引言

人们很早就注意到热带气旋 (以下简记TC) 的移动路径对源地 (起报地点) 的敏感性^[1], 并将其作为CLIPER、SD85等预报方案中的一个基本影响因子^[2]。源地不同通常意味着纬度也不同。近年来, 非对称结构、“β效应”对TC移动的影响受到高度重视^[3~5], 这里的β即为柯氏参数 (f) 的纬度变化率。研究表明, TC在移动过程中因其中心所在纬度的变化即会引起TC路径的偏折^[6]。可见, 纬度变化对TC活动的影响已被人们所关注。然而, 不同纬度带的TC各具怎样的活动特征, 至今尚未见到专门的研究报导。

本文利用中国气象局整编的1949~1988年的《台风年鉴》^[7]和1989~1998年的《热带气旋年鉴》^[8]资料, 统计并分析了西北太平洋 (包括南海, 下同) TC在不同纬度带活动的气候特征, 旨在为进一步揭示TC与不同纬度带环流系统相互作用的物理机制奠定基础。

1.   源地

1949~1998年的50年间西北太平洋共有1747个TC (包括热带低压TD、热带风暴和强热带风暴TS和台风TY, 下同) 生成, 平均每年34.9个。其中, 870个 (年平均17.4个) 达到TY (中心附近最大风速大于32.6 m/s) 的强度、540个 (年平均10.8个) 只达到TS (中心附近最大风速界于17.2~32.5 m/s) 的强度、337个 (年平均6.7个) 仅为TD (中心附近最大风速界于10.8~17.1 m/s) 的强度。

从0.5°~32.0°N的宽广纬度带内均有TC生成, 其中源地最南的是1973年12月21日08 :00(北京时, 下同) 生成的第28号台风、最北是1979年8月12号14 :00生成的第17号台风。而且, TC的源地具有显著的纬度不均匀分布 (图 1) :4°N以南地区很少有TC生成 (50年间共15个, 不到总频数的1 %)、以北TC的频数迅速增大, 至10°N附近达到峰值 (共233个, 占总频数的16 %), 然后逐渐减少, 18°N以北则迅速减少, 在30°N及以北地区只有7个TC生成 (4个TD、2个TS、1个TY), 不到总频数的0.5%。

图  1  TC生成频数的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

不同强度级 (指生命史中能达到的最大强度, 以下简记I_m) 的TC, 其源地的纬度分布也不完全一致。从图 1可见:TD级的TC源地呈双峰分布的特征, 主峰值在18°N附近 (约有17 %的TD在这里生成)、次峰值位于10°N附近 (约占TD总频数的11 %); TS、TY均呈单峰分布特征, 但TS的峰值在16°N附近 (约有13 %的TS在这里发生)、TY的峰值则位于10°N左右 (约占TY总频数的17 %)。不难发现, TC越强, 其高频发生地 (主峰值) 越偏南。

TC的源地具有显著的季节变化, 并清楚地反映在各月TC高频发生地及最北地 (最北的源地) 的纬度变化上 (图 2)。4月高频发生地最偏南, 位于6°N附近; 以后逐渐北移, 至8、9月最北, 在18°N左右; 再以后迅速南退至11月的8°N附近, 并一直稳定到3月。

图  2  TC源地的高频发生地和最北地纬度的季节变化

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 2还可见, 源地的最北地和高频发生地纬度的季节变化趋势基本一致。但最北地的月平均最低值出现在2月 (约10°N)、与高频发生地仅相距2个纬距左右; 以后随季节逐渐北移、与高频发生地的间距也随之增大, 至7月两者的间距最大, 约有18个纬距; 8、9月最北地的纬度达到最高, 位于32°N附近, 与高频发生地的间距约14个纬距; 随后, 最北地的纬度迅速减小、与高频发生地的间距也迅速减小, 至12月最北地南退到12°N附近、与高频发生地的间距也减小到4个纬距, 并稳定维持到1月。不同强度级的TC, 其源地的高频发生地和最北地纬度的季节变化趋势基本一致 (篇幅所限, 图略)。

