錢蘇偉，趙立清，王曉春,李慧

(1.南京海維斯海洋信息服務有限公司，江蘇南京210000；2.南京信息工程大學海洋科學學院，江蘇南京210044)

1 引 言

Madden和Julian在上世紀七十年代的觀測研究發(fā)現(xiàn)，熱帶大氣的風場與氣壓場存在一種季節(jié)內(周期40～50天)的低頻振蕩，這種振蕩起源于熱帶印度洋和西太平洋，以緯向東傳為主，此種振蕩后來被稱為熱帶大氣季節(jié)內振蕩Madden-Julian Oscillation(MJO)[1]。研究表明，MJO對臺風活動，比如數(shù)量、強度、生成位置，具有調制作用。Maloney等[2]用EOF方法對MJO位相進行劃分，通過對不同位相合成分析發(fā)現(xiàn)，當MJO處于西風位相時，東太平洋的臺風數(shù)量是MJO處于東風位相時的兩倍，且強度更強。Kim等[3]的工作指出，MJO對臺風生成位置也有重要的調制作用。Zheng等[4]發(fā)現(xiàn)，當MJO處于活躍位相時，中國南海生成的臺風個數(shù)更多，起源地更加偏北。對于MJO調制臺風的機制，國內外學者也進行了探索。田華等[5]發(fā)現(xiàn)，MJO在對流層低層到中層通過影響低頻氣旋或低頻反氣旋的環(huán)流形勢，影響季風槽及副熱帶高壓的位置和強度，進而影響臺風的活動。潘靜等[6]利用澳大利亞氣象局的實時多變量MJO指 數(shù) (Real-time Multivariate MJO index，RMM-MJO)[7]，發(fā)現(xiàn)在MJO的不同位相，西北太平洋地區(qū)的動力因子分布形勢有很明顯的不同：MJO在第2、3位相時，各種因子均呈現(xiàn)出抑制西北太平洋地區(qū)對流及臺風發(fā)展的態(tài)勢，而在第5、6位相時則呈現(xiàn)出促進對流發(fā)展、有利于臺風生成和發(fā)展的態(tài)勢。周偉燦等[8]利用RMM-MJO指數(shù)進一步分析了MJO不同位相時的大尺度環(huán)流背景，比如對流層低層風及相對渦度場、對流層高層風場及散度場、對流層垂直風切變、對流層中層相對濕度等，表明MJO不同位相時，大尺度環(huán)流背景場有明顯不同，可影響臺風的生成及移動。趙海坤等[9]研究了季節(jié)內振蕩與西北太平洋臺風生成頻數(shù)的關系，強調了MJO與準雙周振蕩(Quasi-biweekly Oscillation，QBWO)對西北太平洋臺風生成的聯(lián)合影響，他們發(fā)現(xiàn)西北太平洋上的大多數(shù)臺風都生成在MJO和QBWO同處于活躍位相的時期；而在兩種季節(jié)內振蕩都處于非活躍位相時，生成的臺風數(shù)量非常少。

RMM-MJO指數(shù)針對全年MJO的活動設計，使用了15°S～15°N平均的緯向風及外逸長波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)來描述季節(jié)內振蕩的特征[7]，其各個位相描述了MJO自西向東的移動特征，更加適合使用在北半球冬季。而夏季的季節(jié)內振蕩在印度洋及南海區(qū)域有明顯的北移特征。因而Lee等[10]引入了北半球夏季季節(jié)內振蕩指數(shù) (BorealSummerIntraseasonal Oscillation，BSISO)來描述北半球夏季的季節(jié)內振蕩。與RMM-MJO不同，BSISO指數(shù)使用亞洲夏季風區(qū) (40～160°E，10°S～40°N)的 OLR 及 850 hPa緯向風來定義，其各個位相描述了夏季季節(jié)內振蕩在印度洋及西北太平洋的演變特征。

在關于BSISO指數(shù)的使用研究中，姜貴祥等[11]指出BSISO對中國東部地區(qū)夏季極端降水有重要的調控作用。更進一步，施鴻等[12]通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)BSISO位相影響著中國東南沿海熱帶氣旋暴雨，7、8月熱帶氣旋暴雨主要發(fā)生于BSISO1的第 1、2、7、8 位相，在 BSISO2 第 5、6、7 位相熱帶氣旋暴雨的發(fā)生率也比較高。

