本帖最后由 2184 于 2026-2-1 00:10 编辑
大西洋遥控北太平洋台风向亚洲高纬城市移动
近期，浙江大学师生揭示了一个在之前未被充分重视的机制，即新兴内部气候振荡对台风风险向高纬度增强的显著影响，提出了一个“非常熟悉但陌生”的气候振荡现象，将其称为Tropical-leaning Atlantic Oscillation（TAO）。
随着气候变暖，尤其是在未来气候情景预计的普遍性下，台风活动在高纬度地区变得比以往更强烈且频繁，西北太平洋台风向极地迁移对东亚高纬度沿海城市构成日益加剧的威胁。评估气候变化对近岸台风活动的影响正成为重要的研究领域。然而，台风气候的早期预测仍是长期存在的科学难题，台风路径变化的季节尺度可预测性及其背后的内部潜在驱动机制仍不清楚。
北太平洋和大西洋气候变化对台风活动的影响也得到了强调。例如，西北太平洋（WNP）热带气旋（TC）活动的年代际变化可以归因于大西洋年代际振荡（AMO），年代际太平洋振荡（IPO）和/或太平洋年代际振荡（PDO）。而大气内部气候振荡的变化对台风活动变化的影响往往被忽视。西北太平洋热带气旋的极移表现出明显的季节性，这与季末和旺季热带气旋对较强的太平洋沃克环流的不同反应有关。虽然近期西太平洋台风在高峰期（7月至9月）的迁移趋势很好地归因于温室气体排放增加和太平洋巨型厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）强迫导致的副热带海温变暖，但西太平洋台风活动可能对显著的内部自然气候振荡（如北太平洋涛动（NPO），北大西洋涛动（NAO）和北方环状模（NAM）的变化做出更强烈的反应。由于这种气候变率往往会影响热带和热带外SST模态的季节演变，进而调制后期大气环流，从而间接影响台风活动。
图1 TAO对西北太平洋台风的影响示意图
春季（3月至5月；MAM）期间，TAO削弱了副热带东北太平洋的信风，导致局部海表水温（SST）升高，并通过季节性足迹机制引发后续（如4月至6月；AMJ）的太平洋子午向模式（PMM）发展。与此同时，TAO增强了热带北大西洋（TNA）的信风，导致海表水温冷却，并通过局部海气耦合持续至夏季（7月至9月；JAS）。TNA的冷异常海表水温可持续诱导其西侧形成罗斯贝波反气旋，从而进一步促进PMM发展。大西洋-东太平洋罗斯比波反气旋已被证实通过太平洋对流直接促进西北太平洋气旋形成，这一现象可由太平洋-大西洋副热带振荡（PASO）解释。因此，西北太平洋存在低层气旋与高层反气旋时，将导致热带对流层顶槽（TUTT）和季风槽（MT）向东偏移（正TAO为实线，负TAO为虚线），促使西北太平洋东部（西部）台风生成频率增加（减少）。这种改变后的引导气流有利于（抑制）台风向东亚更高（更低）纬度移动。
研究人员发现，东亚台风活动在旺季的极向迁移模式与前期春季（3 - 5月）的气候振荡密切相关，这种气候振荡表现为低纬北大西洋与高纬哈德逊湾-戴维斯海峡之间的气压跷跷板。这一振荡的南部位于热带北大西洋，与经典的热带外NAO有很大的不同，因此，称之为Tropical-leaning Atlantic Oscillation（TAO）。需要强调的是，（1）由于经典NAO的巨大名气和广泛的气候影响，它悄悄地屏蔽了其他热带-外热带大气振荡；（2）TAO只出现在寒冷的季节；（3）北大西洋涛动最强时，但在北大西洋涛动相对较弱的暖季显著减弱，一旦NAO信号被去除，海平面气压（SLP）的跨纬度相关可以直接捕获以前被忽略的TAO信号。这些可能是TAO没有被更早识别的原因。NAO模态经常扩展到东半球的地中海地区。相比之下，TAO的南部可以扩展到热带深处，整个TAO模式位于西半球，更接近热带太平洋。正是由于这一显著的空间特征，TAO更能诱发热带海温气候异常，从而对次年夏季台风活动产生显著的调制作用。
统计结果表明，春季TAO对1979-2023年7-9月台风路径变化的主导偶极子模态方差的解释率为56%，具有提前4个月预报台风路径的能力春季TAO的特征是热带北大西洋和哈德逊湾-戴维斯海峡之间的海平面气压起伏，这与北美-大西洋副热带急流的纬向移动有关。它产生跨季节的北太平洋表层海水温度异常，从而触发西北太平洋气旋转向风，在7月至9月期间吸引（阻碍）台风前往东亚高纬度（低纬度）城市。气候模型预测正TAO事件的频率越来越高。随着气候变暖，这可能有助于台风活动向东亚高纬度城市的极向迁移，但由于模拟热带表面海水温度模式的模型偏差，仍然存在不确定性。研究结果强调了一个被忽视的影响，一个新兴的内部气候振荡的增强台风的风险向高纬度地区。
