西北太平洋季风主导热带气旋频率的年际变化研究

作者及发表信息
本研究由南京信息工程大学气候系统预测与地球系统模拟中心国家重点实验室的Xin Li、Jian Cao（通讯作者）、Boyang Wang和Jiawei Feng合作完成，论文标题为《The Western North Pacific Monsoon Dominates Basin-Scale Interannual Variations in Tropical Cyclone Frequency》，于2025年7月6日发表在期刊《Remote Sensing》第17卷第2317页，开放获取（CC BY 4.0许可）。

学术背景
西北太平洋（Western North Pacific, WNP）是全球热带气旋（Tropical Cyclone, TC）生成最活跃的海域，其年际变化受多种气候因子调控，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、太平洋经向模（Pacific Meridional Mode, PMM）和印度洋海温异常等。然而，以往研究多关注区域尺度TC频率的驱动机制，而对全盆地尺度TC频率年际变化的主导因子认识不足。本研究聚焦于1982–2020年期间WNP夏季季风（WNPSM）与TC生成频率（TCF）的关系，旨在揭示季风动力过程对TCF年际变率的支配作用。

研究流程与方法
1. 数据来源与处理
- TC数据：采用NOAA的IBTrACS v4数据集（1980–2022年），筛选风速≥34节的热带气旋，定义生成点为首次达到该风速的位置。
- 降水数据：整合TRMM（1997–2015）、GPM（2016–2022）和GPCP（1980–2022）三套卫星降水数据，以GPCP为主分析季风降水。
- 环境场数据：包括ERA5再分析资料（0.25°分辨率）的850 hPa涡度、500 hPa垂直速度等动力参数，以及HadISST v1的海温数据。
- 时间尺度分离：通过5年滑动平均去除年代际信号，保留年际变率成分。

1. 关键指标构建

   • 季风指数（WNPMI）：基于Wang and Fan (1999)的方法，计算低纬（5°N–15°N）与副热带（20°N–30°N）850 hPa纬向风差异，表征季风环流强度。
     
   • 动态生成潜势指数（DGPI）：量化涡度、垂直速度、垂直风切变等动力因子对TC生成的贡献，通过分项贡献公式解析各因子的相对重要性。
     

2. 数值实验验证

   • 线性斜压模型（LBM）：模拟WNP季风降水加热对大气环流的强迫响应。实验设定加热中心位于10°N–20°N、120°E–160°E（最大加热率2 K/day，300 hPa），以7–10月气候平均环流为基本态，运行50天后分析后30天的稳态响应。
     

3. 统计与合成分析

   • 年际相关性检验：计算TCF与WNPMI、降水、海温的相关系数，筛选显著相关区域（p<0.05）。
     
   • 高低活跃年对比：选取TCF年际标准差±1以上的年份（如高活跃年：1984、1994、2016；低活跃年：1998、2011等），合成分析环境场差异。
     

主要结果
1. 季风与TCF的年际关联
- WNPMI与TCF在年际尺度上呈显著正相关（r=0.53, p<0.05），而年代际相关性微弱。季风增强年份（如1994、2016），TCF平均增加4.8个，占气候平均值的26%。
- 季风降水与TCF的正相关（r=0.53）独立于海温影响，表明动力过程主导。

1. 动力因子的核心作用

   • 低层涡度与中层上升运动：高活跃年，850 hPa气旋性涡度增强（贡献DGPI变化的45%），500 hPa上升运动加强（贡献30%），二者共同形成TC生成的有利动力环境。
     
   • 罗斯贝波响应：季风加热激发的罗斯贝波在西侧诱导低层气旋性环流和高层反气旋，进一步通过正反馈放大降水与环流（图9）。
     

2. 海温的次要角色

   • WNP局部海温与TCF呈负相关（r=-0.4），冷异常伴随更多TC生成，表明热力条件（如蒸发）并非主因。ENSO和PMM对TCF的影响局限于区域尺度（如东南WNP在厄尔尼诺年TC增多），但对全盆地TCF调控有限。
     

3. LBM实验验证

   • 模拟显示，季风加热可重现观测到的低层气旋、高层反气旋及上升运动结构（图9a–c），证实季风动力过程对TCF年际变率的直接调控。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次明确WNPSM通过动力过程（涡度、垂直运动）主导全盆地TCF年际变化，弥补了以往研究偏重区域尺度或热力因子的不足。
- 提出“季风加热-罗斯贝波响应-动力反馈”的物理链条，为理解季风-TC互作机制提供新视角。

1. 应用价值
   
   • 改进TC年际预测模型：季风环流指标（如WNPMI）可作为TCF预测的关键预报因子。
     
   • 应对气候变化：若未来季风增强，WNP的TC活动可能更频繁，需调整防灾策略。
     

研究亮点
1. 创新性方法：结合DGPI分项贡献分析与LBM数值实验，定量解析动力因子的相对重要性。
2. 跨尺度验证：通过多套卫星降水数据（TRMM/GPM/GPCP）和再分析资料（ERA5）确保结论稳健性。
3. 争议性发现：挑战“海温主导TC生成”的传统认知，揭示冷海温背景下动力过程仍可驱动TC活跃。

其他价值
研究指出印度洋和大西洋海温可能通过遥相关调制WNP环流，但此效应在年际尺度上弱于季风，建议未来探讨多因子协同作用。