地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (3): 903-911   PDF    
西北太平洋热带气旋活动对大尺度环境场影响的线性回归分析
孙行知1, 钟中1,2 , 江静2     
1. 解放军理工大学气象海洋学院, 南京 211101;
2. 南京大学江苏省气候变化协同创新中心, 南京 210023
摘要: 本文使用西北太平洋累积气旋能量(ACE)月尺度异常序列,对850 hPa相对涡度、地表纬向风、柱水汽含量、OLR、降水和SST等大尺度环境场变量进行时滞回归分析,讨论了月尺度TC活动对大尺度环境场的影响及其与周尺度的区别和联系.结果表明:(1)月尺度ACE回归出的纬向风无论是强度还是范围都要明显大于周尺度ACE回归结果,TC的频繁发生,尤其是强度大且持续时间长的近赤道TC,对于激发或加强TC活动区域南侧的低纬地区西风异常有一定的积极作用,持续并且强度较大的西风异常可能导致西风的爆发,而西风爆发会在很大程度上影响ENSO事件的发生和演变.(2)在月尺度上,OLR、柱水汽含量、降水和SST等物理量均呈现出较为明显的El Niño型分布,而在周尺度上,仅SST呈现出明显的El Niño型分布,这在一定程度上反映了月尺度TC活动和太平洋ENSO信号之间存在更密切的关联.(3)在TC发生后1-2月,TC的主要生成区域柱水汽含量减少、OLR增大,这会在一定程度上降低该区域生成TC的潜能.虽然TC所引起SST降低的空间尺度很小,但其通过大气和海洋的传导会扩大到更大尺度上,由于这种反馈具有一定的滞后性,所以月尺度TC对大尺度环境场影响的信号更为显著.
关键词: 热带气旋      ACE      大尺度环境场      线性回归     
Linear regression analysis of the influence of Western North Pacific tropical cyclones on their large-scale environment
SUN Xing-Zhi1, ZHONG Zhong1,2, JIANG Jing2     
1. College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China;
2. Jiangsu Collaborative Innovation Center for Climate Change, Nanjing University, Nanjing 210023, China
Abstract: The influence of Western North Pacific (WNP) tropical cyclones (TCs) on their large-scale environment, including 850 hPa relative vorticity, surface zonal wind, total column water vapor, outgoing longwave radiation (OLR), precipitation and sea surface temperature (SST), is investigated by lag regressing of the accumulated cyclone energy (ACE) index on monthly time scale, and the differences with that on weekly time scale is also discussed. The results show that (1) The zonal wind regressed by ACE on monthly time scale is more significant than that on weekly time scale both in intensity and scope. The frequent occurrence of TCs, especially the intense and long-lived near equator TCs, have a positive effect on stimulating or strengthening westerly anomalies to the south of TC activities' region to some extent. The long-lived and intense equatorial surface westerly anomalies can cause westerly wind bursts, and westerly wind bursts are believed to be a major factor during the occurrence and development of ENSO events. (2) On monthly time scale, more variables, such as OLR, precipitation and SST, exhibit El Niño type features than that on weekly time scale, which suggests that TC activities on monthly time scale are closely related to ENSO cycle. (3) After the genesis of TCs for one or two months, the drying and associated OLR increasing in the original region of TC activities can reduce the potential of TCs occurrence. Although the SST reduction by TC is small in spatial scale, it would expand to a large scale through adjustment mechanisms in ocean and atmosphere. In addition, as the feedback is lagged, the signals of TCs on their large-scale environment on monthly time scale are more significant.
Key words: TCs      ACE      Large-scale environment      Linear regression     
1 引言

热带气旋(TC)形成在热带或副热带海面上,具有有组织的对流和气旋性海面风环流的非锋面性质的天气尺度系统.在全球的TC生成区域中,西北太平洋不仅是全球TC出现频数最多的海域,而且是全球唯一的全年可观测到TC活动的海域,同时也是强台风和超强台风最容易产生的地区.热带气旋移近和登录时常常带来狂风、暴雨、风暴潮等气象灾害,危及国民经济建设和生命财产安全(王金博和钱维宏,2005).

