2019, Vol. 45 
2. 广东海洋大学海洋与气象学院，湛江 524088；
3. 广东省气候中心，广州 510640
2. College of Oceanography and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088;
3. Guangdong Climate Center, Guangzhou 510640
西北太平洋海域是全球热带气旋(TC)活动最为频繁的区域(冯涛等, 2013)，TC的活动给周边沿海国家和地区造成了巨大的经济损失(Welker and Faust, 2013)。对其活动特征的研究，准确把握其变化规律，对预报TC活动路径、减少TC活动给周边国家和地区带来的不利影响具有重要意义。研究表明：准两年振荡(Chan, 1995)、MJO(Sobel and Maloney, 2000)、PDO(Wang and Liu, 2016)等对西北太平洋TC活动均有一定影响。前人对西北太平洋TC的季节、年际尺度变化特征及其影响因素作了详细研究，指出大气环流以及海洋条件的影响是促成TC生成、发展的重要因素(杨桂山和施雅风，1999；赵雪等，2008；王瑾等，2009；殷明等，2016)。
较多研究显示：ENSO等大尺度海气系统对西北太平洋TC活动具有重要影响，El Niño年，西北太平洋TC活动偏东，强度较大，；La Niña年相反(Chan 2000; Camargo and Sobel, 2005; Camargo et al, 2007; 孙冷，2011；Xu and Huang, 2015)。Yang et al(2016)研究了东部型与中部型El Niño发生时西北太平洋TC活动的差异，指出在东部型El Niño期间，TC登陆菲律宾频数增加，而在中部型El Niño期间，西北太平洋TC更多进入南海并在我国华南沿海登陆的频数会有增加。Xu and Huang(2015)研究发现东部型El Niño年7—8月，太平洋更易生成较强等级的TC，9—10月TC最大活动异常中心向东偏移；而中部型El Niño期间，7—10月太平洋TC活动几乎无明显变化。中太平洋增暖比东太平洋增暖更有利于TC的发展，强TC活动较多，东部型冷事件也不利于TC的生成(靳甜甜, 2014)。
通过前人的研究结论可以发现在东部型与中部型El Niño事件发生期间西北太平洋TC活动有较大差异，然而在不同季节形成的ENSO事件期间，西北太平洋TC活动特征是否也有明显的差异？影响TC活动的主要因素会发生怎样的变化？对这些问题的研究有助于加深对TC活动与ENSO之间相互关系的认识，具有重要的研究意义。为此，参照Xu and Chan(2001)研究，从ENSO形成的季节角度出发，探讨在夏季与秋季发生的ENSO事件发生期间，西北太平洋海区TC活动有何异同及其可能的影响机制，以期为短期气候预测以及气象和防台、抗台工作计划的制定提供一定参考。
1 资料与方法原理 1.1 资料本文使用了中国气象局热带气旋资料中心提供的1979—2016年近38年西北太平洋TC历史最佳路径资料(Ying et al, 2014)；国家气候中心气候系统诊断预测室提供的74项环流指数；美国国家气候中心提供的同时期月平均ONI[oceanic Niño index，ONI由Niño 3.4区(5°S~5°N、120°~170°W)的NOAA ERSST.V4(Huang et al, 2015; Liu et al, 2015)SST异常的3个月滑动平均值所得]；欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料(Simmons et al, 2007)；时间范围选取1979年1月至2016年12月，空间分辨率为1°×1°。本文以西北太平洋地区的热带气旋活动为主要研究对象，空间范围为：0°~45°N、105°~180°E(包括南海等边缘海地区)。
1.2 方法为探究不同季节形成的ENSO期间西北太平洋地区热带气旋活动的差异，主要使用相关分析、合成分析等统计学方法，探讨夏季(SU型)与秋季(AU型)ENSO发生期间，TC活动的异同及其可能影响机制。
参照CPC对ENSO事件的定义：ONI指数≥0.5℃或≤-0.5℃持续5个月以上为一次暖事件(El Niño事件)或冷事件(La Niña事件)，根据形成时间不同将其分为SU型(4—7月)和AU型(8—11月)ENSO事件(表 1)。且本文研究均以ENSO事件持续的这段时间内西北太平洋地区活动的TC为主要研究对象。
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表 1 ENSO事件持续时间 Table 1 Duration of ENSO events |
