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西北太平洋上热带气旋生成位置的西移

吴立广¹, 王超¹, 王斌²

摘要

西北太平洋上的热带气旋（TCs）占世界上所有热带气旋的三分之一，TC平均生成位置的变化可以影响太平洋岛屿和亚洲国家的数十亿人。TC年均生成位置经度通常由热带对流层上部槽（TUTT）的东西向移动控制。在1979 - 2012年期间的所有可用的再分析数据集中发现TUTT有明显西移，由于与TUTT移动相关的垂直风切变增强，它抑制了西北太平洋海盆东部（145°E以东）的TC生成。因此，自1979年以来，TC年均生成位置经度有明显地西移。TUTT和TC生成的西移趋势与热带对流层变暖增强有关，这与对流层温度对全球变暖的响应一致。

1.引言

西北太平洋地区的热带气旋（TCs）占世界上所有热带气旋的三分之一，TC平均生成位置的变化可以影响太平洋岛屿和亚洲国家的数十亿人。关于全球变暖后果中最受社会关注的是TC在该地区发生了怎样的改变或将要怎么改变。已经有人花大量努力去了解TC活动对全球变暖的响应，但是迄今为止，对TC平均生成位置和影响区域的可能变化进行的研究相对较少。 [Knutson et al., 2010; Seneviratne et al., 2012; Christensen et al., 2013; Kossin et al., 2014].

最近，Kossin等人[2014]根据过去30年的全球历史记录，发现全球TC平均生命史最大强度处的平均纬度有明显的极向移动。他们认为这种远离热带的移动与环境风垂直切变的平均经向结构和潜在强度的变化有关。Stowasser等人[2007]通过使用区域气候模型，认为由于对流层中相对湿度的增加和风切变的减弱，华南地区热带气旋生成的趋势有所增加，然而Li等人[2010]认为，由于热带天气尺度扰动的相对增加，全球变暖可能导致热带气旋生成位置从太平洋的西部向中部移动，这对热带气旋生成是必要的；[Ramage, 1959; Gray, 1968, 1998;Zehr, 1992].这些研究表明，热带气旋生成位置可能会随着全球变暖而改变。

北太平洋的热带对流层上部槽（TUTT），又称大洋中部槽，是半永久性低槽，大约从东东北延伸到西西南，东太平洋的35°N延伸到西太平洋的15°N，可在夏季200 hpa风场中识别[Sadler，1976]。尽管有时热带对流层上部槽可能促使热带气旋形成[Sadler，1976，1978]，但其东面相关的西风的强垂直切变通常限制了西太平洋地区热带气旋活动的向东延伸[Kelley和Mock，1982；Fitzpatrick等，1995]。本稳研究目的是为了证明自1979年以来，由于对流层上部槽的西移，西北太平洋上地区的平均台风生成经度有显著西移。

2.资料

由于关于热带气旋强度的历史记录的不确定，本研究使用两组热带气旋数据。一个是联合台风警报中心（JTWC）的最佳路径数据集 [Kossin et al., 2013]，一个是The advanced Devorak technique-HurricaneSatellite (ADT-HURSAT)。因为全球均匀化的卫星数据应用了最先进的自动算法，故ADT-HURSAT数据集（1979-2009）比JTWC包含更多时间一致的台风强度记录。 [Knapp and Kossin, 2007; Kossin et al., 2007, 2014].

温度和风场数据来源于七组再分析数据集的集合：（1）美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室二十世纪再分析（20CRv2,2°(纬度)times;2d°（经度）,24垂直高度层，1870-2010 [Compo et al,2006]）; （2）美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析（NCEP / NCAR，2.5°(纬度)times;2.5°（经度），17垂直高度层，1948-2012 [Kalnay et al,1996]）; （3）ERA-Interim（1.5°(纬度)times;1.5°（经度），37个垂直高度层，1979-2012 [Dee等，2011]）; （4）日本再分析（JRA-25,1.25°(纬度)times;1.25°（经度），23个垂直高度层，1979-2012 [Onogiet al,2005]）; （5）美国国家航空航天局对研究和应用的近代再分析（MERRA，1/2°(纬度)times;2/3°，42个垂直高度层，1979-2012 [Rienecker et al.，2011]）;（6）美国国家大气研究中心能源再分析（NCEP-DOE，2.5°(纬度)times;2.5°（经度），17个垂直高度层，1979-2012年[Kanamitsu et al.，2002]）；（7）NCEP气候预报系统再分析（CFSR，0.5°(纬度)times;0.5°（经度），64垂直高度层，1979-2012 [Saha et al,2010]）。

