錢蘇偉,趙立清,王曉春,李慧
(1.南京海維斯海洋信息服務(wù)有限公司,江蘇南京210000;2.南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇南京210044)
Madden和Julian在上世紀(jì)七十年代的觀測研究發(fā)現(xiàn),熱帶大氣的風(fēng)場與氣壓場存在一種季節(jié)內(nèi)(周期40~50天)的低頻振蕩,這種振蕩起源于熱帶印度洋和西太平洋,以緯向東傳為主,此種振蕩后來被稱為熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩Madden-Julian Oscillation(MJO)[1]。研究表明,MJO對臺風(fēng)活動,比如數(shù)量、強(qiáng)度、生成位置,具有調(diào)制作用。Maloney等[2]用EOF方法對MJO位相進(jìn)行劃分,通過對不同位相合成分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)MJO處于西風(fēng)位相時(shí),東太平洋的臺風(fēng)數(shù)量是MJO處于東風(fēng)位相時(shí)的兩倍,且強(qiáng)度更強(qiáng)。Kim等[3]的工作指出,MJO對臺風(fēng)生成位置也有重要的調(diào)制作用。Zheng等[4]發(fā)現(xiàn),當(dāng)MJO處于活躍位相時(shí),中國南海生成的臺風(fēng)個(gè)數(shù)更多,起源地更加偏北。對于MJO調(diào)制臺風(fēng)的機(jī)制,國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了探索。田華等[5]發(fā)現(xiàn),MJO在對流層低層到中層通過影響低頻氣旋或低頻反氣旋的環(huán)流形勢,影響季風(fēng)槽及副熱帶高壓的位置和強(qiáng)度,進(jìn)而影響臺風(fēng)的活動。潘靜等[6]利用澳大利亞氣象局的實(shí)時(shí)多變量MJO指 數(shù) (Real-time Multivariate MJO index,RMM-MJO)[7],發(fā)現(xiàn)在MJO的不同位相,西北太平洋地區(qū)的動力因子分布形勢有很明顯的不同:MJO在第2、3位相時(shí),各種因子均呈現(xiàn)出抑制西北太平洋地區(qū)對流及臺風(fēng)發(fā)展的態(tài)勢,而在第5、6位相時(shí)則呈現(xiàn)出促進(jìn)對流發(fā)展、有利于臺風(fēng)生成和發(fā)展的態(tài)勢。周偉燦等[8]利用RMM-MJO指數(shù)進(jìn)一步分析了MJO不同位相時(shí)的大尺度環(huán)流背景,比如對流層低層風(fēng)及相對渦度場、對流層高層風(fēng)場及散度場、對流層垂直風(fēng)切變、對流層中層相對濕度等,表明MJO不同位相時(shí),大尺度環(huán)流背景場有明顯不同,可影響臺風(fēng)的生成及移動。趙海坤等[9]研究了季節(jié)內(nèi)振蕩與西北太平洋臺風(fēng)生成頻數(shù)的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)了MJO與準(zhǔn)雙周振蕩(Quasi-biweekly Oscillation,QBWO)對西北太平洋臺風(fēng)生成的聯(lián)合影響,他們發(fā)現(xiàn)西北太平洋上的大多數(shù)臺風(fēng)都生成在MJO和QBWO同處于活躍位相的時(shí)期;而在兩種季節(jié)內(nèi)振蕩都處于非活躍位相時(shí),生成的臺風(fēng)數(shù)量非常少。
