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两类太平洋暖事件对于西北太平洋热带气旋的不同作用
Guanghua Chen1 and Chi-Yung Tam2
2009年11月9日投递，2009年12月6日改回；2009年12月16日接收；2010年1月14日发表。
摘要
本文分别研究了1960年至2008年期间CP型厄尔尼诺以及典型厄尔尼诺（EP）与西北太平洋（WNP）热带气旋（TC）频数的关系。TC频数与中部型厄尔尼诺指数之间有显著的正相关关系。Nino-3区的海温指数与西北太平洋北部（东南部）的TC频数有显著的负（正）相关。由于对CP型厄尔尼诺相联系的热源响应，在WNP有大尺度的异常气旋式环流的形成。相比之下，在典型的厄尔尼诺事件中，纬向拉长的热源、热汇呈现出经向的偶极形分布，这在副热带激发出一个异常的反气旋和靠近赤道中太平洋的一个异常气旋。基于真实情况下的平均状态和加热廓线的数值实验证实了，对于加热场的异常环流响应，在由两类不同的太平洋暖事件对于TC频数的调制方面起到了重要的作用。
- 引言
厄尔尼诺与南方涛动（ENSO），鉴于它对热带气候的影响，因此它对于不同海盆内的热带气旋（TC）活动也有显著的影响。前人的工作中已经研究了ENSO与西北太平洋TC活动的关系[如,Chan,2010; Chia and Ropelewski,2002;Wang and Chan,2002;Wu等2004;Chen等2006]。研究发现在厄尔尼诺年，WNP的东南部有TC活动的显著增加而在它的西北部却有TC活动的减少，这种情况在拉尼娜年是恰好相反的。
最近，Ashok等[2007]已经识别出中太平洋的暖事件集合，这被称为中部型厄尔尼诺。与典型厄尔尼诺发生于赤道东太平洋的冷舌区相比[Rasmusson 和Carpenter,1982]，中部型厄尔尼诺的主要特征是，暖的海表温度温度异常（SSTA）位于中太平洋而且其东西两侧是低于正常状态的海温异常（SSTA）。这两种类型的ENSO事件可以在全球范围内产生不同的气候及天气变率。例如，中部型厄尔尼诺伴随着两支位于热带太平洋的异常沃克环流，这与典型的ENSO事件所对应的典型的沃克环流扰动是明显不同的。与中部型厄尔尼诺相关的大气遥相关型分布也是和典型的厄尔尼诺不同的，这就产生了沿着太平洋边缘不同的干湿状况的地理分布[Weng等2007]。与典型的ENSO以及印度洋偶极形（IOD）事件的影响不同，中部型厄尔尼诺可以显著地影响南半球中纬度的风暴路径的活动，从而可以减少在南半球的冬季，位于东南澳大利亚的风暴降水。[Ashok等2009；Cai和Cowan，2009]。
Kim等，[2009]发现了两类ENSO事件对于北大西洋的TC活动有明显不同的影响。然而，迄今为止，还没有研究把中部型ENSO事件对WNP热带气旋活动的影响从典型ENSO事件中分离出来。事实上，许多之前的研究大多采用Nino3.4的海温指数来识别ENSO事件，[Chan,2002;Saunders等2000;Chia 和Ropelewski,2002]。由于Nino3.4区域的地理位置（170°W~120°W，5°S~5°N），对于这个指数的使用很可能会同时获得两种ENSO相关联的SSTA信号，从而把两种ENSO的的影响搞混淆。例如，在2004年夏天发生了一个中部型的厄尔尼诺事件[Ashok,2007]，当年有10个台风在日本登陆，这打破了记录[Kim等2005]。然而在同样的夏天，Nino3.4的SSTA为正，如果以此并结合之前的研究，人们可能会预测正常数量的台风在日本群岛登陆。这说明很有必要把这两种现象的气候影响分离开。
另外，观测显示，在过去的数十年里中部型厄尔尼诺的发生频次有增加的趋势[Ashok等,2007]，并且在全球变暖的背景下，预计中部型ENSO事件与典型ENSO事件的发生次数的比值将会增加5倍[Yeh等，2009]。因此，基于使用不同的指数来区分两类不同的ENSO事件，本文研究了中部型和典型的ENSO对于西北太平洋TC频率的不同影响，并且提出了造成它们影响的物理机制。
