2011, Vol. 37 
2009年西北太平洋及南海海域共生成23个热带风暴(TS)级以上强度的热带气旋(简称TC)，较气候均值(27个，1971—2000年平均)偏少。登陆我国的TC有10个，较气候均值(7个，1971—2000年平均)偏多，且多数登陆华南, 对我国南部地区造成严重的影响。本文在分析2009年西北太平洋及南海海域TC活动总体特征的基础上，对造成2009年TC活动异常的海洋状况和大气环流背景进行了初步分析。
1 资料和方法TC资料取自中国气象局最佳路径数据集[1]，采用美国NCEP/NCAR大气环流再分析资料[2]、NOAA OI SST V2[3]资料分析TC活动异常的海洋和大尺度环流背景条件，文中所涉及的海洋和大气环流指数的计算同文献[4]，候平均以每5天计算(1年73候)。
TC活动的总体强度用标准化台风活动指数NTA[5]来描述，NTA由最佳路径数据集中的TC近中心最大风速来计算。为使物理意义更加清晰，将文献[5]中的公式(1) 表述为：
| $ NTA = \sum\limits_{i = 1}^{{N_{{\rm{TC}}}}} {\sum\limits_{p = 1}^{{N_{{{\rm{T}}_{{\rm{ci}}}}}}{N_p}} {\frac{1}{4}\frac{{{V_{\max }}}}{{{V_{{\rm{TY}}}}}}} } $ | (1) |
式中，Vmax是近中心最大风速，VTY=32.7 m·s-1，i＝1, 2, …, NTC为TC的数目，p＝1, 2, …, Np为每个TC达到热带风暴以上强度的次数(每6 h计1次)，乘1/4表示时间上以天为单位。式(1) 与原文含义相同，由此可知NTA兼有强度和生命史的信息。
以0905号热带风暴Soudelor(苏迪罗)、0914号超强台风Choi-wan(彩云)和0917号超强台风Parma(芭玛)为例来说明NTA指数的特性。如表 1所示，Soudelor生命史期间达到TS强度的仅1.5天，NTA指数为0.5；相比之下，超强台风Choi-wan和Parma达到TS强度时间分别为8天和15天，相应的NTA指数均超过10。比较两个超强台风可以发现，Choi-wan达到TS强度的时间比Parma短，但达到台风(TY)以上强度的时间(累计6.25天)比Parma(5.25天)长，Choi-wan的NTA指数为17.2，远大于Parma(13.7)。可见，在较强强度上维持的时间越长，NTA指数越大。这表明NTA指数在表示TC活动强弱时，更为偏重强度的差异，生命史的长度则在其次。
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表 1 2009年3个TC的NTA指数比较 Table 1 Comparison on NTA index of three TC cases in 2009 |
若假定Vmax＝VTY，即假定TC在其生命史的所有时次均为台风强度，将其值记为NTAB，则NTA-NTAB的正负可表示台风以上等级TC活动的强弱。换而言之，对单一个例而言，热带风暴和强热带风暴Vmax/VTY＜1，NTA(1)＜NTAB(1)；台风以上等级TC则Vmax/VTY＞1，NTA(1)>NTAB(1)。对于整个年度，NTA-NTAB的正负表示台风以上等级TC的活动是否占主导。另由于Vmax/VTY=1时的式(1) 等同于计数器，因而NTAB也可以代表TC的生命史长度，其单位为天。
2 2009年TC活动特征 2.1 频数、强度和生命史2009年生成TC频数比30年(1971—2000年，下同)气候均值27个偏少(图 1a)，是2005年以来持续偏少的第5年；从季节分布看，2009年TC发生的高峰期出现于9月，较30年气候均值偏晚约1个月(图 1b)，且有2个偏多的时段，一个是5—6月，另一个是9月，其余月份的生成频数偏少。
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图 1 (a) TC年频数(直方图)及1971—2000年均值(横线)，(b) 2009年逐月TC频数与1971—2001年气候均值 Fig. 1 (a) Annual TC frequency (histogram) and climate mean (horizontal line) over 1971-2000; (b) Monthly TC frequency (histogram) in 2009 and corresponding climate mean (shaded histogram) |
