張冬娜，張 翰，程旭華，陳大可

(1.河海大學 海洋學院，江蘇 南京 210098；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519082;5.上海交通大學 海洋學院，上海 200030)

0 引言

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶、亞熱帶海面上的暖性氣旋性環(huán)流[1]，最大持續(xù)風速超過32.7 m/s的熱帶氣旋在西北太平洋一般稱為臺風[2]。熱帶氣旋是地球物理環(huán)境中最具破壞性的天氣系統(tǒng)之一，強烈的熱帶氣旋不僅會形成狂風暴雨，還往往伴隨著巨浪、風暴潮等，會對人民的生命及財產(chǎn)安全造成嚴重損失。西北太平洋是全球熱帶氣旋發(fā)生頻率最高、強度最強、破壞力最大的海區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，在西北太平洋平均每年約35個熱帶氣旋生成，約占全球熱帶氣旋生成總數(shù)的1/3[3]。我國地處西北太平洋西岸，是熱帶氣旋登陸最頻繁的國家之一[4]，也是受臺風災害最嚴重的國家之一[5]。據(jù)統(tǒng)計，1980—2004年期間，臺風災害造成我國傷亡人數(shù)約24萬，直接經(jīng)濟損失4 000多億元人民幣[6]。因此，研究西北太平洋熱帶氣旋活動特征及變化對于我國防災減損、經(jīng)濟發(fā)展及環(huán)境安全保障等都有重要意義。

對西北太平洋熱帶氣旋活動特征的研究[7-13]表明，自20世紀50年代以來熱帶氣旋的數(shù)量呈下降趨勢[14]，移速在1949—2016年期間顯著下降了20%[15],并且在過去的30 a中，其最大強度的平均緯度有向極地移動的顯著趨勢[16]。

不同的資料集在熱帶氣旋位置、強度、數(shù)量等方面研究結(jié)果都存在一定的差異，這與熱帶氣旋觀測技術(shù)的改變有關(guān)[17-20]。SONG et al[21]使用了美國聯(lián)合臺風預警中心、日本氣象廳和中國氣象局3套熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)，對西北太平洋熱帶氣旋強度進行了分析，結(jié)果表明，定強技術(shù)差異會造成不同資料集的熱帶氣旋強度長期變化趨勢不同。另外，1980年前后，在熱帶氣旋資料處理中開始廣泛應(yīng)用衛(wèi)星資料，各國衛(wèi)星觀測技術(shù)發(fā)展的不相同，對不同資料集的熱帶氣旋統(tǒng)計結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響[22-23]。

為了加深對西北太平洋熱帶氣旋活動特征的認識，本文使用了3套熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)資料，對位置點頻數(shù)、移速、最大持續(xù)風速和最大風速半徑的分布及變化進行了對比分析，對3套資料所呈現(xiàn)的熱帶氣旋活動的一致規(guī)律進行了總結(jié)。

1 資料及方法

本文使用的資料為中國氣象局(http://www.typhoon.org.cn)的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(簡稱CMA資料)，美國聯(lián)合臺風預警中心(https://pzal.ndbc.noaa.gov/collab/jtwc)的最佳路徑數(shù)據(jù)集(簡稱JTWC資料)以及日本氣象廳(http://www.jma.go.jp)的最佳路徑數(shù)據(jù)集(簡稱RSMC資料)。CMA資料提供了1949年以來西北太平洋熱帶氣旋每6 h的位置和強度(2 min平均近中心最大持續(xù)風速)；JTWC資料提供了1945年以來西北太平洋熱帶氣旋每6 h的位置、強度(1 min平均風速)和2000年之后的最大風速半徑；RSMC資料提供了1951年以來西北太平洋熱帶氣旋每6 h的位置和1977年以來熱帶氣旋的強度(10 min平均風速)，并且該資料不提供熱帶低壓(熱帶氣旋最大持續(xù)風速低于17.2 m/s)級別的數(shù)據(jù)。為了更好地對3套資料進行對比，本文選取3套資料共同的時間段(1951—2016年)作為研究期。1970年前后衛(wèi)星資料開始被廣泛應(yīng)用，1972年發(fā)明了DVORAK技術(shù)[24]，在1980年左右，實現(xiàn)了地球靜止衛(wèi)星的全球覆蓋[25]。另外，1976年左右太平洋出現(xiàn)了一次氣候相位轉(zhuǎn)換(太平洋年代際震蕩相位由負轉(zhuǎn)為正)[26]?？紤]到1980年前數(shù)據(jù)資料存在很多不確定性，1980年后資料相對更為可靠，所以本文將整個研究期分為1980年前(1951—1980年)和1980年后(1981—2016年)。