在检查有效样本量的数据中计算线性趋势并使用自相关的非参数Mann-Kendall方法进行显着性试验[Kundzewicz,Robso,2000]。 t检验用来检查相关性。在该研究使用95％的置信区间。

1. 热带对流层上部槽对台风平均生成经度的影响

图1显示了热带对流层上部槽和西北太平洋地区台风生成位置的关系，表明热带对流层上部槽通常限制了台风生成的向东延伸。我们可以看到，在6-11月，几乎所有热带气旋都在热带对流层上部槽以西生成，主要分布在该地区的菲律宾海和南海（5°–20°N，115°–160°E）。如图所示，热带对流层上部槽以东850 hPa到200 hPa之间产生强垂直风切变。我们可以认为垂直风切变往往抑制西太平洋海盆东部的热带气旋生成，所以热带对流层上部槽的东西向移动可以影响热带气旋生成位置。 [Gray, 1968]

图1. 6-11月200hpa月平均风场(矢量, m·s^-1) 和 850hpa至200hpa垂直纬向风切变 阴影, m·s^-1) .

蓝点表示台风生成位置，细线表示热带对流层上部槽槽线

热带对流层上部槽对TC生成位置的控制在年际和较长时间尺度上是可以确定的。为此，7-11月热带对流层上部槽的年均东西移动可以由槽线上东西风分界线（5°N-20°N纬向风速零线）测量，海盆范围内年均热带气旋生成位置被定义为所有首次强度达到每年25节（大约13m/s）的热带气旋的平均经度，正如显著的线性趋势所表明的，伴随着年际波动，热带对流层上部槽在1979-2012年期间持续西移了12.6°（0.37°/年）。自1979年起，当热带对流层上部槽西移时，年均台风生成位置也西移了5.8°（0.17°/年）

1979-2012年的两个时间序列有着相关系数为0.67的显著相关关系（图2），这种相关主要反映了在年际时间尺度上热带对流层上部槽与平均台风生成位置的东西向位移的关系。也就是说，热带对流层上部槽的西（东）移对应着平均台风生成位置的西（东）移。以往的研究表明，平均台风生成位置的年际变化与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）有关。 [Chan, 2000;Wang and Chan, 2002; Wang et al.,2013].遵循Kossinrsquo;等人，我们将两个时间序列回到到厄尔尼诺-3.4指数来检验ENSO对趋势的影响。事实上，ENSO事件对热带对流层上部槽和台风生成位置的西移趋势几乎没有影响。在去掉ENSO影响后，热带对流层上部槽和台风生成位置分别各自以每年0.36°，每年0.16°西移。

图2 （a）JTWC数据集的台风年均生成位置经度（蓝）和热带对流层上部槽年均经度（红）的时间序列（b） ADT-HURSAT 数据集的台风年均生成位置经度（蓝）和无ENSO影响的台风年均生成位置经度（红）的时间序。注意，ADT-HURSAT数据仅适用于1979 - 2009年

我们可以看到热带气旋生成位置的移动速率远小于热带对流层上部槽的移动速率。这种差异主要是由于JTWC数据集中强度记录的不确定。为了证明这一点，我们还用ADH-HURSAT数据集计算了年均热带气旋生成位置。（图2b）没有ENSO影响的时间序列也绘制在此图中。在这种情况下，ENSO的影响略微降低了平均热带气旋生成位置的移动趋势。没有（有）ENSO影响的平均生成位置西移趋势是每年0.36°(0.33°)。可以注意到，ADT-HURSAT数据集中的平均生成位置的移动速度同去掉ENSO影响的热带对流层上部槽一致。我们在ADT-HURSAT数据集中进一步估计了热带气旋首次到达风暴强度（35节）时经度的西移。这种没有（有）ENSO影响的移动速度是每年0.34°(0.36°)，与热带平均气旋生成位置的移动速度相当。这表明ADT-HURSAT数据集中热带气旋强度记录比JTWC数据集更合理。

