申茜 張世軒 趙俊虎 汪栩加

(蘭州大學大氣科學學院，蘭州 730000)

(2013年5月11日收到;2013年6月15日收到修改稿)

1 引言

西北太平洋(Northwest Pacific，NWP)是全球熱帶氣旋(tropical cyclone，TC)生成的主要源地之一，全球約1/3的熱帶氣旋在此海域形成[1].由于受東風帶和西太平洋副熱帶高壓的影響，很多在NWP生成的熱帶氣旋發(fā)展成臺風并登陸中國，在臺風移動過程中，其一方面向中緯度地區(qū)輸送水汽和熱量，促使中緯度環(huán)流系統(tǒng)的強烈發(fā)展，引發(fā)該地區(qū)許多嚴重的災害性天氣，如暴雨洪澇等，造成巨大的經(jīng)濟損失和重大人員傷亡;另一方面，它有時也能切斷低緯環(huán)流系統(tǒng)向中緯度地區(qū)的水汽和能量輸送，例如強臺風移近梅雨鋒時，可使江淮梅雨中斷甚至結束[2,3].從降水的角度而言，臺風能直接造成局地短時強降水過程，形成大量的降水，如相關研究發(fā)現(xiàn)臺風經(jīng)過的地區(qū)可形成大約150—300 mm的降雨，少數(shù)臺風能夠引發(fā)1000 mm以上的大暴雨;除此之外則主要是臺風與中緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用會對梅雨鋒等中尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生間接影響，進而影響大范圍的降水過程.

為敘述方便，本文將熱帶氣旋統(tǒng)稱為臺風.近年來，國內(nèi)外關于臺風降水的氣候研究越來越受到廣泛的重視.Rodgers等[4]利用衛(wèi)星資料對北大西洋熱帶氣旋降水的貢獻做了定量的研究，他們所使用的分離熱帶氣旋降水的客觀方法為圍繞熱帶氣旋中心的一個半徑為444 km的固定圓;Shuman等[5]以1000，550和800 km為半徑的固定圓定義臺風降水，研究了美國東部熱帶氣旋殘余所造成的暴雨事件;Englehart和Douglas[6]以及Hasegawa[7]分別從觀測和模擬的角度探討了TC降水.韓暉[8]和王詠梅等[9]分別對中國臺風暴雨和中國臺風降水的氣候特征做了相關分析，指出中國臺風降水總體上呈減少趨勢，建軍和余錦華[10]以及卓嘎等[11]探討了臺風對內(nèi)陸地區(qū)降水的影響，發(fā)現(xiàn)臺風與華西、遼寧、黑龍江和青藏高原等地的降水有不同程度的聯(lián)系，而華北中部和東部夏季降水量與登陸我國臺風頻數(shù)存在著顯著的正相關.此外，雷小途和陳聯(lián)壽[2,3]還通過研究熱帶氣旋與中緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用，發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋對梅雨有顯著的影響.

然而，上述研究大多都是注重從臺風降水的角度分析其氣候特征變化，而臺風降水對整個季節(jié)降水的貢獻和影響方面并未做全面深入的分析.從整個季節(jié)來講，尤其是夏季為臺風頻發(fā)時段，其一方面直接造成局地強降水，另一方面也通過與中緯度環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生作用，影響到水汽等的輸送，進而影響到大范圍的降水過程.多次臺風過程從兩個方面累積或者疊加，對中國尤其是東部地區(qū)的夏季降水有著不可忽視的影響.目前的汛期降水預測并未實現(xiàn)其與臺風分離基礎上的針對性研究，一定程度上也成為制約夏季降水預測準確性的一個因素.如何從氣候?qū)W的角度來描述臺風降水，一直是一個值得關注的科學問題.本文針對以上問題，對夏季臺風對中國東部汛期降水的影響及相關方面進行了探討，旨在建立臺風影響季節(jié)降水的初步概念，為提高汛期降水預測準確性提供可能的參考.

