邱 婷,左軍成*,王鼎琦,呂曉鳳,劉大海

(1.河海大學海洋學院,江蘇南京210098;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 3.青島海洋科學與技術國家實驗室區(qū)域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266061)

南海海表溫度氣候變異及對局地臺風的影響

邱 婷1,左軍成1*,王鼎琦2,3,呂曉鳳1,劉大海2

(1.河海大學海洋學院,江蘇南京210098;2.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 3.青島海洋科學與技術國家實驗室區(qū)域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266061)

通過分析1951—2010年海表面溫度(SST)數據發(fā)現,南海SST在1980年前后發(fā)生了顯著的氣候變異:與1980年以前相比,南海SST在1980年后平均升高0.44℃,升溫幅度明顯強于西北太平洋。利用同一時期風應力數據分析探討了南海SST氣候變異與南海風應力變化的關系,發(fā)現1980年后南海風應力平均較1980年前減弱了1.04×10-2N/m2,風應力的顯著減弱是導致SST躍升的主要原因。進一步通過數據分析,研究了SST氣候變異對南海大尺度環(huán)流和南海局地臺風活動的影響。結果表明,受SST顯著增暖的影響,1980年后南海臺風多發(fā)季節(jié)大氣環(huán)流發(fā)生北風和西風異常,臺風高頻區(qū)東退,強度顯著增強,登陸中國華南地區(qū)前的氣壓平均較1980年前下降約8.4 hPa,對華南地區(qū)的影響加劇。

南海;海表面溫度;氣候變異;臺風

近100 a來,全球大洋海表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)表現為顯著增暖的趨勢[1],而這種增暖在區(qū)域海盆內的表現特征并不一致[2-4]。就中國近海而言,前人做的較多的工作主要是研究SST的季節(jié)和年際特征[5-7],在年代際變化的研究方面主要為分析SST變化的顯著周期[8-9]。也有少量研究指出中國近海SST增暖在20世紀存在顯著變異,但主要關注東海海域[10-11],對南海SST增溫變異的研究相對較少[12-13],且對這種變異的原因并沒有深入的研究。

局地海洋的SST的變化主要受海面熱通量變化控制[14],而海水熱量的儲存和年際變化在很大程度上受制于海表風場的變化。大氣通過風應力影響海氣界面熱通量,風應力的減弱使得海洋失熱減少,從而引起SST升高[15]。海表風場帶走海表面水汽而形成海氣比濕差,加速海水蒸發(fā)[16],導致潛熱通量增加,進而使得SST降低。南海處于東亞季風區(qū),其SST變化受東亞季風影響顯著[17-18],與風應力變化關系密切[19]。

南海是世界上最大的邊緣海之一,也是受臺風影響最顯著的海區(qū)之一。南海升溫會影響東亞大氣環(huán)流結構而引起臺風路徑變化[20],通過局地作用增強臺風登陸前的強度[21],對我國社會經濟和人員安全造成更大的影響,因此研究南海SST的變化具有重要的現實意義。南海SST在20世紀70年代末發(fā)生了顯著的年代際躍升,但是目前還缺乏對這一現象及其機制分析的工作,缺乏對南海SST增暖變異對南海局地臺風活動長期變化影響的研究。本文主要分析南海SST在1951—2010年的時空變化趨勢以及在1980年前后的氣候躍變,探討南海風應力變化對南海SST變異的影響,同時研究南海SST的氣候變異對臺風多發(fā)季節(jié)南海大氣環(huán)流與局地臺風的路徑及強度的影響,加強對全球變暖氣候背景下南海局地臺風演變的認識,為我國臺風的預報及防災減災工作做出一定貢獻。

(王 燕 編輯)

