热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进_陈春.pdf

年 第 卷 第 期：资料同化与天气预报 ：引用格式：陈春，陶丽，热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进大气科学学报，（）：，（），（）：.（）热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进陈春，陶丽 南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京；海南省气象信息中心，海南 海口；南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 联系人，：收稿，接受国家自然科学基金重点资助项目（）；国家重点研发计划项目（）摘要 本研究评估了现有热带气旋（，）潜在生成指数（，）对 北 大 西 洋 和 西 北 太 平 洋 热 带 气 旋 生 成 频 数（，）时空特征的表征能力。结果表明，现阶段使用的 能较好地再现两个海盆 的空间分布和季节循环特征，以及北大西洋 的年际变化，但几乎不能模拟西太平洋 年际时间尺度上的变化。利用美国联合飓风警报中心（，）提供的 年热带气旋最佳路径数据集和 再分析数据，对西北太平洋 进行了改进。考虑到相对涡度在西北太平洋对热带气旋生成的重要作用，将绝对涡度分离为相对涡度和地转涡度（），移除相对湿度，使用多元线性回归的方法构建了。与现有 相比，改进后的 不仅对西北太平洋 的空间分布和季节循环有较好的模拟能力，并且可以再现其年际变化特征。关键词热带气旋；潜在生成指数；年际变化；西北太平洋 热带气旋是发生在热带海洋上的一种具有暖心结构的强烈气旋性涡旋。在目前的气候条件下，热带气旋多生成于海温高于.的热带洋面。西北太平洋是全球热带气旋活动最为频繁的海域，且存在明显的年际和年代际变化（，；谢洁宏等，）。许多研究表明，的发展、路径和强度等与生成位置的大尺度环境场密切相关（，；，；陶丽等，；周伟灿等，；霍利微等，；游立军等，）。因此，深入研究大尺度环境场对 生成的作用具有重要意义（，）。为了捕捉 的季节变化，（）利用低层相对涡度、科氏参数、垂直风切变、海洋热能、地面至 的水汽稳定度及对流层中层相对湿度等 个物理参数，提出了 的季节生成指数（，）。包括三个动力学参数和三个热力学参数，它们也是热带气旋生成的必要条件（，）。尽管 可以较好地拟合 活动的季节和空间分布特征（，），但其在再现太平洋的 的年际变化方面存在较大偏差（，；，）。（）用大气环流模式中的对流降水代替热力因子，构造了（）指数（），（）对比了上述两个指数后认为，尽管两个指数都能捕捉 生成的主要区域，但 更适用于全球变暖背景。（）在 指数基础上，提出了一个 指数，该指数使用了包括 绝对涡度、相对湿度、最大潜在强度（，；，）、和 之间的垂直风切变在内的与热带气旋生成密切 年 月 第 卷 第 期相关的几个大尺度环境因子。与 相比，主要的变化在于用最大潜在强度代替了海洋热能。（）指出，在全球变暖背景下，海表面温度持续升高，所设置的海表温度阈值可能会因气候背景的改变而变化，因此不能适用于未来气候。而 指数可以更好地表征北大西洋热带气旋生成频数的空间特征（，；，；，）。（）认为，影响热带气旋生成的是水汽的饱和差而并非相对湿度，因此引入湿熵亏损量代替相对湿度。（）发现，在拟合北大西洋 的年际变化方面，最大潜在强度和垂直风切变比相对湿度和绝对涡度更为重要，他们提出了一个新的生成指数（，），该指数仅包含最大潜在强度和垂直风切变，在重现北大西洋 的季节变化时效果较好。（）发现，所拟合的热带气旋生成位置与观测存在明显偏差，它低估了东北太平洋区域 生成频数。考虑到大尺度垂直运动对热带气旋生成的重要作用，他们将 垂直速度纳入其中，构建了 指数。显著改善了模拟 空间分布的效果，尤其是在东北太 平 洋 拟 合 结 果 偏 少 的 情 况。（）使用泊松回归方法，构建了 指数，该指数使用了相对海表面温度，在季节尺度上效果十分优秀（，）。