2020, Vol. 36
西北太平洋(Western North Pacific，WNP)是地球上热带气旋(Tropical Cyclone，TC)最活跃的区域，每年全球有近三分之一的TC发生在此海域[1]。厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-South Oscillation，ENSO)是一种热带海气耦合年际信号，可通过改变垂直风切变、海表温度、Walker环流、季风槽等系统，影响西北太平洋TC活动，为西北太平洋TC季节性预测提供重要依据[2-5]。
ENSO对西北太平洋TC频数空间分布有着显著的影响。在El Niño(La Niña)年TC频数在西北太平洋东南(西北)象限显著增加，TC强度与生命史增强(减弱) [3, 6-7]。ENSO事件不同阶段对TC活动也有重要的影响。强El Niño发展期登陆中国华南沿岸的TC偏少，La Niña发展期登陆TC偏多[8]。2015年西北太平洋热带气旋平均生成位置破纪录地向东南移动也印证了上述结论[9]。谢佩妍等[10]发现El Niño发展年受到副高偏西影响，TC路径多在我国近海转向而El Niño衰减年TC多生成于WNP西部，以西移路径为主。
ENSO对于西北太平洋TC频数影响的机理研究也取得了很多进展。TC频数分布与ENSO导致的垂直风切变、Walker环流、中层相对湿度、季风槽和副热带高压强度与位置的变化有关[2]。例如，Chan等[11]认为在ENSO暖位相Walker环流异常上升支东移至赤道中太平洋区域，使得东南象限TC频数增加，异常下沉支位于西北太平洋西侧，加强东风异常，季风槽减弱，抑制了西侧TC生成。El Niño衰减年热带太平洋上空最明显的环流异常特征是西北太平洋异常反气旋(Western North Pacific Anomalous Anticyclone，WNPAC) [12]。WNPAC维持的原因包括西太平洋局地海温负异常及印度洋海盆一致模(India Ocean Basin Mode，IOBM) [13]等。El Niño衰减年IOBM持续到夏季，成为WNPAC维持的主要因素[14-15]。WNPAC导致异常下沉运动，使低层相对涡度减小，水汽辐散，对流活动减弱，抑制西北太平洋TC生成[16-17]。
海表温度、垂直风切变、低层涡度、中层相对湿度等是影响TC生成气候特征的环境要素。Emanuel和Nolan综合各环境要素，提出了潜在生成指数(Genesis Potential Index，GPI)，与西北太平洋TC生成在气候尺度上有很好的对应关系[18-20]。Camago的研究[21]指出，GPI也能较好描述ENSO对TC生成年际变率的影响。Yanase等[22]分析了孟加拉湾TC生成环境场，并讨论了GPI中各因子对于TC生成的作用。Li等[23]定量诊断了GPI中各因子的贡献。Yu等[24]分析了北大西洋海表温度异常对西北太平洋TC生成的影响，并定量给出造成影响的主要因子。环境要素对西北太平洋TC生成造成的影响，国内学者已取得不少研究成果[25-27]。
ENSO发展年与衰减年西北太平洋TC频数与TC生成的环境场有什么特征？各个环境要素对TC频数影响有多大？本研究希望通过对比ENSO发展年与衰减年西北太平洋TC生成频数特征，分析ENSO发展年与衰减年TC频数与GPI空间分布异常的关系，并定量诊断各环境要素对GPI异常的贡献，从而提高ENSO发展年与衰减年西北太平洋TC生成频数年际变率的认识。
2 资料和方法 2.1 资料说明哈德来中心1971—2017年1 °×1 °海表面温度月平均资料(HadISST1) [28]用于计算太平洋海表面温度异常(SSTA)及Niño 3.4指数。
西北太平洋热带气旋路径资料使用中国气象局上海台风研究所整编的每6 h定位时次的TC最佳路径数据集(tcdata.typhoon.org.cn) [29]。将TC生命史最大强度不小于热带风暴级别(近中心最大风速为17.2 m/s)定义为一次TC频数，其第一次达到热带风暴的位置即为TC生成位置。将位于西北太平洋100 °E~180 °，5~35 °N的TC生成位置，内插到10 °×10 °网格，计算每一个网格内TC生成频数(Tropical Cyclone Genesis Frequency，TCGF) [30]。
