引言

热带气旋(Tropical Cyclone, TC)是生成在热带及副热带洋面上具有暖心结构的强烈气旋性涡旋，通常TC的发生都伴随着大风及降水，因此它经常给受影响的地区带来严重的灾害^[1]。根据我国2006年6月最新实施的TC等级标准，将TC按照中心附近的最大平均风速分为6个级别，分别是热带低压、热带风暴(Tropical Storm, TS)、强热带风暴、台风(Typhoon, TY)、强台风和超级台风^[2]。西北太平洋是全球唯一的全年都有TC生成的海域。每年在该海域生成的气旋都在30个左右，大概占全球TC年生成总数的1/3，而且这其中80%可发展至台风级别^[3]。此外，依据IPCC第五次评估报告，21世纪以来影响我国台风的强度明显增加，平均每年有8个台风登陆，其中有一半是最大风力≥12级的台风，比20世纪90年代增加了近1倍^[4]。

以往有关TC领域的研究大多集中在天气学方面，受到长期资料的限制，TC相关的气候学研究自20世纪80年代起才逐步开展起来。近年来气象研究人员针对TC的活动规律及气候学特征等开展了不少工作，他们主要从TC生成、移动的年际和年代际变化特征入手，具体研究TC活动的频数和强度变化的气候学规律。Chan^[5]在2005年指出西北太平洋TC活动存在显著的年际及年代际变化规律。余晖等^[6]分析了西北太平洋TC强度变化的基本特征，其中包括年代际、年际和区域分布等。袁金南等^[2]分析了1945—2005年西北太平洋不同强度TC的时空变化特征。王小玲等^[7]及许向春等^[8]研究了近几十年来登陆我国的TC频数和强度的年际和年代际变化。赖芬芬^[9]分别对TC活动强、弱年的大尺度环境场进行了合成分析，揭示了西北太平洋TC强度年际变化与大尺度环境背景场及海洋背景场特征都有很大联系，其中包括西太平洋副高的位置及强度、东亚副热带西风急流的位置及西太平洋暖池海温等。

此外，针对TC移动路径的气候学变化特征方面也有不少研究。黄荣辉等^[10]分析了西北太平洋TC移动路径有明显的年际变化特征，并与西太平洋暖池热状态有很密切的关系。袁俊鹏^[11]对1949—2007年西北太平洋TC路径进行了分析，指出TC主要的3类路径：西行、西北行以及转向路径，并得到除西北路径的TC有16年左右的显著年代际变化之外，每种路径的TC都存在＜8年的年际变化。Ho等^[12]发现1980年之后我国南部的TC增加，而在东部及东北部减少；然而Wu等^[13]持有不同的观点，指出与1965—1983年相比，1984—2003年东亚较高纬度区域受到了更多的TC影响，而南海则比较少。

通过综合近年来对西北太平洋TC气候学方面的众多研究成果可以发现，当前针对西北太平洋海域TC的长期变化特征并没有达成共识，这也与历史资料的空间不连续性与潜在不可靠性有一定的联系。近年来有关热带气旋资料的质量问题也受到了很多科学工作者的重视^[14-15]。余晖等^[16]和雷小途等^[17]比较了来自西北太平洋3个台风最佳路径数据集的近16年资料，得出不同数据集的TC资料的确存在明显的差别，并且为了初步了解上述资料问题对TC预报的可能影响，采用了一个气候持续性预报方法进行检验，结果显示来自日本气象厅的资料造成的预报误差最小。

因此，本文利用不同数据集资料，探究西北太平洋TC达到不同强度等级时平均位置的长期线性变化趋势，同时从大尺度环境场的角度解释这种长期变化趋势存在的可能原因。

1 资料及方法介绍 1.1 资料介绍

本文所用的TC资料分别来自于西北太平洋海域的三大数据集：中国气象局上海台风研究所(CMA)、日本气象厅东京台风中心(JMA)和美国联合台风预警中心(JTWC)提供的TC最佳路径数据，时段选取为1980—2013年5—11月，范围包括整个西北太平洋海域(赤道以北，180˚E以西)。这主要考虑到前期的历史数据代表性比较差，20世纪70年代后才有了数据较准确的卫星观测的TC资料，但即使在卫星观测之后，不同的TC资料源之间仍存在一定的差异^[16]。其中，TC最佳路径资料包括热带气旋每隔6 h观测的经度、纬度及中心附近风速等要素。

