南海-西北太平洋季風槽及其與熱帶氣旋的關系：不同再分析資料對比

邢彩盈，吳勝安，朱晶晶，胡德強

（1.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南?？?570203；2.海南省氣候中心，海南?？?570203）

0 引言

季風槽是指對流層低層西南季風與東南信風輻合形成的大尺度環流系統，它提供了熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）生成所需要的熱力和動力條件[1-2]，全球約75%以上的TC 生成于季風槽。南海和西北太平洋上空是TC 生成最活躍的區域[3]，這與南海-西北太平洋季風槽的活動密切相關[4]，西北太平洋上空生成的TC 中有80%以上是在季風槽中生成[5]。隨著數值模式的快速發展，從20 世紀90 年代中期開始，美國、歐洲和日本等先后實施了全球大氣資料再分析計劃，并研制出一系列全球大氣再分析產品?；诖髿庠俜治鲑Y料表征季風槽特征及其與TC 活動的關系方面已有大量的成果。研究表明，西北太平洋上空對流層低層有利于TC 生成的5類大尺度環流型中，有3 類都與季風槽有關[6-7]。季風槽是南海-西北太平洋影響TC 活動最主要的支配因素，這與其所提供的強低層氣旋式渦度、充足的中低層水汽、較小的垂直風切變以及強高層輻散等大尺度環境因子的變化有關[5，8-9]。季風槽可能通過與先兆擾動的相互作用或自身發生多次斷裂的方式為TC 的生成提供所需的初始擾動[10-11]，也可能通過季風槽內低層輻合和氣旋式渦度的加強而形成TC[12-13]，與季風槽有關的正壓轉換過程也是熱帶擾動加強的主要能量源[14]。南海-西北太平洋季風槽強度、位置等都存在明顯的年際、年代際變化特征[15-16]和季節內振蕩特征[17]，這些特征對TC 的生成位置、頻數、強度、路徑等都具有很大的影響[18-20]?？傮w上，季風槽東擴并與西北太平洋東南部暖海溫區相連時，TC 的生成位置偏東、偏南，強度更大，并易于在130°E 轉向；而當季風槽位置偏西、偏北時，西北太平洋上空TC 的生成位置和移動路徑以偏西、偏北為主，易于影響中國東南沿海地區。

2013 年11 月中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）成功研制了中國第一代全球大氣/陸面再分析系統和產品（CMA's Global Atmospheric/Land Reanalysis，CMA-RA），打破了相關業務、科研對國外再分析產品依賴的局面[21]。CMA-RA 融合了更多東亞地區的常規觀測數據和衛星數據，對研究東亞天氣氣候具有重要的價值[22]，多家單位綜合評估顯示該產品質量總體上優于國際第一、二代全球大氣再分析產品，與國際第三代大氣再分析產品質量相當[23]。目前有不少研究對比評估了CMA-RA 氣象要素產品在中國的適用性?？傮w來看，CMA-RA 資料能很好反映中國陸地氣溫、降水的時空分布特征，其月降水產品在中國的適用性最高，整體明顯優于歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第5 版大氣再分析資料（the Fifth Generation Reanalysis，ERA5）和美國國家環境預測中心（National Center for Environmental Prediction，NCEP）的 氣 候 預 測 系 統 再 分 析（Climate Forecast System Reanalysis，CFSR）資 料[24]，而 且CMA-RA 的極端降水總量模擬與觀測值的偏差更小，變化趨勢更相似[25]；在青藏高原地表氣溫變化特征方面的表現也優于ERA-interim 資料[26]。CMARA 也能較好地描述出中國地表相對濕度的長期變化特征[27]，對北方不同季節土壤濕度的模擬總體上與觀測值的相關性最好[28]；其總云量產品在中國東北、華北及江淮地區與地面觀測偏差較小[29]。另外，也有少數研究評估了CMA-RA 對東亞地區大氣環流特征的刻畫能力，指出由于其同化了東亞地區更多觀測數據，因此對亞洲副熱帶西風急流的刻畫更為可靠，并具有與ERA5 和CFSR 相當的表現能力[30]。

