气象学报  2016, Vol. 74 Issue (1): 46-59   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.004
中国气象学会主办。
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文章信息

林志强, 王鹏祥, 唐叔乙. 2016.
LIN Zhiqiang, WANG Pengxiang, TANG Shuyi. 2016.
西北太平洋热带气旋残留低压对中国大陆地区降水的影响
Activity characteristics of remnant lows of tropical cyclones of the western North Pacific and its impact on precipitation of China mainland
气象学报, 74(1): 46-59
Acta Meteorologica Sinica, 74(1): 46-59.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2016.004

文章历史

收稿日期: 2015-06-03
改回日期: 2015-11-08
西北太平洋热带气旋残留低压对中国大陆地区降水的影响
林志强1 , 王鹏祥2, 唐叔乙3     
1. 西藏自治区气候中心, 拉萨, 850000;
2. 西藏自治区气象局, 拉萨, 850000;
3. 西藏自治区气象台, 拉萨, 850000
摘要: 西北太平洋热带气旋(TC)是影响中国降水的重要天气系统,其减弱后的残留低压(TCRL)仍然携带大量的水汽和能量,给其经过之处带来强降水。为分析热带气旋残留低压对中国降水的影响,采用客观方法从ERA-40和ERA-Interim再分析资料中识别出热带气旋对应的气旋,从而得到热带气旋残留低压活动资料。将残留低压的活动路径分为东北路径、东南沿海路径和西行路径3类,采用客观天气图分析法(OSAT)得到残留低压影响下的降水分布,对残留低压的活动路径和降水的分析结果表明,文中采用的方法能追踪得到热带气旋的完整生命史,在1958-2014年进入警戒区的718个热带气旋中,追踪得到706个对应的气旋,追踪的气旋中心与热带气旋中心平均距离131 km;共443个热带气旋有对应的残留低压,平均持续时间48.5 h,1 d以上的残留低压共293个,占66.1%,残留低压的持续时间与对应的热带气旋强度没有显著的关系,夏季残留低压持续时间较冬季长;对内陆地区的影响残留低压较热带气旋更为显著,降水影响自东南向西北减少,影响范围较热带气旋西扩,强度更大;东北路径主要进入地区为东北和华东地区,影响中国东部地区的降水;东南沿海路径影响范围最广,影响降水的强度最大;西行路径进入范围仅华南和西南地区,主要影响中国南部地区的降水,降水强度最小。
关键词: 西北太平洋     热带气旋     残留低压     降水    
Activity characteristics of remnant lows of tropical cyclones of the western North Pacific and its impact on precipitation of China mainland
LIN Zhiqiang1, WANG Pengxiang2, TANG Shuyi3    
1. Climate Center of the Tibetan Autonomous Region, Lhasa 850000, China;
2. Meteorological Bureau of the Tibetan Autonomous Region, Lhasa 850000, China;
3. Meteorological Observatory of the Tibetan Autonomous Region, Lhasa 850000, China
Abstract:The western North Pacific tropical cyclone (TC) is one of the most significant weather systems affecting precipitation of China. The TC remnant low pressure systems (TCRL) still carry abundant moisture and energy, causing heavy rainfall along the TCRL's track. In order to analyze the impact of TCRL to precipitation of China, the objective methods were applied to identify TC cyclones based on the ERA-40 and ERA-Interim reanalysis, and thus obtain the TCRL tracks. The tracks of TCRL were classified to 3 categories, they were the Northeastward one (NE), Southeastern coast one (SEC) and Westward one (WW). TCRL effected precipitation distribution was obtained with the objective synoptic analysis technique (OSAT). Using this technique, we could track whole life history of TCs. There were 706 cyclones in total tracked from the 718 TCs that entered into the warning region during 1958-2014, and the average distance between the cyclone center and the TC center is 131 km. A total of 443 TCs had corresponding TCRLs which sustained for 48.5 hours on average, among which 293 TCRLs' lifetime lasted more than 1 day, to account for 66.1%. TCRLs' duration had no significant relationship with TCs' intensity. Lifetime of the TCRLs in summer was longer than that in winter. The influence to China inland of TCRLs was more obvious than TCs. TCRLs, whose influence range is larger than that of TC, brought more precipitation in southeastern China, and less precipitation in northwestern China. NE TCRLs entered the area of northeastern and eastern China, bringing precipitation mainly in eastern China. SEC TCRLs' influence was the widest, bringing the strongest precipitation. WW TCRLs entered only southern and southwestern China, bringing the weakest precipitation mainly in southern China.
Key words: the western North Pacific     Tropical Cyclone     Remnant low     Precipitation    
1 引言

