70年代末以来西北太平洋登陆热带气旋的强化外文翻译资料

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70年代末以来西北太平洋登陆热带气旋的强化

Wei Mei^1,2* and Shang-Ping Xie¹

1. 斯克里普斯海洋研究所、加州大学圣地亚哥分校，9500 Gilman Drive MC 0206，拉霍亚、加利福尼亚，92093-0206，美国
2. 海洋科学系，北卡罗来纳大学教堂山分校，3202 Venable and Murray大厅，CB 3300，查珀尔希尔、北卡罗莱纳 27599-3300，美国

热带气旋登陆的强度变化是东亚和东南亚国家非常重视的问题。然而，由于不同的数据之间的不一致性，热带气旋强度的区域变化鲜为人知。在这里，我们用聚类分析的方法做数据的偏差校正。它显示在过去37年里，强热带气旋袭击东亚和东南亚的次数已经增加了12-15％，4和5级的热带气旋比例也变成了之前的两倍甚至三倍。相比之下，留在洋面上的热带气旋只有微小的变化。而这些区域变化在实验数据集上是连续的。为了识别这些变化的物理机制，我们将强度变化分解为增强率和增强持续性两个属性。我们发现，登陆热带气旋的强度增加原因是增强率的加强，而强度的变化又与东亚和东南亚地区海洋表面的局部升温有关。在温室气体不断增多的条件下的海表面增温模式表明，中国大陆，台湾，韩国和日本的热带气旋将进一步增多。此外由于强热带气旋造成的非对称破坏，这些地区的人民和财产将会受到更大的威胁。

热带气旋（TCs）会造成十分严重的生命财产损失，并会在全球范围内产生重大的社会和经济影响。鉴于几乎所有的损失都与热带气旋的登陆有关，再考虑到沿海地区的人口增加，海平面上升等因素，检测、探寻成因以及预报热带气旋活动（特别是强度和频率）的区域变化毫无疑问是研究的重中之重。对于西北太平洋来说，热带气旋活动最为活跃，威胁着东亚和东南亚的大量人口。但由于缺乏对不同热带气旋数据之间强度变化的认识，热带气旋强度区域变化研究的进展受到了阻碍。尤其是有争论的4-5级热带气旋年度计数的历史变化：热带气旋研究中使用最广泛的两个数据，联合台风警报中心（JTWC）和日本气象厅（JMA）热带气旋数据，从1977年开始就显示出了相反的趋势。

由这两个运营机构独立估算的热带气旋强度的差异可以通过加入JMA的变化来进行调整（见方法）。经调整的JMA和JTWC数据表明，在过去的38年里，4-5级热带气旋的年增长量已经持续增加了两倍以上（从每年不到五次到每年七次左右），同时调整后两个时序的相关系数也从0.09上升到0.87（图1a）。需要注意的是，这些强热带气旋占全部热带气旋的比例已经翻了一倍多，热带气旋的年平均峰值强度增加了14％（约7m / s），即在1977 - 2014年期间瞬时破坏性增加了近50％ （图1b，c），这表明热带气旋正持续稳定的向更强的状态发展。这点可以和海气耦合的降尺度模型模拟的结果相互佐证（补充图1）。但我们在这里确定的38年趋势是低频振荡的一部分还是长期气候变化的一部分，还有待确定。

大约50％的热带气旋会登陆（补充表1），而登陆热带气旋强度的增加将成为社会关注的热点。虽然以前我们的研究集中在海域综合强度指标，但在这里我们将探讨的是热带气旋强度变化的区域特征。我们使用一种能成功识别西北太平洋热带气旋轨迹的方法：聚类分析法，将热带气旋分成四个不同的区域组。为了获得稳定的特征，我们将聚类分析同时应用于JTWC和调整后的JMA数据集（见方法）。我们的结果显示，登陆概率最大的热带气旋群显示出明显的变强趋势，而大洋上的热带气旋的变化相对小。

我们发现，划分为四个类别是区分不同特征的台风的最优方法（例如，源地和轨迹的地理位置），同时在每个类别年际和长期变化的研究上，保留了大量的样本。每个组的台风统计数据见补充表1。类别1和2包含了整个海域60%以上的高登陆率的台风（约85%）。通过下文所述可知，这两个类的台风在强度和增强率上表现出最明显的增长趋势。

图2显示了不同强度指标的1类热带气旋的轨迹和时间演变，约占西北太平洋热带气旋的34％（补充表1）。该类热带气旋在菲律宾东部形成后，由西北向北方移动，其中约75％在东亚（北纬22以北，包括中国大陆东部，台湾，韩国和日本）登陆。在1977 ~2013年，其峰值的年平均值上升了约8 m/s（约占15％）（图2b），这是四组中增幅最大的。相应的是，4-5级热带气旋的数量增加了近四倍（从70年代后期的每年不足一个增加到近年来的每年四个以上;补充图2a;参见方法的讨论），占总热带气旋数量的百分比几乎增加了三倍（从约20％升至约60％;补充图3a）。

