張可 方娟

(1 南京大學 大氣科學學院， 南京 210023;2 中尺度災害性天氣教育部重點實驗室，南京 210023)

引 言

臺風是形成于熱帶及副熱帶洋面上、具有有組織對流、深厚渦旋并伴隨劇烈大風、降水的天氣尺度系統(tǒng)。深厚的暖水層、良好的熱力和動力配置使得西北太平洋成為了全球臺風最頻發(fā)的區(qū)域[1]。當暖池次表層海溫處于熱狀態(tài)時，臺風偏少，生成位置偏向于西北太平洋西北側(cè)，更靠近東亞大陸[2-3]；近幾十年來西北太平洋臺風頻數(shù)下降和赤道太平洋類拉尼娜(La Nia)海溫變化趨勢有關[4-5]。另一方面，由于西太平洋80%以上的臺風都在季風槽的輻合環(huán)流中生成[6-7]，季風槽位置、強度變異都會直接地影響臺風生成位置和頻數(shù)：季風槽偏強(偏弱)年份，7—9月臺風生成位置更偏向西北太平洋中、東側(cè)(西側(cè))[8]。1999—2013年，季風槽平均位置變動又使得這時期臺風相較于1999年前更頻繁生成于西北太平洋西側(cè)[8-9]。

除大尺度環(huán)境的作用外，各尺度的海氣變率也使西太地區(qū)臺風活動存在明顯的年際和年代際變化。較長的時間尺度上，太平洋年代際濤動(Interdecadal Pacific Oscillation， IPO)各位相海溫引起的垂直風切變的變化是引起熱帶氣旋數(shù)年代際差異的重要原因之一[10]；太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation, PDO)冷(暖)位相時期， 臺風數(shù)明顯偏多(少)[11]。從年際變化來看，臺風活動與ENSO有密切聯(lián)系，之前學者發(fā)現(xiàn)在El Nio事件發(fā)展年，臺風生成位置偏東偏南、強臺風頻數(shù)增多；而La Nia發(fā)展年臺風生成位置偏西偏北且強度偏弱[12-13]。更短的周期上，季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation， MJO)濕位相對應西太地區(qū)更多的熱帶氣旋[14-15]， 準雙周振蕩(Quasi-biweekly Oscillation， QBWO)對熱帶氣旋生成和路徑同樣具有顯著的影響[16]。

而在季節(jié)內(nèi)變率調(diào)節(jié)下，臺風生成在2～3周的周期內(nèi)常出現(xiàn)“集群”現(xiàn)象，即臺風活動具有明顯的群發(fā)性和周期性[17]。西北太平洋群發(fā)事件中生成的臺風數(shù)可達總臺風數(shù)的一半[18]。前人針對臺風群發(fā)機制的探究中，曾指出臺風生成的活躍與不活躍階段對應著季風槽的活躍與不活躍流型[19]；另外眾多學者也認為臺風群發(fā)易出現(xiàn)在MJO濕位相， 這是因為濕位相期間大氣低層維持的較大尺度的低頻氣旋性環(huán)流為天氣尺度的臺風生成提供了有利的背景環(huán)流場[20-21]；類似的，QBWO濕位相、事先已存在的臺風引起的Rossby能量頻散、以及大尺度輻合背景下東風波西傳的能量累積都有可能引起臺風群發(fā)[22-23]，各類熱帶波動傳播時激發(fā)的擾動對臺風群發(fā)都具有重要影響。

總體來看，目前年際、年代際變率下對臺風個例影響的研究已有很多，但對臺風群發(fā)事件的討論依然較少。另外，以往的研究多將臺風頻數(shù)的年代際變化和臺風的群發(fā)性視為兩個獨立問題，缺乏針對這兩者之間聯(lián)系的討論。因此，本文將重點關注1979—2018年6—10月發(fā)生于西北太平洋地區(qū)的臺風群發(fā)事件及其對應的臺風生成頻數(shù)，通過分析大尺度環(huán)境配置、熱帶擾動頻數(shù)以及MJO信號來揭示導致群發(fā)序列變化的可能成因。

1 資料與方法

1.1 資料

本文主要關注1979—2018年西北太平洋地區(qū)(含中國南海)達到熱帶低壓強度以上(即中心最大風速達到10.8 m·s-1以上)的臺風，并設置研究時段為6—10月，即整個西太臺風季期間。采用的臺風資料為日本氣象廳臺風最佳路徑數(shù)據(jù)，該資料提供了臺風個例逐6 h的位置和強度信息，并且以第一時刻達到熱帶低壓強度的位置作為該臺風的生成位置。

為分析臺風群發(fā)背景場特征，采用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)水平分辨率為1°×1°的ERA-Interim逐6 h以及逐日風場、相對濕度、海表面溫度、散度、相對渦度資料。還有澳大利亞氣象局提供的RMM實時多變量MJO指數(shù)(Real-time Multivariate MJO Index)，這一指數(shù)主要用來分析西北太平洋地區(qū)臺風群發(fā)事件與季節(jié)內(nèi)振蕩之間的聯(lián)系。