RMM-MJO指數(shù)針對全年MJO的活動設(shè)計(jì),使用了15°S~15°N平均的緯向風(fēng)及外逸長波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)來描述季節(jié)內(nèi)振蕩的特征[7],其各個(gè)位相描述了MJO自西向東的移動特征,更加適合使用在北半球冬季。而夏季的季節(jié)內(nèi)振蕩在印度洋及南海區(qū)域有明顯的北移特征。因而Lee等[10]引入了北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩指數(shù) (BorealSummerIntraseasonal Oscillation,BSISO)來描述北半球夏季的季節(jié)內(nèi)振蕩。與RMM-MJO不同,BSISO指數(shù)使用亞洲夏季風(fēng)區(qū) (40~160°E,10°S~40°N)的 OLR 及 850 hPa緯向風(fēng)來定義,其各個(gè)位相描述了夏季季節(jié)內(nèi)振蕩在印度洋及西北太平洋的演變特征。
在關(guān)于BSISO指數(shù)的使用研究中,姜貴祥等[11]指出BSISO對中國東部地區(qū)夏季極端降水有重要的調(diào)控作用。更進(jìn)一步,施鴻等[12]通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)BSISO位相影響著中國東南沿海熱帶氣旋暴雨,7、8月熱帶氣旋暴雨主要發(fā)生于BSISO1的第 1、2、7、8 位相,在 BSISO2 第 5、6、7 位相熱帶氣旋暴雨的發(fā)生率也比較高。
分析季節(jié)內(nèi)振蕩對臺風(fēng)活動的調(diào)制作用時(shí),前人的工作往往采用臺風(fēng)生成個(gè)數(shù)這一指標(biāo)[13-14],對于臺風(fēng)的活動及移動特征,僅使用個(gè)數(shù)這一指標(biāo)是不夠的,因?yàn)榕_風(fēng)的路徑及移動并不是很容易定量評價(jià)或比較。另外季節(jié)內(nèi)至季節(jié)時(shí)間尺度極端天氣的預(yù)報(bào)目前也是國際及國內(nèi)氣象界的熱點(diǎn)問題[15],當(dāng)評價(jià)季節(jié)內(nèi)至季節(jié)尺度的預(yù)報(bào)系統(tǒng)對臺風(fēng)的預(yù)報(bào)技巧時(shí),使用臺風(fēng)位置及路徑便會產(chǎn)生一些困難問題,因?yàn)樵诩竟?jié)內(nèi)至季節(jié)時(shí)間尺度,預(yù)報(bào)系統(tǒng)往往不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出臺風(fēng)的位置甚至臺風(fēng)的生成。因而本文中將使用臺風(fēng)密集度這一指標(biāo),這一指標(biāo)以概率的形式描述臺風(fēng)生成及移動的特征,使用起來更加靈活。
本文利用夏季季節(jié)內(nèi)振蕩指數(shù)及臺風(fēng)密集度這一評估手段,分析夏季季節(jié)內(nèi)振蕩對臺風(fēng)活動的調(diào)制作用。第2節(jié)介紹了所使用的方法及資料,第3節(jié)分析了夏季季節(jié)內(nèi)尺度振蕩與臺風(fēng)活動的關(guān)系,并通過OLR與風(fēng)場異常揭示了夏季季節(jié)內(nèi)振蕩對臺風(fēng)活動調(diào)制作用的可能機(jī)制,第4節(jié)為總結(jié)。
本文使用的西北太平洋臺風(fēng)路徑觀測資料來自于美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心 (Joint Typhoon Warning Center,JTWC,http://www.metoc.navy.mil/jtwc/jtwc.html)。其“最佳臺風(fēng)路徑”資料集的時(shí)間分辨率為6小時(shí),提供每個(gè)熱帶氣旋從生成至消亡的位置、風(fēng)速及海平面氣壓等信息。本研究中選取了1981—2010年中5—10月的資料,使用了位置及風(fēng)速信息,僅把達(dá)到熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度的熱帶氣旋(1分鐘平均最大持續(xù)風(fēng)速大于17.2 m/s)納入研究范圍。
