周偉燦,沈海波,趙海坤,3

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.南京信息工程大學(xué) 太平洋臺風(fēng)研究中心,江蘇 南京 210044)

?

熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩對西北太平洋臺風(fēng)生成的大尺度環(huán)境的影響

周偉燦1,2,沈海波1,趙海坤1,3

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

3.南京信息工程大學(xué) 太平洋臺風(fēng)研究中心,江蘇 南京 210044)

摘要：基于澳大利亞氣象局發(fā)布的RMM(Real-time Multivariate Madden-Julian oscillation)指數(shù),將熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩劃分為8個位相,統(tǒng)計分析了各位相西北太平洋臺風(fēng)生成頻數(shù)和位置的變化特征,并進(jìn)一步利用BDI(Box Difference Index)指數(shù)分析了臺風(fēng)生成的活躍和不活躍位相之間環(huán)境要素的差別。結(jié)果表明,相比于臺風(fēng)生成的不活躍位相(1、2、3位相),在利于臺風(fēng)生成的活躍位相(5、6、7位相)期間,環(huán)境場具有更強(qiáng)的低層輻合和高層輻散外流、更高的對流層中層相對濕度和更廣的垂直切變較小區(qū)域。進(jìn)一步研究表明,在臺風(fēng)生成的活躍和不活躍位相之間,大尺度環(huán)境場的差別主要體現(xiàn)在動力因子方面,尤其是低層輻合場。

關(guān)鍵詞：大氣季節(jié)內(nèi)振蕩;西北太平洋;臺風(fēng)生成;環(huán)境因子;BDI

0引言

大氣季節(jié)內(nèi)振蕩作為重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一,其活動規(guī)律及異常會對全球天氣氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響。作為熱帶大氣環(huán)流的主導(dǎo)模態(tài),熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO)與臺風(fēng)的活動有著密切的聯(lián)系(陶麗等，2013)。Gray(1979)首次發(fā)現(xiàn)全球海域上的熱帶氣旋(Tropical Cyclone,TC)在季節(jié)內(nèi)尺度上具有群發(fā)性的特點,活躍期集中在2～3周,并且與季節(jié)內(nèi)振蕩有著非常緊密的聯(lián)系。隨后許多研究表明MJO對全球海域的TC活動有著顯著的影響(Straub and Kiladis,2010;高建蕓等,2011;Hsu et al.,2011;趙威等,2015;Zhao et al.,2015a,2015b)。在北太平洋東部海域,Maloney and Hartmann(2000a)發(fā)現(xiàn)MJO處于西風(fēng)位相時生成的颶風(fēng)數(shù)量是處于東風(fēng)位相時的4倍。在澳大利亞西北部,Hall et al.(2001)利用20 a的OLR(Outgoing Longwave Radiation)資料研究表明TC與MJO對流的濕位相之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系。在墨西哥灣區(qū)域,也有研究證實MJO對TC生成有強(qiáng)的調(diào)制作用(Maloney and Hartmann,2000b)。Bessafi and Wheeler(2006)指出在南印度洋MJO的活躍位相有利于100°E以西南印度洋上的TC生成。在東太平洋,颶風(fēng)季節(jié)MJO西風(fēng)異常時,熱帶低壓擾動的發(fā)生會沿著MJO的相似路徑東移,在赤道輻合帶北移(Molinari and Vollaro,2000)。祝從文等(2004)對印度洋和西太平洋海域的TC生成進(jìn)行了研究,西北太平洋之外,發(fā)生在其余區(qū)域的TC有半數(shù)以上生成在向東移動的MJO的濕位相中,西北太平洋上TC受到向東和向西傳播MJO的影響。

西北太平洋作為全球臺風(fēng)活動最活躍的區(qū)域且緊鄰我國東部,平均每年在此生成大約27個TC,占全球TC頻數(shù)的1/3,其中約有17個加強(qiáng)成為臺風(fēng)。MJO與西北太平洋臺風(fēng)生成的關(guān)系一直是國內(nèi)外專家學(xué)者十分關(guān)注的問題。Nakazawa(1986a)通過OLR資料研究提出西北太平洋海域的季節(jié)內(nèi)振蕩對TC的發(fā)生發(fā)展提供有利條件,MJO活躍期有利于TC的生成或加強(qiáng),并且發(fā)現(xiàn)西太平洋的臺風(fēng)多生成在MJO的濕位相中(Nakazawa,1986b),之后研究發(fā)現(xiàn)西北太平洋上TC源地位置與MJO位相及相關(guān)對流中心位置都有關(guān),當(dāng)MJO對流中心位于西北太平洋上時,TC頻數(shù)增多,向東向北傳播時,TC源地對應(yīng)存在偶極子式且隨對流中心變化而移動(Kim et al.,2008)。Liebmann et al.(1994)的研究指出,在MJO處于對流活躍位相時,熱帶低壓型擾動和TC數(shù)量都會增加,且強(qiáng)度也會普遍增加。Sobel and Maloney(2000)從波動能量和波通量的角度解釋了在MJO活躍位相更多的熱帶擾動可以加強(qiáng)為臺風(fēng)的原因。國內(nèi)早在80年代,謝安和葉謙(1987)就注意到TC活動的集中性與OLR低頻振蕩的濕位相很一致,之后研究發(fā)現(xiàn)西太平洋上約2/3的TC發(fā)生在30～60 d振蕩的對流活躍位相(劉舸等,2009)。孫長等(2009)對1991年6—9月西北太平洋TC的群發(fā)性特征及其與MJO的關(guān)系做了研究,發(fā)現(xiàn)TC的活動有明顯的相似頻率的季節(jié)內(nèi)變化,具有明顯的群發(fā)性和周期性,并指出集中發(fā)生在MJO的濕位相;田華等(2010)利用典型年合成方法研究了多臺風(fēng)年和少臺風(fēng)年MJO的影響,結(jié)果表明MJO對西北太平洋臺風(fēng)的生成具有明顯的調(diào)節(jié)作用,在多臺風(fēng)年,MJO偏強(qiáng),對周圍大氣產(chǎn)生正反饋作用進(jìn)而導(dǎo)致積云對流進(jìn)一步增強(qiáng),有利于臺風(fēng)的生成;李崇銀等(2012)也做過MJO對臺風(fēng)生成頻數(shù)的研究,并從積云對流以及能量角度解釋了MJO對臺風(fēng)生成發(fā)展的調(diào)節(jié)作用;陶麗等(2012)發(fā)現(xiàn)熱帶季節(jié)內(nèi)的準(zhǔn)雙周振蕩對西北太平洋TC的路徑有重要影響，且TC主要生成在其對流濕位相中；陳光華和黃榮輝(2009)從動力和能量轉(zhuǎn)換方面分析了MJO對西北太平洋TC生成的作用,結(jié)果表明MJO對西北太平洋西部海域的TC活動調(diào)控作用顯著,對東部不顯著,MJO的西風(fēng)位相有利于TC生成,且西風(fēng)增強(qiáng),TC生成概率增加。