各强度 (I_m) 级的TC在不同纬度带的生成概率不尽相同 (图 3), 表明TC的最大强度与源地关系密切。由图 3可见, 源地的纬度越低, 在其生命史中能充分发展并达到TS和TY强度的概率就越大:在10°N以南地区生成的TC有60 %以上能发展成TY、25 %左右能发展成TS、约有15 %只能达到TD的强度, 往北TY的生成概率逐渐减小、TD的概率逐渐增大, 至25°N左右, TY、TS、TD的生成概率接近相等, 再往北, TY的概率继续减小、TD的概率总趋势仍然增大, 但28°N以北, TY的生成概率反而增大、而TD在28°N附近的生成概率却明显偏低, 仅18 %, 不到最大值75 %(32°N附近) 的1/4。TS生成概率界于TD与T Y之间 (26°N以北除外), 且与TD的分布基本反位相。

图  3  各强度级TC生成概率的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   移向、移速

为了总体上把握西北太平洋TC的移动特征, 我们计算了1949~1998年间西北太平洋TC在各纬度带 (间隔2个纬距) 内的平均移向、移速 (图 4)。结果表明:西北太平洋的TC生成后, 通常向西北偏西—东北偏东的方向移动、移速界于17~60 km/h之间。其中, 在2°N以南地区活动的TC移向最偏西, 平均移向角为106.3°(规定向南移为0°、向西移为90°、向北移为180°、向东移为270°, 下同), 50°N附近的TC移向最偏东, 平均移向角为244.1°; 移动最慢的是20°N附近的TC (移速约17.4 km/h)、最快的是58°N附近的TC (移速约59.7 km/h)。

图  4  TC平均移向、移速的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 4可见:4°N以南的TC平均移向随纬度升高由西北偏西方向顺时针旋转到接近正北方向, 4°~10°N移向由接近正北逆时针旋转为西北偏西, 以后随纬度的增大又作顺时针旋转, 至16°N移向变为西北偏北、至30°N附近接近正北、至40°N变为东北偏东, 并一直稳定到50°N附近, 50°N以北则作为逆时针旋转, 至58°N附近又接近正北。TC的平均移速在20°N以南有随纬度增大减小的趋势, 但6°~20°N相对稳定在18 km/h左右, 以后随纬度的增大移速逐渐增大, 至44°N达到48.8 km/h, 44°N以北移速又逐渐减小, 至56°N为34.9 km/h, 再往北则突然增大, 至58°N达到最大 (为59.7 km/h)。

为了进一步分析不同强度 (指当时的强度, 以下简记I) 的TC在各纬度带内的移动特征, 我们按TC在该纬度带内 (生成、移入) 的中心附近最大风速的大小分为T Y、TS和TD级, 计算了它们在各纬度带 (间隔2个纬距) 内的平均移向、移速 (如图 5所示)。由于2°N以南没有达到TS和T Y级的TC、52°N以北未出现达到TY级的TC、56°N以北没有达到TS级的TC, 为比较方便, 图中仅给出了4°~52°N各强度级TC的移速、移向的纬度分布。

图  5  各强度级TC平均移速 (a)、移向 (b) 的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 5可见:4°N附近TS的移速明显偏慢、移向明显偏东; 而各强度级的TC在4°~30°N区域的移速、移向均非常接近, 且移速相对稳定、移向则有随纬度增大作顺时针旋转的趋势; 30°N以北地区, 各强度级的TC移速随纬度增大迅速增大 (且TC越强增大得越快)、移向继续作顺时针旋转, 至44°N附近TY和TD的移速均达到最大 (分别为68 km/h、45 km/h), 再往北TY和TD的移速则有减小的趋势、TS的移速仍有增大的趋势, 至52°N附近时TY的平均移速仅为26 km/h、TD的移速虽在52°N附近有突然增大但仍比TS (约49 km/h) 的小。从图 5还可发现, 除个别地区 (如4°N、52°N等) 外, TC越强, 则其移速越大、移向越偏西。

3.   北上率

西北太平洋的TC生成后通常向偏北方向 (西北偏西—东北偏东) 移动, 但在移动过程中有的很快减弱消亡、只能到达较低的纬度, 有的则发展强盛且能进入较高的纬度。统计表明, 西北太平洋的TC能到达的最高纬度是58°N, 1949~1998年间仅一次 (1977年9月13日08 :00生成的第11号台风)。图 6给出了1949~1998年间能穿越 (包括到达, 下同) 各纬度线 (间隔1个纬距) 的TC频数 (以下简称“北上频数”) 分布。