TAO模态可以为深入研究东亚台风的极向迁移提供一个新的视角，同时也为理解跨洋相互作用提供了新的思路。
图2 TAO的空间模式及其动力学特征
a 1979–2023年期间西经25°–105°范围内纬向平均海平面气压（SLP）异常的纬向相关性。红色与蓝色圆圈分别标示与TAO及北大西洋振荡（NAO）相关的区域。注：NAO指数经线性回归处理后去除。b 春季SLP与同期TAO指数的皮尔逊相关模式。矩形区域定义TAO指数，其依据为(25°W–105°W, 15°N–35°N)与(45°W–95°W, 55°N–65°N)两区域间SLP差值。百分比值表示图示区域内面积加权的解释方差。c 200百帕纬向风（U风）与TAO指数的相关模式。矩形区域定义了喷射流纬向位移指数。蓝色等值线为200百帕纬向风速（m/s）的年平均分布。粗红实线（虚线）分别显示正（负）喷射指数年份的喷射轴。d 40°W–90°W区间内平均的垂直气泡（矢量）、垂直速度（阴影）及水平散度（正/负值对应红/黑等值线；间隔0.5×10⁻⁷ s⁻¹）。蓝色等值线为喷射流气候学特征（间隔4 m s−1，起始值20 m s−1）。e 200 hPa波活动通量（WAF；矢量）及其散度（红色/黑色等值线分别表示正/负值；间隔1×10−7 m s−2）。阴影区域为地势高度与TAO指数的相关性分布。f WAF的垂直单元（矢量）、垂直分量（阴影）及水平散度（红色实线表示正值，蓝色虚线表示负值；间隔为0.5×10⁻⁷ m s⁻¹）在西经40°–90°区域的平均分布。
一、春季TAO使台风活动趋向亚洲高纬
由于TAO的位置较接近热带，推测它可能会导致更显著的热带气候异常，因此与WNP台风的关系更为显著。在1979-2023年期间，TAO在预测东亚高纬度城市的WNP台风活动方面显示出相当大的潜力（图3a）。如图3b所示，台风异常路径偶极子（TTD），被认为是亚太台风路径密度的主导模态，可以被前一个春季TAO有效地捕获。该研究排除了三个极端厄尔尼诺年（1982年，1997年和2015年），因此，TAO-TTD关系在很大程度上几乎独立于ENSO。 由于TAO和ENSO之间的关系并不显著。测试并发现，即使在排除所有ENSO年的情况下，TAO-TTD关系仍然保持稳健。因此，跨季节的TAO-TTD联系通常独立于ENSO信号。此外，还可以通过将春季SLP异常回归到TTD指数上来获得TAO模式。因此，TAO指数与TTD指数表现出很强的相关系数（R= 0.75，p0.01），大大超过了热带以外的NAO（图2）。
如图3c所示，正TAO值可提前4个月预测东亚高纬度城市（如东京、大阪、鹿儿岛、首尔、青岛和上海）台风发生频率（以路径密度衡量）及破坏力（以累积气旋能量）高于正常水平； 同时，东亚低纬度城市（如香港、马尼拉、海口）的台风破坏力低于正常水平的趋势亦可被预见。进一步测量各区域箱体中台风频率对TAO异常值的响应（见图3b中柱状图）。TAO指数每标准差变化对应东亚北部台风频率增加1.0±0.45次/年（见红色区域），东亚南部台风频率减少0.65±0.45次/年（见蓝色区域）。经网格面积归一化后，两区域台风频率变化幅度相当：南部网格每百万平方公里台风频率变化约为0.46次/年，北部网格则为0.41次/年。
图3 春季TAO对夏季亚太地区台风活动的影响。
a 1979–2023年台风季峰值台风路径密度双极性分布（TTD）与春季热带大气振荡（TAO，红色）及温带北大西洋振荡（NAO，蓝色）的散点图。图中标注了TAO/NAO与TTD之间的相关系数（R）。直线为线性最小二乘拟合。b 飓风高峰期路径密度对TAO指数（阴影区）与TTD指数（等值线）的回归分析。右上角柱状图为进入东北亚（NEA，红框）与东南亚（SEA，蓝框）飓风频率对TAO指数的回归结果，误差条表示95%置信区间。c 针对东北亚（b图红框）与东南亚（b图蓝框）区域及九大城市（b图标注）的春季TAO指数，对当地台风峰值季节路径密度（蓝色）与累积气旋能量（ACE；红色）进行回归分析。误差条为95%置信区间。实心（空心）圆点表示通过99%（95%）置信水平检验。图中排除了三个极端厄尔尼诺年份（1982年、1997年和2015年）。
二、TAO跨季节、跨海区影响机制