GPI计算时，1971—1978年数据使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析资料[31]，1979—2017年数据使用ERA Interim再分析资料[32]，水平分辨率为1 °×1 °。
1971—2017年的6—8月为本研究的时段。6 —8月是传统意义上的夏季，也是TC最活跃的季节，影响TC生成的WNP环境场可能与前冬ENSO有关联。气候态时段为1971—2017年，异常为对该气候态的偏离。
2.2 主要方法 2.2.1 ENSO事件与ENSO发展年、衰减年的定义本文利用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)对Niño3.4指数的定义：即Niño 3.4区(170~120 °W，5 °N~5 °S)海表温度异常3个月滑动平均值[33]。当Niño3.4指数连续5个月大于等于0.5 ℃(小于等于-0.5 ℃)，且峰值强度大于1.0 ℃时认为是一次El Niño(La Niña)事件。
计算Niño3.4指数得到图 1，根据上述方法得到1971—2017年El Niño事件有1972—1973年、1982—1983年、1986—1988年、1991—1992年、1994—1995年、1997—1998年、2002—2003年、2009—2010年、2014—2016年，La Niña事件有1970—1972年、1973—1974年、1974—1976年、1984—1985年、1988—1989年、1995—1996年、1998—2001年、2007—2008年、2010—2011年、2011—2012年、2017—2018年。
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图 1 1971—2017年各月Niño3.4指数 黑色柱形为当年夏季(6—8月)。 |
判断ENSO事件期间，夏季(6—8月)处于Niño3.4指数峰值(最大值)发生之前或之后。若夏季处于El Niño事件峰值之前，则当年即为El Niño发展年，反之夏季处于峰值之后，则当年即为El Niño衰减年。对于持续时间超过两年的ENSO事件，判断发展年与衰减年时仅考虑峰值事件相邻的两年。例如，2014—2016年的El Niño事件中，Niño3.4指数在2015年12月达到峰值，2015年6—8月即处于El Niño发展年，2016年6—8月处于El Niño衰减年，2014年6—8月不考虑为El Niño发展年。根据此判断标准，可得到1971— 2017年ENSO发展年与衰减年(表 1)。特别地，对于2010—2011年、2011—2012年La Niña事件中，2011年夏季更接近第二次La Niña事件Niño3.4峰值发生时间，因而将2011年夏季判断为La Niña发展年，2012年夏季判断为La Niña衰减年。表 1可见El Niño发展年和衰减年都为9年。受到研究数据时长限制，La Niña发展年为10年，衰减年为9年。
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表 1 1971—2017年ENSO发展年与衰减年 |
强El Niño事件发生后经常伴随着La Niña事件，所以La Niña发展年与El Niño衰减年多存在重合的年份(表 1)。因而，La Niña发展年还可细分为前冬为El Niño年，之后发展成为La Niña年(1973、1988、1995、2010年)；前冬海温无异常，之后发展为La Niña年(1975、1984、1999、2007、2011、2017年)。前者环境要素应当与El Niño衰减年一致，而后者环境要素异常的机制则不完全相同。本文将对两类La Niña发展年做进一步讨论。
2.2.2 潜在生成指数GPI的计算公式为[18]：
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(1) |
其中η是850 hPa绝对涡度(单位：s-1)，H为600 hPa相对湿度(单位：%)，Vpot为最大潜在强度(单位：m/ s)，Vshear为850 hPa和200 hPa间垂直风切变(单位：m/s)。
