气候与环境研究  2018, Vol. 23 Issue (2): 150-160   PDF    
两类El Niño型对西北太平洋季风槽及热带气旋生成的可能影响
张宏杰1,2 , 武亮1 , 黄荣辉1     
1 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心, 北京 100190;
2 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049
摘要: 通过对1948~2015年不同El Niño事件下西北太平洋季风槽变化和热带气旋(tropical cyclone,TC)生成进行分析,初步探讨了不同El Niño型事件对季风槽及其对TC的可能影响。分析结果表明,较东太平洋增暖(eastern Pacific warming,EPW)年,中太平洋增暖(central Pacific warming,CPW)年季风槽偏弱,位置相对偏西、偏北。在CPW年,中(西和东)太平洋海温增暖(降低)引起了从中到西太平洋热带地区的西风异常和中太平洋地区上升运动及对流活动加强,使得季风槽加强东伸,同时西太平洋副高偏弱、偏北,季风槽向北推进;而在EPW年,赤道东(西)太平洋海温增暖(降低)使得赤道地区西风异常显著加强东扩,异常Walker环流的上升支东移至东太平洋,季风活动加强,副高偏强、偏南,这使得季风槽较CPW年相比更强、更偏东。利于TC生成的大尺度环境因子随季风槽强度和位置的变化而发生改变,在CPW年,低层气旋性涡度、高层辐散、高的中层相对湿度以及低垂直风切变区随着季风槽向北移动;而在EPW年,这些因子随季风槽向南、向东偏移。这些大尺度环境因子的变化使得西北太平洋TC生成的位置在CPW年比EPW年更加偏北、偏西。
关键词: 中太平洋增暖      东太平洋增暖      西北太平洋      季风槽      热带气旋     
Possible Impacts of Two Types of El Niño Events on the Western North Pacific Monsoon Trough and Tropical Cyclogenesis
ZHANG Hongjie1,2, WU Liang1, HUANG Ronghui1     
1 Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190;
2 College of Earth Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
Abstract: The present study analyzes the monsoon trough and tropical cyclone (TC) genesis over the western North Pacific to preliminarily investigate the anomalous monsoon trough and its possible effect on TCs during different types of El Niño events for the period of 1948-2015. It is shown that, compared with that in the eastern Pacific warming (EPW) years, the monsoon trough is weaker and its position leans toward the west and north during the central Pacific warming (CPW) years. In these years, the warmer (cooler) sea surface temperature (SST) over the central (western and eastern) Pacific induces anomalous westerly winds from the central to western Pacific in the tropical region and stronger than normal ascending motions and convective activities over the central Pacific, which can induce a strengthened and eastward extending monsoon trough. Meanwhile, the western Pacific subtropical high is weaker than normal and shifted northward, which leads to the northward displacement of monsoon trough. During EPW years, however, warmer (cooler) SSTs occur over the eastern (western) equatorial Pacific; anomalous westerly winds significantly extend eastward in the tropics; the ascending branch of the anomalous Walker circulation shifts eastward to the eastern Pacific; the monsoon activity becomes stronger; the subtropical high intensifies and leans toward the south. All the above changes are favorable for a stronger monsoon trough that extends more eastward compared to that in CPW years. Further study reveals that large-scale environmental factors that are related to TCs genesis will change with variations in the intensity and position of the monsoon trough. During CPW years, the cyclonic vorticity in the lower troposphere, the divergence in the upper-level, the higher relative humidity in the middle troposphere and the lower vertical wind shear all move toward the north with the monsoon trough. In EPW years, the above factors follow the monsoon trough to move southward and westward. These changes prompt the location of TC genesis over the western North Pacific to lean northward and eastward compared to that in EPW years.
Key words: Central Pacific warming (CPW)     Eastern Pacific warming (EPW)     Western North Pacific     Monsoon trough     Tropical cyclone (TC)    

