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西半球热带风暴起源地的南北变化
作者：王春在、王鑫、王东晓、吴立新等
摘要：在西半球，热带风暴和飓风在北大西洋和东北太平洋生成。前人的研究聚焦于气旋在每个海盆上发生的频率、时长和强度。目前我们发现了热带气旋起源地之间有相互关系，在年际尺度和多年际尺度上，热带风暴生成位置向北的变化与另一海盆生成位置向南相联系。在上对流层，能激发反位相垂直风切变的跨中美洲风是连接两个海盆风暴活动的桥梁。热带太平洋和北大西洋的海表温度同样可以激发跨中美洲区域风的变化。本研究意义在于通过两个海盆相互联系可以提高飓风预报，同时减少飓风着陆带来的灾害。
1.引言
台风是地球上最为具有破坏性的天气现象之一，并且对许多国家带来了巨大的社会经济影响。由于对何时何地台风会形成更好地认知会帮助政府更好地防备台风带来的影响，因此提高对台风的认识是非常重要的。在西半球，台风生成与北大西洋和东北太平洋，这两个被中美洲分离的海盆具有地理位置上的接近。前人的研究主要关心每个海盆台风强度、频率和持久度的变化，很少关注到这两个海盆之间的关系。特别是这两个海盆台风起源地的变化依旧不清楚。气旋起源地被定义为每个风暴首次达到热带风暴，即超过18米每秒风速的位置。本研究使用观测数据找到这两个海盆台风起源地的反相变化，并且将跨中美洲风的变化用于解释这种联系。
2.数据集、天气指数和方法
热带气旋数据来源于IBTArCS1950~2013年六小时最佳位置与强度台风数据。为了减小识别弱系统的主观误差，我们使用只有到达热带气旋强度的台风数据。台风生成季节在北大西洋和东北太平洋被定义为六月至十一月，因此我们分析每年六月至十一月的台风。
为了研究与台风形成有关的大气环境条件，我们使用NCEP的再分析资料进行分析，月平均海表温度来源于NOAA数据中心。所有大气和海洋的再分析产品来源于1950~2013年，与台风数据时段一致。本文使用的气象指数为Nintilde;o3、MDR（大西洋飓风主要发展区域的海温异常）、AMO（大西洋多尺度涛动）和PDO（太平洋年际涛动）。Nintilde;o3指数被定义为西经90度至150度和北纬5度至南纬5度的海温异常，我们使用Nintilde;o3指数值超过1个标准偏差的正反变化值来定义厄尔尼诺和拉尼娜年。在1950至2013年，厄尔尼诺年为1957、1965、1972、1982、1987、1991、1997、2002和2009年，拉尼娜年为1954、1955、1964、1970、1971、1973、1975、1988和1999年。大西洋MDR海温异常被定义为西经15度至85度和北纬10度至20度的区域，基于去趋势的大西洋MDR海温异常指数，我们挑选了其值超过1个标准偏差正反位相年份定义为为暖与冷年份。暖大西洋MDR年为1951, 1952, 1953, 1955, 1958, 1969, 1987, 1995, 1998, 2005, 2006, 2010和2012年，冷大西洋MDR年为1971, 1972, 1974, 1975, 1982, 1984, 1986, 1991, 1992, 1993和1994。北大西洋赤道到北纬70度的的去趋势海温异常被定义为大西洋多年际变化涛动(AMO)，我们选取了1964至1995年（32年）为AMO的冷位相，1953至1963（11年）和1996至2010（15年）为AMO的暖位相。
我们对相关性和回归性进行了显著性检验，有效自由度由以下公式估计得到：
其中，N是X和Y的时间序列数据点，RX1或RY1是滞后一的自相关，RX2或RY2滞后二的自相关。
3. 台风起源位置的南北变化
北大西洋和东北太平洋的飓风变化有三处不同。第一：北大西洋台风季节为六月一日至十一月三十日，但是东北太平洋略早，为五月十五日。第二：北大西洋的平均台风数量（每年10.9个）比东北太平洋（13.5）要少。第三：东北太平洋台风生成地比北大西洋范围要更加的密集，东北太平洋的台风生成集中于北纬10度到20度，且最大值为14.5度。而在北大西洋生成的台风范围更加广泛，最多集中于北纬10度到20度，其次集中于北纬25度到30度。形成于北大西洋南部和北部区域的台风之前被称作热带、副热带风暴，其中，形成于南部区域的台风强度更大且持久力更强，这是因为它们可以掠经热带暖水更久的时间。与形成南部的风暴不同的是，这些形成北部的台风很少在美国东南部登陆。
图1 图a是东北太平洋和北大西洋台风起源位置的地理分布，图b是东北太平洋台风数量纬度变化分布，图c是北大西洋台风数量纬度变化分布