大气环流资料取自美国NCEP/DOE的2.5˚×2.5˚的再分析资料，包括1980—2013年5—11月逐月平均的200 hPa、850 hPa流场资料以及600 hPa相对湿度资料，范围为100˚~180˚E，0˚~40˚N。海温资料取自美国国家海洋大气局(NOAA)增强重建的1980—2013年5—11月的2˚×2˚逐月平均海表温度，范围为100˚~180˚E，0˚~40˚N。

1.2 研究方法介绍

Emanuel等^[18]首次定义了一个结合周围环境场因子与海表温度因子的指数，即潜在生成指数(GPI)，该指数对台风生成和发展潜势均具有一定的表征性。本文引用这一指数进一步阐述近年来西北太平洋TC不同强度时所处位置的长期变化趋势。指数定义为：

$ \text{GPI=}{{\left| {{10}^{5}}\eta \right|}^{\frac{3}{2}}}{{\left( \frac{H}{50} \right)}^{3}}{{\left( \frac{{{V}_{\text{pot}}}}{70} \right)}^{3}}\left( 1+0.1{{V}_{\text{shear}}} \right)^{-2}。$

(1)

其中，η表示850 hPa的绝对涡度(s^-1)，H表示600 hPa的相对湿度(%)，V_pot表示潜在强度(m/s)，V_shear表示850~200 hPa垂直风切变的大小(m/s)。

此外，潜在强度的定义在1995年由Emanuel^[19]提出并经Bister等^[20]改进，详细的计算细节可参考Bister等^[21]。本文将进行简单的介绍，使用到的公式如下：

$ V_{\text{pot}}^{2}=\frac{{{C}_{k}}}{{{C}_{D}}}\frac{{{T}_{s}}}{{{T}_{0}}}\left( \text{CAP}{{\text{E}}^{*}}-\text{CAP}{{\text{E}}^{b}} \right)。$

(2)

其中，C_k表示焓交换系数，C_D表示阻力系数，T_s表示海表温度，T₀表示平均出流温度。CAPE值表示气块浮力的垂直积分，气块浮力是气块温度、压力、比湿及虚温的垂直廓线的函数。CAPE^*表示在该海表温度和气压下首次达到饱和的最大风速半径处的气块的CAPE值。CAPE^b则表示随着等温气压降低到最大风速半径处的值时环境边界层的CAPE值^[22]。

2 长期变化趋势分析

Kossin等^[23]在2014年选取全球TC达到生命史极值强度(LMI)时所在的纬度作为研究指标，发现了近30年以来全球范围内热带气旋达到LMI时所处平均纬度有显著向极移动的趋势，在南、北半球向极移动分别达到53、62 km/10a。在其基础上，本文进一步探索3种不同最佳路径数据集中，西北太平洋TC达到不同强度等级(分别为LMI级别、TY级别、TS级别)时所处平均纬度及经度的长期变化特征。同时，为了更好地与Kossin等^[23]所得结果进行比较分析，本文描述的西北太平洋TC达到不同强度时所在的平均纬度均以TC与赤道之间的距离(km)来表示，而由于经度网格距离不均匀，平均经度依旧以TC所在经度表示。

2.1 西北太平洋TC达到LMI时所处位置的变化趋势分析

通过选取TC达到LMI强度时所处的位置这一指标，对来自3个不同数据集的最佳台风路径数据进行合成平均，最终分别得到了西北太平洋TC达到LMI强度时平均纬度及平均经度随年份的变化曲线，可以发现3个不同数据集得出的长期变化特征大致相同。详细的线性回归及检验方法可参考文献[24]。