TC的生成和活动需要特定的大气海洋环境条件,因此大气环流和海洋热状况对TC的活动具有调制作用.另一方面,TC活动也会通过反馈作用引起大气环流和海洋环流发生变化,频繁的TC活动会形成气候效应.近年来,气象工作者开展了大量TC气候学研究,这些研究工作主要集中在大气和海洋状况对TC活动的调制作用(Chan, 1985; 林惠娟和张耀存, 2004; Webster et al., 2005; 陈光华和黄荣辉,2006; 马丽萍等, 2006; 周波涛和崔绚, 2009宋金杰和王元, 2010关皓等, 2011),而在TC活动对气候平均态的直接反馈作用方面的研究尚不多见.TC活动对大尺度环境场的反馈分为对海洋的反馈和对大气的反馈两个方面,从海洋反馈来看,TC移过热带暖洋面时,海面大风及其气旋性辐合会造成强烈的海水铅直混合,导致热带海洋上层降温,热量向混合层下层输送,并通过大洋环流将这部分热量向两极输送(Sriver and Huber, 2007; Sriver et al., 2008),从而通过影响海洋热量平衡产生气候效应.从大气反馈来看,TC会明显改变其影响区域内大气环流的状况,特别是其伴随的大风和降水会对区域天气气候产生重要影响(Kubota and Wang, 2009).此外,TC在热带海域生成后裹挟大量的热量和水汽向中高纬度区域移动,将其携带的能量向热带外输送和频散,对影响全球气候平均态的能量输送、分配和平衡也会产生重要影响.

Emanuel (2001)最早提出TC活动通过影响海洋热输送可能对全球气候环境产生较大影响的观点.Wang和Chan (2002)在对西北太平洋TC活动的研究中发现,TC活动对大气环流的年际变化有重要贡献.Ha等(2013)的研究表明,El Niño事件期间TC总动能显著增强,并且TC导致的大气动能向极输送强度更大、持续时间更长,影响区域所能达到的纬度也更高,表明TC活动对大气能量经向输送的影响存在与ENSO循环密切联系的年际变化.

Sobel和Camargo (2005)利用回归方法首次明确揭示出TC活动对气候平均态的影响,他们采用周平均累积气旋能量指数(ACE,Accumulative Cyclone Energy)代表TC活动水平对与TC活动密切相关的大气海洋环境场进行回归分析,根据各环境场变量时滞回归结果的一致变化特征,他们认为周尺度TC的变化与ENSO信号存在一定的对应关系,且TC活动可能会对ENSO循环起到一定作用.但他们同时也指出,由于TC活动对大气和海洋的反馈作用是一个复杂且缓慢的过程,所以用周尺度TC活动指数回归出的大气海洋环境场很可能低估了TC的反馈作用,并且不同的TC尺度对大尺度环境的反馈作用也有所不同,因此,有必要用更长时间尺度上的TC活动为指标,研究其对大尺度环境场的影响.本文以TC活动的月平均ACE为指标,研究TC活动对大尺度环境场的反馈作用,并分析其与周尺度TC活动影响的区别和联系.

2 资料和方法

本文所用的资料包括美国台风联合预警中心(JTWC)的西北太平洋TC最佳路径集资料,选取的时段为1971-2000年;空间分辨率为2.5°×2.5°的NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay et al., 1996),NOAA气候预测中心(CPC)提供的逐日平均OLR资料(Liebmann and Smith, 1996)和月平均降水融合再分析资料(CMAP)(Xie and Arkin, 1997)以及空间分辨率为1°×1°的Reynolds海温资料(Reynolds et al., 2002).本文采用NCEP再分析资料从1000 hPa积分到300 hPa来获取柱水汽含量.两个气压层之间的柱水汽含量计算公式为

(1)

式中, q为比湿,p为气压,g为重力加速度,ps为地面气压,pzz高度处气压,Tw为柱水汽含量(单位:mm).

参照Sobel和Camargo (2005)的方法,本文也采用ACE作为衡量TC活动强度的指标.根据Bell等(2000)的定义,ACE为TC达到热带气旋或以上强度(海面风速大于17.2 m·s-1)时中心附近6h最大风速的累积平方和,即

(2)

其中,n表示每一个TC的记录次数,m表示TC的频数,ui, j为海面风速(单位:m·s-1).

ACE同时考虑了TC的频数、生命期以及强度,能够较好地反映TC累积的能量,TC的频数越大、生命期越长、强度越强,则TC累积能量就越大.ACE是描述整个生命史中TC强度的物理量,同时也可以作为研究TC对气候影响的指数,其对TC生命期中较大强度记录的影响有所放大.

