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西北太平洋热带气旋活动的年代际变化

Michiaki Yumoto and Tomonori Matsuura

日本国家地球科学与防灾研究所

（2000年1月24日收到的手稿，2000年10月6日修订）

摘要 本文研究了1951-1999的49年期间，北太平洋西部（WNP）热带气旋（TC）活动的变化特征，确定了其年代际变化。本文定义了两种时期：TC活动增强时的高频周期（HFP），TC活动降低时的低频周期（LFP）。 在7-10月的台风季节，HFP和LFP之间的TC数量存在显著差异。 在TC生成的范围内，HFP和LFP之间的TC活动也存在差异。 HFP中TC生成地区比LFP向东部延伸更多。本文分析了海面温度（SST）的季节条件，850hPa的相对涡度，200hPa的离散度和出射长波辐射（OLR）对两种时期TC活动的影响。 HFP和LFP之间的海洋和大气条件在统计学意义上有不同。在HFP中，东部WNP（150°E以东）的SST较高，而10°N〜20°N区域的对流活动强于LFP。这些结果表明，与LFP相比，热带和副热带西北太平洋中HFP的大气和海洋环境，增强了TC的发生。这表明太平洋SST和大气环流的变化是TC活动年代际变化的主要原因。

1. 引言

包括日本在内的东南亚国家遭受几次热带气旋（TC）的袭击，每年最大地面风速超过17.2米每秒。 太平洋地区的大风和雨量导致高潮，洪涝，山体滑坡等严重灾害。 这些灾难造成很大的生命财产损失。 从1961年-1990年30年间，西北太平洋地区的年均平均气温为27.8℃（WNP，北半球海域从100°E降至180°）。 这个平均值几乎占全世界产生的TC的三分之一。 因此，WNP是TC起源最活跃的盆地。

一些研究人员描述了WNP中TC活动的长期变异性。 青木（1983,1985）从气候学角度研究了TC活动的地理和长期变异性。 他描述了TC发生频繁/不常发生几个月之间的500hPa位势高度，云量和SST模式的重要差异。 他得出结论认为，在长期尺度中，通过大尺度的大气环流，SST的变化对TC发生的频率有影响。 Lander（1994）和Chan and Shi（1996）也指出，20世纪60年代，WNP的年度TC数量很高，在20世纪70年代下降，然后在80年代逐渐增加。 然而，不知道为什么发生TC活动的长期变异性。

TC生成受热带和亚热带地区海洋和大气条件的影响。 Gray（1968）基于观察分析发现了TC起源的大气和海洋条件的六个因素。Gray的六个因素是：（1）海面温度高（SST）; （2）科里奥利力的作用; （3）对流层低层平均相对涡度; （4）弱垂直风切变; （5）条件不稳定;和（6）对流层中低层水汽含量水平高于平均水平。特别是，高SST是有效地向大气提供水分的条件，因此是引起深层对流的重要因素（参见Graham和Barnett，1987）。热带和副热带西北太平洋（赤道20°N）的SST通常较高；他们的变异性比任何其他生成源地都小。因此，在WNP中，即使在北极冬季，TC也偶尔发展（Raper 1993）。在大气条件下，TC的发展取决于大尺度的环流特征，而不是中尺度系统的特征（McBride和Zehr，1981）。 Ritchie和Holland（1999）探讨了与TC起源相关的大规模环境的性质，并表明季风槽和季风汇合区的行为在产生TC方面起着至关重要的作用。

由于海洋和大气层的动态和热力学环境随着全球尺度的长期变化而发生变化，WNP中的TC活动也可能直接和间接地受到这种变化的影响。在大约几年的时间内，有两个主要的变化因子：厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）和准两年振荡（QBO）。许多研究已经讨论了WNP中这种振荡与TC活动之间的关系。例如，ENSO循环在WNP中TC年平均起源位置的年际波动中发挥重要作用（Lander 1994; Matsuura等，1999）。关于TC活动与QBO之间的关系，大西洋的TC活动在QBO的西风阶段更为频繁（Gray 1984; Shapiro 1989; Lander and Guard 1998）。 Chan（1995）也提出，QBO西风阶段对应于WNP中TC活动的增加。然而，Lander and Guard（1998）显示，WNP的年度TC数量与QBO没有显著相关，而在QBO的西风阶段则没有增加。

如所建议的那样，WNP中TC活动的时间序列有明显的趋势。 TC生成活动期与非活动期之间的海洋和大气环境的比较可能给我们提供重要而有用的建议，通过这些建议可以预测TC的长期活动。本研究旨在讨论WNP中TC活动的年代际变化与海洋和大气条件的变异性之间的关系。