目前尚未有研究評估CMA-RA 在季風槽中的適用性，由于所用數值模式、同化方法、質量控制方法不同，不同再分析資料間存在一定差異，亟需了解它們的優點和局限性。因此，本文旨在深入把握南海-西北太平洋季風槽特征及其與南海TC 活動的關系，同時通過對比評估CMA-RA 與ERA5、NCEP 和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的再分析 資 料（NCEP-Ⅰ）對季風槽的表現能力，探討CMA-RA 的適用性和應用效果，為相關研究工作提供可替換的、高質量的大氣再分析數據集。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所用資料包括：①TC 資料來源于CMA 上海臺風研究所的CMA-STI 熱帶氣旋最佳路徑數據集[31]，該數據集包含TC 每6 h 的中心經緯度、強度標記、近中心最大風速、中心最低氣壓等要素。②CMA-RA 全球逐月大氣再分析資料，來源于國家氣象信息中心，它是基于NCEP 全球預報系統的全球系統模型和GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）三維變分同化系統研制的，與其他大氣再分析資料相比，它同化了更多常規觀測數據和風云衛星資料，尤其在東亞地區。③ERA5 全球大氣再分析資料。（4）NCEP-I 全球大氣逐月再分析資料。各再分析資料的簡要介紹見表1。

表1 不同再分析數據集基本參數介紹Tab.1 Brief introduction of the basic parameters of different reanalysis datasets

研究序列為1981—2020 年，時段為每年7—10月，即南海TC 活動活躍期，以1991—2020年表示常年氣候平均態。為保證資料對比分析的一致性，利用雙線性插值方法將不同再分析資料插值至0.5°×0.5°水平分辨率。

1.2 季風槽指數定義

參考高建蕓等[17]關于南海-西北太平洋季風槽及不同區域的界定，將其分為南海槽區（105°～120°E，5°～20°N）、西北太平洋槽區（120°～160°E，5°～20°N），其中西北太平洋槽區又分為西段（120°～140°E，5°～20°N）和東段（140°～160°E，5°～20°N）。定義季風槽強度指數為界定區域內850 hPa 正相對渦度值的平均值。季風槽東伸點指數為（105°～160°E，5°～20°N）范圍內850 hPa 層上槽線（東西風交界線）最東邊所在經度。季風槽南北位置指數為（105°～160°E，5°～20°N）范圍內各個經度上正相對渦度最大值所在緯度的平均值。

1.3 TC相關定義

定義影響南海TC 頻數為TC 中心進入南海TC影響區域（海南省陸地和所管轄海域）[32]達2 個時次的TC 數量累加，包括熱帶低壓、熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風；影響海南島TC 頻數為TC中心進入（106°～114°E，15°～23°N）范圍達2個時次的TC數量累加。

TC 累 積 動 能（Accumulated Cyclone Energy，ACE）是一個量化表征整個影響期間TC 活動強度的物理量，本文以ACE 表征影響區域內TC 的活動強度。單個TC 的ACE定義為進入影響區域后強度達熱帶風暴或以上等級（風速≥17.2 m/s）的TC，其持續時間內每6 h最大風速平方和的累積。為避免TC頻次的總體下降趨勢以及由于多個弱TC 的影響造成ACE 偏大等的情況，定義影響區域的ACE 為某年某時段進入影響區域內強度達到熱帶風暴或以上等級的所有TC的ACE平均值。公式為：

式中：N為某年某時段進入影響區域的TC 頻數，T為某個TC 在影響區域內最大風速≥17.2 m/s 的觀測數，Vij為影響區域內某個TC不同時刻的最大風速，i和j分別為觀測數和TC頻數的數據編號。

利用空間相關系數、Pearson 時間相關系數、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、差值等統計檢驗參數定量評估不同資料表征季風槽特征的性能。