最大潜在强度Vpot的计算公式为：
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(2) |
其中，Ts为海表温度，T0为平均流出层温度，Ck为海气湍流交换系数，CD为拖曳系数，
计算时，式(2)可转化为：
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(3) |
其中，s0*为海表面饱和湿熵，sb为边界层湿熵。
垂直风切变Vshear计算公式为：
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(4) |
为了定量诊断动力因子(850 hPa绝对涡度、850~200 hPa垂直风切变)以及热力因子(600 hPa相对湿度、最大潜在强度)的贡献，Li等[23]提出了将GPI各项取对数再求导从而定量分析各项重要性的方法。
将式(1)两侧取对数并求导后得到：
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(5) |
其中δ表示物理量的异常，上横线表示物理量的气候态。
2.2.4 检验方法文中TCGF异常与其他标量异常均采用均值t检验，风场异常采用F检验。
3 ENSO发展年与衰减年西北太平洋TC生成频数变化特征表 2显示，无论是ENSO发展年或衰减年，西北太平洋夏季TCGF总数没有显著的异常，这与Wang等[7]得出的结论相似。台风(Typhoon，TY)强度及以上(近中心附近地面最大风速>32.7 m/s，以下简称强TC)的TCGF在El Niño发展(El Niño Developing，El Niño DV)年夏季(6—8月)有显著正异常(+ 1.74)，在El Niño衰减年(El Niño Decaying，El Niño DC)夏季有显著负异常(-1.82)，La Niña发展年(La Niña Developing，La Niña DV)有显著负异常(-1.74)。其中，第2类La Niña发展年TCGF负异常更大。La Niña衰减年(La Niña Decaying，La Niña DC)强总TCGF异常并不显著。
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表 2 1971—2017年夏季ENSO发展年与衰减年西北太平洋TC生成频数异常 |
虽然TCGF总数异常没有通过显著性检验，但是ENSO不同位相对TCGF空间分布有着重要影响[34]。由图 2a可见，El Niño发展年，在WNP东南部(150 °E~180 °，5~25 °N) TCGF有显著正异常，西北部(130~150 °E，15~25 °N)有显著负异常。El Niño衰减年TC活动在整个WNP受到抑制，在东南部通过显著性检验。如图 2c所示，La Niña发展年与El Niño衰减年TCGF异常分布呈现相似的特征，在WNP南部都为显著的负异常，与El Niño发展年的显著正异常区域并不完全重合，这可能与ENSO演变的非对称性有关。ENSO非对称性是指ENSO演变过程中，El Niño发展年与La Niña发展年，赤道中东太平洋海温正异常中心值大于负异常值中心的数值，且中心位置不同，相应的低层风场等其他环境要素异常分布并不对称，因而TCGF异常分布(如负异常值与正异常值的位置)并不对称[35]。第2类La Niña发展年总体特征与第1类La Niña发展年与El Niño衰减年相似，但在WNP东南部负异常值更小。La Niña衰减年，南海有显著负异常，WNP中部有较大的正异常，WNP东南部为负异常。本文另计算了强TC的TCGF分布，与图 2基本一致(图略)。
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图 2 ENSO发展年与衰减年西北太平洋夏季TC生成频数异常(a~f)与气候态分布(g) 黑色与灰色方框分别为通过α=0.05显著性检验的正异常与负异常区域。单位：频次/年。 |