我们计算了北大西洋和东北太平洋平均气旋起源纬度的时间序列。在年变化的时间尺度上，北大西洋热带气旋起源位置没有显示出明显南北变化的趋势，然而生成于东北太平洋的台风却有向南的趋势。同时在多年际尺度和年际尺度上，北大西洋和东北太平洋纬度变化是反相的，图2中负的相关系数通过了95%的显著性检验。换句话说，在北大西洋台风起源地向南（北）的变化与东北太平洋台风起源地向北（南）的变化有关，在每个海盆，当台风生成地向北（南）转变时，这个海盆的热带气旋数量就会较少（增多）。如果在热带区域的情况不利于热带气旋的形成，那平均纬度便会向北。起源地北向的台风数量的减少与北纬20度不利于形成或增强台风相一致，由于在北大西洋和东北太平洋台风起源地南北向变化是相反的，因此在这两个海盆发生的单独的热带气旋数量也是反相的。
图2 东北太平洋（蓝）和北大西洋（红）台风起源纬度时间序列。图a是总数量，图b是去除线性趋势，图c是多年代际尺度，图d是年代际尺度。
不像是南北变化，在任何时间尺度上，热带气旋起源地在北大西洋和东北太平洋的东西变化并没有显示任何的相关性。北大西洋台风生成地显示了向东的趋势，但在东北太平洋却无趋势。在多年际尺度上，东北太平洋台风生成地的东西变化与Nintilde;o3指数呈现显著的相关性，但北大西洋东西变化与气候指数并没有显著的相关。在年际时间尺度上，东北太平洋台风生成地东西的变化与Nintilde;o3和AMO指数显著相关，而北大西洋与AMO和大西洋MDR海温异常显著相关。
4.跨中美洲风影响热带风暴起源位置的反相变化
我们首先将海表面温度回归到北大西洋热带气旋起源纬度时间序列中，来验证影响其南北变化的天气因素。总的来说，回归的海表温度图是暖的赤道东太平洋和冷的北大西洋。在多年际尺度上，回归的海表温度和AMO的冷相位相似，因为北大西洋和东北太平洋台风生成地纬度的变化清楚地显示了AMO的信号。在年际变化时间尺度上，回归的海表温度图类似于厄尔尼诺，在赤道东太平洋为暖而在热带北大西洋为冷。这意味着北大西洋与东北太平洋热带气旋生成地南北变化主要由大西洋海表温度控制，比如在多年际尺度上的AMO以及对年际尺度上ENSO和MDR海表温度有贡献，这与海表面温度对北大西洋热带气旋数目的贡献相似。事实上，北大西洋和东北太平洋热带气旋起源纬度与多年际尺度上的AMO和MDR海表温度异常、年际尺度上Nintilde;o3和MDR海表温度异常显著相关。
图3 将六月~十一月海温和垂直风切变回归到北大西洋热带风暴起源纬度的时间序列中。图a是去趋势的，图b是多年际尺度的，图c是年际尺度的（图a、b、c为回归海温图）；图d是去趋势的，图e是多年际尺度的，图f是年际尺度的（图d、e、f为回归垂直风切变图）
为了进一步揭示天气影响，我们计算了每年AMO冷暖相位、厄尔尼诺和拉尼娜年以及大西洋MDR冷暖相位平均热带气旋数目发生纬度的变化。与AMO的冷相位相比，暖相位显示了台风数目在东北太平洋北纬16度以南地区的减少以及北纬16度以北地区的增多。因为南部的减少大于北部的增多，在AMO的暖相位东北太平洋的台风数目总的结果为减少。相反地，北大西洋的台风显示了相反的变化，台风数量在北纬32度以南增加而在北纬32度以北减少，并且在AMO的暖相位台风总数目为增加。因为ENSO的影响，在厄尔尼诺年，通过增加北纬14度以南且减少北纬14度以北的台风数量使得东北太平洋台风生成地位置发生向南的转变。然而，厄尔尼诺事件通过减少北大西洋北纬23度以南的台风数量，使得北大西洋的台风生成位置向北转变并且总的数目增多。暖的大西洋MDR年同样通过减少北纬17度以南且增多北纬17度以北的台风数量使得东北太平洋气旋生成地位置发生向北的转变，相反，其通过增多北纬28度以南且减少北纬28度以北的台风数量使得北大西洋气旋生成位置发生向南的转变。
在海盆中，影响气旋活动的天气因素可被分为南部与北部，南部和北部区域热带气旋的变化总是反相的。就是说，南部区域热带气旋数目的增多（减少）对应着北部区域的减少（增多）。南部和北部区域台风数量的变化都对其生成地位置有影响，平均台风生成地位置是由南部和北部区域相对贡献决定的。
问题在于天气要通过什么过程才能影响在两个海盆热带风暴生成地南北向的变化。低与高对流层垂直风切变对风暴的形成活动起着重要的作用，因为弱（强）的垂直风切变有利（阻碍）垂直气旋性涡度的形成，从而对热带气旋的形成和发展起着有利（不利）的作用。我们定义垂直风切变为风矢量在200百帕和850百帕的切变，同时将垂直风切变回归到北大西洋热带气旋生成纬度序列上。垂直风切变回归图显示了在热带北大西洋正向的风切变以及在东北太平洋反向的风切变，同样在多年际尺度和年际尺度时间范围上，这种垂直风相反的现象在热带北大西洋和东北太平洋都存在。垂直风切变的反位相解释了北大西洋和东北太平洋台风生成位置反位的关系。