BSISO指數(shù)為Lee等[10]定義的北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩指數(shù)。Lee等通過將亞洲夏季風(fēng)區(qū)(40~160 °E,10 °S~40 °N)OLR 及 850 hPa緯向風(fēng)異常場進(jìn)行濾波處理,對它們進(jìn)行多變量經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解,從而得到前四個(gè)主成分(Principal Component,PC)的時(shí)間序列。其中,第1模態(tài)(PC1)和第2模態(tài)(PC2)時(shí)間系數(shù)平方和的根為BSISO1指數(shù)的模,第3模態(tài)(PC3)和第4模態(tài)(PC4)時(shí)間系數(shù)平方和的根為BSISO2指數(shù)的模。Lee等的分析表明,BSISO1與BSISO2主要時(shí)間尺度分別為30~60天和10~30天,能夠較好地代表北半球夏季亞洲季風(fēng)區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩的環(huán)流特征及向北傳播的特點(diǎn)。本文直接使用Lee等處理得到的1981—2010年每年5—10月的BSISO指數(shù)(iprc.soest.hawaii.edu/users/jylee/bsiso/)。當(dāng)分析 BSISO1和BSISO2對臺風(fēng)的影響時(shí),按照Lee等的處理方法[10],不考慮夏季季節(jié)內(nèi)振蕩較弱的時(shí)段,即(PC32+PC42)1/2≤1.5和(PC32+PC42)1/2≤1.5 的情況。在去掉這些時(shí)段之后,將BSISO1和BSISO2分別分成8個(gè)位相(圖2)。由表1可注意到,BSISO位相的樣本數(shù)一般在180~300天之間,最少天數(shù)為187天,最多天數(shù)為308天。因而我們的分析結(jié)果對臺風(fēng)活動有一定的代表性。
與Vitart和Robertson定義的臺風(fēng)密集度相類似[15],本文中臺風(fēng)密集度定義為一天內(nèi)(以每天0 GMT觀測為準(zhǔn)),500 km范圍內(nèi)臺風(fēng)出現(xiàn)的概率。圖1a為2001年5—10月西北太平洋生成的臺風(fēng)及其路徑,圖1b為依據(jù)圖1a中世界時(shí)0時(shí)的臺風(fēng)位置計(jì)算的臺風(fēng)密集度。對比圖1a及圖1b可注意到,對研究區(qū)域中的任意一點(diǎn),臺風(fēng)密集度都有定義,可靈活、定量地表示臺風(fēng)的生成及移動狀況。在實(shí)際計(jì)算中,將西北太平洋(105~165°E,5~30°N)劃分為水平分辨率為1°的網(wǎng)格,利用每天0 GMT的臺風(fēng)位置資料,以每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)為中心,統(tǒng)計(jì)500 km內(nèi)臺風(fēng)出現(xiàn)的個(gè)數(shù),得到觀測的臺風(fēng)密集度。當(dāng)某一格點(diǎn)500 km范圍內(nèi)臺風(fēng)的個(gè)數(shù)大于1時(shí),臺風(fēng)密集度仍取為1。因而本文定義的臺風(fēng)密集度,為臺風(fēng)出現(xiàn)的概率,而不是其頻數(shù)。如果使用500 km內(nèi)臺風(fēng)出現(xiàn)的個(gè)數(shù),得到的結(jié)果將與本文類似,因?yàn)樵趯?shí)際觀測中1 000 km范圍內(nèi)有兩個(gè)臺風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)的例子僅占總樣本的百分之一。本文將臺風(fēng)密集度定義為臺風(fēng)出現(xiàn)的概率,使得臺風(fēng)密集度這一指標(biāo)可更方便地用于臺風(fēng)預(yù)報(bào)的定量評估并使用Brier Skill Score評價(jià)臺風(fēng)的預(yù)報(bào)技巧[16]。所以對于每天的臺風(fēng)密集度,每一網(wǎng)格點(diǎn)的值為1或者0。選取500 km這一參數(shù),主要是考慮到伴隨臺風(fēng)的大風(fēng)及暴雨往往發(fā)生在臺風(fēng)中心500 km以內(nèi)。