本文拟采用从超前2个月至滞后2个月(分别记作M-2,M-1,M0,M+1和M+2)的ACE月异常序列分别与太平洋多种大尺度环境场进行时滞线性回归计算,从而提取出环境场中有统计意义的TC活动影响信号,并讨论月尺度与周尺度TC活动对大尺度环境场影响的区别和联系.

3 回归结果分析 3.1 850 hPa相对涡度

图 1是月尺度上850 hPa相对涡度对ACE的时滞回归场.从图 1a可以看到,赤道以北为东西走向的正涡度带,而赤道以南对应出现东西走向的负涡度带.从M-2到M0,正涡度带具有明显增强且向西北移动的趋势,这与西北太平洋绝大部分TC移动的方向一致.负涡度带强度同样不断增强,但其整体向东南方向移动,且正涡度带和负涡度带强度均在M0时达到最大值.从M0到M+2,正、负涡度带均变弱且整体向东南方向移动.与Sobel和Camargo (2005)用周尺度ACE回归得到的结果有所不同的是,从M+1到M+2,赤道两侧的正、负涡度带呈显著的偶极子分布,尤其在M+2,这种偶极子信号达到最强,这很可能是ENSO信号存在的一种标志,这种对流层低层涡度异常分布有利于西北太平洋和南海的TC活动.赤道中东太平洋海表增暖会导致加热源西侧响应出异常西风,从而造成图 1d1e中位于日界线附近关于赤道对称的气旋性环流,这是赤道中东太平洋海表温度异常激发出的大气Rossby波型响应的体现(Gill, 1980),因此,用月尺度ACE回归850 hPa相对涡度能更好地表征大气对赤道中东太平洋El Niño型异常增暖的响应.

图 1 月尺度上850 hPa相对涡度对ACE的线性回归图 其中(a)为M-2, (b)为M-1, (c)为M0, (d)为M+1, (e)为M+2(其中M0代表同时相关,M-1代表ACE滞后1个月,M+1代表ACE超前1个月,其余类推,图中振幅代表与ACE的1倍标准差异常值对应的相关值). Fig. 1 Lag regression of monthly relative vorticity at 850 hPa on ACE (a) M-2, (b) M-1, (c) M0, (d) M+1, (e) M+2, where positive lag means that ACE leads the relative vorticity and lag 0 is the simultaneous correlation, and the amplitudes represent those associated with an ACE anomaly with 1 times standard deviation.
3.2 地表纬向风

图 2是ACE回归地表纬向风的结果.从图上可以看出,位于120°E-160°W、10°S-10°N附近的区域,超前和滞后回归图上均呈现出较强的西风异常,从M-2到M0,这种西风异常不断加强且向西北方向移动,这与西北太平洋绝大部分TC移动的方向相一致.同时,在西风异常的北部有较弱的东风异常,从M-2到M+2,该东风异常经历先增强再减弱的过程.值得注意的是,从M-2到M+2,海洋性大陆和印度洋地区所出现的东风异常无论是强度还是范围都有不断变大的趋势,而在周尺度结果上,强度的变化趋势并不显著.另外,与周尺度ACE回归所得结果不同的是,月尺度的纬向风无论是强度还是范围都要明显大于周尺度,这在一定程度上说明月尺度TC与大尺度环境场之间的相互影响更为显著.关于TC与赤道表面西风异常之间的关系,Keen (1982)Lander (1990)等的研究指出,强西风异常爆发有时与赤道两侧的双台风有关.当然,这种赤道两侧双台风的现象是比较少见的,但Harrison和Giese (1991)Kindle和Phoebus (1995)等的研究表明单独的台风也能够激发明显的赤道表面西风异常,由此可见,赤道表面西风异常与近赤道TC之间存在一定的关联.虽然本文的结果并不能说明赤道表面西风异常是由TC直接激发而来,但可以推测强度大且持续时间长的近赤道TC对于激发或加强赤道表面西风异常有一定的积极作用.

图 2图 1,但为地表纬向风 Fig. 2 Same as Fig. 1, but for surface zonal wind
3.3 柱水汽含量

图 3显示的是ACE与柱水汽含量的回归结果,从M-2到M0,湿异常分布加强且向西北方向移动,而海洋性大陆则维持较为明显的干异常,且干异常强度不断加强,这很可能是由于TC发生发展时,大量的水汽从海洋性大陆被裹挟到西北太平洋地区而引起的.从M0到M+2,湿异常有所减弱且回撤到160°E以东地区,而海洋性大陆的干异常继续维持,且向东北方向延伸,覆盖了整个菲律宾海,与TC生成和发展的区域重叠在一起.与周尺度结果不同的是,月尺度柱水汽含量的分布与图 6中SST的El Niño型分布较为相似,而在周尺度上几乎看不出这种El Niño型分布.值得一提的是,在月尺度上,OLR、柱水汽含量、降水和SST等物理量均呈现出较为明显的El Niño型分布,而在周尺度上,仅SST呈现出明显的El Niño型分布,这在一定程度上反映了月尺度TC活动和太平洋ENSO信号之间存在更为密切的关联.

