ENSO对西北太平洋热带云团形成及其发展为热带气旋的影响外文翻译资料

 2022-12-20 21:22:05

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ENSO对西北太平洋热带云团形成及其发展为热带气旋的影响

Hsu-Feng Teng, Cheng-Shang Lee, and Huang-Hsiung Hsu

中国台湾大学大气科学系台风和洪水应用研究所

摘要: 本研究分析了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）对西北太平洋（WNP）热带云团（TCC）活动的影响。TCC至少具有一个中尺度对流系统并持续至少24个小时。1981-2009年的7-10月中共有1184个热带云团。与正常年相比，在厄尔尼诺年，西北太平洋东部（西部）有较多（少）的热带云团生成，而在拉尼娜年则相反。热带气旋与热带云团个数的比例（热带气旋生成率）为27.3％，这结果高于之前的研究。在西北太平洋的子区域内，热带气旋生成率与海洋尼诺指数的关系并不好。ENSO对西北太平洋子区域内热带气旋频数的影响主要是来源于TCC数量的变化，而不是热带气旋生成率的变化。

  1. 引言

ENSO是与热带太平洋海气相互作用相关的重要年际信号。热带地区的海表面温度（SST），温跃层和大气环流模式随ENSO信号的变化而变化。除全球环流外，热带气旋等天气系统也受到ENSO的影响。ENSO对西北太平洋热带气旋活动（包括生成，轨迹和强度）的影响已被广泛研究（e.g., Chan, 1985, 2000; Lander, 1994; Wang and Chan, 2002; Camargo and Sobel, 2005; Camargo et al., 2007a, 2007b）。在厄尔尼诺年，热带气旋往往在西北太平洋东部形成。西北太平洋东部生成的热带气旋在登陆前会移动较远的距离。这就导致厄尔尼诺（拉尼娜）年热带气旋的平均最大强度比正常年份高（低）(Wang and Chan，2002; Camargo and Sobel，2005)。

尽管已经有很多研究探讨了ENSO与热带气旋活动之间的关系，ENSO对热带云团的影响除Hennon等人（2013）外很少被研究。在特定条件下，热带云团将会发展为热带气旋[Gray，1998];否则，热带云吞将会逐渐减弱并消散（Lee, 1989a, 1989b; Hennon and Hobgood, 2003; Bessho et al. 2010; Kerns and Chen, 2013）。Hennon等人（2013）研究表明，ENSO影响了热带云团（热带气旋的种子）的频数，位置和发展。因此，为了更好地理解ENSO对西北太平洋热带气旋生成的影响，必须先研究ENSO与热带云团活动之间的联系。此外，还必须分析不同ENSO位相下热带云团的特征以及热带气旋生成的年际变化。

本文研究了ENSO对热带云团活动的影响，尤其是与西北太平洋热带气旋生成相关的热带云团。热带云团的定义是基于第二节中卫星数据。第三节提供了西北太平洋热带云团的统计和位置分布。第四节讨论了ENSO指数、西北太平洋环境因子和热带云团活动之间的关系（特别是有关热带气旋生成的热带云团）。最后，第5节对本研究进行了总结。

  1. 资料和热带云团的定义

本研究用了四组数据来分析热带云团。与Hennon等人（2011, 2013）描述方式类似，网格卫星资料（Knapp, 2008; Knapp et al., 2011)用来跟踪西北太平洋热带云团。网格卫星资料（v01r01）是从32个对地静止卫星收集的30年（1980-2009）近全球（70°S-70°N，180°W-180°E）云顶亮温（TB）获得的。网格卫星资料的均匀性允许连续跟踪每个海洋盆地的热带云团。国家环境预测中心（NCEP）的气候预报系统再分析（CFSR）资料(Saha et al., 2010)用来分析大气环境因子的作用。热带气旋的路径资料是从联合台风警报中心（JTWC）获得的，用来定义热带云团的发展情况并统计西北太平洋热带气旋的频数（最大风速ge;25节）。第四套资料是夏季7-9月（JAS）厄尔尼诺指数（ONI）。这被定义为从气候预测中心（CPC）获得的Nintilde;o3.4区连续3个月的平均海温距平。根据气候预测中心（CPC）的定义，厄尔尼诺（拉尼娜）年为ONI至少连续五个月大于（小于）0.5（-0.5）（包括JAS期间）；其他年则被视为正常年。

图1 2009年9月2-4日1800世界时全球卫星网格资料的云顶亮温，显示出一个发展热带云团和一些非发展云团。空心圈和方块分别代表发展和非发展云团的中心。实心点表示基于台风预警中心最佳路径资料的台风杜鹃（2009）的中心。

