西太热带气旋的气候特征及对海洋热状态响应机理的研究

摘要

热带气旋(Tropical Cyclone，TC)是一种具有强大影响的灾害性天气系统，它带来的狂风、暴雨和风暴潮等灾害都会给人类的生命财产安全构成巨大威胁，因此成为当前研究的热点问题。西北太平洋是全球TC最集中的区域之一，研究TC的生成过程、结构变化和活动规律对我国和其他沿海国家的防灾减灾具有重要意义。 本文基于中国气象局热带气旋最佳路径资料集，NOAA（美国国家海洋和大气管理局，National Oceanic and Atmospheric Administration）最优插值1/4度逐日海温分析资料、SODA(Simple Ocean Data Assimilation)热含量资料和ENSO（厄尔尼诺—南方涛动，El Ni(n)o-Southern Oscillation）数据，采用小波分析、经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function，EOF)、相关分析、滑动T检验等方法，分析了西北太平洋热带气旋在频数、强度、持续时间、源地和热带气旋累积能量（Accumulated Cyclone Energy，ACE）等方面的时空变化特征，探讨了海表温度、海洋上层热含量以及两类ENSO事件对TC的影响，得到的主要结论如下: 1、西北太平洋热带气旋的基本气候特征 (1)热带气旋在全年都有发生，频数高频时段为6-10月，STY(强台风，Severe Typhoon)和TY（台风，Typhoon）的发生频数高于其他等级的热带气旋。从长期趋势上看，除了热带风暴频数呈上升趋势，其他各强度热带气旋频数均呈下降趋势。除了STY之外，其他各等级热带气旋频数均在20世纪80年代中后期至90年代表现为高值期，21世纪以来为低值期。 (2)西北太平洋热带气旋源地主要集中在5°-22°N，110°-155°E之间，明显的源地集中区有3个，分别为10°-22°N、110°-120°E，8°-20°N、125°-145°E和5°-20°N、145°-155°E，3个源地生成的TC频数约各占总TC数量的27％，46％，21％。热带气旋的强度越强，生成源地的频数高频中心越偏东，且源地范围逐渐缩小。 (3)热带气旋ACE随着TC强度的增加而增加。季节变化上，各等级热带气旋ACE在8月达到最大值，1-4月、12月ACE较小，7-10月为热带气旋最为活跃的时段，ACE较大。从总体上看，热带气旋ACE呈下降的趋势。不同等级热带气旋的ACE变化趋势不同，TS（热带风暴，Tropical Storm）和STY的ACE呈上升的趋势，TY、SuperTY（超强台风，Super Typhoon）的ACE呈下降趋势。TD（热带低压，Tropical depression）、TS和SuperTY的持续时间呈下降趋势，STS（强热带风暴，Severe tropical storm）、TY和STY持续时间呈上升趋势，各等级热带气旋持续时间均存在多个时间尺度的周期变化。 2、西北太平洋极端温度事件的变化特征及与ENSO的关系 (1)1982-2014年西北太平洋极端SST事件具有明显的月际、年际和年代际特征，极端高温事件主要集中发生在6-10月，年际和年代际的变化显示，1982-1999年呈线性增加趋势，2000-2007年增加趋势放缓，2008-2014年又呈快速上升趋势，尤其2010年以后上升趋势明显。低温事件主要集中在1-3月;在年代际变化上，1982-1991年呈增加趋势，1992-2014年呈下降趋势。 (2)1982-2014年，西北太平洋极端高温事件的发生频率明显增大，极端高温发生天数正在逐渐增加，单次极端高温事件持续时间逐渐增长，且平均温度和最高温度也呈上升趋势。同时，极端低温事件的发生频率明显减小，发生天数和单次事件的持续时间均明显减少，单次极端低温事件的平均温度和最低温度呈线性上升趋势。西北太平洋极端SST事件的变化存在着多时间尺度的特征，极端高温事件呈现1-4年和4-7年的周期变化，低温事件呈现多尺度周期变化，主周期尺度为3-4年。 (3)Nino3.4区下半年ENSO指数与西北太平洋极端高温呈显著负相关，与极端低温事件呈显著正相关。意味着当赤道中太平洋处于ENSO循环的冷相位（La Ni(n)a事件发生）时，西北太平洋极端高温事件更容易发生。