1 引言

西北太平洋季风槽是西北太平洋上空对流层低层西南季风与赤道偏东信风的汇合形成的环流系统,它位于西北太平洋副热带高压南沿。西北太平洋季风槽是亚洲季风环流系统的重要组成部分,它的活动特征能够反映夏季季风区内大气环流的主要变化特征,并对于夏季季风区强降水、台风等气象灾害具有重要指示意义。季风槽的移动和强度变化,往往伴随着热带地区大尺度环境条件的改变,而这些大尺度环境条件与热带气旋(tropical cyclone, TC)的活动有密切的关系(Chan, 2000; Chia and Ropelewski, 2002; Chan and Liu, 2004; Camargo and Sobel, 2005; Chen et al., 2006; 黄荣辉和陈光华,2007冯涛等,2013黄荣辉等,2016)。因此西北太平洋季风槽与TC生成之间关系密切,已有研究表明超过70%的西北太平洋TC生成与季风槽有关(Frank, 1987; McBride, 1995; 冯涛等, 2013; Molinari and Vollaro, 2013; Feng et al., 2014)。西北太平洋季风槽位置变化对西北太平洋上空的TC生成的空间分布有重要的影响(Bjerknes, 1969; Chen et al., 1998; Chia and Ropelewski, 2002; Wu et al., 2012, 2014);它的强弱和异常与TC生成密切的相关(王慧等,2006; 高建芸等,2008; 黄荣辉等,2016; 张翔等,2016)。

ENSO是厄尔尼诺(El Niño)与南方涛动(SO)二者的统称,是热带海气相互作用年际变化的主要模态,它对全球大气环流和气候变化有重要的影响。研究指出ENSO循环与亚洲季风系统有很强的相互作用(黄荣辉等,1996黄荣辉和陈文,2002)。传统的El Niño一般是指东太平洋海温异常持续偏暖的现象,也可以称之为东太平洋增暖型(eastern Pacific warming,EPW)事件,它通过改变大气环流对热带地区产生影响,并通过大气遥相关影响到热带外地区,进而对全球范围内的大气环流和气候的异常变化起到重要的影响,因此受到了国内外学者的广泛关注。对于EPW事件,从其发生发展的演变特征和机理上都有了较为深刻的理解。同时,已有大量研究表明它与西北太平洋TC生成和活动的关系十分密切。在El Niño年,TC生成位置存在显著的东南移,台风的生命史变长,强度增强(Wu et al., 2011; Wang et al., 2013)。Wu et al. (2012)研究指出异常发展的西北太平洋季风槽在联系EPW事件与TC二者关系中起到关键桥梁的作用。

近年来一种新型的El Niño现象的发生,难以用现有的理论机制来解释,对国内外学者的研究提出了新的挑战。这种新型的El Niño现象是指发生在中太平洋海温异常持续偏暖的现象,称之为中太平洋增暖型(central Pacific warming, CPW)事件(Ashok et al., 2007; Kim et al., 2009),现有研究表明CPW事件对热带地区以及热带外地区的影响与EPW事件显著不同,如在CPW年,Walker环流的上升支位于中太平洋,下沉支位于东、西太平洋。自20世纪80、90年代起,CPW事件发生的频率显著增加(Ashok et al., 2007; Ashok and Yamagata, 2009),其强度也显著增强(Lee and McPhaden, 2010),并且在全球变暖的背景下,CPW事件出现频率将持续增长远超EPW型事件达到其的5倍(Yeh et al., 2009)。因此对于CPW事件的影响研究有着十分重要意义。研究表明,CPW事件对东亚季风系统和降水有重要的影响(Feng et al., 2010; Huang et al., 2012)。此外,CPW事件对TC的影响已经引起了研究者的关注。Chen and Tam (2010)研究发现西北太平洋区域内TC生成的频数与CPW事件的指数有显著的正相关。Hong et al. (2011)研究发现CPW事件对TC的移动路径的影响与EPW型不同。但CPW事件对于西北太平洋季风槽的影响及其与EPW之间的差异尚不清楚,在CPW影响TC的过程中,西北太平洋季风槽是否依然起到关键作用,这些问题都值得我们进一步研究。

本研究针对上述两类El Niño型事件下,西北太平洋季风槽的异常特征及可能物理机制进行分析,进而分析了这种影响与西北太平洋地区TC活动的联系。本文包括了:研究中使用的资料和所用分析方法的介绍,在两类El Niño事件下西北太平洋季风槽的差异及其可能的物理机制,两类El Niño事件下西北太平洋季风槽变化对TC的影响分析等。

