热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (5): 705-712  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.05.012
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引用本文  

钱晓蕾, 余锦华, 王晨稀. 东亚高空纬向风的季节内振荡对登陆中国大陆热带气旋活动的影响[J]. 热带气象学报, 2018, 34(5): 705-712. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.05.012.
QIAN Xiao-lei, YU Jin-hua, WANG Chen-xi. Effects of intraseasonal oscillation of east asian zonal wind on tropical cyclone landfall in the mainland of china during boreal summer[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(5): 705-712. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.05.012.

基金项目

国家重点基础研究发展计划“973”(2015CB453200);国家自然科学基金(41730961、41575083、41575108)共同资助

通讯作者

余锦华,女,安徽省人,教授,博士研究生导师,主要从事热带气旋研究。E-mail:jhyu@nuist.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-11-20
修订日期:2018-05-30
东亚高空纬向风的季节内振荡对登陆中国大陆热带气旋活动的影响
钱晓蕾 1, 余锦华 1, 王晨稀 2     
1. 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/大气科学学院,江苏 南京 210044;
2. 中国气象局上海台风研究所,上海 200030
摘要:使用1979—2015年欧洲长期天气预报中心所提供的ERA-Interim再分析资料和中国气象局上海台风研究所整编的西北太平洋热带气旋(TC)最佳路径资料,分析了7—8月东亚高空纬向风的季节内振荡(ISO)信号特征及其与登陆中国大陆热带气旋(TC)的关系。结果表明:(1)200 hPa纬向风在副热带、中纬度地区季节内振荡显著,尤其是在纬向西风带中,有两个南北分布的大值中心,方差贡献均超过50%。(2)基于东亚高空纬向风的ISO和EOF典型空间模定义的西风指数(EAWI),可以用来描述东亚高空纬向西风在ISO尺度上的经向移动。(3)在西风指数的ISO负位相期间,登陆中国东南沿岸22 °N以北的TC增多;反之减少。在西风急流出口南侧的副热带区域,200 hPa ISO纬向风向北移动,使纬向西风位置偏北,出现东风异常,从而使西风减弱;TC引导气流为向西的异常,有利于TC登陆中国大陆偏北沿岸;同时有异常的ISO纬向异常东风切变,有利于TC登陆过程的维持。(4)在西风指数的ISO负位相期间,在对流层高层西风急流出口区向南输送的天气尺度的E矢量,在TC登陆地区,出现异常扰动涡度通量的辐合,引起了该区域的西风减弱。
关键词登陆热带气旋    季节内振荡    纬向风    
EFFECTS OF INTRASEASONAL OSCILLATION OF EAST ASIAN ZONAL WIND ON TROPICAL CYCLONE LANDFALL IN THE MAINLAND OF CHINA DURING BOREAL SUMMER
QIAN Xiao-lei 1, YU Jin-hua 1, WANG Chen-xi 2     
1. Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather, School of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science and Techonology, Nanjing 210044, China;
2. Shanghai Typhoon Institute, China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
Abstract: Using ERA-Interim reanalysis datasets and the tropical cyclones (TC) best-track data from China Meteorological Administration during 1979—2015, this study analyzes the effects of intraseasonal oscillation (ISO) of East Asian zonal wind on tropical cyclone landfall in the mainland of China during boreal summer. The main conclusions are as follows: (1) The ISO of 200 hPa zonal wind in the subtropics and mid-latitudes is very strong, especially in the south and north of zonal westerlies, with their variance contributions all above 50%. (2) Based on the ISO of 200 hPa zonal wind and its EOF modes, we defined the East Asian westerly index (EAWI) to describe the meridional movement of the ISO of zonal westerlies. (3) When the ISO of EAWI is in negative anomaly, more TCs make landfall north of 22°N in the mainland of China. There is easterly anomaly of the ISO of 200hPa zonal wind over the exit region of the westerly jet, which makes it easy for the TC landfall. Meanwhile, an anomalous easterly wind shear and a zonal vertical wind shear are helpful to the TC landfall. (4) There is southerly anomaly anomalous transient eddy vorticity flux over the exit region of the westerly jet in the negatively anomalous ISO of EAWI, which resulted in the weakening of the westerly flow of the ISO of 200hPa.
Key words: tropical cyclone landfall    Intraseasonal Oscillations    East Asian zonal wind    
1 引言