1.2 方法

1.2.1 臺風群發(fā)事件的定義

到目前為止，國內(nèi)外針對臺風群發(fā)事件已有了諸般不同的定義，總體而言可分為兩類：第一類重點關注各臺風生成時刻的時空相關性，即要求2個臺風生成時間前后相鄰且水平距離較近[24-25]；第二類關注臺風之間的共存狀態(tài)，即要求某海域有2個或3個以上臺風同時存在[23，26]。經(jīng)過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)這兩類定義都能在一定程度上反映環(huán)境強迫和低頻振蕩影響下發(fā)生的臺風群發(fā)事件。但由于西北太平洋暖池區(qū)域廣闊、影響系統(tǒng)多變，第一類定義中最普遍的是由前后相鄰的兩臺風組成的群發(fā)事件[26-27]，且不能包含臺風前期發(fā)展和移動緩慢，生成后較長時間才達到一定強度并觸發(fā)群發(fā)的過程。第二類定義僅限制了臺風共存時的距離，不能排除臺風生成時刻相差過大而在移動過程中偶然間距離相近的情況。因此，綜合上述兩類定義，在要求臺風之間生成時刻相近的前提下，既包含“同時同地”臺風群發(fā)的情況，又考慮在臺風長時間維持期間可能引起的群發(fā)，相較于已有定義不失為一種更為全面的考量，即規(guī)定：所有1979—2018年6—10月在西北太平洋地區(qū)生成的臺風，若其滿足以下任意1個標準，則可視為群發(fā)臺風：(1)生成時間(臺風生命期內(nèi)初次達到熱帶低壓強度的時刻)前后相鄰的2個臺風，若其生成時間間隔≤90 h，生成位置相對距離≤4 000 km，則可以被判定為群發(fā)臺風。其中90 h的閾值由1979—2018年6—10月所有臺風個例“前后生成時間間隔平均值減去時間間隔標準差再除以2”確定，精確到小時；4 000 km的閾值考慮了主要引起西太臺風群發(fā)活躍的機制(如臺風自身能量頻散、東風波能量累積和低頻振蕩)的空間尺度，在這些過程中連續(xù)生成的群發(fā)臺風距離都應在4 000 km以內(nèi)[25]。(2)某時刻西北太平洋地區(qū)同時有3個或3個以上臺風存在，若它們相互之間最近距離≤3 000 km，前后生成時間間隔≤168 h，則可以被判定為群發(fā)臺風。其中3 000 km、168 h的閾值由以下規(guī)定得到：盡量使定義(2)和定義(1)的限制強度相近，即令兩者所得的群發(fā)臺風數(shù)相近并都能夠包含絕大部分典型群發(fā)事件。相較于定義(1)，定義(2)是針對臺風整個生命周期的定義，所以距離閾值理應取得更小——最終取3 000 km和168 h時定義(2)的補充使得群發(fā)臺風數(shù)相對于僅使用定義(1)增加約10%。

上述定義都規(guī)定前后連續(xù)的2個及2個以上個數(shù)的群發(fā)臺風共同組成一次臺風群發(fā)事件。

1.2.2 突變性、顯著性的檢驗

采用Lepage突變檢驗方法[28-29]，判斷1979—2018年6—10月臺風群發(fā)年序列突變年份、檢驗其顯著性，子區(qū)間取9 a[30]。對于給定的顯著性水平α，當Lepage統(tǒng)計序列出現(xiàn)極大值且超過自由度為2的χ2分布時，表示序列在此年存在突變。采取雙邊t檢驗方法檢測合成均值之間的差異顯著性。

1.2.3 大尺度環(huán)境場去除臺風擾動方法

參考Schreck， et al[31]，采用以距臺風中心距離為基準的加權(quán)函數(shù)來去除大尺度環(huán)境場中臺風系統(tǒng)帶來的擾動，基本步驟為：(1) 當天的觀測場A(用再分析數(shù)據(jù)代表)減去當天的氣候場Aclim，獲得異常場Aa；(2) 臺風中心附近的異常擾動主要是臺風所引起，離開臺風中心，臺風對異常擾動的貢獻逐漸減小。為大致反映臺風對異常擾動的貢獻隨半徑增加而減小的情況，假設臺風造成的擾動在異常場Aa中的權(quán)重w(x，y)隨半徑r呈均值為0、標準差為R(2ln2)-1/2的類正態(tài)分布

(1)

則臺風擾動場AaTC可以表示為

(2)

(3)

在此假設下，臺風中心處的異常完全由臺風造成，半徑R處的異常一半由臺風造成，2R處臺風造成的異常權(quán)重僅為0.062 5(當R=500 km)，因此再向外臺風的擾動便忽略不計。

文中所有臺風生成時刻大尺度背景場的合成分析，均是先對每個時刻的各個層次進行去擾動處理，隨后再合成的。

1.2.4 熱帶氣旋生成潛勢指數(shù)

通過計算各時段以及各類臺風生成時刻合成的熱帶氣旋生成潛勢指數(shù)(Genesis Potential Index， GPI)[32]，分析大尺度環(huán)境配置對于臺風生成的有利程度。具體公式形式如下：

GPI=|105η|3/2×(1+0.1Vs)-2

(4)

其中:η為850 hPa絕對渦度(單位: s-1)；RH為700 hPa相對濕度(單位: %)；Vpot為臺風最大理論強度(單位: m·s-1)[33]；Vs為200 hPa與850 hPa間垂直風切變(單位: m·s-1)；ω為500 hPa垂直速度(單位: Pa·s-1)。

