴（TS）和強臺風（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，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，并且最大值中心偏東接近160°E。

（5）垂直風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，可能是此時期超強臺風（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，有利于超強臺風（SuperTY）的生成和成長。

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