大气季节内振荡是由Madden和Julian首先在热带大气的风场和气压场中发现的40~50天周期的大尺度低频振荡现象[1],故热带地区的大气季节内振荡通常也称之为Madden-Julian Oscillation(简称MJO)。这种振荡始于印度洋,以纬向东传为主,在季风区还缓慢向北传播[2-3]。为了描述这种传播,Wheeler等[4]定义了Real-time Multivariate MJO series(简称RMM指数),RMM指数对于冬半年大气季节内振荡(ISO)的东传特征描述较好,但对于北半球夏季ISO在南海及西太平洋区域的北传特征描述有所欠缺。相比之下,Lee等[5]提出的北半球夏季季节内振荡(BSISO)指数能够很好地解释BSISO北传离开赤道后的活动特征。

中国是世界上受热带气旋(TC)影响最严重的国家之一,夏季登陆影响我国的热带气旋大部分来自菲律宾群岛以东的西北太平洋地区,其带来各种灾害每年都给我国国民经济和人民生命财产造成重大损失,造成的损失主要发生在TC登陆阶段[6]。已有的研究表明,热带气旋与热带大气季节内振荡具有很大的相关关系,Gray[7]的研究曾指出,热带气旋的生成具有一定周期的频发性,活跃期一般为1~2周,而两段活跃期之间大约为2~3周的非活跃期。陶丽等[8]通过对西北太平洋区域进行ISO不同相位的划分,从而发现在ISO东风位相中,生成在副高中的TC在140 °E以东转折的比率较大,而在西风位相中向西转折的比率较大。何洁琳等[9]发现在TC活动强年西太平洋地区ISO东传特征更显著,ISO对流传播在纬向上伸展更偏东,海气相互作用也比弱年更加强烈。

东亚高空西风急流(EAWJ)是东亚高空纬向风的重要特征系统,也是重要的中纬度环流系统,其强度及位置的变化是整个大气环流系统调整的体现,对东亚地区的天气及气候异常影响深远。EAWJ在季节变化上最显著的特征是200 hPa附近的高空西风急流位置跳跃式地向极移动[10-11];其年际变化主要表现为经向偏移,EAWJ的经向移动伴随着南亚高压和西北太平洋副热带高压同一方向的经向移动[12]。研究表明,EAWJ和TC两者之间具有显著的相关关系。如余锦华等[13]、Yu等[14]发现,当西风急流位置偏北时,中国登陆热带气旋活动增强,反之急流偏南,气旋活动减弱,因此,东亚高空纬向风尤其是西风急流区域和登陆热带气旋之间的关系非常密切。

然而,目前针对ISO的研究大多关注于热带地区,而对副热带和中纬度地区大气的ISO的研究涉及较少,这些地区的ISO信号如何?副热带和中纬度地区大气的ISO与登陆中国的热带气旋活动之间又具有怎样的联系?本文将针对这些问题进行探讨。

2 资料和方法 2.1 资料

大气环境场数据来自欧洲长期天气预报中心所提供的ERA-Interim再分析资料[15],包括32层的纬向风场和经向风场,水平分辨率为0.7 °×0.7 °,时间分辨率为6小时。

TC资料来自中国气象局上海台风研究所(CMA-STI)整编的西北太平洋热带气旋最佳路径数据集, 包括每6小时的热带气旋中心位置(经纬度)、中心气压和最大风速等要素,但不包括弱于热带低压与变性的台风记录。

研究时段为1979—2015年7—8月。

2.2 方法简介

采用了Lanczos滤波方法[16]对1979—2015年的风场资料进行10~90天的带通滤波,为了突出季节内振荡特征,在滤波之前将每天的气候态和前三个谐波分量从原始序列中滤去然后进行滤波。