2 资料和方法

本文的分析时段为1948~2015年,使用的海表温度(sea surface temperature, SST)资料为英国气象局哈德莱中心(Met Office Hadley Centre)提供的月平均海表温度(Rayner et al., 2003),水平分辨率是1°(纬度)×1°(经度);对流活动使用NOAA的月平均向外长波辐射资料(Outgoing longwave radiation, OLR)数据(Liebmann and Smith, 1996),水平分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度);西北太平洋区域的TC资料为International Best Tract Archive for Climate Stewardship(IBTrACS)数据(Knapp et al., 2010);其他物理量资料为NCEP/NCAR全球大气月平均再分析资料(Kalnay et al., 1996),水平分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)。由于OLR和TC数据的时间长度限制,文中有关对流合成选取的时间段为1974~2015年;IBTrACS资料在1951年之前使用的是JTWC数据,而在1951~2015年使用的是WMO数据。

本文主要研究两类El Niño对西北太平洋季风槽和TC的同期影响,故使用西北太平洋TC活跃季节7~11月平均的Niño3区(5°S~5°N,150°W~90°W)海表温度定义EPW事件(图 1a),当Niño3指数距平值大于0.7 ℃时定义为EPW事件(1951年、1957年、1963年、1965年、1969年、1972年、1976年、1982年、1987年、1997年、2009年、2015年)。选取EMI指数(记为IEM)(Ashok et al., 2007)定义CPW事件(图 1a),定义如下:

$ {I_{{\rm{EM}}}} = {T_{\rm{C}}} - 0.5\left({{T_{\rm{W}}} + {T_{\rm{E}}}} \right), $ (1)
图 1 (a) 1948~2015年7~11月EMI指数与Niño3指数的时间序列;(b)CPW事件和(c)EPW事件7~11月海表温度距平(SST anomaly, SSTA)合成 Fig. 1 (a) Time series of EMI index and Niño3 index during Jul-Nov of 1948-2015 and composite SST anomaly (SSTA) during Jul-Nov of (b) central Pacific warming (CPW) episodes and (c) eastern Pacific warming (EPW) episodes

其中TCTETW分别表示7~11月区域C(10°S~10°N,165°E~140°W)、E(15°S~5°N,110°W~70°W)和W(10°S~20°N,125°E~145°E)平均的SST距平。当EMI指数距平值大于0.3 ℃时可定义为CPW事件(1966年、1967年、1977年、1986年、1990年、1991年、1992年、1993年、1994年、2002年、2004年)。定义得到的EPW和CPW事件并无重复,且EMI指数与Niño3指数之间的相关系数为0.267,未通过90%信度检验,这说明了这两种指数可以很好地区分CPW事件与EPW事件。

3 两类增暖事件对西北太平洋季风槽的影响 3.1 两类El Niño的海温分布特征

为了分析两类增暖型事件的SST距平(SSTA)空间分布特征,本研究分别对两类El Niño年SSTA进行合成(见图 1)。从图 1b可以看到,在CPW年SSTA的分布,表明沿纬向表现出三极型的分布特征,即"-+-"模态。中太平洋区域是显著的暖异常,最大值在0.8 ℃以上;并且,暖SSTA由中太平洋向西北方向延伸至北美南部沿岸海域,在增暖中心两侧是冷异常,尤其是西侧较为显著,最小值在-0.4 ℃以下。而EPW年SSTA的分布(图 1c)表现为在东太平洋海域为显著的暖异常,最大值可达1.2 ℃以上,要比CPW年暖SSTA强得多;并且,暖SSTA的分布表现为东西向的纬向分布,这与CPW年有明显的不同。在西太平洋海域表现为冷SSTA,其分布范围要大于CPW年。因此在SSTA的空间分布上,这两种事件表现出明显不同的特征。

3.2 两类El Niño对西北太平洋季风槽的影响

ENSO事件对热带大气环流有直接的影响,而不同增暖位置的EPW事件与CPW事件必然对热带大气环流场有不同的影响,并进一步影响到西北太平洋季风槽。为此,对不同事件的850 hPa风场和OLR场进行合成分析(图 2),结果表明:从风场上来看,在CPW年西北太平洋季风槽可以向东延伸到165°E附近,而在EPW年西北太平洋季风槽可以延伸至170°E;并且,由于季风槽是一个强对流活动带,与OLR场的分布对应较好,因此从OLR场上,在CPW年西北太平洋季风槽内OLR活跃区向北移动到18°N附近,而在EPW年季风槽内OLR活跃区位置则要明显偏南。此外,从平均态上来看,在两类增暖事件下西北太平洋季风槽的位置有所不同,相对于EPW事件,在CPW年位置更加偏北、偏西。从以上分析结果可以看到在不同El Niño型的年份,西北太平洋季风槽的特征有明显的差别。

