1. 引言
1.1. 研究背景
热带太平洋，位于地球赤道两侧、被南北回归线所界定的广阔海域，其海水温度的模式及其变动对全球气候的影响举足轻重。热带太平洋海温变化不仅关乎着热带地区的气候状态，更与全球的气候格局紧密相连，对全球各地的天气模式有着深远的影响。台风，作为热带气旋的一种灾害性天气现象，常常在热带或亚热带洋面上形成低压涡旋，对人类社会和自然环境造成显著影响。
热带太平洋海温的年代际变化[1]导致了许多气候效应，可能导致赤道太平洋南侧地区的降水增多、东南亚地区的气温升高、赤道地区水汽含量增加等，在这样的背景下，海温的变化对台风造成了巨大的影响。近年来西太平洋台风登陆的频率增加，热带气旋强度增强、破坏力增大[2]。经过广泛的观测和研究，已经充分证实了海温的波动对台风活动具有显著影响。近年来，西北太平洋地区的现象，特别是台风登陆频率的显著上升[3]以及热带气旋强度[4]的持续增强，已经引发了科学界和公众的广泛瞩目。这些现象与热带中太平洋海温的年代际变化密切相关[5]。随着海温的升高，台风在西北太平洋地区的活动更加频繁和剧烈，给当地社会和经济带来了巨大的挑战。因此，热带中太平洋海温年代际变化值对台风的影响我们深入研究。
1.2. 研究意义
1.2.1. 实践意义
台风，作为一种具有显著破坏性的天气现象，在我国这类台风频发地区构成了严峻的挑战。其携带的暴雨、强风和风暴潮等极端气象条件，常常导致极为严重的灾害损失，对社会经济产生深远影响。因此，深入分析热带太平洋海温的变化对台风个数、路径和强度等特性的影响，对于提升台风预报的准确性和时效性具有重要意义。通过科学的预报，我们能够更有效地制定防范措施，减少台风对人民生命财产和社会经济的损害。此外，对于极端天气的发生和影响机制的探索，也有助于我们在后续工作中做出更为准确的预报，从而更有效地减轻自然灾害带来的负面影响。
1.2.2. 理论意义
直至20世纪末，海温才被确认为影响台风的重要因素之一，这一发现极大地丰富了我们对台风形成和发展机制的理解。近年来，热带中太平洋海温的变化尤为显著，这为我们深入研究其对台风的影响提供了宝贵的契机。通过综合过去对海温年代际变化的研究，并结合东亚季风和大气环流等关键因素，我们能够更全面地揭示热带中太平洋海温对西太平洋台风影响的年代际变化规律。这不仅有助于完善台风预报的理论体系，还能够为未来的气候研究和预测提供更为坚实的科学依据。
2. 资料与方法
2.1. 资料概况
本文主要使用的数据如下：
1) 本文使用的海表温度(SST)数据来源于美国国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)发布的扩展重构数据集，该数据集覆盖了全球范围，经度自0˚至360˚，纬度从90˚S至90˚N，水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚，时间跨度选取为1950年至2019年[6]。
2) 台风数据则获取自美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center, JTWC) (网址：http://weather.unisys.com)，这些数据专注于西太平洋地区，经度范围涵盖90˚E至180˚E，纬度范围覆盖0˚N至40˚N，时间跨度同样选取1950年至2019年。
3) 水平风场、垂直速度以及水汽含量等气象资料，选用美国国家环境预测中心(NCEP)与国家大气研究中心(NCAR)提供的再分析数据集[7]。这套数据集覆盖全球，经度自0˚至360˚，纬度从90˚S至90˚N，时间范围同样选取为1950年至2019年。
2.2. 研究方法
台风的发生与发展受到热力因素和动力因素的共同影响，其中海表面温度(SST)是影响台风生成和演化的重要因素之一。本文首先通过对热带中太平洋夏季海温变化的统计分析，探讨了海温的年代际变化规律，并确定了热带中太平洋海温的突变时间点。随后，我们详细统计了西太平洋台风的数量、强度、生成地及登陆地的数据，旨在揭示西太平洋台风的主要特征。在海温及气象因子变量数据类型相同、研究范围内数据完整的前提下，我们就进一步使用皮尔逊相关系数方法(Pearson Correlation Coefficient) [8]对气象因子变量的三维数据数组与海温一维目标数据数组做相关性分析，用来衡量两个变量之间的线性关系，公式为：
(2.1)