根据式(1) 所计算的2009年NTA指数为145，接近30年气候均值(147.2)，表明TC活动的总体强度接近常年；NTAB值(137) 也接近气候均值(139.2)，即2009年TC总的生命史长度接近正常。图 2表明2009年NTA－NTAB为正值，反映出台风以上等级TC的活动较强。事实上，2009年共出现6个台风，1个强台风，6个超强台风，占了TC的多半；而热带风暴和强热带风暴各为5个；台风以上强度的频数比例(57%)并没有比气候均值(59%)[4]高，但全年TC维持在台风以上强度的时间累计达到53天，占总数137天的39%，高于气候均值(36%)[4]。
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图 2 1971—2009年标准化台风活动指数NTA序列(折线)及NTA-NTAB序列(直方图)横线为1971—2000年NTA指数的均值 Fig. 2 The Normalized Typhoon Active Index (NTA, winding line) and the difference between NTA and NTAB (NTA-NTAB, histogram) from 1970 to 2009. The horizontal line indicates mean NTA over 1971-2000 |
以TC达到TS等级的位置作为其生成位置，将其网格化到2.5°×2.5°经纬网格，并取1971—2000年平均(图 3a)；与此30年的气候平均比较，2009年热带气旋源地在早期较为偏西，但后期较为偏东(图 3a，3b)，23个TC中有6个生成于南海，多数位置较为偏北(图 3a)；另外17个的源地在西北太平洋海域上，大部分位于TC多发的纬带上(图 3a)。在南海海域生成的TC比例(26.1%)远高于30年气候均值(19.8%)。
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图 3 (a) 2009年TC达到TS等级的位置( |
2009年TC源地最显著的季节特征是纬向的迁移，其经向季节性位移并无显著异常。图 3b显示，超过半数的TC生成于气候平均的源地以西，源地最东也仍在160°E以西。源地的位置变化大致可分3个阶段：首先是季节初期5月到8月初，这一时期生成的第1~8个TC源地均异常偏西，基本上位于南海和菲律宾群岛附近；其次是8月中旬至9月底，此间生成的第9~19个TC，源地散布于南海至160°E之间；而其后TC不再生成于138°E以西；即从季节初期到临近结束，源地有从西到东的迁移。
2009年的TC路径以西行和西北行为主。23个TC中西行和西北行路径的有11个，转向6个，东北行的4个，其余2个为北行路径。这11个西行或西北行路径的TC主要发生在3个时段：6月下旬至8月上旬有5个，9月中旬至10月中旬有4个，10月末至11月底有2个。
共有10个TC登陆我国，较30年气候均值(7个)偏多。这10个登陆TC中，也以西行和西北行路径占多数(8个)，因而多数登陆点偏南，给我国南部造成严重的影响。以首次登陆计，登陆广东省的有4个，其次是海南3个，台湾2个，福建1个。二次登陆的有2个，其中1个登陆台湾后再次登陆福建，另一个登陆海南后再次登陆广东。
2.3 对我国的影响2009年对我国有明显影响(标准参见文献[6])的TC有14个。最令人印象深刻的TC是0908号Morakot(莫拉克)和0907号Goni(天鹅)。Goni和Morakot以及稍后形成的0909号热带风暴Etau(艾涛)共存。在Etau尚未达到TS等级时，其初始环流与Morakot十分接近，两者相互影响造成Morakot路径预报的困难。
Morakot最强达到TY等级，但其强风半径大(最大7级风圈500 km，10级风圈120 km)，登陆台湾花莲时近中心最大风速40 m·s-1，登陆我国福建霞浦时近中心最大风速也达33 m·s-1。Morakot空心结构明显，其降水范围广、强度大，在我国台湾省阿里山连续两日造成超过1000 mm的降水，其1623.5 mm/24 h的日雨量在我国居第三位[7]。强降水是引发地质灾害的重要因素[8]，受Morakot台风的影响，台湾发生了惨重的泥石流，小林村全村毁于一旦。Morakot在大陆地区造成的过程总降水量也超过1.9×105 mm，成为2009年带来最多降水的TC，其在闽、浙、皖、赣4省所造成的过程降水量也均超过50年一遇值。