为了进一步的分析，一个热带云团必须包含两个基本结构：显著的外部对流和至少一个中尺度对流系统（MCS）(Gray, 1998)。外部对流区被定义为云顶亮温小于235 K的闭合连续区域(Mapes and Houze, 1993); 中尺度对流系统被定义为云顶温度小于208 K(Mapes and Houze, 1993; Kerns and Chen, 2013)。另外，规定热带云团7-10月在西北太平洋（0°N-30°N，100°E-180°E）生成，并至少在持续的24小时内满足以下条件：

（1）外部对流和中尺度对流系统的大小必须分别大于89419和 6776平方公里。统计云团的四分之三满足这个条件。

（2）在跟踪热带云团的移动时，两个连续时间段内（相隔3小时），一个热带云团的中心之间的距离必须小于450公里(Hennon et al., 2011)或热带云团的重叠区域大于其面积的50％(Williams and Houze, 1987; Kerns and Chen, 2013)。热带云团的中心位置被视为热带云团内中尺度对流系统大值的几何中心。

（3）两个不同热带云团之间的距离必须大于1100公里。

与以往的研究相比(Lee, 1989a; Mapes and Houze, 1993; Bessho et al., 2010; Hennon et al. 2011, 2013)，本研究中热带云团样本的选择具有更加严格的标准。与以往研究中分析的热带云团相比，本研究选择的热带云团能被更好地组织并更加有可能发展为热带气旋。例如，图1所示的热带云团中，有一个是台风杜鹃（2009）的种子，在2009年9月3日 1800 UTC发展成热带气旋。

  1. 热带云团和ENSO的统计

根据第2节描述的标准，1981 - 2009年7-10月定义了2248个热带云团（年平均为77.5）。如图2所示，西北太平洋热带云团的年际变化显著，最大值和最小值分别为99和57。热带云团生成的空间分布被定义为网格内热带云团频数与西北太平洋热带云团的总个数的比值。这表明，气候上大部分热带云团的生成与季风槽和辐合带有关（图3a）。与热带气旋生成位置（图3a中的点）相比，热带云团的生成位置偏东南，且大值区接近140°E，其中流线密集。

图2 整个西北太平洋（蓝线）、西北太平洋东部（绿线）和西部（红线）的热带云团频数的时间序列。对应颜色的虚线分别表示每个区域内热带气旋的平均个数。点和三角标记分别表示每个区域内热带云团频数的最大值和最小值。

如图3c和3d所示，厄尔尼诺现象（拉尼娜）年，季风槽向东延伸至150°-160°E（后退至120°-130°E）。ENSO对热带气旋的生成位置[Chen et al., 1998, 2006; Wang and Chan, 2002]和热带云团形成频率的空间分布的影响类似。正常年（图3b），热带云团生成频率的风场和空间分布都与气候态（图3a）相似。然而，厄尔尼诺和拉尼娜年热带云团生成频数的空间分布和气候态有显著差异（图3c和3d）。厄尔尼诺年的东部（西部）地区的热带云团的生成频率要高于（低于）拉尼娜年。

图3 1981-2009年7-10月850hPa的平均流线和热带气旋的生成位置（点标记）：（a）所有年份，（b）正常年份，（c）厄尔尼诺年和（d）拉尼娜年。（a）中的填色阴影表示气候态热带云团的生成频率（%），（b）（c）（d）中的阴影分别表示正常、厄尔尼诺和拉尼娜年相对于气候平均态的距平值。紫色虚线表示每个位相上季风槽的轴线。

表1 厄尔尼诺年、拉尼娜年和所有年份下整个西北太平洋、西北太平洋东部和西部区域内热带云团、热带气旋和气旋生成率的平均值。

为了突出ENSO对西北太平洋不同子区域热带云团生成的影响，以140°E经线为界，将西北太平洋分为西部（WWNP）和东部（EWNP）。该边界线是根据热带云团生成频率的气候峰值和季风槽的平均位置确定的。如图2所示，西北太平洋东部热带云团频数的年际变化大于西部。七年滑动平均的东部热带云团的代际变化比较显著，占总方差的28.1％。结果还表明，西北太平洋东部（西部）热带云团频数和ONI指数呈正（负）相关（表1）。类似的结果出现在热带气旋与ONI指数的相关上，但相关系数较低。这可能是因为热带云团的生成需要其它动力学条件（例如涡度和垂直风切变）才能发展成热带气旋。Chan (2000)和Wang和Chan (2002)研究表明，ENSO对西北太平洋不同子区域热带气旋的生成有不同的影响。结果表明，由于作用相互抵消，ONI指数和整个西北太平洋的热带气旋频数的相关系数仅为plusmn;0.08，与热带云团的关系类似（R = 0.10）。然而，Hennon等人(2013)发现TCC频数和ENSO之间存在很强的相关性（R = 0.67）。此外，他们发现1998年后TCC频数有明显增加，但这一趋势在本研究中并不明显（图2）。导致这些差异的可能原因正如图S2所示，两个研究中定义热带云团的标准和时间段是不同的。