中国是受热带气旋(TC)影响最大的地区,也是世界各国热带气旋登陆最多的国家(陈联寿等,2002李英等,2004巢清尘等,2014),热带气旋降水是中国沿海地区降水的主要来源之一(Wang et al,2008):热带气旋影响北京降水年均0.33次,降水过程多为大雨以上天气过程(丁德平等,2009);黄立文等(2005)的数值模拟结果表明,海-气相互作用可通过热带气旋大风区附近的海平面温度下降的负反馈机制调节热带气旋暴雨;热带气旋登陆过程中,通过高层天气尺度强风带向外围暴雨区输送动能,暴雨区又将能量传输给环境(励申申等,1992),热带气旋主要影响中国东部和南部,降水由沿海向内陆、由东南向西北递减(刘通易等,2013);热带气旋降水还与冷空气入侵有关,冷空气入侵气旋外围可以大幅度增加外围及倒槽的降水,但入侵到气旋中心附近的冷空气使热带气旋强度减弱,造成中心附近降水明显减少(钮学新,2005),登陆后的热带气旋在中纬度西风槽的干冷空气影响下,其降水和环流结构具有明显的不对称性(孙力等,2015)。热带气旋登陆后受下垫面摩擦作用的影响迅速减弱,各气象机构将解除路径信息编报,但热带气旋减弱后形成的低压系统(TCRL)会持续活动一段时间,由于残留低压携带大量的暖湿空气,在与中纬度西风带系统相互作用过程中吸收斜压能量,形成新的温带气旋并发展加强,因此,将给其经过之处带来持续的强降水(Ritchie et al,2011)。热带气旋向高纬度方向移动,与中纬度系统相互作用发生变性,从热力结构上看是其暖心结构演变为温带气旋的冷心结构(Hart,2003),在有利的大尺度环境作用下,热带气旋可变性发展,以温带气旋的形态持续相当长的时间(孙力等,1993),即使对于远离海岸的陕西省,其重大洪灾与近海台风活动的相关率亦可达90%(侯建忠等,2010);热带气旋西行减弱停止编号后,其残留低压可持续向西移动,在云南造成大范围大到暴雨天气(钟爱华等,2015);热带气旋北上变性后的温带气旋可造成辽东半岛的强降水(梁军等,2008),与变性发展的热带气旋相比,在冷空气影响下变性减弱,并入西风槽的个例造成的降水则明显小得多(梁军等,2006)。可见,热带气旋残留低压(TCRL)的影响区域往往会达到内陆地区,以往对其对降水影响的系统分析较少,主要问题在于缺少热带气旋残留低压的较完整的资料,往往立足于对部分影响较大的热带气旋及其残留低压个例研究,由于热带气旋和残留低压在环流场上以低压或涡旋存在(郭春蕊等,2012),那么能否利用现在发展已较为成熟的热带气旋(Camargo et al,2002)和温带气旋(张颖娴等,2015)识别技术从再分析资料追踪与热带气旋相对应的气旋(包括热带和温带地区的气旋),以客观方法建立热带气旋自编报前至编报后的完整生命史,从而建立其对应的残留低压的较为完整的数据资料?以分析热带气旋残留低压的活动特征及其对中国降水的影响,为热带气旋残留低压的降水预报提供参考,以期更有效服务于生产,减轻热带气旋及其残留低压的气象灾害和气象衍生灾害的危害。

2 资料与方法 2.1 资料

采用的资料包括:

(1)中国台风网(http://tcdata.typhoon.gov.cn)提供的CMA-STI热带气旋最佳路径数据集(Ying et al,2014以下简称台风年鉴),1958—2014年共有1873个热带气旋。

(2)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-40和ERA-Interim再分析资料,包括850 hPa高度场、风场(含U、V风),空间分辨率均为1°×1°,时间分辨率为6 h(00、06、12、18时,世界时,下同)。其中ERA-40为1958年1月—1978年12月(Uppala et al,2005);ERA-Interim为1979年1月—2014年12月(Dee et al,2011)。

(3)中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.nmic.cn)提供的中国大陆(除台湾省外)1958—2014年地面气候资料日值数据集逐日降水观测数据,包括919个气象观测站。

