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10月至12月PDO对ENSO与孟加拉湾热带气旋活动关系的影响

M. S. Girishkumar · V. P. Thanga Prakash · M. Ravichandran

摘要 本文研究了在太平洋年代际振荡（PDO）的冷（1950-1974）和暖（1975-2006）位相期间10月至12月中ENSO与孟加拉湾（BoB）热带气旋（TC）活动之间的关系。当PDO处于暖位相时，厄尔尼诺和拉尼娜年间TC和强TC（1类及以上）形成的总数在统计学上存在显著差异。分析表明，在PDO暖位相期间 ，与厄尔尼诺年（每季1.6 TC）相比，拉尼娜年期间（每季2.62 TC）有更多TC形成的趋势。而且，对强TC而言，这种差异非常大。例如，当PDO处于暖位相时，与厄尔尼诺年（每季0.10个TC）相比，拉尼娜年间（每季1.4个TC）BoB中形成的强TC数量相对更多。然而，当PDO处于冷位相时，拉尼娜和厄尔尼诺年期间形成的TC和强TC的总数差异并不显著。与PDO处于暖期的厄尔尼诺现象相比，拉尼娜年间低水平气旋涡度和中层对流层湿度显著增强，而不是PDO处于冷位相导致这种差异。我们的分析进一步表明ENSO与印度洋地区的遥相关在PDO的暖和冷位相是如何不同的。

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1 引言

厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）（McPhaden 2002）和太平洋年代际振荡（PDO）（Mantuna等1997; Mantuna和Hare 2002）分别是年际和年代际时间尺度的全球气候的主要模式。 ENSO的冷暖位相分别被称为La Nintilde;a和El Nintilde;o，而且二者有可能在年际时间尺度内局部和远程调节全球气候。 PDO是太平洋气候变率的长期类厄尔尼诺化模式（Tanimoto等1993; Zhang等1997; Latif和Barnett 1996）。 PDO似乎每隔二十到三十年在暖相和冷相之间振荡。在本世纪后半叶，有一个完整的PDO循环，PDO的冷位相从1950年到1976年持续存在，PDO的暖位相从1976年到2006年持续存在（Mantuna和Hare 2002; Goodrich 2007; Wang等2008; Kim等2013）（参见图1）。早期已经研究了PDO和ENSO对全球气候的各自和综合影响（Lee等2012; Goodrich 2007; Lupo和Johnston 2000; Wang等2008; Kim等2013）。这些研究强调PDO有可能在全球不同地区调节ENSO相关的遥相关，包括印度夏季风（Krishnan和Sugi 2003; Krishnamurthy和Krishnamurthy 2013）。这些研究表明，当PDO和ENSO同相（异相）时，ENSO与气候异常之间的关系得到加强（抑制）（例如，Krishnan和Sugi 2003; Krishnamurthy和Krishnamurthy 2013）。然而，在世界某些地区，ENSO与气候异常之间的关系仅在PDO的特定阶段更为活跃（例如，Gershunov和Barnett 1998; Power等 1999; Lupo和Johnston 2000; Lupo等2008; Wang等2008; Kim等2013; Chowdary等2012）。