由上可知,當(dāng)前大部分討論MJO對西北太平洋臺風(fēng)生成影響的研究都是定性地從MJO改變影響臺風(fēng)生成的大尺度環(huán)境場進(jìn)行分析,而對每個環(huán)境因子對臺風(fēng)生成貢獻(xiàn)的定量分析卻很少關(guān)注。本文首先將MJO劃分為8個位相,統(tǒng)計每個位相中臺風(fēng)的生成頻數(shù)和位置,然后分別對每個位相臺風(fēng)生成的環(huán)流場做了多種氣象要素的分析,并對不同位相的環(huán)境場進(jìn)行了合成分析,最后基于BDI(Box Difference Index)指數(shù)(Peng et al.,2012),定量分析各個因子的貢獻(xiàn)大小,試圖尋求MJO影響臺風(fēng)生成的關(guān)鍵環(huán)境因子。

1資料和方法

1.1資料

1.1.1MJO指數(shù)

1.1.2臺風(fēng)及環(huán)流資料

熱帶氣旋資料來源于美國聯(lián)合颶風(fēng)警報中心(Joint Typhoon Warming Center,JTWC)的熱帶氣旋最佳路徑資料庫數(shù)據(jù),包括每6 h一次的熱帶氣旋位置以及最大風(fēng)速等信息。將第一時刻中心風(fēng)速達(dá)到35 m/s(68 knot/h)定義為臺風(fēng)的生成時間,同時刻熱帶氣旋的位置定義為臺風(fēng)生成的位置;OLR數(shù)據(jù)來自美國的NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration);風(fēng)、氣壓場、濕度等逐日的氣象數(shù)據(jù)均采用美國NCEP-DOE ReanalysisⅡ資料,垂直層1000～10 hPa共17層,分辨率為2.5°×2.5°?？紤]到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和研究的統(tǒng)一性,本文選取的資料是從1981—2012年逐年的6—10月,共4 896 d。

1.2統(tǒng)計方法

為了便于分離出大尺度環(huán)境場在季節(jié)內(nèi)時間尺度下的周期性振蕩特征,將所有大尺度環(huán)境因子都做了10～90 d的帶通濾波。文中給出了不同位相西北太平洋大尺度環(huán)境場的異常分布,并對其進(jìn)行差異顯著性檢驗。采用均值t檢驗(黃嘉佑,2004)對標(biāo)量進(jìn)行差異性檢驗,對風(fēng)場的差異性檢驗采用的是矢量F檢驗(施能等,2004),這是一種二維的統(tǒng)計檢驗方法。

BDI指數(shù)可以客觀地定量衡量因子在不同時空條件下的差異性,可用于衡量發(fā)展成TC和未發(fā)展成TC的擾動之間的環(huán)境場因子的差異大小(Peng et al.,2012)。BDI指數(shù)(IBDI)的定義為:

(1)

MDEV和σDEV(MNONDEV和σNONDEV)分別表示發(fā)展(未發(fā)展)為TC的擾動個例環(huán)境因子的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。BDI指數(shù)考慮到樣本的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,可以定量地衡量不同擾動之間環(huán)境因子的差別。某個因子的BDI的數(shù)值越大,說明其在熱帶擾動發(fā)展為TC的過程中起到更加重要的作用。本文利用BDI指數(shù)考察在MJO不同位相中生成的臺風(fēng)的環(huán)境因子差別大小,定量分析MJO對西北太平洋臺風(fēng)生成環(huán)境場的調(diào)制作用。

2MJO各位相臺風(fēng)生成頻數(shù)變化

根據(jù)表1,在6—10月臺風(fēng)頻發(fā)季節(jié),MJO八個位相中在西北太平洋總計生成260個臺風(fēng),占總數(shù)的76%,另外弱MJO下生成了84個臺風(fēng),可以很明顯的看出在MJO活躍位相西北太平洋臺風(fēng)頻數(shù)遠(yuǎn)多于弱MJO下的臺風(fēng)頻數(shù)。在8個位相中,5、6位相生成的臺風(fēng)個數(shù)最多,占總數(shù)的35%,3、4位相個數(shù)最少,占總數(shù)的17%,1、2位相和7、8位相的臺風(fēng)頻數(shù)相差不多。但由于各個位相的持續(xù)天數(shù)不同,第1、2位相天數(shù)最長,占8個位相總天數(shù)的33%,其次是5、6位相,而第7、8位相時間較短,只占總天數(shù)的19%。因此,用各位相中的臺風(fēng)頻數(shù)除以其持續(xù)天數(shù)以消除時間的影響,結(jié)果表明5、6、7位相的比值相對較大,其次是第3、4、8位相,而1、2位相最小,與弱MJO的數(shù)值相當(dāng)。

