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。     

南海与西北太平洋地区夏季热带气旋潜在生成指数的改进

现阶段使用的热带气旋潜在生成指数(Genesis Potential Index,GPI)在气候场的空间分布上能很好地拟合热带气旋的生成情况,但在热带气旋的年际变化拟合上效果很差。本研究考虑了相对涡度在热带气旋年际变化拟合上的重要作用,并以此为出发点,尝试改善GPI在西北太平洋地区的拟合效果。基于对1979—2011年美国联合飓风警报中心提供的热带气旋最佳路径数据和NCEP/NCAR再分析资料数据集的研究,将之前GPI中的绝对涡度项替换为修正过的相对涡度项。科氏力项仍然保留;将南海(100°～120°E,5°～25°N)与西北太平洋地区(120°～180°E,5°～40°N)热带气旋生成的差异性也纳入了考量,并在这两个区域分别构建GPI公式,改善了对热带气旋生成的气候分布模拟。除此之外,较之已存的GPI指数,改进后的GPI还很大程度提高了GPI对热带气旋生成年际变化的拟合效果,特别是对弱热带气旋年际变化的拟合效果有了显著提升。     

多种再分析资料中热带气旋潜在生成指数分析

根据7套再分析资料计算的热带气旋潜在生成指数(GPI),分析了GPI对西北太平洋区域台风盛季(7—9月)热带气旋生成的表征能力。结果表明,虽然这些再分析资料计算得到的GPI的空间分布与观测的热带气旋生成特征都比较一致。但是,在时间变化上7套再分析资料计算的GPI对观测热带气旋生成的表征能力差异较大,其中ERA-40(欧州中期天气预报中心再分析资料)和MERRA(美国国家航空和航天局研究和应用再分析资料)的GPI与观测的相关系数较高。进一步分析表明,各套资料GPI之间时间变化的差异主要来自相对湿度,而ERA-40和MERRA的GPI与观测值有较高的相关系数,也与相对湿度有密切关系。     

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。     

夏季西北太平洋热带气旋生成频次与热带海温关系的年代际变化

探讨了夏季(6—8月)西北太平洋(Western North Pacific,WNP)热带气旋生成频次(Tropical Cyclone Genesis Frequency,TCGF)与热带海温关系的年代际变化,发现影响WNP TCGF的热带海温型在1991/1992年发生了年代际变化。在1990年代初之前,TCGF正异常对应的热带海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)呈现东部型La Ni?a衰减位相,前冬至春季WNP局地暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,夏季时由热带印度洋冷SSTA继续维持。在1990年代初之后,TCGF正异常对应的热带SSTA呈现东部型La Ni?a向中部型El Ni?o快速转换的位相,夏季中太平洋暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,同时热带东印度洋至海洋性大陆以及热带大西洋的冷SSTA通过垂直环流圈加强中太平洋的辐合上升运动,进一步维持其西北侧气旋异常。由于激发气旋异常的暖SSTA在第二个年代相较第一个年代明显偏南偏东,气旋异常和TCGF正异常在第二个年代也整体偏南且向东扩展至更远的区域。WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化与1990年代初之后厄尔尼诺-南方涛动演变速率加快有关。      

夏季热带北大西洋海温异常对西北太平洋热带气旋生成的影响

利用1979—2012年西北太平洋热带气旋最佳路径资料,Hadley中心的海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,研究了夏季(6—10月)热带北大西洋海温异常与西北太平洋热带气旋(Tropical Cyclone,TC)生成的关系及其可能机制。结果表明,夏季热带北大西洋海温异常与同期西北太平洋TC生成频次之间存在显著的负相关关系。热带北大西洋海温的异常增暖可产生一对东—西向分布的偶极型低层异常环流,其中气旋性异常环流位于北大西洋/东太平洋地区,反气旋异常环流位于西北太平洋地区。该反气旋环流异常使得TC主要生成区的对流活动受到抑制、低层涡度正异常、中低层相对湿度负异常、中层下沉气流异常,这些动力/热力条件均不利于TC生成。此外,西北太平洋地区低层涡旋动能负异常,同时来自大尺度环流的涡旋动能的正压转换也受到抑制,不能为TC的生成和发展提供额外能量源。反之亦然。     