将变量与海温数据作为参数传递计算出皮尔逊相关系数和显著性检验p值。得出相关系数的值(范围从−1到1)表示：接近1的值表示强正相关，接近−1的值表示强负相关，接近0的值表示没有线性相关性。通过相关分析探讨了环流场、遥相关因子等物理量因子与海温指数之间的关系。
其次，我们进行了严格的95%显著性检验[9]，公式为：
(2.2)
显著性检验p值：用于评估相关系数是否统计上显著，较小的p值表示在统计上有足够的证据拒绝零假设。本文中通过显著性检验表示相关性很强，可作为判断标准进一步分析。
3. 研究结果
3.1. 热带中太平洋1950~2019年海温变化
在本文中，我们特别选取了Niño4区域(位于纬度5˚N~5˚S之间，经度跨越160˚E~150˚W)，作为研究范围，深入探讨过去七十年(1950年至2019年)期间热带中太平洋在夏季(即6~8月)的海温变化趋势。因大部分台风的生成是在每年的6~9月，海温的影响具有滞后性[10]，本文选定1950~2019年夏季(即每年的6月至8月)作为海温分析的主要时间段。
图1为1950~2019年夏季Niño4区域的海温标准化时间序列图。由图可见，以80年代末作为分界点，在此前，海温显示出较为偏冷的状态；而自此之后，海温则呈现出较为偏暖的趋势。Niño4区域的海温前后有较为明显的年代际增暖，为了便于研究我们分别挑选1950~1979年、1990~2019年前后三十年作对比分析，以此来判断Niño4区域海温突变前后西太平洋台风变化的相应现象。
Figure 1. Normalized time series of Niño4 regional SST from 1950 to 2019 (JJAS)
图1. 1950~2019年Niño4区域海温标准化时间序列(6~8月)
3.2. Niño4区域海温突变前后西太平洋台风变化情况
在本节中，我们详细统计了北半球(6~9月)期间，西太平洋区域内的台风数量、台风的强度以及这些台风的生成源地和最终登陆地点。这一分析有助于我们对该区域内台风活动特性进一步了解。
图2(a)、图2(b)分别为1950~2019年6~9月西太平洋地区生成的台风个数、强台风个数散点图。由图可以看出Niño4区域的海温突变后西太平洋台风个数及强台风个数均增加，但增加幅度不大。
以下我们分别对1950~1979年、1990~2019年期间台风(风速V ≥ 32.7 m/s)、强台风(风速V ≥ 42.5 m/s)个数及强台风比例进行统计，见表1。
由表1可知，1990~2019年相较于1950~1979年6~9月期间西太平洋台风个数增加、强台风个数增加，但增加幅度较小，强台风的发生率减小。
Figure 2. (a) Number of typhoons generated in the western Pacific Ocean from 1950 to 1979 and from 1990 to 2019 (JJAS); (b) Number of strong typhoons generated in the western Pacific Ocean from 1950 to 1979 and 1990 to 2019 (JJAS)
图2. (a) 1950~1979、1990~2019西太平洋台风生成个数(6~9月)；(b) 1950~1979、1990~2019西太平洋强台风生成个数(6~9月)
Table 1. Summary of typhoon profiles in the western pacific 1950~1979, 1990~2019 (JJAS)
表1. 1950~1979、1990~2019 (6~9月)西太平洋台风汇总
| 年份 |
台风总数 |
强台风总数 |
强台风发生率 |
| 1950~1979 |
457 |
416 |
91.03% |
| 1990~2019 |
491 |
428 |
87.17% |
图3对比了热带中太平洋Niño4区域海温年代际突变前后，西太平洋地区台风生成源地的空间分布变化。图3(a)呈现了1950~1979年间西太平洋台风的主要生成区域，图3(b)则展示了1990~2019年间的相应情况。分析这两幅图，我们可以观察到，Niño4区域海温发生突变后，西太平洋海域内台风的生成数量增加，相较于前一个时期更为频繁。同时，台风生成源地的地理范围也呈现出逐渐扩大的趋势，表明台风活动更为广泛。进一步深入探讨台风集中生成源地的变化，我们可以发现，在1990~2019年的后一阶段，台风生成的主要区域明显向东、向南转移。