表1MJO各位相臺風(fēng)生成個數(shù)和位相天數(shù)

Table 1Typhoon frequencies and durations during the different phases of MJO

位相臺風(fēng)個數(shù)位相天數(shù)/d131561233547321324425379544498648430732298826343弱MJO841516

圖1　OLR異常(陰影區(qū);單位:W/m2;打點區(qū)域表示通過95%置信水平的顯著性檢驗)和臺風(fēng)生成的空間分布　　a.位相1;b.位相2;c.位相3;d.位相4;e.位相5;f.位相6;g.位相7;h.位相8Fig.1　OLR anomalies(shaded areas;units:W/m2;the stippled areas passed the significance test at 95% confidence level) and typhoon genesis locations　　a.phase 1;b.phase 2;c.phase 3;d.phase 4;e.phase 5;f.phase 6;g.phase 7;h.phase 8

通過OLR異常分布可以大致看出MJO對流中心的移動過程,置信水平達(dá)到95%的區(qū)域打點標(biāo)出。如圖1所示,第1位相時OLR負(fù)值中心在赤道印度洋中部開始生成,第2位相逐漸加深,并向北向東傳播,到第4位相時,負(fù)的極大值位于赤道以北,海洋性大陸西側(cè),第5位相負(fù)值中心東傳到西太平洋,第6位相西太平洋上的OLR負(fù)值中心深厚且范圍較廣,印度洋區(qū)域已經(jīng)被正距平所代替,第8位相負(fù)值開始衰退消失。當(dāng)MJO對流中心東傳越過海洋性大陸,到達(dá)西太平洋后,西北太平洋一直處在OLR較大的負(fù)距平中,此時西北太平洋區(qū)域?qū)α魍?這就解釋了MJO的5、6位相臺風(fēng)頻數(shù)較多的事實。圖中的黑色實心圓點表示臺風(fēng)的生成位置,集中在(110～160°E,10～30°N),圖中用方框標(biāo)出,將此區(qū)域作為下一部分環(huán)境因子的主要關(guān)注區(qū)域。

根據(jù)以上分析,MJO對西北太平洋臺風(fēng)頻數(shù)有著顯著的影響,不同位相中生成的臺風(fēng)數(shù)目有較大的差異,接下來將從大尺度環(huán)境要素場的角度定性解釋MJO對臺風(fēng)生成頻數(shù)的影響,分析在MJO不同的位相當(dāng)中環(huán)境因子的變化對臺風(fēng)生成的調(diào)制作用。

3MJO各位相生成的臺風(fēng)的背景環(huán)境場

Gray(1979)曾經(jīng)提出TC生成的6個必要條件:較高的海表面溫度、對流不穩(wěn)定、對流層中層相對濕度高、弱的垂直風(fēng)切變、不能太小的科氏參數(shù)和低層大的相對渦度。隨后丁一匯(1991)指出除了上述提及的六個環(huán)境條件外,高空輻散外流也對臺風(fēng)生成有重要影響。對于西北太平洋,受到暖池的影響,在臺風(fēng)季(6—10月)海表面平均溫度在28 ℃以上,滿足臺風(fēng)生成的暖海面條件,所以本文未考慮海表面溫度這一因子。深對流對于成熟臺風(fēng)是非常重要的,因而臺風(fēng)生成應(yīng)有強(qiáng)的對流不穩(wěn)定(?θe/?p>0)。但是熱帶大氣在夏季是條件不穩(wěn)定的,?θe/?p的日變化也小,實際上這個量最大差別出現(xiàn)在地面θe中,所以會造成?θe/?p與臺風(fēng)生成沒有明顯的相關(guān)。在條件不穩(wěn)定的情況下,積云對流的強(qiáng)度和特征是同其他的環(huán)流參數(shù)而非?θe/?p有關(guān),如果沒有低層的輻合,即使有條件不穩(wěn)定也不會出現(xiàn)對流(丁一匯,1991)。

不穩(wěn)定(?θe/?p)在文中也沒有考慮?？剖蠀?shù)影響了地轉(zhuǎn)偏向力的大小,臺風(fēng)的生成需要一定的地轉(zhuǎn)偏向力,這就決定了臺風(fēng)的生成位置不可能位于赤道上,西北太平洋臺風(fēng)生成大都在5°N以北,以保證足夠大的科氏參數(shù)。因此本文將主要考慮4個因子(低層渦度、高層散度、中層濕度和垂直風(fēng)切變),探討MJO對影響西北太平洋臺風(fēng)生成的環(huán)境場的調(diào)制作用。

