2020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析_刘达.pdf

刘达，许映龙，向纯怡，等.2020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析J.热带气象学报，2022，38(6)：765-778.文章编号：1004-4965(2022)06-0765-142020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析刘达，许映龙，向纯怡，陈博宇(国家气象中心，北京 100081）摘要：2020年7月西北太平洋和南海出现了史无前例的“空台”事件。利用NCEP再分析数据集、中国气象局（CMA）台风最佳路径等资料研究了此次“空台”现象的大尺度环流背景及动力和热力学特征。使用台风潜在生成指数（DGPI）分析发现2020年7月大尺度环流背景不利于台风生成，环流系统的异常通过影响对流层垂直风切变和垂直运动限制了台风的活动。2020年7月马斯克林高压较常年明显偏西偏弱，导致索马里急流强度减弱，越赤道气流不活跃，菲律宾以东洋面和南海海域盛行一致的偏东气流，历史同期活跃在该区域的季风槽无法建立，从而不利于热带扰动的生成。北半球极涡主体偏向西半球一侧，影响东半球冷空气势力较弱，副热带高压位置偏西；南亚高压较历史同期偏强且偏东，其东侧强盛的偏东气流将洋中槽截断，在西北太平洋区域出现反气旋性环流，该区域下沉气流增强，导致副热带高压强度增强，对流层中层强烈的下沉气流抑制了台风的生成和发展。此外，受中高层环流系统异常的影响，7月菲律宾吕宋岛以东洋面和南海地区环境垂直风切变较常年偏高24 m/s，南海部分海域偏高达48 m/s，同时该区域内异常偏强的下沉气流导致对流层低层相对湿度偏低，大气层结处于较为稳定的状态，动力和热力条件均不利于热带扰动的进一步发展。关键词：台风；大尺度环流；季风槽；副热带高压；垂直风切变中图分类号：P444文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2022.068收稿日期：2022-04-06；修订日期：2022-10-09基金项目：国家重点研发计划（2018YFC1506402、2017YFC1501604）；国家气象中心青年基金（Q202007）共同资助通讯作者：陈博宇，男，广东省人，高级工程师，主要从事定量降水预报、集合预报研究工作。E-mail：第38卷 第6期2022年12月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.38,No.6Dec.,20221 1 引引言言台风是发生在热带海洋上具有暖心结构的强烈气旋性涡旋，西北太平洋、北大西洋以及孟加拉湾是其活跃的主要区域，其中西北太平洋热带气旋生成频数最高，约占全球台风生成总数的36%1。西北太平洋和南海海域台风活动具有明显的季节性，夏秋季节活跃的台风数量约占全年台风总数的80%2，然而2020年7月西北太平洋和南海海域无台风生成，成为有气象记录以来首次7月“空台”，属历史罕见的异常事件。由于7月缺少台风活动，导致我国华南大部分地区降水较历史同期偏少5成，并出现持续高温天气，其中广东、海南平均温度达到了1961年以来最高，多个站点出现极端高温事件3。此外“空台”为后续台风预报尤其是强度预报增加了难度。因此，对此次台风异常事件的分析不仅有助于今后台风生成预报，也为台风生成的相关研究提供了有益的补充。针对此次“空台”事件，已有研究表明热带洋面的海温异常通过大尺度环流影响西北太平洋海域的大气环流，异常下沉气流抑制了台风的生成和发展4。台风生成过程通常为热带扰动在适宜的海温、涡度、水汽以及垂直风切变等诸多因素的共同作用下进一步发展加强5，这表明活跃的热带扰动热 带 气 象 学 报第38卷是台风生成的必要条件，适宜的热力和动力条件则为扰动的发展提供了可能。大尺度环流系统不仅影响着热带扰动的生成，对提供其发展所需的热力和动力条件也具有重要影响。