另外本文定義的臺風(fēng)密集度與 Zhang等[17]定義的臺風(fēng)生成頻數(shù)(Typhoon Genesis Frequency)不同。Zhang等的臺風(fēng)生成頻數(shù)為某一范圍內(nèi)7—10月臺風(fēng)生成的數(shù)量。其工作表明西北太平洋臺風(fēng)生成頻數(shù)與前期太平洋海溫異常密切相關(guān),并建立了利用前期太平洋海溫預(yù)報(bào)臺風(fēng)生成頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型。
表1 BSISO1與BSISO2不同位相的天數(shù)
為分析夏季季節(jié)內(nèi)振蕩影響臺風(fēng)活動的可能機(jī)制,本文利用美國NOAA系列氣象衛(wèi)星觀測的1981—2010年5月1日—10月31日2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格的逐日外逸長波輻射[18]與NCEP/Department of Energy產(chǎn)生的2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格的850 hPa再分析風(fēng)場[19],分別得到30年的逐日異常,進(jìn)而使用合成分析的方法計(jì)算出BSISO不同位相時(shí)外逸長波輻射與850 hPa風(fēng)場的異常。
表1為 BSISO1及BSISO2的值大于1.5時(shí),1981—2010年5月1日—10月31日每個(gè)位相的天數(shù),每個(gè)位相樣本數(shù)量均在100天以上。其中強(qiáng)BSISO1位相的天數(shù)總和為1 820天,占總天數(shù)(5 520天)的32.97%,而強(qiáng)BSISO2位相的天數(shù)總和占總天數(shù)的比率也為32.97%。對于BSISO1位相,第7位相擁有最多的天數(shù)(308),第4位相擁有最少的天數(shù)(158),其他位相天數(shù)在200天左右。對于BSISO2位相,天數(shù)分布比較均勻,每個(gè)位相分別擁有約220天。BSISO一般由第1位相演變?yōu)榈?位相,依照順序繼續(xù)演變,直到第8位相,之后由第8位相演變?yōu)榈?位相,形成一輪循環(huán)[10]。由表1可注意到,BSISO位相的樣本數(shù)一般在180~300天之間,最少天數(shù)為187天,最多天數(shù)為308天,因而我們的分析結(jié)果對臺風(fēng)活動有一定的代表性。
圖2為1981—2010年5月1日—10月31日期間BSISO1在1~8位相時(shí)的平均臺風(fēng)密集度。當(dāng) BSISO1 在 1、5、6、7、8 位相時(shí),南海及菲律賓以東海域臺風(fēng)密集度偏大,在這些位相,臺風(fēng)活動進(jìn)入一個(gè)活躍期。而在2、3、4位相時(shí),臺風(fēng)密集度明顯降低,臺風(fēng)活動為不活躍期。BSISO1在第5位相時(shí),中國南海地區(qū)臺風(fēng)密集度比其他地區(qū)大。第6、7位相時(shí)菲律賓以東臺風(fēng)密集度明顯變大,在第8位相時(shí),菲律賓海以東海域臺風(fēng)密集度達(dá)到最高值,此時(shí)該地受到臺風(fēng)影響的概率最大。并且從第5至第8位相,臺風(fēng)密集度大值區(qū)明顯北移。BSISO1由第8位相轉(zhuǎn)為第1位相后,西北太平洋臺風(fēng)密集度減小,第2、3位相臺風(fēng)密集度接近0,第4位相臺風(fēng)密集度開始增大,形成新一輪臺風(fēng)密集度由升高到降低再到升高的循環(huán)。表2表明,南海及菲律賓以東洋面(105~145°E,10~30°N)區(qū)域平均的臺風(fēng)密集度在第1、5、6、7、8位相顯著偏高,在第2、3、4位相顯著偏低,兩者都通過顯著水平為 0.05 的 t檢驗(yàn)。BSISO1 處于第 1、5、6、7、8位相時(shí)的平均臺風(fēng)密集度為8.78%,BSISO1處于2、3、4時(shí)的臺風(fēng)密集度為2.68%,兩者相差3.28倍。這一顯著的差異在季節(jié)內(nèi)至季節(jié)尺度的臺風(fēng)預(yù)報(bào)中可供參考。