2 結果分析

2.1 季風槽空間分布特征

從不同資料7—10 月南海-西北太平洋季風槽的常年氣候態分布（見圖1）可看出，它們都揭示出南海-西北太平洋季風槽的基本空間分布特征。南?！鞅碧窖蟮貐^存在一個東西帶狀的氣旋式渦旋流場，其中南海和西北太平洋西段的氣旋式渦旋特征較明顯，在南海中部和東部海域、菲律賓以東海域存在正相對渦度的相對高值區，西北太平洋東段低層相對渦度分布較均勻；常年0 m/s緯向風線東伸至西北太平洋東段區域。不同之處在于，CMA-RA和ERA5的南海槽區和西北太平洋西段槽區氣旋式渦旋特征較NCEP-I 明顯，南海中部和東部海域、菲律賓以東海域兩個正相對渦度高值區的中心值明顯大于NCEP-I，北部灣附近也存在明顯的正渦度高值區，但在NCEP-I 環流場上并未體現出這一特征；CMA-RA 資料0 m/s 緯向風線東伸點大致位于145°E附近，而ERA5和NCEP均東伸至150°E附近，較CMA-RA偏東約5個經度。

從不同資料常年850 hPa風場的差值場來看（見圖2a、2c、2e），整個區域上不同資料兩兩之間850 hPa緯向風場的空間相關系數大于0.98，850 hPa經向風場的空間相關性有所下降，CMA-RA 與ERA5 較高（相關系數為0.95），CMA-RA、ERA5與NCEP-I的空間相關系數均為0.84；它們在差值場上超過1 m/s 的區域主要集中在菲律賓南部及以南海域、赤道以南地區和中南半島附近，總體上CMA-RA 與ERA5 差異較小。在季風槽區內，兩兩之間850 hPa 緯向風場的空間相關系數均大于0.98，但經向風場差異較大，其中CMA-RA 與ERA5 的空間相關系數（0.89）最大。CMA-RA 與ERA5 的差值大部分處于±1 m/s之間，RMSE 為0.52 m/s；CMA-RA 與NC-EP-I 的差異較大，RMSE 為0.63 m/s；ERA5 與NCEP-I 的差值最小，RMSE僅為0.45 m/s。

圖2 不同資料間常年7—10月850 hPa風場（風矢量：箭頭，風速差值：陰影，單位：m/s）、850 hPa相對渦度場（單位：10-5/s）的差值場Fig.2 Deviations in climatological 850 hPa wind field(wind vector:arrow,wind speed difference:shaded area，unit:m/s)and 850 hPa relative vorticity field(unit:10-5/s)from July to October among different datasets

從不同資料850 hPa 相對渦度差值場來看（見圖2b、2d、2f），無論是整個區域還是季風槽范圍，CMA-RA與ERA5的差異最小、CMA-RA與NCEP-I的差異最大，差異大值區主要集中在中南半島、印尼—澳大利亞北部的海陸分界處附近。在季風槽范圍內，CMA-RA與ERA5的850 hPa相對渦度場的空間相關系數為0.86，大部分地區差值處于±1×10-5/s 之間，RMSE 為0.38×10-5/s；CMA-RA、ERA5與NCEP-I 的空間相關系數分別為0.51、0.64，較CMA-RA 與ERA5 的空間相關系數明顯偏小，RMSE分別為0.63×10-5/s、0.44×10-5/s。

2.2 季風槽指數變化特征

為了進一步客觀比較不同資料在表征南海-西北太平洋季風槽主要特征方面的能力，給出不同季風槽區各個特征指數之間相關系數和均方根誤差的對比（見表2），時間相關系數均通過0.05的顯著性水平檢驗。

表2 不同資料7—10月南海-西北太平洋季風槽各項特征指數之間關系的對比Tab.2 Comparisons of the characteristic indices of the South China Sea-Western North Pacific monsoon trough from July to October among different datasets

2.2.1 季風槽強度

從南海-西北太平洋季風槽強度指數的逐年變化來看（見圖3a），不同資料都呈現出相似的年際波動變化特征。資料兩兩之間的時間相關系數相差不大，均大于0.92，且通過0.05 的顯著性水平檢驗；其強度呈現出CMA-RA>ERA5>NCEP-I 的分布特征，ERA5 與NCEP-I 較接近，二者RMSE 為0.06×10-5/s；CMA-RA 與NCEP-I 差 異 較 大，RMSE 達0.14×10-5/s。