本文中的移速是指熱帶氣旋每6 h相鄰位置的平均移速，位置距離是基于地球橢球體的WGS-84模型計算而來。本文研究的時間序列趨勢利用線性回歸分析得到，回歸分析采用F檢驗統(tǒng)計量，p值作為結(jié)果置信度的遞減指標。相關(guān)系數(shù)表征變量之間線性相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)的大小表明了3套資料結(jié)果變化趨勢的一致程度，相關(guān)系數(shù)越接近于1，說明資料間的結(jié)果一致性越高。

2 熱帶氣旋活動特征

2.1 位置點頻數(shù)

熱帶氣旋位置點頻數(shù)是指數(shù)據(jù)集中記錄的熱帶氣旋次數(shù)，它是綜合了熱帶氣旋個數(shù)與生命史長度的量，在一定程度上表征了熱帶氣旋活動的特點。圖1是3套資料中每年熱帶氣旋位置點頻數(shù)的變化。在1951—1980年,兩兩數(shù)據(jù)集之間(CMA和JTWC、CMA和RSMC、JTWC和RSMC，下同)的相關(guān)系數(shù)分別為0.454(p=0.01)、0.898(p=1.82×10-11)和0.666(p=5.81×10-5)，CMA和RSMC資料結(jié)果一致性較高，其次為JTWC和RSMC資料，而CMA和JTWC資料結(jié)果一致性較低。3套資料(CMA、JTWC、RSMC)顯示1951—1980年西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)每年分別增加2.0個(p=0.67)、8.4個(p=0.03)和4.3個(p=0.35)。1981—2016年,兩兩數(shù)據(jù)集之間熱帶氣旋位置點頻數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.479(p=3.10×10-3)、0.901(p=7.20×10-14)和0.688(p=3.53×10-6)，與1951—1980年相比一致性更高。同樣地CMA和RSMC之間的變化顯著一致，而1990—2000年JTWC資料中位置點頻數(shù)明顯偏大，與CMA資料結(jié)果的相關(guān)系數(shù)較小。3套資料中，1951—2016年熱帶氣旋位置點頻數(shù)分別為64 199個(CMA)、64 098個(JTWC)和63 218個(RSMC)。3套資料結(jié)果相差不大，RSMC資料中位置點頻數(shù)略微偏小，部分原因是RSMC資料中不包含熱帶低壓數(shù)據(jù)。3套資料(CMA、JTWC、RSMC)中1981—2016年西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)每年分別減少6.9個(p=0.04)、8.6個(p=0.12)和5.1個(p=0.17)。

位置點頻數(shù)的單位空間分布反映了熱帶氣旋的路徑密度(圖2)。3套資料結(jié)果大致相同：南海中部、呂宋島以東至臺灣島東南部洋面，熱帶氣旋活動最頻繁，活躍中心位置分別約為(18.5°N, 115°E)和(17°N, 127°E)，這兩個熱帶氣旋出現(xiàn)高頻區(qū)域位于西太暖池地區(qū)，有利于熱帶氣旋的生成及發(fā)展。CMA資料結(jié)果顯示南海中部熱帶氣旋活動更頻繁，而JTWC資料結(jié)果則顯示呂宋島以東至臺灣島東南部洋面熱帶氣旋活動更頻繁。

