2013, Vol. 39 
2. 福建省气候中心，福州 350001；
3. 福建省莆田市秀屿区气象局，莆田 351100
2. Fujian Climate Center, Fuzhou 350001;
3. Xiuyu Meteorological Station of Fujian, Putian 351100
西北太平洋是全球台风生成最频繁的区域，我国是受西北太平洋台风影响最严重的国家之一，台风气候规律的研究是气象学界经久不衰的课题，人们一般以台风生成频数来描述西北太平洋台风活动情况并开展对它的气候规律及其影响因素的研究，研究结果显示：台风频数的年际变化复杂，季风槽、赤道辐合带位置和强弱、ENSO事件、大气准两年振荡、大气季节内振荡、沃克环流、哈得来环流等可以对台风频数产生直接或间接的影响(陈联寿，1979；雷小途等，2002；陈瑞闪；黄勇等，2009；申松林等，2010；徐良炎等，2005；孙秀荣等，2003；李崇银等，2012；张庆云等，2003；高建芸等，2011b；郑文荣等，2009)。
近年来，在台风短期预报方面开展了较多的研究，包括路径预报研究(余锦华等，2012；涂小萍等，2010)、强度预报研究及现状思考(许映龙等，2010)。对台风的气候预测研究，主要有：依据西北太平洋台风频数的影响因子，建立预测模型，开展对台风频数异常的预测工作，在近几年的西北太平洋台风预测中表现出了良好的预测技巧。然而，台风灾害是强度和持续时间共同作用的结果，由于台风累积动能(Accumulated Cyclone Energy，简称ACE)能较准确地表现出台风强度和持续时间，以动能释放的观点表现出台风活动的程度(邱品竣等，2006)，所以，找出台风累积动能与环境场的关系，分析异常年环境场特征，不但有助于更深入地了解环境场对台风活动的影响，也可能以模拟出来的环境场推演台风活动，得到间接的台风气候预测产品。本文研究的目的是以台风累积动能为量化的台风活动指标，分析西北太平洋台风活动异常年的气候特征及气候背景场特点，为将来定量预估台风灾害提供思路。
1 资料来源(1) 台风位置、每6小时1次近中心最大风速值资料选自美国联合台风警报中心(JTWC)提供的1945—2010年西北太平洋最佳热带气旋路径数据，本文研究的台风指强度达热带风暴以上的热带气旋。
(2) 1948—2010年NCEP月平均再分析资料，水平分辨率2.5°×2.5°。
(3) 太平洋海温数据选自英国气象局Hadly中心(www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst)，水平分辨率1.0°×1.0°。
(4) 海温预测数据来自www.cpc.ncep.noaa.gov/products网站。
台风累积动能(ACE)：以6 h一次定位的近中心最大风速的平方和计算单个台风累积动能，年内各个台风累积动能的总和即年台风累积动能。值得注意的是，由于ACE与热带气旋的强度(近中心最大风速)有关，而由于观测手段的变化，强度的观测数据会受一定影响，从而影响到累积动能的值。
2 台风累积动能年际和年代际异常特征统计1945—2010年西北太平洋年台风累积动能和年台风频数变化见图 1，由图 1可以看出ACE存在明显的年际和年代际变化。
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图 1 1945—2010年台风累积动能和台风频数的年变化 (a) ACE，(b)台风频数(虚线为九点二次平滑，横线为65年平均值) Fig. 1 The annual variation of Accumulated Cyclone Energy and typhoon number from 1945 to 2010 (a) ACE, (b) typhoon number (dashed line is for 9-point secondary smooth curve, horizontal line for the average of 65 years) |
取距平超过标准差的年份做为年际异常年，可以得到11个异常多年和9个异常少年，ACE最大的年份和最小的年份相差可以达449(单位：104 kn2，1 km≈0.514 m·s-1，下同)；1945—1997年ACE有明显的年代际变化，有两个少能期和两个多能期，1998年以后总体上为少能期，滑动T检验结果见表 1。由表 1可见，年ACE在1952—1997年期间的每个阶段维持在12 a以上，但1998年以后阶段性变化包含两种频率，既有4~5 a的周期变化，又有10 a以上的年代际变化。按1998年以后4~5 a的周期变化规律，2012—2013年可能由少能期转为多能期，按1952年以后15 a左右年代际变化规律，2012—2013年也将由少能期转为多能期。结合申松林等(2010)的研究可以推测，2013—2020年可能既是台风频数偏多阶段，也是台风累积动能偏多阶段，台风灾害防御将是气象决策服务的重中之重。
