南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)低頻振蕩特征及其對(duì)TC群發(fā)過程的影響

金小霞,韓桂榮*,占瑞芬,陳圣劼,何金海,張靜

?

南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)低頻振蕩特征及其對(duì)TC群發(fā)過程的影響

金小霞①,韓桂榮①*,占瑞芬②,陳圣劼①,何金海③,張靜①

① 江蘇省氣象臺(tái),江蘇 南京 210008;

② 中國(guó)氣象局 上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030;

③ 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044

2014-07-03收稿,2014-12-16接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375093);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201006107);中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAYBY2014-025)

根據(jù)中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所整編的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(CMA-STI),以及定義的熱帶氣旋(Tropical Cyclone,TC)群發(fā)標(biāo)準(zhǔn),分析了南海—西太平洋地區(qū)的低頻振蕩特征,及其對(duì)TC群發(fā)活動(dòng)的影響,研究了TC群發(fā)與季風(fēng)槽的關(guān)系。結(jié)果表明,孟加拉灣—西太平洋的近赤道地區(qū)有兩支主要的對(duì)流區(qū),分別位于南?！魈窖蟮貐^(qū)和孟加拉灣東南部。10～20 d大氣準(zhǔn)雙周振蕩(Quasi-Biweekly Oscillation,QBWO)周期是南海—西太平洋地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的主要周期,大部分年份QBWO占原始序列的方差貢獻(xiàn)達(dá)20%以上。QBWO的強(qiáng)度具有明顯的年際變化,20世紀(jì)80年代以前強(qiáng)度變化較大,80年代之后變化較小。根據(jù)定義的TC群發(fā)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)1990年6—9月西北太平洋地區(qū)共有4次TC群發(fā)過程,都發(fā)生在低頻對(duì)流活動(dòng)的濕位相。分析對(duì)流活動(dòng)干位相—濕位相—干位相的演變,發(fā)現(xiàn)TC的群發(fā)期集中在濕位相,濕位相期間大氣低層為低頻氣旋性環(huán)流,較強(qiáng)的正渦度有利于初始渦旋擾動(dòng)的形成和發(fā)展,為TC群發(fā)提供了有利的環(huán)流背景場(chǎng)。根據(jù)定義的季風(fēng)槽強(qiáng)度指數(shù),發(fā)現(xiàn)季風(fēng)槽強(qiáng)度與TC群發(fā)過程有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由于季風(fēng)槽的活躍使得對(duì)流活動(dòng)處于濕位相期,同時(shí)季風(fēng)槽區(qū)提供了有利的正渦度條件,促使TC群發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生。

準(zhǔn)雙周振蕩濕位相熱帶氣旋群發(fā)季風(fēng)槽

眾所周知,南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)有明顯的30～60 d的季節(jié)內(nèi)振蕩(Nakazawa,1986a,1986b;Chen et al.,2001)和20 d左右的低頻振蕩(Hartmann et al.,2010),它們與東亞夏季風(fēng)、ENSO等全球大氣和海洋變化有直接的聯(lián)系(何金海等,1984;琚建華等,2005)。許多研究已經(jīng)指出,熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展與大氣低頻振蕩有著密切的關(guān)系。王慧等(2006)研究了西北太平洋夏季風(fēng)的特征及季風(fēng)槽結(jié)構(gòu)對(duì)臺(tái)風(fēng)生成的影響,指出季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)臺(tái)風(fēng)生成的影響主要以30～60 d振蕩為主,并且低頻對(duì)流的濕位相、低頻振蕩的西風(fēng)位相、強(qiáng)的季風(fēng)槽有利于臺(tái)風(fēng)的生成。祝從文等(2004)利用EOF分析方法研究了1996年9月—1997年6月間的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO)對(duì)生成在印度洋—西太平洋海域的熱帶低壓/氣旋的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),除西北太平洋之外,發(fā)生在其他區(qū)域的熱帶低壓/氣旋有半數(shù)以上生成在向東移動(dòng)的 MJO的濕位相中。Liebmann et al.(1994)的研究認(rèn)為低頻振蕩對(duì)干濕位相中不同強(qiáng)度熱帶氣旋生成的調(diào)節(jié)作用可能相同。陳光華和黃榮輝(2009)從動(dòng)力和能量轉(zhuǎn)換方面深入分析了西北太平洋上空MJO對(duì)熱帶氣旋(Tropical Cyclone,TC)生成的調(diào)節(jié)作用,結(jié)果表明,當(dāng)西北太平洋西側(cè)為MJO 的西風(fēng)位相所控制時(shí),此區(qū)域TC生成的數(shù)量明顯偏多。相反,在東風(fēng)位相時(shí)期,TC生成的數(shù)量得到明顯抑制。金小霞等(2012)的研究表明,熱帶準(zhǔn)雙周振蕩(Quasi-BiWeekly Oscillation,QBWO)對(duì)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)的生成有顯著的調(diào)節(jié)作用,在QBWO的活躍位相,非絕熱加熱增強(qiáng)和緯向風(fēng)垂直切變減弱也有利于TC的生成。曹劍等(2012)利用WRF模式研究了TC和MJO的活動(dòng),發(fā)現(xiàn)的TC初始渦旋主要出現(xiàn)在季風(fēng)槽中,準(zhǔn)雙周振蕩活動(dòng)為渦旋的繼續(xù)發(fā)展提供了有利的條件。對(duì)于熱帶氣旋路徑和暴雨的問題,陶麗等(2012)、趙小平等(2012)認(rèn)為大氣低頻振蕩對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)路徑有一定的調(diào)制作用,盧珊等(2012)認(rèn)為大氣低頻振蕩臺(tái)風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