3.1對流層低層風(fēng)場及相對渦度場

熱帶地區(qū)低層盛行的東北/東南信風(fēng)是主導(dǎo)熱帶氣候的主要因子之一,在西北太平洋地區(qū),信風(fēng)影響TC主要通過兩種方式,一是通過低層輻合影響熱帶擾動的產(chǎn)生,另外是通過赤道東風(fēng)波。南北半球兩支信風(fēng)的交匯地帶稱作赤道輻合帶(InterTropical Convergence Zone,ITCZ),他為臺風(fēng)的生成提供了有利的條件。學(xué)界普遍認(rèn)為臺風(fēng)起源于ITCZ,觀測表明,80～85%的天氣尺度的熱帶擾動發(fā)生在ITCZ向極一側(cè)2～4°的緯距范圍內(nèi)(呂美仲和侯志明,2004)。第二類條件不穩(wěn)定機(jī)制(Conditional Instability of Second Kind,CISK)的積云對流自激反饋作用,有利于TC的生成及發(fā)展。其中,低層足夠大的向內(nèi)徑向風(fēng)速和輻合流入是至關(guān)重要的因素。從850 hPa水平風(fēng)場及相對渦度場的異常分布(圖2)可以看出,第1、2、3位相,臺風(fēng)集中生成區(qū)域受到異常反氣旋環(huán)流控制,相對渦度為負(fù),相對渦度的極大值位于低緯的赤道印度洋海域;到第4位相,臺風(fēng)生成區(qū)域地區(qū)反氣旋環(huán)流減弱,但低層整體的輻合條件并不好,相對渦度仍為負(fù)值;在MJO的5、6位相,潮濕的西南氣流到達(dá)西太平洋地區(qū),與東風(fēng)在西太平洋處交匯,西北太平洋相對渦度明顯增大,相對渦度的極大值位于菲律賓群島及其東部,西北太平洋大部分地區(qū)被氣旋環(huán)流所控制;到第7位相,氣旋環(huán)流仍控制西北太平洋,帶狀輻合區(qū)域分布于菲律賓以東的大范圍區(qū)域,這與ITCZ和季風(fēng)槽的位置配合的相當(dāng)一致。這個階段西北太平洋地區(qū)低層輻合明顯加強(qiáng),對ITCZ上TC的發(fā)生發(fā)展十分有利。到第8位相低層輻合區(qū)域依然會向北向東延伸,但量級減小,西北太平洋區(qū)域相對渦度減小,輻合減弱?？梢钥闯?5、6、7位相的低層配置有利于TC的生成和加強(qiáng)。

3.2對流層高層風(fēng)場及散度場

臺風(fēng)生成的背景環(huán)境場,除了對流層低層需要輻合上升運動外,高層存在輻散場會更加有利于氣旋加強(qiáng)。高層大氣向外輻散,使地面氣壓降低,這種類似抽吸作用會增強(qiáng)低層空氣的氣旋性環(huán)流以及上升運動,有利于臺風(fēng)的生成。從對流層高層的環(huán)流異?？梢钥闯?圖略),在MJO的第1位相,西北太平洋上空的風(fēng)場呈較弱的氣旋環(huán)流,臺風(fēng)集中生成區(qū)域大部分為散度負(fù)值區(qū)域,且有散度的最小值;直到第3位相,西北太平洋上空的風(fēng)場氣旋環(huán)流才有所減弱,散度有所增加卻依舊是負(fù)值區(qū)域較廣。與上節(jié)850 hPa第1、2、3位相的環(huán)流形勢相聯(lián)系,這種高低空的配置不利于臺風(fēng)的發(fā)生發(fā)展;到第5、6、7位相,西北太平洋上空的風(fēng)場呈反氣旋環(huán)流,風(fēng)速逐漸增大,散度為正值,呈現(xiàn)明顯的正值中心和輻散外流。高低空反相的斜壓性配置,低層氣流輻合上升,高層氣流輻散外流,這是比較有利于臺風(fēng)生成和發(fā)展的背景環(huán)境場;在第8位相,輻散區(qū)范圍減小,風(fēng)速減小,外流減弱,不具有很好的適于氣旋發(fā)展的高空條件。

圖2　850 hPa風(fēng)矢量異常(箭矢;單位:m/s)和相對渦度異常(陰影區(qū);單位:10-6 s-1)的分布(打點區(qū)域表示通過95%置信水平的顯著性檢驗)　　a.位相1;b.位相2;c.位相3;d.位相4;e.位相5;f.位相6;g.位相7;h.位相8Fig.2　Distributions of wind vector anomalies(arrows;units:m/s) and relative vorticity anomalies(shaded areas;units:10-6 s-1) at 850 hPa(the stippled areas passed the significance test at 95% confidence level)a.phase 1;b.phase 2;c.phase 3;d.phase 4;e.phase 5;f.phase 6;g.phase 7;h.phase 8

3.3對流層垂直風(fēng)切變

對流層低層空氣氣旋性輻合,高層質(zhì)量流出輻散,引發(fā)空氣上升釋放凝結(jié)潛熱加熱大氣,使擾動增強(qiáng)。但只有將釋放出的潛熱集中在一個相對較小的區(qū)域中加熱氣柱,形成暖心結(jié)構(gòu),才能進(jìn)而加強(qiáng)為臺風(fēng)—這就決定于對流層風(fēng)速垂直切變的大小。在弱垂直切變(“不通風(fēng)”)的環(huán)境下,相對于移動擾動的溫度和濕度平流都很小,氣旋系統(tǒng)的溫濕顯著增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過周圍環(huán)境場的值,TC在這樣的環(huán)境中更容易得以發(fā)展和增強(qiáng)。

通過計算850、200 hPa間的緯向西風(fēng)風(fēng)速差(U850-U200)來表示風(fēng)速的垂直切變。在西北太平洋臺風(fēng)集中生成的范圍,根據(jù)切變零線的位置可以看出區(qū)域內(nèi)風(fēng)速垂直切變的大小(圖略)。第1位相,零線位于區(qū)域南部,臺風(fēng)生成區(qū)域大部分為正垂直切變區(qū)域,且量值較大;到第2、3、4位相,零線位于區(qū)域北側(cè),大范圍為負(fù)的垂直切變區(qū)域,此時垂直切變的量值較大,且零線南邊為負(fù)值,不利于臺風(fēng)的生成;到第5、6位相,零線位于區(qū)域中間,整個區(qū)域垂直切變較小,零線走向很好的配合了季風(fēng)槽的位置,零線以南為正的垂直切變區(qū)域,為明顯的輻合區(qū),臺風(fēng)多集中生成在零線附近;第7、8位相,零線北移,區(qū)域內(nèi)為正的垂直切變區(qū),垂直切變增大。

