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登陆中国热带气旋持续时间的增长

Xiaoyu Chen, Liguang Wu, and Jiaoyan Zhang

Received 9 November 2010; revised 6 December 2010; accepted 21 December 2010; published 27 January 2011

热带气旋造成的损害和热带气旋在陆地上的持续时间有紧密的联系。通过调查1951年至2009年在西北太平洋上形成并登陆到中国大陆地区的233个热带气旋后，发现在过去1975至2009年这35年间热带气旋每年平均在陆地上的持续时间都有显著的增长，而在每年发生的频率上并没发现有显著的变化趋势。热带气旋在陆地上持续时间增加与登陆的热带气旋降水的增加和大尺度引导气流的变化一致。过去35年间垂直风切变的减少是使热带气旋在陆地上时间增加的可能原因。Citation: Chen, X., L. Wu, and J. Zhang (2011), Increasing duration of tropical cyclones over China, Geophys. Res. Lett., 38, L02708, doi:10.1029/2010GL046137.

1、简介

热带气旋在自然灾害所造成的破坏和人员伤亡中占了非常重要的部分，尤其是当它们登陆后[Pielke and Landsea, 1998; Zhang et al., 2009; Zhang et al., 2010]。例如1984年至2008年间在6到10月的台风季有96个热带风暴和台风登陆了中国大陆和海南岛造成了9541人死亡，并且导致直接经济损失（约）7130亿人名币（合计1010亿美元）[Zhang et al., 2010]。因为热带气旋对社会的重要影响，热带气旋活动和全球变暖之间的关系引起了广泛的关注。

一些研究表明热带气旋在一个气候变暖的条件下会变得更强烈[Knutson et al., 1998; Knutson and Tuleya, 2004; Knutson et al., 2007]。. Webster et al. [2005]发现热带气旋有变得更频繁和强烈的趋势，同时Emanuel [2005]发现在西北太平洋上热带气旋的能量耗散指数在过去30年里显著地增加。然而，这些研究受制于热带气旋的历史资料的不确定性[Landsea, 2006]。目前的研究大多数都是关于热带气旋强度的变化，且主要集中于北大西洋海域[Knutsonetal., 2010]。人们很少关注陆地上的热带气旋的活动。值得注意的是，尽管陆上活动通常是热带气旋生命史的最后阶段，但热带气旋的陆上活动占了热带气旋所造成的破坏中的主要部分。

基于对热带气旋降尺度模型的预测，Emanuel et al. [2008]表明不要指望热带气旋的持续时间有显著的增长或减少。借助59年间中国的热带气旋活动的数据，此次研究的目标是为了进一步检查发生在中国大陆上的热带气旋活动的变化，尤其是对于和那些热带气旋有关的两条西北太平洋盛行的路径[Wu et al., 2005]。Wu et al. [2005]发现这些盛行的台风路径在过去的40年间向西显著地移动并造成了影响中国南海的台风减少。理解陆上热带气旋活动的变化会对研究全球气候变化对台风活动的影响提供基础。

2、数据

每年大约有9个热带气旋登陆中国大陆以及台湾岛和海南岛，而从1951年起这些热带气旋的数据会被上海台风所和中国气象局存档。此次研究用的是上海台风所的热带气旋的资料，因为相对而言有更多陆上的观察资料可以被用于产生资料。上海台风所路径资料组包含了从1951年到2009年每间隔6小时的热带气旋的位置（经纬度），最大维持风速和最小海平面气压值。此外，还用到了在中国气象局的中国气象资料共享服务系统中获得的550站点的日降水量数据。这些被选择的站点覆盖了1975年到2009年的资料。因为热带气旋影响相对地影响中国东南部发达的地区，这些被选中的站点相对均等的分配。由Renetal.[2006]所提出的目标概要分析技术被采用于划分站点观测的与热带气旋相关的降水区域。在这过程中主要采取两步，首先把日降水量数据分成独立的雨带，然后再基于它们和热带气旋中心的关系来确认热带气旋的雨带。

采用国家环境预报大气研究中心再分析所得的2.5*2.5的水平分辨率的资料中的月平均风场代表此次研究中热带气旋活动的大尺度环境场。根据Wu and Wang [2008] and Wu et al. [2005]所提出的，垂直风切变被定义为200hPa到850hPa风的差异。此次研究中趋势的显著性用Mann‐Kendall方法，检验过程中根据数据的自相关考虑了有效样本量[Kundzewicz and Robson, 2000; Yue and Wang, 2004]。