注：蓝点、红点代表台风生成源地的具体位置。
Figure 3. (a) Spatial distribution map of typhoon genesis locations in the Western Pacific region from 1950 to 1979; (b) Spatial distribution map of typhoon genesis locations in the Western Pacific region from 1990 to 2019
图3. (a) 1950~1979年西太平洋地区台风生源地空间分布图；(b) 1990~2019年西太平洋地区台风生源地空间分布图
图4为热带中太平洋Niño4区域海温年代际突变前后西太平洋地区台风登陆地空间分布图。统计30˚N以南、125˚E以西范围内台风登陆个数得，1950~1979年为73个、1990~2019年为107个。结合图4可得，相较于1990年前，由台风集中登陆地中心的变化可知台风在后一阶段登陆地更偏西、偏北。
注：蓝点、红点代表台风登陆的具体位置。
Figure 4. (a) Spatial distribution map of typhoon land falls in the Western Pacific region from 1950 to 1979; (b) Spatial distribution map of typhoon land falls in the Western Pacific region from 1990 to 2019
图4. (a) 1950~1979年西太平洋地区台风登陆地空间分布图；(b) 1990~2019年西太平洋地区台风登陆地空间分布图
根据以上分析可得如下结论：
1) Niño4区域海温突变后，西太平洋生成的台风个数、强台风个数较突变前增加，但变化幅度均较小；
2) Niño4区域海温突变后，西太平洋台风生源地范围变广，更加集中于偏东、偏南方向变化；
3) Niño4区域海温突变后，西太平洋台风登陆地范围变广，更加集中于偏西、偏北方向变化。
3.3. Niño4区域海温突变对西太平洋台风形成机制的影响
台风生成、存在及登陆的频次与海温、大气环流等有着密切的关系[11]。本文欲通过对台风的相关影响因素与Niño4区域海温指数(以下简称：Niño4指数)进行相关分析和显著性检验，分析热带中太平洋海温对西太平洋台风的具体影响。
对比图5、图6可见，低层(850 hPa高度)风场特征为：在低层，热带地区观察到明显的逆时针辐合风场。这些辐合气流主要来自热带海洋的湿润空气，为台风的形成提供了充足的水汽。在副热带地区，虽然也观察到风场辐合的趋势，但相对于热带地区较弱。这些地区的风场可能受到副热带高压系统的影响，导致风向较为多变。在台风形成的低层区域，特别是热带和副热带地区，偏南风占据主导地位。这些偏南风从海洋吹向陆地，携带大量水汽，对台风的形成和增强起到重要作用。
Figure 5. Distribution of horizontal wind field regression with Niño4 index at 850 hPa, 500 hPa, and 200 hPa heights from 1950 to 1979 (JJAS), where the green areas are the areas that passes 95% significance
图5. 1950~1979年850 hPa、500 hPa、200 hPa高度上水平风场(6~9月)与Niño4指数回归分布图，其中绿色区域为通过95%显著性
Figure 6. Distribution of horizontal wind field regression with Niño4 index at 850 hPa, 500 hPa, and 200 hPa heights from 1990 to 2019 (JJAS), where the green areas are the areas that passes 95% significance
图6. 1990~2019年850 hPa、500 hPa、200 hPa高度上水平风场(6~9月)与Niño4指数回归分布图，其中绿色区域为通过95%显著性
