近40年西北太平洋登陆热带气旋活动变化趋势及其机制分析

Trend and Mechanism Analysis of Landfalling Tropical Cyclone Activity in the Western North Pacific over the Past 40 Years

摘要: 本文基于热带气旋(Tropical Cyclone, TC)最佳路径数据集，对1980~2021年期间西北太平洋(Western North Pacific, WNP) TC的生成频数与登陆TC的频数进行了比较。研究发现，尽管过去40年WNP TC总数有显著的下降趋势，但登陆TC数量并无显著趋势。根据登陆区域的不同，将登陆TC路径分为三类：北上转折(C1)、西北行(C2)以及南海西行(C3)三类。结果表明，C1类的频数呈显著增加趋势，C2类的频数变化不显著，而C3类则表现出下降趋势。这三类登陆TC频数的差异主要与台湾岛以东海域的异常气旋性环流以及西太平洋副热带高压(Western Pacific Subtropical High, WPSH)的北移趋势有关。进一步分析显示，尽管C1类和C3类TC的登陆强度及其对陆地的破坏力变化趋势不明显，C2类TC的登陆强度和陆上破坏力却呈显著增加趋势。沿海海面相对温度(Relative Sea Surface Temperature, RSST)的升高、陆地土壤湿度的增加等环境因素，为登陆TC的强度维持及其登陆后的存活提供了有利条件，从而增强了C2类TC的破坏潜力。

Abstract: This study, based on the best track dataset of tropical cyclones (TCs), compares the genesis frequency of TCs in the Western North Pacific (WNP) with the frequency of landfalling TCs during the period 1980~2021. The results reveal a significant decreasing trend in the total number of TCs in the WNP over the past 40 years, whereas the frequency of landfalling TCs shows no significant trend. Landfalling TC tracks are categorized into three types based on their landfall regions: northward-turning (C1), northwestward-moving (C2), and westward-moving into the South China Sea (C3). The frequency of C1-type TCs shows a significant increasing trend, C2-type TCs remain relatively stable without significant change, and C3-type TCs exhibit a decreasing trend. These variations are mainly associated with anomalous cyclonic circulation east of Taiwan Island and the northward shift of the Western Pacific Subtropical High (WPSH). Further analysis reveals that while the landfall intensity and destructive power of C1- and C3-type TCs show no significant trend, C2-type TCs exhibit a notable increase in landfall intensity and destructive potential. Environmental factors, such as the rise in relative sea surface temperature (RSST) and increased soil moisture over land, provide favorable conditions for maintaining the intensity of landfalling TCs and extending their survival post-landfall, thereby amplifying the destructive potential of C2-type TCs.

1. 引言

热带气旋(Tropical cyclone, TC)是一种生成于热带或副热带洋面上的强烈风暴，每年在西北太平洋(Western North Pacific, WNP)海盆生成的TC数约占全球洋面上TC生成数的三分之一[1]。登陆的TC会带来暴雨、洪涝、大风和风暴潮等灾难，严重威胁WNP沿岸国家人民的生命财产安全[2] [3]。了解近几十年来WNP登陆TC路径变化和活动特征，对减少TC造成的灾害损失具有重要意义。

在全球变暖的背景下，WNP的TC生命期最大强度(Lifetime Maximum Intensity, LMI)位置出现了向极移动的趋势[4]，并且LMI位置的极移是TC生成位置的极移以及生成位置与LMI之间距离的增加所导致[5] [6]。一方面全球变暖所引起的热带环流扩张是TC生成位置北移的重要原因[7] [8]，热带环流扩张的速度与南北半球TC生成位置的极移速度基本一致[9]。另一方面高纬度地区的海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)增暖及其相关的大尺度环流的变化有利于偏北海域生成更多的TC [10]。

TC生成位置的向极移动意味着亚洲东部受西北向或北向转折路径TC灾害的可能性提高。近期的研究表明，近几十年来影响中国东部的西北行路径TC增多，而影响中国南部的西行路径TC减少，TC频数的变化可归因于其生成位置环境条件的改变[11]。但是前人对TC路径的变化也存在争议[11] [12]，并且大多只关注登陆TC频数，较少关注登陆后不同路径TC之间的差异。因此本研究对WNP登陆TC路径进行分类，探究不同路径下TC登陆频数及登陆后强度变化的差异，并分析造成差异的原因。