2 資料和方法

2.1 資料

研究資料包括中國氣象局國家氣候中心(National Climate Center，NCC)提供的74項環(huán)流指數(shù).中國氣象局上海臺風研究所整理的西北太平洋(含南海，赤道以北，東經(jīng)180°E以西)海域熱帶氣旋資料.NCEP/NCAR 1948—2012年垂直方向1000 hPa—10 hPa共17層等壓面的風場(u，v分量)、高度場(H)，水平空間分辨率均為2.5°×2.5°的全球格點再分析月平均資料.中國氣象局氣象信息中心資料室提供的中國740站1960—2011年逐日降水資料.研究時段為夏季6月1日到8月31日共92 d.降水研究主要針對105°E以東受臺風影響顯著的中國東部地區(qū)，因而從上述資料中選取位于此區(qū)域的站點，對資料連續(xù)缺測2 d以上的站點進行剔除，對缺測1 d的站點用前后兩天的資料進行線性插補，最終挑選出442個站點，其分布如圖1所示.需要說明的是，由于所選研究時段為夏季，資料缺測較少，因此插補對結果影響很小，且圖1中站點分布均勻，因而符合研究要求.

圖1 站點分布圖

2.2 方法

現(xiàn)有的衡量臺風強弱年的依據(jù)大多是臺風的生成個數(shù)或登陸個數(shù)，考慮到有的年份臺風生成個數(shù)偏多但登陸個數(shù)不多，抑或是有的年份臺風登陸個數(shù)偏多，但臺風維持時間不長.此種情況下，臺風個數(shù)多少雖然能反映出其整體的強弱，但并不能十分客觀地反映出其對降水的影響大小.事實上，臺風的降水影響主要是由臺風在近海或登陸后維持的時間長短及臺風的強度所決定，而臺風的強度又反映在其維持時間上.因此，本文從更為宏觀的角度出發(fā)，提出臺風影響時間(TAT)這個有別于臺風個數(shù)的指標來討論臺風的降水影響.

首先，利用任福民[12]、王詠梅[13]等提出的方法，第一步是進行自然雨帶分離，從降水場的結構分析入手，將降水場劃分為多個獨立的雨帶以及一些零星降水臺站;第二步是進行臺風雨帶識別，根據(jù)這些雨帶與臺風中心之間以及各降水臺站與臺風中心之間的距離關系來確定臺風降水.需要說明的是，其中的兩個重要參數(shù)：D0為絕對臺風降水控制距離，所有與臺風中心距離小于此值的降水均被定義為臺風降水，D1為可能臺風降水控制距離，D0和D1為可變參數(shù)，取值隨臺風強度等級而變化.

其次，基于上述判斷，針對具體的某一年份，認為當某一臺風接近中國地區(qū)，致使陸地有至少一個站點出現(xiàn)臺風降水時，這一天為臺風影響日，因為該日東部地區(qū)的大部分臺站降水會受到臺風的直接或間接影響.統(tǒng)計6—8月滿足以上條件的日數(shù)，其總和即為當年夏季臺風影響時間.

最后，將1960—2011年52年夏季臺風影響時間序列進行標準化，這一標準化序列稱之為夏季“臺風影響指數(shù)”(typhoon affect time index，TATI).將同樣的標準分別應用于6，7，8三個月，亦可以得到單個月份的TATI.

以下研究基于提出的這一指標，一方面探討其合理性以及年代際變化特征，另一方面探討臺風降水與整個東部夏季降水之間的關系，以此建立臺風影響季節(jié)尺度降水的初步概念.