- 资料和方法
1960年至2008年的WNP的TC数据集是来源于联合预警中心（JTWC）。由于观测显示占每年总数大约85%的TCs发生在6月至10月(JJASO)，本文研究的关注点就集中在这样一个延伸的时段以及夏季（JJA）和秋季（SO）来进一步探索其季节变率。此外，只有最大表面风速超过17m/s的TCs是在考虑之列。为了检测TC形成的地理分布，热带WNP（120°E~180，0°~30°N）被分成了4个子区域。150°E和15°N是分别作为东西、南北的分界。WNP的西北、西南、东南、东北四个象限被分布标注为、、、。
水平分辨率为1°x1°的逐月的海表温度资料是来自于哈得莱中心，从1960至2008年的，水平分辨率为2.5°x2.5°的对流层上层的再分析资料是取自于国家环境预测中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR），这将被作为观测场。本文也采用了，来自于国家海洋大气局（NOAA）卫星观测的2.5°x2.5°的网格上逐月的向外辐射长波资料（OLR），时段是1980年至2008年，这可以作为热带深对流情况的代用资料[Liebmann and Smith，1996]。
典型的厄尔尼诺可以用Nino3区的海表温指数来定义，它是对Nino3区（150°w~90°W，5°S~5°N）的SSTA做了平均。中部型厄尔尼诺是用由Ashok等人[2007]定义的EMI指数来定量描述的，这能够抓住中太平洋的主要海表温特征，EMI的计算是基于如下的公式：EMI=[SSTA]c-0.5*[SSTA]e-0.5*[SSTA]w，在上述公式中[SSTA]c、SSTA]e、[SSTA]w分别代表（165°E~140°W，10°S~10°N）、（110°W~70°W，15°S~5°N）和（125°E~145°E，10°S~20°N）区域内SSTA的平均值。在除去这些指数的线性趋势之后，在JJASO月份，Nino3指数和EMI指数大于一个标准差的被挑选为东部型（1963，1965，1969，1972，1976，1982，1983，1987，1997）和中部型（1966，1967，1977，1990，1991，1994，2002，2004）厄尔尼诺事件。
- 两类太平洋暖事件与TC频数的关系
为了分离中部型和东部型ENSO对于TC活动的影响，我们计算了JJASO、JJA、SO月份的TC频数在整个WNP以及子区域内与EMI和Nino3指数的偏相关，并把它们列在了表1中。由表1可知，EMI和TC频数在整个JJASO月份有显著的相关性。这样显著的相关性主要可以归结于JJA月份的相关性。在秋季（SO）月份，这样的偏相关是比较弱的。相比之下，Nino3指数几乎与WNP海盆内的总的TC频数不相关。类似的，当使用Nino3.4指数的时候，这种相关性也是不显著的。
表1,西北太平洋全区及各个子区域内，JJASO,JJA,SO的TC频数和EMI及Nino-3区海温指数的偏相关系数
|
EMI |
Nino3 |
|||||||||
|
WNP |
|
|
|
|
|
WNP |
|
|
|
|
|
JJASO |
|
0.05 |
-0.16 |
|
0.16 |
-0.13 |
|
0.06 |
|
|
|
JJA |
|
0.07 |
0.04 |
|
0.17 |
0.01 |
|
0.16 |
|
|
|
SO |
0.07 |
0.01 |
|
|
0.09 |
-0.27 |
|
|
|
-0.28 |
对于样本数为49的样本，a值表示超过95%的统计检验，b值表示超过99%的统计检验
