2015年西北太平洋热带气旋活动特征及强El Nino现象对其影响的初步分析

通过统计分析,本文研究了强El Ni〖AKn~D〗o年西北太平洋及南海热带气旋（TC）的活动特征并详细分析了造成2015年TC活动的大气环流特征。强El Ni〖AKn~D〗o年上半年TC生成偏多,台风活跃季（6—10月）TC生成偏少,登陆我国TC偏少,TC的生成位置较偏东南,并且台风路径多发生向东北的偏转。2015年生成的TC符合这一规律。El Ni〖AKn~D〗o成熟前赤道西太平洋存在大面积的西风异常,同时El Ni〖AKn~D〗o使得西北太平洋地区对流活动受到抑制,而副热带高压位置偏南,导致热带辐合带（ITCZ）位置偏南,这些因素综合作用导致了2015年台风季TC数量偏少。强El Ni〖AKn~D〗o年台风不但整体强度偏强,个体台风的强度也偏强,这是由于强El Ni〖AKn~D〗o年的副热带高压面积和强度偏小,有利于TC活动的加强。强El Ni〖AKn~D〗o年西北太平洋东南部生成的TC偏多,并且强度偏大;东北部生成的TC偏少。2015年的TC活动特征符合上述规律,生成于我国南海的TC个数少、强度偏小。从路径上来看,2015年台风路径多呈抛物线型,发生了向东北方向的转向,进入我国南海的TC明显偏少,这与副热带高压西伸脊点偏东,西北太平洋上空500 hPa异常的西北气流有关。     

西北太平洋热带气旋潜在生成指数的改进

热带气旋潜在生成指数(GPI,Genesis Potential Index)是热带气旋生成可能性大小的空间分布函数,利用大尺度环境场可以应用于热带气旋活动的季节预报,并且可以评估全球气候变化对热带气旋活动的影响。但是目前的GPI基本都是针对全球热带气旋活动构建的,没有考虑到热带气旋不同活动地区及其内部的差异。本研究考虑到南海和西北太平洋热带气旋生成的不同特点,分别构建了适用于南海(5～25°N,100～120°E)和西北太平洋(5～40°N,120～180°E)的热带气旋GPI。改进后的GPI对南海和西北太平洋区域热带气旋生成具有较好的模拟能力,不仅能很好地模拟南海和西北太平洋热带气旋生成频数空间分布的气候特征(相似系数为0.67),而且能够较好地模拟热带气旋生成在年际时间尺度上的空间分布特征。     

西北太平洋热带气旋在ENSO发展和衰减年的路径变化

本文运用有限混合模型算法对1979~2015年夏、秋季（6~11月）中国气象局（CMA）上海台风研究所（STI）的最佳路径数据集热带气旋（TC）路径进行聚类,将其路径分为七类,分别为第一类（西太西移型）、第二类（南海西移型）、第三类（沿海转折型）、第四类（低纬转折型）、第五类（洋面转折型）、第六类（近海转折型）、第七类（日本海转折型）;并利用S-EOF（季节EOF,Seasonal Empirical Orthogonal Function）方法确定ENSO四个位相（El Ni?o发展年、El Ni?o衰减年、La Ni?a发展年、La Ni?a衰减年）,分析在不同ENSO位相下TC路径的年际变化以及相应的流场,得到一些有意义的结论:El Ni?o发展年,TC在西北太平洋东南海域活动频繁,以第六类（近海转折型）路径为主;El Ni?o衰减年以第二类（南海西移型）路径居多,第七类（日本海转折型）路径也较为活跃;La Ni?a发展年,TC集中在西北象限海域,以第七类（日本海转折型）路径为主;La Ni?a衰减年,TC源地多位于我国沿海地区与台湾岛附近洋面上,以第三类（沿海转折型）路径为主。     

热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进

本研究评估了现有热带气旋(Tropical Cyclone,TC)潜在生成指数(Genesis Potential Indice,GPI)对北大西洋和西北太平洋热带气旋生成频数(TC Genesis Frequency,TCGF)时空特征的表征能力。结果表明,现阶段使用的GPIs能较好地再现两个海盆TCGF的空间分布和季节循环特征,以及北大西洋TCGF的年际变化,但几乎不能模拟西太平洋TCGF年际时间尺度上的变化。利用美国联合飓风警报中心(Joint Typhoon Warming Center,JTWC)提供的1979—2017年热带气旋最佳路径数据集和ERA-Interim再分析数据,对西北太平洋GPI进行了改进。考虑到相对涡度在西北太平洋对热带气旋生成的重要作用,将绝对涡度分离为相对涡度和地转涡度(f),移除相对湿度,使用多元线性回归的方法构建了GPI_WNP。与现有GPIs相比,改进后的GPI_WNP不仅对西北太平洋TCGF的空间分布和季节循环有较好的模拟能力,并且可以再现其年际变化特征。     