图 2 CPW事件和EPW事件在7~11月850 hPa流场与OLR场合成(红色虚线表示西北太平洋季风槽的槽线) Fig. 2 Composite 850-hPa streamlines and outgoing longwave radiation (OLR) during Jul-Nov of CPW episodes and EPW episodes [monsoon trough line over the Western North Pacific (WNP) is denoted by the red dashed line]
3.3 可能的影响机制

由于西北太平洋季风槽是热带季风环流系统中的重要组成部分,它在不同ENSO事件中表现出来的位置上的变化必然与热带大气环流的变化密切相关,因此以下将从中低层环流场以及经纬向环流等方面来共同探讨引起西北太平洋季风槽位置变化的可能原因。

图 3是CPW事件和EPW事件下850 hPa距平风场、海平面气压距平场以及OLR距平场。由图 3可见在不同类型的El Niño事件下,低层大气环流距平场有显著的不同,在CPW年(图 3a),在赤道中太平洋海温增强(其两侧海温减弱),其上空海平面气压减弱(增强);并且,在赤道到15°N存在从西(东)太平洋到中太平洋的西(东)风异常,OLR距平场中在145°E~160°W的赤道地区表现为负距平,这说明在这一区域内有利于对流活动的发展,这些变化与热带太平洋地区纬向的Walker环流异常密切相关(图 4a)。图 4a给出了CPW事件下0°~5°N平均的纬向距平环流剖面图,由于在西太平洋区域被冷异常的海温控制,对应在135°E附近有明显的异常下沉运动,而中太平洋增暖幅度较小引起的异常上升运动不强,对流层低层140°E到日界线附近为一致的西风异常。这种Walker环流的异常变化,导致了低层幅合辐散异常,进而引起了对流活动的异常,导致了OLR产生负距平;同时,经向Hadley环流(135°E~170°E,图 5a),在10°N~20°N存在显著的异常上升支,而下沉支位于两侧南半球的10°S以南和北半球30°N以北,这支上升支与对流活动分布相一致,较EPW年偏北,从而有利于季风槽向北推进。这些大尺度环流的变化使得从西北太平洋到中太平洋被大范围的异常纬向西风控制,并且由于在15°N以北存在明显异常的气旋性环流,其东南侧的西南气流有利于季风西南气流向北推进。同时,西北太平洋副热带高压的强度和位置也发生了相应的变化。图 6给出了CPW和EPW事件500 hPa合成位势高度及差异场,可以看到在CPW年副高主体位置与副高气候位置基本一致,强度上略有增强,其南侧存在显著西风异常。因此,西北太平洋季风槽在CPW年强度增强,位置偏东、偏北。

图 3 (a) CPW事件和(b)EPW事件在7~11月平均850 hPa距平风场(箭头)、OLR距平场(填色)及海平面气压距平场(等值线,单位:hPa)合成;(c)CPW事件与EPW事件的差异场。红色风矢量表示通过90%信度水平 Fig. 3 Composite anomalies of 850-hPa winds, OLR (shadings) and sea level pressure (contours, units: hPa) during Jul-Nov of (a) CPW episodes and (b) EPW episodes; (c) the difference between CPW years and EPW years. Wind vectors in red indicate significance above the 90% confidence level

图 4 (a) CPW事件和(b)EPW事件在7~11月0°~5°N平均的纬向—垂直环流距平场的剖面;(c)CPW事件与EPW事件的差异场(阴影区通过90%的信度检验) Fig. 4 Composite zonal-vertical circulation anomalies averaged over 0°–5°N during Jul-Nov of (a) CPW episodes and (b) EPW episodes; (c) the difference between CPW episodes and EPW episodes (shadings indicate the anomalies or differences significant above the 90% confidence level)

图 5图 4,但为135°E~170°E平均经向环流剖面 Fig. 5 Same as Fig. 4, but for the meridional circulation anomalies averaged over 135°E–170°E