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋活动特征的差异性北大核心

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋(Tropical cyclone,TC)活动表现出多样性,给TC活动的气候预测带来挑战。采用美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径数据和欧洲中期预报中心提供的ERA-5再分析资料,对1970—2018年的El Nino衰减年7—10月的西北太平洋TC生成频数进行合成分析,发现其与气候态没有显著的差异,但在单个年份,存在着较大的正、负异常。为此,将El Nino衰减年分为TC生成频数偏少(负异常)和偏多(正异常)两种情形,对比两种情形的TC活动和大尺度环境要素特征。结果表明,TC生成频数偏少的情形,TC生成频数的异常减少主要发生在西北太平洋东部海域,即(15°~25°N,140°~150°E)和(5°~25°N,150°~170°E),与垂直风切变增大、对流层中层相对湿度和低层绝对涡度减少有关;TC生成频数偏多的情形,TC生成频数的异常增加主要发生在南海和菲律宾群岛附近,即(15°~25°N,110°~120°E)和(5°~25°N,120°~130°E),对流层中层相对湿度增加的贡献最大,其次是上升运动增强和绝对涡度增大;对比两种情形发现,TC生成频数偏多的情形,广东和福建沿岸的东南风异常引导气流有利于菲律宾群岛附近生成的TC登陆中国大陆。     

西北太平洋热带气旋强度变化的若干特征

使用NOAA海表温度资料、ECMWF再分析资料和JTWC台风最佳路径数据,对1984—2013年30年西北太平洋热带区域（100 °E~180 °,0~60 °N）内热带气旋（TC）的强度变化特征及其与环境风垂直切变（VWS）、海表温度（SST）、最大风速半径（RMW）的关系作了统计分析,尤其关注TC强度突变。结果表明:（1）在研究区域内,TC样本中35.2%强度稳定,52.8%强度变化缓慢,仅12.0%强度突变,约92.7%的迅速加强TC样本发生在其台风及以上强度等级;（2）2000年以来,TC强度稳定样本减少,强度迅速变化样本增多。5月和9—10月是TC强度突变的高频期;（3）超过12 m/s的环境VWS下TC迅速加强较少,且只有台风及以上强度TC才能在大于12 m/s的VWS下迅速加强;（4）TC加强和迅速加强主要在28.5~30.0 ℃的SST洋面上发生,在较低SST下仍迅速加强的TC强度等级较高;（5）TC样本的RMW多小于100 km,其中强度突变TC RMW峰值区在20~40 km;（6）加强TC的RMW的24 h变化一般减小,减弱TC的RMW则增大;其中强度突变TC尤其明显,超强台风发生迅速加强时,RMW减小的比率达84.6%,但仍有15.4%比率的RMW增大。      

西北太平洋热带气旋强度与环境气流切变关系的气候分析

采用NCEP/NCAR再分析资料和JTwC(美国关岛联合台风警报中心)资料,对1974～2004年5～10月西北太平洋热带气旋(TC)强度和环境风垂直切变进行了趋势特征、振荡周期和空间结构分析.结果表明:西北太平洋热带风暴强度以上TC的最大风速和环境风垂直切变在时间上有相反的变化趋势,弱的环境风垂直切变有利于TC强度的增大;前12 h的环境风垂直切变对TC强度的发展影响最大.环境风垂直切变在两北太平洋TC最强的年份表现为环境风切变值小,TC发生密集;最弱的年份表现为环境风切变值大,TC发生稀疏.     

西北太平洋热带气旋频数的气候变化及其与环境要素间的联系

使用Emanuel和Nolan完善的潜在生成指数(GPI)的计算方法,利用美国联合台风警报中心提供的热带气旋(TC)资料和欧洲中期数值天气预报中心提供的全球ERA-40再分析资料,比较了1970-2001年西北太平洋海域的TC生成频数和GPI的气候特征,分析了包含于GPI中的环境要素对西北太平洋TC频数年代际变化空间分布的影响.结果表明:GPI能近似地表述西北太平洋TC频数的季节变化和空间分布.各环境要素对TC、较弱类TC和较强类TC生成频数的影响有显著差异,相对湿度随着TC强度的增强而减弱,风速垂直切变则相反.西北太平洋TC频数年代际变化空间分布的正异常主要分布于130°E以东,(15°N,140°E)附近最大的正异常频数中心主要受绝对涡度和相对湿度正异常变化的影响;负的风速垂直切变和正的相对湿度异常变化引起了(10～15°N,160°E)附近的TC频数正异常.     