3 TATI的合理性分析和年代際變化特征

圖2為TATI和臺風個數(shù)的時間演變圖.可以看到，TATI變化具有明顯的年際振蕩特征，且自1960—2011年以來，夏季TATI無論在單個月份或是平均而言，都有線性減弱趨勢，特別是自1995年至2011年，減弱趨勢更為明顯.此外，對整個夏季而言其減弱趨勢要比6，7，8月份的更為明顯.這與王詠梅等[9]研究發(fā)現(xiàn)1951—2004年臺風總體頻數(shù)變化呈減少趨勢，1970年代后期明顯減少，1995—2004年為臺風頻數(shù)最少時期的相關結論一致.在大氣環(huán)流方面，郭其蘊等[14]研究發(fā)現(xiàn)東亞夏季風在70年代中期有明顯的自強變?nèi)醯霓D(zhuǎn)折，李艷等[15]發(fā)現(xiàn)1950—2008年，三個地區(qū)總的、烏拉爾山和貝加爾湖地區(qū)的阻塞高壓次數(shù)和天數(shù)有明顯的線性增加趨勢，東亞夏季風越強，對應西南暖濕氣流越強，易于低緯地區(qū)對流活動和低壓擾動的發(fā)生、發(fā)展，而阻塞高壓越弱，對應經(jīng)向氣流偏弱，不利于冷空氣南下，使得西太副高偏北，利于臺風的生成;在海溫方面，根據(jù)王詠梅等[16]發(fā)現(xiàn)70年代中期PDO指數(shù)由冷位相轉(zhuǎn)入暖位相，而PDO冷位相對應臺風影響頻數(shù)偏多，PDO暖位相對應臺風影響頻數(shù)偏少.因此，有可能是因為近年來東亞夏季風偏弱，阻塞高壓偏強以及PDO暖位相導致臺風影響有線性減弱的趨勢.

圖2 1960—2011夏季TATI和標準化登陸臺風個數(shù)的年際變化 (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)夏季;黑線代表夏季TATI，紅線代表登陸標準化臺風個數(shù)

從臺風個數(shù)和TATI的對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然TATI與臺風個數(shù)整體變化趨勢具有很好的一致性，兩者的相關在6月為0.61，7月為0.53，8月為0.47，整個夏季為0.50，均可通過顯著水平為0.05的顯著性檢驗.但兩者之間的差異亦十分明顯，圖2(a)—(c)中臺風個數(shù)基本沒有明顯的年際振蕩變化，而TATI年際振蕩明顯.圖2(d)中整個夏季臺風個數(shù)的年際振蕩變化特征雖然有所凸顯，但其與TATI的年際振蕩特征并不一致，如夏季臺風個數(shù)在 1970，1985，1975，1979，1964，1961，1962，1972和2000年偏少，但TATI卻偏大;夏季臺風個數(shù)在2009，1992，2001，2003，1995，1980，1981，2008，1998和2005年偏多，但TATI卻偏小.圖2(d)中，1985年夏季登陸臺風為5個，僅高于平均值0.5個，登陸個數(shù)偏強，但其TATI為近52年來第二高，從后面的分析中我們得知1985年為臺風強降水年.

綜上所述，我們可知雖然TATI與臺風個數(shù)有著密切的正相關關系，但有別于臺風個數(shù)，TATI是從時間角度說明臺風控制的范圍，基于這個范圍，討論臺風對降水的影響.事實上，TATI包含了臺風個數(shù)以及臺風強度兩方面的內(nèi)容，因為臺風發(fā)生個數(shù)偏多，強度偏強，其作用的時間也必然會相應地偏長，反之則會偏短.此外，該指數(shù)定義時加入中國區(qū)域站點有臺風降水發(fā)生這一條件，則主要是考慮到它對中國區(qū)域的降水影響.因此為綜合考慮夏季臺風對中國東部地區(qū)降水的影響程度，采用TATI這一指標來衡量臺風的影響強弱可能更優(yōu)于登陸臺風個數(shù).本文接下來探討臺風對夏季降水的貢獻，然后基于TATI，對臺風與夏季降水的相關性進行分析.

4 臺風降水占夏季降水的比例

臺風近?；虻顷?，由于攜帶大量的水汽、動量和能量，會給中國東部地區(qū)帶來強降水影響.本文提取臺風影響日的臺風降水，具體提取夏季臺風降水的方法采用任福民等[12]、王詠梅[13]等提出的方法.然后分析1960—2011年夏季各月平均臺風降水量及夏季各月臺風降水占夏季各月降水的比例，以此探討臺風對夏季降水的貢獻.