反之，当赤道中太平洋处于ENSO循环的暖相位时（El Ni(n)o事件发生），西北太平洋极端低温事件容易发生。 3、西北太平洋海温变化及海温异常对热带气旋活动的影响 (1)近33年来西北太平洋全区SST普遍上升，增温幅度为0～1.6℃，增温幅度最高的为我国东海沿岸海区，其次为西北太平洋暖池区，SST年际上升速率为0.019℃/a。 (2)TC源地集中分布于27℃等温线以南的高温海区，其中87％以上的TC分布在28～29℃等温线之间的海区。TC强度越强，生成源地位置越偏东，TC等级越高，其生成源地的海表温度越高。西北太平洋SST与STY和SuperTY有着显著的相关关系，主要表现为与STY和SuperTY频数、持续时间和ACE的显著负相关，而与其他等级的热带气旋无显著关系。在热带气旋活动与SST相关系数的空间分布上，热带气旋频数、持续时间和ACE与西北太平洋的SST呈负相关关系，尤其与南海以及西北太平洋西部、北部SST存在显著负相关。 (3)在西北太平洋增温的背景下，热带气旋的频数和ACE总体上呈下降趋势。从各等级热带气旋的对比来看，极端高温事件对热带气旋的影响主要体现在STY和SuperTY上，两者之间有着显著的相关关系。 4、西北太平洋热含量变化对热带气旋活动的影响 (1)西北太平洋上层100m热含量整体上呈上升趋势，尤其以我国东海、南海和菲律宾群岛西侧海域升温趋势最为明显;而以20°N为轴心，122°-155°E附近的带状海域和加里曼丹岛东西侧海域，海水热含量呈下降趋势。西北太平洋上层300m海水热含量大部分呈上升趋势，其中北赤道流区域热含量上升较为明显。上层700m热含量在空间上以15°N为轴线呈南北对称分布，北赤道流区域海水热含量上升明显，而20°N附近带状海域海水热含量呈下降趋势。 (2)近30年，西北太平洋海水热含量呈现出上升趋势，尤其是自20世纪90年代后期，呈现出明显上升趋势。通过对比上层100m、300m、700m热含量的增温趋势可发现，上层700m热含量上升幅度最大，300m增温幅度次之，100m变化幅度最小。 (3)在年际尺度上，西北太平洋上层100m热含量与热带气旋活动是呈负相关的，且高等级热带气旋（STY和SuperTY）活动与热含量呈显著负相关。上层300m热含量与热带气旋频数呈显著正相关。相同的是，与热带气旋持续时间和ACE呈负相关，且对高等级热带气旋(STY和SuperTY)的影响要大于低等级热带气旋。上层700m热含量对热带气旋的影响特征与上层300m热含量类似。通过对各等级热带气旋和不同深度热含量的对比研究可发现，上层100m、300m和700m热含量与热带气旋持续时间和ACE均表现出一致的负相关，而在与热带气旋频数的相关性上表现出不同特征。通过分析热含量对不同等级热带气旋的关系可知，海洋上层热含量对高等级热带气旋（STY和SuperTY）的影响要大于对低等级热带气旋的影响。 (4)西北太平洋上层100m热含量与热带气旋频数、持续时间、ACE总体上呈负相关，其中在南海以及西北太平洋暖池区负相关最为显著。 5、两类ENSO事件对热带气旋活动的影响 (1)ENSO事件对西北太平洋TC的活动有重要影响，La Ni(n)a年TC的生成频数多于El Ni(n)o年，而El Ni(n)o年TC的持续时间和ACE均大于La Ni(n)a年。从各等级TC活动的对比来看，ENSO事件对高等级TC（STY和SuperTY）的影响要大于低等级TC。 (2)当CP-ENSO（中部型ENSO）事件发生时，西北太平洋TC生成频数偏多，持续时间偏长，并且ACE也较大;当EP-ENSO（东部型ENSO）事件发生时，西北太平洋TC生成频数偏少，持续时间偏短，且ACE较小。但SuperTY活动规律与之相反。这说明，西北太平洋TC整体上受CP-ENSO事件的影响较大，而高等级TC(SuperTY)受EP-ENSO事件的影响较大。 (3)通过对比分析两类ENSO事件不同位相下各等级TC生成频数和源地的空间分布差异可得，在EP/CP-El Ni(n)o年，西北太平洋TC的生成位置会向东南方向偏移，而在EP/CP-La Ni(n)a年，TC生成位置偏西偏北。两类ENSO事件对各等级TC源地的影响差异主要体现为南海北部和南海南部的差异，以及西北太平洋东南海域与西北海域的差异。