为了更好表征TC活动差异，Emanuel(2005)利用PDI(power dissipation index)来表征TC活动的综合破坏性潜力，该指数定义为TC近中心最大持续风速三次方的时间积分，整合了TC频数、强度以及持续时间的综合影响，可以较好表征TC的破坏性潜力。
2 TC活动对夏、秋季ENSO的响应 2.1 TC活动特征及其与ENSO的关系图 1给出了标准化的年平均ONI序列与西北太平洋TC活动PDI、年平均最大强度(I，以平均最大持续风速表示)及年平均持续时间(D，指TC生成到消亡的时间间隔)的时间序列，可以明显发现ONI、PDI、I与D变化趋势有较大的一致性，而西北太平洋TC活动频数(N，即TC的生成个数)与ONI序列变化有较大差别。进一步对ONI分别与PDI、D、I以及N计算相关性，结果如表 2所示：ONI与PDI的相关系数为0.82，表明ENSO循环与西北太平洋TC活动破坏性潜力关系密切；ONI与I、D的相关系数分别为0.72、0.62，均通过0.05显著性水平检验，ENSO对平均TC持续时间以及强度均有一定影响；ONI与N相关性较差，仅0.06，ENSO循环对TC生成频数影响较小。
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图 1 1979—2016年ONI和TC活动特征指数的标准化时间序列 Fig. 1 Standardized annually ONI, PDI, I, D and N sequences during 1979-2016 |
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表 2 六个标准化时间序列的相关系数 Table 2 The correlations coefficients of six sequences |
统计结果(表 3)表明，在这两种ENSO事件发生期间，西北太平洋TC活动的PDI有较大差别，以AU型El Niño期间活动的TC平均PDI最大，达2.92×1010 m3·s-2，SU型El Niño期间的平均PDI相对小于AU型期间；SU型La Niña期间的TC平均PDI最小，仅为1.01×1010 m3·s-2，几乎只占到了AU型El Niño期间的1/3左右；对比不同ENSO事件发生期间，西北太平洋TC活动强度、持续时间，基本表现为：AU型El Niño>SU型El Niño>正常年>AU型La Niña>SU型La Niña，其中AU型La Niña期间平均TC最大强度较常年平均大，月平均TC频数也有类似特征。就整体而言，AU型El Niño期间TC活动频数较少，而平均PDI、平均强度以及持续时间均大于SU型El Niño；SU型La Niña期间，TC平均最大强度、持续时间等均小于AU型La Niña及正常年平均值。
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表 3 1979—2016年夏、秋季型ENSO事件期间TC活动特征 Table 3 Features of TC activity during the SU and AU ENSO events from 1979 to 2016 |
为了体现夏、秋型ENSO期间TC的活动位置差异，将近38年不同ENSO事件期间TC活动位置统计如图 2所示：SU型El Niño期间，TC活动范围较大，主要集中于菲律宾东北部、南海北部海域，生成位置相对比较分散，TC最大强度位置主要集中在菲律宾海附近，生成位置与最大强度位置跨越经纬度较大，TC消亡位置较之最大强度中心偏东北方向，且日本东北部(150°~170°E)较多，表明在SU型El Niño期间发生转向的TC活动较多。AU型El Niño发生时，TC活动范围相对SU型小，纬度偏南，TC生成位置与SU型类似，整体较SU型偏东，TC最大强度集中在菲律宾东部，平均消亡位置与最大强度位置基本在同经度上，且消亡位置在南海中部以及西部地区较为密集，活动路径较为集中，转向TC活动较少。
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图 2 1979—2016年西北太平洋TC在夏、秋型ENSO期间的活动位置