對(duì)于熱帶氣旋群發(fā)的問題,早在20世紀(jì)70年代,丁一匯等(1977)就指出研究熱帶輻合區(qū)臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)展的問題,對(duì)實(shí)際預(yù)報(bào)和了解輻合區(qū)擾動(dòng)發(fā)展的特征都有重要意義。他們對(duì)多臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)展的現(xiàn)象做了研究,發(fā)現(xiàn)熱帶輻合區(qū)的渦旋或擾動(dòng)是臺(tái)風(fēng)初始擾動(dòng)的主要來源,而正壓不穩(wěn)定是擾動(dòng)初期增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿σ蜃?。Gray(1979)通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn),6—10月是熱帶氣旋的高發(fā)期,并且北大西洋TC的生成在時(shí)間和空間上都有一定的集中性,即2～3周內(nèi)為TC群發(fā)期,之后的2～3周TC發(fā)生數(shù)很少。謝安和葉謙(1987)研究發(fā)現(xiàn)40 d左右的向外長(zhǎng)波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)低頻波與臺(tái)風(fēng)生成有密切的關(guān)系,1979年夏季臺(tái)風(fēng)的生成在空間上有明顯的集中性,在時(shí)間上清楚地集中在三個(gè)階段生成。何潔琳等(2013)利用客觀MJO指數(shù)及定義的西北太平洋TC群發(fā)標(biāo)準(zhǔn),研究了TC群發(fā)特征及其與MJO的相互作用,結(jié)果表明當(dāng)MJO強(qiáng)對(duì)流位于印尼群島東部和西太平洋東部時(shí)西北太平洋TC最易群發(fā);而當(dāng)MJO對(duì)流主要位于非洲和印度洋西部時(shí),TC群發(fā)受到抑制。孫長(zhǎng)等(2009)的研究表明1991年夏季西北太平洋TC活動(dòng)與對(duì)流活動(dòng)一致,都存在20～60 d的準(zhǔn)周期振蕩,對(duì)流濕位相期間大氣低層維持的較大尺度的低頻氣旋性環(huán)流為天氣尺度的熱帶氣旋的生成提供了有利的背景環(huán)流場(chǎng)。

以上研究表明,季節(jié)內(nèi)振蕩與TC的集中發(fā)生有一定的關(guān)系,同時(shí)TC的集中活動(dòng)并不是連續(xù)的,而是呈多發(fā)—少發(fā)—多發(fā)的周期形式。為了更好地分析季節(jié)內(nèi)振蕩干濕位相的演變與TC群發(fā)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,有必要對(duì)TC的群發(fā)過程給出明確的定義,因此本文將根據(jù)定義的TC群發(fā)標(biāo)準(zhǔn),分析大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)TC群發(fā)活動(dòng)的影響。

1　資料和方法

本文所用的資料有:1)NOAA的向外長(zhǎng)波輻射逐日資料OLR,水平分辨率為2.5°×2.5°,表征西北太平洋上的大尺度對(duì)流活動(dòng),時(shí)段為1979—2007年;2)NCEP/NCAR逐日再分析資料,時(shí)段為1979—2007年,水平分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向12層,包括相對(duì)濕度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)高度場(chǎng)。3)中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究整編的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(CMA-STI),每6 h一次的資料,包含熱帶氣旋的位置和強(qiáng)度,時(shí)間為1990年。本文所討論的熱帶氣旋,指活動(dòng)在赤道以北,180°E以西的熱帶氣旋,熱帶氣旋的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)《熱帶氣旋等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19201-2006),底層中心附近最大平均風(fēng)速達(dá)10.8 m/s以上,底層中心附近最大風(fēng)力達(dá)6級(jí)以上。根據(jù)上海臺(tái)風(fēng)所提供的CMA-STI資料顯示,1990年夏季(6—9月)南海—西北太平洋熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)多,且群發(fā)性明顯。因此,本文以1990年為例,考察大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)南海—西北太平洋上熱帶氣旋群發(fā)性的影響。

2　南?！魈窖蟮貐^(qū)對(duì)流的低頻振蕩特征

為了分析南海及其附近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的低頻振蕩特征,首先要找出該地區(qū)低頻振蕩的主要周期,下文將對(duì)流活動(dòng)的時(shí)間—經(jīng)度變化情況與10～20 d帶通濾波的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1　a.孟加拉灣東南部地區(qū)OLR 10～20 d帶通濾波變化曲線;b.10～15°N緯度帶OLR時(shí)間—經(jīng)度剖面(單位:W·m-2;陰影區(qū)小于210);c.南?！魈窖蟮貐^(qū)OLR 10～20 d帶通濾波變化曲線Fig.1　a.10—20 d bandpass filter curves of OLR(units:W·m-2) in the southeastern area of the Bay of Bengal;b.Time—longitude section of OLR along 10—15°N(OLR in the shaded areas is less than 210 W·m-2);c.10—20 d bandpass filter curves in the SCS—WNP