2.2 热带气旋残留低压识别和追踪方法

从数值模式模拟结果中识别热带气旋是气候变化评估的重要手段之一,气象学家已发展了多种不同的热带气旋识别方法(Walsh,1997Vitart et al,2001Camargo et al,2002Walsh et al,2010Satake et al,2013Tang et al,2014Tan et al,2015),多以气压、风速和涡度阈值将热带气旋从低压中分离出来。由于文中需持续追踪热带气旋减弱后的残留低压,因此,这些方法无法适用,必须采用温带气旋的识别方法和标准。Wernli等(2006)提出了一种有效的温带气旋识别和追踪方法,Lin(2015)利用该方法建立了青藏高原低涡的客观识别方法,文中采用该方法以进行气旋识别和追踪。

由于追踪的是热带气旋及其减弱后停止编报路径的残留低压,其活动范围覆盖自热带至温带区域,因此,Wernli等(2006)采用的海平面气压场就无法适用;此外,考虑到热带气旋及其残留低压的活动会影响到云贵高原等海拔较高的区域,故采用的是850 hPa的再分析资料。通过对比,发现采用850 hPa局地流函数最小值作为识别标准是一种较好的标准。流函数等值线的切线与流速矢的方向吻合(余志豪等,2004),流函数最小值在温带区域与气压(高度)最小值存在很强的一致性;在热带地区则与流场气旋中心相对应,因而也适用于热带地区;同时又避免了相对涡度最大值带来的多个中心和中心位置与气压最小值标准有所偏离的缺陷,但流函数最小值标准与气压最小值标准一样,可能会漏掉一些小尺度系统,但在本研究中该缺陷影响较小。将从最终识别结果中随机选取一天的资料,以比较采用流函数、气压和相对涡度标准的识别结果。

图 1为2012年8月15日12时资料,分别给出了该时次资料的流函数最小值、位势高度最小值、相对涡度最大值标准识别的气旋中心。流函数最小值(图 1a)既识别出了位于蒙古高原西北部、鄂霍次克海、海参威等中高纬度的温带气旋,也识别出了位于巴基斯坦、印度和菲律宾北部的中低纬度温带和热带气旋,而且识别出了赤道附近的热带扰动,识别结果与人工从流场的判识结果一致。流函数最小值对温带气旋的识别结果与位势高度最小值(图 1b)的结果一致,位置相近,但位势高度最小值对热带区域的气旋和扰动活动未能识别,在中国西南部的青藏高原、云贵高原高海拔地区产生了大量的虚假低压中心。相对涡度最大值(图 1c)所识别的小尺度系统有很多为虚假的扰动,如西太平洋副热带高压西部南风气流中的涡旋系统和中国西部边界山脉地形形成带状分布的多个涡旋,由于涡度分析的特点往往导致系统位置与位势高度最小值位置差异较大,而且会将系统误判为多个,比如中国南海区域的气旋就被分为3个邻近涡旋,东北附近的锋面也被识别为带状的多个涡旋,因此,曾有研究(Hoskins et al,2002)指出,利用相对涡度最大值标准识别气旋需要先对资料进行处理,降低空间分辨率。

图 1 气旋客观识别法
(图中环流场为2012年8月15日12时的ERA-Interim 850 hPa再分析资料; a.流函数,线条为流函数,单位106 m2/s; b.位势高度,线条为等高度线,单位gpm; c.相对涡度,线条给出0以上的相对涡度,单位10-5s-1;a—c中带箭头线条为流线, 实心圆点为识别的气旋;d.2012年热带气旋“启德”与本文追踪得到的对应气旋)
Fig. 1 Procedure of the objective identifying method of cyclones
(the circulation is for 12:00 UTC 15 August 2012 at 850 hPa from the ERA-Interim; a. contours for stream function, unit: 106 m2/s; b. contours for geopotential height, unit: gpm; c. contours for relative vorticity above 0, unit: 10-5s-1; arrow line for stream and solid dots for cyclones identified in a-c; d. Kai-tak (2012) and its corresponding cyclone tracked under this study)

选择流函数的相对最小网格点,以0.5×106 m2/s为间隔分析流函数等值线,以包围且仅包围该格点的最内圈闭合等值线的平均位置为气旋中心。关于气旋识别和追踪方法的更多细节请参考Wernli等(2006)Lin(2015)等文献,不再赘述。图 1d给出了2012年台风启德(Kai-tak,编报的活动时段为2012年8月11日12时—8月18日00时)的路径和850 hPa识别得到的对应气旋路径,可见分析得到的气旋路径与热带气旋路径较为一致,且追踪得到了热带气旋编报之前的热带扰动和热带气旋消亡后的残留低压的移动路径:在靠近赤道太平洋中部的关岛附近热带扰动开始生成,向西移动后,在北马里亚纳群岛附近增强为热带低压,开始编报,之后向西移动穿过菲律宾北部进入中国南海,在广东南部登陆后继续向西移动,在越南北部消亡,停止编报;其残留低压则继续向西移动,经过云南南部后在云南省与缅甸东部的交界处地区消亡。在台风年鉴的热带气旋编报期间,追踪得到的气旋与对应的热带气旋中心平均距离为102 km,最大距离为284 km,最小为21 km。