图 6 (a) CPW事件和EPW事件在7~11月平均500 hPa位势高度场(5870 gpm、5875 gpm、5880 gpm)合成(单位:m,红色实线、蓝色实线、黑色虚线等值线分别表示CPW年、EPW年以及气候态下位势高度场的分布)以及(b)CPW事件和EPW事件位势高度场的差异(阴影区通过90%信度检验) Fig. 6 (a) Composite 500-hPa geopotential height field (m) averaged over Jul-Nov of CPW episodes and EPW episodes (red lines, blue lines, and dotted lines denote the geopotential height fields (5870 gpm, 5875 gpm, and 5880 gpm) during CPW episodes, EPW episodes, and the climatological state, respectively); (b) the difference of 500-hPa geopotential height field between CPW episodes and EPW episodes (significant values above the 90% confidence level are shaded)

在EPW年(图 3b),由于赤道海温异常为偶极子型,在东(西)太平洋海温异常增强(降低),其上空海平面气压加强(减弱),从而导致热带太平洋上空(赤道至15°N)在对流层低层850 hPa存在显著西风异常,但强度比CPW年显著增强;而纬向气流异常辐合上升区向东移动,使得相应异常对流区东移到赤道170°E以东至东太平洋上空,但在170°E以西、20°N以南OLR为正值,不利于对流活动发展。从纬向垂直环流可以看到(图 4b),在EPW年,由于东太平洋异常强的海温偏暖导致日界线以东的区域为显著的上升运动,而在西太平洋海水异常偏冷,形成下沉运动,从而在对流层低层500 hPa以下表现一致的异常偏西气流,强度要显著强于CPW年,因而有利于季风槽整体的进一步东移。从图 4c的差异场中也能看出从150°E~160°W范围有一个正环流差异场,对流层低层的纬向东风抑制了在CPW年季风槽的进一步东移,因此EPW年季风槽位置要更偏东一些。在EPW年,Hadley环流的异常的上升气流位于5°N~15°N之间,而在20°N~30°N和赤道以南的大范围区域为异常的下沉气流,这使得EPW年副高强度显著增强(图 6b),其主体位置明显偏南。与之相应15°N气旋性环流异常并不明显,季风槽位置偏南。因此,在EPW年季风槽较CPW年强度增强,其位置更加偏南、偏东。

上述分析结果表明:两类El Niño事件下大气环流场的变化使得在CPW年西北太平洋季风槽较气候态相对偏北、偏西,而在EPW年西北太平洋季风槽位置更加偏南、偏东。由于西北太平洋季风槽常常为TC生成提供有利的热力学条件和动力学条件,因此它的变化也会引起TC生成的变化,这一部分将在下一章节中详细说明。

4 两类太平洋增暖事件对TC生成的影响 4.1 对TC生成的影响

观测资料表明:西北太平洋上1948~2015年气候平均7~11月约有20个TC生成,而在EPW年平均约有16个TC生成,CPW年为23个。两类El Niño年TC总数有所差异,CPW年TC数量更多。因此,两类不同El Niño对西北太平洋TC生成有明显的影响。

两类太平洋增暖事件不仅影响西北太平洋TC生成数量,而且影响TC的生成位置。在CPW年,TC的生成平均位置为(14.3°N,144.3°E),而EPW年为(13.4°N,142.8°E),CPW年较EPW年更加偏西、偏北。这与CPW年,大气环流背景场的变化使得西北太平洋季风槽位置相对偏北、偏西,而在EPW年位置相对偏南、偏东的特征一致。图 7给出了不同El Niño年季风槽和TC生成的位置分布,从图中可以看到在CPW年,季风槽位置相对偏北、偏西,低层西风距平的位置可以向北延伸20°N附近,气旋性涡动向北扩展,从而使得TC生成位置向北移动;而在EPW年西风距平主要局限在赤道附近,季风槽相对偏南、偏东,气旋性异常向东发展,更多的TC在季风槽的轴附近生成,南北跨度不如CPW年明显。

图 7 CPW事件和EPW事件在7~11月平均低层流场(流线,单位:m/s)与850 hPa涡度距平场(填色)合成(黑色点表示在7~11月生成的TC位置,红色点表示TC生成的平均位置) Fig. 7 Composite surface winds (streamlines, units: m/s) and 850-hPa relative vorticity anomalies (shadings) during Jul-Nov of CPW episodes and EPW episodes (black dots represent locations of TC genesis during Jul-Nov and red dot represents mean location of TC genesis)
4.2 对利于TC生成大尺度环境因子的影响