Goni虽然最强仅达到STS等级，但其活动怪异，登陆广东省后，一度减弱，复又进入南海加强，绕海南岛逆时针而行，同样造成了严重的影响，其带来的总降水超过1.1×105 mm，居第二位。Morakot和Goni是2009年降水影响最强烈的两个TC。而大风影响则以Morakot、Molave(0906，莫拉菲)和Koppu(0915，巨爵)三个台风最强，它们登陆时的强度均为TY等级；除Morakot以外，Molave和Koppu均登陆广东省。
3 TC异常活动特征的成因分析根据上节的分析，2009年西北太平洋及南海海域TC生成频数偏少，源地位置偏西，而TC活动的强度接近常年，其中TY以上强度TC活动较强；TC路径以西行和西北行为主，登陆我国的TC偏多，登陆点偏南。本节针对2009年TC源地纬向迁移、个体偏强、路径以西行和西北行为主等特点，分析相应的海洋和大气环流的变化特征，以探讨TC活动异常与海气系统变化的关系。
3.1 影响TC源地分布的主要因子对TC源地的纬向迁移而言，低纬地区的ENSO循环有着重要的作用[7]。2009年发生了一次El Nino事件[9](图 4a)。当年5月，热带太平洋的海温异常(SSTA)很弱，从南海至东太平洋均以正异常为主，赤道西太平洋中部160°E附近有正SSTA中心，此异常区一直维持并随季节东移到中太平洋，而160°W以东的赤道东太平洋自6月开始出现大片正SSTA。这两大SST正异常区自8月开始逐渐融合；至10月时主要的正SSTA覆盖赤道太平洋160°E~120°W区域，西太平洋负SSTA范围扩大并增强。
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图 4 2009年5-11月(a)赤道地区(5°S~5°N)逐周SSTA的演变(等值线间隔0.5 ℃，阴影为≥0.5℃距平区)；(b) 5°S~15°N逐候Walker环流指数的演变(阴影，深色为下沉，浅色为上升)，(c)5°~25°N纬度带逐候200 hPa (等值线)和850 hPa (阴影)扰动动能正异常的演变：(d) 2.5~7.5°N维度带850 hPa候平均南风风涌(深灰色, ≥2 m.s-1, 间隔1 m·s-1，浅灰色为1971-2000年平均态的南风涌。(b~d)标注TC生成的经度
表示生成于南海， 表示生成于北太平洋 Fig. 4 Evolution from May to November in 2009 of (a) equatorial (5°S-5°N) weekly SSTA (contour interval is ≥0.5 ℃, and SSTA≥0.5 ℃ are shaded); (b) pentad Walker circulation index over 5° S-15° N (dark shaded means subsiding, light shaded means ascending); (c) pentad positive TKE anomalies over 5° -25° N at 200 (contour) and 850 hPa (shaded); (d) pentad southerly surge (dark shaded ≥2 m·s-1, contour interval 1 m·s-1) over 2.5°-7.5°N, light shaded indicating 1971-2000 mean southerly surges. The TC genesis longitudes are marked in (b-d), |
研究指出，ENSO循环对西北太平洋TC活动的影响主要不是通过海温的变化，而是海气耦合所引起的大尺度大气环流的改变[10-11]。西太平洋暖池区常年海温较高，满足TC生成所需的条件；而赤道西太平洋中部的正SSTA与西太平洋暖池区相叠，其效果是使得暖池区出现次一尺度的海温梯度(图略)，与其耦合的大尺度环流在西太平洋也表现出次一尺度的局地性特征。
热带Walker环流指数的分布(图 4b)表明，对应于热带海洋SSTA的变化，从5月初到11月末，主要的上升运动区由120°~160°E一带逐渐移至140°E~180°一带；其西侧为狭窄的下沉，位于菲律宾群岛附近，且中心也有向东偏移的趋势。而在上升运动区的东侧，虽然中东太平洋也有正SSTA，但较之西太平洋暖池的SST仍然偏低，其上空也是下沉。此外，对应于120°E西侧始终维持的正SSTA(图 4a)，中南半岛至我国南海一带也有上升运动区(图 4b)。
显然，2009年热带海气系统所呈现的特征与El Nino Modoki[12]的形态相似，Walker环流在中西太平洋上升, 120°E附近和东太平洋下沉。西太平洋局地的大尺度上升和下沉随季节有逐渐东移的趋势。