2.3 热带气旋残留低压定义

为分析登陆中国的热带气旋残留低压对降水的影响,分析的热带气旋按照以下标准进行选择:进入中国邻近区域(图 2中的粗线多边形区域)的热带气旋,序号1—7点的经纬度分别为:(60°N,130°E)、(45°N,142°E)、(34°N,127°E)、(22°N,127°E)、(15°N,110°E)、(15°N,80°E)、(60°N,80°E),其中,点3、4、5为中国天气台风网(http://typhoon.weather.com.cn)给出的24 h台风预警线;1958—2014年共有718个热带气旋满足条件。

图 2 选择分析热带气旋的区域Fig. 2 Region of tropical cyclones under this study

从再分析资料追踪得到的气旋中寻找每个热带气旋对应的气旋,在分析的718个热带气旋中,共有706个热带气旋与追踪气旋相对应,其中,12个热带气旋未找到对应的追踪气旋。以这706个热带气旋和其所对应气旋为分析样本,对应气旋自热带气旋消亡时间开始即为该热带气旋的残留低压。在706个热带气旋的对应气旋中,部分对应气旋在台风年鉴编报时间内消亡,有443个热带气旋的对应气旋持续时间长于热带气旋,因此,分析对象即为这443个热带气旋残留低压。

2.4 热带气旋及其残留低压降水分析法

采用任福民等(2001)提出并经王咏梅等(2006)改进的客观天气图分析法(OSAT)分离得到热带气旋影响下的降水雨带。客观天气图分析法根据热带气旋的强度,赋予不同的区域半径影响阈值,文中对热带气旋残留低压采用热带低压标准,其他则按台风年鉴的强度确定(王咏梅等,2006),关于客观天气图分析法的细节可参考任福民等(2001)王咏梅等(2006)Ren等(2007)的相关描述。

2.5 热带气旋残留低压路径客观分类

热带气旋活动路径是决定其降水分布的最重要因素(陈联寿等,2002),作为热带气旋减弱后的天气系统,其残留低压的强度虽较热带气旋弱,但对降水的影响方式与热带气旋具有相似性,主要是其携带的大量水汽,因此,对降水的影响与路径也有很大的关系,以往常将影响中国的台风分为多类(曹钢锋等,1992),但对其残留低压的路径未有系统分析。Gaffney等(2007)发展了一种基于K-Means法的风暴路径的客观分类法,该方法不仅考虑了风暴的路径特征,且考虑到了风暴的生成位置特征,能够处理不同长度的风暴路径。Gaffney等(2007)用该方法分析了北大西洋温带气旋活动;Camargo等(2007a)用该方法将西北太平洋台风活动路径分成7类,并分析了大尺度环流和ENSO对台风路径的影响(Camargo et al,2007b),还将东北太平洋热带气旋路径分为3类,并讨论了ENSO和MJO对其的影响(Camargo et al,2008);Lin等(2015)应用该方法对孟加拉湾热带风暴路径进行分类,并讨论不同路径的风暴特征及对西藏的影响。文中采用该方法对热带气旋残留低压路径进行分类,以分析不同路径的热带气旋残留低压对中国降水的影响差异,路径分类工具由Gaffney提供(http://www.ics.uci.edu/~sgaffney/software/CCT/)。

3 气旋与热带气旋路径对比

对706个热带气旋和其对应的气旋,以台风年鉴最佳路径的热带气旋中心位置为标准,比较同一时次追踪的气旋中心与热带气旋的距离,最小的距离为0,最大距离为902 km,平均距离约为131 km。对所有热带气旋而言,平均距离约153 km,其中平均距离最大的热带气旋为1964年琼(June,编报时间为196 4年8月9日00时—18日06时),平均距离493.9 km(图 3a);平均距离最小的热带气旋为2005年海棠(Haitang,编报时间为2005年7月10日18时—7月21日06时),平均距离42.7 km(图 3b)。

图 3 气旋与最佳路径热带气旋中心距离偏差
(a.距离偏差最大的热带气旋,b.距离偏差最小的热带气旋,c.1958—2014年平均距离偏差,d.不同距离偏差概率分布)
Fig. 3 Distance deviation between the best track of tropical cyclones from the CMA-STI and the corresponding cyclones
(a. maximum distance deviation tropical cyclone, b. minimum distance deviation tropical cyclone, c. annual mean distance deviation during 1958-2014, d. distribution of distance deviation)