1 數據及方法

為研究南海(South China Sea,SCS)海表面溫度(SST)的變化特征及對南海局地臺風的影響,本文選用數據空間范圍為2°30'S～24°N,99°～120°E,包括了南海及部分附近海域。海表面溫度(SST)數據采用英國氣象局哈德利中心(Met Office Hadley Center)1951—2010年月均SST數據,空間分辨率為1°×1°;風應力數據使用美國環(huán)境預報中心和美國大氣研究中心(NCEP/NCAR)1951—2010年的月均再分析數據,數據為高斯格點資料,全球共有192×94個格點。大氣環(huán)流為NCEP資料700 h Pa風場,時間分辨率為6 h,水平分辨率為1°×1°。臺風數據采用日本氣象廳(Japan Meteorological Agency,JMA)1951—2010年臺風最佳路徑數據,該數據集提供每6 h 1次的臺風中心位置、最低海表面氣壓(Minimum Sea Level Pressure,MSLP)以及從1977年開始的10 min平均的最大風速。將5—10月定義為臺風多發(fā)季節(jié),11月至次年4月定義為臺風少發(fā)季節(jié)。根據JMA臺風最佳路徑資料,將每6 h 1次的臺風中心及臺風強度(本文使用MSLP代表臺風強度)統計到研究海域1°×1°的網格上,得到南海臺風頻數及強度的空間分布。

2 南海SST的氣候變異

本文分別對1951—1980年和1981—2010年期間的SST進行對比分析,從上升速率、空間分布等方面研究不同時期SST的變化特征。從增溫的時間變化來看,南海SST存在明顯的上升趨勢,升溫速率為0.013 5℃/a,60 a平均上升超過0.8℃。對比1980年前后兩個氣候態(tài)時期,如圖1所示,南海SST發(fā)生了顯著的氣候變異:1980年以后南海平均SST比1980年以前升高了0.44℃,升溫明顯強于西北太平洋(0.20℃)。從增溫的空間分布來看(圖2),南海大部分海區(qū)均有顯著的增暖。1980年前(后),南海海盆整體處于冷(暖)相位,較1951—2010年平均值低0.3℃(高0.3℃)。SST變化較強處體現在南海東北部海區(qū)及馬來西亞外海,變化最強處相比1951—2010年平均升高超過0.4℃。將1980年前后時期夏季(6—8月)和冬季(12月至次年2月)SST氣候態(tài)平均分別與夏季、冬季完整氣候態(tài)平均相比較,發(fā)現SST年均變化特征主要與冬季一致(圖略)。

圖1 南海和西北太平洋SST時間序列Fig.1 Time series of SST of SCS and Northwest Pacific Ocean

圖2 SST氣候變異的空間分布Fig.2 Spatial pattern of climatological SST

3 風應力變化對SST氣候變異的影響

大氣通過風應力影響海氣界面熱通量,前者的減弱使得海洋失熱減少,從而導致SST升高[15]。1951—2010年期間南海風應力表現為明顯的下降趨勢,與SST變化趨勢相反。通過99.9%顯著性檢驗的相關分析顯示,風應力和SST變化存在顯著的負相關關系,相關系數為-0.629 4(圖3a)?？紤]大氣對海洋影響過程的適應時間,進一步利用超前滯后相關分析,結果表明風應力的變化超前于SST的變化1個月時兩者有最好的負相關性(圖3b)。與SST變異發(fā)生時間類似,風應力在1980年前后出現一個突然的下降[22]:1980年后南海風應力平均較1980年以前減弱了1.04×10-2N/m2。與前人對海氣相互作用的研究相聯系,可以推斷南海SST的氣候態(tài)增強主要是由南海風應力的氣候態(tài)減弱造成的。

圖3 風應力與SST的超前滯后相關Fig.3 Lead-lag correlation between wind stress and SST

如圖4所示,SST與風應力在空間分布上也有顯著的負相關關系。夏季南海SST與風應力整體表現為強烈的負相關,尤其以南海中部風急流區(qū)最為明顯(相關系數＜-0.5,超過99%的置信檢驗)。冬季,南海SST與風應力的負相關關系主要表現在南海北部和南海南部,負相關系數絕對值大于0.4。南海中部因受到冬季東北季風和從呂宋海峽進入黑潮暖水的影響[23],SST和風應力表現為正相關關系。1951—2010年氣候態(tài)平均結果與冬季較為相似。SST與風應力的相關性分析進一步說明南海SST的氣候態(tài)變異主要是由南海風應力變異導致的。

圖4 SST與風應力相關系數分布Fig.4 The correlation between climatological mean SST and wind stress in SCS