由图 4b不难看出，TC并非总是生成于大尺度上升运动的中心。这是由于TC的生成既需要适宜的大尺度背景，也需要有天气尺度扰动的触发机制[13]；低层风涌[14]和高层中纬度南侵的高位涡异常均有利TC发展。从TC主要生成纬带(5°~25°N)上扰动动能(TKE)的演变(图 4c)可见：TC的生成基本上都伴随着区域内扰动动能的正异常。其中高低空TKE异常相配合的最多，占1/2强；其次，仅存在低层TKE异常的约占1/4；而仅存在高层TKE异常的很少；说明高低空的扰动相配合最容易触发TC的生成，且低层扰动更为重要。此外，在8月之前，西太平洋扰动动能的正异常中心主要位于120°E附近，8—9月期间则在160°E以西洋面上空均有出现，而后期10—11月扰动动能正异常中心主要偏于160°E西侧，与TC源地变迁的3个阶段相一致，也与热带大尺度上升区的迁移基本一致(图 4b)。扰动动能的异常既可反映TC本身的活动，也可说明触发TC的扰动的活跃程度。
低层风涌是TC触发的重要机制之一[14]。在TC生成区南界(5°N附近)，低层强风涌区位于大尺度上升运动区的西侧，并与之同样随季节从120°E以西逐渐东扩到160°E附近；相比之下，气候平均态的南风涌偏于160°E以东(图 4d)。这表明对2009年而言，低层南风风涌主要出现在我国南海及菲律宾以东海域可能是TC源地偏西的有利条件；而南风涌的范围逐步东扩，也可能是TC源地在初期较为偏西而后期较为偏东的原因。
3.2 调控TC路径趋势的局地大气环流型2009年西行或西北行倾向的TC在6月至8月上旬和10月下旬至11月两个时段占优势，而8月下旬至10月中旬则各类路径均有，时间上与源地变化的三个阶段较为一致。
从500 hPa位势高度的分布来看，第一阶段中纬度的正负距平呈准纬向相间分布并且都很强(图 5a)，北太平洋中部的负距平说明大洋中部槽比气候平均更强更深，而我国东北的负距平与其北侧的正距平区共同构成南槽北脊的分布说明中纬度的环流以经向型为主；但在副热带地区，位势高度的正距平说明副高强度强、明显西伸，副高单体呈带状(图略)。
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图 5 2009年500 hPa位势高度距平(阴影和白色实线为正距平，虚线负距平，间隔1 dagpm)和1971—2000年气候平均(黑色等值线，间隔4 dagpm)。(a)第34—43候平均，(b)第45—58候，(c)第59—66候 Fig. 5 Geopotential height anomaly at 500 hPa in 2009 (white lines and shaded area are positive, dashed lines are negative, contour interval is 1 dagpm), and mean geopotential height at 500 hPa over 1971-2000 (dark line, contour interval is 4 dagpm). (a) Averaged over pentad No.34 to 43, (b) averaged over pentad No.45 to 58, (c) averaged over pentad No.59 to 66 |
第二阶段的位势高度在中纬度仍是正负距平区呈准纬向相间分布，前一阶段位于我国东北的负距平区均东移南伸，在日本以南有明显的距平槽，而其两侧为正距平区(图 5b)，为典型的大陆高压和太平洋副高夹南北向低压通道的分布。这一阶段，副高断裂为东西两个单体(图 6a)和呈带状(图 6b)的候各半。副高东西两个单体间的低压通道有利于TC转向或北上，此阶段的这类TC多位于低压通道附近(图 6a)；而由于我国东部高压单体的阻挡，这类TC接近我国的较少。而当该侯副高呈带状时，TC则均为西行和西北行路径。
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图 6 2009年第45~58候500 hPa候平均位势高度588 dagpm线。