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表 1 ACE年代际统计(单位：104 kn2) Table 1 The interdecadal statistics of ACE (unit: 104 kn2) |
比较ACE与台风频数的年际和年代际变化曲线可以看出，两者的年际变化基本一致，计算显示两者的相关系数达0.46，但20%以上的距平同号率仅34%。年ACE的年际变化幅度比台风频数的年际变化幅度大得多，年ACE距平百分率最大可达83%，年频数距平百分率最大却只有52%，不仅如此，有些年份频数为负距平，ACE却为正距平，有些年份频数为正距平，ACE为负距平。
3 ACE异常年气候背景分析 3.1 异常年台风强度和生命史分析前面已经提到，尽管年ACE与年台风频数有很好的正相关性，但有的年份频数偏多，ACE偏少，有的年份频数偏少，ACE偏多，这是由于年ACE指数包含的信息不止台风频数，还包括台风强度和生命史两方面信息。比如：1957年台风频数为21个，较常年平均偏少5个。这一年近中心最大风速>65 kn的台风个数有18个，比常年平均多2个，强度达超强台风(最大风速>135 kn)的个数有8个，比常年平均多4个。另一方面，该年每个台风平均生命史为184 h，超出平均值53%。正是由于1957年台风强度偏强且生命史偏长，导致该年ACE比常年多51.7%。
由于1948年以前无NCEP数据，下面选取1948年以后距平超过标准差的年份作为异常年，分析ACE异常年台风中心强度和生命史的差异及ACE差异的主要海域(见表 2和表 3)。由表 2可见，ACE异常多的年份Vmax>65 kn的台风个数是ACE少年的1.9倍，Vmax>65 kn台风的生命史是ACE少年的1.3倍。由表 3可见，两者差异最显著的海域在130°~150°E范围内，其次在120°~130°E和150°~160°E两个海域也有较明显的差异。
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表 2 ACE异常年累积动能平均、台风强度及生命史比较 Table 2 The comparison of accumulated energy mean, typhoon intensity and persistence in the abnormal years of ACE |
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表 3 异常年各海域ACE平均值比较(单位：104 kn2) Table 3 The comparison of ACE means of sea areas in abnormal years (unit: 104 kn2) |
西北太平洋季风槽是热带辐合带的一部分，内部对流活动频繁，它是低层气旋性扰动的涡源，Harr等(1995)研究指出，西北太平洋季风槽活跃与不活跃流型分别对应热带气旋的活跃与不活跃阶段，它对台风累积动能是否有同样的作用？为此，对ACE异常年850 hPa纬向风距平做合成分析，比较ACE多年和少年季风槽的差异，结果显示：ACE多年和少年纬向风差异以6—10月最显著：ACE异常偏多年季风槽东伸至160°E附近，ACE偏少年季风槽东伸至130°E附近，两者相差约30个经度(见图 2b和2c)。纬向风距平差异最显著的区域在130°~150°E，多年和少年在这区域纬向风速相差2~5 m·s-1，根据3.1分析，异常年ACE差异主要在130°E以东，以130°~150°E范围差异最显著，这与季风槽差异最显著的区域相吻合。由年ACE与当年6—10月850 hPa纬向风的相关系数(图 2c)可以看出年ACE与130°E以东季风槽强度呈正相关，相关系数通过0.05显著检验。季风槽位置偏东引起台风累积动能偏多原因有两个：其一，季风槽偏东的年份，台风生成的海区范围较常年偏大，130°E以东生成台风的概率加大，季风槽与其北面的东风之间(5°~20°N、130°~160°E)有强的纬向风经向切变(-∂u/∂y＞0) 和纬向风辐合(∂u/∂y＜0)，有利于这一范围内热带气旋频数的增多，当季风槽明显东伸且强度偏强时，可能出现群发性热带气旋(高建芸等，2010；2011a)。而150°E以东生成的台风往西或西北移动时会有较长的生命史，从年台风总频数和生命史两方面导致该年ACE值偏多；其二，当西北太平洋处于西风位相时，沿赤道西传的混合罗斯贝重力波在热带西北太平洋季风槽区域通过纬向风辐合项(∂u/∂x＜0) 和切变项(-∂u/∂y＞0) 易于将正压动能向波数较多、波长较短的热带气旋动能转移(Webster et al, 1988; 陈光华等，2009)。