4 SST氣候變異對南海臺風活動的影響

4

.1 臺風頻數的變化

南海臺風主要有兩個來源,大部分生成于西北太平洋,受大尺度環(huán)流及beta效應控制西行進入南海[24],稱為西太傳入臺風;其余部分受南海局地海氣條件控制直接在南海海盆生成,稱為土臺風。本文將兩個源地的臺風統一稱為南海局地臺風,統計研究海域每1°×1°的網格里臺風觀測記錄頻數,以此說明每個網格所表示區(qū)域臺風活動的頻繁程度,反映在南?；顒拥木值嘏_風的路徑變化。由圖5a可以看出,南海臺風活動分布在6°N以北[25],主要集中在呂宋群島、呂宋海峽至我國華南沿海的南海東北部海區(qū),表現為東南—西北走向的臺風高頻帶,這與前人研究[24]一致。

作為典型的中尺度天氣系統,臺風的路徑及強度的局地變化受局地SST影響顯著[26-27],因此南海SST的氣候變異必然會對南海局地臺風帶來時間和空間上的影響。對比圖5b和圖5c可以看出,相較于1980年以前,1980年后廣東沿海、海南島附近海區(qū)的臺風頻數減少,臺風活躍區(qū)向東移動,更加靠近呂宋群島。

南海局地升溫會誘導Rossby波產生,引起南海大尺度環(huán)流的變異。而臺風的移動受環(huán)流的引導,其中對流層中層環(huán)流的引導作用尤為重要。700 hPa與500 hPa以及多層加權平均組合環(huán)流等被廣泛應用在大尺度環(huán)流對臺風的引導作用研究上[28-30],考慮研究海域為南海,本文選用700 hPa環(huán)流作為引導氣流,分析南海大尺度環(huán)流對南海臺風移動路徑的引導作用。圖6a顯示南海臺風的東南—西北走向與南海臺風多發(fā)季節(jié)的大尺度環(huán)流方向相符,南海中北部及呂宋海峽東部的引導氣流為東南風,誘導西北太平洋生成臺風及南海東部生成的臺風向西向北運動。南海SST于1980年前后的年代際躍升對大尺度環(huán)流產生影響,臺風多發(fā)季節(jié)在南海的中部和東部表現為北風和西風異常(圖6b),使得南海臺風高頻區(qū)東退[20]。

圖5 臺風頻數分布Fig.5 Spatial distribution of typhoon frequencies

圖6 氣候態(tài)平均臺風多發(fā)季節(jié)的700 hPa引導氣流Fig.6 Climatological mean steering flows at 700 hPa in typhoon seasons

4.2 臺風強度的變化

臺風強度可以依據近中心最大風速與氣旋中心最低海表面氣壓(MSLP)刻畫,本文選用MSLP氣壓來描述臺風強度,每個網格臺風氣壓值反映該網格所表示區(qū)域的臺風強度,中心氣壓越低,臺風強度越強。

南海處于熱帶海區(qū),海表高溫(SST＞26.5℃)十分有利于氣旋的形成及對流發(fā)展(圖7a),為進入南海的臺風的發(fā)展提供充足的熱量來源。受南海暖濕洋面的影響,南海臺風在登陸華南沿海或越南之前,或東北行離開南海之前強度達到最強[31],存在2個強臺風區(qū):南海西北部海南島附近海區(qū)及呂宋海峽附近海區(qū)。

圖7 臺風氣候態(tài)平均強度Fig.7 Climatological mean intensity of typhoons in SCS

研究表明,臺風在南海的強度變化受南海SST影響極為明顯,南海SST的升高導致臺風在登陸前的強度顯著增強[32],因而1980年以后南海平均SST升高0.44℃使得南海兩個強臺風區(qū)的臺風強度都有顯著的提高(圖7b和7c)。其中海南島附近海區(qū)雖然1980年后SST升高不明顯,但臺風成長過程中經過明顯增暖的南海東部海面而強度得以增強,同時強熱帶氣旋的beta效應較強,故海南島海區(qū)臺風強度亦有明顯增強。對該海區(qū)1980年前后時期臺風平均強度比較發(fā)現,1980年以后臺風登陸中國華南前的氣壓平均比1980年以前下降約8.4 hPa,臺風強度增強顯著,對我國華南地區(qū)的影響加劇。