近57年来,追踪得到的气旋与台风年鉴最佳路径热带气旋中心的距离逐年减少(图 3c),变化趋势约为18 km/(10 a),这说明随着观测资料的增加,再分析资料对热带气旋的反映效果在改善,其中,ERA-40(1958—1978年)平均距离为181.1 km,ERA-Interim(1979—2014年)平均距离为126.9 km,新一代的再分析资料较前一代效果明显改善,正如Hanley等(2012)指出的,由于新同化系统的应用,即使是在相同的模式分辨率下,ERA-Interim也较ERA-40更优。图 3d给出不同区间距离的次数占所有资料的比率,其分布形式呈Gamma分布,50—100 km频次最高,占29.9 %,100—150和0—50 km次之,分别占21.6 %和17.2 %。其中,200 km以内的占87.8 %,300 km以内的占94.6 %,说明ECMWF的再分析资料能够很好地反映热带气旋的活动,同时,也说明文中采用的追踪方法具有较强的适用性。

4 热带气旋残留低压的活动特征 4.1 热带气旋残留低压持续时间和影响区域

热带气旋登陆后持续时间差异较大,其消亡后的残留低压持续时间也有很大的差异,图 4给出热带气旋消亡后不同持续时间的残留低压个数及其路径,平均持续时间为48.5 h。其中6—12 h共有143个,占所有残留低压的32.2 %;18—36 h共有135个,占总数的30.5 %;42—72 h的共有89个,占20.1 %;78 h以上的,共有76个,占17.2 %。

图 4 不同持续时间的热带气旋残留低压路径
(a.6—12 h,b.18—36 h,c.42—72 h,d.78 h以上;图中给出热带气旋残留低压开始至消亡的路径, 热带气旋残留低压开始点为热带气旋停编时间,在图中以实心圆点给出)
Fig. 4 Tracks of the tropical cyclone remnant lows
(a. 6-12 h, b.18-36 h, c.42-72 h, d. above 78 h; solid dots for tropical cyclones ending positions, and the lines for tropical cyclone remnant lows tracks)

为了比较热带气旋和残留低压登陆后的移动,将分析的433个热带气旋残留低压及其对应热带气旋的路径插值到每30 min一次,判定其是否进入中国各省(区、市)(香港、澳门面积太小,在此不予分析)。表 1给出热带气旋和残留低压进入的省(区、市)及次数,其中新疆、西藏、青海、宁夏等4个省区未有热带气旋和残留低压进入,重庆、四川、甘肃、陕西等4省区无热带气旋进入,但有少量热带气旋残留低压进入。热带气旋残留低压进入最多的是广西、广东和湖南,最少的是北京、陕西和山西,其中台湾和海南两省有大量热带气旋登陆进入,但热带气旋残留低压进入较少。热带气旋残留低压进入次数比热带气旋多的省份有湖南、云南、贵州、安徽、山东、黑龙江、湖北、河南、内蒙古、重庆、四川、河北、天津、甘肃、北京、陕西等,除华南和华东沿海省份外,其他省热带气旋残留低压进入的次数均多于热带气旋,这从一个侧面反映了热带气旋残留低压对中国降水影响的重要性,虽然很少有热带气旋能深入内陆对西部和东北部分地区造成影响,但其残留低压则能继续移动进入这些地区,尽管热带气旋残留低压是热带气旋减弱后残留的系统,但由于其仍然携带了大量水汽,而且能与西风槽、锋面系统等中纬度天气系统相互作用,因此,往往会在这些地区造成强降水,形成较严重的洪涝灾害和山洪、地质灾害等衍生灾害,但残留低压带来的降水也能缓解西部干旱地区的干旱灾害(谢金南等,2000)。

表 1 热带气旋(TC)及其残留低压(TCRL)进入中国各省(区、市)的次数Table 1 Comparison between the entered provinces of tropical cyclones and the remnant lows in terms of number of times
省(区、市)TCRLTC省(区、市)TCRLTC省(区、市)TCRLTC省(区、市)TCRLTC
广西8892安徽1715浙江1126河北53
广东63143山东1715内蒙古106上海34
湖南4737黑龙江1510吉林1010天津32
云南378江苏1416台湾766甘肃30
江西3553湖北148辽宁611北京21
贵州318海南1277重庆60陕西20
福建2771河南112四川50山西11
4.2 影响热带气旋残留低压持续时间的可能因素