近 年，（）利用海洋再分析资料，构建了一个针对西北太平洋的（），该指数仅使用海洋参数，在表征西北太平洋 的空间分布时取得了不错的效果。尽管已经构建了各种不同的，但有研究表明现阶段使用的大部分 在表征 生成的空间特征时比年际变化要好得多（，；，；，；，）。（）指出，可以很好地表征全球 的空间分布和季节循环特征，但它在拟合 年际变化方面的表现似乎高度依赖于海盆：在北大西洋表现很好，但对西北太平洋 的年际变化拟合效果较差，因此建议根据区域气候条件改进 指数。有研究（陈联寿和丁一汇，；，）指出，相比于海温，西北太平洋热带气旋的生成受低层涡度影响更大，这主要与西北太平洋季风槽有关，而北大西洋海温（以及最大潜在强度）对热带气旋生成的作用比低层涡度更重要。赵军平等（）考虑到影响中国南海（，）和菲律宾海（，）热带气旋生成的大尺度环境因子存在一定地域性差异，分别构建了适用于南海和菲律宾海的（），改进后的 对南海和西北太平洋区域热带气旋生成的空间分布有较好的模拟能力，但在拟合 的年际变化时表现仍然不佳。本文利用再分析数据，根据 年北大西洋和西北太平洋 评估了上述指数的表现，并在评估结果的基础上，对西北太平洋 进行改进。资料和方法本研究评估的 主要包括 （）提出的，（）提出的，（）提出的，（）提出的，赵军平等（）提出的，以及 （）提出的。公式如下：()|（）。（）()()|（）()。（）()。（）（）；（）()()()，南海；()()()，菲律宾海。|（）?|。（）式（）（）（）中：为 绝对涡度；为 相对湿度；为最大潜在强度；为 和 之间垂直风切变；为 垂直速度。公式（）中，为科氏参数（单位：）；陈春，等：热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进，为 相对涡度（单位：）；|，其中：为 和 之前垂直风切变（单位：）；为对流降水（单位：）；（，；，；，）。公式（）中，为相对海表面温度，()，为纬度，.，。公式（）中，为 绝对涡度，?为海洋上部混合层平均温度，为净长波辐射，为 等温线深度，本研究中使用的混合层厚度定义为比 深度处海温低 时的深度。本文使用美国联合飓风警报中心 提供的热带气旋最佳路径数据集，包括热带气旋每 一次的经纬度和最大风速。将最大强度达到热带风暴及以上的热带气旋选取为研究对象，生成的位置定义为首次给出命名时的位置，将 的经纬网格点中 生成的总数定义为（，；，）。研 究 时 段 选 取 年。计算 时使用的大气环境场资料为来自欧洲中期天气预报中心（，）的（，）再分析月平均数据集。套用于评估改进后 的再分析数据集分别是 再分析数据（，）；来自 的 数据集（，）；来自日本气象厅的 数据集（，）。使用的变量主要包括：相对涡度，水平风场，相对湿度，垂直速度，海平面气压，净长波辐射，高低空各层温度和绝对湿度，对流降水等。海表面温度数据为来自 中心的全球逐月平均再分析海温数据（；，）。海洋温度来自 海洋数据（.；，）。文中涉及时间相关系数检验采用双侧 统计量检验方法，显著性水平取.。使用季节 方法（，）获取 年太平洋（，）海温距平年际变化第一模态的标准化时间序列，将其定义为 指数（谢佩妍等，），并选取大于 个标准差的 个 发展年，分别为、和 年；以及小于 个标准差的 个 发展年，分别为、和 年。现有 在北大西洋和西北太平洋的评估 我们将分别评估现有 在模拟北大西洋和西北太平洋 的空间分布、季节循环和年际变化时的表现。.北大西洋图 为 年北大西洋 的季节循环、月空间分布以及、和的再现能力。图 中可以明显看出，北大西洋 主要活跃期为 月，其中 月生成的数量最多，、和 均能较好地反映 的季节循环特征，且与观测数据的相关系数达到.，而 的峰值则落在了 月，这一点与观测结果有所差别，相关系数为.。如图 所示，月大部分热带气旋生成于 之间的墨西哥湾、佛罗里达东侧和 区（；，）的 东 部（，）。、和 的空间分布较相似，都能较好地反映墨西哥湾和东太平洋地区 的大值区，但低估了 东部 的生成情况（图），三者与 的相关系数分别为.、.和.。