根據(jù)圖3的OLR和850 hPa風(fēng)場異常分布圖,BSISO1處于第1位相時(shí),只有臺灣以東海域(140 °E,25 °N)出現(xiàn)小范圍 OLR 負(fù)異常,即對流正異常;第2位相時(shí)其向東移動并減弱,西太平洋被反氣旋環(huán)流異??刂?;在3位相時(shí)海洋大陸南側(cè)海域出現(xiàn)對流;第4~5位相,出現(xiàn)在菲律賓南部的對流正異常向菲律賓北部移動;第6~7位相時(shí)對流正異常開始向西北移動,主要集中在中國南海和西北太平洋;第8位相時(shí),對流減弱并移動到臺灣島以東海域。第6~8位相時(shí),在對流活動異常的同時(shí),南海及菲律賓以東海域?yàn)闅庑疆惓-h(huán)流。這樣的大尺度環(huán)流條件有利于臺風(fēng)的生成和發(fā)展。
BSISO2也可對臺風(fēng)活動有一定的調(diào)制作用。圖4為1981—2010年5月1日—10月31日期間BSISO2處于1~8位相時(shí)的臺風(fēng)密集度。當(dāng)BSISO2 處于 1、2、3、4、8 位相時(shí),臺風(fēng)密集度較大且范圍更廣,受臺風(fēng)影響概率大,為臺風(fēng)的活躍期。當(dāng)BSISO2處于5、6、7位相時(shí),臺風(fēng)密集度較低,受臺風(fēng)影響的概率小,為臺風(fēng)的不活躍期。在BSISO2的第1位相,臺風(fēng)密集度高值區(qū)位于菲律賓東部海域;2、3位相時(shí),臺風(fēng)密集度增大,并向北移動;第4位相時(shí),BSISO2的臺風(fēng)密集度達(dá)到最高,中心位置位于臺灣島以東的海域;從第2~第4位相,臺風(fēng)密集度大值區(qū)明顯北移。第5位相時(shí),臺風(fēng)密集度開始降低;當(dāng)BSISO2處于6、7位相時(shí),密集度接近0;第8位相時(shí),臺風(fēng)密集度逐漸增大,高值區(qū)出現(xiàn)在菲律賓海以東的太平洋上,開始新一輪循環(huán)。南海及菲律賓以東區(qū)域平均的臺風(fēng)密集度在BSISO2第2、3、4位相顯著偏高,在第5、6、7位相顯著偏低,通過了0.05置信度的t檢驗(yàn)(表 2第二行)。BSISO2第 2、3、4位相平均的臺風(fēng)密集度是第5、6、7位相平均的臺風(fēng)密集度的2.21倍。由此可看出,雖然BSISO2對西北太平洋的臺風(fēng)活動有調(diào)制作用,但與BSISO1相比,其調(diào)制作用明顯變?nèi)酢?/p>
從圖5的OLR和850 hPa風(fēng)場異常分布可注意到,當(dāng)BSISO2處于第1位相時(shí),對流正異常位于菲律賓東部的海域;在第2位相時(shí),對流向西部移動進(jìn)入中國南海;第3位相時(shí),對流正異常位于臺灣東部;第4位相時(shí)對流主體向東北方向延展;5~6位相對流減弱,西北太平洋主要由對流負(fù)異??刂疲坏?位相時(shí),140°E,15°N處開始出現(xiàn)較弱的環(huán)流正異常,并出現(xiàn)反氣旋環(huán)流異常;第8位相時(shí),菲律賓東部對流異常開始增強(qiáng),完成一輪循環(huán)。和BSISO1處于5~8位相的情形類似,當(dāng)BSISO2處于1~4位相時(shí),南海及臺灣以東海域?qū)α骰顒悠珡?qiáng)并且為氣旋式環(huán)流異??刂?,為臺風(fēng)生成及移動提供了有利的大尺度環(huán)流背景,這和BSISO2處于1~4位相時(shí)臺風(fēng)密集度的分布情形相一致。