陈联寿等1指出台风多形成于东西风切变线的北侧，构成这条切变线的环流主体分别是其北部的副热带高压（以下简称“副高”）和南部的越赤道气流。夏季南半球强盛的马斯克林高压使得索马里急流强度增强，越赤道气流开始活跃，与副高南侧的偏东气流形成一个低压带，季风槽得以建立。季风槽低层气流辐合具有气旋式环流的特征，与此同时西南季风起到了水汽输送的作用，导致季风槽内部形成高温高湿的对流环境，在适宜的动力和热力条件的共同作用下，有利于热带扰动的生成和发展，西北太平洋和南海海域约80%的热带扰动生成于季风槽中6-7。季风槽的强度和位置与热带扰动的活动密切相关，当副高位置偏南，越赤道气流偏弱时，季风槽强度偏弱且位置偏南偏西，此时活跃的热带扰动数量偏少，因此季风槽的强度和发展对于台风活跃期的预报具有重要的指示作用8。在前人的研究成果中，我们注意到副高和越赤道气流直接影响季风槽的活动，前两者的变化则与多时空尺度环流的相互作用密切相关，因此在复杂的环流系统中，识别对台风活跃期具有重要指示意义的环流形势对提高台风活跃期预报水平具有重要意义，也有助于认识影响台风活动的多尺度环流系统的相互作用。本文将首先简要介绍使用的数据及方法，其次对西北太平洋和南海台风活动概况进行说明，然后重点从不同尺度环流系统相互影响的角度出发，分析影响7月台风活动异常的关键因素，通过总结及讨论为未来预测台风生成和发展提供参考。2 2 数据与方法数据与方法2.1 数据研究中使用的资料如下。（1）美 国 国 家 环 境 预 报 中 心（NationalCenters for Environmental Prediction，NCEP）最优插值海表温度（Optimum Interpolation Sea SurfaceTemperature，OISST），水平分辨率为1 1 （https:/www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html）9，本文使用的时间范围为2020年，利用该数据集19712000年气候态得到海表温度异常。（2）NCEP/DOE 再分析数据集（https:/www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis2.html）10中 高 度 场、海 平 面 气 压 场（sea surfacepressure，SLP）、风场、辐射通量、气温以及相对湿度等变量。（3）19492020年中国气象局台风最佳路径数 据 集（http:/ 分析方法为了分析大尺度环流系统对西北太平洋和南海台风活动的影响，使用台风潜在生成指数（Dynamic Genesis Potential Index，DGPI）13定量描述该区域环流系统是否有利于台风生成。Wang等13利用多个大尺度动力和热力环流因子对全球各海域台风生成进行统计检验，最终确定了850 hPa绝对涡度、500 hPa垂直速度、垂直风切变以及 500 hPa纬向风的经向梯度 4个最显著影响台风活动的因子，并建立了适用于全球各海域台风生成预测的DGPI，其计算公式如下：其中，Vs代表 200850 hPa 垂直风切变，u 为500 hPa 纬向风速，为 500 hPa 垂直速度，是850 hPa绝对涡度。我们利用上述公式计算了西北太平洋和南海19812020年期间逐月DGPI，并考察其与同期台风生成数量的相关性发现相关系数达到0.81（通过0.01显著性检验），证明了该指数可以较好地反映大尺度环流系统对西北太平洋和南海台风生成的指示作用，本文将利用该指数进一步确定对2020年7月“空台”影响最显著的环流因素。采用副高的面积和强度指数客观地反映副高的范围及其强弱。上述两个指数利用10 N以北、110 E180范围内，500 hPa 高度场上所有高于588 dagpm的格点所围成的面积总和，及所有高于588 dagpm的格点所围成的面积总和与该格点高度值减去 587 dagpm 差值的乘积的总和计算得DGPI=(2+0.1Vs)-1.7(5.5-uy105)2.3(5-20)3.3(5.5+|105|)2.4e-11.8-1,766第6期刘达等：2020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析图219812019年气候态和2020年西北太平洋和南海逐月DGPI1815129630DGPI(19812019年)DGPI(2020年)123456789101112月到14-15。