圖1 CMA、JTWC和RSMC資料中1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)的年際變化(實線) 及1980年前、后的變化趨勢(虛線)Fig.1 Annual mean numbers of TC position points in western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC(solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

圖2 CMA(a)、JTWC(b)和RSMC(c)資料中1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋路徑密度Fig.2 TC track density in the western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA(a), JTWC(b) and RSMC(c) (等值線是統(tǒng)計了2.5°×2.5°經(jīng)緯度網(wǎng)格內(nèi)的熱帶氣旋位置點頻數(shù)。) (The contour lines are calculated by the numbers of TC position points in every 2.5°×2.5° statistical grid.)

圖3 CMA、JTWC和RSMC資料中1951—2016年每2°緯度內(nèi)西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)Fig.3 Numbers of TC position points in every 2° latitude-interval over western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC

圖3為每2°緯度內(nèi)熱帶氣旋的位置點頻數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。3套資料的結(jié)果基本一致，但是在25°N以南，RSMC資料結(jié)果相較CMA、JTWC資料結(jié)果偏低，而在25°N以北則偏高。位置點頻數(shù)隨緯度呈先增大后減小的變化規(guī)律，在18°N—20°N區(qū)間內(nèi)達到最大。熱帶氣旋主要出現(xiàn)在10°N—25°N范圍內(nèi)，約占熱帶氣旋總位置點頻數(shù)的65.3%(CMA)、67.0%(JTWC)和59.5%(RSMC)。

3套資料(CMA、JTWC、RSMC)顯示1951—1980年西北太平洋熱帶氣旋位置點每年分別南移0.04°(p=0.18)、0.03°(p=0.34)和0.04°(p=0.23)；1981—2016年每年分別北移0.03°(p=0.14)、0.06°(p=0.01)和0.06°(p=0.01)(圖4)。兩兩數(shù)據(jù)集之間，1951—2016年的相關(guān)系數(shù)分別為0.675(p=5.29×10-10)、0.806(p=3.32×10-16)和0.532(p=4.20×10-6)，3套資料的變化顯著一致，尤其是CMA和RSMC之間。相比較CMA資料結(jié)果，JTWC資料中熱帶氣旋位置點的平均緯度偏南，RSMC資料結(jié)果則偏北。

圖4 CMA、JTWC和RSMC資料中1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋位置點在緯度上的年際 變化(實線)及1980年前、后的變化趨勢(虛線)Fig.4 Annual mean latitude change of TC position points in western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC (solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

2.2 移速

圖5為西北太平洋熱帶氣旋移速的空間分布。3套資料的結(jié)果均表明，移速隨緯度增大而增大，且在25°N左右明顯加快，在緯度較高的區(qū)域，移速可達12 m/s，與緯度較低的區(qū)域移速相差約10 m/s。熱帶氣旋移速主要受其環(huán)境引導氣流的影響，相比較赤道地區(qū)，緯度較高的區(qū)域背景氣流為西風急流，相對較強。

圖5 CMA(a)、JTWC(b)和RSMC(c)資料中1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋移速的空間分布Fig.5 Spatial distribution of TC translation speed in the western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA(a), JTWC(b) and RSMC(c)

3套資料(CMA、JTWC、RSMC)顯示1951—1980年西北太平洋熱帶氣旋移速每年分別減小0.020 m/s(p=0.01)、0.034 m/s(p=1.70×10-3)和0.024 m/s(p=0.02)；1981—2016年移速每年分別減小0.002 m/s(p=0.78)、增加0.004 m/s(p=0.47)、減小0.011 m/s(p=0.07)(圖6)。兩兩數(shù)據(jù)集之間，1951—2016年移速的相關(guān)系數(shù)分別為0.770(p=4.13×10-14)、0.779(p=1.35×10-14)和0.850(p=3.63×10-19)，3套資料的變化規(guī)律顯著一致，尤其是JTWC和RSMC之間。1980年前移速呈顯著減小的趨勢，而1980年后移速的變化趨勢不顯著。