本研究使用的TC活动数据，是来自日本气象厅发布的月刊“地球物理评论”（1991-1999），以及区域专业气象中心（RSMC）东京台风中心（1992年）的1951 - 1990年西北太平洋热带气旋路径。 本研究中使用的月平均全球SST数据是国家环境预测中心（NCEP）在20 x 20的网格上雷诺数历史重建的SST数据集。 月平均全球相对涡度，散度和出射长波辐射（OLR）数据是来自NCEP /国家大气研究中心（NCAR）2.50 x 2.50格网上的再分析数据（Kalnay等1996）。

2.TC发生频率的年代际变化

2.1高频周期和低频周期

图1显示了1951-1999的49年期间WNP年度TC数量的时间序列。 每年的TC数量有很大的变化幅度;1967年的最大数量为39个，1998年的最小数量为16个。年度TC数量的时间序列显示了两个高峰：一个在20世纪60年代中期， 另一个在20世纪90年代初。 20世纪70年代中期，有明显的低谷。 通过使用称为4（3RSR）2H的中值方法平滑时间序列来强调两个峰值和谷值（参见Tukey 1977的第7和16章; Velleman和Hoaglin 1981的第6章; Becker等人1988 ）。 TC年度数量的平滑化显示，TC活动较高的两个时期是1961-72年的12年，1986 - 94年的9年。 其他时期，即1951-60年的10年期间和1973 - 85年的13年期间，都非常活跃。

在本文中，TC活动较高的时期称为高频周期（HFP），相反时期称为低频周期（LFP）。按年度升序排列，两个HFP和两个LFP分别称为L5160，H6172，L7385和H8694 。 两个连续周期的三个组合的差异是H6172-L5160，L7385-H6172和H8694-L7385。 这些分别称为DIF-1，DIF-2和DIF-3。

图1. 1951-1999的49年期间，运行中位数法确定的热带气旋年数（线图）和年平均热带气旋年数（条形图）。

平滑也显示，1995年至1999年的最近5年，TC的年度数量有所下降。但是，我们没有将1995年以前的时期定为第三个LFP，因为5年的时间只是其他国家的一半 LFPs。

2.2 HFP和LFP中的TC频率

L5160的TC平均数为每年24.6个。 这个时期的最低年TC数是1951年和1954年的21个，而1958年最多的是31个。而有6年（1951年，1953年至54年，1956年至57年，1959年），TC有23个或更少。 其年份（1952,1955,1958和1960）拥有27个或更多的TC。这体现了一个年际变化，L5160每2-3年TC比较丰富。

H6172的TC平均每年为30.2个。 这一时期的最高年TC数是1967年的39个，而在1969年的最低年TC数是19个。H6172的最大和最小数量之间的差异大于其他三个时期。 1964-67年，1971-72年六年期间的TC年均数超过30个，而1963年的年TC数和1968 - 70年的3年TC数均低于正常水平。

在L7385中，TC的平均数量是每年25.3个。 这一时期的最低年TC数是1973年，

1975年和1977年的21个。1974年最多的是32个。1978年和1981年的年平均TC数分别为29和30个。 对于L7385，年际变化表明，TC数量超过27的情况每3-4年会出现一次。 图1中的平滑表明，1976年以后，TC的年平均数量逐渐增加.L7385早期年TC的变化幅度较大，随着时间的推移越来越小。 在最后两年的L7385中，每年的TC数量都是27，这几乎是正常的。

在H8694年，TC的平均数量是每年29.8。 1988-94的七年期间，TC数量高于正常水平。 这一结果与1991 - 1994年5年期间大西洋TC不活动（Landsea等，1996）形成对照。 这个时期的最高年度数字在1994为36，其中30个是7-10月之间发生的，即所谓的“台风季节”。 这个频率是台风季节平均TC的11倍，是1951-1999的49年的最高季节。 另一方面，1987年TC年度数是23个，是本期唯一低于正常水平的数字。

在每月TC数量的年度变化中，WNP中TC生成的最大数量发生在8月份和2月份的最低值（参见图2）。 8月份的平均每月平均数为5.7，2月份的平均每月平均数为0.3，一个是根据1961-90年的30年期间每月TC数据的数据。两种月平均数之间的比较 的时期显示，HFP和LFP之间的差异在台风季节的4个月内显而易见（图2）。3月至6月，11月至2月期间“台风季节”的任意组合月平均数无明显差异。因此，HFP和LFP之间的年度差异主要来自台风季节的总TC，HFP每月平均TC数量高于LFP。8月份的L5160月平均数量几乎等于1961-90年30年期间8月份的平均每月平均TC。这是由