为了进一步研究西北太平洋热带云团和天气状况之间的关系，热带气旋潜在生成指数（GPI）(Emanuel and Nola, 2004)被用来研究热带云团的生成。潜在生成指数是结合了再分析资料中的几个天气尺度环境因子创建的一个单一的值，代表了大尺度环境对热带气旋生成的有利性。Camargo等人[2007a]表示，西北太平洋季前和季后热带气旋的个数与潜在生成指数（GPI）相关，但在季中（6-10月）关系却不明显。本研究中，1981 - 2009年季中（7 - 10月）潜在生成指数和热带气旋的相关并不显著（0.06）。然而，当热带气旋替换为热带云团后相关系数增加到0.26。考虑西北太平洋子区域时，潜在生成指数和热带气旋频数的相关系数更高（东部为0.40，西部为0.51），高于子区域中潜在生成指数和热带气旋频数的相关（分别为0.11和0.42）。换句话说，相对于热带气旋，热带云团生成对潜在生成指数更为敏感。这一结果似乎是合理的，因为热带云团是生成热带气旋的初始扰动，更容易受来自周围环境的影响。所以，热带云团更易受ENSO信号的影响。

  1. ENSO对热带气旋生成率和环境因子的影响

有两个可能的原因来解释为什么ENSO可以影响西北太平洋特定区域内热带气旋的频数。首先，ENSO改变了大尺度环境，使其有利于（不利于）热带云团发展为热带气旋。在这种情况下，热带气旋生成率（TCGP，定义为特定区域热带气旋和热带云团生成频数的比例[Hennon et al., 2013]）随ENSO的位相变化。其次，ENSO影响热带云团的数量，进而导致热带气旋数量的变化，即使热带气旋生成率保持不变也是如此。因此，计算热带气旋生成率（表1）来解决这个问题。在计算生成率时，排除了在发展阶段受地形影响的268个热带云团。当热带云团遇到地形时，其平均云顶亮温增加，发展中的热带云团被定义为受地形影响。

结果表明，由于本研究选择了组织更好的热带云团，整个西北太平洋的气旋生成率为27.3％（540 TC / 1980 TCC）。此结果高于Hennon等人计算出的气候态（12.4％）(2013)。此外，西北太平洋西部气旋生成率明显高于东部（43.0％ vs. 20.8％）。这种差异有可能由于热带扰动向西移动，在西部能被相对更好地组织。此差异也有可能是由于西部的环境因子比东部更有利于热带云团的发展。结果还表明，对整个西北太平洋及其西部和东部，气旋生成率和ONI指数的相关仅为0.19,0.02和0.06。令人惊讶的是，尽管ENSO可能影响到热带云团发展为热带气旋的环境因子，但随着ENSO的变化，气旋生成率没有明显的变化，即热带气旋频数对ENSO的响应是由于热带云团对ENSO的响应，不是由于气旋发展率的变化。

图4 （a）1981-2009年7-10月平均的850hPa散度场和ONI指数的相关系数。（c）散度场和西北太平洋西部（左图）和东部（右图）热带云团的相关系数。（e）和（c）类似，但移除ENSO信号的影响。（b）、（d）和（f）与（a）、（c）和（e）一致，但环境场更换为700hPa的相对湿度。图中阴影部分表示的都是通过95%显著性检验的格点。

如图3所示，厄尔尼诺年季风槽西风较强[Chen et al., 2006]，季风槽向东延伸至国际日期变更线。季风槽辐合区和暖海温区也向东移动。拉尼娜年，季风槽西风较弱，暖海温区向西移动。Holland[1995]指出，季风槽辐合区内西风（或西南风）与东风信风辐合，增强对流活动。因此，850 hPa气流的纬向分量的散度场（DIV）和ONI指数的相关表现出东西偶极子结构（图4a）。700 hPa相对湿度（RH）和ONI指数（图4b）的相关也可以看到类似但相反的模式。此外，热带云团的频数也与西北太平洋西部和东部的散度和相对湿度有很好的相关（图4c和4d）。这意味着尽管每个子区域的气旋生成率与ONI指数没有显著的相关，但热带云团活动与ENSO和环境因子（DIV和RH）有关。

为了进一步研究ENSO对热带云团活动的重要性，去除ENSO信号的环境因子（散度和相对湿度场）和西北太平洋热带云团频数的相关如图4e和4f所示。结果表明，当去除ENSO信号时，散度场和热带云团之间的显著负相关

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