(a)SU型El Niño，(b)AU型El Niño，(c)SU型La Niña，(d)AU型La Niña (灰色栅格表示该格点位置TC出现次数，颜色越深表明该位置TC出现次数越多；蓝、红、绿点分别代表TC生成、最大强度以及消亡位置，蓝、红、绿十字叉表示相应的标准偏差，十字中心位置为平均值，下同) Fig. 2 Positions of TC over the Northwest Pacific during the two types of ENSO from 1979 to 2016 (a) SU El Niño, (b) AU El Niño, (c) SU La Niña, (d) AU La Niña (Gray grid indicates the number of TC occurrences in the grid position, and dark color indicates that TC appears more frequently; blue, red, green spots represent the generation location, maximum intensity location and dissipation location of TC respectively, and crosses indicate error bar correspondingly, the locations of the crosses represent mean values, the same below) |
SU型La Niña期间，活动在南海东北部最为密集；TC生成位置相对比较集中于菲律宾以东约130°E附近洋面，南海中东部也是TC主要生成区域之一，最大强度多集中出现在南海北部沿岸—越南东部一带，跨越经纬度范围最小，活动位置最为集中，中南半岛东部以及华南沿海地区是TC消亡的两个集中区域。AU型La Niña条件下，菲律宾以东以及南海中部地区TC活动较为频繁，TC生成位置整体较SU型La Niña偏东，较El Niño期间偏西，分布也比较分散，最大强度位置无明显集中分布，主要消亡位置集中于南海周边区域。
2.2.3 夏、秋型ENSO期间TC等级分布特征TC等级划分有助于准确理解不同ENSO事件对西北太平洋TC强弱程度的影响，参照中国气象局的划分标准，将西北太平洋活动的TC分为热带低压(TD)、热带风暴(TS)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)以及超强台风(Super TY)六个等级。统计结果如表 4所示，其中SU型El Niño期间的Super TY等级的有27个，占到TC活动总数的17.67%，STY所占比例最大，约为22.84%，TD活动最少；而在AU型El Niño期间，以Super TY活动最多，约占到总TC数的34.18%，表明在AU型El Niño期间，西北太平洋生成的TC中每三个就会有一个发展形成Super TY；在SU型La Niña期间以强度最弱的TD活动频数最多，较高等级的TC活动频次较少；而AU型La Niña事件持续期间，以TS活动最多，较强等级的TC活动频次较SU型La Niña期间多。
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表 4 1976—2016年夏、秋季型ENSO事件期间不同等级TC发生频数 Table 4 TC frequency at different levels during four types of ENSO from 1976 to 2016 |
除此之外，在SU型与AU型ENSO事件期间，登陆我国的TC频数也有较大差异，图 3为平均每次事件期间，登陆我国的不同等级TC数量(注：这里的等级为TC登陆时的强度)的统计结果，除SU型La Niña事件期间外，其余三类事件期间登陆的TD数量偏少。在SU型El Niño期间，登陆我国的TC多为STS、TY以及TS，无Super TY正面登陆。而在AU型El Niño持续期间，尽管Super TY数量所占比重较大(表 4)，但是登陆我国的强等级TC数量相对较少，并且统计结果还发现，在五次AU型El Niño事件中，有三次事件期间无TC直接登陆我国，另外两次由于事件持续时间较长，故有少数TC登陆。
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图 3 1976—2016年夏、秋型ENSO事件期间平均登陆我国的TC等级频数分布 Fig. 3 The averaged frequency of TC at different levels landing China during the SU and AU ENSO events from 1976 to 2016 |
在SU型La Niña发生期间，由于TC生成位置相对偏西，且多以低等级TC活动为主，然而在登陆我国的TC等级分布中，除TD外，主要以TY和STS等级的登陆居多，并且STY和Super TY等级的也有登陆。在AU型La Niña期间，各个等级的TC均有在我国登陆，但以TS、STS及TY等级为主。
