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西北太平洋热带气旋是造成中国及东亚、东南亚周边国家重要气象灾害的主要天气系统之一,其活动的年际异常对东亚地区夏半年气候异常有着重要的影响。本文利用JTWC热带气旋资料、NCEP/NCAR-2再分析资料和NOAA的OLR等资料,应用统计分析、理论推导计算和数值模拟等方法,研究西北太平洋热带气旋活动的年际变化及其机理。本文不仅揭示了西北太平洋热带气旋活动的年际变化的主要模态特征及其与ENSO间的联系,而且还指出季风槽在其间起到了的重要桥梁作用,并从能量转化的角度详细分析了季风槽型大尺度环流强迫热带波扰动增长形成热带气旋的动力过程。主要结论有:
⑴西北太平洋热带气旋的年际变化特征及其与ENSO联系。将热带气旋强度指数(ACE)与时空平滑函数(TDF)相结合定义了一个时空上连续的热带气旋强度和路径指数(TIF),该指数能够较好地反映西北太平洋热带气旋年际变化的主要特征。对TIF进行EOF分析的第一模态显示,西北太平洋的热带气旋活动存在一个以菲律宾以东(18°N,135°E)为中心、西北太平洋全区一致变化的空间模态,南海地区则呈反相分布,此模态有明显的年际变化特征;第二模态为东北-西南反相振荡模态,该模态除有显著的年际变化外,还存在明显的线性变化趋势。进一步利用最大协方差分析发现,热带中东太平洋海温异常与西北太平洋热带气旋活动全区一致模的异常有很好的同期关系;而超前2个月的西北太平洋海温异常与西太平洋热带气旋活动的东北-西南反相振荡关系密切。
⑵大尺度环流的作用及季风槽的影响。对ENSO不同位相年的西北太平洋大气环流差异进行分析,发现ENSO主要通过调制大气环流来影响热带气旋活动,其中季风槽起了关键作用。通过定义西北太平洋季风槽东-西向的年际变化特征,初步探讨了西北太平洋季风槽与西北太平洋热带气旋在年际变化尺度上的关系,发现季风槽增强东进(减弱西退)与热带气旋生成位置的东(西)移有很好的对应。研究进一步揭示,在季风槽偏强偏东年份,热带西北太平洋东部的大尺度环流背景变得有利于热带气旋生成和发展,同时天气尺度的波扰动在此显著增强。因此,西北太平洋热带气旋生成位置偏东强度偏强。冷年则相反。
⑶季风槽、热带波动与西北太平洋热带气旋活动异常的关系。运用频率-波数谱分析发现,热带低压—混合罗斯贝重力波(TD-MRG)和赤道罗斯贝波(ER)与西北太平洋东南部热带气旋扰动关系密切。ENSO暖位相年,TD-MRG波从赤道中东太平洋向西传播过程中,当其位于日期变更线以东时,其波的结构更接近MRG波,而当其传播接近到西太平洋季风槽东端的位置时,波的强度开始加强、水平尺度收缩并呈东北-西南倾斜、垂直结构呈正压结构、对流中心与涡旋中心重合、波沿着季风槽向西北行,此时TD-MRG波更具TD波的性质。而在ENSO冷位相年,TD-MRG波可以保持MRG波的性质沿赤道一直西行到150°E以西,波列的强度远远弱于暖年,同时垂直结构随高度东倾。然而,ER波的情况有所不同,尽管波动向西传播到接近季风槽东端后其强度明显增加,但其结构变化不大。相比之下,暖年ER波动强度更强,结构要接近理论的ER波动。正是这些热带波扰动在季风槽附近的增长与有利的大尺度环流环境相配合导致了西北太平洋热带气旋生成异常。
⑷季风槽影响热带气旋的动力过程及机理。通过推导水平二维的能量循环方程组,并对热带西北太平洋的对流层低层的平均和扰动能量之间转化过程定量计算和分析,发现热带西北太平洋对流层低层沿着季风槽存在明显的平均动能向波动的扰动动能转化区,该能量转化区随季风槽的增强东伸(减弱西退)也加强东进(减弱西退),正是季风槽变动引起的这种大尺度平均动能向较小尺度波动动能转化的变化,影响了相应地区热带气旋的生成异常。论文还利用浅水模型对这个动力过程进行了模拟,模拟结果清楚展现了在季风槽气流影响下热带波扰动强度加强、尺度收缩、形状改变,最终演变为小尺度波扰动的过程,这些扰动在合适的大尺度环境配合下发展成为热带气旋。本文揭示的季风槽通过能量转化影响热带气旋活动的动力过程,为西北太平洋热带气旋活动的年际变化的机理研究提供了有效途径。