图3显示了2类热带气旋的归类结果，占该海域的近30％（附表1）。它们形成了比第一类在南海上略微向西的、更直接地向西北偏西移动的运动，它们中的97％会袭击东南亚地区（包括菲律宾和越南）或华南地区。（图2b和3b）。在这37年期间，该类的热带气旋的速度平均增加了约5 m/s（约增加12％）（图3b）。 4-5级热带气旋的数量（从每年略多于0.5个增加到每年超过1个;补充图2b）和比例也有所增加（从10％增加到接近30％;补充图3b）。

图二

图一

3号和4号热带气旋的产生地比前两类热带气旋更偏东，一般在其一生中停留在大洋上，登陆机会小比前两种得多（补充图4和5以及补充表1）。同时在研究期间我们发现，这些热带气旋的强度峰值和达到4-5级强度的热带气旋的比例都有一些增加，特别是第四类热带气旋（补充图3c，d）。但只有2005年之后的小样本量排除了我们得到一个稳定特征的可能（补充图6c，d）。值得注意的是，4类热带气旋数量的减少和一类热带气旋数量的增加可能导致观测到的热带气旋达到峰值强度的平均纬度上的向两极移动。

为了解强度变化的原因，我们将峰值强度分解为增强率和增强持续性，两个度量分别由不同的物理过程支配。强度持续性与厄尔尼诺-南方涛动和太平洋年代际振荡有关，而增强率的变化与海面温度变暖模式有关（稍后会说明）。1977年至2013年期间，1类和2类热带气旋的增强率每6小时增加1.5 m/s，增幅超过60％（图2b和3b）。增强率的这种显着增加几乎占了这两组台风的全部增强（图2b和3b），同时强度持续性主要作用于年际到年代际变化（补充图7a，b）。相比之下，3类和4类热带气旋的增强率只发生了微弱的变化（补充图4b和5b）。同时我们还检查了基于卫星红外图像简化分析得到的实验数据集（见method）。 在实验数据集中，1类热带气旋在较小量纲的峰值强度和增强率上都有类似的增加趋势，但是2类热带气旋没有表现出类似的变强趋势。造成这种差异的原因尚不清楚，但我们注意到，运行的最佳轨迹数据考虑到了其他观测，包括现场测量。尽管JTWC和JMA使用了相似的数据源，然而他们各自独立使用德沃夏克法进行分析。这两个实验数据集的运行结果之间的一致性证实了他们自身的可靠性。另一方面，实验数据集显示，在1981 - 1987年期间，当飞机侦察数据仍然可获得并可纳入运行数据库时，数据的年平均峰值强度的概率密度函数存在系统性误差。而这些偏差的确切原因不在本研究的范围之内。

上述基于运行过后的数据集的分析表明，热带气旋增强率的变化显示出一种明显的空间分布特征：东亚和东南亚变化较大且持续，而大洋上的变化较小。为了确定热带气旋增强率变化的空间非均匀性的物理因素，我们在研究期间计算了各影响热带气旋发展的大气上和海洋上的变化的线性趋势。

图4a和补充图9显示了潜在强度（一个在给定的海面温度和大气热力学剖面条件下理论上可以达到的最大强度的热带气旋），海洋上热层，垂直风切变和低层涡度。其中最显着的特征是东亚和东南亚大陆边界与洋面相比，潜在强度的增加（图4a）。这种空间格局与热带气旋的强度变化的十分相似（见每个热带气旋群体增强区的补充图8），这表明潜在强度对热带气旋强度施加了较强的控制，较高的潜在强度导致更多深层的对流，这有利于热带气旋的发展。

在20°-30°N，120°-135°E和南海北部海域（补充图9a）的上层海洋热层结的减少（即海表面以及海面以下的温差），可能通过减少热带气旋引起的上层海洋混合的负反馈，从而导致了这些地区的热带气旋增强率的增加。130°E以东的热带海洋开阔海域减弱层结的好处在于对当地热带气旋的发展影响相对较小（请参阅方法讨论可能的原因）。至于大气动力学变量（如垂直风切变和低空涡度），它们在热带气旋强化区域的变化要么是微弱的，要么是零星的，并不能说明他们对热带气旋强度调整有比较强的贡献（补充图9b，c ），除了方法中提到的低层涡度的可能的影响。

潜在强度的变化与海温变化模式相类似（图4a，b），这表明局地海温改变了控制热带气旋强化的速率。 为了验证这种海温效应，我们进一步计算了海平面温度的年际变化与每个群体的热带气旋增强率之间的相关系数（补充图11）。 尽管样本量较小且相关的信噪比较低，但每个种类的热带气旋增强率和局地海平面温度之间存在显着的正