登陆热带气旋为登陆中国大陆的热带气旋,确定热带气旋是否登陆的方法如下:使用热带气旋记录中的经纬度信息,中国大陆边界的位置信息,在除了热带气旋强度弱于热带低压(TD)或变性的热带气旋记录以外,若热带气旋前后记录的位置连线与中国大陆边界相交,则认为热带气旋登陆,相交处即为登陆位置,相交后的第一个记录点为热带气旋的登陆时间点。

文中在检验西风指数的季节内振荡在正、负两个位相热带气旋登陆的概率是否具有显著差异性时,引入了一种统计检验方法[17],其公式如下:

(1)

其中,Po分别表示不同类别ISO下的TC生成的概率,N表示Po概率时的ISO位相TC生成的频数。当Z =±1.645或Z=±1.96时分别表示通过了0.10或0.05显著性水平检验。

3 东亚高空纬向风的季节内振荡特征

东亚高空纬向风的季节内振荡标准差及其对总方差贡献的分布显示(图 1),高层纬向风的ISO变化中心发生在中纬度地区,其标准差大于10 m/s,分别位于欧洲和中亚上空(图 1a),表明中纬度地区的季节内振荡信号明显。从图 1b中可以明显看出,在纬向西风带中,有两个南北分布的方差贡献大于50%的区域,这一特征对高空纬向西风带的经向位移的季节内振荡产生显著的影响。

图 1 1979—2014年7—8月东亚纬向风的季节内振荡标准差(a,单位:m/s)及其方差对总方差贡献的分布(b,单位:%) 等值线为200 hPa纬向风平均场(单位:m/s)。

东亚高空纬向风季节内振荡的经验正交函数分析(EOF,图 2)表现出EOF1为典型的经向分布,其正负异常中心所在的区域(图 2a)与图 1b的高层纬向风季节内振荡方差贡献的两个大值区相对应,进一步表明了高空纬向西风带的经向移动具有强的季节内振荡信号。

图 2 1979—2015年7—8月东亚高空纬向风季节内振荡信号的EOF典型场 a. EOF1;b. EOF2。

为定量描述东亚高空纬向西风带在ISO尺度上的经向移动,我们定义了一个西风指数(EAWI):即用200 hPa纬向风的季节内振荡在图 1b中区域A(90~120 °E,27.5~35.0 °N)的平均减去区域B(90~120 °E,42.5~50.0 °N)的平均。当西风指数为负异常时,表示纬向西风带在ISO时间尺度上向北偏移,反之为正异常时,向南偏移。

西风指数10~90天的带通滤波后的功率谱表现出大多超过0.10的信度水平,尤其10~20天(准双周振荡)和30~60天的周期信号最为显著(图 3),这与明显影响西北太平洋TC活动的两个热带ISO信号相一致[18]。在本研究的分析中,我们用EAWI 10~90天信号描述副热带高空纬向西风的季节内振荡,为简便起见,不区分准双周振荡和30~60天ISO信号。

图 3 1979—2015年7—9月EAWI季节内振荡的功率谱分析 虚线为0.1显著性水平的红噪声谱

根据滤波并标准化后西风指数的结果进行位相划分,将大于1个标准差(1σ)时定义为高空纬向西风季节内振荡的偏南位相,小于1个负的标准差(-1σ)时为偏北位相。下文将重点对比分析高空纬向西风在ISO尺度上的偏南和偏北位相登陆中国大陆TC活动及其影响要素特征。

4 东亚高空纬向风的季节内振荡与登陆中国大陆TC频数的关系

统计发现,1979—2015年7—8月西北太平洋地区共生成340个热带气旋,其中有129个TC登陆中国大陆。我们根据前文规定的西风指数季节内振荡的两个位相,统计了两个位相TC登陆中国东南沿岸22 °N以北地区的频数以及TC生成的频数并计算了其比值。从表 1可以看出,在西风指数的季节内振荡负位相时,一共有55个TC生成,其中有20个登陆在中国东南沿岸22 °N以北地区,因此TC登陆频数占其生成频数的36.4%;而在EAWI的ISO正位相时,该比值仅为20.0%,远小于负位相。为了检验西风指数的ISO正、负两个位相TC登陆频数占其生成频数的比值是否具有显著性,运用了公式(1)中的统计检验方法,其中,表示负(正)位相时TC登陆中国东南沿岸22 °N以北地区的频数与TC生成的频数的比值,N表示正位相时TC生成的频数。根据这个检验方法,我们发现,EAWI的ISO正、负两个位相TC登陆中国东南沿岸22 °N以北地区的频数占其生成频数的比值的差异通过了0.05显著性检验。