3 西北太平洋TC活动对SU型和AU型的响应机理众多研究表明：热带地区海温异常、大气垂直切变、低层相对涡度、低层风场异常、西北太平洋副热带高压(以下简称副高)等均是影响西北太平洋TC活动的几个重要因素(Paterson et al, 2005; 王慧等, 2006; 曹智露等, 2013; Lin and Chan, 2015; Ling et al, 2015; 殷明等，2016)；为探讨TC活动对夏季型与秋季型ENSO的响应机理，拟从动力、热力学过程两个角度，研究SU型与AU型ENSO期间，副高、低层相对涡度、垂向运动、SSTA，以及垂直风切变等因素的平均状态对TC活动的可能影响；各要素截取时间范围为ENSO事件所持续时间(表 1)。
3.1 动力机制 3.1.1 夏、秋型ENSO期间低层相对涡度的差异图 4中给出的是对流层低层相对涡度在夏、秋型ENSO事件期间的分布情况，在SU型El Niño期间，TC生成位置出现正的相对涡度，气流上升运动显著加强，利于TC的发展；在AU型El Niño发生时，TC生成区域附近也有正的相对涡度出现，范围相对SU型较小。而SU型La Niña期间，西北太平洋大部分地区均出现负的相对涡度异常，特别是西北太平洋东南部地区，较强的负涡度异常使得该地区出现异常下沉气流，不能为TC形成提供有利的动力条件，故在SU型La Niña期间西北太平洋活动的TC位置集中于西部地区；在AU型La Niña发生期间，TC活动多集中于西部海域，赤道中太平洋地区有负的相对涡度，范围较之SU型La Niña期间小，从而为AU型La Niña期间生成强度等级TC数量多于SU型La Niña提供了可能。
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图 4 夏、秋型ENSO期间低层(850 hPa)相对涡度异常(单位：10-5 s-1)
(a)SU型El Niño, (b)AU型El Niño, (c)SU型La Niña, (d)AU型La Niña (黑色实线区域为通过0.05显著性水平检验的区域) Fig. 4 The composite maps of the relative vorticity anomalies (unit: 10-5 s-1) at 850 hPa during the two types of ENSO (a) SU El Niño, (b) AU El Niño, (c) SU La Niña, (d) AU La Niña (Black solid line indicates the area has passed the significance test at 0.05 level) |
利用74项环流指数中表征副高的指数，对比了在不同ENSO条件下，西北太平洋副高的变化特征，如表 5所示。SU型El Niño事件发生期间，平均副高面积指数、强度指数以及西伸脊点指数均大于AU型El Niño发生时，副高脊线、北界在SU、AU型El Niño期间差别较小，表明在SU型El Niño期间副高面积及强度均大于AU型。位置以AU型El Niño期间位置最西(图 5)，在这种条件下，副高下沉气流从一定程度上抑制了TC的生成，强大的反气旋型环流系统将导致生成的TC沿着副高南侧移动，是TC移动路径整体偏南且登陆我国TC数量较少的一个主要原因；此外，副高的位置导致发生转向的TC相对较少，TC消亡位置多集中于南海及其周边地区。在SU型La Niña期间副高面积与强度均小于AU型La Niña期间，副高脊线、北界季西伸脊点基本一致。相比非ENSO期间，两种El Niño期间副高强度及面积均有不同程度增大，位置也较平均态偏西，而SU型与AU型La Niña期间副高位置偏东，强度较弱(图 5c、5d中无明显的“588”线)，西北太平洋西部地区基本不受副高控制，这可能是TC活动频数较多的一个有利因素。
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表 5 1979—2016年夏、秋型ENSO持续期间西太平洋副高指数 Table 5 Subtropical high (SH) indices in the SU and AU ENSO events from 1979 to 2016 |
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图 5 同图 4，但为低层风场异常以及副高位置 (黑色实线为非ENSO事件期间平均位势高度，橙、粉色为夏、秋型ENSO期间的500 hPa位势高度，单位：dagpm) Fig. 5 Same as Fig. 4, but for the wind field anomalies and the location of subtropical high (Black solid line is the average geopotential height over 500 hPa in the neutral year; orange and pink solid lines are geopotential height during the two types of ENSO, unit: dagpm) |