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图 2 年ACE与6—10月850 hPa u分量相关系数及异常年合成图 (a)ACE少年合成图，(b)ACE多年合成图(单位：m·s-1), (c)相关系数(阴影区为通过0.05显著性水平检验区) Fig. 2 Correlations between annual ACE and u-wind in June-October and their composites in abnormal years (a) low ACE years' composite, (b) high ACE years' composite, (c) correlations [units in (a) and (b): m·s-1, shaded in (c) for more than 0.01 significance level] |
众所周知，北半球夏季期间正是南半球的冬季，由于南半球冬半年的冷涡比北半球冬半年的冷涡要强得多，致使南半球的越赤道气流比北半球的越赤道气流强。南半球强的越赤道气流有利于单个台风加强和年台风频数的增多，ACE异常多年和少年越赤道气流有何不同？哪些通道不同？图 3给出了6—10月850 hPa v分量距平的纬向分布，可以看出：ACE偏多年v分量距平代数值大于ACE偏少年的范围在100°~160°E，ACE偏多年南风正距平通道在100°~110°E、128°~138°E和145°~155°E。100°~110°E通道由于海域小，台风难以发展，所以，这个区域的越赤道气流对ACE的贡献不显著。128°~138°E和145°~155°E两个通道偏强的经向风正距平与ACE差异最显著的区域(130°~150°E)相对应，结合图 2中ACE偏多年季风槽东伸的位置可以知道，143°~155°E区域内强的越赤道气流在地转偏向力作用下引起季风槽南侧的西风加强东伸，使季风槽内辐合上升运动加强，进而引起这个区域ACE增加。
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图 3 年ACE与850 hPa赤道平均(5°S~ 5°N)经向风相关系数及其异常年距平合成 (a)相关系数(横虚线为0.05显著性水平)，(b)异常年合成(实线:ACE多年, 虚线：ACE少年，单位：m·s-1) Fig. 3 Correlations between annual ACE and average v-wind (5°S-5°N) at 850 hPa in June-October and their composites in abnormal years (a) correlations (dashed horizontal line: is 0.05 significace level), (b) composites for abnormal years (solid line: high ACE years, dashed line: low ACE years, unit:m·s-1) |
西北太平洋副热带高压对台风的生成和发展有直接的影响，申松林等(2010)研究表明台风频数处于偏多的年代际背景下，副高偏弱、面积偏小、脊线位置偏东，但台风频数年际异常年副高的面积差异不大，那么，副高对ACE年际变化的影响是否也不大？图 4给出了年ACE与500 hPa高度场的相关系数及ACE异常年的合成图。由图 4可见，年ACE与20°~30°N、120°~140°E范围内位势高度呈显著负相关；ACE偏多年586 dagpm等值线的范围伸展至110°E附近，ACE偏少年只伸至115°E附近。由于20°~30°N、120°~140°E区域位势高度偏弱时，副高边缘将往偏东偏北方向移，所以图 4b的显著负相关区比图 4a中的副高边缘偏东偏北。根据图 4a，ACE偏少年台风的主要生成源地(10°~20°N、110°~150°E)被副高控制，ACE偏多年在这一区域却处在副高边缘。在副高边缘有强的季风槽配合时，可造成对流活动加强，利于ACE增多。副热带高压西端偏东偏北的年份，利于夏季季风槽偏北或东伸(高建芸等，2011a; 2011b)，根据3.2分析，季风槽偏北偏东利于ACE增多。