可以看到，图 1(a)、1(b)、1(c)表现出不同TC数据集中西北太平洋TC在长期趋势上存在显著的向极地移动趋势，并且3种不同数据集TC资料结果一致。虽然研究区域及时期存在一些差异，但所得结果与Kossin等^[23]相吻合。此外，在达到LMI强度时经定量计算得到，不同数据集资料下TC向北移动趋势值分别为90，93和113 km/10a(表 1)。然而，图 1(d)、1(e)、1(f)给出的TC平均经度的长期变化特征却并不存在显著的线性趋势。

因此，根据图 1分析可知，近34年来西北太平洋海域TC达到LMI强度时，虽然经度变化特征并不明显，但是TC所在的纬度变化特征存在显著的线性增加趋势，即TC达到最大强度时位置有显著向北移动的趋势。

2.2 西北太平洋TC达到TY时所处位置的变化趋势分析

与图 1类似，图 2给出了TC在首次达到TY等级时所在平均位置的长期变化特征。值得注意的是，相比于图 1，图 2呈现出更明显的JMA数据集与其他两种数据集之间的资料差异。比较图 2(a)、2(b)、2(c)可以发现，代表JMA数据集的图 2(c)呈现出较显著的向北移动趋势。经定量分析得出，TC向北移动趋势值达到52 km/10a(见表 1)。

其次，从图 2(d)、2(e)、2(f)可见，TC在达到TY等级时所在的平均经度有重要的线性变化特征。3种数据集资料下平均经度均呈现出线性减小的趋势，特别是代表JMA数据集的图 2(f)。经计算得出，TC平均每10年向西移动1.1˚(见表 1)。

因此，根据图 2分析可知，近34年来西北太平洋海域TC达到TY等级时，不同数据集资料结果差异比较明显，与JTWC、CMA这两个数据集相比，JMA数据集的结果说明TC达到台风强度时的位置有较显著的向北及向西发展的长期趋势。

2.3 西北太平洋TC达到TS时所处位置的变化趋势分析

同样地，图 3也给出了TC在首次达到TS等级时所在平均位置的长期变化特征。结合图 2分析可见，TC在达到TS等级时平均纬度线性增加的趋势比图 2更明显，而平均经度的线性减小趋势却不及图 2明显。

由图 3(a)、3(b)、3(c)可知，TC达到TS级别时所处纬度的变化特征都有一定程度的线性增加趋势，其中代表JMA数据集的图 3(c)表现出最显著的向北移动趋势。经计算得出，TC向北移动趋势值为85 km/10a(见表 1)。此外，虽然TC年平均经度的线性变化趋势值与图 2量级相当，但是从图 3(d)、3(e)、3(f)来看，TC达到TS级别时所在经度的变化特征相对较弱，表 1中的定量分析结果显示未能达到95%信度水平。

因此，根据图 3分析可知，近34年来西北太平洋海域TC达到TS等级时，平均经度及纬度的长期变化特征更复杂，但可以确定的是，TC仍有着值得关注的向北及向西发展的长期趋势。

由上述分析可以看到，近年来西北太平洋海域TC在达到LMI强度时3种不同数据集资料均呈现显著向北移动的长期变化趋势；在达到TY及TS等级时，JMA数据集也表现出类似地向北移动趋势；除此之外，在达到TY等级时JMA数据集提供的数据还呈现出显著的向西移动的长期变化趋势。

综合以上的比较剖析以及表 1中的定量分析结果来看，虽然有些情况下向西和向北的长期移动趋势并不显著，但也未出现相互矛盾的结果，因此，针对近年来西北太平洋TC呈现出的向西及向北的变化趋势是值得关注及深入研究的。本文也将在下面章节针对TC所在的大尺度环境场开展探究。

3 大尺度环境场影响因子分析

以往众多研究表明大尺度环境场对TC生成、移动和发展阶段都有很大的影响，陈联寿等^[25]归纳了影响TC发生及发展有六大因素，这其中包括3个动力因子：科氏参数、低层相对涡度、垂直风切变；3个热力因子：中层湿度、中低层静力稳定度、海表面温度。