前人研究表明(Gray, 1979; Chia and Ropelewski, 2002; Chan and Liu, 2004; Wu et al., 2012, 2014; 冯涛等,2016黄荣辉等,2016),TC的生成主要受局地大尺度环境的热力和动力因素的影响,主要有低层的相对涡度、高低层的垂直风切变、高层散度、海表温度、中层的相对湿度。本文分别对这些大尺度环境因子进行合成分析。分析结果如下:1)从图 8a可知,两类El Niño年西北太平洋热带地区的海温都远高于28 ℃,局地海温在二者差异中的作用不明显。2)中层相对湿度(图 8d8e为中层相对湿度场分布)是TC生成的又一个重要的条件,可以用500~700 hPa的平均近似表示(Cheung, 2004)。较大的相对湿度有利于TC的暖心结构的建立,并为TC的发展提供更多的潜热。由于季风槽是低层的辐合带,其相对湿度含量较高,其分布与季风槽的走向一致。在CPW年,由于西北太平洋SST高于EPW年并伴随着较强的西南风的水汽输送,因此在CPW年季风槽内的相对湿度的大值区位置相对偏西,最大相对湿度可达56%以上,而在EPW年相对湿度的最大值区位置相对偏东,最大相对湿度可达52%以上。此外,从差异场上也表现出在160°E以东有显著的负值区,而正值区向东北方向延伸。这说明了在对流层中层的大的相对湿度分布是有利于在CPW年TC生成位置偏北、偏西,而在EPW年TC生成位置相对偏南、偏东。3)OLR(图 8g8h为OLR场的分布)越小表示对流活动越强,而较强的对流活动是有助于TC的形成和发展。在CPW年OLR的小值区位置相对偏北、偏西,而EPW的小值区沿着季风槽向东延伸,从差异场上也能反映OLR场的分布特征。因此OLR场也是有利于TC生成位置在CPW年相对偏北、偏西,而在EPW年相对偏南、偏东。

图 8 (a) CPW事件和(b)EPW事件在7~11月平均SST(填色)和SSTA合成(等值线)以及(c)两者SST的差异场(单位:℃);(d)CPW事件和(e)EPW事件在7~11月500~700 hPa相对湿度(填色)及其距平(等值线)合成以及(f)两者500~700 hPa相对湿度的差异场(%);(g)CPW事件和(h)EPW事件在7~11月平均OLR场(填色)和OLR距平场(等值线)合成以及(i)两者OLR的差异场(单位:W/m2。灰色阴影区表示通过90%信度检验 Fig. 8 Composite mean (a) SST (shading) and (b) SSTA (contours) during Jul-Nov of CPW episodes and EPW episodes (units: ℃); (c) the difference in SST between CPW episodes and EPW episodes. The mean 500-700 hPa relative humidity and its anomalies (%) during Jul-Nov of (d) CPW episodes and (e) EPW episodes. (f) The difference in the relative humidity between CPW episodes and EPW episodes. The mean OLR and its anomalies (units: W/m2) during (g) CPW episodes and (h) EPW episodes; (i) the difference in OLR between CPW episodes and EPW episodes. Significant values above the 90% confidence level are shaded

本文还分析了对流层低层的涡度场和对流层高层的散度场分布,分析结果如下:1)从图 9a9b可以看出,正涡度区呈东西向的连续带状分布,与季风槽的走向一致。在CPW年,正涡度的大值区分布在175°E以西,而在EPW年,大值区位置可以向东延伸至180°附近,最大值可达4×10-6 s-1以上,而这与不同事件下季风槽的位置上差别一致。从二者的差异场上来看,在20°N附近以及以北区域有显著的正涡度值,而在140°E以东有显著的负涡度值,这说明了在CPW年,低层的相对涡度的分布是有利于TC生成位置相对偏北、偏西,而在EPW年使得TC生成位置相对向东、向南偏移;2)高层的辐散环流形成有利上升运动和对流活动的加强,从而有利于TC的生成。在高层,散度场(图 9d9e)正值区表现为沿着季风槽表现东西向的分布,说明在高层有明显的辐散,对应低层辐合上升气流,从而建立起有利TC发展的深对流系统。从差异场上来看,其正负值分布与低层涡度的差异场分布对应一致,说明在CPW年,在季风槽东端以东位置,TC活动受到抑制,而在季风槽北部更有利于TC的生成。