为了保持研究的一致性，本文中西北太平洋和南海的范围定义为105150 E，1030 N。3 3西北太平洋和南海海域台风活动西北太平洋和南海海域台风活动概况概况19492019年期间西北太平洋和南海海域逐月台风活跃情况显示（图1），710月是该区域台风的活跃期，其中7月台风生成频数（平均值为4.1个）较 16月显著增加，代表台风活跃期开始，8月是台风最活跃的时段，9月起台风生成逐渐减少，10 月平均生成数量与 7 月基本持平。回顾2020年台风活动情况，不难发现，最明显的特征是7月台风生成数量较历史平均显著偏少，为历史同期最低，创造了新的记录。8月台风生成数量迅速增加，9月台风生成数量再次低于历史均值，10月活跃的台风数量达到了历史极值。2020年夏季（68月）活跃台风数量较秋季（911月）偏少5个，历史上夏季活跃的台风数量（11.62 个）较秋季（11.38个）略偏多，7月“空台”导致了2020年夏秋季节活跃台风数量的巨大差异。利用 DGPI分析发现，2020年 19月该指数较历史平均（19812019年）均偏弱，而10月以后较历史同期偏强。与历史平均变化趋势所不同的是，2020年7月的DGPI指数较6月没有增大，反而减小（图2），并且较同期显著偏低，表明大尺度环流不利于台风生成。8 月 DGPI 相对 7 月显著增加，台风数量相应地从 0 增加到高于历史同期75%，10月DGPI显著偏大，台风活动达到了历史极值。DGPI的变化较好地表征了2020年台风异常活动，表明大尺度环流背景场对台风活动具有重要影响。图119492019年西北太平洋和南海逐月台风生成数量黑色*号代表2020年台风数量（单位：个）。121086420数量12345678910 11 12月767热 带 气 象 学 报第38卷为研究7月、8月西北太平洋和南海海域台风生成的大尺度环流背景，首先考察了历史（19492019年）上上述月份台风生成源地，其中，7月台风主要生成在105150 E，1025 N附近，且大值区集中在南海东北部和中东部海域以及菲律宾东北洋面，8月台风生成密集区域北界延伸至30 N附近，向东扩展到170 E附近（图3），台风活跃的区域相比7月明显扩大，台风生成源地的大范围变化与大尺度环流背景的调整密切相关。4 4“空台空台”环流特征及动力和热力条环流特征及动力和热力条件件台风活跃需要适宜的大尺度环境条件，DGPI可以较好地反映大尺度系统配置及其相互作用是否有利于台风的生成和发展16，2020年DGPI的变化与台风生成数量之间的联系验证了上述结论。上文提到，DGPI在7月和8月的变化表明环流背景的调整使得 8月台风活动开始活跃，对比分析DGPI各项的变化将有助于明确影响2020年台风活跃期的主要因素。考察上述两月西北太平洋和南海区域DGPI各项相对于气候态的变化（图4）发现，与历史同期相比，尽管2020年7月和8月DGPI均为负异常，但是7月的异常达到了-4.0以上约低于同期DGPI指数一半以上（图2），这表明大尺度环流背景极不利于台风生成。进入 8月后 DGPI指数显著增大，台风活动逐渐频繁，此时台风主要生成于 DGPI相对历史同期偏大的区域（图略）。进一步对比7、8月DGPI各项的差异可以发现，对流层垂直风切变和500 hPa大气垂直运动是造成7、8月DGPI差异的主要贡献项，因此，下文中我们将主要关注上述两项相关的环流系统的异常变化。4.1 季风槽活动异常前文中提到，季风槽的建立对台风活跃期具有重要的指示作用。从气候态分布来看（图5），7月和8月台风活跃的范围多处于西南季风和东南风汇合的季风槽附近，并且随着季风槽的加深，台风生成源地随之变大。2020年7月、8月季风槽的活动情况显示，