1884～2006年西北太平洋热带气旋活动特征

通过对1884～2006年西北太平洋（含南海,下同）热带气旋资料的整理、统计,形成热带气旋路径图像,在此基础上,揭示出100余年来热带气旋的活动存在以下规律特征：平均每年有28．5个热带气旋生成于西北太平洋;热带气旋年频数可能隐藏着超过样本数的100余年的低频周期变化;热带气旋活动可能呈现“低靡期-平静期-活跃期-鼎盛期-活跃期-平静期-低靡期……”的活动规律;20世纪末以来,全球大气虽处于增暖阶段,但台风发生数和超强台风发生数并没有随之增加;100余年来,共有1021个热带气旋登陆我国,年均8．3个,7～9月为热带气旋登陆的集中期,3月份没有台风登陆我国。     

1991年西北太平洋的热带气旋

本文分析了1991年西北太平洋地区热带气旋的发生情况、强度变化和路径特点。认为近海北上路径少和无登陆北上路径,登陆热带气旋少和登陆的时空分布相对集中,近海强度和速度多变以及近海异常路径偏多,是本年度西北太平洋热带气旋活动的主要特点。     

西北太平洋近赤道热带气旋生成的特征分析

1979—2012年西北太平洋存在70个形成于0°～5°N的低纬度地区的热带气旋(TC),占TC总量的8%,其中达到台风等级的个数占64%。而针对此类缺少一定科氏力作用而形成的罕见TC生成的研究相对较少。本文利用JTWC的TC最佳观测资料、ERA-Interim再分析资料,以及NOAA-OISST海温资料,以西北太平洋近赤道TC为研究对象,统计诊断了其年际、年代际、季节分布特征,分析了其大尺度环境背景场,重点探讨了近赤道TC生成的影响因子。研究结果表明,近赤道TC具有明显的年际与年代际变化,并且近赤道TC具有与西北太平洋总TC恰好相反的季节变化。近赤道TC生成的大尺度环境背景场是东北冬季风与其在近赤道地区偏转形成的西北风之间的气旋性环流。对流层低层的绝对涡度动力项与对流层中层的湿度热量项是近赤道TC生成的主要贡献因子,并且相对于5°～10°N生成的TC,近赤道TC对对流层低层的正涡度与对流层中层的湿度条件的要求更高。     

2007年西北太平洋热带气旋活动综述

利用热带气旋年鉴、海温和大气环流再分析资料,分析2007年西北太平洋(包括南海)的风暴级以上热带气旋(简称TC)活动状况及海-气条件.结果表明,相对于气候平均值,2007年西北太平洋TC活动的季节峰期推后了约2个月,源地明显偏北,生成点纬度发生了2次明显跃变,年度TC的总体活动较弱,但个体的强度较强,路径以西北行为主,登陆比例偏大.影响上述TC活动特征的一个重要原因是年内ENSO循环的位相使得上半年的大气环流不利因素居多,而下半年大尺度上升运动、热带辐合带均较强,副高偏北、局地垂直风切变较小和对流层低层较强的扰动活动等条件,也十分有利热带气旋活动.     

ENSO发展年与衰减年夏季环境要素对热带气旋生成频数变化的贡献

利用中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋(Tropical Cyclone,TC)最佳路径数据集和欧洲中期天气预报中心的ERA再分析资料,分析了El Ni?o-South Oscillation (ENSO)发展年与衰减年西北太平洋(Western North Pacific,WNP)夏季(6—8月)总TC生成频数(Tropical Cyclone Genesis Frequency,TCGF)及其区域性特征,通过潜在生成指数(Genesis Potential Index,GPI)定量诊断各环境要素对TCGF变化的贡献。结果表明,西北太平洋TCGF总数异常在ENSO各位相并不显著,但其东南象限和西部的TCGF异常存在明显差异。在ENSO各位相,GPI异常的空间分布与TCGF异常的空间型相似。同一区域,各环境要素对TCGF异常的贡献不同,反映了ENSO不同位相影响TC生成变化的机理存在差异。WNP东南部(SEWNP)是对ENSO较敏感的区域,El Ni?o发展年,中东太平洋异常增暖激发的Rossby波西传导致SEWNP受异常正涡度环流控制,涡度对TCGF增加的贡献最大;El Ni?o...     