Revisiting the response of western North Pacific tropical cyclone intensity change to vertical wind shear in different directions

不同方向垂直风切变对热带气旋强度变化的影响存在明显差异,但对热带气旋无维强度变化的影响却差异较小.研究发现不同方向垂直风切变对无维强度变化的影响的细微差异与热带气旋周围的高层西风槽,倒槽,低层季风槽等天气系统配置有关.这一结果表明,在研究不同方向切变对热带气旋强度变化的影响时,除了下垫面热力作用外,还应考虑与切变相关的...     

西北太平洋热带气旋潜势分布和年际变率的数值模拟

热带气旋潜势指数是定量表征影响热带气旋生成的大尺度环境条件指标,在不能显式模拟热带气旋的气候系统模式中,常被作为热带气旋的代用指标。基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的AGCM GAMIL2.0模式在历史海温驱动下的积分结果,评估了该模式对热带气旋潜势气候态、季节循环和年际变率的模拟能力。并分别从影响热带气旋潜势分布的热力因子(相对湿度、热带气旋最大风速)和动力因子(垂直风切变、绝对涡度、垂直抬升速度)的角度,讨论了造成热带气旋潜势模拟误差的原因。结果表明,在西北太平洋地区,模式能够合理再现热带气旋潜势的气候态分布,但由于GAMIL2.0模拟的相对湿度偏大且向东延伸,造成了热带气旋潜势大值区较之再分析资料偏大且偏东10°。由于GAMIL2.0模拟的季风槽位置偏北偏强,导致模拟的热带气旋潜势季节循环北进偏早而南退偏晚。在年际变化方面,GAMIL2.0能合理模拟出热带气旋潜势在ENSO正负位相东西反向的变化特征,但位于20°—30°N的加强和减弱区的分界线偏西,这与模拟的垂直速度和相对湿度的模拟误差有关,进一步分析表明,这是由于模拟中ENSO事件期间的西北太平洋异常上升中心比观测偏西且偏强造成的。     

Tropical cyclone genesis potential index over the western North Pacific simulated by CMIP5 models

Tropical cyclone(TC) genesis over the western North Pacific(WNP) is analyzed using 23 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models and reanalysis datasets. The models are evaluated according to TC genesis potential index(GPI). The spatial and temporal variations of the GPI are first calculated using three atmospheric reanalysis datasets(ERA-Interim, NCEP/NCAR Reanalysis-1, and NCEP/DOE Reanalysis-2). Spatial distributions of July–October-mean TC frequency based on the GPI from ERA-interim are more consistent with observed ones derived from IBTr ACS global TC data. So, the ERA-interim reanalysis dataset is used to examine the CMIP5 models in terms of reproducing GPI during the period 1982–2005. Although most models possess deficiencies in reproducing the spatial distribution of the GPI, their multimodel ensemble(MME) mean shows a reasonable climatological GPI pattern characterized by a high GPI zone along 20?N in the WNP. There was an upward trend of TC genesis frequency during 1982 to 1998, followed by a downward trend. Both MME results and reanalysis data can represent a robust increasing trend during 1982–1998, but the models cannot simulate the downward trend after 2000. Analysis based on future projection experiments shows that the GPI exhibits no significant change in the first half of the 21 st century, and then starts to decrease at the end of the 21 st century under the representative concentration pathway(RCP) 2.6 scenario. Under the RCP8.5 scenario, the GPI shows an increasing trend in the vicinity of20?N, indicating more TCs could possibly be expected over the WNP under future global warming.     

