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user: 4. 响台风生成的物理机制 4.1. 大尺度环境因素的变化 4.1.1 GPI的变化 为了分析热带气旋生成可能性的大小，引入热带气旋潜在生成指数(GPI)，该指数由Emanuel和Nolan [ 19 ] 图3. 1980年~2013年台风突变点后验概率密度函数 于2004年提出，由热带气旋生成和发展所必须的五项大尺度环境因素计算而得。GPI能够对热带气旋的生成概率进行计算，其值越大，即表示有可能生成更多的热带气旋 [ 18 ] 。其表达式为： 式中 为850 hPa的绝对涡度(s − 1 )， 为700 hPa的相对湿度(%)， 为热带气旋最大潜在强度(m s − 1 )， 为850 hPa与200 hPa间的垂直风切变。 为500 hPa的垂直速度(Pa s − 1 )。 式中 为焓交换系数， 为拖曳系数， 为海表面温度， 为系统输出的平均温度。CAPE*是气团脱离饱和海平面后的对流有效位能(Convective Available Potential Energy)的值，CAPE b 是边界层空气的对流有效位能。 为了分析热带气旋GPI在西北太平洋10~12月台风的年代际变化，本文定义了台风主要生成区域(图4) (5˚N~20˚N， 130˚E~180˚)，有95%以上的台风都在此区域内生成。计算过去34年中该区域内区域平均GPI时间序列(图5)。从图中可清楚地看出，GPI在1980~1994年的多年平均值为5.57，在1995~2013年的多年平均值为4.71，减少量达到15%。34年间，GPI的线性下降趋势在MK检验中超过0.1的显著性水平，同时其在1995年的突变在曼惠特尼检验中超过0.1的显著性水平。这说明10~12月期间台风数量的减少是大尺度环境因素变化造成的。 为了更直观地体现热带气旋GPI对突变前后台风影响的不同，计算GPI 的年代际差异(图6)，图中填色部分表示突变前后(1995~2013年减去1980~1994年)的差异。GPI异常场大值区在菲律宾中部东西两侧的海域，同时，从图中可看出，1995年后，在10~12月台风主要生成区，GPI和台风的生成数量都出现负异常(图1、图6)。 正如上文所述，西北太平洋海域GPI的年代际差异存在明显的下降，值得注意的是，与此相反，南海一带GPI有所增大(图6)，表明南海10~12月生成台风的减少并不是由南海、西北太平洋一带大尺度环境条件变化直接导致的。然而，南海台风生成数量的变化不是本文讨论的重点，本文只简要的讨论有可 图4. 1980~2013年10~12月期间台风生成位置。黑色点表示1980~1994年生成的台风，蓝色点表示1995~2013年生成的台风 图5. 西北太平洋台风主要生成区GPI时间序列蓝色虚线分别为突变前后GPI的平均值，黑色细线为34年内的趋势线。线性趋势在MK检验中超过0.1的显著性水平；1995年的突变在曼惠特尼检验中超过0.1的显著性水平 能导致该现象的原因。Wang and Huang [ 20 ] 的研究表明热带南印度洋(10˚S~25˚S， 60˚E~90˚E)的SST有很明显的年代际变化，其与南海5~11月热带气旋生成频次相关系数达到−0.61，通过0.01的显著性检验。南印度洋暖SST引起辐合上升，在南海则辐散下沉。除了行星尺度的气候条件，持续的天气尺度扰动也会影响台风的生成、发展 [ 20 ] ，这可能是导致南海一带台风生成变化的一个天气尺度原因。1995年以来，南海10~12月3~10天天气尺度的扰动减弱 [ 13 ] 。另一个可能原因是垂直风切变作为对GPI贡献第二大的因子，垂直风切变年代际变化的小值中心(图略)，PGI*(VWS)的气候平均值和年代际变化的大值中心都分布在南海-菲律宾群岛附近一带，成西北-东南向分布(图7(d))。所以尽管西北太平洋海域GPI的年代际差 图6. 西北太平洋10~12月GPI的年代际差异(1995~2013年减去1980~1994年) 图7. 西北太平洋低层涡度(a)，700 hPa相对湿度(b)，最大潜在强度(c)，垂直风切变(d)以及垂直速度对应的GPI*的气候平均(等值线)和年代际差异(填色) (1995~2013年减去1980~1994年) 异存在明显的下降，但南海–菲律宾群岛附近GPI有所增大，且大值中心位于该区域。 