图1.来自JISAO的逐月PDO（°C）指数的时间演变。 进行9年滑动平均以显示PDO的年代际变化。 蓝色（红色）阴影表示PDO的冷（暖）位相。

孟加拉湾（BoB）的热带气旋（TC）在10月至12月（主要季节）和4月至6月（次要季节）期间更频繁发生（Li等2013）。考虑到BoB边缘国家的人口密集，特别是沿海岸带，在BoB地区形成的TC在登陆时会造成灾难性的破坏。因此，更好地理解BoB中TC的年际变化在科学和社会方面具有重要意义。尽管TC是一种天气尺度特征，但它在特定季节（例如，BoB中的主要TC季节）的特征（频率，起源地和强度）取决于几种大规模环境条件的存在（低水平旋风涡度 ，垂直风切变，中层对流层湿度和高海表面温度），对TC特征有调节作用。许多早期研究（Girishkumar和Ravichandran 2012; Klotzbach 2012; Felton等2013; Camargo等2007; Li等2013）表明，TC调制参数在年际时间尺度上与热带气候的显性年际模式（如ENSO）显著相关。早期研究调查了近期BoB中TC活动的年际变化及其与ENSO的关系（Girishkumar和Ravichandran 2012; Ng和Chan 2012; Felton等2013）。研究结果表明，与厄尔尼诺现象相比，拉尼娜年间的TC活动相对更加强烈。与4月至5月相比，这种关系在10月至12月期间更为明显。他们认为，这些差异归因于ENSO信号对季节周期的明显锁相（Rasmusson和Carpenter 1982），例如，ENSO事件的高峰期往往发生在年末（10月至12月）（Tziperman等1998年 ; Picaut等2001）。然而，这些早期研究都没有研究过10月至12月期间ENSO与TC活动间的关系是如何随着PDO的时间尺度而变化。本研究的主要目的是描述和解释在PDO冷（1950-1974）和暖（1975-2006）位相间10月至12月期间ENSO与TC活动之间的关系。我们对BoB中ENSO-TC关系的年代际变化的兴趣是由最近的研究推动的，这些研究表明约在1976/1977年太平洋气候转变（Krishna Kumar等1999; Torrence和Webster 1999; Yadav等2010; Yadav 2012）之后，10月至次年2月（6月至9月）ENSO与印度冬季风（印度夏季风）之间的关系得到加强（削弱）。此外，Chowdary等人（2012）研究表明，PDO（1950-1976）冷位相期间，ENSO与印度 - 西太平洋盆地的遥相关很弱，但在最近的暖位相期间这种遥相关很强。因此，值得假设的是，类似的异常可能反映了10月至12月期间BoB中TC的活动。这样的一个调查有助于在ENSO的背景下增强我们对BoB中TC活动的年际变化的了解，并且它将提供一个机会来做出长期决策以适应年代际变异的影响。在这项研究中，我们展现了在PDO冷暖位相期间ENSO的不同阶段的BoB中持续存在的大规模环境条件。我们的研究是朝着解决ENSO-TC关系迈出的一步，以突出TC预测的潜在预测关系。由于大气参数的可靠数据集的可用性有限，本研究受限于以1950年为起始点。在此期间PDO冷暖位相的发生发展有利于识别BoB中ENSO-TC关系的年代际变化。

本文的结构如下。第2节描述了用于研究的数据集。第3.1节中研究了PDO对10月至12月期间BoB中ENSO-TC关系的影响。 第3.2节中研究了PDO冷暖位相期间拉尼娜现象和厄尔尼诺现象之间大规模环境条件的差异以及相应的TC特征差异。第3.3节中研究了BoB中ENSO与TC调节环境参数之间关系的长期变化。第3.4节研究了在PDO的不同位相期间ENSO遥相关与印度洋的差异。第4节是主要结论的总结。

2.数据与方法

本文使用了国际气候管理最佳跟踪档案（IBTrACS）（Knapp等2010）提供的最佳TC轨道数据。 在本研究中，我们只关注风速大于34 kt的TC情况。 众所周知，卫星时代之前的TC风速数据包括偏差。 埃文等（2011）和Elsner等（2008）使用暴风雨寿命中达到的最大强度来理解。然而，正如Rajeevan等 (2013)所建议，这样的标准必须对TC风速估计中的偏差敏感。 因此，为了减少这些偏差在最大风速上对我们的结果的影响，遵循Rajeevan等 （2013）和Lupo等（2000）的意见，TC强度根据风暴获得的最大Saffir-Simpson强度进行分类。

由于这些偏差对最大风速的影响，为了确保对我们结果的信心，遵循Rajeeva等（2013）和Lupo等（2000）的意见，TC强度是根据风暴获得的最大Saffir-Simpson强度来指定的。因此，在本研究中，结果基于TC强度类别（总TC数，最大风速为34kt及以上的风暴和强TC;强TC，最大风速为64kt及以上的风暴（在Saffir-Simpson风标尺中的类别-1及以上））而不是TC生命周期中的最大风量。厄尔尼诺和拉尼娜年份由海洋尼日利亚指数（ONI）确定（中太平洋Nintilde;o3.4地区SST异常3个月运行平均值（5°N-5°S，120°-170°W）），高于0.5°C（低于-0.5°C）至少连续5个月，包括10月至12月。本研究中使用的ONI数据集来自华盛顿大学国家海洋与大气管理局（NOAA），气候预测中心（CPC）（www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/enso stuff / ensoyears.shtml）。此中使用的PDO数据集来自华盛顿大学联合海洋与海洋研究所（JISAO）（http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest）。PDO指数被定义为经验正交函数（EOF），即1900--1981年使用Met Office历史SST数据（Parker等1995）而1982--2010年使用最佳插值SST（OISST）版本2（Reynolds等2002年）得出的太平洋20°N的去噪音月SST异常。众所周知，PDO指数在从年际到年代际时间尺度的广泛范围内具有显着的峰值。然而，正如Kim等人（2013）所建议的那样，PDO的年际变化可能与ENSO异常有关。因为PDO是一个长时间尺度的年代际振荡，所以Wang等人（2008）进行了9年滑动平均以提取PDO的年代际变化（图1）。PDO的正（负）位相对应于PDO指数9年滑动平均值高于（低于）零的情况。因此，1950 -1976年（1976-2006）期被认为是PDO的冷（暖）位相（图1）。值得一提的是，PDO的冷暖位相的划分与早期研究一致（Wang等2008; Kim等2013）。此外，厄尔尼诺年（1年）和拉尼娜年（4年）的数量太少，无法在2007--2013年（PDO冷位相）期间进行统计分析。而且，在PDO的冷位相（1950-1976和2007-2012）期间，考虑ENSO年份的影响，表2中提供的TC统计数据无任何显著差异。因此，我们将分析限制在2006年表1中列出了PDO冷暖位相期间， El Nintilde;o, La Nintilde;a和中性ENSO（既未发生厄尔尼诺现象也未发生拉尼娜现象）的发生发展。国家环境预测中心1（NCEP1）的风能产品， 湿度和温度数据（Kalnay等1996）用于阐明研究期间不同PDO阶段BoB中厄尔尼诺和拉尼娜年间大尺度大气条件的差异。 在分析之前，已从所有数据集中删除了线性趋势。 使用双尾学生t检验评估合成差异的统计学显著性。 使用单尾学生t检验评估相关性的统计学显着性。