热带气旋残留低压的持续时间是否与其对应的热带气旋的强度有关,是否越强的热带气旋的残留低压持续时间越长?图 5a给出了不同热带气旋强度的残留低压持续时间,可见不同强度热带气旋与其残留低压的持续时间没有显著关系,热带气旋残留低压的持续时间并不随其对应的热带气旋的强度增强而延长,在6类强度的热带气旋中,强台风(STY)的残留低压持续时间最长,热带风暴(TS)次之,台风(TY)和超强台风(STY)的残留低压持续时间最短。同时分别计算了热带气旋达到最大强度时的中心附近最大风速、热带气旋消亡时中心附近最大风速与残留低压持续时间的相关系数(图略),相关系数均小于0.1,都未通过0.1置信度检验,可见热带气旋的强度与残留低压持续时间没有显著的关系,李英等(2004)同样指出,登陆台风的维持时间与登陆时强度的关系不大,同一强度热带气旋在陆上维持时间有较大的变化范围,这可能是因为热带气旋登陆后迅速衰减(文永仁等,2014),而且强度越强的热带气旋其衰减的幅度越大。同时分析了热带气旋残留低压持续时间的月际变化(图 5b),8月热带气旋残留低压的持续时间最长,9月次之,12月最短,这是因为热带气旋残留低压的持续时间与环流关系更为密切,尤其是环境冷空气活动较强时可以很快地破坏热带气旋残留低压的结构,使其迅速消亡,因此夏季的热带气旋残留低压维持时间长于冬季。

图 5 不同热带气旋强度(a)和月份(b)的热带气旋残留低压持续时间差异
(图中实心圆点为平均值,横线为中位数,矩形框的上下位置分别为75%、25%的值,竖线上下位置分别为最大、最小值)
Fig. 5 Tropical cyclone remnant lows’ lifetime vs. tropical cyclone intensity (a) and month (b)
(Solid dot for average value, horizontal line for median value; top and bottom of rectangle for its 75% and 25% value; top and bottom of vertical line for the maximum and the minimum)
4.3 热带气旋残留低压的路径客观分类

选取持续时间为1 d(4个时次)以上的热带气旋残留低压共293个,利用客观分类法对其路径进行分类。图 6a给出1—10个路径分类的对数似然函数值,当分类数为3时对数似然函数绝对值的递减达到最优,并对比了不同分类数的分类结果,分类数为3时最为合理,因此选择将热带气旋残留低压分为3类路径。利用路径客观分类法将所有热带气旋残留低压分成东北向、东南沿海和西行路径3类,图 6b—d分别给出3类路径的热带气旋残留低压路径和平均路径。东北路径(图 6b)热带气旋残留低压共73个,占1 d以上残留低压的24.9 %,其对应的热带气旋在中国东部沿海地区和东北部地区、朝鲜半岛及邻近的海域消亡,热带气旋消亡后的残留低压向东北方向移动,大部分可重新入海,在西太平洋中高纬度地区可维持较长时间。东南沿海路径(图 6c)热带气旋残留低压共124个,占42.3 %,其对应热带气旋大部分在中国华南地区消亡,少部分在南海或台湾海峡消亡后残留低压继续活动并登陆;热带气旋残留低压在中国东南部地区活动,部分向西到达中国西南地区,部分则在江淮地区消散并入江淮切变线等中纬度天气系统。西行路径(图 6d)热带气旋残留低压共96个,占32.8 %,对应的热带气旋在中南半岛消亡,在低纬度东风气流的作用下向西移动,部分残留低压可在孟加拉湾重新入海,成为孟加拉湾地区热带风暴系统,由于低纬度地区水汽较为充沛,少有冷空气侵袭,可维持较长时间。

图 6 热带气旋残留低压(TCRL)路径分类
(a.1—10路径分类的最大对数似然函数,b.东北路径,c.东部沿海路径,d.西行路径; b、c、d中圆圈为平均路径,黑色圆点为残留低压的起点)
Fig. 6 Classification of the tropical cyclone remnant low tracks
(a. log likelihood of categories of 1 to 10, b. northeastward, c. eastern coast, d. westward; Red circles for average track, black solid dot for TCRL initial position)