2.1低頻振蕩的周期分析

圖1給出了1979—2007年平均的6—9月10～15°N緯度帶OLR時(shí)間—經(jīng)度剖面。80～160°E孟加拉灣—西太平洋的近赤道地區(qū)有兩個(gè)主要的對(duì)流區(qū),分別位于90～105°E的孟加拉灣東部地區(qū)和110～130°E的南?！魈窖蟮貐^(qū)。6—9月期間,兩支對(duì)流沒有明顯的緯向傳播特征。本文主要研究南?！魈窖蟮貐^(qū)的對(duì)流活動(dòng),這支對(duì)流在6月初較弱,從6月下旬到8月中旬逐漸增強(qiáng),8月下旬之后又逐漸減弱。從圖中可以發(fā)現(xiàn),這段時(shí)期,南?！魈窖蟮貐^(qū)上空常出現(xiàn)OLR小于200 W/m2的強(qiáng)對(duì)流中心,其時(shí)間間隔大約為1～2周。分別將南?！魈窖蟮貐^(qū)(110～130°E,10～15°N)和孟灣東南部(90～105°E,10～15°N)區(qū)域平均OLR進(jìn)行10～20d帶通濾波處理,得到QBWO的時(shí)間序列。由圖1可見,南?！魈窖蟮貐^(qū)OLR的10～20 d濾波后每一個(gè)極小值都對(duì)應(yīng)了強(qiáng)對(duì)流中心的出現(xiàn),即濾波后的時(shí)間序列包含了原序列中主要的低頻變化特征,類似的,孟加拉灣東南部地區(qū)OLR中的極小值也對(duì)應(yīng)了90～100°E之間強(qiáng)對(duì)流中心的出現(xiàn)。對(duì)比兩側(cè)曲線,可見南海—西太平洋地區(qū)OLR的10～20 d濾波后的時(shí)間序列包含了原序列中主要的低頻變化特征,小波分析的結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論。因此,下文僅對(duì)110～130°E、10～15°N南海—西太平洋地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的QBWO進(jìn)行分析。

2.2南海—西太平洋地區(qū)準(zhǔn)雙周振蕩的年際變化

由以上分析結(jié)果可知,QBWO是南?！魈窖蟮貐^(qū)對(duì)流活動(dòng)的顯著周期。那么該地區(qū)對(duì)流的活動(dòng)的年際變化如何?QBWO的方差貢獻(xiàn)如何?各年QBWO強(qiáng)度變化如何?下面將從這些方面分析南?！魈窖蟮貐^(qū)對(duì)流的低頻振蕩活動(dòng)。

2.2.1低頻對(duì)流的頻譜特征

為了進(jìn)一步確定1979—2007年各年南?！魈窖蟮貐^(qū)低頻振蕩最顯著的周期,首先對(duì)115～120°E、10～15°N范圍1979—2007年OLR的逐年6—9月時(shí)間序列進(jìn)行了功率譜分析,并將歷年季內(nèi)活動(dòng)通過95 %置信水平的顯著譜峰所對(duì)應(yīng)的周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖略)。結(jié)果表明,季內(nèi)活動(dòng)顯著譜峰主要集中在3個(gè)譜段:MJO(30～60 d),準(zhǔn)雙周(10～20 d)和準(zhǔn)1周(5～10 d),這三個(gè)譜段在大部分年份都存在,說明南?！魈窖蟮貐^(qū)的對(duì)流活動(dòng)具有異?；钴S的MJO,以及準(zhǔn)1周和準(zhǔn)雙周的活動(dòng)周期。下面主要探討OLR的準(zhǔn)雙周振蕩活動(dòng)。

2.2.2QBWO的方差貢獻(xiàn)及強(qiáng)度變化

QBWO為南海—西太平洋地區(qū)OLR的顯著周期。那么QBWO在原始序列中的重要性如何?可以使用解釋方差的比值來加以判斷。濾波后的序列平均值近似等于零,因此對(duì)原序列的解釋方差可以寫為(Ren and Huang,2002):

比值越大,說明QBWO在原始序列中的方差貢獻(xiàn)越大。如圖2為6—9月QBWO與逐年原始序列的方差比?？梢钥闯?QBWO具有明顯的年際變化,方差貢獻(xiàn)最大的年份出現(xiàn)在1982年,達(dá)到了34%,方差貢獻(xiàn)次大值出現(xiàn)在1989年,達(dá)到了33%,而貢獻(xiàn)最小值出現(xiàn)在1995年。然而大部分年份QBWO占原始序列的方差貢獻(xiàn)都達(dá)到了20%以上,這說明南?！魈窖蟮貐^(qū)準(zhǔn)雙周振蕩在大氣低頻振蕩中有重要作用。

以上分析表明QBWO占原始序列的方差比有較大的年際變化,那么QBWO的強(qiáng)度是否也有類似的特征呢?采用季節(jié)內(nèi)振蕩方差定義法來表示QBWO的強(qiáng)度,計(jì)算1979—2007年逐年6—9月QBWO的方差,并將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化,結(jié)果如圖3所示。可見,準(zhǔn)雙周振蕩的強(qiáng)度具有明顯的年際變化,振蕩最強(qiáng)的年份出現(xiàn)在1989年,而最弱的年份出現(xiàn)在1988年。80年代以前振蕩的年際變化較大,80年代之后振蕩年際變化較小。

3　南?！魈窖蟮貐^(qū)的低頻振蕩和熱帶氣旋的群發(fā)活動(dòng)

3.1低頻振蕩的主要周期與熱帶氣旋的生成

根據(jù)上海臺(tái)風(fēng)所提供的CMA-STI資料顯示,1990年夏季(6—9月)南海—西北太平洋熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)多,且群發(fā)性明顯?？疾?990年夏季大氣低頻振蕩對(duì)南海—西北太平洋上熱帶氣旋群發(fā)性的影響。本文對(duì)熱帶氣旋群發(fā)的定義為:在赤道以北,180°E以西的南?！鞅碧窖蠛Ｓ?根據(jù)每6 h一次的TC資料,同一時(shí)刻有2個(gè)編號(hào)TC同時(shí)活動(dòng),記錄為一次群發(fā),持續(xù)的TC群發(fā)記為同一次群發(fā)過程。