2. 数据与方法

2.1. 数据

TC最佳路径数据来自国际气候管理最佳跟踪档案(The International Best Tracks Archive for Climate Stewardship, IBTrACS)。本文中登陆TC定义为生成位置位于180˚以西(包括中国南海)，最大持续风速达到热带风暴级别(17.2 m·s⁻¹)且在生命期范围内至少一次穿过WNP沿岸国家海岸线。TC生成位置定义为TC第一次达到热带风暴强度时的经纬度坐标。

WNP TC路径一般分为三类[11] [13] [14]。在本研究中，根据Shan和Yu的定义，基于规定的区域将登陆TC路径分为三类(图3) [11]：(1) 登陆位置在122˚E以东，向朝鲜半岛、日本方向弯曲的北向转折路径C1类，(2) 登陆位置在122˚E以西，20˚N以北，西北向登陆中国大陆的C2类，(3) 向西穿过菲律宾并前往中国南海，登陆位置在20˚N以南的西行路径C3类。起源于南海向东穿过菲律宾并消失于WNP的TC属于异常路径，未归类在上述三类TC中。

水平分辨率为1˚ × 1˚的月平均SST数据来自英国哈德莱中心，月平均大气数据来自国家环境预测中心(National Centers for Environment Prediction, NCEP)和能源部(Department of Energy, DOE)再分析资料II (NCEP/DOE Reanalysis II)，水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚，垂直方向分为17个等压面。土壤湿度数据来自美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)，水平分辨率为0.5˚ × 0.5˚。

2.2. 方法

TC移动速度和方向与对流层平均风速有很好的相关性，因此TC大尺度环境引导气流定义为对流层850 hPa至300 hPa气压加权平均气流[15] [16]。相对海表面温度(Relative Sea Surface Temperature, RSST)定义为局地海温相对于热带(30˚S~30˚N)平均海温的差值，可用来表示海温的相对变化[16]。TC能量耗散指数(Power Dissipation Index, PDI)是衡量TC破坏潜力的常用指标之一，它被定义为TC整个生命期内最大持续风速的立方和[17]，累积PDI是特定时间内TC的PDI之和，公式为：

$\text{PDI}={\displaystyle \sum _{n=1}^N{\displaystyle \sum _{t=1}^T{v}_{\max }^3}}$

N为特定时间内登陆TC总数，T是以6小时为间隔的登陆TC陆上持续时间。平均PDI是累积PDI除以登陆TC数N。TC陆上持续时间是指从TC登陆时到第一次减弱为热带低压强度的时间。TC陆上移动速度为陆上持续时间内平均移动速度。

TC移动路径与西太平洋副热带高压(Western Pacific Subtropical High, WPSH)的位置密切相关，采用WPSH经向指数[18]来衡量WPSH经向相对位置的变化，定义为西段(10˚N~60˚N, 110˚E~130˚E)和东段(10˚N~60˚N, 130˚E~150˚E)范围内经线上500 hPa位势高度最大值所在的平均纬度，并将两者平均值定义为WPSH经向指数。

本研究的时间尺度为1980~2021年，使用学生检验来估计统计显著性。

3. 西北太平洋登陆热带气旋活动特征

1980~2021年共有1037个TC生成于WNP，其中635个TC于沿岸地区登陆，登陆TC数占TC总数的61%。图1(a)为总TC频数的时间序列，其长期趋势在99%的置信水平上呈现显著的下降趋势，而登陆TC呈现年际变化且长期趋势不显著(图1(b))，这说明TC总数的下降趋势主要由未登陆TC贡献。结合图2可知，未登陆TC的生成位置较登陆TC显著偏东(图2(a)，图2(c))，主要集中于WNP东南部，自上世纪九十年代中期以来太平洋年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation, IPO)进入负位相所引起的WNP东南部增强的垂直风切变异常是总TC频数减弱的重要因素[13]。

Figure 1. Frequency of (a) all TCs and (b) landfalling TCs formed in the WNP and their corresponding linear trends during 1980~2021, shadings indicate the two-sided 95% confidence bounds of the trends

图1. 1980~2021年WNP (a) 所有TC和(b) 登陆TC的生成频数及相应的线性趋势，阴影表示95%的置信区间

Figure 2. Genesis longitude of (a) landfalling TCs and (c) no-landed TCs, genesis latitude of (b) landfalling TCs and (d) no-landed TCs in the WNP and their corresponding linear trends during 1980~2021, shadings indicate the two-sided 95% confidence bounds of the trends