而 在佛罗里达半岛东北部有一个虚假的大值中心，墨西哥湾附近 生成情况与实际也有较大差异，与 的空间相关系数也仅有.（图）。图 给出了四个 在年际时间尺度上的模拟结果。总体来说，四个指数都能很好地再现北大西洋 月 的年际变化，其中、和 均可以表现出观测 在 年以前的上升趋势，与观测 的年际变化相关系数分别为.、.和.，但 在表征 年际变化的能力相对弱一些，相关系数为.（图）。对于 与 时间相关系数的空间（图）分布，四个 在墨西哥湾、东部都有相当的区域通过置信度为 的显著性检验，基本能很好地再现主要发展区东部 的年际变化。重现 年际变化的能力也常常通过对比 年和 年的差异来评估（年 月 第 卷 第 期图 年北大西洋 与 的季节循环（）、观测（）与（：；：；：；：）的空间分布（中等值线为观测值）（）（）（）（：；：；：；：）（）（），（）图 年北大西洋 与 的标准化时间序列（）以及 格点上二者时间相关系数的空间分布（）（方框区域为通过.信度的显著性检验）：（、）；（、）；（、）；（、）（）（）.：（，）；（，）；（，）；（，），）。过去的研究表明，北大西洋 的变化与 指数呈负相关（，；，；，）。图 对比了 与四种 在 和 发展年的差值分布。在 发展年，东部生成的热带气旋较少，且仅有佛罗里达东侧的一小块区域 增多（图）。和 都可以捕捉到 和 发展年 差值的空间分布特征，尤其是墨西哥湾和 区域的负异常以及东太平洋和佛罗里达附近小范围的正异常（图、），它们与观测数据的空间相关系数分别为.和.。而 和 效果则不太理想：无法重现 区域的负异常中心，而 在佛罗里达附近的正异常区域则缺失，与观测数据的空间相关系数分别为.和.。上述分析表明，尽管存在一定偏差，但四个指数均能较好的模拟出北大西洋 的季节循环、空间分布和年际变化特征。总体来说，和 陈春，等：热带气旋潜在生成指数的对比分析及其在西北太平洋的改进图 北大西洋 与各 模拟结果在 发展年和 发展年差值的空间分布（等值线为观测，阴影部分为通过信度为.的显著性检验）：（）；（）；（）；（）；（）（），（），（），（），（）（），（），（），（）（）.的表现更优于 和，其中 效果最佳。.西北太平洋图 给出了 年西北太平洋 的季节循环、月空间分布以及、和 的 空 间 分 布，其 中和 仅适用于西北太平洋。如图 所示，月为热带气旋活动盛期，月生成的热带气旋数量最多，月最少，这与前人的研究结果一致（，；，）。个指数均能很好地捕捉到西北太平洋中 的季节循环特征（表），尤其是 月热带气旋活动的峰值，但仅有 能模拟出 月的相对低值。、和 与观测数据的相关系数达到.，和 相关系数高达.。在空间分布方面，大多数 生成于 之间，两个主要源地分别位于菲律宾 海 和 南 海（图）。、和 的空间分布相似，主要缺陷在于菲律宾海的 中心向东偏移（图）。的模拟效果是所有 个指数中最好的，它准确模拟出了菲律宾海和中国南海的 中心，位置几乎没有图 年西北太平洋 与 的季节循环（）、观测（）与（：；：；：；：；：；：；等值线为观测）的空间分布（）（）（）（：；：；：；：；：；：）（）（），（）年 月 第 卷 第 期表 各种 及 一览 （）指数参考文献主要参数北大西洋西北太平洋空间相关系数时间相关系数季节相关系数空间相关系数时间相关系数季节相关系数 （），（），（），（），（），（），?，（），本文，偏移（图）。的也可以捕捉到两个热带气旋中心，但南海的中心位置略微偏南（图）。六种 与观测数据的空间相关系数均达到.以上，模拟西北太平洋 生成位置空间分布的能力远高于北大西洋。图 对比了各 在年际时间尺度上的模拟结果。各指数与观测 的时间相关系分别为：为.，为.，为.，为.（图、，表），这意味着上述指数没有表征西北太平洋 的年际变化的能力。和 的模拟效果相对而言略好，但相关系数也仅有.和.（图、），并没有通过.的显著性检验。同时 也表现出一定的年代际变化，年之前呈上升趋势，年以后呈下降趋势。然而，、和 所模拟出的先升后降的年代际变化转折年在 年前后，而并非实际观测中的 年，则没有表现出明显的年代际变化。对于 与 时间相关系数的空间分布，和 的分布基本