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。

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。

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。

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 Niño-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 Niño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 Niño衰减年,西北太平洋出现低层异常反气旋,其东侧异常东北气流将湿度相对较低的水汽输送至SEWNP,相对湿度降低导致TCGF显著减少。La Niña发展年,绝对涡度减小和垂直风切变增加对TCGF减少都有影响。WNP西部仅在La Niña衰减年出现TCGF显著负异常,低层绝对涡度减小的贡献最大,因为季风槽减弱,抑制了南海附近的TC生成。

夏季热带大气准双周振荡对西北太平洋台风生成的影响

利用美国海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)逐日对外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)资料、欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料和美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)台风路径最佳资料,考察了热带大气夏季准双周振荡(Quasi-biweekly Oscillation,QBWO)对西北太平洋台风生成的影响,揭示了QBWO对西北太平洋台风生成位置、频数和发生概率的显著影响。结果表明:(1)伴随QBWO对流活跃中心的西北方向的传播,西北太平洋台风生成位置也呈现相应移动;(2)QBWO对流活跃位相期间,台风频数偏多,发生概率偏高,而在QBWO对流抑制位相,台风频数偏少,发生概率偏低;(3)台风生成潜在指数(Genesis Potential Index, GPI)收支分析指出了对流层低层绝对涡度和中层相对湿度是调制整个海域台风生成的两个重要的大尺度环境因子;(4)GPI的收支分析还表明了大尺度环境因子对台风生成的影响对QBWO的位相与区域具有显著的依赖性。在QBWO对流活跃位相期间,南海中北部区域低层涡度对GPI正异常贡献最为显著;在菲律宾以东海域,对流层中层相对湿度对GPI正异常贡献最为显著;在关岛附近海域,主要的贡献来自于低层绝对涡度与非线性项,且它们对GPI负异常的贡献相当。在QBWO对流抑制位相,南海中北部区域GPI的负异常贡献主要来自于低层绝对涡度;在菲律宾以东海域GPI负异常贡献主要来自中层相对湿度;关岛附近海域的GPI正异常的主要贡献来自于垂直风切变和非线性项。

Observed decadal shifts and trends in global tropical cyclone activities from 1980 to 2021

研究发现在1980-2021期间全球6个海域每年热带气旋的发生频次和强度具有显著年代际变化规律,最近几十年,北大西洋和北印度洋的热带气旋发生频次明显增加,但西北太平洋的热带气旋却显著下降.另外三个海域,东太平洋,南印度洋和南太平洋发现所生成的热带气旋有减少趋势.但在过去十几年,平均热带气旋的强度除了在东太平洋和北大西洋有所减弱但在其他几个海域有所加强,特别是在2013-2021期间,北印度洋的平均热带气旋的强度增强明显.热带气旋的潜在生成指数(GPI)增加或减少趋势变化与北印度洋,北大西洋和西太平洋热带气旋变化相关的大尺度环流一致.另外,北印度洋,北大西洋和西太平洋上空的垂直风切变是影响其区域热带气旋发生频次变化的主要因子,不同的气候模态也可能对全球热带气旋的趋势变化和年代际变化有影响,值得进一步研究.

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋活动特征的差异性

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。

入境宁波的热带气旋活动特征的气候统计及其年代际变化

本文利用中国气象局热带气旋(TC)资料中心最佳路径数据集,对入境宁波的TC进行统计,从1949到2014年共有71个TC入境宁波,通过合成分析和显著性检验发现:TC源地强东风引导气流的存在和西风带的南北位置是影响TC路径的重要原因。在1990s中后期以来的全球变暖减缓阶段,入境宁波的TC频数在9~10月份显著增多。1990s中后期之后,整个太平洋海表面温度(SST)呈现出太平洋年代际涛动(PDO)的负位相和赤道太平洋的类拉尼娜型海温分布,Walker环流增强,调制了西太副高的加强和西伸,使得西北太平洋TC移动路径偏西,登陆我国海岸线中段的TC频数增多,造成了在9~10月份入境宁波的TC频数增多。就TC生成而言,1990s年代中期之后西北太平洋TC源地西部垂直风切变的减弱和相对湿度的增加可能造成了TC生成的增加,而较东位置则与之相反。