(a)副高分东西两个单体(以不同线型和线上的数字表示2009年第47、48、50、53、56、57和58候)，(b)副高呈带状(细线和线上的数字为2009年第45、46、49、51、52、54和55候，无数字标记的粗实线为气候平均) 图中标注TC生成位置，表示西行和西北行路径的TC, 表示其他路径TC, 符号边的数字表示序号 Fig. 6 Pentad mean location of 588 dagpm contour line at 500 hPa during pentad No.45 to 58 in 2009. (a) double-ring pattern of the subtropical high, different lines marke with numbers mean pentads 47, 48, 50, 53, 56, 57, and 58 in 2009, respectively; (b) belt pattern of the subtropical high, thin lines marked with numbers mean pentads 45, 46, 49, 51, 52, 54, and 55 in 2009, respectively, solid thick lines, without numbers, are climate mean. The TCgenesis locations and associated serial numbers are also plotted, with the serial number indicating TCs moving westward and northwestward, while with the serial number indicating other track types
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第三阶段中高纬度环流的经向型依然明显，位于贝加尔湖一带的负距平区和日本海至副热带太平洋地区的正距平表明东亚大槽的位置偏西偏强，并在太平洋中部形成高压脊；而正距平区则在槽区附近，且较为偏南(图 5c)。这一阶段副高以带状为主，且所处的纬度比第一阶段偏南(图略)，TC路径为西行和西北行。
从总体来看，3个阶段中纬度环流的经向度均很明显，这说明北方的冷空气十分活跃；但在第一、二阶段槽区主要位于朝鲜半岛至日本一带，第三阶段则位于我国东部。而在其南侧，3个阶段的副高均偏强，不同的是形态：第一、三阶段副高呈带状阻戈于TC和中纬度槽之间，槽前气流较难影响TC，TC多西行或西北行；而第二阶段带状副高和分裂为两个单体的形势交替，TC西行的较多，以其他路径行进的也多。显然，TC的路径趋势与西北太平洋局地的副高形态密切关联。在TC源地偏西的情况下，西行和西北行路径的比例高，导致TC登陆我国频数偏多且登陆点多集中在我国南部地区。
3.3 TC个体强度与大尺度热力和动力条件在频数偏少的情况下，2009年TC活动的总体强度接近常年，说明TC个体的活动偏强。研究表明，TC的最大强度取决于动力和热力因子的协同作用[14]，动力因子包括垂直风切变、低层扰动等[15]，热力因子包括海洋热状况、气柱相对湿度、TC流入流出层的温差等[15-16]。
在TC活动的主要区域(5°~35°N、100°~170°E)，SST平均为28.0 ℃，年际方差仅0.2 ℃；因而海洋的热力条件基本上能满足TC持续增强的需要。在此区域内，计算逐年25—67候平均的低层925~700 hPa的TKE、垂直风切变(200~850 hPa)、气柱相对湿度以及TC流入流出层(以边界层和对流层顶代表)温差。其中，区域平均的垂直风切变和TKE与TC个体的平均强度(以NTA除以频数表示)有显著的相关(表 2)，其显著性水平检验均达到0.001。
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表 2 TC活动参数与25—67候大气因子的相关系数(粗体为显著相关) Table 2 Correlation between TC activities and circulation factors from pentad No.25 to 67 (bold font means significant correlation) |
正相关说明，区域平均的垂直风切变偏大时TC个体平均强度偏强，这似乎与天气尺度上风切变与TC强度的关系[17]相悖。但事实上，实际作用于TC的风切变，其空间尺度远比TC主要活动区的尺度小。在天气尺度上，风切变的动力作用主要表现在其对于天气尺度TC环流高低层耦合的影响，因此我们进一步分析与垂直运动相联系的高低层散度场。图 7a和7b给出了2009年25—67候850和200 hPa的散度异常。由图可见，就气候平均而言，西北太平洋TC活动的主要区域低层为辐合、高层为辐散，对TC活动是有利的。而2009年，850 hPa上仅20°N以南和140°~150°E一带为辐合加强区域，TC达到TY以上强度时大部分位于此区域内，也有相当一部分位于其北侧辐合减弱区内(图 7a)；而200 hPa上，155°E以西的洋面上空大部分为辐散加强的区域(图 7b)，TC达到TY以上强度时绝大部分位于此区域内。相关分析表明，区域尺度的风切变与200 hPa散度的相关系数为0.35，达到0.05的显著性水平检验。事实上，对比高低空风场也可知高层的风速远大于低层，因而风切变的大小主要取决于高层的风速，并与高层散度场有密切联系。