分析季節(jié)內振蕩對臺風活動的調制作用時，前人的工作往往采用臺風生成個數(shù)這一指標[13-14]，對于臺風的活動及移動特征，僅使用個數(shù)這一指標是不夠的，因為臺風的路徑及移動并不是很容易定量評價或比較。另外季節(jié)內至季節(jié)時間尺度極端天氣的預報目前也是國際及國內氣象界的熱點問題[15]，當評價季節(jié)內至季節(jié)尺度的預報系統(tǒng)對臺風的預報技巧時，使用臺風位置及路徑便會產(chǎn)生一些困難問題，因為在季節(jié)內至季節(jié)時間尺度，預報系統(tǒng)往往不能準確預報出臺風的位置甚至臺風的生成。因而本文中將使用臺風密集度這一指標，這一指標以概率的形式描述臺風生成及移動的特征，使用起來更加靈活。

本文利用夏季季節(jié)內振蕩指數(shù)及臺風密集度這一評估手段，分析夏季季節(jié)內振蕩對臺風活動的調制作用。第2節(jié)介紹了所使用的方法及資料，第3節(jié)分析了夏季季節(jié)內尺度振蕩與臺風活動的關系，并通過OLR與風場異常揭示了夏季季節(jié)內振蕩對臺風活動調制作用的可能機制，第4節(jié)為總結。

2 方法及資料

本文使用的西北太平洋臺風路徑觀測資料來自于美國聯(lián)合臺風預警中心 (Joint Typhoon Warning Center,JTWC，http://www.metoc.navy.mil/jtwc/jtwc.html)。其“最佳臺風路徑”資料集的時間分辨率為6小時，提供每個熱帶氣旋從生成至消亡的位置、風速及海平面氣壓等信息。本研究中選取了1981—2010年中5—10月的資料，使用了位置及風速信息，僅把達到熱帶風暴強度的熱帶氣旋(1分鐘平均最大持續(xù)風速大于17.2 m/s)納入研究范圍。

BSISO指數(shù)為Lee等[10]定義的北半球夏季季節(jié)內振蕩指數(shù)。Lee等通過將亞洲夏季風區(qū)(40～160 °E，10 °S～40 °N)OLR 及 850 hPa緯向風異常場進行濾波處理，對它們進行多變量經(jīng)驗正交函數(shù)分解，從而得到前四個主成分(Principal Component，PC)的時間序列。其中，第1模態(tài)(PC1)和第2模態(tài)(PC2)時間系數(shù)平方和的根為BSISO1指數(shù)的模，第3模態(tài)(PC3)和第4模態(tài)(PC4)時間系數(shù)平方和的根為BSISO2指數(shù)的模。Lee等的分析表明，BSISO1與BSISO2主要時間尺度分別為30～60天和10～30天，能夠較好地代表北半球夏季亞洲季風區(qū)季節(jié)內振蕩的環(huán)流特征及向北傳播的特點。本文直接使用Lee等處理得到的1981—2010年每年5—10月的BSISO指數(shù)(iprc.soest.hawaii.edu/users/jylee/bsiso/)。當分析 BSISO1和BSISO2對臺風的影響時，按照Lee等的處理方法[10]，不考慮夏季季節(jié)內振蕩較弱的時段，即(PC32+PC42)1/2≤1.5和(PC32+PC42)1/2≤1.5 的情況。在去掉這些時段之后，將BSISO1和BSISO2分別分成8個位相(圖2)。由表1可注意到，BSISO位相的樣本數(shù)一般在180～300天之間，最少天數(shù)為187天，最多天數(shù)為308天。因而我們的分析結果對臺風活動有一定的代表性。