圖2　南?！魈窖蟮貐^(qū)OLR的QBWO方差與原始序列的方差比的年際變化Fig.2　Interannual variability of the ratio of variance of the QBWO of OLR in the SCS-WNP to the variance of the original sequence

圖3　OLR的準(zhǔn)雙周振蕩強(qiáng)度的逐年標(biāo)準(zhǔn)化序列Fig.3　Standardized sequence of strength of the OLR QBWO

圖4給出了1990年6—9月南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)OLR的方差分布和熱帶氣旋生成的初始位置。從OLR的方差分布可以看出,方差最大的地區(qū)位于10～25°N,方差帶中有兩個(gè)明顯的大值中心,一個(gè)在南海—菲律賓的北部,另一個(gè)在145°E 附近。從圖中TC生成的位置可以看出,TC主要集中生成在兩個(gè)方差大值中心附近。因此,選取方差最大的區(qū)域(110～150°E、10～25°N) 作為研究的關(guān)鍵區(qū),該區(qū)域平均的OLR即表征西北太平洋上空的對(duì)流活動(dòng)情況。

對(duì)所選關(guān)鍵區(qū)內(nèi)平均的OLR時(shí)間序列進(jìn)行Morlet小波分析。由圖5可見,1990年6—9月南海—西北太平洋上對(duì)流活動(dòng)有顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩特征,其中最顯著的周期集中在15～30 d的頻帶內(nèi),此外還有8～14 d的次顯著振蕩周期。圖6分別給出了15～30 d和8～14 d濾波的OLR變化曲線,以及期間活動(dòng)在南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)10～25°N 緯帶內(nèi)的所有熱帶氣旋的生命期。根據(jù)文中給出的熱帶氣旋群發(fā)的定義,可以看出6—9月西北太平洋地區(qū)共有4次熱帶氣旋群發(fā)過程,分別為6月12—30日、7月20日—8月11日、8月12日—9月2日和9月3—21日,這4次群發(fā)過程中分別有4個(gè)、7個(gè)、5個(gè)和6個(gè)熱帶氣旋共同活動(dòng),其他時(shí)段沒有TC群發(fā)過程,這4次TC群發(fā)過程全部發(fā)生在西北太平洋對(duì)流活動(dòng)季節(jié)內(nèi)振蕩的濕位相,表明熱帶氣旋的群發(fā)性與季節(jié)內(nèi)振蕩的濕位相有密切的關(guān)系。分別觀察圖中兩個(gè)頻段振蕩濕位相,發(fā)現(xiàn)15～30 d顯著振蕩和8～14 d次顯著振蕩的濕位相都有熱帶氣旋的群發(fā)。7月20日—8月11日兩個(gè)頻段振蕩的濕位相重疊,且振幅較大,此時(shí)熱帶氣旋群發(fā)數(shù)最多(9011—9017號(hào)),但7月1—10日的濕位相期僅有9010號(hào)TC生成。同時(shí),8月下旬至9月上旬也是一段熱帶氣旋群發(fā)期,兩個(gè)頻段的濕位相重疊,且振幅較大。這說明當(dāng)15～30 d周期的對(duì)流活動(dòng)和8～14 d周期對(duì)流活動(dòng)都處于濕位相時(shí)期,且振幅較大時(shí),有利于熱帶氣旋的群發(fā)。

圖4　1990 年夏季6—9月OLR方差分布(單位:W/m2)和熱帶氣旋生成的初始位置(三角形:熱帶風(fēng)暴;實(shí)心圓:臺(tái)風(fēng)及以上級(jí)別)Fig.4　The OLR variance(units:W·m-2) in the summer(from June to September) of 1990 and the initial positions of the TC(triangles,tropical storms;solid circles,typhoons)

圖5　1990年夏季區(qū)域(110～150°E,10～25°N)平均的OLR的Morlet小波分析(陰影區(qū)表示通過95%的置信水平)Fig.5　Morlet wavelet analysis of area-averaged(10—25°N,110—150°E) OLR during the summer of 1990(shaded areas are statistically significant at the 95% confidence level)

圖6　1990年夏季OLR的15～30 d濾波(實(shí)線)和8～14 d濾波(虛線)的區(qū)域(110～150°E,10～25°N)平均和該年南?！鞅碧窖笊?—9月活動(dòng)的熱帶氣旋生命期(細(xì)實(shí)線,右側(cè)數(shù)字表示熱帶氣旋編號(hào))Fig.6　15—30 d filtered(solid line) and 8—14 d filtered(dashed line) area-averaged(10—25°N,110—150°E) OLR,along with the lifetimes of the TCs over the SCS-WNP(thin solid lines with TC numbers) during summer 1990

3.2低頻環(huán)流的演變與熱帶氣旋的生成

為了具體分析低頻環(huán)流系統(tǒng)的演變對(duì)熱帶氣旋群發(fā)活動(dòng)的影響,選取了顯著振蕩周期15～30 d作為濾波周期,將7月20日至8月10日每3 d平均的OLR及850 hPa風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行濾波,并給出對(duì)應(yīng)時(shí)間南?！鞅碧窖笊蠠釒庑顒?dòng)的位置,得出了低頻環(huán)流系統(tǒng)的演變與熱帶氣旋活動(dòng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7)。