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图 4 年ACE与6—10月500 hPa高度场相关系数及其异常年合成 (a)异常年合成(实线：ACE多年，虚线：ACE少年，单位：dagpm)；(b)相关系数 Fig. 4 Correlations between annual ACE and height fields at 500 hPa in June-October and their composites in abnormal years (a) composites, (b) correlations [solid line in (a): high ACE years, dashed line: low ACE years, unit: dagpm] |
台风的形成与发展与洋面上的海温密切相关，西太平洋暖池状态也直接或间接影响西北太平洋台风频数(Chan, 2000; Wang et al, 2002; Gao et al, 2011a; 2011b)，Gao等(2011a; 2011b)认为，当冬春季暖池和西风漂流区的海温为正距平，赤道中东太平洋为负距平时，南海季风槽增强；当冬春季(10°~20°N/160°E~120°W)区域的海温为正距平，冬季台湾以东洋面的海温为负距平时，若150°E越赤道气流增强，有利于西北太平洋季风槽向东伸展，西北太平洋季风槽东段强度增强，生成于南海—西北太平洋季风槽内热带气旋频数增多。根据黄丽娜等(2009)研究，当5—8月赤道中东太平洋海温呈正距平时，西北太平洋台风年累积动能呈正距平。由于台风频数与ACE指数有较强的相关性，黄丽娜等(2009)和黄勇等(2009)、Gao等(2011b)研究的研究结果为什么不一致？这是因为，年台风频数偏多只是ACE指数偏大的一个因素。另一方面，太平洋海温对西北太平洋台风频数和ACE的影响滞后时间不一样。下面分析热带太平洋海温与ACE的具体关系。对ACE异常年做海温累计距平合成，从前一年10月开始滑动平均，统计海温距平差异最显著的季节和海域，结果显示：ACE异常多年和异常少年太平洋海温距平差异最显著的季节在当年5—8月，差异最显著的区域在赤道东太平洋和西南太平洋，ACE异常少年在5°S~5°N、170°~150°W为负距平，在5°~15°S、150°~160°E为正距平，ACE异常多年正好相反(图 5)。由图 5还可以看出，ACE少年西北太平洋海温为正距平，ACE多年为弱的负距平。暖洋面的蒸发是热带气旋的主要水汽来源，夏季西北太平洋表层温度偏低的年份ACE指数似乎不应该偏强。其实，在TC活跃季节(6—9月)，西北太平洋海域的SST常年保持在28℃以上，使得TC活动的下垫面热力条件在西北太平洋基本得到满足(龚振淞，2011)，因此西北太平洋海域的SST异常不是ACE异常的主要决定因素。由太平洋海温与ACE的距平相关系数也可以看出年ACE距平值与赤道中东太平洋海温距平呈正相关，与西南太平洋海温距平呈负相关，两处的相关系数均通过0.05的显著性检验。
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图 5 ACE异常年太平洋5—8月海温累计距平合成 (a)异常少年, (b)异常多年(单位：℃) Fig. 5 The composite of accumulated SSTA in abnormal years of ACE in May-August (a) low ACE years, (b) high ACE years (unit: ℃) |
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图 6 ACE与5—8月太平洋海温距平相关系数 Fig. 6 Correlation coefficient between annual ACE and SSTA in Pacific Ocean during May-August |