與Vitart和Robertson定義的臺風密集度相類似[15]，本文中臺風密集度定義為一天內(以每天0 GMT觀測為準)，500 km范圍內臺風出現(xiàn)的概率。圖1a為2001年5—10月西北太平洋生成的臺風及其路徑，圖1b為依據(jù)圖1a中世界時0時的臺風位置計算的臺風密集度。對比圖1a及圖1b可注意到，對研究區(qū)域中的任意一點，臺風密集度都有定義，可靈活、定量地表示臺風的生成及移動狀況。在實際計算中，將西北太平洋(105～165°E，5～30°N)劃分為水平分辨率為1°的網(wǎng)格，利用每天0 GMT的臺風位置資料，以每個網(wǎng)格點為中心，統(tǒng)計500 km內臺風出現(xiàn)的個數(shù)，得到觀測的臺風密集度。當某一格點500 km范圍內臺風的個數(shù)大于1時，臺風密集度仍取為1。因而本文定義的臺風密集度，為臺風出現(xiàn)的概率，而不是其頻數(shù)。如果使用500 km內臺風出現(xiàn)的個數(shù)，得到的結果將與本文類似，因為在實際觀測中1 000 km范圍內有兩個臺風同時出現(xiàn)的例子僅占總樣本的百分之一。本文將臺風密集度定義為臺風出現(xiàn)的概率，使得臺風密集度這一指標可更方便地用于臺風預報的定量評估并使用Brier Skill Score評價臺風的預報技巧[16]。所以對于每天的臺風密集度，每一網(wǎng)格點的值為1或者0。選取500 km這一參數(shù)，主要是考慮到伴隨臺風的大風及暴雨往往發(fā)生在臺風中心500 km以內。另外本文定義的臺風密集度與 Zhang等[17]定義的臺風生成頻數(shù)(Typhoon Genesis Frequency)不同。Zhang等的臺風生成頻數(shù)為某一范圍內7—10月臺風生成的數(shù)量。其工作表明西北太平洋臺風生成頻數(shù)與前期太平洋海溫異常密切相關，并建立了利用前期太平洋海溫預報臺風生成頻數(shù)的統(tǒng)計模型。

表1 BSISO1與BSISO2不同位相的天數(shù)

為分析夏季季節(jié)內振蕩影響臺風活動的可能機制，本文利用美國NOAA系列氣象衛(wèi)星觀測的1981—2010年5月1日—10月31日2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格的逐日外逸長波輻射[18]與NCEP/Department of Energy產(chǎn)生的2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格的850 hPa再分析風場[19]，分別得到30年的逐日異常，進而使用合成分析的方法計算出BSISO不同位相時外逸長波輻射與850 hPa風場的異常。

3 夏季季節(jié)內振蕩與臺風活動的關系

3.1 合成分析的代表性

表1為 BSISO1及BSISO2的值大于1.5時，1981—2010年5月1日—10月31日每個位相的天數(shù)，每個位相樣本數(shù)量均在100天以上。其中強BSISO1位相的天數(shù)總和為1 820天，占總天數(shù)(5 520天)的32.97%，而強BSISO2位相的天數(shù)總和占總天數(shù)的比率也為32.97%。對于BSISO1位相，第7位相擁有最多的天數(shù)(308)，第4位相擁有最少的天數(shù)(158)，其他位相天數(shù)在200天左右。對于BSISO2位相，天數(shù)分布比較均勻，每個位相分別擁有約220天。BSISO一般由第1位相演變?yōu)榈?位相，依照順序繼續(xù)演變，直到第8位相，之后由第8位相演變?yōu)榈?位相，形成一輪循環(huán)[10]。由表1可注意到，BSISO位相的樣本數(shù)一般在180～300天之間，最少天數(shù)為187天，最多天數(shù)為308天，因而我們的分析結果對臺風活動有一定的代表性。