图 3图 1,但为柱水汽含量 Fig. 3 Same as Fig. 1, but for total column water vapor
3.4 OLR

图 4可以看出,OLR负异常分布在赤道附近,从M-2到M0,负值区的范围越来越大,且整体向西北方向移动,这与图 3中的柱水汽湿异常变化类似,但与之不同的是,OLR负异常不断向东延伸,在M0时延伸到85°W附近.从M-2到M+2,OLR正异常不断增强且整体向西北方向移动.相对于周尺度来说,月尺度结果的OLR正异常向东北方向延伸得更远,更真实地覆盖了TC生成和发展的区域.综合图 34M+1、M+2的变化可以看出,TC主要生成区域柱水汽含量减少、OLR增加,这在一定程度上降低了该区域生成TC的潜能,这与Sobel和Camargo (2005)的结果相吻合.OLR回归异常的分布和演变与柱水汽含量的变化十分相似,表明对流层中低层水汽含量的变化对TC活动会产生重要的影响.这种柱水汽含量减少、OLR增大的大气效应,一方面可能是TC直接引起的,另一方面也可能与SST降低有关.

图 4图 1,但为OLR Fig. 4 Same as Fig. 1, but for OLR
3.5 降水

图 5显示的是ACE与降水的回归结果,从M-2到M0,正异常强度不断加强且整体向西北方向移动,这表示随着台风向西北方向移动,其雨带也向西北方向移动.而在海洋性大陆则维持一个明显的负异常,从M-2到M0,负异常不断加大,表明该地区降水持续减少,这与TC降水沿移动路径向西北方向移动相吻合.同样,从M0到M+2,雨带向东南方向回撤,而此时负异常继续维持,且极值区整体向东北方向移动.这种雨带分布型与SST的分布型非常相似,这也说明热带降水与ENSO之间存在一定的关联.

图 5图 1,但为降水 Fig. 5 Same as Fig. 1, but for precipitation
3.6 SST

图 6显示的是ACE与SST的回归结果,从图上可以看出5幅图都具有典型的El Niño事件的特征,即在赤道中东太平洋为暖异常,而在赤道西太平洋为冷异常,暖异常从低纬的日界线附近向美国西北太平洋沿岸延伸,呈西南-东北走势.此种分布表明ENSO和ACE之间有密切的联系,由于ENSO是热带太平洋大气海洋年际变化的最强信号,所以ENSO对ACE有强烈的调制作用.

图 6图 1,但为SST Fig. 6 Same as Fig. 1, but for SST

M-2到M+2,可以看到赤道中东太平洋的暖异常贯穿整个时间段,且最大值范围有逐渐增大的趋势,这种SST缓慢增长的趋势代表El Niño事件的不断发展.赤道海表增暖是赤道表面西风异常引起的海洋-动力反馈的结果,从地表纬向风图可以看出,赤道附近从120°E-140°W都有明显的西风异常,从M-2到M+2,赤道表面西风异常始终维持,这一定程度上导致赤道中东太平洋海温的强度和范围不断增强.Gao等(1988)曾经提出近赤道TC通过加强赤道表面西风异常并激发Kelvin波的方式来促使El Niño事件发生发展的假设,虽然这一假设并没有充足的证据,但根据本文中各环境场变量时滞回归结果的一致变化特征,可以推测TC的频繁发生,尤其是强度大且持续时间长的近赤道TC,对于激发或加强TC活动区域南侧的低纬地区西风异常有一定的积极作用,持续并且强度较大的西风异常可能导致西风的爆发,而西风爆发会在很大程度上影响ENSO事件的发生和演变(Gao et al., 1988; Yu et al., 2003; Eisenman et al., 2005),因而TC的频繁活动会对ENSO的发生发展产生一定的作用.虽然由台风的冷尾效应引起的SST降低的空间尺度很小,但其通过大气和海洋的传导会扩大到更大尺度上(Sriver et al., 2008; Sriver, 2013),由于这种反馈在时间尺度上具有一定的滞后性,所以月尺度TC对大尺度环境场影响的信号更为显著.