El Niño发展年，GPI在WNP东南部(140 °E~ 180 °，5~15 °N，以下简称为SEWNP)为较大的正异常，在菲律宾以东海域以及南海(110~140 °E，5 ~20 °N，以下简称为WWNP)存在较弱的负异常(图 3a)，与图 2a中TCGF异常空间分布基本一致。生成于SEWNP的TC有较长的时间停留于暖洋面上，因而易于发展为强TC。南海与菲律宾以东洋面是TS级别TC主要生成源地，在El Niño发展年此区域环境场并不利于TC形成。这也可部分解释El Niño发展年强TC频数有显著增加，而TY强度以下的TCGF并没有显著增加，所以总TCGF正异常不显著。La Niña发展年GPI异常分布与El Niño发展年呈现明显的反位相特征，GPI在SEWNP为显著的负异常(图 3c)，与TCGF异常分布(图 2c)相一致。
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图 3 1971—2017年夏季ENSO发展年与衰减年潜在生成指数异常 打点区域为通过α=0.05显著性检验区域。 |
El Niño衰减年GPI异常空间分布与La Niña发展年较相似。但El Niño衰减年GPI负异常与La Niña发展年相比更偏西北，主要位于WNP中部(140~170 °E，7.5~20.0 °N)，南海南部与菲律宾东南海域则呈现弱的正异常(图 3b)。WNP中东部环境场不利于TC生成，也很难进一步发展，因而El Niño衰减年强TC频数显著减少。而南海南部与菲律宾东南海域是普通强度TC生成活动的区域，这些区域内环境场因子有利于TC形成，因而总TCGF没有显著减少。La Niña衰减年GPI在整个WNP南部都为负异常，中北部的正异常不显著(图 3f)，与TCGF异常分布(图 2f)略有差异。两类La Niña发展年中，第1类GPI异常特征与El Niño衰减年一致，第2类南海正GPI强度范围较小，WNP东北部正GPI更强。
整体而言，GPI异常的空间分布与TCGF异常空间分布特征基本一致，较好地描述了ENSO发展年与衰减年环境场对于TC生成的影响。
4.2 环境要素对GPI变化的定量贡献根据3节与4.1节中TCGF异常及GPI异常的空间分布特征，ENSO发展年与衰减年西北太平洋TCGF分布差异主要体现在西北太平洋东南部(140 °E~180 °，5~15 °N，SEWNP)以及西部(110 ~140 °E，5~20 °N，WWNP)。本文选取这两个区域作为研究对象，进一步定量诊断ENSO发展年与衰减年各环境要素对于GPI变化的贡献，从而判断影响TCGF的主要因子。
利用2.2节中所述方法计算ENSO发展年与衰减年SEWNP与WWNP区域夏季GPI与GPI环境要素异常得到表 3。其中
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表 3 ENSO发展年与衰减年夏季西北太平洋环境要素异常 |
δh1
δh2
δh3
δh4
δh1
δh2
δh3
δh4SEWNP海域，绝对涡度(53.81%)、垂直风切变(30.00%)与相对湿度(24.96%)是造成El Niño发展年TCGF正异常的主要影响要素。最大潜在强度项贡献并不明显，仅为-8.78%，可能是由于此海域低层常年维持高温高湿不稳定状态。El Niño衰减年此三项仍是主要因子，但涡度项重要性降低(16.98%)，相对湿度项重要性增加(57.55%)。La Niña发展年TCGF负异常主要原因是垂直风切变(38.12%)，绝对涡度(31.12%)与相对湿度(27.90%)。
WWNP海域，垂直风切变是此区域TCGF异常的主要影响要素，在El Niño衰减年是贡献最大的因子，在其他位相年份均为第二大因子。同时注意到，除了La Niña衰减年绝对涡度为正贡献(41.58%)以外，其他位相都为负贡献。相比于SEWNP，最大潜在强度项的贡献增大。在El Niño发展年与La Niña发展年，相对湿度的贡献也较明显，分别达到了50.36%和47.71%。
可见，同一海域，ENSO不同位相，各环境要素对TCGF异常的贡献不同，反映了ENSO不同位相影响TC生成变化的机理存在差异。