3、陆上持续时间的改变

图1 1951年-2009年6-10月登陆中国的热带气旋年平均陆上（a）持续时间（h），（b）距离（km），和（c）移动速度（m s^-1）的时间序列。粗线表示5年的滑动平均，虚线表示变化趋势

在1951年到2009年期间，在西北太平洋上生成了233个热带气旋并随后在台风季（7到10月）登陆中国大陆地区。我们注意到每年热带气旋在陆上的持续时间和移动距离是基于上海台风所每隔6小时的路径数据来计算的，其中最大的持续速度超过了17.2m/s（热带风暴强度）。图1 a显示了从1951年至2009年每年登陆的热带气旋的平均持续时间。除了年代和年代际变化，陆上持续时间的时间序列显示从1975至2009年持续时间增长的显著性水平达到了95%。热带气旋每年在陆上的平均持续时间在这一时期几乎翻倍。这种增长趋势在过去的研究中未被报导过。

一次陆上热带气旋的增长的平均持续时间伴随着每年热带气旋登陆的平均移动距离的增加和热带气旋移动速度的减小。根据图1b和图1c显示，平均陆上距离延长了约210km至350km，这在过去35年内增长了67%，而平均移动速度从（原来的）6.3m/s减少到5.4m/s约减少了14%。因此，陆上持续时间的增加是由移动速度的减少和热带气旋在陆上的移动距离的增加所共同引起的。

图2 （a）大范围引导气流的变化趋势（箭头，m s^-1 年^-1）和1975年-2007年热带气旋在中国大陆和海南的降水（阴影，mm），1951年-2009年（b）区域的和（c）子午线的台风移动速度。粗线是5年华东平均值，虚线是变化趋势

这些变化也许是因为过去35年的观测系统，发布结构以及分析方法的不同造成的。因此理解造成热带气旋陆上持续时间改变的潜在机制很重要。热带气旋的移动主要是由大尺度的转向和次要的影响因子所决定的[Holland, 1983; Carr and Elsberry, 1990; Wang and Li, 1992]这些影响因子是由环境气流的非线性相互作用，行星涡度梯度和热带气旋环流引起的[Holland, 1983; Carr and Elsberry, 1990; Wang and Li, 1992]，同时还是由非绝热加热引起的[Wu and Wang, 2001]。图2 a显示了在1975至2009年期间大尺度转向气流。数据是通过计算纬向和径向的转向气流的线性变化趋势得到的。根据Wu and Wang [2004] and Wu et al. [2005],在此次调查中大尺度的转向气流定义为在7月至9月从850hPa至300hPa的平均气流。过去35年大尺度转向气流的改变的特点是在中国东部的一个气旋性环流。在中国东南部的沿海地区能发现西南方的异常现象，在那里考虑到的热带气旋登陆并随后在大尺度转向气流影响下持续移动，就如图2b和2c所显示的，向西的热带气旋移动速度在陆上减少而对应的向北的移动速度有略微的增长。整体上来看，热带气旋在陆上的移动速度在过去35年有所减少（图1c）

图3 1975年-2009年与热带气旋降水线性相关（mm/年），方形和叉号的标记表示的是变化趋势通过95%显著性检验

除了大尺度转向气流的改变，热带气旋降雨的变化也符合热带气旋在陆上持续时间的增加。这233个选择的陆上的热带气旋所伴随的降水主要发生在中国东南部的沿海地区并随着热带气旋移向内陆而减弱（图2a）。在过去35年，热带气旋降水呈现上升趋势，尤其是在东部沿海地区（图3）。热带气旋降水趋势在1975年前经计算并未发现显著趋势。考虑到登陆的热带气旋的频率没有显著的变化，我们会对增长的热带气旋降水和陆上热带气旋的持续时间有联系产生争议。有一些研究调查了陆上热带气旋降水的变化[e. g., Ren et al., 2006; Yu et al.., 2009]。我们注意到在研究中讨论的热带气旋的改变和Ren et al. [2006]的不同。他们显示的是热带气旋总降水的整体的减少。他们的研究包括了在中国南海形成的热带气旋和那些没有登陆却影响中国的热带气旋。他们的研究还包括和降水相关的热带低气压，而在这次研究中并未考虑。