图 78分别是SST、地表纬向风对ACE线性回归的经度-时间剖面,时滞范围从M-6到M+6.总体而言,随着时间的推进,SST和纬向风均呈现出较为缓慢的增长趋势,尤其是SST,这种缓慢增长趋势更为显著.但二者在特定时间也呈现出快速增长的趋势,纬向风是在M-1附近,而SST在M0附近.同时,纬向风增强的区域主要在日界线以西20°经度范围内,而SST的增强则主要发生在日界线附近及其东部区域.SST和纬向风的这种缓慢增长趋势代表ENSO事件不断发展的过程.一方面,纬向风和SST的最强时段位于M0至M+6之间,这很可能是因为ENSO事件在北半球的冬季达到顶峰,而西北太平洋的TC活动(即ACE信号)在夏、秋季达到顶峰.从图 9中ACE月异常与Nino-3.4指数的相关系数也可以看到,在M-6至M+5之间相关系数逐渐增大,在M+4和M+5附近达到最大,这与ENSO事件在冬季达到鼎盛以及TC活动在夏、秋季最活跃吻合.另一方面,纬向风在M-1附近、SST在M0附近的快速增长显示TC对环境场的直接影响,而SST相比于纬向风的延迟很可能是海洋Kelvin波东传所引起的.由于SST相比于纬向风有一个月左右的延迟,而二者的中心位置相距6000 km左右,据此可估计出其传播速度与Hendon (1998)提出的Kelvin波波速2.3 m·s-1相吻合,这也进一步验证了Sobel和Camargo (2005)的结果.

图 7 月尺度上ACE回归出的赤道SST (5.5°S-5.5°N范围内平均)经度-时间剖面(时滞范围为M-6到M+6,正值代表ACE超前于SST) Fig. 7 Lag regression of monthly equatorial (5.5°S-5.5°N average) SST on ACE from M-6 to M+6, where positive lag means ACE leads SST
图 8图 7,但为地表纬向风 Fig. 8 Same as Fig. 7, but for surface zonal wind
图 9 ACE月异常与Niño-3.4指数的相关系数随时滞时间的变化(时滞范围从M-6到M+6,正时滞值代表ACE超前于Niño-3.4) Fig. 9 Variations of correlation coefficients between monthly ACE anomalies and monthly Niño-3.4 index from M-6 to M+6, where positive lag means ACE leads Niño-3.4
4 结论与讨论

本文采用超前、同期以及滞后的ACE月异常序列分别与对流层低层涡度、风场以及SST等大气海洋环境场变量进行线性回归分析,从而提取出统计意义上环境场中的TC活动信号,并讨论了月尺度上TC对大尺度环境场的影响及其与周尺度影响的区别和联系.结果如下:

(1)由于ENSO循环的时间尺度远远大于TC活动周期,因此ENSO对TC活动有调制作用,ACE序列对环境场的回归结果主要呈现出ENSO循环信号.在月尺度上,OLR、柱水汽含量、降水和SST等物理量均呈现出较为明显的El Niño型分布,而在周尺度上,仅SST能呈现出明显的El Niño型分布,这表明月尺度的TC活动与热带太平洋ENSO信号之间存在更密切的关联.

(2)月尺度ACE回归出的纬向风无论是强度还是范围都要明显大于周尺度ACE回归结果,所以月尺度上TC活动与大尺度环境场之间的相互影响更为显著.TC的频繁发生,尤其是强度大且持续时间长的近赤道TC,对于激发或加强TC活动区域南侧的低纬地区西风异常有一定的积极作用,持续并且强度较大的西风异常可能导致西风的爆发,而西风爆发会在很大程度上影响ENSO事件的发生和演变.

(3)在TC发生后1-2月,TC主要生成区域柱水汽含量减少、OLR增大,这会在一定程度上降低该区域生成TC的潜能.虽然由TC所导致的SST降低的空间尺度很小,但其通过大气和海洋的传导会扩大到更大尺度上,由于这种反馈具有一定的滞后性,所以月尺度TC对大尺度环境场影响的信号更为显著.

由于TC对大尺度环境场的影响既取决于其强度,又取决于其尺度,因此,后续研究工作将在ACE指数中引入TC尺度因子的作用,以便于更加准确地刻画TC强度的变化,从而能更有效地揭示TC活动对大尺度环境场的反馈效应.

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