圖3 1960—2011年平均6，7，8月和夏季的臺風降水量(單位：mm) (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)夏季

從圖3(a)可以看出，6月份的臺風降水主要分布在長江以南的沿海地區(qū)，同一經(jīng)度從北向南臺風降水量呈增大的趨勢，同一緯度，自西向東臺風降水有增大的趨勢.臺風降水的最大值集中在華南沿海一帶，說明6月份臺風登陸地點集中在華南地區(qū)，特別是海南島，其6月份平均的臺風降水量在50—100 mm之間.從圖3(b)可以看出，7月份臺風降水量較6月份有明顯增加，降水分布范圍也有顯著的北進，整個東部沿海地區(qū)的降水都受到了臺風影響，臺風降水最大值依然在華南沿海一帶，最大值在100 mm左右，黃淮沿海地區(qū)和東北沿海地區(qū)的臺風降水量在10—30 mm之間，說明7月份臺風登陸地點有北進趨勢，部分臺風已影響到東北地區(qū).從圖3(c)可以看出，8月份的臺風降水分布范圍較7月份進一步增大，多集中在東南沿海，可達到100 mm以上，說明8月份臺風登陸東南沿海地區(qū)較6，7月份頻繁.

從圖3(d)可以看出，整個夏季，臺風降水量自東南沿海向西北方向逐漸減少，東南沿海夏季平均臺風降水量最大可達200 mm以上.

圖4為6，7，8月和夏季臺風降水量占當月及夏季總降水的比例，其空間分布類似于臺風降水量的空間分布，即同一緯度自西向東、同一經(jīng)度自北向南，臺風降水量占夏季降水的比例呈增大的趨勢.

圖4(a)顯示，6月份，同一經(jīng)度自北向南臺風降水比例呈依次增多的分布，在海南島附近達到最大值，約占6月份降水的40%.結合圖3(a)可以得出，6月份的海南島降水中約半數(shù)為臺風降水.圖4(b)顯示，7月份，臺風降水比例在整個長江以南地區(qū)達10%以上，在東南沿海區(qū)域可達40%以上.總體來看，7月份臺風降水比例在整個東部地區(qū)明顯高于6月份.圖4(c)顯示，8月份的臺風降水比例的大小和范圍較7月份在東南沿海地區(qū)、黃淮地區(qū)明顯增大，在東南沿海地區(qū)臺風降水占8月份降水比例大致在40%以上.

圖4(d)顯示，從夏季平均臺風降水比例來看，臺風降水比例最大處在海南島及東南沿海的部分區(qū)域，可達到30%以上.臺風降水占夏季降水的比例從東南沿海和華南地區(qū)、長江中下游地區(qū)、黃淮東部和東北東部呈現(xiàn)依次減小的分布.

圖4 1960—2011年平均夏季各月和夏季的臺風降水量占夏季各月降水的比例 (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)夏季

圖5 1994年夏季各月及夏季臺風降水量(單位：mm) (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)夏季

圖6 1994年夏季各月臺風降水占夏季各月總降水比例 (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)夏季

由于不同年份臺風影響強弱差別很大，本文選取1960—2011年TATI最大的1994年，來說明在極端臺風影響強年臺風對中國東部造成的降水影響.

結合圖5和圖6可以看出，1994年6月份東南沿海地區(qū)臺風降水量達到100 mm，大致整個長江以南地區(qū)的臺風降水量占6月份降水量的10%;7月份伴隨臺風的北上，渤海灣和東北沿海地區(qū)的臺風降水量也達到100 mm，此外華南沿海地區(qū)的臺風降水量也增加至300 mm，東北南部和華北北部的局部、黃淮西部、華南大部等地區(qū)7月份的臺風降水占當月總降水的50%;8月份影響東南沿海的臺風增加，致使東南沿海的臺風降水量有所增加.1994年夏季的臺風降水量和其占夏季降水的比重是很大的，在渤海灣和基本整個長江以南地區(qū)夏季臺風降水占到了夏季總降水20%以上，整個東部沿海大部地區(qū)此比例基本都達到了30%以上.可見在TATI強年，臺風降水量及其占夏季降水比例是很大的.

通過以上分析，臺風降水及其占夏季降水的比例，無論是在TATI強年或是平均年份，值都是較大的，特別是長江以南的沿海地區(qū)，臺風降水對汛期降水的影響不容忽視.