Possible relationship between NAO and tropical cyclone genesis frequency in the western North Pacific

This study examined a strong positive correlation between the North Atlantic Oscillation (NAO) index during June and the total tropical cyclone (TC) genesis frequency in the western North Pacific during July and August. To investigate a possible cause for this relation, the mean difference between highest positive NAO years and lowest negative NAO years was analyzed by dividing into when the El Niño and La Niña years were included and when the El Niño and La Niña years were not included.When the El Niño and La Niña years were included, for positive NAO years, the TCs mostly occurred in the northwestern region of tropical and subtropical western Pacific, and showed a pattern that migrate from the sea northeast of the Philippines, pass the East China Sea, and move toward the mid-latitudes of East Asia. In contrast, for negative NAO years, the TCs mostly occurred in the southeastern region of tropical and subtropical western Pacific, and showed a pattern that migrate westward from the sea southeast of the Philippines, pass the South China Sea, and move toward the southern coast of China and Indochinese peninsula. These two different TC migration patterns affect the recurving location of TC, and for positive NAO years, the recurving of TC was averagely found to take place in the further northeast. In addition, the migration patterns also affect the TC intensity, and the TCs of positive NAO years had stronger intensity than the TCs of negative NAO years as sufficient energy can be absorbed from the ocean while moving north in the mid-latitudes of East Asia. The TCs of negative NAO years showed weak intensity as they weaken or disappear shortly while landing on the southern coast of China and Indochinese peninsula. On the other hand, the above result of analysis is also similarly observed when the El Niño and La Niña years were not included.     

Re-examination of tropical cyclone formation in monsoon troughs over the western North Pacific

The monsoon trough(MT) is one of the large-scale patterns favorable for tropical cyclone(TC) formation over the western North Pacific(WNP). This study re-examines TC formation by treating the MT as a large-scale background for TC activity during May–October. Over an 11-year(2000–10) period, 8.3 TC formation events on average per year are identified to occur within MTs, accounting for 43.1% of the total TC formation events in the WNP basin. This percentage is much lower than those reported in previous studies. Further analysis indicates that TC formation events in monsoon gyres were included at least in some previous studies. The MT includes a monsoon confluence zone where westerlies meet easterlies and a monsoon shear line where the trade easterlies lie north of the monsoon westerlies. In this study, the large-scale flow pattern associated with TC formation in the MT is composited based on the reference point in the confluence zone where both the zonal and meridional wind components are zero with positive vorticity. While previous studies have found that many TCs form in the confluence zone, the composite analysis indicates that nearly all of the TCs formed in the shear region, since the shear region is associated with stronger low-level relative vorticity than the confluence zone. The prevailing easterly vertical shear of zonal wind and barotropic instability may also be conducive to TC formation in the shear region, through the development of synoptic-scale tropical disturbances in the MT that are necessary for TC formation.     

西北太平洋风速垂直切变异常对热带气旋活动年际变化的影响

应用中国《台风年鉴》资料、欧洲中心40年月平均再分析资料和NOAA的逐月海温资料,研究了西北太平洋(5°—30°N,110°E—180°)风速垂直切变异常对热带气旋(TC)活动年际变化的影响。研究发现,西北太平洋所有TC、风暴以上级别的TC(TSTY,即达到热带风暴级别及以上的所有TC)和所有台风(WTY,包括台风、强台风和超强台风)年频数与西北太平洋风速垂直切变都显著负相关。西北太平洋风速垂直切变大小对生成源地在南海(5°—30°N,110°—120°E)TC和西北太平洋西部海域(5°—30°N,120°—150°E)TC的影响较小,而对西北太平洋东部海域(5°—30°N,150°E—180°)生成的TC影响最大:即西北太平洋风速垂直切变负异常年,有利于西北太平洋东部海域TC生成发展,使得负异常年较正异常年TC频数偏多和源地平均位置偏东;并且风速垂直切变的变化对TC频数和生成源地影响的显著性,随着TC强度的增加而增加。对TSTY生成环境场的进一步分析表明,西北太平洋风速垂直切变偏小年,季风槽偏强位置偏东,它的东端位于宽阔的太平洋洋面,与弱风速垂直切变区相配合,暖的海温加上低层强烈的正涡度和强烈辐合,且相应的高层有强的气流辐散区,这些环境场都有利于TSTY在主要源地尤其是西北太平洋东部海域生成,这是风速垂直切变偏小年TSTY偏多和生成源地偏东的重要原因。