图  6  TC北上频数的纬度分布 (间隔1个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 6可见:TC的北上频数随纬度呈单峰分布特征, 峰值位于19°N, 1949~1998年50年间共有977个 (年平均约19.5个) TC穿越了该纬度; 不同强度级 (I_m) 的TC, 北上频数的纬度变化趋势基本一致, 但TC的强度级越强, 同一纬度的北上频数越多 (19°N处的TY北上频数约为TS的3倍、TD的6倍)。4°N以南的近赤道地区, 由于TC的生成数很少, 所以北上频数也很少。此外, 能北上至50°N及以北地区的TD也非常少见, 1949~1998年50年间仅有1个。

显然, 北上频数的多少与该纬度线以南生成的TC数有关, 为了进一步描述在某一纬度线以南生成的TC中, 有多少能北移穿越该纬度线, 我们定义TC的北上率 (R_j) :

式中N_{j 0}、N_j分别为在纬度 (j) 以南生成的TC频数和能穿越纬度 (j) 北上的TC“北上频数”。

图 7为1949~1998年50年间西北太平洋TC北上率的纬度分布, 表 1则列出了不同强度级 (I_m) 的TC在某些特定纬度处的北上率。可见, TC的北上率随纬度升高呈准线性的递减趋势。其中, 5°N及以南地区活动的TC均能北上进入更高的纬度带、在25°N以南地区活动的TC也约有半数能北上、35°N以南的TC则不到1/3可以继续北上、而能进入50°N及以北地区的TC则很少 (不到5 %)。图 7和表 1还表明, 不同强度级 (I_m) 的TC北上率的纬度变化趋势基本一致, 且强度级越强、同一纬度处的北上率越大、相同北上率的纬度越高。特别地, 对于TY, 能达到1/2和1/3北上率的最高纬度分别为30°N和40°N左右; 对于TS则分别为20°N和30°N左右; 而TD分别为15°N和20°N左右, 且很少有TD能进入40°N及以北地区。

图  7  TC北上率的纬度分布 (间隔1个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  不同强度级 (I_m) 的TC在部分纬度处的北上率

下载: 导出CSV 

| 显示表格

4.   活跃地

对于能穿越同一纬度线的TC, 有的可能仅穿越一次、有的可能穿越多次, 有的可能很快就穿越了、有的则穿越得较慢, 因此, 必然表现出在同一纬度带内的滞留时间不同, 即出现的点数不同 (《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》中每6小时一个点)。1949~1998年50年间共出现TC的点数51689个, 年平均有TC的“相当天数”((点数-TC频数) ×6/24) 约258天。其中强度 (I) 能达到TY级的相当天数约66天, 达TS和TD量级的相当天数分别为81天、112天左右。

图 8给出了TC在各纬度带 (间隔2个纬距) 出现的点数分布。可见, TC的出现点数随纬度呈单峰分布特征, 峰值位于18°N附近 (约占TC总点数的10 %); 不同强度 (I) 级TC的出现点数均呈单峰型的纬度分布, 但强度 (I) 越强、峰值 (活跃区) 的纬度越高, 其中, TD的活跃区在14°N附近 (约占TD总点数的10 %)、TS和TY的活跃区均在20°N左右 (约各占其总点数的11 %和13 %)。

图  8  TC出现点数的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

TC的活跃区还具有显著的季节变化。如图 9所示, 2、3月TC的活跃区最偏南 (约10°N), 以后随季节逐渐北移, 至7月达到最北 (约22°N), 再随季节逐渐南落, 至12月位于12°N附近, 并稳定维持至1月。不同强度 (I) 级的TC活跃区的季节变化趋势基本一致, 但强度 (I) 越强, 活跃区有越偏北的趋势, 特别是8~12月尤为显著。而7月TD、TS和TY的活跃区均位于22°N附近, 1月和3月的TS活跃区明显偏南、5月的TS活跃区则明显偏北。

图  9  TC活跃区的月季变化

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.   强度

图 8已清楚地表明, 不同纬度带内出现的TD、TS及TY点数不尽相同, 这即意味着不同纬度带的TC平均强度 (I) 存在差异。统计表明, 1949~1998年的50年间, TC中心附近最大风速平均以26°N附近最大 (约39.5 m/s), 是最小值约12 m/s (位于2°N、58°N附近) 的2倍以上, TC中心最低气压平均以2°N最高 (超过1000 hPa)、26°N附近最低 (约980 hPa)。