圖3 不同資料7—10月南海-西北太平洋季風槽強度逐年變化的對比Fig.3 Comparisons of annual intensity of the South China Sea-Western North Pacific monsoon trough from July to October among different datasets

分區域來看，不同資料反映出的南海季風槽強度呈相似的演變特征，但各個資料之間差值較大。兩兩之間的時間相關系數均通過0.05 的顯著性水平檢驗，其中CMA-RA 與ERA5、ERA5 與NCEP-I的時間相關系數較大，均大于0.93，CMA-RA 與NCEP-I 的時間相關系數相對較小，僅為0.87；南海季風槽強度也呈現出CMA-RA>ERA5>NCEP-I 的特征，且兩兩之間RMSE 值較大，CMA-RA 與NCEP-I的差異最大，RMSE 高達0.35×10-5/s。相比之下，不同資料反映的西北太平洋季風槽強度指數的變化特征具有較高的一致性，兩兩之間的時間相關系數大于0.95，均通過0.05的顯著性水平檢驗；它們之間RMSE 值相差不大，較南海季風槽強度差值明顯偏小。另外，兩兩之間反映的南海季風槽強度的差異隨時間總體呈減小的變化特征，即不同資料對南海季風槽強度的刻畫呈趨于接近的年代際變化特征。

2.2.2 季風槽東伸點

從1981—2020 年7—10 月南海-西北太平洋季風槽東伸點的逐年變化來看（見圖4a），不同資料所表征的季風槽東伸點隨時間的變化特征具有較高的一致性，兩兩之間的時間相關系數大于0.95，均通過0.05 的顯著性水平檢驗，CMA-RA 與ERA5 的相關性最高（相關系數達0.98）；它們之間的RMSE 不超過4.8°，其中ERA5 和NCEP-I的差異最小，RMSE僅為2.9°，CMA-RA 與NCEP-I 的差異較大，RMSE達4.8°。CMA-RA 逐年季風槽東伸點總體較ERA5和NCEP-I 略偏西，在常年低層0 m/s 緯向風速線的空間分布上也表現出這個特征。與南海季風槽強度類似，不同資料之間季風槽東伸點的差異也呈減小的年代際變化特征。

圖4 不同資料7—10月南?！鞅碧窖蠹撅L槽東伸點和南北位置逐年變化的對比Fig.4 Comparisons of annual east ridge point and north-south position of the South China Sea-Western North Pacific monsoon trough from July to October among different datasets

2.2.3 季風槽南北位置

相對于季風槽強度和東伸點，不同資料刻畫的南海-西北太平洋季風槽南北位置隨時間的變化特征的一致性相對較差（見圖4b）。CMA-RA與ERA5季風槽南北位置隨時間呈明顯波動變化特征，二者的時間相關系數為0.85，通過0.05 的顯著性水平檢驗。CMA-RA 總體較ERA5 偏南，RMSE 為0.5°。NCEP-I 描述的季風槽南北位置隨時間的波動幅度較小，它與CMA-RA 和ERA5 刻畫的南北位置差異較大，與CMA-RA、ERA5 的時間相關系數分別為0.53、0.64，均通過0.05 的顯著性水平檢驗?？傮w上NCEP-I 所刻畫的季風槽較CMA-RA、ERA5 偏北，其RMSE均超過0.8°。

2.3 季風槽垂直結構

從常年7—10 月相對渦度沿5°～20°N 平均的經向-高度剖面圖來看（見圖5a），南海-西北太平洋上空500 hPa 以下的對流層中、低層以正相對渦度為主，對應季風槽區上空中、低層強的氣旋式輻合，正相對渦度大值區集中在700 hPa 以下，兩個正相對渦度高值區（≥0.6×10-5/s）主要分布在110°E 和125°E附近，僅在120°E附近狹小區存在負相對渦度區；500 hPa 以上的對流層高層為負相對渦度，對應于季風槽區高層強的輻散。從相對渦度沿105°～160°E平均的緯向-高度剖面圖來看（見圖5b），對流層中、低層的正相對渦度區集中在8°～20°N，正相對渦度≥0.4×10-5/s 的區域主要分布在10°～17°N。CMA-RA 表征出季風槽區對流層中、低層輻合、高層輻散的分布特征，ERA5、NCEP-Ⅰ也呈類似的垂直分布特征（圖略）。