表 2给出不同路径的热带气旋残留低压登陆后进入的省(区、市)及次数(由于分类路径仅包括1 d以上的个例,因此,进入省(区、市)及次数少于表 1数据)。东北路径进入最多的为东北(黑龙江、内蒙古东部、吉林、辽宁等)和华东(江苏、安徽、山东、江西、浙江等)地区,进入中国西部较少,其中,华东地区多为热带气旋残留低压源地地区,向东北方向移动后进入东北地区,在东北地区消亡或重新入海;东部沿海路径进入最多的为华南(广西、广东、湖南、江西、海南等)、西南(贵州、云南、重庆、四川等)、华东(福建、安徽、山东、江苏、浙江、上海等)地区,部分可进入西北地区(甘肃、陕西);西行路径进入的中国省(区、市)最少,仅有云南、海南、广西、湖南、贵州、广东等,其主要影响区域为中南半岛和南亚地区。

表 2 不同路径热带气旋残留低压进入中国各省(区、市)的次数Table 2 Comparison between the different tracks of TCRL in terms of entered provinces
路径省份
东北黑龙江(15)、内蒙古(11)、江苏(10)、安徽(9)、山东(9)、吉林(8)、河南(7)、辽宁(6)、江西(5)、浙江(5)、河北(5)、
湖北(5)、广东(3)、福建(3)、北京(2)、天津(2)、湖南(2)、上海(1)、台湾(1)、山西(1)、重庆(1)、陕西(1)
东部沿海广西(64)、广东(50)、湖南(34)、江西(27)、贵州(21)、福建(19)、云南(16)、海南(9)、湖北(9)、安徽(7)、山东(7)、
台湾(6)、重庆(6)、四川(4)、江苏(4)、河南(3)、浙江(3)、上海(2)、甘肃(2)、陕西(1)
西行云南(3)、海南(3)、广西(2)、湖南(1)、贵州(1)、广东(1)
5 热带气旋残留低压对中国降水的影响 5.1 热带气旋和残留低压影响的中国降水分布

以客观天气图分析法识别热带气旋残留低压及其对应的热带气旋影响下的站点和降水,图 7对比了热带气旋和残留低压对中国大陆地区降水的平均日降水量(图 7ab)和年平均降水量(图 7cd)。客观天气图分析法识别的所有热带气旋影响日的日平均降水量(图 7a),最大值区域为海南岛,日均降水量100 mm以上;华东—东南—华南沿海地区日平均降水量25 mm以上,东北地区和环渤海地区日平均降水量为15—25 mm,大致沿云南香格里拉—黑龙江黑河线东南一侧,日平均降水量在5 mm以上,西北一侧在5 mm以下,其中青藏高原、新疆、甘肃、宁夏等地未有热带气旋影响的降水。热带气旋残留低压影响日的日平均降水量最大值区域为海南岛、东南沿海区域,日均降水量50 mm以上,其次为环渤海地区,日均降水量25—50 mm。东北地区热带气旋残留低压日平均降水量高值区约为10—15 mm,这可能是因为热带气旋残留低压沿东北方向移动,影响到东北地区的日数增加,日平均降水虽有所减弱,但总体而言热带气旋残留低压较热带气旋影响更为频繁,以热带气旋和残留低压日平均降水量差异较大的前郭(站号:50949,45.12°N,124.83°E)为例,热带气旋影响总日数仅为7 d,日均27.5 mm,而残留低压影响日数为42 d,日均18.4 mm。其他地区两者的降水分布相近,降水强度增强,但热带气旋残留低压的影响范围较热带气旋显著西扩,包括西藏东部、青海东部、甘肃南部、宁夏等西部地区均可受热带气旋残留低压影响,这些地区的日平均降水虽然不大,但有时残留低压形成的降水能达到当地洪涝标准,由于这些地区的年平均降水较小,在这种强降水的影响下容易造成滑坡、泥石流等地质灾害(徐晶等,2009),因此,更需要提高对热带气旋残留低压降水的预报水平。

图 7 热带气旋(a、c)和残留低压(b、d)的平均日降水量(a、b)及年平均降水量(c、d)Fig. 7 Daily average precipitation caused by TC (a) and TCRL (b), and annual average precipitation by TC (c) and TCRL (d)

热带气旋(残留低压)的日平均降水量反映的是受热带气旋(残留低压)影响降水日数的平均降水,即在热带气旋(残留低压)影响下降水的平均强度,而热带气旋(残留低压)的年均降水量反映的是热带气旋(残留低压)对降水影响的频次和强度。从热带气旋年均降水量(图 7c)上看,降水自东南向西北逐渐递减,海南和广东西南部年均降水量超过200 mm,江苏南部、浙江大部、湖南南部和福建、广东、广西东部等地区年均降水量50—150 mm;云南东南部、贵州南部、广西北部、江西、安徽南部、山东东部和辽宁南部等地为10—25 mm,其他地区在10 mm以下。热带气旋残留低压年均降水量(图 7d)的分布与热带气旋相近,但其范围较热带气旋西扩,且较热带气旋更强,大致以大理—漠河为界,东南一侧年均降水量超过10 mm。