图 10给出了TC平均强度 (I) 的纬度 (间隔2个纬距) 分布。从TC中心附近最大风速的分布可见, TC的平均强度 (I) 随纬度升高并不单调递减, 而是呈单峰分布, 峰值即位于26°N附近。而且TC平均强度的增、减随纬度的变化也不均匀:在40°~50°N的纬度带内, TC的平均强度基本保持不变; 而在50°N以北地区TC的平均强度则迅速减弱。

图  10  TC平均强度的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 10还可见, TC中心最低气压的分布特征与TC中心附近最大风速类似, 但在52°N及以北地区, TC中心的最低气压是降低的。

6.   变性

TC在向偏北方向移动过程中, 暖心结构有时会受到破坏, 甚至变为半冷半暖的“半热带气旋”或温带气旋和锋面气旋, 这就是所谓的“ TC变性”^[1]。1949~1998年50年间共有454个TC发生变性, 平均每年约9个 (约占TC总频数的26 %), TC的变性可发生在16°~50°N之间的宽广纬度带内。最南的变性TC是1971年1月8日14 :00生成的第01号台风, 变性时位于16.0°N, 141.3°E; 最北的是1955年8月3日02 :00生成的第15号台风和1957年8月10日20 :00生成的第10号台风, 变性时分别位于49.0°N, 156.0°E和49.0°N, 137.5°E。

图 11给出了变性TC频数的纬度 (间隔2个纬距) 分布。可见, TC的变性主要发生在34°~42°N附近的纬度带内 (约占变性TC总频数的50 %), 且变性TC的频数具有显著的单峰型纬度分布特征, 峰值位于40°N附近 (约占变性TC总频数的15 %)。

图  11  TC变性频数、变性率的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

同样, 由于变性TC的频数与该纬度带内出现的TC频数有关, 为了反映进入某纬度带TC的变性概率, 我们定义如下参数:

式中, M_j为 (j-2)~j纬度带内变性TC的频数、M_{j 0}为在 (j-2)~j纬度带内活动的TC频数、T_j即为 (j-2)~j纬度带内的TC变性率。

统计表明, 进入34°~48°N纬度带内的TC约有半数以上会发生变性, 是变性TC的主要发生地区, 其中又以42°N附近的变性率最高, 达65 %左右。图 11同时还给出了TC变性率的纬度分布。可见, 42°N以南, TC变性率的总趋势是随纬度升高逐渐增大、42°N以北则有逐渐减小的趋势 (48°N附近除外)、50°N以北迅速减小到0。

7.   消亡

1949~1998年间西北太平洋的TC最北可伸展到58.0°N (1977年9月13日08 :00的第11号台风), 最南在4.5°N即消失 (1973年12月24日08 :00的第29号台风)。

图 12给出了TC消亡频数的纬度分布。可见, TC有两个主要的消亡地带, 即呈双峰分布特征, 主峰位于24°N附近、次峰位于42°N附近。不同强度 (I_m) 级TC消亡频数的纬度分布也不尽相同:24°N以南地区, 相同纬度带内消亡的TY、TS和TD频数接近相等; 但24°N以北消亡的TD和TS频数迅速减少, 它们在整个纬度带 (4°~58°N) 内的分布呈单峰型, 峰值即位于24°N附近; TY消亡频数的纬度分布与TC的趋势基本一致, 且24°N以北地区同一纬度带内的消亡频数明显多于TS和TD, 这与不同强度 (I_m) 级TC具有不同的北上率及北上频数的纬度分布不无关系。

图  12  TC消亡频数的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了进一步揭示进入某纬度带的TC中有多少会在该纬度带内消亡, 定义如下形式的消亡率 (d_j) :

式中, L_j为 (j-2)~j纬度带内消亡的TC频数、L_{j 0}为在 (j-2)~j纬度带内活动的TC频数、d_j即为 (j-2)~j纬度带的TC消亡率。

对于西北太平洋的TC, 6°N附近的消亡率最低 (约7 %)、58°N附近最高 (达100 %), 图 13给出了TC消亡率的纬度分布 (间隔2个纬距)。可见, 在有TC发生消亡的纬度带 (4°~58°N) 内, TC的消亡率随纬度的升高有逐渐增大的趋势。但在4°~30°N的纬度带内, TC消亡率的变化缓慢, 其值维持在10 %左右, 其中24°N附近有一极大值 (15.6 %), 24°~30°N的纬度内有减小的趋势。30°N以北地区的TC消亡率则增加明显, 至54°N附近达到51 %, 56°N和58°N更分别高达96 %和100 %。