參考LI， et al[34]，通過計算GPI指數(shù)差異ΔGPI，進一步比較上式各項的相對貢獻大小。若令：

Term1=|105η|3/2，

Term2=(1+0.1Vs)-2，

Term3=(RH/50)3，

Term4=(Vpot/70)3，

Term5=[(-ω+0.1)/0.1]。

則

ΔGPI=t1+t2+t3+t4+t5，

(5)

其中：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

1.2.5 “TRACK”渦動路徑識別方法

采用渦動路徑追蹤方法“TRACK“，識別臺風渦旋以及它前期和后期的低壓階段[35]。首先，對逐6 h的1 000、850、700和600 hPa相對渦度進行垂直平均。與Hodges[35]不同的是，我們在最低層增加了1 000 hPa層次來保證洋面上空低層擾動的影響權(quán)重；其次，利用Butterworth濾波器對逐時次要素場進行低通濾波，保留水平尺度500 km以上的擾動；最后，采用B樣條插值和最大梯度下降最小化方法確定全球范圍內(nèi)的所有網(wǎng)格點渦度最大值并進行細化以識別出格點間最大值，再以最鄰近原則將這些最大值點的軌跡連結(jié)起來并進行訂正[36]，以求得到更高精度的渦度擾動路徑[37]。本文關注每年6—10月位于群發(fā)密集區(qū)內(nèi)(5°～20°N， 110°～180°E)相對渦度不低于1×10-5s-1的擾動。

2 西北太平洋地區(qū)臺風群發(fā)事件的統(tǒng)計特征

基于前文定義，對1979—2018年6—10月西北太平洋地區(qū)臺風群發(fā)進行逐年統(tǒng)計(圖1a—b)，期間年均群發(fā)事件4.5次，年均群發(fā)臺風11.6個，占6—10月年均總臺風數(shù)的59%。1994年群發(fā)臺風最多，5次事件中共有29個臺風生成，占當年臺風總數(shù)的91%，序列總體形勢與Schenkel[18]的結(jié)果相近。1990s中后期，群發(fā)事件數(shù)和群發(fā)臺風數(shù)突變減少，并在減少后始終維持低值。為明確突變的可信程度，對圖1a—b群發(fā)事件數(shù)和群發(fā)臺風數(shù)時間序列進行Lepage突變檢驗，子區(qū)間取9 a并采用雙邊t檢驗驗證顯著性，結(jié)果如圖2a—b所示?？梢娙喊l(fā)事件及其對應的臺風數(shù)突變發(fā)生在1995/1996年前后，突變顯著性通過了α=0.1的顯著性檢驗(圖3a—b)。而HUANGFU， et al[29]和LIU， et al[38]也指出西太平洋臺風總頻數(shù)于1997/1998年發(fā)生了顯著年代際突變，由此可見臺風頻數(shù)與臺風群發(fā)事件的減少之間有很好的對應關系。

圖1 三類群發(fā)性質(zhì)臺風逐年(a、c、e)群發(fā)事件數(shù)和(b、d、f)群發(fā)事件中生成的臺風數(shù)(虛線分別表示1979—1996年和1997—2018年平均值):(a、b)MTC; (c、d)MTC2; (e、f)MTC3Fig.1 The numbers of(a,c,e)events and (b,d,f)typhoons three types of mass typhoons generated during MTC events of three types of mass typhoons (The dashed line indicate the average of 1979-1996 and 1997-2018):(a,b)MTC; (c,d)MTC2; (e,f)MTC3

圖2 1979—2018年6—10月非群發(fā)臺風數(shù) 及其5 a滑動平均Fig.2 The number of single typhoons and its five-year moving average from June to October during 1979-2018

參考之前學者的分類[26]，根據(jù)群發(fā)性質(zhì)差異對所有生成于1979—2018年6—10月的臺風個例進行劃分：將單獨生成的臺風，認為是非群發(fā)臺風；將屬于群發(fā)事件中生成，但事件中有且僅有2個臺風成員，表示為“MTC2”；將屬于群發(fā)事件中生成，且事件中有3個或3個以上臺風成員，表示為“MTC3”。圖1c—d表明MTC2群發(fā)僅在1990和2013年出現(xiàn)2次高值，其余年份均發(fā)生2次事件左右，1996年前后時間序列均值差異很小，圖3c—d也顯示MTC2事件數(shù)和臺風數(shù)沒有突變減少現(xiàn)象存在。相對地，1979—2018年共有10 a發(fā)生了3次或4次的MTC3事件，其中8 a在1996年前，1996年前后MTC3事件、臺風數(shù)均值差異顯著性通過了α=0.05的顯著性檢驗(圖1e—f)，圖3e—f也顯示1996年MTC3事件數(shù)突變顯著性通過了α=0.05的顯著性檢驗，臺風數(shù)突變通過了α=0.1的顯著性檢驗，MTC3群發(fā)的突變減少現(xiàn)象真實可信。