5.2 不同路径热带气旋残留低压对中国降水的影响

对热带气旋残留低压3种不同路径分别计算其影响下的日均降水量和年均降水量(图 8)。东北路径时,影响降水主要在105°E以东地区。沿海地区和四川东部、重庆、河南中北部、河北南部、北京等地区日平均降水量在25 mm以上;年均降水量自东向西减少,最大中心为福建、浙江、江苏、山东和辽宁的沿海地区,年均25—50 mm,东北地区、河北东部、河南东部、安徽、江西、福建、江苏、浙江、广东东部等地的年均降水量10 mm以上,四川东部虽然日均降水较高,但东北路径的热带气旋残留低压影响四川的个数较少,因此其年均降水量不足5 mm。东南沿海路径影响范围最广,北可达黑龙江南部、西可达青海东南部和西藏东部,日均降水量大值中心为海南和华南沿海地区,超过50 mm,此外在环渤海地区、黑龙江东南部和吉林东北部地区也为大值区,日均降水量25—100 mm,向西、向北减少,在内蒙古东南部、西藏东部地区日均降水量由不足5 mm;年均降水量由东南向西北减少,海南、广东、广西东部、湖南南部、江西南部、福建南部等地年均降水量50 mm以上,西藏东部、内蒙古东北部地区年均降水量不足0.1 mm,其他地区大部分为5—25 mm。西行路径影响范围主要为30°N以南地区,日均降水量大值中心为海南、广西南部和广东南部地区,为50—100 mm,自南向北减少,在西藏东南部地区、湖南北部和重庆北部等地区日均降水量不足5 mm;年均降水量自南向北减少,海南年均降水量100 mm以上,广西南部和广东西南部为25—50 mm。

图 8 不同路径残留低压的平均日降水量(a—c)和年均降水量(d—f)
(a、d.东北路径,b、e.东南沿海路径,c、f.西行路径)
Fig. 8 Average precipitation for the different categories of TCRL tracks
(a,d. northeastward; b,e. southeastern coast; c,f. westward)
6 结论与讨论

利用温带气旋客观识别法和流函数局域最小值标准得到西北太平洋区域气旋的活动资料,挑选出与“中国台风研究所热带气旋最佳路径数据集”的热带气旋相对应的气旋,以分析热带气旋残留低压的活动及其对中国大陆地区降水的影响,得到以下结论:

(1)流函数局地最小值的气旋判识标准能很好地识别热带和温带的气旋活动,可以得到完整的热带气旋活动史,包括其消亡后的残留低压的活动特征。

(2)除华南和华东沿海省份外,热带气旋残留低压登陆进入(经过)的省份较热带气旋多,残留低压的持续时间与对应的热带气旋强度没有显著的关系,夏季热带气旋残留低压持续时间较冬季更长;热带气旋残留低压降水影响自东南向西北减少,其影响范围较热带气旋西扩,强度更大。

(3)热带气旋残留低压的活动路径可分为3类:东北路径、东南沿海路径和西行路径,3类路径对中国降水影响有显著差异。东北路径影响降水为中国东部地区;东南沿海路径影响范围最广,强度最大;西行路径影响降水主要在中国南部地区,降水强度最小。

文中采用了热带气旋最佳路径和再分析资料获取热带气旋残留低压活动资料,Yu等(2012)对不同的热带气旋数据对比表明,联合台风预警中心和中国台风研究所、日本气象厅的路径数据有一定的差异,同时采用了联合台风预警中心的台风路径数据集进行了分析,由于联合台风预警中心对影响中国的热带气旋编报完整性较差,得到的热带气旋残留低压的数量和活动时间增加,其他的分析结论与本文相近。文中主要考虑热带气旋消亡后的残留低压活动,下一步还可以分析热带气旋生成(编报)之前的涡旋活动(热带气旋胚胎),以追踪涡旋胚胎的生成特征,从另一个角度分析热带气旋的生成与消亡;文中只是对热带气旋的降水进行了初步的统计分析,其活动和对降水影响与大尺度环流关系如何,与中纬度天气系统是如何相互作用的,还有很多相关的问题需要进一步的分析和研究。

致谢:感谢中国气象科学研究院谢惠敏和中国国家气象中心韦青在计算热带气旋降水方面提供的帮助。

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