表1还展示了两类ENSO事件在相关性方面非常不同的地理分布。在区域，TC频数和EMI指数的相关性是正的但是很弱，然而TC频数与夏秋两季的Nino3指数存在高度的负相关。在WNP的东南部，两种指数都呈现出与TC频数显著的正相关，尽管与EMI指数相联系的偏相关要比Nino3的小。另外，值得注意的是，在WNP的东北部，一个与Nino3指数显著的负相关被识别到，，但是与EMI指数的相关性是正的而且是不显著的。这就是在前人的研究中，在这块区域只发现了Nino3.4指数与TC频数不显著的关系的原因。以上特征暗示着两类ENSO事件对TC频数的的不同影响。
图1.JJA季节合成的SSTA（阴影；单位：℃），850-hPa风异常（箭头，见图右上角的参考箭头）以及OLR异常（实线/虚线分别表示正/负异常值，等值线间隔为30线缺省）
(a)图表示中部型厄尔尼诺 (b)图表示东部型厄尔尼诺，OLR异常值的计算是从1980年开始的，并且为了清楚起见，使用了T15截断的平滑。
既然，TC频数和两种指数的的相关性在夏季更为明显（表1），那么在JJA的异常环流场也被研究来理解两种ENSO的影响。图1a和图1b分别展示了中部型厄尔尼诺和东部型厄尔尼诺的气象要素场的合成。尽管，在中太平洋异常暖的SST，在两类事件中均有体现，但是与中部型相联系的海温增暖更向经向延伸，并且在经向和纬向上体现出相较于典型事件更弱的SST梯度。从1980年开始的OLR异常场对于两类事件的合成在图1中也有给出。为了清楚起见，OLR异常场是经过T15截断平滑的，这样可以滤除一些小尺度的特征从而凸显大尺度的对流图型。与中部型ENSO相联系的增强对流占据了热带WNP的大部分区域，从华南沿海到日界线以东，受抑制的对流是位于海洋性大陆的中部和西部以及中国东部、朝鲜和日本。相比之下，与典型ENSO事件相联系的对流被发现是位于150°E以东，其中心位于170°W。其北界的对流是受抑制的，这很可能是由赤道太平洋强烈的加热所激发的下沉运动控制的。值得注意的是，异常的强OLR场是纬向拉伸的并且在热带WNP区域呈现出经向的偶极形，这与中部型厄尔尼诺所对于的分布特征是不一样的。基于对不同类型的ENSO相联系的异常加热的响应，850hPa的异常风场也呈现出明显不同的图案。在中部型厄尔尼诺年，低层的西风异常占据了热带WNP，在140°E达到最大并且经向延伸至15°N，这产生了一个位于日本东南部的大尺度异常气旋。与此相对比的，在典型的厄尔尼诺年，在850hPa增强的西风异常被局限在10°N以南的赤道区域，另外，它们的最大值向东移动到了日界线以东。这样的环流型是有利于TC在WNP的东南部生成的。另一方面，与纬向拉长的抑制对流相伴随的，异常的反气旋在典型的厄尔尼诺年盛行于日本南部，这和中部型事件是很不一样的。这种异常的反气旋气流是不利于TC生成及传播的，这就导致了在WNP的北部和Nino3指数存在一个显著的负相关关系。
- 基于简单斜压模式的结果
为了进一步划定两类ENSO事件对应的环流异常及加热分布之间的关系，我们利用了一个简单斜压模式做了两个数值实验来鉴定，在同一个真实气候态下，大气对于不同热源分布的响应。这个模式的构建是基于地球流体实验室（GFDL）的AGCM模式的动力核心[Held and Suarez,1994;Wang等2013]，它垂直方向上采用了五层等间距的西格玛坐标，水平方向上的分辨率是42波的三角形截断（T42）。
这个模式是关于真实情况下夏季（JJA）三维平均基本态做了线性化处理的，但是另外完全保留了预报方程中的二阶扰动非线性项。基本气候态是采用NCEP-NCAR再分析资料的长期平均，并把原始标准的p坐标数据利用线性差值的方法差值到模式的西格玛坐标上去。现在假定，异常的OLR场与加热场的分布一致，于是水平的加热廓线就是基于异常的OLR场的划定的。为了除去所关心区域外的海温加热对于WNP大尺度环流的作用并获取主要的加热场特征，异常的OLR场在此区域（110°E~130°W，10°S~30°N）外都被设为0，然后再用第三节里相同的方式截断至T15的分辨率。最后，经上述处理过的OLR异常场通过除以中部型事件的最小值-9进行了标准
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