圖7　3 d平均的15～30 d濾波的OLR(陰影,單位:W·m-2)和850 hPa流場(chǎng)演變(熱帶氣旋符號(hào)為3 d的平均位置,數(shù)字為熱帶氣旋編號(hào))　　a.7月20—22日平均;b.7月23—25日平均;c.7月26—28日平均;d.7月29—31日平均;e.8月1—3日平均;f.8月4—6日;g.8月7—9日;h.8月10日Fig.7　Evolution of the 3 d averaged OLR (15—30 d filtered) and 850 hPa wind fields (15—30 d filtered) (the day labeled in the upper-left corner is the median date;the average position of the TC is marked with the cyclone number on its right-hand side):(a)20—22 July;(b)23—25 July;(c)26—28 July;(d)29—31 July;(e)1—3 August;(f)4—6 August;(g)7—9 August;(h)10 August

7月21日西北太平洋對(duì)流活動(dòng)處于干位相至濕位相的過渡期,7月24日—8月2日是完整的濕位相期,8月4—9日為干位相期。在7月21日(圖7a),南海北部—西北太平洋地區(qū)為弱的OLR正距平,其他地區(qū)為弱的OLR負(fù)距平區(qū),低頻環(huán)流從南到北呈現(xiàn)異常的反氣旋—?dú)庑礆庑龓?南?！魈窖蟮貐^(qū)有9011號(hào)和9012號(hào)熱帶氣旋活動(dòng)。7月24日(圖7b),隨著南部反氣旋帶的向北推進(jìn),中部異常氣旋帶向北移動(dòng)并加強(qiáng),低頻對(duì)流區(qū)向西擴(kuò)展,對(duì)流中心強(qiáng)度明顯增強(qiáng),在對(duì)流強(qiáng)度中心位置生成了9013號(hào)熱帶氣旋。7月27日(圖7c),南?！魈窖蟮臍庑龓а杆傧驏|北伸展并加強(qiáng),同時(shí)對(duì)流活動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)。從OLR濕位相與850 hPa流線的位置來看,低頻氣旋為東西向,對(duì)流活動(dòng)的最強(qiáng)區(qū)位于氣旋中心及其東部區(qū)域,在此區(qū)域出現(xiàn)了3個(gè)新的熱帶氣旋9014號(hào)、9015號(hào)和9016號(hào),可以看出此時(shí)是熱帶氣旋群發(fā)高峰期。熱帶氣旋活動(dòng)頻繁,表明與對(duì)流濕位相相對(duì)應(yīng)的低頻氣旋性環(huán)流為TC的生成和發(fā)展提供了有利的環(huán)境背景場(chǎng)。與27日相比,30日的南?！鞅碧窖蟮皖l氣旋和對(duì)流異常進(jìn)一步東伸,并略有北移,反氣旋環(huán)流和OLR正距平逐漸加強(qiáng)并向北推進(jìn),9014號(hào)熱帶氣旋消亡,9013號(hào)、9015號(hào)和9016號(hào)熱帶氣旋繼續(xù)維持(圖7d)。以上分析表明,熱帶氣旋易于發(fā)生在低頻氣旋環(huán)流中心的東側(cè)和東南側(cè),這是因?yàn)榈皖l氣旋中心的東南側(cè)是西南風(fēng)速最大的地區(qū)(Gill,1980),也是輻合最強(qiáng)的區(qū)域,這種低空西風(fēng)急流容易激發(fā)初始擾動(dòng),從而導(dǎo)致熱帶氣旋的群發(fā)。

圖8　850 hPa流場(chǎng)合成分析的濕位相(a;7月21—8月1日)和干位相(b;8月2—13日)(粗實(shí)線表示東亞季風(fēng)槽的位置)Fig.8　Synthetic analysis of 850 hPa streamline fields in the (a)wet phase(21 July to 1 August) and (b)dry phase(2—13 August)(solid lines represent the monsoon trough)

8月2—10日,異常的反氣旋環(huán)流和OLR的正距平逐漸控制南?！魈窖蟮貐^(qū)(圖7e—h),大氣季節(jié)內(nèi)振蕩逐漸進(jìn)入干位相,對(duì)流活動(dòng)受到抑制,可以看出,在這一時(shí)段僅有9017號(hào)熱帶氣旋在逐漸向北推進(jìn)的濕位相中生成,而9016號(hào)熱帶氣旋逐漸減弱消亡。

4　季風(fēng)槽對(duì)熱帶氣旋群發(fā)的影響

以上分析表明1990年夏季在對(duì)流活動(dòng)的干濕位相,熱帶氣旋的發(fā)生頻數(shù)有很大的差異。因此,分別將干濕位相期的850 hPa流場(chǎng)進(jìn)程合成分析,圖8a為7月21日—8月1日的850 hPa流場(chǎng)合成,圖8b為8月2—13日的850 hPa流場(chǎng),這兩個(gè)時(shí)段分別是南海—西北太平洋低頻對(duì)流活動(dòng)的濕位相和干位相?？梢钥闯?在濕位相期間,南海季風(fēng)槽和西太平洋季風(fēng)槽十分活躍,強(qiáng)度偏強(qiáng),位置從我國(guó)西南地區(qū)經(jīng)南海北部東伸至150°E以東(圖8a);而在季節(jié)內(nèi)振蕩干位相期,季風(fēng)槽中斷,西北太平洋季風(fēng)槽的位置僅東伸到140°E附近,并且強(qiáng)度很弱(圖8b)。由于熱帶氣旋都生成在7月21日—8月1日的濕位相期,也就是季風(fēng)槽的活躍期,而在8月2—13日的干位相期沒有熱帶氣旋生成(圖7a—g)。以上分析表明,由于干、濕位相期間東亞季風(fēng)槽的活躍程度不同,從而制約著南海—西北太平洋熱帶氣旋的生成和發(fā)展。