图2. 1980~2021年WNP (a) 登陆TC、(c) 未登陆TC生成经度，(b) 登陆TC、(d) 未登陆TC生成纬度及相应的线性趋势，阴影表示95%的置信区间

图2进一步比较了登陆TC与未登陆TC生成位置的变化，相比于未登陆TC，登陆TC生成位置平均经度偏西(图2(a)，图2(c))，平均纬度变化趋势不明显(图2(b))，而未登陆TC生成位置平均纬度有显著的北移趋势(图2(d))，是WNP总TC生成位置向极移动的主要贡献[19]。

进一步将WNP登陆TC的路径分为C1、C2、C3三类(图3)。C1为北上转向型路径，大多数C1类TC生成于125˚E以东的WNP东南象限(图3(b))，沿着东亚海岸线先向北运动，再向东北方向弯折，最终登陆朝鲜半岛和日本(图3(a))。C2类TC生成位置相较于C1更集中于WNP西部并向西北方向移动，侵袭中国的东部和东南地区(图3(c)、图3(d))。C3类TC主要在南海(South China Sea, SCS)或WNP西部生成，并向西移动进入SCS (图3(e)、图3(f))。三类TC频数如表1所示，约81%的C1类TC，93%的C2类TC和41%的C3类TC集中于7~9月，并且在北半球7~9月环境条件的月度差异也相对较小[20]，因此本研究中选择7~9月作为研究登陆TC路径差异及环境影响因子的TC盛季。

Figure 3. (a), (c), (e) Tracks and (b), (d), (f) genesis locations of WNP landfalling TCs: (top) C1, (middle) C2, and (bottom) C3

图3. WNP登陆TC (a)、(c)、(e) 轨迹和(b)、(d)、(f) 起源位置，从上到下分别为C1、C2、C3类

Table 1. Frequency of three types of TCs and their percentage in the peak season

表1. 三类TC频数及盛季占比

TC类型	总数	盛季频数	占比(%)
C1	189	154	81
C2	127	118	93
C3	272	111	41

图4为盛季三类登陆TC频数的时间序列，C1类TC频数呈现显著的上升趋势(图4(a))，显著性检验P值为0.07 (表2)，C2类TC频数没有显著的上升或者下降趋势，以年际变化为主(图4(b))，C3类TC为下降趋势(图4(c))，但是下降趋势仅在80%的置信水平上显著(表2)。由于登陆TC生成位置并无显著的向极移动趋势，北上路径TC频数的增加更可能是因为影响TC路径的环境条件改变，而不是生成位置的偏北。三类TC登陆时的强度变化也存在差异(图5)，C1类和C3类TC登陆时的强度呈现微弱的上升趋势(图5(a)，图5(c)，表2)，而C2类TC登陆时的强度有增强的趋势，显著性检验P值为0.02 (表2)，在超过95%的置信水平上显著(图5(b))。

Figure 4. Frequency of (a) C1, (b) C2, and (c) C3 landfalling TCs and their corresponding linear trends in the peak season during 1980~2021, shadings indicate the two-sided 95% confidence bounds of the trends

图4. 1980~2021年盛季登陆TC (a) C1、(b) C2、(c) C3类TC频数及相应的线性趋势，阴影表示95%的置信区间

Table 2. P values of linear trend tests for three TC types: frequencies, averaged intensity at landfall (m·s⁻¹) and averaged PDI (10⁵ m³·s⁻³), averaged translation speed (m·s⁻¹), and averaged duration (h) after landfall, with bold numbers denote statistical significance at the 90% confidence level, and the negative sign denote a downward trend

表2. 三类TC频数、登陆时平均强度(m·s⁻¹)、登陆后平均陆上PDI (10⁵ m³·s⁻³)、陆上移动速度(m·s⁻¹)以及陆上持续时间(h)线性趋势检验的P值，加粗表示通过90%置信水平的检验，负号表示下降趋势

TC类型	频数	平均强度	陆上PDI	陆上移动速度	陆上持续时间
C1	0.07	0.46	0.43	0.37 (−)	0.22
C2	0.71	0.02	0.02	0.05 (−)	0.00
C3	0.20 (−)	0.83	0.74	0.70 (−)	0.18

Figure 5. Average intensity (m·s⁻¹) of (a) C1, (b) C2, and (c) C3 TCs at landfall and their corresponding linear trends in the peak season during 1980~2021, shadings indicate the two-sided 95% confidence bounds of the trends