圖3　MJO第1、2、3位相(a)和第5、6、7位相(b)合成的850 hPa風(fēng)矢量異常(箭矢;單位:m/s)和相對渦度異常(單位:10-6 s-1)的分布Fig.3　Composite distributions of wind vector anomalies(arrows;units:m/s) and relative vorticity anomalies(shaded areas;units:10-6 s-1) at 850 hPa in (a)phases 1,2 and 3 and (b)phases 5,6 and 7 of MJO

3.4對流層中層相對濕度

TC的發(fā)展需要大量的潛熱釋放,這不僅需要低層輻合和上升運動,還需要空氣足夠的濕度使其更易凝結(jié)釋放潛熱。研究表明(呂美仲和侯志明,2004),濕度很低時,對流受到對流層中層干空氣的侵蝕而有所減弱,與此同時氣柱內(nèi)總的水汽含量會降低,總潛熱釋放量減少,不利于臺風(fēng)的生成及發(fā)展。在MJO第1、2位相時,西北太平洋區(qū)域?qū)α鲗又袑?600 hPa)相對濕度很小,相對濕度的極大值位于南印度洋;到MJO第3、4位相,濕度極大值向北向東移動,在海洋性大陸有一個濕度的極大值區(qū)域,西北太平洋濕度所有增加;到MJO第5、6位相,西北太平洋地區(qū)相對濕度顯著增大,極大值位于低緯西太平洋,印度洋區(qū)域相對濕度顯著減小并被負(fù)值取代。7、8位相,西北太平洋地區(qū)的濕度逐漸減小,濕度差異減弱(圖略)。

4MJO影響臺風(fēng)生成的環(huán)境要素的貢獻(xiàn)分析

4.1臺風(fēng)生成的活躍位相劃分

上述結(jié)果表明在5、6、7位相環(huán)境場呈現(xiàn)出有利于臺風(fēng)生成發(fā)展的環(huán)流形勢,而1、2、3位相的背景環(huán)境場不利于臺風(fēng)的生成;表1顯示,1、2、3位相臺風(fēng)生成頻數(shù)為85個,5、6、7位相臺風(fēng)頻數(shù)是124個,5、6、7位相的臺風(fēng)頻數(shù)大約是1、2、3位相的1.5倍;圖1表明MJO的3、4位相臺風(fēng)的生成數(shù)是最少的,但1、2位相的持續(xù)天數(shù)是最長的(表1),用各位相臺風(fēng)生成數(shù)除以其持續(xù)天數(shù)(消除天數(shù)不同的影響),得到的比值顯示1、2、3位相的值最低,與弱MJO的值持平;另外,發(fā)現(xiàn)1、2、3位相的對流中心在印度洋,位于海洋性大陸以西,5、6、7位相的對流中心位于海洋性大陸以東,西北太平洋區(qū)域,西北太平洋更強(qiáng)的熱帶對流給臺風(fēng)的生成提供優(yōu)越的條件(圖1)。綜上,將MJO的1、2、3位相定義為西北太平洋臺風(fēng)生成的不活躍位相,MJO第5、6、7位相定義為臺風(fēng)生成的活躍位相。

圖4　MJO第1、2、3位相(a)和第5、6、7位相(b)合成的200 hPa風(fēng)矢量異常(單位:m/s)和散度異常(單位:10-6 s-1)的分布Fig.4　Composite distributions of wind vector anomalies(arrows;units:m/s) and divergence anomalies(shaded areas;units:10-6 s-1) at 200 hPa in (a)phases 1,2 and 3 and (b)phases 5,6 and 7 of MJO

圖5　MJO第1、2、3位相(a)和第5、6、7位相(b)合成的600 hPa相對濕度異常(單位:%)的分布Fig.5　Composite distributions of relative humidity anomalies(units:%) at 600 hPa in (a)phases 1,2 and 3 and (b)phases 5,6 and 7 of MJO

圖6　MJO第1、2、3位相(a)和第5、6、7位相(b)合成的垂直切變(U850-U200;單位:m/s)的分布Fig.6　Composite distributions of zonal wind differences(units:m/s) between 850 hPa and 200 hPa in (a)phases 1,2 and 3 and (b)phases 5,6 and 7 of MJO

為了更加清楚的看出MJO的5、6、7位相和1、2、3位相在臺風(fēng)生成的背景環(huán)境場上的差別,圖3—6是MJO的1、2、3位相和5、6、7位相環(huán)境要素場異常的合成圖。對比4張圖可以看出,在MJO的1、2、3位相,西北太平洋低層受東風(fēng)控制,呈反氣旋環(huán)流,大部分地區(qū)的相對渦度為負(fù)值,高層氣流呈氣旋性旋轉(zhuǎn),散度為正值,中層濕度較小,高低層垂直風(fēng)切變零等值線偏北,區(qū)域內(nèi)垂直切變較大;而在5、6、7位相,西北太平洋地區(qū)低層受西南風(fēng)控制,呈氣旋環(huán)流,相對渦度極大值位于海洋性大陸,臺風(fēng)集中生成范圍都處于相對渦度的大值區(qū)域中,高層呈反氣旋環(huán)流,輻散中心位于西北太平洋,輻散有所增大,中層濕度增大,高低層垂直切變的零線位于區(qū)域中間,整個區(qū)域切變較小,南側(cè)的為正值區(qū)。

4.2各環(huán)境因子的貢獻(xiàn)大小比較

通過上一部分的分析可以看出,在西北太平洋地區(qū),尤其在臺風(fēng)集中生成的區(qū)域,MJO在第5、6、7位相比1、2、3位相顯示出更強(qiáng)的低層輻合、高層輻散,中層較高的相對濕度和較弱的高低層垂直切變,因此更有利于臺風(fēng)的生成。通過定量計算在5、6、7位相和1、2、3位相臺風(fēng)生成時段其周圍環(huán)境因子的差別可以揭示MJO影響下環(huán)境因子對臺風(fēng)生成的貢獻(xiàn)大小。采用BDI指數(shù)分析在不同位相生成的臺風(fēng)周圍環(huán)境因子的差異,BDI指數(shù)的表達(dá)式如下:

(2)

其中:MH和σH(ML和σL)分別為在MJO的5、6、7位相(1、2、3位相)生成的多個臺風(fēng)周圍環(huán)境因子的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。本文分析了在MJO的1、2、3位相和5、6、7位相中分別生成的85個和124個臺風(fēng)個例,提取每個臺風(fēng)的生成時間和位置,然后嘗試以其生成位置為中心10°×10°或20°×20°的范圍內(nèi)的相同時間的環(huán)境要素值作為臺風(fēng)生成時的環(huán)境要素值,對1、2、3位相和5、6、7位相進(jìn)行對比分析,計算每個環(huán)境因子的BDI指數(shù)。指數(shù)的符號代表前后兩個位相集合內(nèi)因子均值的相對大小,量值代表均值的差別大小,其物理意義可理解為環(huán)境因子在MJO活躍位相對臺風(fēng)生成頻數(shù)的貢獻(xiàn),以此進(jìn)一步分析MJO對臺風(fēng)生成大尺度環(huán)境場的影響機(jī)制。

McBride and Zehr(1981)最早提出發(fā)展和未發(fā)展熱帶擾動的環(huán)境場差別主要在于動力學(xué)參量,Fu et al.(2012)通過BDI指數(shù)研究了西北太平洋上發(fā)展成TC的熱帶擾動和未發(fā)展成TC的擾動的背景環(huán)境場的區(qū)別,也得出了類似的結(jié)論。究竟MJO影響西北太平洋臺風(fēng)生成的多個環(huán)境因子的貢獻(xiàn)大小如何?根據(jù)前人的研究以及考慮到西北太平洋上的天氣尺度系統(tǒng),本文計算的環(huán)境因子主要側(cè)重于動力因子,包括850 hPa的相對渦度、200 hPa的水平散度、600 hPa相對濕度、緯向風(fēng)垂直切變(200～850 hPa)和緯向風(fēng)水平切變(?u/?y)。

不同環(huán)境因子的BDI數(shù)值大小排列如表2,數(shù)值從大到小排列依次是低層的渦度、高層散度、中層相對濕度、緯向風(fēng)水平切變的垂直平均(?u/?y)和緯向風(fēng)的垂直切變(數(shù)值太小可忽略)。可以看出,在MJO的不同位相,西北太平洋生成的臺風(fēng)其周圍環(huán)境場的差別大小是不同的,低層相對渦度是差別最大的環(huán)境因子,其次是高層散度、中層濕度、緯向風(fēng)的水平切變、緯向風(fēng)的垂直切變。Camargo et al.(2009)以及Zhao et al.(2015b)根據(jù)GPI(Genesis Potential Index) 指數(shù)研究其中的環(huán)境因子對MJO影響全球TC生成的貢獻(xiàn)大小,指出中層濕度和低層渦度是貢獻(xiàn)最大的兩個因子,而風(fēng)速的垂直切變和潛在強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小。本文重點關(guān)注西北太平洋的臺風(fēng),結(jié)果表明低層輻合場是MJO影響西北太平洋臺風(fēng)生成最關(guān)鍵的因子,且總體上動力因子的影響大于熱力因子。

表2各環(huán)境因子的BDI值

Table 2BDI values of different environmental factors

環(huán)境因子BDI850hPa相對渦度(20°×20°)+0.31200hPa水平散度(10°×10°)-0.16600hPa相對濕度(20°×20°)+0.12緯向風(fēng)水平切變(10°×10°)+0.06緯向風(fēng)垂直切變(10°×10°)+0.01

5結(jié)論

1)統(tǒng)計結(jié)果表明,相比于弱MJO時段,更多的臺風(fēng)生成在MJO較活躍的時段。北半球夏季,MJO的對流中心從赤道印度洋中部開始出現(xiàn),逐步東傳并北傳,5、6位相到達(dá)海洋性大陸以東的西北太平洋區(qū)域,此時臺風(fēng)生成頻數(shù)最多,顯示了MJO活動對西北太平洋地區(qū)的臺風(fēng)生成具有顯著的調(diào)制作用。

2)臺風(fēng)生成最多的活躍位相(5、6、7位相)的大尺度環(huán)境場比臺風(fēng)頻數(shù)較少的位相(1、2、3位相)的環(huán)境場展現(xiàn)出更強(qiáng)的低層氣旋性輻合和高層輻散流出、更豐富的中層水汽和更廣的較小垂直切變區(qū)域,有利的大尺度背景場催生出更多的臺風(fēng)。這表明MJO的傳播會改變西北太平洋臺風(fēng)生成的大尺度環(huán)境場,進(jìn)而影響了臺風(fēng)生成。

3)通過BDI指數(shù)定量分析了臺風(fēng)生成的活躍位相(5、6、7位相)和不活躍位相(1、2、3位相)間不同環(huán)境因子的差別大小,從大到小依次為850 hPa相對渦度、200 hPa水平散度、500 hPa相對濕度、水平西風(fēng)切變的垂直平均(?u/?y)和西風(fēng)垂直切變。由此可見,MJO影響西北太平洋臺風(fēng)生成的關(guān)鍵因子主要體現(xiàn)在動力因子的不同,尤其是低層輻合場。

參考文獻(xiàn)(References)：

Bessafi M,Wheeler M C.2006.Modulation of South Indian Ocean tropical cyclones by the Madden-Julian Oscillation and convectively coupled equatorial waves[J].Mon Wea Rev,134(2):638-656.