图三

相关（补充图11）。（全球或太平洋热带平均海温变暖的计算结果与较小的结果一致。）这表明海温对热带气旋增强率的影响不仅是对长期趋势，而且还存在于年际变化上。此外，粗略的估计表明，在研究期间（即1977 - 2013年），海平面温度效应应该是分层效应的两倍（见方法），他们一起贡献了约75％的强化率的提升。当海平面温度模式已表明用于调节海域整体热带气旋活动，海温模式的变化与热带气旋频率变化相关，我们的结果就可以说明海平面温度变化模式是预测区域热带气旋强度变化的重要因子。海温模式变化本身可能与洋流和海表面风的变化有关。所观察到的海温变化（包括空间格局）既包括自然成分，也包括人为成分。由于缺乏长期可靠的数据，所观测到的变化对热带气旋增强的严格意义上的作用有待证实。用真实的高分辨率模型进行实验有助于区分人为活动和自然活动导致变异。

总之，我们对独立运作机构的热带气旋数据集的分析表明，登陆的热带气旋自20世纪70年代后期以来由于增强率的增强，导致了热带气旋的登陆显著增强。增强率的增加反过来又是由于东亚和东南亚海岸带的海温升高引起的。因此我们的研究结果揭示了海平面气温在热带气旋加强过程中的关键作用，且说明了在气候变暖条件下热带气旋强度的区域变化中海温变化模式的重要性。

尽管忽略了水平梯度，我们在耦合模式比较工程的第五阶段的气候模型（CMIP5）仍然模拟出了观测到的海平面气温变暖的加剧和亚洲东部和东南大陆边缘的潜在强度的增加。（图4C和补充图12b）。虽然历史变化的影响有待进一步研究，但CMIP5模型向我们展现了北纬约20°以北，在典型集合路径（RCP）4.5和8.5下的一个更快的变暖速率（图4D和补充图12A）。这种海温变化模式的行为加强了热带气旋在亚热带海洋的潜在强度（补充图12C、D，参见参考文献35）。而这有利于1类和3类热带气旋的增强，增加了中国大陆东部，以及台湾，韩国，日本等地受到热带气旋破坏的概率。

方法

1、联合热带气旋警报中心和日本气象厅的数据集操作。

热带气旋（TC）在西北太平洋上的数据是来自联合热带气旋警报中心（JTWC）最佳路径数据集和日本气象厅（JMA）最佳路径数据集，他们都会提供以6小时的时间间隔为单位的TC位置和强度（测量的是最大持续表面风速）。联合热带气旋警报中心和日本气象厅会独立地估计热带气旋的路径及强度，虽然他们可能使用相同的数据源（例如，卫星图像）和技术（例如，德沃夏克技术）。因为1977年日本开始提供测量风速的方法，我们的研究就集中在1977–2014年。又因为2014年热带气旋的数据在分析当下还无法使用，所以热带气旋路径的联合分析只包括1977–2013年。但分析海域的指标（如热带气旋数目和峰值强度；图1）会包括2014年，所以我们使用的是今年的与JTWC相互补充的lsquo;Unisysrsquo;的天气数据。这里我们着眼于达到热带气旋强度的热带气旋（约33/米），是由于他们有着多方面的巨大影响。在这项研究中，我们将会研究到总数有近600个的热带气旋。

2、日本气象厅的数据集进行调整。

联合台风警报中心和日本气象厅提供的最大持续风速是在不同时间段的平均：1分钟的是日本气象厅，联合台风警报中心是10分钟。为了符合JTWC数据和遵循Saffir–Simpson飓风的规模，将气象数据从10分钟的平均值转变为1分钟平均值。这种转换在20世纪80年代末之前和之后的时期是有所区别的，因为日本采用了不同的方法估计10分钟持续的风速。在1987之前，日本气象厅估计1分钟的持续风速，然后把它们转化为10分钟的基础上的线性关系。1987后，日本气象厅预计10分钟持续风速的方法是直接使用Koba表。因此，我们对日本气象厅数据的1分钟平均值转换在1987年前后是不同的：1987之前的数据除以0.88（参考文献41），而之后的数据首先被用Koba表转换回德沃夏克现有的强度数据，然后利用德沃夏克表计算1分钟的平均值。值得一提的是，在以前JMA的研究中使用的转换似乎没有考虑这种变化，日本气象厅在整个过程中都直接数据除以一个常数（例如，0.88），产生的结果与基于新的转换得到的数据有很大的不同（例如，参见图绿色的曲线1A）。这里我们指的是1分钟的平均风速数据在使用新转化方法前后的对比。

因为调整过的JMA数据下的风速一般小于JTWC数据，特别是强台风（4类和5类台风的平均峰值强度上JTWC数据和调整过的JMA数据分别是67.95米/秒和64.88米/秒），我们稍微把调整过的日本气象厅强度数据的阈值从58.5米/秒减小到了56米/秒，同时保持与58.5米/秒的情况下有着相似的结果。对JTWC和调整JMA数据来说台风的定义是相同的。尽管存在卫星图像分析的主观性问题和机构之间将观测资料如何应用在强度的预估上的差异，JTWC和JMA的数据显示了海域和区域台风强度指

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