圖6 CMA、JTWC和RSMC資料中1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋移速的年際變化(實線) 及1980年前、后的變化趨勢(虛線)Fig.6 Annual mean TC translation speed in western North Pacific during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC (solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

單位移速區(qū)間內(nèi)西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見圖7。位置點頻數(shù)隨移速增大呈先增加后減少的變化規(guī)律，在4～5 m/s移速區(qū)間內(nèi)達到最大。在2～6 m/s 移速區(qū)間范圍內(nèi)位置點頻數(shù)較高，約占總位置點頻數(shù)的56.5%(CMA)、57.2%(JTWC)和53.4%(RSMC)。3套資料的結(jié)果基本一致。在3～8 m/s 移速區(qū)間內(nèi)，CMA資料結(jié)果相比于JTWC和RSMC資料結(jié)果稍微偏大。

圖7 CMA、JTWC和RSMC資料中1951—2016年單位移速區(qū)間內(nèi)西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)Fig.7 Numbers of TC position points in unit translation speed interval during 1951-2016 in three datasets of CMA, JTWC and RSMC

2.3 最大持續(xù)風速

圖8為西北太平洋熱帶氣旋最大持續(xù)風速的空間分布。最大持續(xù)風速在海盆中部區(qū)域(12°N—36°N，120°E—150°E)較大，以JTWC資料結(jié)果最為明顯，此區(qū)域也是熱帶氣旋活動頻發(fā)之地。CMA資料結(jié)果與JTWC和RSMC資料相比偏小，RSMC資料顯示最大持續(xù)風速在空間上變化不大。最大持續(xù)風速在3套資料中計算方式不同，CMA中為2 min平均風速，JTWC中為1 min平均風速，RSMC中為10 min平均風速且只提供1977年以后的最大持續(xù)風速數(shù)據(jù)，這些差異會對3套資料中熱帶氣旋最大持續(xù)風速的空間分布結(jié)果帶來影響。

圖8 CMA(a)、JTWC(b)資料中1951—2016年和RSMC(c)資料中1977—2016年西北太平洋熱帶氣旋最大持續(xù)風速的空間分布Fig.8 Spatial distribution of TC maximum wind speed in the western North Pacific in CMA(a), JTWC(b) datasets during 1951-2016 and RSMC dataset during 1977-2016(c)

CMA和JTWC資料顯示1951—1980年最大持續(xù)風速每年分別減慢0.083 m/s(p=0.11)和0.413 m/s(p=1.98×10-6)，JTWC資料相比CMA資料結(jié)果偏大且變化趨勢顯著(圖9)。兩兩數(shù)據(jù)集之間，1981—2016年最大持續(xù)風速的相關(guān)系數(shù)分別為0.487(p=2.60×10-3)、0.878(p=2.14×10-12)和0.580(p=2.09×10-4)，CMA資料與RSMC資料的變化顯著一致。3套資料(CMA、JTWC、RSMC)顯示1981—2016年最大持續(xù)風速的變化分別為每年增加0.043 m/s(p=0.18)、0.320 m/s(p=6.30×10-5)和0.025 m/s(p=0.37)，其中JTWC資料中最大持續(xù)風速增大的趨勢尤為顯著。