图4 与AMO、ENSO、MDR相联系的热带风暴纬度分布变化。图a（东北太平洋）、b（北大西洋）为在AMO暖、冷位相分别发生的热带风暴纬度变化图。图c（东北太平洋）、d（北大西洋）为在厄尔尼诺、拉尼娜年发生的热带风暴纬度变化图。图e（东北太平洋）、f（北大西洋）为在MDR暖、冷相位分别发生的热带风暴纬度变化图。
但是什么造成了相反的垂直风切变以及它是如何产生的呢？将垂直风切变回归到Nino3指数、大西洋MDR海温异常以及AMO指数，结果在北大西洋和东北太平洋均显示了相反的变化。厄尔尼诺事件激起跨越中美洲的了上（下）对流层西（东）风异常，跨中美洲风是连接着热带北大西洋和东北太平洋的。上对流层西风异常增加了热带北大西洋的平均西风且减弱了东北太平洋的平均东风，结果导致热带北大西洋风切变的增加以及东北太平洋风切变的减弱。同时，低对流层的东风异常同样增加了热带北大西洋的平均东风和东北太平洋的平均弱的区域风。因为上层风变化带来的更强的贡献，结果导致ENSO事件在热带北大西洋和东北太平洋激起了相反的垂直风切变。同时，大西洋海温变化可在热带北大西洋和东北太平洋同时产生相反的垂直风切变。暖性北大西洋可在上（低）对流层激起东（西）风异常，且异常是跨越美洲并且连接了热带北大西洋和东北太平洋的。上对流层跨美洲东风异常是解释热带北大西洋和东北太平洋反向垂直风切变的原因。总得来说，热带太平洋和大西洋海温都可以激起跨美洲上层风的变化，这也同时在两个海盆产生了相反的垂直风切变。
图5 跨中美洲风指数时间序列。图a为去趋势、图b为多年代尺度、图c为年代际尺度上，在西经60度至110度、北纬10度至20度区域上六月至十一月200百帕区域风异常图。
接下来的问题在于为什么热带太平洋和大西洋海温可以在上对流层造成跨中美洲风的变化？ENSO可以直接或间接的影响跨美洲的区域风，当厄尔尼诺事件发生时，东太平洋上对流层与弱的沃克环流相联系的异常辐散可直接激发跨中美洲的西风异常。厄尔尼诺同样也可通过PNA模态的遥相关激发跨美洲的西风异常。暖性赤道东太平洋激发的罗斯贝波列可被描述为上对流层副热带北太平洋的反气旋，阿拉斯加海湾的气旋，美洲西北部的反气旋，美洲东南部和墨西哥海湾的气旋。美洲东南部和墨西哥海湾上部的反气旋转而影响跨中美洲的上层西风异常。对于大西洋海温来说，大气对海温加热热源的响应为Gill理论。举个例子，大西洋暖池的暖性SST异常分别在下和上对流层激起了异常的气旋和反气旋，且位于暖池的北侧。和上对流层东风异常相联系的异常反气旋跨越了中美洲。
最后，我们定义在西经60度至110度、北纬10度至20度的区域，衡量跨中美洲上层区域风异常的指数。跨中美洲风指数与北大西洋和东北太平洋台风发生纬度显著相关，在多年代际时间尺度上，这与大西洋SST异常或者AMO显著相关，而与PDO则相反。在年际时间尺度上，风指数与太平洋和大西洋所有的天气指数显著相关。这表明了大西洋SST主导了多年际尺度上跨美洲风的变化，同时太平洋和大西洋SST可同时激起年际尺度上跨中美洲风的变化。所有激起跨中美洲风的因子又可转而产生相反风切变，同时导致了北大西洋和东北太平洋台风生成南北变化的反相关系。
5.总结和讨论
在这篇文章中，我们使用了1950到2013年的观测数据阐明了北大西洋和东北太平洋台风生成地是呈南北变化的。在年际变化和多年际变化的时间尺度上，一个海盆台风生成地向北（南）的转变与另一个海盆台风生成地向南（北）的转变有关。激发了反位相垂直风切变的跨美洲风，是联系这两个海盆气旋活动的桥梁。在热带太平洋和北大西洋，海表温度与跨美洲风的区域风变化有关。
我们同样检验了其他对北大西洋和东北太平洋台风生成地有影响的大气海洋变量要素，然而，我们不能找到其他大尺度的大气海洋环境变量（除了垂直风切变）可以产生这种反相关系。Kossin阐述了热带气旋最大强度值发生位置纬度的极向迁移，与由人类活动导致的热带膨胀结论一致。虽然本篇论文着眼于台风生成纬度而不是最大强度纬度，但有几点是值得讨论的。首先，Kossin考虑了1982至2012年，这段时间是AMO由冷转为暖的时期。因此，他们的结果包含了由AMO激发的多年代际的变化。第二，我们的分析显示了1
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