3.2 夏季季節(jié)內振蕩對臺風活動的調制作用

圖2為1981—2010年5月1日—10月31日期間BSISO1在1～8位相時的平均臺風密集度。當 BSISO1 在 1、5、6、7、8 位相時，南海及菲律賓以東海域臺風密集度偏大，在這些位相，臺風活動進入一個活躍期。而在2、3、4位相時，臺風密集度明顯降低，臺風活動為不活躍期。BSISO1在第5位相時，中國南海地區(qū)臺風密集度比其他地區(qū)大。第6、7位相時菲律賓以東臺風密集度明顯變大，在第8位相時，菲律賓海以東海域臺風密集度達到最高值，此時該地受到臺風影響的概率最大。并且從第5至第8位相，臺風密集度大值區(qū)明顯北移。BSISO1由第8位相轉為第1位相后，西北太平洋臺風密集度減小，第2、3位相臺風密集度接近0，第4位相臺風密集度開始增大，形成新一輪臺風密集度由升高到降低再到升高的循環(huán)。表2表明，南海及菲律賓以東洋面(105～145°E，10～30°N)區(qū)域平均的臺風密集度在第1、5、6、7、8位相顯著偏高，在第2、3、4位相顯著偏低，兩者都通過顯著水平為 0.05 的 t檢驗。BSISO1 處于第 1、5、6、7、8位相時的平均臺風密集度為8.78%，BSISO1處于2、3、4時的臺風密集度為2.68%，兩者相差3.28倍。這一顯著的差異在季節(jié)內至季節(jié)尺度的臺風預報中可供參考。

根據(jù)圖3的OLR和850 hPa風場異常分布圖，BSISO1處于第1位相時，只有臺灣以東海域(140 °E，25 °N)出現(xiàn)小范圍 OLR 負異常，即對流正異常；第2位相時其向東移動并減弱，西太平洋被反氣旋環(huán)流異?？刂?；在3位相時海洋大陸南側海域出現(xiàn)對流；第4～5位相，出現(xiàn)在菲律賓南部的對流正異常向菲律賓北部移動；第6～7位相時對流正異常開始向西北移動，主要集中在中國南海和西北太平洋；第8位相時，對流減弱并移動到臺灣島以東海域。第6～8位相時，在對流活動異常的同時，南海及菲律賓以東海域為氣旋式異常環(huán)流。這樣的大尺度環(huán)流條件有利于臺風的生成和發(fā)展。

BSISO2也可對臺風活動有一定的調制作用。圖4為1981—2010年5月1日—10月31日期間BSISO2處于1～8位相時的臺風密集度。當BSISO2 處于 1、2、3、4、8 位相時，臺風密集度較大且范圍更廣，受臺風影響概率大，為臺風的活躍期。當BSISO2處于5、6、7位相時，臺風密集度較低，受臺風影響的概率小，為臺風的不活躍期。在BSISO2的第1位相，臺風密集度高值區(qū)位于菲律賓東部海域；2、3位相時，臺風密集度增大，并向北移動；第4位相時，BSISO2的臺風密集度達到最高，中心位置位于臺灣島以東的海域；從第2～第4位相，臺風密集度大值區(qū)明顯北移。第5位相時，臺風密集度開始降低；當BSISO2處于6、7位相時，密集度接近0；第8位相時，臺風密集度逐漸增大，高值區(qū)出現(xiàn)在菲律賓海以東的太平洋上，開始新一輪循環(huán)。南海及菲律賓以東區(qū)域平均的臺風密集度在BSISO2第2、3、4位相顯著偏高，在第5、6、7位相顯著偏低，通過了0.05置信度的t檢驗(表 2第二行)。BSISO2第 2、3、4位相平均的臺風密集度是第5、6、7位相平均的臺風密集度的2.21倍。由此可看出，雖然BSISO2對西北太平洋的臺風活動有調制作用，但與BSISO1相比，其調制作用明顯變弱。

從圖5的OLR和850 hPa風場異常分布可注意到，當BSISO2處于第1位相時，對流正異常位于菲律賓東部的海域；在第2位相時，對流向西部移動進入中國南海；第3位相時，對流正異常位于臺灣東部；第4位相時對流主體向東北方向延展；5～6位相對流減弱，西北太平洋主要由對流負異?？刂?；第7位相時，140°E，15°N處開始出現(xiàn)較弱的環(huán)流正異常，并出現(xiàn)反氣旋環(huán)流異常；第8位相時，菲律賓東部對流異常開始增強，完成一輪循環(huán)。和BSISO1處于5～8位相的情形類似，當BSISO2處于1～4位相時，南海及臺灣以東海域對流活動偏強并且為氣旋式環(huán)流異?？刂?，為臺風生成及移動提供了有利的大尺度環(huán)流背景，這和BSISO2處于1～4位相時臺風密集度的分布情形相一致。