2015/2016厄尔尼诺事件的衰减位相及其对应的西北太平洋环流异常

利用季节平均Had ISST海温、CMAP降水及NCEP风场数据,分析了2015/2016超级厄尔尼诺衰减期的特征及其对应的西北太平洋大气环流异常。结果表明:2015/2016厄尔尼诺事件除了成熟位相冬季强度大以外,还具有在随后春季衰减快,到夏季就消亡的特征。伴随着厄尔尼诺的迅速衰减,西北太平洋有较强的反气旋环流异常维持。厄尔尼诺衰减位相与西太反气旋异常存在相互作用。一方面,由于此次厄尔尼诺事件强度强,衰减期热带印度洋有显著的暖海温异常从冬季一直维持到夏季,有利于西太反气旋的增强和维持。另一方面,西太反气旋环流异常的维持及其南侧东风异常的发展使得中东太平洋正海温异常减弱,令厄尔尼诺事件快速衰退。此外,通过与1982/1983和1997/1998年比较发现,这三次超强厄尔尼诺事件虽强度相当,但衰减位相及与之相联系的西太反气旋异常都不尽相同。1982/1983事件衰减慢,维持时间长,对应的西太反气旋强度弱。而1997/1998事件衰减快,维持时间短,对应的西太反气旋强度在春季和夏季都强盛维持。2015/2016事件的衰减速度明显快于1982/1983事件,对应的西太反气旋也强于1982/1983事件,由于2015/2016事件增暖中心偏向于中东太平洋,而这里是厄尔尼诺衰减过程中负海温异常最先出现的区域,因此尽管2015/2016事件中西太反气旋异常的强度弱于1997/1998事件,但衰减速度及衰减位相维持时间与1997/1998相当。本文研究结果表明厄尔尼诺衰减与西太反气旋异常之间的关系较为复杂,需进一步研究。     

厄尔尼诺年西北太平洋异常反气旋的年际变化特征及其影响

基于1901-2000年多种海-气资料,分析了厄尔尼诺成熟年冬季-初夏西北太平洋异常反气旋（WNPAC）的年际变化特征及其对东亚气候的影响。结果表明,无论是厄尔尼诺事件成熟期的冬季还是次年的春季和初夏,WNPAC的年际变化主要存在两个空间变化型,即反映其强度变化的经验正交函数分解第1模态和反映其位置变化的第2模态。厄尔尼诺成熟年冬季WNPAC强度不仅与赤道中东太平洋海温异常有关,而且与太平洋西部（WP）型遥相关的强度有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常以及北极涛动（AO）有关;次年春季,WNPAC的强度除了与赤道中东太平洋海温异常和太平洋西部型遥相关存在显著相关外,还与赤道大西洋海温异常有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常和太平洋西部型遥相关有关;次年初夏,WNPAC强度主要与西北印度洋和西南印度洋的海温异常以及东亚-太平洋（EAP）型遥相关的强度有关。进一步分析表明,成熟年冬季-初夏WNPAC的强度和位置的变化均可对东亚地区降水异常分布产生影响,这对预测厄尔尼诺事件发生后冬季及后期春、夏季节东亚地区降水异常分布具有一定的指示意义。此外,次年初夏,WNPAC强度变化与西北太平洋台风发生频数存在显著负相关,即WNPAC越强,台风发生的频数越少,反之亦然。     

西北太平洋热带云团发展与两类El Nio事件的联系

利用1982—2009年全球热带云团数据集、NCEP/NCAR再分析资料和英国Hadley中心海温资料,并引入热带云团生成率(Genesis Productivity,GP)来分析EP(Eastern Pacific)El Nio和CP(Central Pacific)El Nio事件与西北太平洋热带云团发展的相关性。研究表明,1)夏秋两季GP与Nio3指数在东南区(SE)均为显著正相关,在西南区(SW)仅秋季呈显著正相关;GP与EMI(El Nio Modoki Index)指数在夏季SE区域为显著正相关,在秋季南中国海(South China Sea,SCS)区呈负相关。2)在EP El Nio年,夏季SE区域的GP增大与低层涡度、高层散度以及低层相对湿度的相对增大一致。夏季SW区域与秋季SE区域的GP增大与有利的高低空配置相关,La Nia年则与之相反。3)在CP El Nio年,夏季SE区域的GP增大伴随着低层涡度和高层散度的增加,同时与充足的水汽及弱风切变相吻合;而秋季SCS区域的GP下降源于正涡度带、正散度带以及水汽带的东移。     