圖5 常年7—10月CMA-RA相對渦度平均的垂直剖面及不同資料間垂直剖面的差值場（單位：10-5/s）Fig.5 The mean vertical cross sections of relative vorticity from July to October from CMA-RA and its deviations between different datasets(unit:10-5/s)

從不同資料之間相對渦度沿5°～20°N 平均的經向-高度剖面差值場可看出（見圖5a），不同資料之間的差值絕對值以小于0.3×10-5/s 為主。對于對流層中、低層，CMA-RA與ERA5的差值絕對值大于0.4×10-5/s的區域主要分布在134°E 附近，CMA-RA與NCEP-I 的差值絕對值大區集中在南海槽區和134°E 附近；對于高層，CMA-RA、ERA5 與NCEP-I差值絕對值大于0.4×10-5/s 的區域主要分布在250 hPa 以上高層，其中心數值從大到小依次為ERA5、CMA-RA、NCEP-I；另外，對流層低層的兩個正相對渦度高值區總體呈CMA-RA>ERA5>NCEP-I 的特征。從不同資料之間相對渦度沿105°～160°E 平均的緯向-高度剖面差值場可看出（見圖5b），不同資料對對流層中、低層8°～20°N 正相對渦度分布的刻畫較接近，兩兩之間的差值絕對值以小于0.1×10-5/s 為主；總體上CMA-RA 與ERA5 的差值最小、CMA-RA與NCEP-I的差值最大。

2.4 與TC活動的關系對比

研究表明，南海-西北太平洋季風槽與TC 活動具有密切關系。下面將客觀評估不同資料對兩者關系的表征能力，對比分析季風槽不同特征指數與影響南海、海南島TC活動的關系。

2.4.1 與TC頻數的關系

通過分析不同區域季風槽強度與7—10 月影響南海、海南島TC 活動頻數的相關關系（見表3，表中僅給出通過顯著性檢驗的特征指數情況）發現，不同資料刻畫的西北太平洋季風槽強度尤其是東段槽強度及季風槽東伸點與影響南海、海南島的TC頻數均呈顯著的負相關關系。即季風槽偏弱時，其往往向西收縮至135°E 附近的對流層低層上空，強對流活動主要分布在南?！鞅碧窖笪鱾壬峡誟19]，使得西北太平洋TC主要生成于西北太平洋偏西、偏北側上空，南海、海南島地區的TC活動較活躍。

表3 不同資料7—10月南海-西北太平洋季風槽特征指數與影響南海和海南島TC頻數關系的比較Tab.3 Comparisons of the characteristic indices of the South China Sea-Western North Pacific monsoon trough and TC frequency affecting the South China Sea，Hainan Island from July to October among different datasets

從表3 可看出，CMA-RA 西北太平洋季風槽及其東段的強度與影響南海、海南島TC 頻數的時間相關系數均大于ERA5 和NCEP-I，并通過顯著性檢驗；ERA5 和NCEP-I 季風槽強度與影響南海、海南島TC 頻數的相關關系表現不一。CMA-RA 和ERA5 季風槽東伸點與影響南海、海南島TC 頻數的關系較密切，其時間相關系數極接近，并通過顯著性檢驗，而NCEP-I 季風槽東伸點與TC 頻數的相關關系均未通過顯著性檢驗?？梢?，CMA-RA 所刻畫的季風槽特征與TC頻數的關系最密切。