表 1 1979—2015年7—8月EAWI的ISO不同位相登陆东南沿岸22 °N以北的TC频数和TC生成频数及其比值

图 4为西风指数的季节内振荡不同位相登陆中国大陆的TC路径,可见,当EAWI的ISO处于负位相时(图 4a),登陆中国大陆的TC总体多于正位相,尤其是在22 °N以北的区域登陆差异最为明显,登陆的TC明显偏多,登陆后其生命史平均持续时间为26.4小时左右;相比之下,处于正位相时(图 4b)在22 °N以南的区域登陆的TC比较多,而在22 °N以北登陆的TC则明显减少,但个别TC登陆后的生命史较长。

图 4 1979—2015年7—8月EAWI的季节内振荡的负位相(a)和正位相(b)时登陆中国大陆的TC路径分布
5 东亚高空纬向风的季节内振荡与登陆中国大陆TC影响因素的关系

影响热带气旋运动的因素主要可以分为外部强迫,内部动力因子和TC与环境的相互作用[19-20]。为了理解东亚高空纬向风的季节内振荡与登陆中国大陆台风之间的关联,我们根据西风指数的季节内振荡的不同位相,对可能存在的登陆中国大陆TC的影响因子进行了合成分析。

图 5为1979—2015年7—8月西风指数季节内振荡负(图 5a)和正(图 5b)位相的200 hPa纬向风的合成场及其差场(图 5c)。可见,负、正位相纬向风异常均表现为经向分布型态,但中心值的符号相反。从图 5a中可以看出,在EAWI的季节内振荡处于负位相时,在西风急流出口南侧的副热带区域,200 hPa ISO纬向风为负异常,西风将减弱,北侧的中纬度区域为正异常,西风将增强,使纬向西风带整体位置向北偏移。而当EAWI的季节内振荡处于正位相时则正好相反。负位相和正位相的差值场(图 5c)表现更为突出,在整个纬向西风带区域,负、正差异均通过0.05显著性检验,零线在台湾岛以南到海南岛一线,即22 °N附近。

图 5 1979—2015年7—8月EAWI的季节内振荡的负位相(a),正位相(b)和负位相减正位相(c)时200 hPa纬向风的季节内振荡合成异常分布(单位:m/s) 阴影区域表示通过0.05显著性水平检验。

对于TC的移动过程,引导气流的牵引作用占主导地位[21]。本文的引导气流为850~300 hPa风场的季节内振荡的权重平均。图 6为负(图 6a)、正(图 6b)位相引导气流季节内振荡的合成场及其差场(图 6c)。从图 6a中可以看出,当西风指数的季节内振荡处于负位相时,在22~35 °N的中国东南沿海和西太平洋地区(130 °E以西)有明显的东风异常引导气流,强度达到3 m/s左右,有利于进入130 °E以西和22 °N以北的TC登陆中国东南沿岸。而当它处于正位相时(图 6b),则在相同区域有明显的西风异常引导气流,最大强度也达到3 m/s左右,不利于TC的登陆。从负位相和正位相的差场来看(图 6c),通过0.05显著性检验的区域集中在22 °N以北区域,表明在ISO尺度上,纬向西风对22 °N以北TC移动(是否登陆)有显著影响。

图 6 1979—2015年7—8月EAWI的季节内振荡的负位相(a),正位相(b)和负位相减正位相(c)时引导气流(850~300 hPa纬向风的质量权重平均)的季节内振荡合成异常分布(单位:m/s) 阴影区域表示通过0.05显著性水平检验。