图5. 1980~2021年盛季登陆TC (a) C1、(b) C2、(c) C3类TC登陆时平均强度(m·s⁻¹)及相应的线性趋势，阴影表示95%的置信区间

Figure 6. Three types of landfalling TCs (a), (d), (g) average PDI (10⁵ m³·s⁻³), (b), (e), (h) translation speed (m·s⁻¹), (c), (f), (i) duration (h) after landfall and their corresponding linear trends in the peak season during 1980~2021, shadings indicate the two-sided 95% confidence bounds of the trends

图6. 1980~2021年盛季3类TC登陆后(a)、(d)、(g) 平均PDI (10⁵ m³·s⁻³)，(b)、(e)、(h) 陆上移动速度(m·s⁻¹)，(c)、(f)、(i) 陆上持续时间(h)及相应的线性趋势，阴影表示95%的置信区间

登陆后三类TC的平均陆上PDI，陆上移动速度和陆上持续时间的变化趋势如图6所示。C1和C3类TC的陆上破坏力变化不显著(图6(a)~(c)，图6(g)~(i)，表2)，而C2类TC平均陆上PDI显著增加(图6(d)，表2)，陆上移动速度显著降低(图6(e)，表2)，陆上持续时间显著增加(图6(f)，表2)。综上，C1类TC的频数有显著增加趋势，而C2类TC虽然频数以年际变化为主，但是其登陆时的强度以及登陆后的平均PDI和持续时间均增加，这意味着C2类TC的陆上破坏潜力增强。而C3类TC在盛季的陆上破坏潜力无显著变化，与C2类TC的破坏潜力加剧形成差异。

4. 影响登陆热带气旋活动的大尺度环境条件

Figure 7. (a) Mean steering flow and (b) trend of steering flow in the peak season during 1980~2021, gray shading in (b) indicates areas that pass the 90% confidence level

图7. 1980~2021年盛季(a) 平均引导气流和(b) 引导气流趋势，灰色阴影表示通过90%置信水平的区域

Figure 8. (a) Trend of geopotential height at 500 hPa and (b) time series of WPSH meridional indices and its corresponding linear trend in the peak season during 1980~2021. The solid (dotted) line in (a) denotes climatological mean 5880 gpm during 2001~2021 (1980~2000) and shading in (b) indicates the two-sided 95% confidence bounds of the trend

图8. 1980~2021年盛季 (a) 500 hPa位势高度趋势，(b) 西太副高经向偏移指数的时间序列及相应的线性趋势。(a) 中实线(虚线)为2001~2021 (1980~2000)年气候态平均5880 gpm线，(b) 阴影表示95%的置信区间

为了探究不同路径的TC频数差异，进一步分析对流层平均引导气流和引导气流的线性趋势，结果如图7所示。中纬度地区平均气流以西风为主，低纬度地区平均气流以东风为主(图7(a))，引导气流的线性趋势则显示菲律宾以东的一个异常反气旋环流和中国台湾岛以东洋面上的异常气旋环流(图7(b))。两个气旋环流中心之间的异常西风气流阻碍西行路径TC，导致C3类TC频数下降，而异常气旋环流北侧的偏东风异常有利于北上转折路径的TC，引导更多的C1类TC在朝鲜半岛和日本登陆，是C1类TC频数显著增加的原因。台湾岛以东洋面上的异常气旋环流在前人的研究中也被认为是WNP的TC路径密度向北偏移和向中国大陆偏移的一个重要因素[16] [21]。WPSH的位置变化通常被认为是调控TC移动路径的另一个重要因子，当WPSH平均位置偏北时，其外围大尺度气流有利于更多的TC北上[14] [19]。500 hPa位势高度的线性趋势显示WPSH北部(25˚N~40˚N)数值显著增加，南部(10˚N~20˚N)数值变化很小(图8(a))。WPSH经向指数在90%的置信水平上呈显著增加趋势，意味着WPSH的平均位置向北显著偏移(图8(b))，因此，WPSH外围的引导气流有利于更多的C1类TC登陆日本和朝鲜半岛。同时近二十年(2001~2021年) WPSH的5880 gpm线比1980~2000年偏西(图8(a))，WPSH位置的西移(图8(a))导致C1类TC登陆时平均经度的西移(图9(a))。而台湾岛以东洋面上的气旋式环流和WPSH平均位置的北移对C2类TC登陆时平均纬度的北移有贡献(图9(b))。C1类TC平均登陆位置的西移和C2类TC平均登陆位置的北移一方面意味着我国北方地区遭受TC灾害的可能性提高，另一方面TC盛季正值华北暴雨期，TC灾害和华北暴雨的复合风险提高。

