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两种太平洋增暖现象对西北太平洋热带气旋频数的

不同影响

陈光华 谈志荣

本文研究了新型厄尔尼诺现象（中部增暖型,ENSO Modoki）和经典厄尔尼诺现象(东部增暖型)分别与1960-2008年这一期间西北太平洋上的热带气旋频次的关系。热带气旋频次明显地与EMI指数有正相关关系，Nino-3指数则与西北太平洋的北部（东南部）上的热带气旋频次有显著的负相关（正相关）关系。作为对中部增暖型ENSO热源的响应，有一个大规模的气旋性涡旋在西北太平洋上形成。与之相反的，在东部增暖型年，纬向伸展的热源和热汇呈现出经向偶极子模式，在副热带地区引起了一个异常的反气旋，并且在赤道中太平洋引起一个异常气旋。真实平均状态与加热廓线下的数值实验验证了响应加热的异常环流在两种太平洋增暖现象影响热带气旋频次的不同模式中起非常重要的作用。

1 引言

影响着热带气候的厄尔尼诺和南方涛动（ENSO），对不同洋盆上的热带气旋活动也有明显的影响。以往的研究曾经探索过ENSO和西北太平洋上热带气旋（TC）活动的关系（Chan，2000；Chia和Ropelewski，2002；Wang和Chan，2002；Wu等，2004；Chen等，2006）。它指出在厄尔尼诺年，西北太平洋的东南象限有TC活动的增加，而西北象限有TC活动的减少；这种情况在拉尼娜年会发生倒转。

最近，Ashok等（2007）确定中太平洋上的增暖现象被认定为中部增暖型ENSO。与一般发生在东太平洋冷水区的东部增暖型（Rasmusson和Carpenter，1982）相比，中部增暖型在热带中部太平洋有较暖的海表面温度距平，而它的东侧和西侧是较低的海表面温度距平值。这两种ENSO可以导致全球范围内的气候差异和天气变化。例如，中部增暖型伴随着热带太平洋上两种异常的沃克环流，它们与东部增暖型时典型的沃克环流扰动有很大差异。与中部增暖型相联系的遥相关型也明显不同于与东部增暖型有关的遥相关型，导致环太平洋沿岸不同的干旱、潮湿地区的地理分布（Weng等，2007）。不同于东部增暖型和印度洋偶极子的影响，中部增暖型可以深刻地影响南半球中纬度地区的风暴活动轨迹，并由此减少南半球冬季时在澳大利亚东南部与风暴相关的降水（Ashok等，2009；Cai和Cowan，2009）。

Kim等（2009）已经发现了两种不同的ENSO对西北太平洋TC的影响的显著差异。然而迄今为止，并没有研究来区别中部增暖型和东部增暖型对西北太平洋上TC的影响。实际上，很多之前的研究采用Nino-3.4海表面温度指数来区分ENSO（Chan，2000；Saunders等，2000；Chia和Ropelewski，2002）。由于Nino-3.4区域的地理位置（170°-120°W，5°S-5°N），这种指数的应用可能使海表面气温异常信号与两种ENSO都联系起来，因此得到的是一种综合的影响。例如，在2004年夏天，当中部增暖型ENSO发生时（Ashok等，2007），在日本出现了打破纪录的数据——10次台风造成的降水量（Kim等，2005）。然而在同一个夏天，Nino-3.4海表温度距平保持正值，根据以往的研究结果，我们预测到达日本列岛的台风数量应该与往常一致。这强调了区分两种现象的气候影响的需要。

另外，中部增暖型发生频次的增加在过去的几十年中得到研究（Ashok等，2007），并且在全球变暖的背景下，中部增暖型与东部增暖型发生的比例预计会增加到之前的5倍（Yeh等，2009）。因此，通过两种不同的指数来辨别两种类型的ENSO，这项研究着眼于东部增暖型和中部增暖型对西北太平洋上的TC频次的不同作用，并且提出产生这些影响的物理机制。

2 数据和方法

西北太平洋上的TC 数据集来自于美国联合台风警报中心，时间跨度为1960-2008年。大约85%的年际TC总数是6月至10月的观察结果（JJASO），现在的研究重点为这个延伸期（夏季和秋季），来进一步研究它的季节性变化。本文只将伴随着超过17m/s的极强海面风速的TC列入考虑范围。为了研究TC结构的地理分布，热带西北太平洋（120°E-180°，0°-30° N）被划分为4个区域。150°E和15°N分别作为东区和西区，南区和北区的分界线。热带西北太平洋的西北、西南、东南和东北4个象限，分别被命名为、、和。