每5 m/s最大持續(xù)風速區(qū)間內(nèi)西北太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)如圖10所示。位置點頻數(shù)隨風速增大呈先增加后減少的變化規(guī)律，CMA資料與JTWC資料結(jié)果表明，位置點頻數(shù)在10～15 m/s最大持續(xù)風速區(qū)間內(nèi)達到最大，且CMA資料較JTWC資料結(jié)果偏大。由于RSMC資料僅提供1977—2016年熱帶低壓以上的最大持續(xù)風速數(shù)據(jù)，故其結(jié)果與CMA資料和JTWC資料結(jié)果存在差異。達到臺風級別的熱帶氣旋(最大持續(xù)風速高于32.7 m/s)的位置點頻數(shù)占總數(shù)的28.6%(CMA)、37.9%(JTWC)和40.7%(RSMC)。

圖9 CMA、JTWC資料中1951—2016年和RSMC資料中1977—2016年西北太平洋熱帶氣旋最大持續(xù)風速的 年際變化(實線)及1980年前、后的變化趨勢(虛線)Fig.9 Annual mean TC maximum wind speed in western North Pacific in CMA, JTWC datasets during 1951-2016 and RSMC dataset during 1977-2016(solid lines) and the trends before and after 1980(dashed lines)

圖10 CMA、JTWC資料中1951—2016年和RSMC資料中1977—2016年每5 m/s最大持續(xù)風速區(qū)間內(nèi)西北 太平洋熱帶氣旋位置點頻數(shù)Fig.10 Numbers of TC position points in 5 m/s maximum wind speed interval in the western North Pacific in CMA, JTWC datasets during 1951-2016 and RSMC dataset during 1977-2016

2.4 最大風速半徑

由于最大風速半徑數(shù)據(jù)僅JTWC資料提供，因此不同資料之間無法進行比較，在此只分析JTWC資料中熱帶氣旋和臺風的最大風速半徑特征。圖11為熱帶氣旋和臺風最大風速半徑的空間分布。在熱帶氣旋最大持續(xù)風速較大的區(qū)域(12°N—36°N，120°E—150°E)，最大風速半徑較小，區(qū)域內(nèi)平均最大風速半徑為45.31 km。在12°N以南及150°E以東的地區(qū)，熱帶氣旋最大風速半徑較大，區(qū)域內(nèi)平均最大風速半徑為66.72 km。臺風的最大風速半徑在25°N以北較大，區(qū)域內(nèi)平均最大風速半徑為 39.73 km。

圖11 JTWC資料中2001—2016年西北太平洋熱帶氣旋(a)和臺風(b)的最大風速半徑的空間分布Fig.11 Spatial distribution of radius of maximum wind speed of TC(a) and typhoon(b) in the western North Pacific in JTWC datasets during 2001-2016

2001—2016年熱帶氣旋和臺風的最大風速半徑每年分別減小0.46 km(p=0.30)和0.54 km(p=0.14)，但并不顯著(圖12)。2005年前，熱帶氣旋年平均最大風速半徑逐年減小，并在2005年達到極小值，為35.18 km。臺風年平均最大風速半徑在2006年達到極小值，為24.75 km。雖然臺風的最大風速半徑和熱帶氣旋相比較小，但是兩者變化規(guī)律顯著一致，相關(guān)系數(shù)為0.847(p=3.41×10-5)。

西北太平洋熱帶氣旋和臺風分別在每20 km和10 km 最大風速半徑區(qū)間內(nèi)位置點頻數(shù)見圖13，位置點頻數(shù)均隨最大風速半徑的增大呈先增加后減少的變化規(guī)律，分別在20～40 km和 20～30 km最大風速半徑區(qū)間內(nèi)達到最大。熱帶氣旋的最大風速半徑主要在0～100 km的范圍內(nèi)，約占熱帶氣旋總位置點頻數(shù)的97.2%。臺風最大風速半徑主要在10～50 km 的范圍內(nèi)，約占臺風總位置點頻數(shù)的88.9%。

圖12 JTWC資料中2001—2016年西北太平洋熱帶氣旋(a)和臺風(b)的最大風速半徑的 年際變化(實線)及其變化趨勢(虛線)Fig.12 Annual mean radius of maximum wind speed of TC(a) and typhoon(b) in western North Pacific in JTWC dataset during 2001-2016(solid lines) and the trends (dashed lines)