為了進(jìn)一步分析季風(fēng)槽的強(qiáng)度與熱帶氣旋群發(fā)的關(guān)系,將季風(fēng)槽區(qū)劃分為3塊,分別為南海季風(fēng)槽(105～120°E、5～25°N)、西北太平洋季風(fēng)槽西段(120～140°E、5～25°N)和西北太平洋季風(fēng)槽東段(140～160°E、5～25°N),各區(qū)域850 hPa平均正渦度代表該區(qū)的季風(fēng)槽強(qiáng)度(高建蕓等,2011),設(shè)定總指數(shù)IZ為南海季風(fēng)槽指數(shù)ISCS、西北太平洋季風(fēng)槽西段指數(shù)IWP及西北太平洋季風(fēng)槽東段指數(shù)IEP的和。季風(fēng)槽強(qiáng)度指數(shù)越大,季風(fēng)槽越強(qiáng)。

計(jì)算5—10月西北太平洋季風(fēng)槽逐日強(qiáng)度指數(shù),從季風(fēng)槽的強(qiáng)度指數(shù)和熱帶氣旋頻數(shù)的時(shí)序(圖9)可以看出,6—9月西北太平洋地區(qū)共有4次熱帶氣旋群發(fā)過程,分別在6月中旬、7月下旬、8月中下旬和9月上中旬,總指數(shù)IZ直觀地反映了季風(fēng)槽強(qiáng)度的變化,6—10月共4個(gè)IZ的高值區(qū)與4次TC群發(fā)過程完全對(duì)應(yīng)。6月中旬由于ISCS、IWP和IEP增大,總指數(shù)IZ增大,產(chǎn)生了一次TC群發(fā)過程。7月下旬,ISCS的增大對(duì)IZ有主要貢獻(xiàn),在IZ高值區(qū)第二次熱帶氣旋群發(fā)。8月中下旬,IWP的增大對(duì)IZ有主要貢獻(xiàn),使得第三次熱帶氣旋群發(fā)。9月中上旬,ISCS和IWP的增強(qiáng)對(duì)IZ有主要貢獻(xiàn),第四次熱帶氣旋群發(fā)。以上分析表明,熱帶氣旋的群發(fā)與季風(fēng)槽強(qiáng)度指數(shù)的高值區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,任何一段季風(fēng)槽的增強(qiáng)都有可能導(dǎo)致季風(fēng)槽總指數(shù)IZ的增大,使得熱帶氣旋群發(fā)。

圖9　1990年5—10月的季風(fēng)槽強(qiáng)度指數(shù)(單位:10-6 s-1)和熱帶氣旋的發(fā)生次數(shù)(紅線,已放大20倍)Fig.9　Monsoon trough intensity index(units:10-6 s-1) and the number of TCs (red line,×20 times) from May to October 1990

5　結(jié)論

首先從氣候角度分析了南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)的低頻振蕩特征,分析了1990年夏季6—9月南?！鞅碧窖笊蠠釒庑喊l(fā)性特征及其與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的關(guān)系。結(jié)果表明,孟加拉灣—西太平洋的近赤道地區(qū)有兩支主要的對(duì)流區(qū),分別位于孟加拉灣東南部和南?！魈窖蟮貐^(qū)。小波分析和功率譜分析的結(jié)果表明準(zhǔn)雙周(10～20 d)振蕩周期是南海—西太平洋地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的主要周期,大部分年份QBWO占原始序列的方差貢獻(xiàn)達(dá)20%以上。QBWO的強(qiáng)度具有明顯的年際變化,80年代以前強(qiáng)度變化較大,80年代之后變化較小。

對(duì)1990年6—9月南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)的低頻對(duì)流活動(dòng)分析表明,該地區(qū)存在15～30 d的顯著振蕩周期和8～14 d的次顯著振蕩周期,兩個(gè)頻段的濕位相都有熱帶氣旋的群發(fā),當(dāng)兩個(gè)頻段濕位相重疊時(shí),熱帶氣旋群發(fā)數(shù)最多。1990年夏季6—9月西北太平洋地區(qū)共有4次熱帶氣旋群發(fā)過程,4次過程全部發(fā)生在西北太平洋低頻對(duì)流活動(dòng)的濕位相。分析低頻對(duì)流干位相—濕位相—干位相的演變,發(fā)現(xiàn)TC活動(dòng)的多發(fā)期集中在濕位相,濕位相期間大氣低層為低頻氣旋性環(huán)流,較強(qiáng)的正渦度有利于初始渦旋擾動(dòng)的形成和發(fā)展,從而為熱帶氣旋的群發(fā)提供有利的環(huán)流背景場(chǎng)。隨著低頻振蕩的向西傳播,西北太平洋地區(qū)逐漸進(jìn)入干位相,對(duì)流活動(dòng)受到抑制,不利于熱帶氣旋的生成和發(fā)展。

季風(fēng)槽的強(qiáng)度是影響熱帶氣旋群發(fā)的重要因子。當(dāng)季節(jié)內(nèi)振蕩處于濕位相時(shí),南海季風(fēng)槽和西北太平洋季風(fēng)槽都十分活躍,東伸強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。根據(jù)定義的季風(fēng)槽強(qiáng)度指數(shù),發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的群發(fā)與季風(fēng)槽強(qiáng)度指數(shù)的高值區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,1990年5—10月季風(fēng)槽總指數(shù)IZ共產(chǎn)生了4次增強(qiáng)過程,與4次TC的群發(fā)過程完全對(duì)應(yīng),由于季風(fēng)槽的活躍使得對(duì)流活動(dòng)處于濕位相期,同時(shí)季風(fēng)槽區(qū)提供了有利的正渦度條件,促使TC群發(fā)活動(dòng)的產(chǎn)生。同時(shí)任何一段季風(fēng)槽的增強(qiáng)都有可能導(dǎo)致季風(fēng)槽總指數(shù)IZ的增大,使得熱帶氣旋群發(fā)。

References)

曹劍,吳立廣,潘維玉.2012.2006年7—9月西北太平洋熱帶氣旋季節(jié)活動(dòng)的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(2):148-162.Cao J,Wu L G,Pan W Y.2012.Simulated seasonal activity of tropical cyclones over the western North Pacific during July-September 2006[J].Trans Atmos Sci,35(2):148-162.(in Chinese).