值得注意的是，2016—2018連續(xù)3 a出現(xiàn)了生成5個及5個以上臺風的群發(fā)事件(2001—2015年都沒有出現(xiàn))，意味著2015年后西太平洋地區(qū)氣候背景可能已經(jīng)發(fā)生變化。為保證討論的合理性，下文關注1979—2014年臺風情況，將1979—1996年定為群發(fā)多發(fā)期，記作P1；1997—2014年定為群發(fā)少發(fā)期，記作P2。兩個時段不同性質(zhì)的臺風群發(fā)數(shù)的對比如表1所示。在多(少)發(fā)期，年均臺風群發(fā)事件4.4(3.4)次，平均每次事件包含臺風3.1(2.7)個?？梢娙喊l(fā)少發(fā)期不僅事件數(shù)少了，而且平均每次事件包含的臺風數(shù)也有所減少。另外，P1時段臺風季年均生成21.2個臺風，其中7.3個為非群發(fā)，P2時段年均僅生成18個臺風，其中8.8個為非群發(fā)，非群發(fā)臺風數(shù)呈現(xiàn)逐步上升趨勢(圖2)，說明西太平洋地區(qū)主要是群發(fā)事件及群發(fā)臺風數(shù)的減少導致了P2期間臺風頻數(shù)的整體減少。兩個時段MTC2和MTC3事件年均發(fā)生數(shù)及對應的臺風數(shù)。P1—P2時段年均MTC3事件減少1.17次，每次事件平均減少0.17個臺風。從前文已知MTC2臺風數(shù)在1996年前后的均值差異和突變性都明顯小于MTC3群發(fā)，可見1990s中后期西北太平洋地區(qū)臺風群發(fā)事件的減少主要來自包含3個及3個以上臺風的群發(fā)事件減少的貢獻。

圖3 三類群發(fā)性質(zhì)臺風逐年(a、c、e)群發(fā)事件數(shù)和(b、d、f)群發(fā)事件中生成的臺風數(shù)的Lepage突變檢驗(紅虛線為α值，即突變檢驗顯著性水平): (a、b)MTC; (c、d)MTC2; (e、f)MTC3Fig.3 Lepage test for (a,c,e)the numbers of MTC, MTC2 and MTC3 events and (b,d,f)typhoons generated during MTC events of three types of mass typhoons(The red dotted line is α, which indicates the confidence level of both):(a,b)MTC; (c,d)MTC2; (e,f)MTC3

表1 不同性質(zhì)群發(fā)事件的年均群發(fā)事件數(shù)和群發(fā)臺風數(shù)Table 1 The numbers of all MTC， MTC2 and MTC3 events and typhoons generated during MTC’s events

綜上，本文通過制定群發(fā)標準將1979—2018年6—10月西太地區(qū)生成的所有臺風個例劃分三類：非群發(fā)、MTC2群發(fā)和MTC3群發(fā)。1996年后MTC3群發(fā)臺風數(shù)減少，MTC2和非群發(fā)臺風數(shù)反而增多。接下來，我們將首先分析三類群發(fā)臺風生成時刻的大尺度環(huán)流形勢，揭示這三類群發(fā)的差異；隨后對比群發(fā)多發(fā)期(P1)和少發(fā)期(P2)之間的熱帶擾動和大尺度環(huán)流場的差異，分析1996年前后MTC3群發(fā)突變減少的原因。

3 西北太平洋地區(qū)臺風群發(fā)事件發(fā)生的大尺度環(huán)流背景

1979—2014年，西太平洋地區(qū)共有非群發(fā)臺風290例，MTC2臺風140例，MTC3臺風275例，圖4為各類型臺風生成時刻海表面溫度、850 hPa水平風以及GPI合成(為突出大尺度環(huán)境的作用，圖4—5均為原始場去除臺風擾動后再合成的結(jié)果)。圖4表明三類臺風生成位置分布在(5°～30°N， 105°～182.5°E)范圍，非群發(fā)臺風相較于群發(fā)臺風更偏西、偏南，并在季風槽線附近及其南側(cè)的西風氣流區(qū)中密集生成，20°N以北較少；MTC2臺風發(fā)生頻數(shù)最少，分布稀疏；而MTC3臺風生成點更密集且更偏北，275例中有68例生成于20 °N以北，占整體的24.7%，高于 MTC2臺風的15.7%(22例)和非群發(fā)臺風的15.5%(45例)。

從海溫背景來看，各類臺風密集生成區(qū)的海表溫度均大于29℃，利于臺風發(fā)生發(fā)展(圖4)。不同的是，MTC3合成的26℃以上海區(qū)分布面積更廣，高溫海域可一直北延至東京灣和對馬海峽，和MTC3臺風較高緯頻發(fā)相對應(圖4g)。850 hPa風場環(huán)流方面，非群發(fā)臺風合成的季風槽以南西風氣流風速最小，南海南部(10°N附近)極大值僅為6 m·s-1(圖4b)。MTC2合成風場中西風氣流風速增大并向東北延伸(圖4e)，MTC3合成的西風氣流最強，且風速最大達到9.5 m·s-1(圖4h)。與風場相對應的，三類臺風合成下140°E季風槽分別位于9°N、12.5°N和15°N，意味著MTC3具有更強的水汽輸送和更偏北的輻合區(qū)。類似的， GPI指數(shù)(圖4 c、f、i)也在MTC2和MTC3的群發(fā)臺風合成中呈現(xiàn)出數(shù)值逐步遞增、中心逐步北抬的形勢，GPI極大值中心基本和季風槽線位置一致， MTC3臺風的活躍與大尺度環(huán)境場更有利的配置顯著相關。