两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响

利用MERRA-2再分析气溶胶光学厚度及气象观测资料,在剔除人为排放长期变化产生的气溶胶光学厚度扰动的基础上,从气候学角度探讨了两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响。结果表明,东部型厄尔尼诺事件使绝大部分区域气溶胶光学厚度呈正异常分布,尤其对华北至东北的气溶胶污染加剧作用显著;而中部型厄尔尼诺事件使气溶胶光学厚度异常由南至北呈显著的“+-”双极型分布。进一步成因分析发现,虽然两类厄尔尼诺事件都具有削弱冬季风从而减弱北方气溶胶向南传输的作用,但中部型对水平流场的削弱作用不显著,尤其是东北地区没有通过90%的显著性检验。同时二者对北方大气垂直扰动和气溶胶的湿清除作用相反,其中东部型表现为大气垂直扰动和对流有效位能减弱,降水减少,湿清除减弱;而中部型则表现为垂直扰动和对流有效位能增强,降水增多,湿清除增强。对于南方,强东部型事件引发的强降水可能是产生该区域气溶胶污染影响不稳定的主因,而中部型则主要通过气流削弱作用加剧长江中下游地区气溶胶的局地污染。      

两类El Ni?o事件对我国西南地区冬季降水的影响

采用1960~2014年西南地区93个站的逐月降水资料以及NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了东部型El Ni?o（EP El Ni?o）和中部型El Ni?o（CP El Ni?o）对我国西南地区冬季降水的不同影响。结果表明,EP ElNi?o年冬季和CP El Ni?o事件中1994/1995年、2002/2003年冬季,我国西南地区受异常偏东风影响,获得来自孟加拉湾和南海的水汽供应。同时,西南地区存在明显的幅合上升运动,上升运动异常增强,对流加强,导致西南地区冬季降水偏多;而CP El Ni?o事件中1968/1969年、1977/1978年,2004/2005年、2009/2010年冬季,我国西南地区受异常西北风影响,来自孟加拉湾和南海的水汽减少。同时,西南地区存在明显的幅散下沉运动,上升运动异常减弱,对流减弱,导致西南地区冬季降水偏少。     

2015/2016和1997/1998超强El Nio衰减年我国夏季降水异常的比较

El Nio可通过海—气相互作用遥相关型影响东亚季风,进而影响中国气候,是中国短期气候最重要的预测指标之一。典型的El Nio事件通常在春、夏季开始,在秋、冬季成熟,在下一年的春、夏季消退,考虑到海—气作用的滞后效应,El Nio事件甚至可以在消退时期对东亚大气环流系统造成影响。因此,利用中国160站的逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及美国NOAA提供的全球海温数据,对比分析了2015/2016年和1997/1998年典型El Nio衰减年我国夏季降水和东亚环流特征的差异,并讨论了造成差异的可能原因。结果表明:1)2016年和2008年夏季降水都大范围偏多,2016年夏季降水异常更为集中,但降水强度不及1998年。2)2016年降水的季节推进特征不明显。1998年6—8月的降水逐渐从南向北推进,与传统的季风降水演变进程较为一致。3)2016年和2008年我国夏季降水的差异与副热带高压的变化有直接的关系。1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南,而2016年8月副热带高压更为偏西并明显比气候平均偏北。4)1997/1998年El Nio事件中的赤道西太平洋异常冷海温比较强盛,而2015/2016年基本表现为偏暖,可能是造成1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南的原因。     

不同PDO位相下El Niño发展年和La Niña年东亚夏季风的季节内变化

基于1957~2017年观测和再分析资料,合成分析了北太平洋年代际振荡(Pacific decadal oscillation,PDO)不同位相下El Ni?o发展年和La Nina年东亚夏季风的环流、降水特征及季节内变化。结果表明,PDO正、负位相作为背景场,分别对El Ni?o发展年、La Nina年东亚夏季风及夏季降水具有加强作用。PDO正位相一方面可增强El Ni?o发展年夏季热带中东太平洋暖海温异常信号,另一方面通过冷海温状态加强中高纬东亚大陆与西北太平洋的环流异常,从而在一定程度上增强了东亚夏季风环流的异常程度;反之,PDO负位相则增强了La Nina年热带海气相互作用以及中高纬环流(如东北亚反气旋)的异常。在季节内变化方面,El Ni?o发展年6月贝湖以东反气旋性环流为东亚地区带来稳定的北风异常,东北亚位势高度减弱;7月开始,环流形势发生调整,日本以东洋面出现气旋性异常,东亚大陆偏北风及位势高度负异常均得到加强;8月,随着东亚夏季风季节进程和El Ni?o发展,西太平洋出现气旋性环流异常,东亚副热带位势高度进一步降低,西北太平洋副热带高压(简称副高)明显东退。La Nina年6月异常较弱,主要环流差异自7月西北太平洋为大范围气旋性异常控制开始,东亚-太平洋遥相关型显著,副高于季节内始终偏弱偏东。上述两种情况下,均造成东亚地区夏季降水总体上偏少,尤其是中国北方降水显著偏少。     