4.1.2. GPI*的变化 由GPI的计算公式可知GPI由五个大尺度环境因素：低层大气绝对涡度、中低层大气相对湿度、热带气旋最大潜在强度、垂直风切变以及中层垂直速度决定。但是这五个大尺度环境变量对GPI年代际变化的贡献可能不同，为了确定影响台风年代际变化的最关键因子，这五个大尺度环境变量在GPI变化中的相对重要性仍需要进一步的分析。因此，本文参照前人的计算方法，引用了一个新的变量 [ 21 ] ：GPI*，计算GPI*所用的数据和GPI的一样，但在计算过程中，固定四个变量为多年气候平均值，第五个变量仍使用1980~2013年的时间序列数据，这样得到GPI*变化，可近似作为第五个变量对GPI变化的单独贡献，对(3)式中所有变量都进行同样的计算，通过比较GPI*的变化就可以确定在GPI的变化中五个大尺度环境变量作用的相对大小，从而判断影响台风生成最主要因子。计算公式如下： 从图7中可以清楚地看到各个环境变量对应的GPI*的变化。1995年后，反气旋性涡度增大(图7(a))，相对湿度变小(图7(b))，垂直风切变增大(图7(d))，下沉运动增强(图7(d))，这些都不利于西北太平洋台风主要生成区域台风的生成。说明这些动力和热力条件在台风活动的变化中起到很重要的作用，这和Liu and Chen [ 22 ] 中得到的结论一致。突变前后，5个GPI*中变化最显著的是最大潜在强度对应的GPI*，其次是垂直风切变，也就是说在GPI的年代际变化中，最大潜在强度的贡献最大。 为了能更直观的看出每个因子贡献的大小，计算10~12月台风主要生成区GPI和GPI*的变化(表1)。GPI的总体变化为-0.8535，从表1可清晰的看出每个因子对GPI的贡献，可近似认为是每个因子对GPI的单独贡献。在所有因素中，MPI和VWS分别作为热力和动力条件，对GPI的贡献起到很重要的作用。 4.2. 最大潜在强度与垂直风切变的作用 鉴于上文的分析得出热带气旋最大潜在强度和垂直风切变是西北太平洋10~12月GPI的年代际变化中贡献最大的两个因子，因此本节将从这两个因子出发解释台风数量和强度的年代际变化。 4.2.1. 热带气旋最大潜在强度的变化 热带气旋最大潜在强度可以表示台风的强度。图8为热带气旋最大潜在强度的年代际变化，在整个西北太平洋海域基本为正异常，特别是20˚N~35˚N，最大潜在强度在突变后有利于台风的增强发展。对台风主要生成区域的最大潜在强度指数做分析(图9)，发现热带气旋最大潜在强度在1995年有显著的年 Table 1 The epochal difference of GPI* and contributions to GPI induced by each individual factor over the main regions where the typhoon genesi 130˚E~180˚E，5˚N~20˚N MPI VWS VOR RH w GPI*(x)的变化 0.3089 −0.2923 −0.1828 −0.0662 0.0018 对GPI的贡献 −36.19% 34.23% 21.42% 7.76% −0.21% 表1. 台风主要生成区域内每项因子对GPI*的影响和对GPI的贡献 图8. 西北太平洋10~12月 MPI的气候平均(等值线)和年代际差异(填色) (1995~2013年减去1980~1994年) 图9. 西北太平洋台风主要生成区MPI时间序列蓝色虚线分别为突变前后MPI的平均值，黑色细线为34年内的趋势线。线性趋势在MK检验中超过0.05的显著性水平；1995年的突变在曼惠特尼检验中超过0.05的显著性水平 代际突变，该突变与台风的年代际突变一致。且其线性上升趋势在MK检验中超过0.05的显著性水平，1995年的突变在曼惠特尼检验中通过了0.05的显著性水平。 为了更清楚的分析最大潜在强度与台风真实强度的变化，统计了1980年至2013年10~12月西北太平洋共发生热带气旋。结果显示，34年期间共有228个热带气旋生成，其中达到热带风暴等级的有90个，占到总数的约39%；达到一级台风强度的有50个，占到总数的约22.4%；达到二级台风强度的有41个，占到总数的约18%；达到三级台风强度的有36个，占到总数的约15.8%；共有11个热带气旋达到超强台风强度(4级)，占此区域全部热带气旋的比例为4.8%。共有139个热带气旋发展为台风，占60%。