Camargo S J,Wheeler M C,Sobel A H.2009.Diagnosis of the MJO modulation of tropical cyclogenesis using an empirical index[J].J Atmos Sci,66(10):3061-3074.

陳光華,黃榮輝.2009.西北太平洋低頻振蕩對熱帶氣旋生成的動力作用及其物理機(jī)制[J].大氣科學(xué),33(2):205-214.Chen Guanghua,Huang Ronghui.2009.Dynamical effects of low frequency oscillation on tropical cyclogenesis over the western North Pacific and the physical mechanisms[J].Chinese J Atmos Sci,33(2):205-214.(in Chinese).

丁一匯.1991.高等天氣學(xué)[M].北京:氣象出版社.Ding Yihui.1991.Advanced synoptic meteorology[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

Fu B,Peng M S,Li T,et al.2012.Developing versus nondeveloping disturbances for tropical cyclone formation.Part II:Western North Pacific[J].Mon Wea Rev,140(4):1067-1080.

高建蕓,呂心艷,張秀芝,等.2011.南?！鞅碧窖蠹撅L(fēng)槽中熱帶氣旋群發(fā)的研究Ⅱ.影響機(jī)制研究[J].海洋學(xué)報,33(3):28-37.Gao Jianyun,Lve Xinyan,Zhang Xiuzhi,et al.2011.Research on the cluster of tropical cyclogenesis in the South China Sea-Western North Pacific monsoon trough II.Mechanism of the influence[J].Acta Oceanologica Sinica,33(3):28-37.(in Chinese).

Gray W M.1979.Hurricanes:Their formation,structure and likely role in the tropical circulation[J].Meteorology over the Tropical Oceans,77:155-218.

Hall J D,Matthews A J,Karoly D J.2001.The modulation of tropical cyclone activity in the Australian region by the Madden-Julian Oscillation[J].Mon Wea Rev,129(12):2970-2982.

黃嘉佑.2004.氣象統(tǒng)計分析與預(yù)報方法[M].北京:氣象出版社.Huang Jiayou.1990.Meteorological statistical analysis and forecasting methods[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

Hsu P C,Li T,Tsou C H.2011.Interactions between Boreal summer intraseasonal oscillations and synoptic-scale disturbances over the Western North Pacific.Part I:Energetics diagnosis[J].J Climate,24(3):927-941.

Kim J H,Ho C H,Kim H S,et al.2008.Systematic variation of summertime tropical cyclone activity in the Western North Pacific in relation to the Madden-Julian Oscillation[J].J Climate,21(6):1171-1191.

李崇銀,潘靜,田華,等.2012.西北太平洋臺風(fēng)活動與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩[J].氣象,38(1):1-16.Li Chongyin,Pan Jing,Tian Hua,et al.2012.Typhoon activities over the Western North Pacific and atmospheric intraseasonal oscillation[J].Meteor Mon,38(1):1-16.(in Chinese).

Liebmann B,Hendon H H,Glick J D.1994.The relationship between tropical cyclones of the Western Pacific and Indian Oceans and the Madden—Julian Oscillation[J].J Meteor Soc Japan,72(3):401-412.

劉舸,孫淑清,張慶云,等.2009.熱帶輻合帶的季節(jié)內(nèi)振蕩及其與熱帶氣旋發(fā)生階段性的關(guān)系[J].大氣科學(xué),33(4):879-889.Liu Ge,Sun Shuqing,Zhang Qingyun,et al.2009.Characteristics of the intraseasonal oscillation of intertropical convergence zone and its influence on the periodical tropical cyclogenesis[J].Chinese J Atmos Sci,33(4):879-889.(in Chinese).

呂美仲,侯志明.2004.動力氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社.Lve Meizhong,Hou Zhiming.2004.Dynamic Meteorology[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

Maloney E D,Hartmann D L.2000a.Modulation of Eastern North Pacific hurricanes by the Madden-Julian Oscillation[J].J Climate,13(9):1451-1460.

Maloney E D,Hartmann D L.2000b.Modulation of hurricane activity in the Gulf of Mexico by the Madden-Julian Oscillation[J].Science,287(5460):2002-2004.

McBride J L,Zehr R.1981.Observational analysis of tropical cyclone formation.Part II:Comparison of non-developing versus developing systems[J].J Atmos Sci,38(6):1132-1151.

Molinari J,Vollaro D.2000.Planetary-and synoptic-scale influences on Eastern Pacific tropical cyclogenesis[J].Mon Wea Rev,128(9):3296-3307.

Nakazawa T.1986a.Intraseasonal variations of OLR in the tropics during the FGGE year[J].J Meteor Soc Japan,64(1):17-34.

Nakazawa T.1986b.Mean features of 30—60 day variations as inferred from 8-year OLR data[J].J Meteor Soc Japan,64(5):777-786.

Peng M S,Fu B,Li T,et al.2012.Developing versus nondeveloping disturbances for tropical cyclone formation.Part I:North Atlantic[J].Mon Wea Rev,140(4):1047-1066.

施能,顧駿強(qiáng),黃先香,等.2004.合成風(fēng)場的統(tǒng)計檢驗和蒙特卡洛檢驗[J].大氣科學(xué),28(6):950-956.Shi Neng,Gu Junqiang,Huang Xianxiang,et al.2004.Significance test and Monte Carlo test used in composite analysis of window field and applications[J].Chinese J Atmos Sci,28(6):950-956.(in Chinese).

Sobel A H,Maloney E D.2000.Effect of ENSO and the MJO on Western North Pacific tropical cyclones[J].Geophy Res Lett,27(12):1739-1742.

Straub K H,Kiladis G N.2010.Interactions between the boreal summer intraseasonal oscillation and higher-frequency tropical wave activity[J].Mon Wea Rev,131(5):945-960.

