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西北太平洋热带气旋快速增强的多年代际变化研究

XIDONG WANG

国家海洋局海洋环境信息技术国家海洋信息与信息服务重点实验室 中国 天津

CHUNZAI WANG

NOAA /大西洋海洋与气象实验室，佛罗里达州迈阿密

LIPING ZHANG

迈阿密大学海洋与大气研究合作研究所 佛罗里达州迈阿密

XIN WANG

中国南海海洋研究所热带海洋国家重点实验室 中国广州科学院

(手稿于2014年4月9日收到，最终形式为2014年12月19日)

摘要

研究调查热带气旋(TC)的变化快速强化(RI)在北太平洋西部(WNP)及其与大尺度气候变化之间的关系。快速增强事件展现出惊人的多年代际变化。暖(冷)位相中太平洋多年代际振荡(PDO),年度台风快速增强数量普遍较少(多)和RI的平均位置往往向西移动。RI的多年代际的变化是与大尺度的海洋和大气变量的变化如海表面温度(SST)、热带气旋潜在热量(TCHP),相对湿度(RHUM)和垂直风切变(VWS)有关。结果表明,在多年代际时间尺度变化取决于PDO的位相。在PDO冷相位时偏东信风加强,这往往使赤道温水向北传播到主要RI地区，这与伴随埃克曼输送的经向海洋平流有关。同时，一个反气旋风异常形成在WNP副热带环流区。这可以加深26℃等温线深度，直接增加主RI区域上的THCP。在PDO冷相位这些热力学效应极大支持RI的发生。相反在PDO暖相位也是如此。结果也表明低层风切变沿着季风槽的切面可能不是导致RI多年代际调整的原因。

1介绍

过去20年间，我们在台风路径和强度的预报中取得了重大提高。然而，对比预报台风路径，预报台风强度改变面临着更严峻的考验。尤其是预报台风快速增强(RI)。由于复杂的台风过程，包括台风与海洋和周围环境的多种相对联系，很难有很好的手段去做相关的预报。在Saffir-simpon尺度下，台风快速增强是类别4和5台风的一个基本的部分。类别4和5的台风被称作西太平洋超级台风。在西北太平洋大约百分之90的超级台风发生和在大西洋，在他的生命周期中，所有类别4和5的飓风都会经历至少一次RI过程。更好地理解RI的机制会帮助减少由于台风造成的损失。

在海表面台风增强因子已经在几十年前被证实了。海表面温度的效应在台风增强过程中被广泛熟知。举个例子，26-27摄氏度的海表面温度被发现作为台风增强的临界。潜在的SST决定这个风暴最大的潜在强度。最近，关于大于26℃热带气旋潜在热量（THCP）的统计预报方法被展现出能减少预报大西洋飓风的强度预报的错误。在各种流域上大多数超级风暴被发现有高的TCHP并且在该地区深厚温暖的混合层的暖性涡旋会出现快速增强。在深度等温层内显著盐度分层的高淡水输入区域，可以看到等温层的基底与混合层的基底之间的阻挡层。几项研究表明，阻隔层在TC强化中的积极作用。大致来讲，在台风增强中台风引诱的海温冷却起到一个负反馈的作用。另外，暖性涡旋和阻碍层的作用可能会限制台风引诱的SST冷却，这会减少引起周围大气海洋负反馈作用。

许多研究都强调了RI过程大尺度的大气环境因素的重要性。观测和模拟结果表明,RI时更有可能出现TC和上层系统之间的交互。在北大西洋Kaplan和DeMaria提出RI位于微弱的垂直风切变的地区，减弱上层槽对其的作用力和对流层相对湿度。Ventham and Wang (2007)的研究发现，在西北太平洋上，RI的特点是低层季风影响环境环流，这在RI过程中扮演者重要角色。Shu等人 (2012)研究影响WNP台风RI的大尺度环境因素。研究发现相比没有RI的地区，RI导致更高的对流层低层相对湿度，更微弱的垂直风切变和对流层上层更多的向东湍流。

大量的调查已经解决气候变化对TC活动的影响。其认为,在过去的30年中SST的临近上升往往造成增加强度和潜在的破坏性的TC。同时,其他人则认为,如果TCs的时间序列扩展到早些年,TC强度的增加实际上是多年代际一部分TCs的频率波动。一些研究致力于西北太平洋台风多年代际变化。Hoetal研究多年代际间WNP夏季台风路径变化。他们将1951-2001年分成1951-79和1980-2001，之后发现台风在中国东海和菲律宾海上台风通道频率显著降低，但是在后期中国南海上略微增强。通过检查各种热力学和动态因素,chan发现由于全球海洋和大气条件的变化与厄尔尼诺现象和太平洋多年代际振荡(PDO)，在WNP超级风暴频率和路径经历多年代际变化。yehetal（2010）显示台风频率和热带太平洋SST有多年代际关系，与1990-2000呈现正相关，与1979-1989呈现负相关。Liu和Chan研究1998-2011的TC活动和大气条件。TC活动显示有明显降低，这在一定程度上是在WNP的东南部的TC发生频率多年代际变化相关。

