2021, Vol. 41
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266100
2. Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266100, China
热带气旋(tropical cyclone, TC)是一种发生在热带或副热带洋面上深厚的低压涡旋系统，其所伴随的大风和强降水常会引起山洪暴发、水坝决堤、风暴潮、泥石流等灾害，进而造成人员伤亡和经济损失。平均每年有7~8个TC在我国登陆[1]，包括山东在内的我国大部分季风区都会受到TC的影响[2-3]。
TC降水有着影响范围广、强度大的特点。除了受TC本身环流结构的影响外，TC降水的分布与强度还会受到中纬度其他天气系统[4-6]、下垫面强迫等诸多因素的影响[7-8]。通过前人的个例分析可以发现山东虽位于中纬度地区，却也常受北上TC的影响，夏季多有TC降水出现。孙兴池等[9]发现北上TC能与西风槽或者副热带高压相互作用，为山东地区带来降水。1818号台风“温比亚”及其残骸与中纬度天气系统结合在山东引发了持续时间较长的特大暴雨，造成直接经济损失215.13亿元[10]；1509号强热带风暴“灿鸿”与冷空气结合，给山东半岛东部海岸带来了暴雨天气过程[11]；1006号台风“狮子山”和1319号台风“天兔”在高空北支槽、台风倒槽以及切变线的影响下，在山东半岛产生了大暴雨[12]。由此看来，TC不仅会在华南和东南沿海地区造成重大的经济损失，还会给中纬度地区带来严重的灾害。
山东位于我国东部沿海，易受北上TC的影响。以往的研究主要是对影响山东的TC个例进行分析，并未进行系统的统计分析。因此本文将对影响山东的TC进行统计，并对它们的时空分布特征以及有利于TC北上影响山东的大尺度环流场进行分析。
1 资料和方法所使用的台风数据来自于中国气象局热带气旋资料中心的CMA最佳路径数据集[13-14]，包含1949年以来西北太平洋(含南海，赤道以北，180°E以西)海域每6 h的TC的位置和强度。大气环流资料来自美国国家环境预报中心和大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research, NCEP/NCAR)的逐月再分析数据集，分辨率为2.5°×2.5°，其包含位势高度、湿度、风向和风速等气象要素。1961—2019年间的降水数据来自山东的79个气象台站。
将中心位于山东500 km范围以内的TC视为影响山东的TC；中心进入山东地区的TC视为途经山东的TC。在以上两类TC的影响下，山东所出现的降水视为TC降水。
采用阈值法对山东夏秋季(7—9月)的极端降水进行挑选，把山东各台站的非零日降水量由小到大依次排序，将概率谱密度大于等于95%分位数的日降水视为极端降水，这其中由TC影响所造成的降水事件视为TC极端降水事件。
本文主要采用了相关分析、合成分析、t检验等方法对影响山东的TC降水进行分析研究。
2 影响山东TC的时空变化特征对1949—2019年间生成于西北太平洋上的TC进行统计(图 1)，结果表明影响山东的TC有169个，其中途经山东的有53个。平均每年约有2.38个TC影响山东，0.75个TC途经山东。途经山东的TC个数约占影响山东的总TC数的30%，这表明影响山东的大部分TC并没有发生在山东登陆的情况，它们主要是通过外围螺旋雨带或是与其他天气系统结合，对山东造成影响。
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图 1 1949—2019年间影响山东的TC频数距平时间序列(上下两条虚线分别代表时间序列的±1.5倍标准差) Fig.1 Time series of TC frequency anomalies affecting Shandong during 1949-2019 (the upper and lower dashed lines represent ±1.5 standard deviation of the time series) |
由季节分布(图 2a)来看，影响山东的TC主要出现在6—9月，8月达到峰值。盛夏时节(7、8月)影响山东的TC最多。由强度(图 2b)来看，TC影响山东时的强度多在台风及以下，热带风暴出现的频次最高，其次为强热带风暴，鲜少有TC在影响山东时仍保持着强台风的强度。此外，约有20%的TC在北上的过程中发生了变性。总体来看，TC影响山东时的强度并不是特别大，但其所带来的降水和灾害却不容小觑。