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图 7 2009年第25~67候平均的两北太平洋局地动力和热力条件的异常分布。(a) 850 hPa散度，黑色等值线为1971—2000年平均；阴影和白色等值线(间隔5x10-7s-1)为2009年负距平区；(b)200 hPa散度(黑色等值线为1971—2000年平均; 阴影和白色等值线(间隔5xl0-7s-1)为2009年正距平区, (c) 925~700 hPa扰动动能(TKE)
(黑色等值线为1971—2000年平均(单位：104m2·s-2)阴影和白色等值线(间隔1 × 104 m2·S-2)为2009年正距平区，区域内TC达到TY强度的时段用标出)
Fig. 7 Local anomalous patterns of the dynamical and thermodynamical conditions during pentad No.25 to 67 in 2009. (a) convergence at 850 hPa (white lines and shaded, contour interval 5 × l0-7s-1), black lines are mean over 1971-2000; (b) divergence at 200 hPa (white lines and shaded, contour interval 5 × l0-7 s-1), black lines are mean over 1971-2000;(c) mean TKE over 925 to 700 hPa
(white lines and shaded, contour interval 1 × l04m2·s-2), black lines arc mean over 1971-2000. The indicates TC with intensity of TY category
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TKE与2009年TC个体平均强度的关系也可由图 7c说明。TKE的气候平均分布的主要特征是西北太平洋上自东北向西南的低槽区；而2009年，TKE正距平控制了低槽区的大部，正距平中心位于TC的源区附近，而各TC达到TY以上强度时大部分也位于正距平区中。由此可见，季节平均的TKE与季节内TC个体平均强度的关系十分密切，TKE偏强时，TC的个体平均强度也偏强。
此外，无论何种环境因子的变化并非始终与TC个体的平均强度保持同位相，这说明TC个体强度的年际变化成因十分复杂。就2009年而言，低层扰动动能增强和高层辐散增强均有利于TC个体强度偏强。
4 结论2009年TC活动的主要特征可概括为：TC生成频数偏少，季节峰期推迟，TC活动的强度从总体上与常年持平，但TY的活动强于常年；TC源地偏西，并随季节有明显地从西到东移动的趋势；西行和西北行路径占多数，登陆TC偏多，登陆点多位于华南。进一步分析2009年TC活动异常的成因，得到以下初步结论：
(1) 在2009年El Nino事件发展过程中，热带西太平洋中部的异常暖SSTA的发展使得大尺度上升区主要位于热带西太平洋中部，低层南风强风涌区和有利于TC涡旋组织的高低空扰动动能增强区均位于大尺度上升区西侧，两者均随季节东移，相应地TC源地也随之东移。
(2) 2009年中高纬度环流经向度大，但是副热带地区副高总体上较强而偏西。在不同季节阶段，副高交替呈现带状或断裂为2个单体，且以带状为多，使得TC的移动路径以偏西为主，登陆TC偏多且登陆点多在华南；而副高断裂时，我国东部大陆受高压控制，使得北上和转向的TC难以靠近我国大陆。
(3) 对应于西北太平洋局地对流层高层辐散和低层扰动动能增强，2009年TC的个体平均强度偏强。登陆TC在我国造成的影响强烈，台湾出现了居我国第三位的日降水极值，而闽、浙、皖、赣4省也均出现了超过50年一遇的过程降水量。
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