圖13 JTWC資料中2001—2016年西北太平洋熱帶氣旋每20 km最大風速半徑區(qū)間內(nèi)(a)和臺風每10 km 最大風速半徑區(qū)間內(nèi)(b)的位置點頻數(shù)Fig.13 Numbers of position points in TC 20 km(a) and typhoon 10 km(b) maximum wind speed interval in JTWC dataset during 2001-2016

3 結(jié)論

本文使用了CMA、JTWC、RSMC 3套資料中1951—2016年西北太平洋熱帶氣旋的最佳路徑數(shù)據(jù)，對位置點頻數(shù)、移速、最大持續(xù)風速、最大風速半徑進行了統(tǒng)計分析，得到結(jié)論如下：

3套資料的結(jié)果在1980年后一致性更高。1980年前熱帶氣旋位置點頻數(shù)有增加的趨勢，1980年后相反。在南海中部、呂宋島以東至臺灣島東南部洋面，熱帶氣旋活動最頻繁，活躍中心位置分別約為(18.5°N, 115°E) 和(17°N, 127°E)。1980年前熱帶氣旋位置點有南移的趨勢，1980年后相反。熱帶氣旋主要發(fā)生在10°N—25°N范圍內(nèi)，其位置點頻數(shù)隨緯度呈先增大后減小的變化規(guī)律，在18°N—20°N區(qū)間內(nèi)達到最大。

熱帶氣旋移速隨緯度增大而增大，且在25°N左右明顯加快。1980年前移速呈顯著減小的趨勢，而1980年后移速的變化趨勢不顯著。移速主要在2～6 m/s 范圍內(nèi)，其位置點頻數(shù)隨移速增大呈先增加后減少的變化規(guī)律，在4～5 m/s移速區(qū)間內(nèi)達到最大。

在最大持續(xù)風速的空間分布上，CMA資料結(jié)果與JTWC和RSMC資料相比偏小。最大持續(xù)風速在海盆中部區(qū)域(12°N—36°N，120°E—150°E)較大，此區(qū)域也是熱帶氣旋活動頻發(fā)之地。1980年前最大持續(xù)風速有減小的趨勢，1980年后有增加的趨勢，且JTWC資料結(jié)果尤為顯著。JTWC資料結(jié)果與其他資料的結(jié)果相差較大。位置點頻數(shù)隨風速增大呈先增加后減少的變化規(guī)律，在10～15 m/s最大持續(xù)風速區(qū)間內(nèi)達到最大，達到臺風級別的熱帶氣旋占28.6%(CMA)、37.9%(JTWC)和40.7%(RSMC)。

最大持續(xù)風速較大的區(qū)域里最大風速半徑較小，臺風的最大風速半徑在25°N以北較大，熱帶氣旋和臺風最大風速半徑的變化顯著一致，熱帶氣旋和臺風2001—2016年最大風速半徑有減小的趨勢。臺風的最大風速半徑和熱帶氣旋相比較小。熱帶氣旋和臺風位置點頻數(shù)隨最大風速半徑的增大呈先增加后減小的變化規(guī)律，分別在20～40 km和20～30 km最大風速半徑區(qū)間內(nèi)達到最大。熱帶氣旋的最大風速半徑主要出現(xiàn)在0～100 km范圍內(nèi)，臺風的主要出現(xiàn)在10～50 km范圍內(nèi)。

總體來說，CMA資料和RSMC資料得到的西北太平洋熱帶氣旋活動特征(包括位置點頻數(shù)、移速以及最大持續(xù)風速)高度一致，而JTWC資料結(jié)果則與CMA和RSMC資料結(jié)果都存在一定的差異。這些差異究竟是由資料間差異造成的，或是衛(wèi)星觀測技術(shù)變化造成的，還是氣候變化造成的，需要進一步探討。