图  13  TC消亡率的纬度分布 (间隔2个纬距)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 13同时还给出了不同强度 (I_m) 级的TC消亡率的纬度分布。可见:TY和TS消亡率的纬度变化趋势与TC基本一致, 而TD的消亡率则呈波动状分布 (38°N以北更为明显); 44°N以南地区, TY的消亡率最小、TD最大、TS界于其间 (8°N附近除外), 表明, 消亡率随强度增强而减小。此外, 1949~1998年间未发现在46°N、52°N附近及56°N以北地区消亡的TD。

8.   结论

1949~1998年的资料表明, 西北太平洋的TC活动具有显著的纬度差异:

(1) TC的生成频数随纬度呈单峰分布, 峰值位于10°N左右, 4°N以南、30°N以北地区则很少有TC生成。强度 (I_m) 级越强, 其源地的高频发生地纬度越偏南。而且TC源地的高频发生地和最北地的纬度还有明显的季节变化:4月最南, 并随季节北移, 至8、9月最北, 以后随季节南落, 11月至翌年3月则相对稳定。源地位于25°N附近的TY、TS和TD的频数基本相同, 以南TY明显多于TD、以北则少于TD。

(2) TC生成后, 通常向西北偏西—东北偏东的方向移动、移速界于17~60 km/h之间。其中, 2°N以南的TC移向最偏西, 50°N附近的TC移向最偏东; 20°N (58°N) 附近的TC移动最慢 (最快)。除4°~10°N及50°~58°N的区域外, 移向随纬度的升高作顺时针旋转; 移速除6°N附近及45°~55°N外随纬度逐渐增大。14°N以南的TC向西北偏西方向移动、30°N附近接近正北、40°N附近为东北偏东、58°N附近又接近正北。除个别地区 (如4°N、52°N等) 外, TC越强, 则其移速越大、移向越偏西。

(3) 北上穿越19°N纬度线的TC频数最多, 但TC的北上率随纬度升高而减小, 且TC强度 (I_m) 越强, 同一纬度的北上频数、北上率越大。

(4) 从0.5°~58.0°N的宽广纬度带内均有TC活动, 其活跃程度 (出现点数) 随纬度呈单峰分布, 峰值位于18°N附近, 且强度 (I) 越强、峰值 (活跃区) 的纬度越高。TC的活跃区还具有显著的季节变化:2、3月最南 (约10°N), 以后随季节逐渐北移, 至7月达到最北 (约22°N), 再随季节逐渐南落, 至12月位于12°N附近, 并稳定维持至1月。

(5) TC的平均强度 (I) 随纬度升高并不单调递减, 而是呈单峰分布, 峰值即位于26°N附近, 其值 (风速) 是最小值 (位于2°N、58°N附近) 的2倍以上、气压则相差20 hPa以上。而且TC平均强度的增、减随纬度的变化也不均匀:40°~50°N的强度基本保持不变、50°N以北则迅速减弱, 但52°N及以北地区的气压反而降低。

(6) 平均每年约有9个TC发生变性, TC的变性可发生在16°~50°N的宽广纬度带内, 且呈单峰型纬度分布, 峰值位于40°N附近。进入34°~48°N纬度带内的TC约有半数以上会发生变性, 其中又以42°N附近的变性率最高 (达65 %左右)。42°N以南TC变性率随纬度升高逐渐增大、以北逐渐减小 (48°N附近除外)、50°N以北则迅速减小到0。

(7) TC最南在4.5°N即可发生消亡。TC的消亡纬度呈双峰分布, 主峰位于24°N、次峰位于42°N附近。24°N以南地区, 相同纬度带内消亡的TY、TS和TD频数接近相等, 但24°N以北消亡的TD和TS频数迅速减少, 且明显少于同纬度带内消亡的TY频数。TC的消亡率随纬度的升高有逐渐增大的趋势, 但在4°~30°N内变化缓慢, 30°N以北地区则增大明显。其中TY和TS消亡率的纬度变化趋势基本一致, TD则呈波动状 (38°N以北更为明显)。消亡率随强度 (I_m) 增强而减小。

以上揭示了TC在不同纬度带的显著不同的活动特征, 其物理机制有待进一步研究。