5 TATI與夏季東部降水的相關性分析

圖7中陰影部分是通過了顯著性水平5%的顯著性檢驗的區(qū)域.表1中南海夏季風指數(shù)采用何敏[17]提出的方法，副熱帶夏季風指數(shù)采用張慶云等[18]提出的計算方法，西太副高指數(shù)采用劉蕓蕓等[19]提出的算法.圖7(a)顯示6月份TATI與華南地區(qū)呈明顯負相關，但與海南地區(qū)呈明顯正相關，表明6月份近海臺風影響強時，華南地區(qū)降水偏少，而海南地區(qū)降水偏多.根據(jù)卓嘎等[11]的研究，6月份華南地區(qū)的降水與臺風登陸個數(shù)的相關系數(shù)為負值，這與本文的結果是一致的.我們這樣認為：6月份雨帶大致處于長江以南地區(qū)，其絕大多數(shù)降水過程都與冷暖空氣的交綏以及低空西南急流有關，造成降水的天氣系統(tǒng)主要是冷鋒、靜止鋒、切變線、西南低渦以及中尺度低值系統(tǒng)等，只有少數(shù)是受臺風或其他系統(tǒng)影響.如表1所示臺風與西太副高的脊線指數(shù)、西伸脊點和南海季風指數(shù)、副熱帶季風指數(shù)呈正相關，即TATI偏強，則為長江以南地區(qū)帶來暖濕空氣的副高的脊線偏北、西伸脊點偏東，并且夏季風偏強，此種情況下會減弱華南地區(qū)的降水.6月份的TATI與海南地區(qū)降水呈現(xiàn)明顯的正相關，從圖4(a)可以看到，6月份海南地區(qū)的臺風降水占當月降水量50%以上，陳聯(lián)壽和丁一匯[20]指出廣東(含海南)是受TC影響最嚴重的省，尤其以珠江口以西和海南島地區(qū)更甚.6月進入南海臺風季，生成于南海的臺風偏多，影響海南地區(qū)的較多.熱帶氣旋是影響海南島降水最重要的天氣系統(tǒng)[21].

表1 夏季TATI與東亞夏季風和西太副高的相關系數(shù)

圖7(b)顯示7月份的TATI與東南沿海地區(qū)呈現(xiàn)明顯正相關，而與江淮流域呈負相關.7月份西太副高北抬，利于臺風繞過副高南側登陸.7月份在東南沿海地區(qū)平均的臺風降水可達到40%，所以7月份的TATI與東南沿海地區(qū)呈現(xiàn)明顯正相關.7月份的TATI與江淮流域呈負相關，根據(jù)徐海明等[22]的研究，熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展對季風會產(chǎn)生影響，北上熱帶氣旋常切斷自南海的西南季風向江淮梅雨鋒區(qū)的水汽輸送，導致出梅，促使季風雨帶向北推進，這可能是對本文結果的一個合理解釋.

圖7(c)顯示8月份的TATI與華南地區(qū)、華北和東北的大部呈現(xiàn)明顯正相關、與長江中下游地區(qū)呈現(xiàn)明顯的負相關.8月份為華南后汛期，其降水以受臺風、熱帶輻合帶等熱帶天氣系統(tǒng)影響為主.8月份副高北抬東退，面積指數(shù)減小，夏季風較6，7月份增強，為臺風北上提供了動力，所以是臺風登陸最頻繁的月份，鑒于TATI與西太副高脊線和夏季風的正相關關系，臺風影響越強則副高脊線越偏北，夏季風越強，從而為華北、東北地區(qū)帶去更多的暖濕空氣，長江中下游地區(qū)為副高控制，西南、東南兩支暖濕氣流北上，所以8月臺風指數(shù)與華北、東北地區(qū)降水呈正相關，與長江中下游地區(qū)呈現(xiàn)負相關.

圖7 1960—2011年夏季近海TATI與中國東部夏季降水相關系數(shù)(×100) (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)夏季;虛線，負值;陰影，通過了顯著性水平5%的顯著性檢驗的區(qū)域

圖7(d)顯示，整個夏季，TATI與華南沿海、華北及東北的東部地區(qū)呈正相關，而與長江中下游地區(qū)呈負相關.

TATI將天氣尺度的臺風與汛期聯(lián)系起來分析得到，臺風降水在汛期中的影響是顯著的，并且臺風與東部地區(qū)的降水存在一些較為顯著的相關帶.