目录

摘要

1．1研究背景

1．2研究意义

1．3国内外研究现状

1．3．1极端温度事件的变化及趋势

1．3．2热带气旋生成的条件

1．3．3影响中国的热带气旋源地

1．3．4影响中国的热带气旋的频数变率及趋势

1．3．5热带气旋强度的变化

1．3．6海表温度对热带气旋的影响

1．3．7海洋热含量对热带气旋的影响

1．3．8 ENSO对热带气旋的影响

1．3．9热带气旋累积能量(ACE)的研究

1．4科学目标和研究内容

1．4．1尚需解决的科学问题

1．4．2本文研究内容和拟解决的关键问题

1．5研究技术路线

第2章研究区域、数据与方法

2．1研究区域概况

2．2研究数据

2．3研究方法

第3章西北太平洋热带气旋的时空变化特征

3．1热带气旋频数的变化趋势及周期

3．1．1热带气旋频数的季节变化

3．1．2热带气旋频数的年际变化

3．1．3热带气旋频数的周期变化

3．2热带气旋的源地空间分布

3．2．1热带气旋源地的季节分布

3．3热带气旋强度的变化趋势及周期

3．2．1热带气旋累积能量的季节和年际变化

3．2．2热带气旋累积能量的周期变化

3．4热带气旋持续时间的变化趋势及周期

3．4．1热带气旋持续时间的年际变化

3．4．2热带气旋持续时间的周期变化

3．5本章小结

第4章极端海表温度事件的变化特征及与ENSO的关系

4．1极端温度阈值的确定

4．2西北太平洋极端SST事件的变化特征

4．2．1极端SST事件的月际变化

4．2．2极端SST事件的年际和年代际变化

4．2．3单次极端SST事件的持续时间、温度的变化

4．2．4极端SST事件周期的变化

4．2．5西北太平洋SST变化主成分分析

4．3极端SST事件的影响因素分析

4．4本章小结

第5章海温变化及海温异常对热带气旋活动的影响

5．1西北太平洋热带气旋活动与海表温度变化的关系

5．1．1近33年西北太平洋海表温度变化趋势

5．1．2西北太平洋TC源地分布与SST的关系

5．1．3 TC频数、持续时间、ACE与SST变化的相关关系

5．1．4西北太平洋不同TC源地的频数与SST的相关关系

5．2西北太平洋热带气旋活动与极端高温事件的相关关系

5．3本章小结

第6章西北太平洋热含量变化对热带气旋活动的影响

6．1西北太平洋热带气旋活动与热含量变化的关系

6．1．1 1982-2010年西北太平洋上层热含量变化的时空特征

6．1．2 TC频数、持续时间、ACE与热含量变化的相关关系

6．2本章小结

第7章两类ENSO事件对西北太平洋热带气旋的影响

7．1 ENSO事件的分类指标和判别方法

7．2 ENSO事件对热带气旋频数的影响

7．3 ENSO事件对热带气旋持续时间的影响

7．4 ENSO事件对热带气旋ACE的影响

7．5两类ENSO(EP／CP-ENSO)事件对热带气旋的影响

7．5．1 EP／CP-ENSO事件对热带气旋频数的影响

7．5．2 EP／CP-ENSO事件对热带气旋持续时间的影响

7．5．3 EP／CP-ENSO事件对热带气旋ACE的影响

7．5．4 EP／CP-ENSO事件对热带气旋生成源地的影响

7．6本章小结

第8章结论与展望

8．1主要结论

8．2本研究主要的创新点

8．3存在的不足及未来工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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