同时也使用了来自哈德来中心的水平分辨率为的每月海表面温度资料，水平分辨率的1960-2008年的NCEP-NCAR的高空再分析资料。作为热带深对流的替代（Liebmann和Smith，1996），也使用了来自NOAA的2.5经纬度网格的每月的向外长波辐射（OLR）卫星资料，时间跨度为1980-2008。

东部增暖型可以通过Nino-3的海表面温度指数（海表面温度距平在150°-90°W，5°S-5°N的均值）确定。中部增暖型由Ashok等建立的EMI指数确定，它可以捕捉太平洋中部的海表面温度的特征。EMI指数的计算由表达式确定，其中分别代表（165°E-140°W，10°S-10°N）、（110°-70°W，15°S-5°N）和（125°-145°E，10°S-20°N）地区的海表温度距平的平均值。消除指数的线性趋势后，夏秋季节中，Nino-3指数和EMI大于一个标准差的情况被分别定义为中部增暖型和东部增暖型。

3 两种太平洋增暖现象和TC之间的关系

为了使中部增暖型和东部增暖型对TC的作用分别独立出来，整个西北太平洋上的TC频次偏相关以及夏秋季节每个区域的EMI和Nino-3指数，夏季和秋季的计算结果列为表1,。根据表1，在夏秋季节，EMI和TC频次之间有明显的相关关系。这种密切的关系主要为夏季的相关关系。而秋季的相关性较弱。此外，Nino-3指数几乎与西北太平洋上的总TC频次没有相关性。与之类似地，Nino-3.4指数与之相关性也不明显。

表1也体现了两种ENSO之间相关性的不同地理分布。在区域TC频次与EMI指数呈正相关但相关性弱，而夏季和秋季TC频次与Nino-3指数呈高度负相关。在西北太平洋东南部，两种指数与TC频次之间都表现出明显的正相关，但与EMI指数的相关系数小于与Nino-3指数的相关系数。此外，在西北太平洋东北部，Nino-3指数有显著的负相关，EMI有不明显的正相关。这就是以往的研究中为什么在这一区域，Nino-3.4指数和TC频次之间相关性不明显的原因。以上的特征表明这两种ENSO对TC频次有明显的影响。

因为在夏季两种指数与TC频次的相关性更加明显（表1），为了更好地理解两类ENSO受到的影响，我们调查了夏季大气环流异常。图1a和1b展示了中部增暖型和东部增暖型的气象场复合图。虽然中部增暖型和东部增暖型都表现出在太平洋中部的异常海表面温度升高，海表面温度升高与前者的联系更加具有经向性，东部增暖型的海表面温度则表现有相对较弱的经向和纬向梯度。从1980年前开始每月OLR距平与中部增暖型和东部增暖型的复合图也在图1中给出。

为了更加清晰，除去尺度较小的特征量，突出大尺度的对流模式，OLR距平应用T15截断经过了平滑。与中部增暖型相关的加强的对流对从中国南海到日界线以东的热带西北太平洋有很大一部分贡献，同时在中到西部的海洋大陆表现有抑制对流，包括中国东部，朝鲜半岛和日本。与东部增暖型相关的异常对流存在于150°E以东，以170°W为中心。对流的北部受到抑制，这可能与赤道太平洋强大的正加热效应导致的下沉运动指数有关。值得一提的是强大的OLR距平是纬向伸展的，在热带西北太平洋上形成一个经向偶极子模式，这与中部增暖型时的情况不同。作为对两种ENSO相关的异常加热的响应，850hPa风场距平也明显表现为不同的模式。中部增暖年时，低层西风异常使热带西北太平洋在140°E附近达到它的最大值，经向延伸至15°N，造成了远达日本东南部的大尺度环流异常。与之产生对比的是在东部增暖年，850hPa加强的西风异常则被局限于10°N以南的赤道地区，并且最大值移至日界线以东。这个模式对西北太平洋东南区域的TC形成非常有利。另一方面，伴随着纬向延伸的对流抑制，在东部增暖型年日本南部盛行异常反环流，这与中部增暖型有很大区别。反环流流场异常并不利于TC生成，导致了西北太平洋北部TC频次和Nino-3指数的显著反相关关系。