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图 2 1949—2019年影响山东的TC个数的月变化(a)和TC影响山东时的强度分布(b；TD：热带低压，TS：热带风暴，STS：强热带风暴，TY：台风，STY：强台风) Fig.2 Monthly variation of the number of TC affecting Shandong (a) and the intensity distribution of TCs affecting Shandong (b; TD: tropical depression, TS: tropical storm, STS: severe tropical storm, TY: typhoon, STY: strong typhoon) during 1949-2019 |
对以上各强度TC的路径进行了统计，结合图 3来看，6类不同强度的TC路径相似，多为转向型。从生成源地上来看，影响山东的TC主要生成于菲律宾以东，20°N以南的海面上。与其他类型的TC相比，强度在热带低压及以下的TC出现西行路径的频次会更多一些，且有少量TC生成于南海(图 3a、b)。此类TC强度弱、生命周期短，因此活动范围相对较小且偏南，主要出现在40°N以南的区域。而强度在热带风暴及以上的TC活动区域明显北扩，大部分TC在北移过程中发生转向，最后能行至我国东北地区、韩国以及日本一带，对中纬度沿海地区造成影响(图 3c—e)。总体来看，南海TC北上影响中纬度地区的TC个例比较少。生成于西北太平洋上的TC在登陆前能在海上移动较长的距离，它们从海洋上汲取的能量更多，强度更强，生命周期更长，北上影响中纬度地区的概率也更大。
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图 3 1949—2019年影响山东的TC路径(a.强度小于热带低压的TC，b.热带低压，c.热带风暴，d.强热带风暴，e.强度在台风及其以上的TC，f.发生变性的TC) Fig.3 The paths of TCs affecting Shandong from 1949 to 2019 (a. TC with intensity less than tropical depression, b. tropical depression, c. tropical storm, d.severe tropical storm, e. TC with intensity above typhoon, f. TC with extratropical transition) |
TC伴随的强降水会对山东的夏季降水产生重要影响。使用阈值法对山东极端降水事件进行筛选，进一步分析TC降水在山东极端降水事件中的占比。
由季节(图 4a)来看，TC极端降水多出现在夏秋季(7—9月)，其中8月的占比最大，9月次之，与TC频数在8月最多7月次之的变化特征略有不同，表明9月影响山东的TC较少，但造成极端降水的可能性较大。
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图 4 1949—2019年阈值为95%条件下TC极端降水占比的逐月分布(a)、一定阈值条件下7—9月TC极端降水占比的年际分布(b.阈值为95%，c.阈值为99%) Fig.4 Monthly distribution of the proportion of extreme precipitation caused by TC under the threshold of 95% (a), the interannual distribution of the proportion of extreme precipitation caused by TC in July-September under the threshold (b. threshold is 95%, c. threshold is 99%) during 1949-2019 |
在年际变化(图 4b)上，夏秋季TC降水在极端降水事件中的占比约为10%，但年际变化大，部分年份TC降水的占比可达60%。其与图 1中TC频数的时间序列有显著的正相关关系，相关系数可达0.54(通过了95%的显著性检验)，表明影响山东的TC偏多时，TC极端降水事件出现的概率也随之提高。近30 a来，TC极端降水事件出现的概率显著增加。值得注意的是，当极端降水筛选阈值由95%提升至99%时(图 4c)，TC降水在极端降水事件中的比值有明显的提高，个别年份可达100%。这说明，TC降水在强极端降水事件中的占比更大，TC能带来强度较大、灾害性更强的极端降水。20世纪90年代后，TC在强极端降水中的比重增加，其对山东夏季降水的影响加强。
将1961—2019年各台站TC暴雨大于50 mm的部分进行累加，得到夏季TC暴雨的累计降水图(图 5)。从空间上(图 5a)来看，TC暴雨主要发生在山东的中东部，沿海地区如青岛、威海等地区累计降水量最大。从时间上来看，8月TC降水强度最大(图 5c)，这与8月影响山东的TC数量较多有关。与9月(图 5d)相比，7月TC降水范围明显向西部内陆扩展(图 5b)，累计降水量也偏高。7、8月，TC对山东的影响更为频繁，能对山东大部分区域的降水造成影响，因此下文将着重分析7、8月有利于TC北上的大尺度环流场特征。