1960年8月的10个TC造成的。这个数字是1个月内的10个TC，是1951-99年49年期间的最大每月数。1960年8月份的平均每月平均TC值为4.9，这个数字等于L7385 8月份的月平均数。图3显示了台风季节的TC年数和TC数量的两个时间序列，台风季节的TC数量与每年TC数量的差异相似。年度TC数量与台风季节数量之间的相关性也很高（0.87）。因此，我们从7月到10月在台风季节重点讨论TC活动的年代际变化。

图2.每个时期月平均台风数量

两个时期的台风季节TC起源位置的比较表明，HFP中TC起源的面积向东偏向比LFP更多（见图4）。 HFP的平均起源位置从LFP向东转移（表1）。 L7385的平均起源位置在四个时期之中最偏西。 如图4的L7385的图例所示，L7385在南海发生了许多TC。

图3时间序列在1951- 99年的49年期间TC的数量。 实线和虚线分别表示台风季节的年数和数字。 重实线和虚线分别表示两个时间序列的平滑数。

大多数TC生成集中在弱垂直风切变区域，这是Gray TC生成相关的六个因素之一，如图4所示。 然而，有几个TC发生在较强的垂直风切变的区域中。 TC经常发生在中国南海和菲律宾东海岸，纬向风的垂直风切变相对较强。 在这些地区，大气下层的水平正相对涡度较强。 因此，TC在两个具有不同环境条件的区域中形成：一个纬向风的垂直风切变较弱;另一个在大气下层的水平正相对涡度较强的地区。因此，通过TC起源位置的环境条件可以将TC的成因划分为两种。

图5显示了在每个10度纬度和经度网格上两个连续周期之间的TC平均数的差异。 DIF-1和DIF-3的两个图例更多的被暖色填满。这些图例显示，在10°N-20°N，130°E-170°E之间的TC数量在HFP（LFP）中增加（减少）。 在20°N-30°N，140°E-150°E区域没有观察到这种关系。

3.WNP中海洋和大气条件的变化

为了了解HFP和LFP之间在与TC生成密切相关的海洋和大气条件下的差异，对SST，850 hPa的相对涡度，200 hPa的散度和WNP中的出射长波辐射（OLR） 在台风季节条件下进行检查。 我们计算了三种组合的这些物理量的差异：DIF-1（H6172-L5160），DIF-2（L7385-H6172）和DIF-3（H8694-L7385）。

3.1海面温度变化（SST）

图6显示了DIF-1，DIF-2和DIF-3在台风季节SST的差异。 一般来说，SST的差异在菲律宾东部（1200E到1400E之间）。 也就是说，在菲律宾海域，LFP中的SST与HFP中的SST几乎相同，尽管在LFP中，海洋条件对TC起源有利。

DIF-1的差异场（图6a）的特征是热带WNP（0°-10°N，140°E-160°E）中心部分异常正SST具有95％的统计学显著性。 图6a还显示了在夏威夷群岛东北延伸的10°N-20°N，165°E-155°W区域具有统计学意义的异常显著的SST。

DIF-3的差异区域显示出大多数WNP的高温趋势（图6c）。 在整个台风季节，有两个高峰的异常正SST，一个沿着赤道中部太平洋，另一个在东部夏威夷（20°N，130°W）。 WNP（0°-20°N，150°E-180°）中东部地区的一部分异常正SST区域到达东南部。 在台风季节，南海南部出现高温倾向。

总之，WNP中的SST在HFP（LFP）中是高（低）的。 在H6172热带WNP（0°一10°N，140°E-160°E），南海南部和南海东南部地区的中部地区，H8694（0°-20°N，150°E-180°），HFP和LFP之间的SST差异超过0.2°C的区域。 每个差异在95％有统计学意义。

3.2 850 hPa的相对涡度变化和200 hPa的散度

接下来，850hPa的相对涡度和200hPa的水平风散度的主要特征被描述为与TC生成相关的代表性大气场。 以与SST情况相同的方式，我们计算了两个连续周期的三个组合的差异（图7和图8）。

对于DIF-1，850 hPa的相对涡度差异在台风季节（图7a）显示，WNP中10°N和30°N之间呈异常正涡度，

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