图7为500 hPa高度上垂直风速与Niño4指数相关分布图，其中打点区域为已通过95%显著性检验区域(以下类同)。在台风生成和初期发展阶段，强烈的上升运动会导致空气向高空移动，这有助于低层辐合作用，增加涡度，从而促进台风的形成[12]。同时，上升气流带来的水汽在高空冷凝释放潜热，将进一步增强上升运动，促进台风的发展。由图可见，1990~2019年相较于1950~1979年500 hPa高度上垂直风速与Niño4指数负相关性增强，500 hPa高度上垂直风速负值增大，对流层中层上升运动增强。
Figure 7. Correlation analysis of vertical wind speed at 500 hPa height with Niño4 index for (a) 1950~1979; (b) 1990~2019(JJAS). The shaded areas represent statistical significance at the 95% level
图7. (a) 1950~1979年；(b) 1990~2019年500 hPa高度上垂直风速(6~9月)与Niño4指数相关分析，其中阴影部分为通过95%显著性检验
图8为海平面气压(Sea Level Pressure, SLP)与Niño4指数相关分布图。在台风形成和发展过程中，台风中心的气压会相对周围地区显著降低。这个中心气压的数值可以反映出台风的强度。台风中心气压越低，表示台风强度越大。由图可见，1990~2019年相较于1950~1979年Niño4区域海平面气压与Niño4指数负相关性增强，海平面气压显著减小。
图9为850 hPa高度上比湿(specific humidity, shum)与Niño4指数相关分布图。台风的发生发展过程与比湿(水汽含量)的变化有密切的关系[13]。在台风形成过程中，需要广阔的高温高湿海洋环境来提供充足的水汽。当水汽含量足够高时，可以形成深厚的对流云团，为台风提供必要的能量和水汽。水汽含量的增加可以为台风提供更多的能量，促进其发展和增强。在台风形成初期，水汽的凝结和释放潜热能够为其提供必要的能量来源，有助于台风的加强和维持。而当水汽含量减少时，台风可能会因为能量供应不足而逐渐减弱或消散。由图可见，1990~2019年相较于1950~1979年水汽含量与Niño4指数正相关性增强，Niño4区域对流层比湿增大，水汽含量增加。
Figure 8. (a) 1950~1979; (b) 1990~2019 correlation analysis between sea level pressure SLP (JJAS) and Niño4 index, where shaded areas are those passing the 95% significance test
图8. (a) 1950~1979年；(b) 1990~2019年海平面气压SLP (6~9月)与Niño4指数相关分析，其中阴影部分为通过95%显著性检验
Figure 9. (a) 1950~1979; (b) 1990~2019 correlation analysis between water vapor content shum (JJAS) and Niño4 index, where shaded areas are those that pass the 95% significance test
图9. (a) 1950~1979年；(b) 1990~2019年水汽含量shum (6~9月)与Niño4指数相关分析，其中阴影部分为通过95%显著性检验
图10为云量(Total Cloud Cover, TCDC)与Niño4指数相关分布图。云可以影响台风的路径和强度。云量的多少直接反映对流的强弱，云量越多对流活动越强，大尺度上升运动越强，促进台风的生成发展；云量的增加通常与大气中水汽含量的增加相对应。这些额外的水汽可以被台风吸收，为台风的发展提供更充足的能量。由图可见，1990~2019年相较于1950~1979年云量与Niño4指数正相关性增强，Niño4区域云量显著增强。
Figure 10. Correlation analysis between (a) 1950~1979; (b) 1990~2019 cloudiness TCDC (JJAS) and Niño4 index, where the shaded area passes the 95% significance test