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图 5 山东各月TC暴雨累计降水量(a. 7—9月，b. 7月，c. 8月，d. 9月；色阶，单位：mm)空间分布 Fig.5 The distribution of accumulated precipitation of heavy rain caused by TCs in Shandong during different periods (a. from July to September, b. July, c. August, d. September; color scale, units: mm) |
根据图 1中影响山东的TC时间序列，将TC频数超过±1.5倍标准差的年份视为正负位相异常年。针对正负位相年的7、8月气象要素平均场进行合成，探究有利于TC北移影响中纬度地区的环流场特征。筛选出的正位相年有8年，分别为：1961、1962、1985、1994、1999、2012、2018和2019年；负位相年有6年，分别为：1968、1983、1993、1998、2003和2013年。
4.1 对流层中层位势高度场图 6为正负位相年间的500 hPa位势高度距平场。从图上来看，在正位相年间(图 6a)，菲律宾以北有显著的位势高度负异常，日本及其以东洋面上位势高度增大，对应有太平洋-日本(Pacific-Japan，PJ)遥相关型(以下简称“PJ波列”)[15]。受PJ波列的影响，西北太平洋副热带高压(以下简称“副高”)北抬，其南侧的东风有利于TC向西移动，对华东地区造成影响。此外，受到副高外围气流的引导，TC多为转向型路径，更易北上影响中纬度地区。CHOI et al.[16]指出当PJ波列呈正位相时，西北太平洋上会有更多的TC生成，TC的生成位置将向西北方移动，受异常环流系统的影响，TC更易北上且强度较强。负位相年间(图 6b)，东亚沿岸的位势高度异常中心呈经向型分布，自南向北呈“正-负-正”的形势分布，为东亚-太平洋(East Asia-Pacific，EAP)遥相关模态[17]的负位相。此时的西太副高加强且西伸，所处位置偏南，华南地区受副高控制，因此负位相年间影响我国的TC数量偏少，少有转向型路径的TC出现，没有TC可以北上影响山东地区。
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图 6 正负位相下500 hPa位势高度距平合成场(色阶，单位：gpm)和气候平均态(等值线，单位：gpm)(a.正位相，b.负位相；黑色打点区域为通过95%显著性检验区域) Fig.6 Geopotential height anomaly composites (color scale, units: gpm) and climate mean fileds (contour, units: gpm) at 500 hPa during different phases (a. positive phase, b. negative phase; black dotted areas denote passing the significance test at 95% level) |
结合850 hPa的流场(图 7a)和涡度场(图 7b)来看，正位相年间，日本东部出现有异常的反气旋式环流，对应副高的北抬。南海和西北太平洋上有异常的气旋式环流和涡度的正异常。受其影响该地区上升运动加强，对流活跃，有利于TC的形成、维持和加强，此时影响我国的TC频数可能会有所增大。TC的强度越强，其所持续的时间也就越久，北上影响山东的可能性也就越大。同时，副高西南侧存在涡度的正异常区。TC受副高外围气流的引导，易途经该涡度正异常区，可使TC强度加强。
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图 7 正负位相下流函数距平(色阶，单位：106 m2·s-1)和850 hPa旋度风(a.正位相，c.负位相；箭头)以及850 hPa相对涡度距平(b.正位相，d.负位相；色阶，单位：10-6 s-1)合成场(黑色打点区域为通过95%显著性检验区域) Fig.7 Composites of stream function anomaly (color scale, units: 106 m2·s-1) and vorticity wind anomaly at 850 hPa (a. positive phase, c. negative phase; arrow) and relative vorticity anomaly at 850 hPa (b. positive phase, d. negative phase; color scale, units: 10-6 s-1) during different phases (black dotted areas denote passing the significance test at 95% level) |