垂直风切变的变化也是影响TC活动的一个关键动力因素之一，对SU型与AU型ENSO持续时期的垂直风切变异常合成如图 6所示：可以发现SU型El Niño与AU型El Niño发生期间，西北太平洋TC生成区域有较强的垂直风切变(140°~170°E附近)，对TC的形成有一定的抑制作用，这可能是导致两个时期TC活动频次相对较少的一个原因，并且不利于东部区域生成的扰动加强转化为TC。在AU型El Niño期间，西北太平洋中纬度地区存在较强的垂直切变异常破坏了已形成TC的垂向结构，加速TC消亡，从而使得TC消亡位置主要集中于南海西部地区。而AU型La Niña和SU型La Niña事件发生时，赤道中部太平洋地区垂直风切变相对较大，导致La Niña期间TC活动位置整体偏西。
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图 6 同图 4，但为垂直风切变异常(单位：m·s-1) Fig. 6 Same as Fig. 4, but for the vertical wind shear anomalies (unit: m·s-1) |
热带地区温暖的洋面是TC获得能量的一个重要途径，图 7为海洋表面温度异常(SSTA)在不同季节形成的ENSO事件期间的分布情况，不难发现，在SU型El Niño事件发生期间，赤道中东太平洋地区SSTA为典型的El Niño模态，中太平洋地区较高海温有利于海水蒸发，为低层大气提供了充足的水汽，大气对流活跃，易于形成较多台风胚胎，在赤道东风的作用下西移逐步发展成为TC，AU型El Niño期间SSTA强度相对较弱。在SU与AU型El Niño期间，TC活动区域均有负的SSTA，AU型强度较大，且AU型El Niño期间西北太平洋西岸基本呈现负的SSTA，对TC快速消亡有重要作用。而在SU型La Niña发生期间，太平洋中东部地区SST异常偏低，低层大气对流活动减弱，西太平洋低纬地区有正的SSTA，低层大气对流活动加强，对TC生成有利，但太平洋西部边缘地区较大的SST梯度使得TC平均强度偏低；而AU型La Niña期间太平洋中部地区SST负异常相对较弱，TC活动区域无明显的SST正异常。
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图 7 同图 4，但为SSTA(单位：℃) Fig. 7 Same as Fig. 4, but for the sea surface temperature anomalies (unit: ℃) |
综上可知，在SU型El Niño期间(图 8a)，赤道中太平洋地区正的SST异常利于海水蒸发，较多水汽进入大气，导致低层大气对流活跃，且低层有正的相对涡度异常，易于形成扰动(台风胚胎)，同时叠加上赤道中太平洋地区较弱的垂直风切变，并进一步在赤道东风的作用下向西移动发展形成TC；但是在扰动向西北移动过程中，140°~160°E地区增强的垂直风切变使得一定数量的扰动结构被破坏，除此之外，西北太平洋副高整体偏强，一定程度上会抑制台风胚胎进一步演化形成TC，以至于最终生成的TC频数减少。但是相较而言，生成的TC在洋面有足够的空间和时间发展，故SU型El Niño期间生成的TC平均强度及持续时间较常年大。
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图 8 1979—2016年SU与AU型ENSO事件期间TC活动示意图
(a)SU型El Niño, (b)AU型El Niño, (c)SU型La Niña, (d)AU型La Niña (RV：相对涡度，VWS：垂直风切变，SSTA：海表面温度异常，“+”表示正异常，“-”表示负异常) Fig. 8 Schematic diagram of TC activity during SU and AU type ENSO events from 1979 to 2016 (a) SU El Niño, (b) AU El Niño, (c) SU La Niña, and (d) AU La Niña (RV: relative vorticity, VWS: vertical wind shear, SSTA: sea surface temperature anomaly, "+" indicating the positive anomaly, and "-" indicating the negative anomaly) |