为了进一步弄清西北太平洋TC呈现出的向西及向北的长期变化趋势的可能原因，接下来将从垂直风切变和海表面温度这两个动、热力因子以及综合环境场影响因子的GPI指数出发来研究外围环境场对西北太平洋TC发生、发展的影响。

3.1 垂直风切变

强垂直风切变会引起TC暖心结构中的热量和水汽被吹散，导致高层的热量流失，因此会扰乱TC的暖心结构并抑制TC发展^[26]。而最近的研究表明垂直风切变可以阻碍切变上方大气的上升运动以及对流发展，让TC形成不对称的结构，从而抑制TC的发展^[27]。因此，垂直风切变通常被视为一个抑制TC的形成及发展的影响因子。

图 4给出了纬向(100˚~180˚E)及经向(0˚~40˚N)平均的850~200 hPa垂直风切变从1980—1996年至1997—2013年期间的变化百分比。从图 4(a)中可以直观地看出主要的负变率区位于西北太平洋5˚N附近及25˚N以北海域，并且从20˚N处起向北垂直风切变场有明显的长期减弱特征，从而促进了该区域TC的生成及发展，这恰好解释了西北太平洋TC向更高纬度发展的长期变化趋势。

图 4(b)显示西北太平洋西部区域垂直风切变场1997—2013年都有减弱趋势，尤其是在140˚E及120˚E附近。袁金南等^[2]研究发现140˚E附近是1945—2005年西北太平洋不同强度TC出现次数最多的经度区域，而图 4(b)中120˚E附近的负变率区域也恰好表明了近年来TC在达到TY及TS强度时呈现出的向西发展的长期趋势。

3.2 海表温度

TC的发生、发展过程中都必须从温暖洋面获得能量，Gray^[26]曾经指出TC一般生成于海温高于26.5℃的洋面上，从而海洋才可以为TC提供充足的热量，所以在海表温度比较高时，TC也会更强。因此，在研究影响TC发生、发展的周围环境场必须要考虑海表面温度这一重要的热力因子。

图 5为纬向(100˚~180˚E)及经向(0˚~40˚N)平均的海表温度从1980—1996年至1997—2013年间的变化百分比。可以看出，1997—2013年整个西北太平洋海域海表温度场都表现出增强的趋势，这与近年影响东亚地区的热带气旋逐年增加及增强的事实是一致的。相比于较低纬地区，图 5(a)中显示出20˚N处以北海表温度场迅速增强的特征，这也与TC存在向北移动的长期变化趋势一致。此外，海表温度场的经向分布与上述的垂直风切变场有类似的特征，图 5(b)中在140˚E及120˚E附近海温场都存在明显的增强，有利于西北太平洋TC向西移动。因此，海表温度场的长期变化状况可以较好地说明TC所在位置的变化趋势。

3.3 综合环境场影响因子特征分析

通过3.1及3.2节的研究，可以看出垂直风切变和海表温度这两个环境场影响因子都对近年来西北太平洋TC的长期变化趋势有较好的解释。第1.2节介绍的GPI指数对台风生成和发展潜势均具有一定的表征性，并且该指数集合了垂直风切变、大气中层相对湿度、海表温度以及低层涡度场等影响因素。因此本文将进一步依据GPI指数来考量与TC有关的外围环境场因子的综合影响。

图 6给出了1980—2013年每年5—11月西北太平洋海域范围内GPI合成平均之后的年际线性变率分布图。从图中看出，在10˚N附近及20˚N附近均存在明显的正变率中心，同时西北太平洋海域西侧的GPI正变率明显高于东侧，尤其在10˚N以北。因此，通过对GPI场的分析表明综合多个与TC发展有关的环境因子的指数也一定程度上反映了西北太平洋TC存在着向北以及向西移动的趋势。