当5—8月赤道东太平洋海温正异常、西南太平洋海温为负异常时，下垫面作用使沃克环流呈现低层下沉辐散中心位于西太平洋地区并偏向于南半球，辐合中心位于东太平洋并对称于赤道；高层辐合中心也位于西太平洋地区，辐合中心相对于辐散中心也偏向于南半球。这种速度分布不对称性产生低层跨赤道南风，提供该年台风活动所需要的额外水汽来源。西南太平洋负距平时，局部哈得来环流距平在南半球热带地区为下沉气流，引发近地面跨赤道南风，进一步提供台风活动的水汽，低层及近地面的跨赤道南风将南半球水汽往西北太洋地区输送，增强该季节台风累积动能(见图 7 ACE异常年高低空水平散度合成图和图 8异常沃克环流示意图)。
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图 7 ACE异常年高低空水平散度(单位：10-6 s-1) (a) ACE少年150 hPa，(b) ACE多年150 hPa散度，(c) ACE少年925 hPa，(d) ACE多年925 hPa(实线＞0，虚线＜0) Fig. 7 The horizontal divergence in abnormal years of ACE (unit: 10-6 s-1) (a) low ACE years at 150 hPa, (b) high ACE years at 150 hPa, (c) low ACE years at 925 hPa, (d) high ACE years at 925 hPa (solid line for positive and dashed line for negative) |
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图 8 异常沃克环流示意图 (a) ACE多年, (b) ACE少年 Fig. 8 Schematic diagram of abnormal Walker circulations (a) high ACE years, (b) low ACE years |
鉴于ACE与太平洋海温关系密切，目前可以很方便获取海温的模式预测产品，以下尝试用5—8月海温异常情况做年ACE短期气候预测。
根据www.cpc.ncep.noaa.gov/products网站提供的海温距平预测资料对2006—2010年ACE异常情况做定性预测。根据图 9a和9b可以知道，模式预测的2010年5—8月赤道东太平洋海温为负距平、西南太平洋海温为正距平，因此，预测2010年台风累积动能可能为异常少年，实况2010年ACE异常少。2006—2010年预测情况见表 4，由表 4可以看出：用5—8月预测的海温异常情况预测当年ACE可以取得较好效果：对2006—2010年的4个距平显著的年份均做出正确的预测。进一步统计发现，海温异常对年台风频数的影响滞后6个月左右，由于时滞太长，用预测的冬春季海温情况做年台风频数预测结果就不尽如意。
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图 9 NOAA网站海温距平预测图示例(a) 2010年4月起报, (b) 2010年5月起报 Fig. 9 Forecast products of SSTA from NOAA The forcasts made beginding from (a) April 2010, (b) May 2010 |
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表 4 2006—2010年海温距平与ACE异常预测(单位：104 kn2) Table 4 Forecasts of SSTA and the abnormality for ACE in 2006-2010 (unit: 104 kn2) |
通过以上分析，得出以下结论：
(1) 年ACE有明显的年际和年代际分布，1952—1972年、1986—1997年为多能期，1973—1985年、1998年至目前为少能期，未来几年可能转为多能期。
(2) ACE偏多年夏季季风槽和越赤道气流偏强，台风主要源地处于副高南侧的季风槽内，致使台风强度偏强，生命史偏长，150°E以东台风生成频数偏多；ACE偏少年夏季季风槽偏弱，128°~158°E的越赤道气流偏弱，台风主要源地为副高控制，导致台风强度偏弱、生命史偏短。
(3) 5—8月赤道中东太平洋和西南太平洋海温异常可影响ACE的异常。ACE异常多年5—8月赤道东太平洋海温为正距平、西南太平洋为负距平，ACE负异常年正好相反。海温异常通过异常沃克环流和局部哈得来环流引起越赤道气流偏强或偏弱，使该年ACE偏多或偏少。
(4) 预测试验表明，太平洋海温对ACE具有一定的预报技巧。
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