5 結 論

本文利用Hadley中心月均SST,NCEP/NCAR月均風應力,700 hPa風場及JMA臺風資料,研究了南海SST于1980年前后的氣候躍遷,并討論該變異與風應力的相關,對臺風多發(fā)季節(jié)南海大尺度環(huán)流及局地臺風演變的影響。結果顯示1951—2010年南海SST存在明顯的上升趨勢,于1980年前后發(fā)生了顯著的氣候態(tài)增暖,1980年后SST相較于1980年前上升達0.44℃。南海東北部海區(qū)及馬來西亞外海SST變化強烈,SST整體年均變化特征與冬季較為一致。

1951—2010年期間南海風應力總體表現為下降趨勢,并在1980年前后突然發(fā)生明顯下降,與SST變異發(fā)生時間相近,1980年后風應力平均較1980年前減弱了1.04×10-2N/m2。通過相關性分析發(fā)現南海SST的氣候態(tài)增暖與南海風應力氣候態(tài)減弱密切相關,平均相關系數達到-0.629 4,風應力超前1個月時相關性最強。空間上,夏季整體表現為強烈的負相關,冬季主要表現在北部和南部。

南海SST的氣候態(tài)增暖對南海臺風活動產生了顯著的影響。SST于1980年前后的變異影響了大尺度環(huán)流,使得臺風多發(fā)季節(jié)大尺度環(huán)流在南海中部和東部表現為北風和西風異常,使得臺風高頻區(qū)東退,向呂宋群島附近海區(qū)集中,廣東沿海、海南島附近海區(qū)的頻數減少。在臺風強度方面,SST的氣候態(tài)躍升導致臺風登陸前的強度顯著增強,南海西北部海南島附近海區(qū)及呂宋海峽附近海區(qū)的兩個強臺風區(qū)的臺風強度都有明顯提高。1980年后臺風登陸中國華南前的中心氣壓平均較1980年前下降約8.4 h Pa,意味著臺風對我國華南地區(qū)的影響加劇。

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Variation of Climatological Sea Surface Temperature and Its Effect on Local Typhoon Activities in the South China Sea

QIU Ting1,ZUO Jun-cheng1,WANG Ding-qi2,3,LüXiao-feng1,LIU Da-hai2
(1.College of Oceanography,Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 3.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China)

Observational data analysis from 1951 to 2010 revealed that the variation of climatological sea surface temperature(SST)in the South China Sea(SCS)around 1980.Results suggested that the average SST during the period from 1981 to 2010 increased by 0.44℃,comparing with that during the period from 1951 to 1980 in SCS,This increase in SCSis substantially higher than that in the Northwest Pacific Ocean. The relationship between SST climatology variation and wind stress was discussed.It was shown that wind stress weakened by 1.04×10-2N/m2in the period 1951-1980 compared to the period 1981-2010 in SCS. The significant increase of SST was attributed to the weakened wind stress over the SCS.Further research was carried out about the effect of climatological SST variation on steering flow and local typhoon activities in the SCS.Results showed that the SST variation led to a northerly and westerly anomaly in the atmospheric circulation after 1980 in SCS,which resulted in eastward moving of typhoon activities in SCS.In the period 1951-1980,the averaged central pressure of typhoon decreased by 8.4 h Pa before landing on South China compared to the period 1981-2010.Typhoon intensity enhanced by SST variation,led to more severe impacts on South China.

South China Sea;sea surface temperature;climatology variation;typhoon

P731.11

A

:1671-6647(2017)01-0032-08

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.004

2016-08-26

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目——上層海洋對臺風的響應及調制機理研究(2013CB430302);“全球變化與海氣相互作用”專項——印度洋-太平洋海洋環(huán)境變異與海氣相互作用(GASI-IPOVAI-04)和海洋動力系統可預報性研究(GASI-IPOVAI-06);國家科技重大專項——典型海洋現象大數據分析預報技術(2016YFC1401905)

邱 婷(1992-),女,江蘇南京人,碩士研究生,主要從事海氣相互作用、氣候變化方面研究.E-mail:qiuting@hhu.edu.cn

*通信作者:左軍成(1965-),男,山東日照人,教授,博士生導師,主要從事氣候變化方面研究.E-mail:zuo@ouc.edu.cn

Received:August 26,2016