垂直风切变是影响TC强度变化的一个重要环境因子,大的西风环境垂直风切变容易使TC很快衰减,以至于消亡,东风垂直切变有利于TC的维持。如图 7a所示,在西风指数的季节内振荡负位相时,位于22 °N以北的中国东南沿海和西太平洋地区有明显的纬向东风异常垂直切变,有利于登陆过程TC的发展与维持。反之,当其处于正位相时(图 7b),TC登陆区域的西风异常垂直风切变明显,不利于TC的发展及登陆。从负位相和正位相的差值场也可以看出(图 7c),22 °N以北区域东风异常切变的均通过0.05显著性检验。

图 7 1979—2015年7—8月EAWI的季节内振荡的负位相(a),正位相(b)和负位相减正位相(c)纬向风垂直风切变(U200-U850)的季节内振荡合成异常分布 单位:m/s,阴影区域表示通过0.05显著性水平检验。

从前面的分析中已知,当纬向西风的季节内振荡向北移动时,200 hPa西风急流出口的南侧,出现纬向风季节内振荡的东风异常,即纬向西风减弱,那么是什么原因产生了这种现象呢?由此,我们引入了E矢量[22]。计算公式为:

(2)

其中,分别表示天气尺度下的200 hPa UV风场扰动。

图 8a可知,在西风指数的ISO负位相期间,在西风急流出口南侧的西风气流区有天气尺度E矢量向南输送,出现异常扰动涡度通量的辐合,引起了该区域的纬向西风减弱。而在EAWI的ISO正位相期间(图 8b)则正好相反,在西风急流出口区的南侧,扰动涡度通量的辐散,将使该地区纬向西风增强。由此可见,E矢量描述的扰动涡度通量的输送及其伴随的辐合(辐散),可以较好解释纬向西风在季节内振荡尺度的向南(向北)移动时,使其出口区南侧200 hPa ISO纬向西风减弱(增强)的机制。

图 8 1979—2015年7—8月西风指数的季节内振荡负位相(a),正位相(b)时10天以下天气尺度的E矢量(箭头,单位:m2/s2)合成异常分布 等值线为200 hPa纬向风的平均场(单位:m/s)。
6 小结与讨论

本文使用1979—2015年欧洲长期天气预报中心提供的ERA-Interim再分析资料和中国气象局上海台风研究所整编的西北太平洋热带气旋(TC)最佳路径资料, 选取西北太平洋热带气旋最为活跃的7—8月,对东亚高空纬向风的季节内振荡与登陆中国TC的关系进行研究,主要结论如下。

(1)东亚高空纬向风在副热带和中纬度地区的季节内振荡信号很强,尤其是在纬向西风带区域,有两个南北分布的方差贡献超过50%的区域。

(2)基于东亚高空纬向风的季节内振荡的方差贡献及其EOF典型空间模拟,定义了一个西风指数用来反映高空纬向西风带的季节内振荡的经向移动。

(3)西风指数的季节内振荡处于负、正位相时,登陆中国东南沿岸TC路径分布在22 °N以北具有显著的差异。当西风指数的ISO处于负位相时,该地区登陆的TC明显多于正位相。

(4)对影响热带气旋移动和强度变化的环境要素在西风指数的ISO负、正位相的合成及其差场分析显示,在负位相时,200 hPa ISO纬向风在西风急流出口南侧的副热带区域具有明显的异常东风,异常东风引导气流和东风垂直切变,有利于TC登陆过程的维持,进而登陆中国东南沿岸的北部。

(5)E矢量描述的扰动涡度通量的输送及其伴随的辐合,可以较好解释纬向西风在季节内振荡尺度的向南移动时,使其出口区南侧200 hPa ISO纬向西风减弱的机制。在西风指数的ISO负位相期间,其出口区南侧有天气尺度的E矢量向南输送,引起了该区域的扰动涡度通量的辐合,促使纬向西风减弱。

本文仅通过观测资料的统计分析得出7—8月东亚高空纬向风的季节内振荡与登陆中国大陆热带气旋之间的关系。当纬向西风的ISO位置偏北时,有利于TC登陆中国东南沿岸北部。东亚高空纬向西风的ISO尺度、年际尺度的经向移动对西太平洋TC登陆中国大陆沿岸的贡献需要做进一步的研究。

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