表1. PDO冷（斜体）和暖（正常）位相间，厄尔尼诺（红色），拉尼娜（蓝色）和中性ENSO（黑色）数量统计表。括号中的数字是每年主要季节中TC总数和强TC数量

图2. PDO的冷（上图）和暖（下图）位相阶段，厄尔尼诺和拉尼娜年期间TC的源地(蓝星）和轨迹（黑线）。a. PDO冷位相--ElNintilde;o下的总TC，b. PDO冷位相--aNintilde;a下的总TC，c. PDO冷位相--ElNintilde;o下的强TC，d. PDO冷位相--LaNintilde;a下的强TC，e.PDO暖位相--ElNintilde;o下的总TC，f.PDO暖位相--LaNintilde;a下的总TC，g.PDO暖位相--ElNintilde;o下的强TC，h.PDO暖位相--LaNintilde;a下的强TC。 图中，WPDO和CPDO分别表示PDO的暖和冷位相。

表2. PDO冷暖位相期间，厄尔尼诺和拉尼娜年BoB中10月至12月TC的统计差异

ElNintilde;o和LaNintilde;a年的相应平均值（其差异超过99％（90％）置信水平）用粗体斜体（粗体）字母标出（其他甚至在90％时也不显著）。 对于PDO冷暖位相间的中性年差超过95％显著性以斜体标出。

3.结果与讨论

3.1 10月至12月孟加拉湾PDO与ENSO对热带气旋的关系

在PDO的冷暖位相阶段，拉尼娜，厄尔尼诺和中性ENSO年间在BoB中形成的TC总数如图2所示，其统计数据在表2中给出。分析表明，PDO（1977-2006）暖位相阶段，拉尼娜年（每季2.62 TC; 0.91标准偏差）比厄尔尼诺年（每季1.6 TC; 1.17标准偏差）有形成更多TC的趋势，拉尼娜年生成的TC值（在90％CL时具有统计学意义）大约是厄尔尼诺年的1.5倍。此外，从表1中可以看出，PDO处于暖位相时，拉尼娜年（每季1.4个TC; 0.91标准偏差）和厄尔尼诺年（每季0.10个TC; 0.31个标准差）强TC（风速大于64 kts; Saffir-Simpson量表中的1类及以上）发生频次在统计学上有显著差异（在99％CL时具有统计显著性）。

然而，在PDO冷位相阶段（1950-1976），拉尼娜（每季2.1个低压;TC总数的标。准差为0.99，每季1个TC;强TC的标准差为0.94）和厄尔尼诺年间（每季2.5 TC;TC总数的标准差为1.71，每季1.2 TCs;强TC的标准差为1.03）的TC总数和强TC之间没有任何显著的年际差异。

此外，在PDO处于暖位相时，ENSO-TC存在显著相关关系，即TC总数存在显着差异，特别是拉尼娜（每季2.62个TC; TC总数的标准差为0.91;每季1.4个TC;强TC的标准差为0.91）和中性ENSO（每季2.08个TC;TC总数的标准差为1.38;每季0.66个TC;强TC的标准差为0.88）年间的强TC。这表明在PDO的暖位相时，拉尼娜年期间形成的强TC（在90％CL时具有统计学显着性）大约是中性ENSO年份的2倍。此外，在PDO暖位相，与中性ENSO年份（每季2.08 TC）相比，

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