4、讨论

图4 热带气旋登陆后强度时间序列（a）1951年-2009年CMA-STI所提供的数据（b）1951年-2009年JTWC所提供的数据。（c）通过95%显著性检验的垂直风切变的空间分布（等值线，m s^-1 年^-1）和中国大陆及海南岛的热带气旋降水（阴影，mm）。图4a和4b中的粗线是5年滑动平均值，虚线表示变化趋势

因为缺少海洋上的能量，一个热带气旋会在它登陆后迅速消散。我们的分析显示那些在西北太平洋上生成并随后登陆中国的热带气旋在过去35年内存在时间越来越长。我们知道，由于固定的登陆后的消散率，风暴会花更长的时间消散。因为，有高强度的热带气旋在陆上会存在更长的时间。因为这个原因，登陆后的热带气旋强度（登陆强度）最初调查结果在图4a和4b中显示。在上海台风所的资料组中，台风登陆强度在1975年至2009年间几乎没发生变化。另一方面，在联合台风预警中心最佳的路径数据组中台风登陆强度在过去35年间有显著增加。在分析完自1981年起全球一致的基于卫星资料的强度的估计后,Kossinetal.[2007]发现联合台风警报中心的数据组的强度趋势是言过其实的。由于热带气旋强度数据的不确定性，并不能确定是否在数据1a中登陆后强度的改变在陆上持续时间的增长中起到作用。我们都知道垂直风切变对热带气旋的发展起到重要作用[Gray, 1968; DeMaria and Kaplan, 1994; Hanley et al., 2001]。许多研究证实了垂直风切变会减弱热带气旋的强度或减缓热带气旋激烈化的速度[DeMaria,1996;WangandHolland, 1996; Frank and Ritchie, 1999, 2001; Bogner et al., 2000; Corbosiero and Molinari, 2002]。数据4c显示在1975至2009年间垂直切变的空间分布趋势。尽管在台湾岛和日本南部之间的洋面上有显著的减少的发生，在中国东南部也能发现减少的趋势。在那里，热带气旋登陆并随后移向内陆。这表明了减少的垂直风切变会让热带气旋存在时间更长，导致在过去35年间陆上的持续时间增加。同时也用联合台风警报中心最佳的路径数据检查了陆上持续时间，也发现在1975至2009年有显著的增长趋势。（数据未显示）

增长的持续时间符合热带海平面气温的变化，而海平面气温在1976年左右突然地增长[Nitta and Yamada, 1989; Kumar et al., 2004]。太平洋上的大气环流和厄尔尼诺的特性也显示了对年代际的海平面温度变化起了反应同时也发生了变化[e.g., Trenberth and Hurrell, 1994; Wang, 1995]，虽然还需要进一步的调查去理解变暖的海平面温度是如何影响热带气旋活动的大尺度环境。尽管在观测系统，发布结构以及分析方法中有不确定性，我们仍坚信在过去的35年陆上持续时间的增加和大尺度环境的变化是一致的。

5、总结

尽管有许多研究都关注有可能发生的热带气旋的强度变化，Emanuel et al. [2008]表明热带气旋持续时间的显著的增长和减少并没有像预期一样发生。在此次研究中，233个热带气旋从1951至2009年间最初形成在西北太平洋上并随后登陆中国大陆。一开始，我们的研究表明在过去35年内登陆的热带气旋每年平均登陆持续时间显著地增长，尽管每年的发生频率并未发现什么变化趋势。增加的陆上持续时间和从1976年左右突然增长的热带的海平面气温变化相符[Nitta and Yamada, 1989; Kumar et al., 2004]。持续增长的路上持续时间是由减少的移动速度和增加的移动距离共同引起的，同时也和大尺度转向气流的变化和热带气旋相关的降水有关。我们发现在中国东南部的大尺度转向气流在过去35年里减缓了热带气旋速度的来自西南的异常现象。结合增加的陆上持续时间，伴随热带气旋登陆的降水在过去35年内有所增加，进一步分析表明减少的垂直风切变会让热带气旋在过去35年内存在的持续时间变长，这导致了热带气旋的移动距离也增加了。

Acknowledgments. This research was jointly supported by the drought research project (2006CB400504),the National Natural Science Foundation of China (NSFC grant 40875038 and 40921160379), and the typhoon research project (2009CB421503) of the nation

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