圖4 1979—2014年三類臺風生成時刻的位置(散點)和(a、d、g)海表溫度(單位:℃)、(b、e、h)850 hPa水平風(單位: m·s-1)、(c、f、i)GPI值合成(圖b、e、h陰影為全風速值，黑實線為東西風交界線，圖中均為去除臺風擾動影響后合成的結(jié)果): (a—c)非群發(fā)臺風;(d—f)MTC2臺風; (g—i)MTC3臺風Fig.4 Generating position (scattering point), (a,d,g) sea surface temperature (unit:℃), (b,e,h) 850 hPa wind (unit: m·s-1) and (c,i,f)GPI composition of different types of typhoons at the time of generation from 1979 to 2014 (Filled color in b, e, h is the wind speed values, and the solid black line is the east-west wind boundary line；the figures are results removing the influence of typhoon disturbances): (a-c) single; (d-f) MTC2; (g-i)MTC3

圖5 1979—2014年MTC2臺風與非群發(fā)臺風200 hPa散度(a, 單位: 10-5s-1)、850 hPa相對渦度(b, 單位: 10-5s-1)、 垂直風切變(c, 單位: m·s-1)和1 000 ～ 700 hPa相對濕度(d, 單位: %)合成之差，以及MTC3臺風與非群發(fā)臺風200 hPa散度(e，單位: 10-5s-1)、850 hPa相對渦度(f, 單位: 10-5s-1)、垂直風切變(g, 單位: m·s-1)和1 000 ～ 700 hPa相對濕度(h，單位: %) 合成之差(斜杠(/)為正(負)差值超過α= 0.05顯著性的區(qū)域，黑實線為零值線，黑框為群發(fā)臺風密集生成區(qū)； c、g中矢量箭頭表示群發(fā)臺風與非群發(fā)臺風合成風切變的矢量差，陰影表示二者模之差; 圖中所示均為去除臺風擾動影響后的合成結(jié)果)Fig.5 The difference of 200 hPa divergence (a, unit: 10-5s-1), 850 hPa relative vorticity (b, unit: 10-5s-1), vertical wind shear(c, unit: m·s-1) and 1 000-700 hPa relative humidity (d, unit: %) between MTC2 and single typhoons from 1979 to 2014, and the difference of 200 hPa divergence (e, unit: 10-5s-1), 850 hPa relative vorticity (f, unit: 10-5s-1), vertical wind shear (g, unit: m·s-1) and 1 000-700 hPa relative humidity (h, unit: %) between MTC3 and single typhoons from 1979 to 2014(The slash (/) is the area where the positive (negative) difference exceeds 95% confidence level; the solid black line is the zero value line, and the black box is the MTC typhoon-generating area; the vector arrows in c, g indicate the vector difference of the shear between MTC typhoons and single typhoons, and the filled color indicates the difference between their norms; the figures are results removing the influence of typhoon disturbances)

為明確三類臺風的要素差異，圖5為去除臺風擾動的三類臺風之間200 hPa散度(單位: 1×10-5s-1)、850 hPa相對渦度(單位: 1×10-5s-1)、200～850 hPa垂直風切變和1 000～700 hPa相對濕度合成差值。在群發(fā)臺風密集生成區(qū)內(nèi)(圖中黑框)，MTC2合成的200 hPa散度略大于非群發(fā)臺風(圖5a)，低層氣旋式渦度更強，正值中心偏北(圖5b)。圖5c—d顯示MTC2合成的垂直風切變和低層相對濕度也略高于非群發(fā)臺風，160°E以西、10°N以南和160°E以東、15°N以南的風切變正差值區(qū)和群發(fā)臺風活動時更強盛的低空氣旋式輻合和南北兩側(cè)高空出流有關?？傊?，盡管MTC2和非群發(fā)臺風各要素均顯示出一定差異，但相比于圖5e—h，顯著性通過α=0.05的差值區(qū)域面積占比都不大并且分布零散，MTC3和非群發(fā)臺風之間差值更為顯著。圖5e—h表明高空散度正差值區(qū)分布于整個群發(fā)臺風密集生成區(qū)內(nèi)，850 hPa相對渦度在10°N以北都為顯著正值區(qū)，極大值位于20°N附近并大于1×10-5s-1，和MTC3臺風較高緯多發(fā)相對應；圖5g的垂直風切變形勢和圖5c相似，同樣為西南部東風切變的增強和東北部西風切變的增強；圖5h中MTC3低層相對濕度更高且都能通過檢驗，即在絕大部分情況下，MTC3事件發(fā)生時的大尺度環(huán)境配置都比非群發(fā)臺風生成時有利得多。

綜上可知，非群發(fā)和MTC2臺風合成場的差異很小，而MTC3臺風無論是高低空風場還是水汽配置都明顯優(yōu)于非群發(fā)臺風，意味著MTC3事件的發(fā)生需要更好的環(huán)流形勢。那么在P2時段MTC3事件的突然減少是否與環(huán)流形勢發(fā)生的變化相關？

圖6 1979—2014年6—10月(a)逐年影響西北太平洋的擾動及其5 a滑動平均和(b)逐年(TC數(shù)/擾動數(shù))×100%及其5 a滑動平均Fig.6 The annual number of tropical disturbances with its five-year moving average (a) and annual (TC number divided by disturbance number) ×100% with its five-year moving average (b) over the WNP from June to October, during 1979-2014