我们应该注意到热带对流层上部槽的西移趋势可以在七个单独的再分析数据集中发现。五个现代再分析数据中的趋势范围从每十年2.7°到每十年4.0°，并且所有趋势都具有统计学意义（图中没有显示）。热带对流层上部槽的西移趋势与海盆东部（145°E以东）热带气旋生成频数的显著线性下降趋势（每十年-1.5个台风）一致，而西部（145°E以西）的热带气旋生成频率略有增加（图3a）

台风年均生成位置西移的根源在于与热带对流层上部槽西移有关的纬向风垂直切变增强，众所周知，足够大的垂直风切变可以抑制热带气旋生成[Gray, 1968].。西北太平洋地区台风主要生成区东部 (5°N–25°N, 145°E–180°E）的纬向风的垂直切变表明了随着热带对流层上部槽西移而显著上升的趋势（图3b）。正如线性趋势所表明的，1979-2012期间垂直切变加倍。

图 3 （a）西北太平洋海盆的西部和东部的台风生成频率（b）热带（10°S–5°N，145°E–180°E）和亚热带（15°N–30°N，145°E–180°E）对流层温度（红色，K）差异和 5°N–25°N, 145°E–180°E范围200hpa到850hpa之间的垂直切变或纬向风差异

4.讨论

为什么自1979年以来热带对流层上部槽向西移动？图4a展示了1979-2012期间7-11月纬向风的垂直分布情况和纬向风速的气候平均，平均纬度在5°N-25°N之间。东风带与集中在200hpa165°以东的相对强西风带中心重叠，然而低层弱的西风只能在120°E以西看见。尽管低层负的趋势使东风增强，但是纬向西风最大中心西部的正的趋势表明与热带对流层上部槽有关的高层西风西伸，因此热带对流层上部槽西移。

图4 （a）1979-2012=年7-11月5°N–25°N平均纬向风速（等值线，m·s-1）和相关趋势（阴影，m·s-1 /十年）

（b）145°E–170°W 7-11月平均气温（等值线，k）和相关趋势（阴影，K/十年）

如图3b所示，由于热平衡关系，垂直风切变的增强与温度梯度升高有物理联系。温度梯度由850-200hpa两个矩形区域之间的平均温度差表示：一个是热带地区(10°S-5°N,145°E - 180°E)，一个是亚热带地区（15°N–30°N，145°E–180°E）。图4b表示平均在145°E–170°W经度带的对流层温度的垂直分布。对流层温度梯度的增加与热带对流层变暖趋势，亚热带相对变冷趋势有关。

由于热带对流层上部槽是100hpa到700hpa之间的核心冷却系统，大气温度层在1979-2012年850hpa到200hpa之间的每月趋势计算表明副热带北太平洋的变冷趋势发生在7-11月的热带对流层上部槽线附近，这说明了变冷趋势和热带对流层上部槽移动的关系（图片未显示） [Kelley and Mock, 1982].。

理论和数值模拟一致预测，作为全球变暖的一个强大特征，热带层变暖会增强，它随高度增加并在200hpa附近达到最强。 [Manabe and Wetherald, 1975; Christensen et al., 2013].尽管现在仍然在调整气候模型和观测的对流层温度趋势之间的差异，但越来越多的观测数据支持了预测的这个变暖趋势， [Fu et al., 2004; Santer et al.,2005; Allen and Sherwood, 2008; Thorne et al., 2011]。图4b中，赤道上空对流层上部温度的上升和平流层低层温度的下降，与对流层温度对全球变暖的响应一致。

5.结束语

在本研究中，我们发现台风年均生成位置通常受热带对流层上部槽控制。通过查看1979-2012年的七组再分析数据，我们发现自1979年以来所有可获得的再分析数据里，热带对流层上部槽发生了平均12°经度的明显的西移(0.36°/年)。由于强垂直风切变与热带对流层上部槽有关，热带对流层上部槽的明显西移抑制了西北太平洋海盆东部（145°以东）的台风生成。因此，自1979年以来，台风年均生成位置有明显西移。热带对流层上部槽和台风生成的西移趋势与热带对流层变暖增强有关，这与对流层温度对全球变暖的响应一致。

致谢

我们感谢James Kossin和Haiyan Jiang对改进手稿的重要建议。本研究由国家重点基础研究发展计划（2

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