陳光華,黃榮輝.2009.西北太平洋低頻振蕩對(duì)熱帶氣旋生成的動(dòng)力作用及其物理機(jī)制[J].大氣科學(xué),33(2):205-214.Chen G H,Huang R H.2009.Dynamical effects of low frequency oscillation on tropical cyclogenesis over the western North Pacific and the Physical Mechanisms[J].Chin J Atmos Sci,32(2):205-214.(in Chinese).

Chen L X,Zhu C W,Wang W,et al.2001.Analysis of characteristics of 30—60 day low fre-quency oscillation over Asia during1998 SCSMEX[J].Adv Atmos Sci,18 (4):623-638.

丁一匯,范惠君,薛秋芳,等.1977.熱帶輻合區(qū)中多臺(tái)風(fēng)同時(shí)發(fā)展的初步研究[J].大氣科學(xué),2 (1):89-98.Ding Y H,Fan H J,Xue Q F,et al.1977.A preliminary study on the simultaneous developments of the multiple typhoons in the intertropical convergence zone[J].Chin J Atmos Sci,2 (1):89-98.(in Chinese).

高建蕓,呂心艷,張秀芝,等.2011.南?！鞅碧窖蠹撅L(fēng)槽中熱帶氣旋群發(fā)的研究II.影響機(jī)制研究[J].海洋學(xué)報(bào),33(3):28-37.Gao J Y,Lye X Y,Zhang X Z,et al.2011.Research on the cluster of tropical cyclogenesis in the South China Sea-western North Pacific monsoon trough.II.Mechanism of the inf luence[J].Acta Oceanologica Sinica,33(3):28-37.(in Chinese).

Gray W M.1979.Hurricanes:Their formation,structure and likely role in the tropical circulation [C]//Shaw D B.Meteorology over the tropical oceans.Bracknell,Britain:Roy Meteor Soc:155-218.

Gill A E.1980.Some simple solutions for heat-induced tropical circulation [J].Quart J Roy Meteor Soc,106:447-462.

Hartmann D L,Michelsen M L,Klein S A.2010.Seasonal variations of tropical intraseaso-nal oscillations:A 20—25-day oscillation in the Western Pacific[J].Atmos Sci,49(14):1277-1289.

何金海,Murakami T,Nakazawa T.1984.1979年夏季亞洲季風(fēng)區(qū)域40～50天周期振蕩的環(huán)流及其水汽輸送場(chǎng)的變化[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2 (2):163-175.He J H,Murakami T,Nakazawa T.1984.The changes of the 40—50 days periodic oscillation of circulation and the water vapor transportation in the summer of 1979 the Asian monsoon region [J].J Nanjing Inst Meteor,2 (2):163-175.(in Chinese).

何潔琳,段安民,黃永森.2013.西北太平洋熱帶氣旋群發(fā)與MJO的聯(lián)系[J].氣象科技進(jìn)展,3(3):46-51.He J L,Duan A M,Huang Y S.2013.On the relationship between MJO and clustering of tropical cyclone activities over the western North Pacific[J].Advances in Meteorological Science & Technology,3(3):46-51.(in Chinese).

金小霞,何金海,占瑞芬,等.2012.南海—西北太平洋地區(qū)大氣準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)TC生成的調(diào)節(jié)作用[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),28(4):451-460.Jin X X,He J H,Zhan R F,et al.2012.The modulation effect of Quasi-Biweekly oscilation on tropical cyclones over South China Sea-western North Pacific[J].J Trop Meteor,28(4):451-460.(in Chinese).

琚建華,錢誠(chéng),曹杰.2005.東亞夏季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩[J].大氣科學(xué),29(2):187-194.Ju J H,Qian C,Cao J.2005.The intraseasonal oscillation of East Asian summer monsoon[J].Chin J Atmos Sci,29(2):187-194.(in Chinese).

Liebmann B H,Hendon H,Glick J D.1994.The relationship between tropical cyclones of the western Pacific and Indian Oceans and the Madden-Julian Oscillation[J].Meteor Soc Japan,72:401-411.

盧珊,王黎娟,管兆勇,等.2012.低緯季風(fēng)涌影響登陸臺(tái)風(fēng)“榴蓮”(0103) 和“碧利斯”(0604) [J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(2):175-185.Lu S,Wang L J,Guan Z Y,et al.2012.Comparison of impacts of low-latitude monsoon surge on the enhanced rainstorm from landing typhoons Durian and Bilis[J].Trans Atmos Sci,35(2):175-185.(in Chinese).

Nakazawa T.1986a.Intraseasonal variations of OLR in the tropics during the FGGE year[J].J Meteor Soc Japan,64:17-31.

Nakazawa T.1986b.Mean features of 30—60 day variations as inferred from 8-year OLR data[J].J Meteor Soc Japan,64:777-786.

Ren B H,Huang R H.2002.10—25-day intraseasonal variations of convection and circulation associated with thermal state of the Western Pacific warm pool during boreal summer[J].Adv Atmos Sci,19:312-336.