上述大多数以前的研究集中在气候因素对起源、路径、持续时间,TC强度的影响。很少有研究试图分析TC RI变化在多年代际的时间尺度上,并将它与WNP海洋和大气信号相联系。如果TC RI存在多年代际的波动，其关键点是研究大尺度环境因素的改变来确定是否存在一个多年代际的时间尺度。因此,本研究试图考察多年代际WNP TC RI的变化及其可能的气候关系，如PDO等信号。这项研究表明一个新的机制,PDO可能在WNP TC RI多年代际时间尺度调节大尺度环境因素做出贡献。

本文的其余部分组织如下。在本文第二部分用于讨论数据和方法。第三节介绍了在WNP TC RI的气候分布。第四节调查多年代际RI的变化和相关的大尺度环境和PDO的关系。第五节给出了总结和讨论。

2.数据和方法

联合台风警报中心获得的发生在1951-2008年在WNP6小时最佳TC历史数据这其中包括6小时预报位置，最大持续风速，表面和中心的气压，以上数据被用作证实RI的发生。我们按照以往的传统，采用其中95%的24h台风水上强度变化作为证实RI的临界值(Kaplan and DeMaria 2003; Kaplan 等人2010)。30kt每24小时强度变化阈值代表24小时近95%在WNP强度变化，这被用于定义RI事件(Wang and Zhou 2008; Shu 等人 2012)。

我们从国家气候数据中心（NCDC）中获得200-850hPa的SST，TCHP,VWS以及500hPa的RHUM，目的是检验与RI有关的大尺度环境条件。水平分辨率为2°*2°(Smith等人2008)。TCHP超过60-90kJcm^-2已经被证实有利于TC增强，TCHP往往作为一个台风预测的参数方案。

Leipper and Volgenau (1972)开发和制定TCHP的公式，如下

(1)

式中C_P是定压比热容，D₂₆ 是26℃等温线深度，是当地密度，是当地温度。从SODA获得的THCP数据用作计算每月平均温度和盐度，这基于水平网格距0.5°*0.5°垂直和40垂直层的海洋并行程序模型。SODA提供的速度场被用作SST热平流的计算。

20世纪大气变量的分析版本2(20CRv2)，是以月为时间分辨率，2°*2°为空间分辨率(Compo et al. 2011)。VWS计算的是200-850hPa的垂直风切变。5月-11月的大气海洋变量的平均值代表了RI最活跃季节的平均状态。他们是去分析线性趋势。是通过执行一个7年高斯过滤来表示海洋大气变量来获取多年代际的变化。

双月刊刊登来自美国国家海洋和大气管理局的气候诊断中心多元ENSO指数（台风MEI）。MEI是构建基于观察在太平洋热带地区6个主要变量,包括海平面气压(SLP),纬向和经向组成部分表面风,风场、表面空气温度和总阴沉的天空(Wolter and Timlin 1998)。PDO指数用NCDC的ERSST构建，它被定义为每月指向北太平洋20°N的海温异常(Mantua et al. 1997)。MEI和PDO在5-11月指数平均代表ENSO的状态和PDO在RI活跃的季节。

在这项研究中,有效自由度(edf)的相关显著性检验估计公式

(2)

N是x和y的时间序列长度，r_x1,r_y1是落后于1的自相关系数，r_x2,r_y2是落后于2的自相关系数。

自由度计算平均差的显著性检验公式

(3)

和分别是标准差x和y的时间序列,n_x和n_y 分别是 x和y的长度时间序列。如果DF不是整数,将其四舍五入到整数。

3.RI的气候分布

1951-2008年期间，在WNP 120°E-180°E，1346次台风中有485次台风发生1223次RI事件（记录的TC在生命周期中至少发生一次RI过程）。WNP气候RI年平均值是21.1，标准差是14.4。图1显示了1951-2008年间在WNP每月RI的气候变化和台风数量。

在5-11月在WNP有明显的RI事件发生，最大值在发生在8月，最小值在2月。最多（最少）的RI数量可能与当时台风增加（减少）有联系。在5-11月RI发生的数量为1122次，占据了总RI数量的92%。因此在接下来我们关注在RI活跃时期相关的大尺度环境变化。

图2显示出1951-2008年每一次RI事件24小时轨迹分布以及总年平均在5*5网格中的数量。RI事件倾向于发生在北纬25度的地区的南部，很少发生在北纬25度的北部。RI事件68%集中在8°-20°N，125°-155°E之中，将这样的地区定义为主要RI地区，最大值地区在15°N，130°E的周围，并别向东至150°E。在1951-2008间最大的RI数量在5X5网格中达到115。这些特征的结果符合Shu等人 (2012)。

4．RI的多年变化及其大尺度环境

在北太平洋有一个最重要的多年气候变化因素是PDO，是类ENSO的SST场空间信号(e.g., Mantua 等人 1997; Zhang 等人 1997)。这个发现在WNP上PDO对台风活动有重要影响(e.g., Wang 等人2010; Aiyyer and Thorncroft 2011; Liu and