在WNP沿岸登陆的TC强度变化与基本海面条件和地表环境条件密切相关，如RSST和土壤湿度(图(10))。RSST可用来衡量海洋对TC能量输送的强弱[16]，中国东部沿海有RSST正异常趋势(图10(a))，暖海温使得TC在靠近海岸线时得到加强[22] [23]，因此C2类TC在登陆时的强度有显著增加的趋势(图5(b))。而C1和C3类TC的移动路径上没有显著的RSST暖异常，因此其登陆强度变化趋势不明显(图5(a)，图5(c))。TC登陆后通常会由于强烈的地表摩擦和耗散作用而逐渐减弱消散，而土壤湿度是TC登陆后维持强度和延长持续时间的一个重要环境因子[21] [24]。在中国东南部和东部地区，土壤湿度呈现显著的正异常趋势(图10(b))，有利于TC在陆上的维持，因此C2类TC在登陆后移动速度有减慢的趋势，陆上持续时间以及平均PDI有增加的趋势(图6(d)~(f))。朝鲜半岛和日本的土壤湿度没有大范围的增加趋势(图10(b))，因此C1类TC的陆上三类指标增加趋势也不显著(图6(a)~(c))。尽管菲律宾岛和中南半岛东部的狭长地带也有显著的土壤湿度正异常趋势(图10(b))，但是由于西行路径的TC经过这些正异常区域的时间较为短暂，加之中南半岛大部分区域土壤湿度为显著负异常以及在SCS的RSST无显著增暖趋势，因此C3类TC陆上三类指标没有显著变化。

Figure 9. (a) Mean longitude (˚E) of C1-type TCs at landfall and (b) mean latitude (˚N) of C2-type TCs at landfall in the peak season during 1980~2021. Shading indicates the two-sided 95% confidence bounds of the trend

图9. 1980~2021年盛季(a) C1类TC登陆时平均经度(˚E)，(b) C2类TC登陆时平均纬度(˚N)，阴影表示95%的置信区间

Figure 10. Trends of (a) relative SST and (b) soil humidity in the peak season during 1980~2021. The dotted areas denote statistical significance at the 95% confidence level

图10. 1980~2021年盛季(a) 相对海温趋势，(b) 土壤湿度趋势。打点区域表示在95%置信水平上显著

5. 总结

本文利用1980~2021年西北太平洋(WNP)海盆TC最佳路径数据集，对登陆TC的频数、生成位置、强度等特征进行了统计分析，同时结合海洋和大气再分析资料对登陆TC的变化趋势进行了研究。登陆TC频数主要表现为年际变化，没有显著的长期趋势。TC生成位置的极地移动趋势主要由生成于WNP东南部但未登陆的TC贡献，而登陆TC的生成位置向极移动趋势并不显著。为进一步探讨WNP登陆TC活动的长期变化趋势及其环境影响因子，研究将登陆TC路径按照登陆区域分为三类：C1类(北上转折路径)、C2类(西北行路径)及C3类(西行路径)。基于以上分类，进一步对不同类别的登陆TC活动特征进行了对比，得到以下结论：

1) 1980~2021年C1类TC频数有显著的增加趋势，而C2和C3类TC频数增加趋势不显著。台湾岛以东洋面上的气旋式环流和WPSH的北移是C1类TC频数增加的主要原因。WPSH的北移也造成了C2类TC登陆位置的北移，而近二十年来WPSH平均5880 gpm线的西移导致C1类TC登陆位置向西移动，因此中国北方地区遭受TC灾害风险的可能性提高。

2) 三类TC在登陆时的强度上也存在差异，其中C2类TC登陆时的强度呈现显著增强趋势，中国东部海域相对温暖的RSST提供TC登陆前加强所需的能量。而C1和C3类TC行进路线上无显著RSST增暖，因而登陆强度变化不显著。

3) TC登陆后由于中国东部沿海地区较高的土壤湿度可以提供TC维持所需的水分，因此C2类TC能够存活更长时间，具有减慢的移动速度和增加的平均PDI趋势。C1和C3类TC登陆时的强度变化不显著，登陆后平均PDI、移动速度和持续时间变化均无显著趋势变化。

基金项目

本研究得到了国家自然科学基金项目(41975061)的资助。

NOTES

^*通讯作者。