负位相年间(图 7c)，东亚沿岸有异常波列出现，我国南部存在异常的反气旋式环流与西伸的副高相对应。此时，副高较强且位置偏南，受副高外围气流的引导，TC易呈西行路径，不易北上，主要对我国南部地区造成影响。日本上空存在有一个异常的气旋式环流，其西侧的偏北风阻碍TC向北移动，因此负位相年间几乎没有TC会北上影响山东。另外，南海和西北太平洋受异常反气旋的控制，对流活动减弱，不利于该区域TC的生成。同时出现在东南沿海和菲律宾以东洋面上的相对涡度负异常也阻碍了TC的发展和维持(图 7d)。
4.3 高低空源汇场由850 hPa和200 hPa的速度势和散度风场(图 8)对比可知，以热带和副热带为热源热汇中心的大气源汇场均呈现出高低空相反的行星尺度环流特征。正位相年间(图 8a、b)，全球中低纬度大气环流呈现出南北半球反对称的超长波特征，大气的热源(辐散)热汇(辐合)异常中心向中纬度扩张。印度洋和太平洋间存在一个异常的大气环流。亚澳季风区的印度洋和东亚-西太平洋上空有东北—西南向的异常源、汇中心，东亚-西太平洋地区存在低空辐合高空辐散，上升运动加强，印度洋地区则为高空辐合低空辐散的下沉气流，有利于加强亚洲夏季风的季风环流，季风槽加强，有利于TC的生成和发展。
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图 8 正负位相下850 hPa(a.正位相，c.负位相)和200 hPa(b.正位相，d.负位相)速度势(色阶，单位：106 m2·s-1)和散度风(箭头，单位：m·s-1)距平合成场(黑色打点区域为通过95%显著性检验区域) Fig.8 Composites of velocity potential (color scale, units: 106 m2·s-1) and divergence wind (arrow, units: m·s-1) anomalies at 850 hPa (a. positive phase, c. negative phase) and 200 hPa (b. positive phase, d. negative phase) during different phases (black dotted areas denote passing the significance test at 95% level) |
负位相年间(图 8c、d)，大气源汇场主要呈东西向海陆定常两波的分布特征，大气的热源(辐散)热汇(辐合)中心主要集中在赤道上空。热带太平洋中部存在异常的高空辐合、低空辐散，下沉运动增强，其两侧则为低空辐合高空辐散，加强了热带太平洋地区的沃克环流，季风环流减弱，不利于TC的生成和加强。此时TC的强度可能会偏弱，维持时间缩短，登陆后将迅速消散，不利于TC的北上进而影响山东。
4.4 水汽输送结合水汽通量异常场(图 9a)来看，在TC频繁北上影响山东的年份里，华南上空出现异常的气旋式环流，对应季风槽的加强，其从孟加拉湾上带来大量水汽，在华南上空辐合。同时，副高西南侧的东南气流从西北太平洋上带来充沛的水汽，华东上空水汽条件良好，有利于TC的维持和发展。结合水汽通量的速度势场(图 9c)来看，正位相年里，菲律宾以东的洋面上有异常的水汽辐合，这些水汽主要来自于印度洋。西北太平洋上充沛的水汽为TC的形成与发展提供更有利的环境条件。负位相年间的水汽场则与正位相年的情况完全相反(图 9b)，在华南上空出现异常的反气旋式环流，季风槽减弱。此外，15°N一带存在异常向西的水汽输送，西北太平洋南部对应有水汽的辐散，TC生成源地的水汽条件变差，不利于TC的形成与发展。
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图 9 正负位相下整层(地面至300 hPa)水汽通量异常场(a.正位相，b.负位相；箭头，单位：kg·m-1·s-1；绿色箭头为通过90%显著性检验的区域)、正位相整层水汽通量速度势异常场(色阶，单位：106 kg·s-1)和整层水汽通量异常散度分量(c；箭头，单位：kg·m-1·s-1；黑色打点区域为通过95%显著性检验区域) Fig.9 Composites of water vapor flux anomaly (a. positive phase, b. negative phase; arrow, units: kg·m-1·s-1; green arrows denote passing the significance test at 90% level) in the whole layer (from surface to 300 hPa) during different phases, potential function (color scale, units: 106 kg·s-1) and convergence and divergence (arrow, units: kg·m-1·s-1) of water vapor flux anomaly in the whole layer during the positive phase (black dotted areas denote passing the significance test at 95% level) |