孫長,毛江玉,吳國雄.2009.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對夏季西北太平洋熱帶氣旋群發(fā)性的影響[J].大氣科學(xué),33(5):950-958.Sun Zhang,Mao Jiangyu,Wu Guoxiong.2009.Influences of intraseasonal oscillations on the clustering of tropical cyclone activities over the western North Pacific during boreal summer[J].Chinese J Atmos Sci,33(5):950-958.(in Chinese).

陶麗,李雙君,濮梅娟,等.2012.熱帶大氣準(zhǔn)雙周振蕩對西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋路徑的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報,35(4):404-414.Tao Li,Li Shuangjun,Pu Meijuan,et al.2012.Impact of QBW on TC’s track change over the western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,35(4):404-414.

陶麗,靳甜甜,濮梅娟,等.2013.西北太平洋熱帶氣旋氣候變化的若干研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué)學(xué)報,36(4):504-512.Tao Li,Jin Tiantian,Pu Meijuan,et al.2013.Review of the researches on climatological variations of tropical cyclones over western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,36(4):504-512.

田華,李崇銀,楊輝.2010.熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩與對西北太平洋臺風(fēng)生成數(shù)的影響研究[J].熱帶氣象學(xué)報,26(3):283-292.Tian Hua,Li Chongyin,Yang Hui.2010.Modulation of typhoon genesis over the Western North Pacific by intraseasonal oscillation[J].J Trop Meteor,26(3):283-292.(in Chinese).

Wheeler M C,Hendon H H.2004.An all-season real-time multivariate MJO index:Development of an index for monitoring and prediction[J].Mon Wea Rev,132(8):1917-1932.

Wheeler M,Weickmann K M.2001.Real-time monitoring and prediction of modes of coherent synoptic to intraseasonal tropical variability[J].Mon Wea Rev,129(11):2677-2694.

謝安,葉謙.1987.OLR低頻振蕩與西太平洋臺風(fēng)活動的探討[J].氣象,13(10):8-13.Xie An,Ye Qian.1987.Relationship between OLR low-frequency oscillation and the formation of typhoon over the Western Pacific[J].Meteor Mon,13(10):8-13.(in Chinese).

Zhao H,Jiang X,Wu L.2015a.Modulation of Northwest Pacific tropical cyclone genesis by the intraseasonal variability[J].J Meteor Soc Japan,91(1):81-97.

Zhao H,Yoshida R,Raga G B.2015b.Impact of the Madden-Julian oscillation on Western North Pacific tropical cyclogenesis associated with large-scale patterns[J].Journal of Applied Meteorology & Climatology,54(7):1413-1429.

趙威,趙海坤,魏志剛,等.2015.MJO與西北太平洋熱帶氣旋活動的關(guān)系及其年代際變化[J].熱帶氣象學(xué)報,31(2):237-246.Zhao Wei,Zhao Haikun,Wei Zhigang,et al.2015.The modulation and decadal change of Madden-Julian Oscillation on tropical cyclones in the Western North Pacific Ocean[J].J Trop Meteor,31(2):237-246.(in Chinese).

祝從文,Tetsuo Nakazaw,李建平.2004.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對印度洋—西太平洋地區(qū)熱帶低壓/氣旋生成的影響[J].氣象學(xué)報,62(1):42-50.Zhu Congwen,Tetsuo Nakazawa,Li Jianping.2004.Modulation of tropical depression/cyclone over the India-Western Pacific Oceans by Madden-Julian Oscillation[J].Acta Meteor Sinica,62(1):42-50.(in Chinese).

(責(zé)任編輯：孫寧)

杜美芳,徐海明,鄧潔淳.2015.基于CMIP5資料的熱帶太平洋和印度洋海溫變化與降水變化的關(guān)系及其成因分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報,38(6):742-752.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131009001.

Du Mei-fang,Xu Hai-ming,Deng Jie-chun.2015.Relationship between sea surface temperature variation and precipitation variation over tropical Pacific and Indian Ocean and its cause analysis based on CMIP5 data[J].Trans Atmos Sci,38(6):742-752.(in Chinese).

Effect of tropical intraseasonal oscillation on large-scale

enviornment of typhoon genesis over the northwestern Pacific

ZHOU Wei-can1,2,SHEN Hai-bo1,ZHAO Hai-kun1,3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disasters(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Pacific Typhoon Research Center,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:Based on the RMM(Real-time Multivariate Madden-Julian oscillation) index from Australia Meteorological Bureau,the tropical atmospheric intraseasonal oscillation is divided into eight phases.The variations of typhoon genesis frequency and location over the northwestern Pacific during the eight phases are statistically analyzed.It is found that more(less) typhoons generate during the active phases 5,6 and 7(the inactive phases 1,2 and 3) over the northwestern Pacific.The box difference index(BDI) is further used to investigate the differences in environmental factors between the active and inactive phases.Results show that,compared to those during the inactive phases 1,2 and 3,the stronger low level convergence and upper level divergence outflows,the higher relative humidity in middle troposphere,as well as wider areas with small vertical shear can be found during the active phases 5,6 and 7.Moreover,the most significant difference in large scale environment field between the inactive and active phases is dynamical factor,especially low level convergence field.

Key words:atmospheric intraseasonal oscillation;northwestern Pacific;typhoon genesis;environmental factor;box difference index

通信作者：徐海明,教授,博士,研究方向為區(qū)域氣候變化與海氣相互作用,hxu@nuist.edu.cn.

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目;國家自然科學(xué)基金資助項目(41275094);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD);江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”創(chuàng)新團(tuán)隊共同資助

收稿日期：2013-10-09；改回日期：2014-01-15

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141103001

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)06-0731-11P444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A