图 9 (a) CPW事件和(b)EPW事件在7~11月850 hPa涡度场(填色)及其距平场(等值线)合成以及(c)CPW事件与EPW事件涡度场的差异场(单位:10-6 s-1);(d)CPW事件和(e)EPW事件在7~11月200 hPa散度场(填色)及其距平场(等值线)合成以及(f)散度的差异场(单位:10-6 s-1);(g)CPW事件和(h)EPW事件在7~11月200~850 hPa垂直风切变(填色)及其距平场(等值线)合成以及(i)垂直风切变的差异场(单位:m/s)。灰色阴影区表示通过90%信度检验 Fig. 9 Composite mean 850-hPa vorticity (shading) and its anomalies (contours) during Jul-Nov of (a) CPW episodes and (b) EPW episodes; (c) the difference in vorticity between CPW episodes and EPW episodes (units: 10-6 s-1). The mean 200-hPa divergence and its anomalies (units: 10-6 s-1) during Jul-Nov of (d) CPW episodes and (e) EPW episodes; (f) the difference in the divergence. The mean 200-850 hPa vertical wind shear and its anomalies (units: m/s) during (g) CPW episodes and (h) EPW episodes; (i) the difference in the vertical wind shear. Significant values above the 90% confidence level are shaded

此外,本文还分析了对流层高低层的垂直风切。200~850 hPa的风垂直切变(vertical wind shear, 记为SVW)的定义如下:

$ {S_{{\rm{VW}}}} = {\left[ {{{\left({{U_{200}} - {U_{850}}} \right)}^2} + {{\left({{V_{200}} - {V_{850}}} \right)}^2}} \right]^{1/2}}, $ (2)

其中UV分别是850 hPa和200 hPa风场的纬向和经向分量。较小的垂直风切变有利于TC的暖心结构的建立,从而有利于TC的形成。在西北太平洋季风槽范围内及邻近区域有较小的垂直风切变的分布。从图 9g9h发现,在CPW年季风槽位置相对偏西、偏北,垂直风切变的低值区也随之西移和向北推进,而在EPW年,垂直风切变的低值区位置则偏东、偏南。从差异场上也能反映这样的位置变化关系。因此,对流层高低层垂直风切变也是有利TC在CPW年生成位置相对偏西、偏北的,而在EPW年生成位置相对偏东、偏南。

上述分析结果表明了利于西北太平洋TC生成的大尺度环境因子与西北太平洋季风槽的位置关系密切,随着不同El Niño年季风槽位置的变化而变化。与EPW年相比,在CPW年季风槽位置相对偏西、偏北,相应的低层正涡度区、正的高层散度区、较大的中层相对湿度区以及较小的风垂直切变区位置也都相对偏西、偏北,从而使得TC生成的位置相对偏西、偏北。因此,西北太平洋季风槽的变化所引起利于TC生成的大尺度环境因子变化在两类El Niño影响西北太平洋TC生成位置的过程中都起到了关键作用。

5 总结与讨论

本文主要分析了1948~2015年7~11月不同类型El Niño事件下,大气环流的差异与西北太平洋季风槽的异常及这种变化对TC生成的影响。研究分析发现:与EPW年相比,在CPW年7~11月季风槽位置相对偏西、偏北。而这种位置上的差异与不同类型El Niño事件下大气背景场变化有密切的联系。在CPW年,赤道中太平洋海温增暖、西和东太平洋海温降低,由此导致了西太平洋到中太平洋低纬的西风异常,中太平洋上升气流及对流活动加强,导致西北太平洋季风槽向东发展,而副高偏弱位置偏北以及异常西风的北侧气旋性环流加强有利于季风槽的进一步向北推进;而在EPW年,赤道东太平洋海温增暖、西太平洋海温降低,赤道地区西风异常加强东扩、异常上升区东移到东太平洋上空,季风加强东扩,而副高略强位置偏南、西伸,从而导致西北太平洋季风槽位置较CPW年更偏东。

西北太平洋季风槽强度和位置变化往往伴随着大尺度环境条件的改变。在CPW年正的低层气旋性涡度区、正的高层散度、较大的中层相对湿度以及较小垂直风切变区位置随着季风槽一同向西向北移动;而在EPW年这些大尺度环境因子随季风槽的位置变化向南、向东偏移。这种变化使得在CPW年平均TC的生成位置要比EPW年更为偏北、偏西。这种季风槽强度和位置变化能够很好解释两类El Niño事件下TC生成的数量和位置的差异。

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