两类中太平洋El Nio特征的对比分析

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表温度、欧洲中期天气预报中心次表层海温、NCEP/NCAR风场再分析资料,对两类中太平洋(CP)El Nio及耦合的大气环流特征进行分析。结果表明,第一类CP El Nio(CP-ⅠEl Nio)增暖中心位于Nio4区且关于赤道对称;第二类CP El Nio(CP-ⅡEl Nio)的Nio4区与热带东北太平洋区域(NEP,130~110°W、15~25°N)同位相变化,冬季成熟后形成关于赤道非对称的带状增暖结构。进一步的研究表明,两类CP El Nio次表层结构存在差异:CP-ⅠEl Nio冬季次表层海温异常(SOTA)在中东太平洋与西太平洋呈显著偶极分布;CP-ⅡEl Nio在中、西太平洋位相相反但东太平洋异常较弱,且经向异常主要在赤道及其以北。两类CP El Nio耦合的大气环流特征不同:CP-ⅠEl Nio冬季异常Walker环流上升中心位于赤道上空,经向风向赤道辐合,低纬地区Hadley环流加强;CP-ⅡEl Nio冬季低层向北越赤道气流加强,Walker环流上升中心移到赤道以北,低纬地区Hadley环流减弱。     

2015年西北太平洋台风季提早展开:2015/2016超级厄尔尼诺的影响

2015年1-5月西北太平洋上异常出现了7个热带风暴（Tropical Storms,TS）,其中有5个发展成台风（Typhoons,TY）,分别为气候平均态（1979-2015年）的2.5和3.6倍,亦即2015年的台风季提前展开。利用ERA-Interim再分析资料、JTWC热带气旋最佳化路径数据等资料,通过计算台风生成指数（Genesis Potential Index,GPI）和比较天气尺度和季节内振荡分量,探讨2015年台风季提前的原因。结果表明：1）2015年初异常活跃的台风活动与2015/2016年超级El Niño事件于西北太平洋上引发的海气状态异常有关。2）通过对大尺度环境场和台风潜在生成指数（GPI）的诊断分析发现,动力因子（低层涡度、垂直速度）和热力因子（与海表面温度、大气温度有关的潜在强度、中低层大气相对湿度）均对2015年1-5月台风的发生有正贡献。其中,涡度项的贡献最大,相对湿度的贡献次之。3）3~10 d天气尺度扰动和10~90 d季节内振荡在2015年1-5月也异常活跃,有利于TS和TY的生成与发展。     

2015/2016年超强El Nio事件背景下我国月预测技巧差异分析

利用中国站点观测降水资料、国家气候中心第2代月动力延伸预报模式(BCC_DERF2.0)的回报和预报数据、NCEP/NACR再分析资料和国家气候中心实时发布的月尺度降水预测评分数据,通过评估和诊断分析发现,在2015/2016年超强El Nio事件背景下,这两年内业务发布的月降水预报能力有明显不同,BCC_DERF2.0对月环流的预测技巧也存在差异:在2015年(El Nio发展位相),降水预报和环流预测技巧较高且稳定,而在2016年(El Nio衰减位相)的预报技巧总体偏低。进一步的研究显示,亚洲—太平洋涛动(Asia-Pacific Oscillation,APO)可能是导致2015年和2016年夏季预测技巧高低的重要影响因素。2015(2016)年夏季为APO低(高)指数年,且2016年具有高指数年的典型环流特征。而APO高指数对应的环流特征与El Nio衰减位相对西北太平洋环流的影响不同,在El Nio和APO的物理影响途径不一致时,将直接影响东亚环流可预报性的高低及动力气候模式的预报技巧,即El Nio在发展和衰减位相与APO型不同组合的影响是2015和2016年月预测技巧有差异的重要原因。