4 群發(fā)臺風數(shù)突變成因分析

通過前文分析已知，MTC3臺風生成時有強盛的低空輻合和濕潤的中低層大氣，而1996年前后出現(xiàn)突變減少的正是此類群發(fā)。之前學者的研究也已經(jīng)表明洋面上初始擾動數(shù)目、大尺度環(huán)境場配置以及季節(jié)內(nèi)振蕩的調(diào)節(jié)都會影響臺風的生成頻數(shù)[1，10-11，17-20]。因此本節(jié)將著重分析以下三個方面在P1—P2時段的差異，即：(1)熱帶擾動數(shù)目的變化；(2)MJO信號的變化；(3)大尺度環(huán)境配置的變化，探究MTC3群發(fā)數(shù)在1996年后驟降的原因。

4.1 臺風季熱帶渦動活動特征的變化

前人研究表明，熱帶洋面上活躍的東風波、赤道羅斯貝波等熱帶波動以及MJO等熱帶低頻振蕩播撒的大量渦旋胚胎會使得臺風數(shù)增多。如HUANGFU， et al[29]認為1990s末期發(fā)生的熱帶對流抑制和與之相關的季風槽區(qū)TD型擾動轉(zhuǎn)化為赤道外熱帶低壓減少是造成臺風活動減少的原因。因此我們首先從熱帶洋面初始擾動入手，探究是否是擾動數(shù)目的突變引起了1996年前后群發(fā)臺風數(shù)目隨之變化。

對“TRACK”渦動路徑識別方法整理出的全球范圍1 000～600 hPa平均渦動個例進行篩選，即要求其生命周期中必須存在某一時刻同時滿足：(1)處于當年6—10月；(2)渦動位置位于群發(fā)密集區(qū)(5°～20°N， 110°E～180°)內(nèi)；(3)中心相對渦度值不低于1×10-5s-1，最終共有4 667個渦動符合要求。由于初始擾動的分布位置十分密集，若再利用本文定義的群發(fā)標準篩選以上渦動個例，可得其中4 576個都是符合標準的，“非群發(fā)”擾動的影響可以忽略，因而下文的論述將直接根據(jù)所有渦動的結(jié)果進行分析。圖6a原序列顯示1984—1994年西北太平洋中低層擾動數(shù)波動上升，1994年前后達到峰值并在1996年陡降，滑動平均序列顯示出了連續(xù)5 a的減少趨勢，這一形勢與前文所述的MTC3群發(fā)臺風序列一致。但1998年后擾動并未像MTC3臺風一樣始終維持低值水平：盡管存在一個2008年的極端小值，1999—2014年均擾動仍可達130個，與1979—1996年均擾動數(shù)一致，這意味著2000s以來熱帶擾動到臺風 “轉(zhuǎn)化率”的降低造成了1990s后期至今臺風群發(fā)事件的減少。如果將逐年6—10月臺風數(shù)與圖6a的擾動數(shù)作比以求其“臺風轉(zhuǎn)化率”(圖6b)，可以發(fā)現(xiàn)其變化形勢與我們的假設接近。1996年前轉(zhuǎn)化率維持在17%左右，頻繁出現(xiàn)的擾動在更高的轉(zhuǎn)化率下形成了更多的臺風和MTC3群發(fā)。同樣的，1994—1997年轉(zhuǎn)化率的迅速降低和后期的持續(xù)低值也揭示了P2時段其他因素(如大尺度環(huán)流配置)抑制擾動發(fā)展為臺風，這一部分將在4.3節(jié)中詳細討論。

4.2 MJO的活動特征變化

臺風在次季節(jié)尺度上的集群現(xiàn)象和MJO有密切聯(lián)系，77%的臺風群發(fā)事件發(fā)生在季節(jié)內(nèi)振蕩或準雙周振蕩的濕位相中，臺風群發(fā)活躍年西傳、北傳的季節(jié)內(nèi)振蕩也都普遍強于不活躍年[17，24-25]。圖7a—d顯示P2時段MTC2群發(fā)事件在4～6位相同樣出現(xiàn)了不同程度增多，而MTC3事件前后突變減少明顯。P1時段MTC3臺風在4～6位相分布最多，占所有位相的56%；P2時段臺風數(shù)隨位相變化的波動減小，但4～6位相的臺風數(shù)仍可達到50%。然而，趙威等[39]指出西太地區(qū)所有臺風個例中僅有44%在4～6位相中生成，表明群發(fā)臺風比單個生成的臺風對MJO對流活躍位相的依賴更強，MTC3臺風在P1時段對MJO活躍對流的響應又更強于P2時段。