為分析BSISO1及BSISO2對臺風(fēng)活動的聯(lián)合影響,表3展示了BSISO1及BSISO2處于不同位相時(shí),南海及菲律賓以東海域 (105~145°E,10~30°N)區(qū)域平均臺風(fēng)密集度。為使每種組合有盡量多的樣本,與單獨(dú)分析BSISO1及BSISO2的方法不同,表3使用了1980—2010年每年5—10月的所有天數(shù),沒有考慮BSISO1及BSISO2的值。表3中每種組合的樣本數(shù)在53~159天之間。表中橙色部分表示當(dāng)BSISO1及BSISO2處于相應(yīng)的位相時(shí),對應(yīng)的臺風(fēng)密集度在0.05置信度下顯著高于1980—2010年5—10月的平均臺風(fēng)密集度。藍(lán)色部分為顯著低于平均臺風(fēng)密集度的情形。由表3可看出,當(dāng)BSISO1處于位相5、6、7、8同時(shí)BSISO2處于位相2、3、4的情形下,所有這12種組合的臺風(fēng)密集度都顯著高于平均臺風(fēng)密集度,并且這12種組合的臺風(fēng)密集度平均為10.60%。當(dāng)BSISO1處于位相2、3、4同時(shí)BSISO2處于位相5、6、7的情形下,所有這9種組合的臺風(fēng)密集度都顯著低于平均臺風(fēng)密集度,并且這9種組合的臺風(fēng)密集度平均為2.89%。由此可看出,當(dāng)BSISO1及BSISO2同時(shí)處于顯著臺風(fēng)活躍位相時(shí) (BSISO1 處于位相 5、6、7、8,BSISO2 處于位相2、3、4),南海及菲律賓以東海域的臺風(fēng)密集度是BSISO1及BSISO2同時(shí)處于臺風(fēng)不活躍位相時(shí)的 3.68 倍(BSISO1 處于位相 2、3、4,BSISO2 處于位相 5、6、7)。這一比值高于 BSISO1或者BSISO2單獨(dú)處于臺風(fēng)活躍及不活躍位相時(shí)臺風(fēng)密集度的比值(BSISO1為3.28,BSISO2為2.21)。因而BSISO1及BSISO2的聯(lián)合作用也將調(diào)制臺風(fēng)活動,甚至比單獨(dú)考慮BSISO1及BSISO2時(shí)要強(qiáng),這種聯(lián)合的調(diào)制作用也可在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中參考。
表3 BSISO1及BSISO2處于不同位相時(shí),南海及菲律賓以東海域(105~145°E、10~30°N)區(qū)域平均的臺風(fēng)密集度(%) 其中彩色底紋為BSISO1及BSISO2位相通過顯著性水平0.05的t檢驗(yàn)的位相,藍(lán)色底紋低于樣本平均臺風(fēng)密集度,橙色底紋高于樣本平均臺風(fēng)密集度,黑色框線分別為BSISO1的5、6、7、8位相與BSISO2的2、3、4 位相的交集以及 BSISO1的 2、3、4位相與 BSISO2 的 5、6、7 位相的交集。
本文引入臺風(fēng)密集度作為臺風(fēng)生成及移動的指標(biāo),臺風(fēng)密集度定義為一天內(nèi)500 km范圍內(nèi)臺風(fēng)出現(xiàn)的概率。使用臺風(fēng)密集度,本文證實(shí)了夏季季節(jié)內(nèi)振蕩對臺風(fēng)的生成及移動有明顯的調(diào)制作用。夏季季節(jié)內(nèi)振蕩BSISO1及BSISO2都對臺風(fēng)活動有調(diào)制作用,且BSISO1對臺風(fēng)活動的調(diào)制作用要強(qiáng)于 BSISO2。當(dāng) BSISO1 處于第 1、5、6、7、8位相或者BSISO2處于第2、3、4位相時(shí),南海及菲律賓以東海域臺風(fēng)密集度增大,臺風(fēng)活動為活躍期。當(dāng)BSISO1處于第2、3、4位相或者BSISO2處于第5、6、7位相時(shí),臺風(fēng)密集度減小,臺風(fēng)活動為不活躍期。臺風(fēng)活躍期及不活躍期臺風(fēng)密集度相差2~3倍。臺風(fēng)密集度大值區(qū)在不同位相的演變及移動特征,與BSISO1及BSISO2處于不同位相時(shí)所對應(yīng)的夏季季節(jié)內(nèi)振蕩對流及環(huán)流異常相一致。另外,BSISO1及BSISO2的聯(lián)合作用也將影響南海及菲律賓以東海域的臺風(fēng)活動,并且強(qiáng)于單獨(dú)考慮BSISO1及BSISO2的情形。以上觀測事實(shí)對臺風(fēng)季節(jié)內(nèi)至季節(jié)尺度的預(yù)報(bào)有一定參考價(jià)值。