6 討論與結論

本文利用NCEP/NCAR提供的月平均再分析資料及中國氣象局上海臺風研究所提供的熱帶氣旋資料，定義了臺風影響指數(shù)，從月、季尺度對中國夏季近海臺風強弱變化特征進行分析，將天氣尺度的臺風與短期氣候預測聯(lián)系起來，并以此探討臺風對東部地區(qū)夏季降水的貢獻，結論如下.

1)從平均角度而言，臺風從6月至8月呈增強的趨勢，6月份最弱，7月份居中，8月份最強.7，8月份東部沿海地區(qū)的臺風降水量最大可達100 mm以上，占當月總降水量的40%.

2)從夏季臺風降水及占夏季降水的比例分布來看，同一緯度大致東部值大西部值小，從東北地區(qū)至華南地區(qū)夏季臺風降水占夏季降水的比例呈現(xiàn)依次增大趨勢.平均而言，基本整個長江以南地區(qū)臺風降水量占夏季降水量的比重可達10%以上.

3)6月份的TATI與華南地區(qū)降水呈現(xiàn)明顯的負相關，因為6月份雨帶大致處于長江以南地區(qū)，其絕大多數(shù)降水過程都與冷暖空氣的交綏以及低空西南急流有關，只有少數(shù)是受臺風或其他系統(tǒng)影響.鑒于臺風影響指數(shù)與西太副高、夏季風的相關關系，所以6月份的TATI與華南地區(qū)降水呈現(xiàn)明顯的負相關;7月份的TATI與東南沿海地區(qū)呈現(xiàn)明顯正相關，而與江淮流域呈負相關，這可能是由于熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展對季風會產(chǎn)生影響，北上熱帶氣旋常切斷自南海的西南季風向江淮梅雨鋒區(qū)的水汽輸送;8月份的TATI與華南地區(qū)、華北和東北的大部呈現(xiàn)明顯正相關，與長江中下游地區(qū)呈現(xiàn)明顯的負相關，8月份為華南后汛期，其降水以受臺風等熱帶天氣系統(tǒng)影響為主，副高北抬東退，夏季風增強，為臺風北上提供了動力，而此時長江中下游地區(qū)為副高控制，易出現(xiàn)晴朗天氣.總體來看，TATI與我國東部降水的相關關系主要是由夏季風、西太副高和臺風相互作用、共同影響的.

夏季這一臺風頻發(fā)時段，臺風通過直接和間接影響，對夏季降水分布有著不可忽視的影響.這種影響一方面可能是通過在短時間內(nèi)形成大量降水對整個夏季降水形勢產(chǎn)生影響，另一方面則可能是臺風本身所攜帶的大量水汽和擾動能量與中緯度環(huán)流產(chǎn)生相互作用[2,3]，影響到水汽輸送以及西太平洋副熱帶高壓、夏季風等與季節(jié)降水密切有關的一些系統(tǒng)，從而對整個夏季降水形勢產(chǎn)生作用.雖然近年來隨著動力-統(tǒng)計相結合方法的應用，短期氣候預測尤其是降水預測技巧得到了一定的改進[23-25]，但其預測仍然存在局限性，尤其在臺風等天氣尺度系統(tǒng)活動較頻繁的年份，預測結果往往與實際情況大相徑庭[26].究其原因主要是現(xiàn)有的氣候預測手段往往未能將臺風這類的天氣尺度活動對季節(jié)降水的影響考慮進去，致使預測的不確定性增大.本文從臺風對夏季降水的影響角度出發(fā)，提出TATI這一概念，探討了夏季臺風降水對整個夏季降水的貢獻，一方面為探討臺風這一天氣尺度系統(tǒng)對季節(jié)氣候的影響提供一些事實和理論依據(jù)，另一方面為在短期氣候預測中考慮臺風影響提供一些可能的思路.對于氣候系統(tǒng)這個高度非線性、無標度、多層次、強迫耗散的復雜巨系統(tǒng)，其變化是一個非平穩(wěn)過程[27-33].如何在短期氣候預測中實現(xiàn)這一想法以及臺風影響夏季降水的內(nèi)在機理等問題，我們將在后續(xù)的研究中進一步加以探討.

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