從振幅角度來看，若以1為閾值區(qū)分大小振幅，可知1996年前后4～6位相內(nèi)除部分大振幅影響下的群發(fā)，仍有大量群發(fā)事件發(fā)生于MJO小振幅日(占4～6位相全部群發(fā)臺風數(shù)的45%)，振幅差異對MTC3事件的影響不大(圖略)。而從位相持續(xù)時長來看，Kajikawa， et al[40]認為1994年后中國南海地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩周期變短可能是導致1998—2010年MJO活躍位相中臺風生成頻數(shù)減少的原因之一。因此我們統(tǒng)計了1979—2014年逐日MJO始終維持某一位相的持續(xù)天數(shù)，得到所有位相平均連續(xù)維持3.82 d，若以大于該均值加0.5倍均方差的日數(shù)判定MJO位相異常維持事件，則可用“5 d”的閾值統(tǒng)計這些異常事件中逐年4～6位相持續(xù)日數(shù)，得到P1和P2時段第4位相年均持續(xù)日數(shù)均為9 d，P1時段第5位相年均14 d，第6位相年均12 d，P2時段第5位相年均12 d，第6位相年均8 d，第6位相前后差異最大(圖7e—f)。由此可見，作為西北太平洋地區(qū)觸發(fā)臺風活動較多的位相[39]，MJO第5、6位相出現(xiàn)和維持日數(shù)的減少以及群發(fā)事件本身對于對流活躍位相的依賴性可能是1996年后MTC3群發(fā)事件數(shù)顯著下降的重要原因。

圖7 1979—1996年和1997—2014年(a、c)群發(fā)臺風數(shù)、(b、d)群發(fā)事件數(shù)在MJO各位相中的分布和(e—f)MJO第5位相和第6位相 持續(xù)5 d及以上的日數(shù)(藍色柱狀為1979—1996年; 紫色柱狀為1997—2014年):(a、b)MTC2; (c、d) MTC3; (e)第5位相; (f)第6位相Fig.7 The distribution of (a,b) members and(c,d)events members in MJO phase in 1979-1996 (blue bar) and 1997-2014 (purple bar), and the number of days which keeps in phase 5 and phase 6 for 5 days or more: (a,b) MTC2; (c,d) MTC3; (e) phase 5; (f) phase 6

4.3 大尺度環(huán)流場的變化

低層相對渦度、表層海溫、中層濕度、層結(jié)穩(wěn)定度、垂直風切變以及科氏參數(shù)的大小等要素會限制已存在的熱帶低壓系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展[41]，不利的要素配置或使大量低壓系統(tǒng)最終無法達到熱帶低壓(Tropical Depression， TD)強度便消散。經(jīng)過前文討論，我們可以想象：是否因為后期環(huán)流配置不利于擾動增強和MJO對流活躍位相維持，以至于P2時段更多的熱帶擾動卻不能發(fā)展為更多的臺風？因此，對1996年前后對臺風生成率影響較大的幾個物理量進行合成平均，并將P2時段與P1時段作差(圖8)。從熱力要素來看，P2時段群發(fā)密集區(qū)內(nèi)海表面溫度顯著增長0.5℃左右，臺風最大理論強度對應增加(圖略)，中低層相對濕度在130°E以東的季風槽以及群發(fā)密集區(qū)北部增加(圖8a—b)。但這一結(jié)果卻和MTC3群發(fā)事件減少的現(xiàn)象相悖，因此仍有其它因素阻止了群發(fā)事件發(fā)生。

圖8 1997—2014年與1979—1996年6—10月各物理量特征(斜杠(/)為陰影正(負)差值超過α =0.05顯著性的區(qū)域， 黑實線為零值線，黑框為群發(fā)臺風密集生成區(qū); c—d中陰影為緯向風速; e中陰影為全風速差值):(a)海表溫度(單位:℃); (b)1 000～500 hPa相對濕度(單位: %);(c)850 hPa水平風(單位: m·s-1);(d) 500 hPa垂直風速(單位: -10-2Pa·s-1);(e)200～850 hPa垂直風切變(單位:m·s-1);(f)200～850 hPa垂直風切變差值的黑框范圍內(nèi)區(qū)域平均風切變差值年際變化(單位:m·s-1)Fig.8 The difference of sea surface temperature (a, unit:℃), 1 000-500 hPa mean relative humidity (b,unit:%), 850 hPa wind field (c, unit:m·s-1),500 hPa vetical velocity (d, unit: -10-2 Pa·s-1), 200-850 hPa vertical wind shear (e,unit:m·s-1) between 1997-2014 and 1979-1996 (from June to October), and the annual variation of regional mean wind shear value in black box(f, unit: m·s-1) (The slash (/) is the area where the positive (negative) difference exceeds 95% confidence level；the solid black line is the value line. the shading is zonal wind speed in (c、d), and total wind speed difference in e)