孫長(zhǎng),毛江玉,吳國(guó)雄.2009.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)夏季西北太平洋熱帶氣旋群發(fā)性的影響[J].大氣科學(xué),33(5):950-958.Sun C,Mao J Y,Wu G X.2009.Influences of intraseasonal oscillations on the clustering of tropical cyclone activities over the western North Pacific during boreal summer[J].Chin J Atmos Sci,33(5):950-958.(in Chinese).

陶麗,李雙君,濮梅娟,等.2012.熱帶大氣準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋路徑的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(4):404-414.Tao L,Li S J,Pu M J,et al.2012.Impact of QBW on TC’s track change over the western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,35(4):404-414.(in Chinese).

王慧,丁一匯,何金海.2006.西北太平洋夏季風(fēng)的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)生成的影響[J].氣象學(xué)報(bào),64(3):345-356.Wang H,Ding Y H,He J H.2006.Influence of western North Pacific summer monsoon changes on typhoon genesis[J].Acta Meteor Sinica,64(3):345-356.(in Chinese).

謝安,葉謙.1987.OLR低頻振蕩與西太平洋臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的探討[J].氣象,13(10):8-13.Xie A,Ye Q.1987.Relationship between OLR low-frequency oscillation and the formation of typhoon over the Western Pacific[J].Meteor Mon,13(10):8-13.(in Chinese).

趙小平,沈新勇,王詠青,等.2012.越赤道氣流準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)路徑的調(diào)制作用[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),35(5):603-619.Zhao X P,Shen X Y,Wang Y Q,et al.2012.The modulation of quasi-biweekly oscillation of cross-equatorial flow on typhoon tracks over the western North Pacific[J].Trans Atmos Sci,35(5):603-619.(in Chinese).

祝從文,Nakazawa T,李建平.2004.大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)印度洋—西太平洋地區(qū)熱帶低壓/氣旋生成的影響[J].氣象學(xué)報(bào),62 (1):42-50.Zhu C W,Nakazawa T,Li J P.2004.Modulation of tropacal depression/cyclone over the Indian-Western Pacific oceans by Madden-Julian oscillation[J].Acta Meteor Sinica,62(1):42-50.(in Chinese).

Based on the tropical cyclone(TC) datasets provided by the Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration,the characteristics of the low-frequency oscillation over the South China Sea—western North Pacific (SCS—WNP) and its modulation of the clustering characteristics of TCs are studied.

The results show that there are two convection regions located in the SCS—WNP and southeast Bay of Bengal.The wavelet analysis and power spectrum analysis results show that the SCS—WNP convective activities exhibit an intraseasonal oscillation with a period of 10—20 days.In most years,the variance contribution of the quasi-biweekly oscillation(QBWO) accounts for more than 20% of the original sequence,showing that the QBWO in the SCS—WNP plays an important role in atmospheric low-frequency oscillation.The strength of the QBWO has obvious interannual variability,with the strength of change greater before the 1980s and smaller after the 1980s.

There were two significant oscillation periods in the SCS—WNP from June to September in 1990:15—30 days and 8—14 days.TCs were prone to occur in the wet phase,and when the wet phases of the two convections overlapped,the frequency of TCs was highest.According to predefined standards of TCs clustering,there were four TC clusters from June to September in 1990,and they showed a close relationship with the evolution of the low-frequency circulation.There was a complete wet phase from 24 July to 2 August,during which time the development of TCs was strong.The period 4—9 August was a complete dry phase,and in this time TCs gradually weakened and disappeared.The results show that TCs are prone to occur and develop in the wet phase.During the wet phase,there is low-frequency cyclonic circulation in the low-level atmosphere,and the strong positive vorticity is conducive to the formation and development of the initial vortex disturbance,which is favorable for TCs clustering.With the westward propagation of the low-frequency oscillation,the Northwest Pacific gradually enters into the dry phase,which is not conducive to TC clustering.

The monsoon trough has a significant impact on the clustering of TCs.During the wet phase,the SCS monsoon trough and the West Pacific monsoon trough are active,and the intensity of the eastward extension of the monsoon trough is obviously enhanced.Whereas,in the dry phase,the monsoon trough is interrupted,and the intensity is very weak.According to the defined monsoon trough intensity index,there is a good corresponding relationship between TC clustering and the monsoon trough intensity.From May to October in 1990,the monsoon trough intensity index had four enhancement processes,which matched with the TC clustering.An active monsoon trough turns the convection into the wet phase,while providing favorable positive vorticity,which is advantageous for TC clustering.

quasi-biweekly oscillation;wet phase;tropical cyclone;clustering;monsoon trough

(責(zé)任編輯：劉菲)

Characteristics of the low-frequency oscillation over the South China Sea—western North Pacific and its modulation of the clustering of tropical cyclones

JIN Xiaoxia1,HAN Guirong1,ZHAN Ruifen2,CHEN Shengjie1,HE Jinhai3,ZHANG Jin1

1JiangsuMeteorologicalObservatory,Nanjing210008,China;2ShanghaiTyphoonInstituteoftheChinaMeteorologicalAdministration,Shanghai200030,China;3SchoolofAtmosphericSciences,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140703002

*聯(lián)系人，E-mail:hgrong@vip.sina.com

引用格式：金小霞,韓桂榮,占瑞芬,等.2016.南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)低頻振蕩特征及其對(duì)TC群發(fā)過程的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(2):198-208.

Jin X X,Han G R,Zhan R F,et al.2016.Characteristics of the low-frequency oscillation over the South China Sea—western North Pacific and its modulation of the clustering of tropical cyclones[J].Trans Atmos Sci,39(2):198-208.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140703002.(in Chinese).