為分析BSISO1及BSISO2對臺風活動的聯(lián)合影響，表3展示了BSISO1及BSISO2處于不同位相時，南海及菲律賓以東海域 (105～145°E，10～30°N)區(qū)域平均臺風密集度。為使每種組合有盡量多的樣本，與單獨分析BSISO1及BSISO2的方法不同，表3使用了1980—2010年每年5—10月的所有天數(shù)，沒有考慮BSISO1及BSISO2的值。表3中每種組合的樣本數(shù)在53～159天之間。表中橙色部分表示當BSISO1及BSISO2處于相應的位相時，對應的臺風密集度在0.05置信度下顯著高于1980—2010年5—10月的平均臺風密集度。藍色部分為顯著低于平均臺風密集度的情形。由表3可看出，當BSISO1處于位相5、6、7、8同時BSISO2處于位相2、3、4的情形下，所有這12種組合的臺風密集度都顯著高于平均臺風密集度，并且這12種組合的臺風密集度平均為10.60%。當BSISO1處于位相2、3、4同時BSISO2處于位相5、6、7的情形下，所有這9種組合的臺風密集度都顯著低于平均臺風密集度，并且這9種組合的臺風密集度平均為2.89%。由此可看出，當BSISO1及BSISO2同時處于顯著臺風活躍位相時 (BSISO1 處于位相 5、6、7、8，BSISO2 處于位相2、3、4)，南海及菲律賓以東海域的臺風密集度是BSISO1及BSISO2同時處于臺風不活躍位相時的 3.68 倍(BSISO1 處于位相 2、3、4，BSISO2 處于位相 5、6、7)。這一比值高于 BSISO1或者BSISO2單獨處于臺風活躍及不活躍位相時臺風密集度的比值(BSISO1為3.28，BSISO2為2.21)。因而BSISO1及BSISO2的聯(lián)合作用也將調制臺風活動，甚至比單獨考慮BSISO1及BSISO2時要強，這種聯(lián)合的調制作用也可在業(yè)務預報中參考。

表3 BSISO1及BSISO2處于不同位相時，南海及菲律賓以東海域(105～145°E、10～30°N)區(qū)域平均的臺風密集度(%) 其中彩色底紋為BSISO1及BSISO2位相通過顯著性水平0.05的t檢驗的位相，藍色底紋低于樣本平均臺風密集度，橙色底紋高于樣本平均臺風密集度，黑色框線分別為BSISO1的5、6、7、8位相與BSISO2的2、3、4 位相的交集以及 BSISO1的 2、3、4位相與 BSISO2 的 5、6、7 位相的交集。

4 總 結

本文引入臺風密集度作為臺風生成及移動的指標，臺風密集度定義為一天內500 km范圍內臺風出現(xiàn)的概率。使用臺風密集度，本文證實了夏季季節(jié)內振蕩對臺風的生成及移動有明顯的調制作用。夏季季節(jié)內振蕩BSISO1及BSISO2都對臺風活動有調制作用，且BSISO1對臺風活動的調制作用要強于 BSISO2。當 BSISO1 處于第 1、5、6、7、8位相或者BSISO2處于第2、3、4位相時，南海及菲律賓以東海域臺風密集度增大，臺風活動為活躍期。當BSISO1處于第2、3、4位相或者BSISO2處于第5、6、7位相時，臺風密集度減小，臺風活動為不活躍期。臺風活躍期及不活躍期臺風密集度相差2～3倍。臺風密集度大值區(qū)在不同位相的演變及移動特征，與BSISO1及BSISO2處于不同位相時所對應的夏季季節(jié)內振蕩對流及環(huán)流異常相一致。另外，BSISO1及BSISO2的聯(lián)合作用也將影響南海及菲律賓以東海域的臺風活動，并且強于單獨考慮BSISO1及BSISO2的情形。以上觀測事實對臺風季節(jié)內至季節(jié)尺度的預報有一定參考價值。