從環(huán)流的動力學參量來看，P2期間200 hPa低緯西風、中緯東風加強，群發(fā)密集區(qū)上空整體反氣旋式切變減弱、高空輻散受到抑制(圖略)；圖8c中12°N以北西風加強、以南東風加強，東西風轉(zhuǎn)換處對應圖4群發(fā)臺風合成的季風槽位置，即850 hPa上P2的季風槽和低空越赤道氣流減弱；群發(fā)密集區(qū)內(nèi)除140°E以東的較高緯度區(qū)域，其余均為下沉異常，菲律賓群島周邊下沉顯著性通過α=0.05的顯著性檢驗，和季風槽的減弱相對應(圖8d)；西北太平洋10°～30°N垂直風切變增大區(qū)東西向延伸并分布在除群發(fā)密集區(qū)中南部之外的大部分區(qū)域(圖8e)。相對于單獨臺風，貢獻了MTC3臺風更大的GPI值的要素為更強的低層輻合、更強的上升運動，以及季風槽北部更弱的垂直風切變(圖略)，即式(5)中t1、t2、t5項。而圖8中P2時段群發(fā)密集區(qū)低層渦度減弱、南部上升運動減弱、以及垂直風切變增大恰好抑制了MTC3臺風生成，可見P2時造成群發(fā)突變的最主要因子就是低空渦度和垂直風切變。若進一步對圖8e群發(fā)密集區(qū)內(nèi)風切變逐年進行區(qū)域平均(圖8f)，可知P1均值為8.7 m·s-1，P2時上升至9.6 m·s-1，風切變值在1996年前后的均值差異和突變(圖9)都能通過α=0.1的顯著性檢驗，2004年雖然也有顯著突變但趨勢仍為增大。風切變增大的同時高低層輻合輻散受到抑制，整體環(huán)流形勢不利于對流系統(tǒng)的發(fā)展維持，導致了MTC3群發(fā)臺風1996年后的突變減少。

綜上，海表溫度、臺風理論強度和部分區(qū)域的濕度雖然在1996年后升高，但它并不能完全改變MTC3群發(fā)事件及其相關臺風突變減少的趨勢。這一突變主要來源于環(huán)流背景高空輻散、低空輻合、上升運動的減弱以及垂直風切變突變增強的作用，環(huán)流中動力學參量的影響占主導地位。

5 結(jié)論

本文結(jié)合日本氣象廳1979—2018年臺風最佳路徑資料和ECMWF提供的氣候要素資料，通過限制臺風生成時刻的時間、距離間隔和臺風共存時刻的相對距離，定義并篩選了1979—2018年6—10月西北太平洋地區(qū)發(fā)生的臺風群發(fā)事件和群發(fā)成員。隨后根據(jù)群發(fā)性質(zhì)將所有臺風劃分為三類：非群發(fā)臺風、“MTC2”群發(fā)臺風和“MTC3”群發(fā)臺風。統(tǒng)計分析其年序列特征，并對各類群發(fā)事件的合成要素場進行對比分析。得到以下結(jié)論：

圖9 1979—2014年(5°～20°N、110°E～180°)范圍內(nèi) 垂直風切變區(qū)域平均的Lepage突變檢驗(紅虛線為α值，顯著性水平α= 0.1)Fig.9 Lepage test for mean vertical wind shear in the range of(5°-20°N, 110°E-180°) from 1979 to 2014 (The dotted line is α which indicates 90% confidence level)

(1)相對于MTC2臺風，更高比例的MTC3臺風在比較偏北的洋面上活動。生成時，MTC3臺風具有更強的季風槽輻合、更大范圍的高溫海區(qū)和更濕潤的中底層大氣，GPI指數(shù)更高且極大值中心更偏北。各項要素都顯示出MTC3合成和非群發(fā)臺風合成之間的顯著差別，而MTC2合成的差值更小且未通過α=0.05的顯著性檢驗，兩類群發(fā)之間存在明顯的環(huán)流配置差異。(2)從時間序列特征來看，雖然1996年后MTC2群發(fā)臺風更多了，但1990s末期MTC3群發(fā)事件的突變?nèi)詫е铝宋魈_風群發(fā)事件的突變減少，這也是西太臺風發(fā)生數(shù)減少的原因。相對于1996年前，1996年后西太上空環(huán)流整體不利于群發(fā)臺風事件的發(fā)生發(fā)展：盡管洋面上有更多的熱帶擾動，背景高空輻散、低空季風槽輻合和上升氣流的同步減弱以及群發(fā)活躍區(qū)垂直風切變的突變增大還是抑制了更多初始擾動轉(zhuǎn)化為強度可觀的臺風系統(tǒng)，較高的海表面溫度和中低層相對濕度雖然提供了充足的潛熱來源，但它不能完全改變?nèi)喊l(fā)事件減少的趨勢。(3)除環(huán)境配置外，與群發(fā)密切相關的次季節(jié)振蕩的調(diào)節(jié)也從一定程度上揭示了群發(fā)減少的規(guī)律：MTC3群發(fā)事件本身對MJO對流活躍位相依賴更強，而1996年后第5、6位相出現(xiàn)和持續(xù)日數(shù)減少，不能穩(wěn)定維持的對流無法在一個周期內(nèi)密集觸發(fā)更多的臺風系統(tǒng)。

值得進一步思考的是：由于能量頻散是導致群發(fā)的重要過程，頻散導致的群發(fā)中后續(xù)臺風常位于前一臺風的東南側(cè)，所以MTC3群發(fā)中第三個臺風便會位于更加偏東南的位置，而P2時段群發(fā)密集區(qū)東南側(cè)ΔGPI各項都不利于臺風生成，這是否也是P2時段MTC3群發(fā)突變減少的可能原因？另外，之前學者的結(jié)論普遍得出較多的臺風生成很大程度上與較顯著的MJO振幅相關[5，41]，但本文結(jié)果表明MJO長時間維持大振幅(≥1)活躍位相時也不一定有MTC3事件產(chǎn)生，振幅差異對于MTC3事件的影響不大。以上問題仍需進一步研究，以期能對西北太平洋地區(qū)臺風群發(fā)性質(zhì)有更加深入的了解。