2.4.2 與TC活動強度的關系

從季風槽各特征指數與影響南海、海南島TC活動強度的相關關系可以看出（見表4），南海TC 活動強度主要與西北太平洋季風槽、西段槽的強度呈顯著的正相關關系；影響海南島防區的TC 活動強度與整個南海-西北太平洋季風槽強度、東伸點也呈顯著的正相關關系，其中與西北太平洋季風槽強度的關系最密切。當西北太平洋季風槽偏強時，槽區內對流層中、低層偏強的氣旋式相對渦度有利于該區域內TC的發展，對應地影響南海、海南島的TC活動強度往往偏強。研究也表明強季風槽型式下熱帶擾動的發展強度比弱季風槽更大[20]。

表4 不同資料7—10月南海-西北太平洋季風槽特征指數與影響南海和海南島TC活動強度關系的比較Tab.4 Comparisons of the characteristic indices of the South China Sea-Western North Pacific monsoon trough and TC activity intensity affecting the South China Sea，Hainan Island from July to October among different datasets

不同資料總體上都刻畫出與影響南海、海南島TC 活動強度密切相關的季風槽異常變化特征。ERA5 對季風槽強度與影響南海、海南島TC 活動強度正相關關系的刻畫較優；對于不同的影響區域，CMA-RA 與NCEP-I 對這種正相關關系的刻畫不同，NCEP-I 季風槽強度與南海TC 強度的關系較CMA-RA密切，而CMA-RA季風槽強度與影響海南島TC 強度的關系較NCEP-I 密切；ERA5 與CMARA 對季風槽東伸點與TC 活動強度關系的刻畫能力明顯高于NCEP-I。

3 結論

本文利用1981—2020 年CMA-STI 熱帶氣旋最佳路徑數據集、CMA-RA、ERA5 及NCEP-I 逐月大氣再分析資料，對比分析不同資料對南海-西北太平洋季風槽及其與南海TC 活動關系的表現能力，探討CMA-RA的應用效果。結論如下：

①不同資料都揭示了相似的南海-西北太平洋季風槽空間分布特征，南?！鞅碧窖笊峡沾嬖趲顨庑綔u旋場，南海和西北太平洋西段渦旋特征明顯，東段分布均勻。CMA-RA 和ERA5 對低層渦度場的描述差異較小，空間相關系數為0.86，RMSE 為0.38×10-5/s，它們的低層正渦度均較NCEP-I偏大。

②不同資料都表征出相似的季風槽年際變化特征。兩兩之間季風槽強度的時間相關系數幾乎都 超過0.92，強度呈CMA-RA>ERA5>NCEP-I 特征，對南海季風槽強度的刻畫差異最大；對東伸點演變特征的刻畫具有較高一致性，兩兩之間東伸點的時間相關系數大于0.95，CMA-RA 東伸點較ERA5 和NCEP-I 均偏西；對南北位置的刻畫一致性較差，CMA-RA與ERA5的差異較小，時間相關系數達0.86。不同資料之間反映出的南海季風槽強度、東伸點的差異呈減小的年代際變化特征。

③不同資料都刻畫出季風槽區對流層中、低層強輻合、高層強輻散的垂直結構。兩兩之間相對渦度沿5°～20°N 平均的經向-高度剖面的差值絕對值以小于0.3×10-5/s 為主，低層兩個正相對渦度高值區數值呈CMA-RA>ERA5>NCEP-I 的特征；相對渦度沿105°～160°E 平均的緯向-高度剖面差異以CMA-RA與ERA5最小、CMA-RA與NCEP-I最大。

④不同資料基本刻畫出不同區域季風槽強度、東伸點與影響南海、海南島TC 活動的關系。CMARA 對季風槽與TC 頻數關系的刻畫最密切，ERA5次之；ERA5 對季風槽強度與TC 活動強度關系的刻畫最優，ERA5與CMA-RA對季風槽東伸點與TC活動強度關系的刻畫明顯優于NCEP-I。

總體上，CMA-RA 較好地表征出季風槽的特征及其與南海TC活動的關系，具有與ERA5和NCEPI 相當的表現能力，并且與ERA5 一致性高，可為相關工作提供可替換的、高質量的大氣再分析數據集。下一步有必要對不同資料之間季風槽差異的年代際變化特征及其可能原因進行全面、深入的分析。