将200 hPa的风场减去850 hPa的风场，得到垂直风切变场。由垂直风切变的异常场(图 10a、c)来看，正位相年里，东南沿海和东亚的中纬度地区存在垂直风切变的负异常，此时的环境场有利于TC的维持和加强。TC登陆我国后强度将得到维持，其北移影响山东的概率增大。负位相年里，以上几个地区都出现了垂直风切变的异常增强，使得TC难以维持。途经我国的TC强度会大大衰减，迅速消散，其北上影响中纬度的可能性降低。
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图 10 正负位相下200 hPa-850 hPa的垂直风切变异常场(a.正位相，c.负位相；色阶，单位：m·s-1)、300 hPa纬向风距平场(色阶，单位：m·s-1)和气候态(b.正位相，d.负位相；等值线，单位：m·s-1)(黑色打点区域为通过95%显著性检验区域) Fig.10 Composites of vertical wind shear anomaly of 200 hPa-850 hPa (a. positive phase, c. negative phase; color scale, units: m·s-1), 300 hPa zonal wind anomaly (color scale, units: m·s-1) and climate state (b. positive phase, d. negative phase; contour, units: m·s-1) during different phases (black dotted areas denote passing the significance test at 95% level) |
此外，正负位相年间的东亚西风急流也出现了明显的差异(图 10b、d)。正位相年，西风急流出现明显北移，气候态急流轴的南侧有300 hPa纬向风的减弱。纬向风减弱的区域与垂直风切变异常减少的区域相吻合。高空西风的减弱导致了垂直风切变的减弱，进而对TC活动造成影响。YU et al.[18]指出当东亚西风急流所处位置偏北时，西北太平洋上会存在有利于TC生成与发展的环境场，有异常的东风引导气流出现，利于更多TC西移在我国登陆。负位相年间，西风急流南移，东亚中纬上空纬向风加强，使得垂直风切变加强，不利于TC的维持。
5 结论本文使用了中国气象局热带气旋资料中心的CMA最佳路径数据集、NCEP/NCAR的逐月再分析资料，对北上影响山东的TC进行统计，对其时空分布特征进行分析，初步揭示了有利于TC北移影响山东地区的环流场异常形势，得到的结论如下：
1) 影响山东的TC主要出现于6—9月，盛夏时节(7、8月)影响山东的TC最多。TC影响山东时，强度大多在台风及以下，或已发生变性。影响山东的TC主要生成于西北太平洋，多为转向型路径。
2) TC对山东夏季降水有重要贡献，TC降水在强极端降水事件中有着更高的比例，这表明TC常常会带来强度更强、灾害性更严重的极端降水。从空间分布上来看，TC暴雨主要出现在山东中东部和沿海地区。7、8月降水强度更大、范围更广，向内陆扩展。
3) 7—8月500 hPa位势高度距平场上东亚地区有PJ波列正位相、菲律宾以北地区存在异常的气旋式环流时，TC更易北移影响山东。此时西北太平洋副热带高压位置偏北，受其外围气流引导，TC易出现转向型路径对山东地区造成影响。850 hPa上，南海和西北太平洋上空有异常气旋式环流，受其影响该地区对流活跃，有利于TC的形成与发展。此外，西北太平洋上空季风槽的增强，水汽辐合，有利于TC的维持与加强。同时华东华南上空有异常上升运动，涡度增大，垂直风切变减小，水汽充沛，TC登陆后强度能得到较好的维持。负位相年间，500 hPa环流场呈EAP的负位相。副高位置偏南，加强且西伸，TC易呈西行路径，主要对华南地区造成影响。850 hPa上，南海和西北太平洋受异常的反气旋式环流控制，对流减弱，不利于TC的生成。我国南部受副高控制，涡度减小，垂直风切变增大，水汽条件较差，季风槽减弱，不利于TC的维持，因此少有TC北上影响山东。
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