AU型El Niño期间(图 8b)，TC活动过程与SU型El Niño类似，TC生成位置相对偏东，为TC发展提供了足够的能量，TC活动区域SST梯度较小，促使TC平均强度以及持续时间进一步增大，这也是AU型El Niño期间TC强度以及持续时间大于SU型的一个重要原因；此外，在AU型El Niño发生期间，副高较之SU型强且位置偏南，副高中心较强的下沉气流阻碍了TC的生成与移动路径，以至于TC频数相对较少，副高强大的反气旋结构结合低层异常东北风作用，使得TC活动沿着副高西南侧移动，故而使得登陆我国TC频数偏少。20°~40°N地区增强的垂直风切变将会使得TC较快消亡，并叠加上该地区异常的北风，部分北偏TC无法偏离较远距离，故TC消亡位置较之SU型偏西、偏南。
在SU型La Niña期间(图 8c)，赤道中太平洋地区负的SSTA通常会减小海表面的海水蒸发，低层大气相对不如El Niño条件下活跃，同时，西北太平洋东南部地区较强的垂直风切变以及该地区负的相对涡度异常均不利于扰动的形成，以至于SU型La Niña期间在该地区形成的TC较少，而在西北太平洋西边界低纬地区，由于副高强度较弱，叠加上西太平洋低纬地区正的SSTA，增强了太平洋西部地区大气对流活动，同时副高偏东且强度较弱，所以，SU型La Niña发生期间，TC活动位置偏西，SST梯度较大，TC整体强度偏小，持续时间较短。
AU型La Niña期间(图 8d)与SU型La Niña期间基本相似，但西北太平洋东南部地区相对涡度负异常较SU型弱，这对AU型La Niña期间月平均TC活动频次较SU型多有较大贡献，同时，大气垂直风切变也较SU型La Niña弱，故TC平均强度以及平均持续时间也较之偏大。
4 结论与讨论本文利用1979—2016年西北太平洋TC活动最佳路径资料，分析了近38年西北太平洋TC活动特征，主要得出以下结论：
(1) 近38年西北太平洋TC频数减少，年累积PDI的变化由TC强度以及持续时间主导；平均PDI与ENSO有较好的相关性，ENSO循环对西北太平洋TC活动有较大影响。
(2) AU型El Niño发生时，TC频数最少，平均强度以及持续时间最大，Super TY活动所占比重最大，生成位置整体偏东，但登陆我国的TC数量相对较少；SU型El Niño期间，TC频数较AU型El Niño多，强度及持续时间较之偏小，以STY生成频数最多，生成位置相对AU型偏西，其中登陆我国的以STS、TY以及TS为主。
(3) 在SU型La Niña发生时，平均强度、持续时间最小，频数相对较多，生成位置整体偏西，以低等级TC活动为主，且每次事件登陆我国TC数量较多，以TD、TY以及STS居多；而在AU型La Niña期间，TC活动位置较SU型La Niña期间略微偏东，平均月频数最大，TC强度、持续时间均大于SU型La Niña，但小于SU与AU型El Niño期间的，较强等级TC活动频数也多于SU型La Niña期间，且登陆我国的多以TS、STS及TY为主。
(4) SU型El Niño期间，西北太平洋低纬度地区较强的相对涡度正异常、相对较弱的垂直风切变以及中太平洋地区较强的SSTA为TC频数多于AU型El Niño提供了有利条件；而在AU型El Niño发生时，TC活动区域较小的SST梯度以及跨越经纬度范围较大是Super TY活动较SU型频繁的主要原因，副高的西伸是导致TC登陆我国频次减少的重要因素。
(5) 当SU型La Niña发生时，TC活动区域副高与垂直风切变较弱使得TC频数偏多，但SST梯度较大对TC强度偏弱有较大贡献；AU型La Niña期间，太平洋中部地区相对涡度负异常以及SSTA较SU型小，较弱的相对涡度负异常以及垂直风切变为较高等级TC活动提供了可能。
需要指出的是，在夏、秋季型ENSO事件发生期间，低层相对涡度异常、副高强度及位置变化、垂直风切变异常、SSTA及低层风场异常等均有一定差异，多个影响条件相互叠加是导致在不同ENSO事件期间TC活动多样性的主要原因，且除SSTA外，上层海洋热含量，水汽通量等对西北太平洋TC活动也有一定影响。此外，太平洋西边界岛链在TC活动过程中起到了较大的阻碍作用，La Niña期间TC活动强度较弱、持续时间较短的一个重要原因就是受到太平洋西边界的影响，还未能完全发展成熟的TC活动经过太平洋西边界下垫面摩擦使得强度减弱，TC没有足够的发展空间，以至于强度及持续时间整体偏低。
致谢：广东海洋大学南海海洋气象研究院徐建军教授对研究的指导。
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