图10. (a) 1950~1979年；(b) 1990~2019年云量TCDC (6~9月)与Niño4指数相关分析，其中阴影部分为通过95%显著性检验
图11为长波辐射(Outgoing Longwave Radiation, OLR)与Niño4指数相关分布图(因NCEP/NCAR中长波辐射未记录1950~1979年的观测数据，故只分析1990~2019年长波辐射的情况)。由图可见，1990~2019年Niño4区域长波辐射与Niño4指数呈负相关，海温升高，长波辐射较弱。长波辐射在地球——大气系统的热量交换中扮演着重要角色。大气直接吸收太阳短波辐射很少，而主要依靠吸收地面长波辐射来增温。低层大气在吸收了地面辐射后，又以长波辐射、对流、湍流的形式，层层向上传递，从而影响大气的温度和结构。长波辐射OLR的减小表明，地表和大气向外的热量释放减少，从而有更多的热量被保留在大气中，有利于台风的发生发展。
Figure 11. Correlation analysis of longwave radiation OLR (JJAS) and Niño4 index from 1990 to 2019, where shaded areas are those that pass the 95% significance test
图11. 1990~2019年长波辐射OLR (6~9月)与Niño4指数相关分析，其中阴影部分为通过95%显著性检验
根据以上分析可得如下结论：
1) Niño4区域海温突变后，水平环流场低层辐合产生上升运动、高层辐散产生下沉运动的趋势更加显著，有利于台风的生成；
2) Niño4区域海温突变后，在Niño4区域内，随着海温的变化500 hPa高度垂直速度增大、SLP降低、shum增加、TCDC增加，造成大气环流形势的改变，均有利于台风的形成；
3) Niño4区域海温突变后，在Niño4区域内，长波辐射OLR减小，表示有更多的热量从地表和大气中释放出来，有助于为台风的形成提供能量。
4. 结论
本文基于1950~2019年热带中太平洋夏季6~8月海温的变化、西太平洋台风(6~9月)的变化，对海温的年代际突变及影响台风生成发展的气象因素的变化趋势与海温突变的关联性进行了分析。
1) 热带中太平洋Niño4区域海温在20世纪90年代初出现了明显的突变。基于这一观察，我们将研究时段划分为1950年至1979年以及1990年至2019年两个时间段进行对比分析。对比结果显示，1990~2019年夏季的平均海温较1950~1979年呈现出显著的上升态势，并且这种上升趋势在年际间呈现出逐渐增强的特征。
2) 此前，相关研究表明海温的变化对台风的生成、发展等具有较为的显著影响，但较少地以年代际为单位前后对比研究海温突变对台风的影响。进一步地，我们聚焦于热带中太平洋的Niño4区域，发现该区域海温的年代际突变对西太平洋台风生成具有显著影响。具体来说，与1950~1979年相比，1990~2019年(特别是6月至9月期间)西太平洋生成的台风数量及强台风数量均有所增加，尽管增加的幅度并不十分显著。Niño4区域海温的突变导致西太平洋台风的生成地点和登陆地点均出现了明显的变化，表现为生成源地更偏向于东部和南部，而登陆地则更偏向于西部和北部，这一变化拓宽了台风活动的地理范围。
3) 为分析海温年代际异常突变对台风形成机制的具体影响，我们分别将水平风场、降水量、云量等与台风形成发展有关的气象因子与海温进行相关分析及95%的显著性检验。在探讨Niño4区域海温突变对台风生成的影响时，我们观察到显著的气候动态变化。首先，这一突变显著加强了区域底层水平环流的辐合，从而促进了上升运动的增强；相应地，高层环流则显示出更为明显的辐散趋势，驱动了下沉运动。这种垂直运动的增强模式为台风的形成提供了有利的大气动力学条件。进一步分析表明，Niño4区域海温的突变不仅仅改变了水平环流的模式。同时，随着海温的变化，SLP呈现出降低的趋势。此外，shum和TCDC的增加也反映了大气中水分和凝结物的增多，这进一步促进了台风生成所需的能量和水汽条件的形成。此外，我们还注意到Niño4区域海温突变后，OLR的减小，这表明，地表和大气向外的热量释放减少，从而有更多的热量被保留在大气中。这种能量的积累为台风的形成提供了必要的能量来源，进一步支持了Niño4区域海温突变对台风生成的有利影响。通过以上研究，我们对海温的年代际变化、海温年代际突变对西太平洋台风的影响及其对台风形成机制的具体影响有了更详细的解释，有利于我们对气候变化有更全面的理解、对台风的预报预警更加准确。