El Niño发展年，SEWNP海域，垂直风切变为显著负异常(图 4a)，中层相对湿度表现为正异常(图 4b)。此正异常与赤道附近显著的西风异常以及WNP对流层低层气旋性环流异常产生的水汽辐合有关。850 hPa相对涡度在SEWNP为显著正异常。已有研究表明，Niño区暖海温异常产生的对流潜热释放激发西传Rossby波，在赤道西太平洋引起西风异常和低层的气旋性环流异常。其产生低层相对涡度正异常，与垂直风切变减小和中层相对湿度增加共同促使El Niño发展年SEWNP海域的TC增加，并以相对涡度增加的贡献最大[6]。这是因为WNP绝大部分的TC生成于季风槽中，其东边缘位于西北太平洋中部地区，SEWNP海域低层相对涡度增加，有利于季风槽向东延伸，解释了为什么低层相对涡度增加是SEWNP海域TCGF正异常的最主要因素。
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图 4 1971—2017年夏季ENSO发展年与衰减年垂直风切变(填色)(a，c，e)、850 hPa风场(矢量)、600 hPa相对湿度(填色)和850 hPa相对涡度异常(等值线)(b，d，f) 打点与灰色阴影区域分别为填色标量场与等值线通过α=0.05显著性检验的区域，矢量场仅显示通过α=0.05显著性检验的区域。 |
El Niño衰减年，WNPAC覆盖整个西北太平洋地区，其南侧为东风异常(图 4d)，考虑到该区域夏季气候态在WWNP为东风切变，SEWNP为西风切变(图略)，低层异常东风使WWNP区域的纬向风垂直切变减小，SEWNP区域的纬向风垂直切变增大(图 4c)。因而在El Niño衰减年，垂直风切变是WWNP区域GPI增加的主要因子。但该区域的TCGF的增加并不显著(图 2b)。SEWNP海域，WNPAC南侧东风异常及东侧的东北风异常将湿度相对较低的水汽输送到该区域，使相对湿度异常减小。相对湿度成为El Niño衰减年WNP东部海域TC减少的最主要因素。
La Niña发展年，垂直风切变与相对湿度异常分布特征与El Niño衰减年基本类似，但更偏东。低层受到异常东风控制，相对涡度负异常比El Niño衰减年更偏南(图 4f)。这种特征在第2类La Niña发展年更明显(图略)。赤道中太平洋异常降温使得中太平洋对流受到抑制，西太平洋对流增强，Walker环流上升支西移，赤道附近为异常东风，在整个WNP南部产生反气旋涡度，东侧垂直风切变增大，因而相对涡度和垂直风切变项贡献大于El Niño衰减年。
5 小结本文利用中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径数据集与ECMWF提供的再分析资料，通过计算GPI探究了1971—2017年西北太平洋TCGF与TC生成相关的环境要素在ENSO发展年与衰减年夏季的变化情况，得到主要结论如下。
(1) 西北太平洋TCGF总数在ENSO发展年与衰减年夏季没有显著变化，而强TC频数在El Niño发展年夏季显著增加，El Niño衰减年和La Niña发展年夏季显著减少。
(2) TCGF异常在ENSO各位相表现明显的区域性特征。SEWNP区域TC生成对ENSO位相较敏感：El Niño发展年TCGF在该区域显著增多，而La Niña发展年与El Niño衰减年，显著减少。La Niña衰减年TCGF在SEWNP和南海区域都有明显减少。
(3) GPI异常的空间分布与TCGF异常空间型态相似，能有效反映ENSO发展年与衰减年环境场对TCGF变化的定量影响。例如，El Niño发展年SEWNP环境场利于TC生成，而WWNP不利于TC生成，可进一步解释在El Niño发展年强TC频数显著增多而总TCGF变化不显著。
(4) 同一海域，ENSO不同位相，各环境要素对TCGF异常的贡献不同，反映了ENSO不同位相影响TC生成变化的机理存在差异。如SEWNP海域，El Niño发展年，中东太平洋异常增暖激发的Rossby波西传导致SEWNP受异常正涡度环流控制，涡度项是贡献最大的因子；El Niño衰减年，受低层WNPAC控制，其东南侧异常东-东北气流使SEWNP湿度显著降低, 湿度项的贡献最大。La Niña发展年, 以绝对涡度减小和垂直风切变增加的影响为主。WNP西部仅在La Niña衰减年出现TCGF显著负异常, 季风槽减弱, 抑制了南海附近的TC生成, 主要受低层绝对涡度减小的影响。
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