相比之下，在1995~2013年西北太平洋10~12月份年平均热带气旋个数减少2.81个，其中包括0.74个热带风暴、1.93个台风(其中TY1：0.95；TY2：0.35；TY3：0.49；TY4：0.14)以及0.14个强台风(图10，图11)。就台风平均生命史长度来看，其平均生命史从1980~1994年的11.3天减少到1995~2013年的10.5天(图12)，这表明台风平均持续时间有所减短。值得注意的是，MPI的值增大，而实际台风的强度减弱。这有可能是1995年后，西北太平洋SST升高(图13)，造成MPI增大。而SST异常场的分布呈La Niña形态(图14)，在1980~1994年期间，台风生成位置的平均经度为150.4˚E，在1995~2013年间，台风生成位置的平均经度为148.5˚E，表明在1995~2013年间，台风生成的平均位置发生了明显的向西偏移，生成位置西移导致台风在发展过程中过早受到西边界的影响，导致发展为台风的热带气旋偏少，其强度也偏弱。 图10. 突变前后每年10~12月热带气旋的平均生成数 图11. 突变前后每年10~12月各级台风的平均生成数 图12. 突变前后10~12月台风的平均生命史长 图13. 西北太平洋台风主要生成区SST时间序列蓝色虚线分别为突变前后SST的平均值，黑色细线为34年内的趋势线。线性趋势在MK检验中超过0.05的显著性水平；1995年的突变在曼惠特尼检验中超过0.05的显著性水平 4.2.2. 垂直风切变的变化 定义台风主要生成区域垂直风切变的区域平均为垂直风切变指数(VWSI)，对该指数的异常时间序列进行分析，突变前异常指数平均每年为−0.56，突变后为0.44，1995年后有所上升(图15)，其线性上升趋势在MK检验中超过0.1的显著性水平，1995年的突变在曼惠特尼检验中通过了0.1的显著性水平，VWSI与GPI的相关系数为−0.43，通过0.05的显著性水平。所以说垂直风切变对西北太平洋海域热带气旋GPI的变化有很大的影响。 为了更直观地分析垂直风切变与台风活动的关系，做垂直风切变与台风数的相关分布如图16，西北 图14. 西北太平洋10~12月SST的年代际差异(1995~2013年减去1980~1994年) 图15. 西北太平洋台风主要生成区VWSI时间序列。蓝色虚线分别为突变前后VWSI的平均值，黑色细斜线为34年内的趋势线。线性趋势在MK检验中超过0.1的显著性水平；1995年的突变在曼惠特尼检验中超过0.1的显著性水平 太平洋东南部表现为负相关，最大负相关范围(5˚N~15˚N， 150˚E~170˚E)出现在台风主要生成区域内。因此，西北太平洋该区域垂直风切变强，对应的VWSI值偏大，则西北太平洋台风活动偏少，相反，垂直风切变弱，VWSI小，西北太平洋台风活动偏多。西北太平洋台风主要生成区域内东部与垂直风切变为负相关，西南部为正相关。 上文的结果表明西北太平洋台风主要生成区域东部，台风的生成与垂直风切变成负相关，西部成正相关。为更进一步分析垂直风切变与台风生成的关系，定义垂直风切变指数异常值大于1为强垂直风切变年，小于−1为弱垂直风切变年。1980~2013年间，有5个强垂直风切变年，8个弱垂直风切变年。强年平均每年生成2个台风，弱年平均每年生成4个台风。图8为弱、强垂直风切变年台风生成位置分布的不同。台风主要生成区域内东部，弱垂直风切变年生成的台风明显偏多，这也能说明台风主要生成区域东部的台风生成数量与垂直风切变成反比。图17也能表明东部台风的生成明显多于西部。以上结论可表明垂直风切变主要通过影响台风主要生成区域东部的台风生成来影响西北太平洋台风的活动。 垂直风切变作为西北太平洋台风活动的主要因子 [ 4 ] ，对10~12月台风的活动有很大的影响(表1，图17)。但是，目前对垂直风切变与台风年代际变化关系的研究都比较少，Chan的研究表明，垂直风切变是影响西北太平洋强台风年代际变化的动力因子之一，垂直风切变弱，生成的强台风偏多，反之，垂直风 图16. 垂直风切变与台风的相关分布。阴影部分在t检验中超过0.1的显著水平 图17. 垂直风切变弱、强年的台风异常(弱年减去强年) 切变强，生成强台风的数量偏少 [ 2 ] 。垂直风切变不仅对强台风的年际变化有影响，本文发现其还对台风的年代际变化也有重要的影响。总结垂直风切变对台风活动的影响：垂直风切变主要对西北太平洋东南部的台风活动造成影响。垂直风切变弱，生成的台风偏多，反之，垂直风切变强，生成台风的数量偏少。