4 一个简单斜压模型下的结果

为了更进一步描述两种ENSO的异常循环和加热，这里使用了一个简单斜压模型的两个数值实验考察了在相同的现实平均状态下对不同加热因子的大气响应。这个模型基于地球物理流体动力学实验室的大气环流模式的动态核模型构建。它平均地分为5个sigma层，采用T24的水平分辨率。

这个模型关于现实的三维夏季平均基本状态是线性化的，另外则保持了预测方程二阶扰动项的完全非线性。基本状态来自于NCEP-NCAR再分析资料的长期平均，通过对原始标准的气压层数据和sigma模式数据的线性插值的方法。假设加热和OLR距平的分布之间具有一致性，那么水平加热曲线可以利用OLR距平来描述。为了消除特定区域的外部加热对西北太平洋大尺度环流的影响，并提取出强迫的主要因子，OLR距平场在区域（110°E-130°W，10°S-30°N）外的值设定为0，用与第三部分阐述的相同方法缩减为T15分辨率。最后，经过以上处理的OLR距平得到了标准化，除以，即中部增暖型时最小的辐射值，并乘0.6K/Day，以得到中部增暖型和东部增暖型的两个数值实验的加热曲线。最大加热值设定在sigma=0.5处，它的振幅是0.3和0.7时的1/2，是0.1和0.9时的1/5。加热曲线大约类似于为1毫米的每日降水，与观测结果基本一致（Jin和Hoskins，1995；Annamalai和Sperber，2005；Ashok等，2007）。

30天的综合结果体现了对固定热源的稳态响应。图2a和2b描述了sigma=0.5以及中部型实验（ENM）和东部型实验（CEN）影响产生的850hPa异常风场下的固定的加热分布。加热分布几乎与OLR距平一致，在边界附近有微小的差异。

这可以被认为是模拟850hPa风振响应与观察结果（图1）达到高度一致。在ENM实验（图2a）中，一个大尺度的由经纬向的加热引起的气旋性环流异常占据了西北太平洋的大部分。也就是说，这样一个加热模式导致了在一个较大区域内的低层大气正涡度异常。这解释了为什么在中部增暖年大部分的西北太平洋区域TC的生成有所增加，因此整个西北太平洋上的TC频次和EMI指数有明显的相关（表1）。另一方面，在CEN实验中，赤道附近的正加热更强，并且东移，同时在西北太平洋上有以20°N为中心的负加热异常。与这个冷摄动相一致的，在西北太平洋上10°N发现低层有一个反气旋的响应。与这个反气旋相关的东北风穿过深热带与赤道西风带合并，在赤道西北太平洋形成一个气旋性切变的模式。因此，在西北太平洋上的低层环流异常的经向偶极子导致TC频次和Nino-3指数之间在西北太平洋北部的明显负相关和东南部的明显正相关。由于在不同区域之间TC频次增加与减少的相互抵消，整个西北太平洋上的总TC频次与东部增暖型之间有弱的相关关系。

为了证实在东部增暖年，在反气旋异常发展时，热汇对赤道热源北部的重要性，我们设计了一个敏感性试验（CEN-2），消除这一区域（135°E-140°W，10°-30°N）的负加热异常。模拟结果（图2c）展示了初始的850hPa反气旋环流异常消失，并且由于与反气旋环流异常相关的东北风的消失，赤道附近的气旋性切变也减弱。这说明在东部增暖年，副热带地区的负加热异常在引起和维持西北太平洋反气旋异常的过程中起决定性作用。

5 结语

利用1960-2008年的NCEP再分析变量和TC数据库，现在的研究表明在北半球的夏秋两季，中部增暖型和东部增暖型对西北太平洋上TC频次的不同影响。与结合东太平洋增暖和中太平洋增暖的Nino-3.4指数不同，EMI指数和Nino-3指数可以区分两类太平洋增暖活动。结果显示，在夏季。EMI指数和西北太平洋上的TC频次呈显著正相关。另一方面TC频次与Nino-3指数的关系由于不同区域频次增减的相互抵消作用而被减弱。在东部增暖年，西北太平洋北部TC生成减少，同时东南部TC生成增加。这种区别可以归因于两类ENSO事件不同的大尺度环流异常。异常的气旋式环流作为中部增暖年西北太平洋上一个大尺度热源的响应而产生。另一方面，在东部增暖年的西北太平洋上作为一个纬向伸长的经向偶极子加热模式的响应（热源位于赤道中太平洋，热汇在它的北侧），在副热带地区维持有一个异常的反气旋，此时在西北太平洋东南部有与赤道西风异常相联系的气旋式切变。

斜压数值

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