除此之外，为了更加直观地展示并分析GPI近年来年代际尺度上的变化趋势，图 7给出了纬向(100˚~180˚E)及经向(0˚~40˚N)平均的GPI从1980—1996年至1997—2013年间的变化百分比。从图 7(a)可以发现1996年之后25˚N以北GPI场一直处于迅速增强的状态，这也表明了西北太平洋TC向更高纬度发生、发展的长期变化趋势。图 7 (b)显示出自120˚E起GPI场有明显的增强，并且在140˚E左右两侧分别存在正变率最大值区，因此可以看出，较1997年之前，偏西海域的大尺度环境场为TC强度发展提供了有利的条件。

4 结论及讨论

为了最大程度地克服台风资料存在的不确定性对台风气候学研究的影响，本文利用JTWC、CMA及JMA这3个最佳路径数据集，分别选取了1980—2013年5—11月间TC达到LMI、TY以及TS等级时所处位置作为研究指标，通过西北太平洋TC达到不同强度时所在的经、纬度资料来探究其可能存在的长期变化趋势。同时在此基础上，依据与TC有关的大尺度环境场因子的变化特征分析对所得结果进行物理解释，并且利用GPI来考量多个周围环境场因素的综合影响，最终得出以下结论。

(1) 西北太平洋TC达到LMI等级时在长期趋势上存在显著的向北移动趋势，信度水平为95%，3种资料下年代际移动距离分别达到90、93、113 km/10a。

(2) 西北太平洋TC达到TY等级时，不同数据集资料结果差异比较明显，与JTWC、CMA这两个数据集相比，JMA数据集的结果表明TC有更显著的向北及向西发展的长期趋势。经定量分析得出，TC平均每10年向北移动52 km以及向西移动1.1˚。

(3) 西北太平洋TC达到TS等级时，平均经度及纬度的长期变化特征与达到TY强度时类似，TC仍有值得关注的向北及向西发展的长期趋势。其中JMA资料表现出最显著的向极地移动趋势，信度水平为95%，年代际移动距离达到85 km/10a。

(4) 针对上述所得结果，进一步对垂直风切变和海表面温度这两个周围环境场影响因子的长期变化特征进行分析，最终发现1996年之后在西北太平洋20˚N以北和120˚~140˚E附近垂直风切变场显著减弱，同时海表温度场显著增强，为相关区域提供了良好的TC发展的环流背景。因此通过这两个因子的变化特征分析恰好解释了TC近年来的向北及向西的移动趋势。

(5) 从分析结果来看，GPI作为综合多个与TC有关的环境场因素的指数，其年际线性变率分布状况与观测资料显示的TC向北和向西长期移动趋势基本吻合，但移动尺度略微偏小。并且根据其经向和纬向平均的长期变化情况来看，1996年之后西北太平洋TC的GPI场在25˚N以北以及140˚E西侧有相当明显的增强。

综上所述，1980—2013年5—11月期间西北太平洋TC在达到LMI等级时不同数据集资料都能够呈现出显著的向北长期移动趋势，TC在达到TY和TS等级时还存在相对明显的向北和向西长期移动趋势，尤其是依据JMA的资料。并且上述长期变化趋势可以从与TC密切相关的周围环境场得到物理解释。针对环境场影响因素，无论单独分析或者综合考虑都能够得出比较一致的诊断结果。

同时，根据IPCC第五次评估报告可知，基于中等信度(可能性为50%~100%)，北太平洋区域的风暴路径预计有向极移动的长期趋势，并且预计情况下西北太平洋海域强热带气旋的增加频率将比其他海域高10%左右。除此之外，全球性的气候变暖也造成了海水温度的升高，在过去的60年里海洋的热量发生了巨大的变化，几乎可以确定的是上层海洋从1971年到2010年发生了变暖^[4]。

因此，上述研究工作及所得结果是颇有意义的，这对我国甚至是东亚地区位于较高纬度的沿海城市将继续受到更加严重的TC风暴影响有预测性意义，当然也将为在长期尺度上影响我国及东亚的TC路径、强度变化的预测提供一定的指导性意义。