TAO在TTD类台风活动预测中的作用机制可以解释如下。 一方面，春季TAO可以通过与TAO相关的反气旋性急流间接促进随后的太平洋经向模态（PMM）SST异常。由于这种反气旋性的东风可以减弱亚热带东北太平洋的当地信风，从而主要由风-蒸发-SST反馈机制引起的最终暖SST通过季节足迹机制促进PMM的发展。——另一方面，TAO也能引起北大西洋三极海温异常。特别地，热带北大西洋（TNA）上空与TAO相关的异常东北风可以增强信风，使那里的SST变冷。这种寒冷的SST可以通过Gill型Rossby波响应进一步加强东太平洋-北大西洋的反气旋。因此，这种寒冷的SST可以持续到下一个夏天，并进一步促进PMM的发展。通过一个Gill型Rossby波响应，其西侧有一个反气旋。Ham等人论证了TNA SST到PMM的物理过程。通过观察和数值实验。然而，TAO对TTD的影响要比TNA SST的影响显著得多。只有北上的台风发生显著变化。这可能是因为TAO不仅通过后期季节持续的TNA SST异常影响太平洋气候，但也直接触发了PMM的早期原型的形成，通过南部的反气旋环流的TAO在春季。
由于TAO促进的夏季热带SST变化，在WNP上可以引起显著的大气响应，特别是低层WNP气旋性环流异常。此外，与TAO相关的正PMM可以促进副热带北太平洋上空的活跃对流，诱导Rossby波气旋在WNP。低层WNP气旋性环流也可以被识别为太平洋-大西洋副热带振荡（PASO）的WNP分支，由夏季TNA SST异常通过诱导副热带Walker-cell变化和太平洋对流响应驱动，这进一步促进了WNP气旋。相应地，西太平洋季风槽（MT）增强，热带对流层高空槽（TUTT）减弱，南亚高压增强，这些都是一致东移的。总体而言，这些过程有利于台风生成的东移并加强亚太台风路径的TTD模式。进一步证实了TAO相关SST异常与TUTT和MT纬向移动的关系NAT和PMM SST模式可以部分地对TUTT和MT的经度变化做出贡献，因为它们的相关性很重要。
由于南亚高压的加强和东移，在西北太平洋洋面的西部，可诱发强烈的下沉运动，对台风的生成起抑制作用。WNP MT和TUTT的东移可以通过改变台风生成条件来驱动台风生成的有利条件东移。这些环境对台风生成的调制可以用生成潜力指数（GPI）来描述，它显示了一个纬向偶极子（图中的阴影）这表明西北太平洋中东部台风生成较多，西南部台风生成较少。为了显示热力学和动力学因素在GPI分析中的相对重要性，应用线性分解。计算每个变量的贡献，然后获得东部和西部地区的区域平均值，负GPI异常。西北太平洋东部GPI的增加主要是由于中层相对湿度的增加，其次是低层涡度的增加，上升运动和位势强度的增加。垂直风切变对GPI的变化没有显著影响相比之下，西北太平洋西部的GPI下降主要是由垂直风切变增加造成的。
此外，台风生成后的路径是由大气环流的导向作用形成的。在正TAO年，一个强的异常气旋性环流在夏季主导着东亚-太平洋地区，其特征是在北部有东向转向的西风急流，在南部有西向转向的西风急流。高纬东风转向西风急流有利于台风西北移动，低纬西风转向西风急流则阻碍台风西行。因此，在台风活动的高峰期，更多（更少）的台风移向东亚高纬度（低纬度）城市。我们还量化了纬向转向气流的变化（图4f），假定转向气流变化的横向分量可以忽略不计。北部和南部地区（如图所示4c）有明显变化，对台风移动有重要的导向我们在剔除线性趋势后，进一步研究上述结果，发现TAO与TTD之间的关系仍然稳健，相关的大气和海洋过程也很重要，表明TAO模态及其气候异常不是全球变暖趋势的信号，而是气候内部变率的信号。
图4 TAO对台风生成与路径的调制作用
太平洋（大西洋）阴影图展示了1979至2023年间7月至9月海表水温（SST）与同期太平洋经向模式（PMM）指数（即4月至6月北大西洋三极模式指数NAT）的关联模式。流线为回归后的850百帕水平风在PMM+NAT指数上的投影。图示三种大气系统：季风槽（MT；以850百帕处3×10⁻⁶ s⁻¹的相对涡度表示）、热带对流层顶槽 （TUTT；以200百帕处12,420加仑每分钟的位势高度表示）和南亚高压（SAH；以200百帕处12,500加仑每分钟的位势高度表示）。实线（虚线）等值线为气候学值加上（减去）对PMM＋NAT指数的双重回归值。b 峰值季节生成潜能指数（GPI；阴影）与台风生成密度（等值线；10−1年−1）对春季TAO指数的回归分析。c 峰值季节700百帕位势高度（阴影）与引导气流（矢量；p<0.05）对春季TAO指数的回归分析。斜线表示通过95%置信水平检验。区域平均GPI诊断见d框1和e框2（b图中轮廓区域）。柱状图显示GPI异常值及各项贡献，误差条表示95%置信区间。"Sum"表示VWS项、Vor项、Omega项、RH项和Vpot项之和。f 纬向引导气流异常分布（框3和框4，轮廓见c）与春季TAO指数的回归关系。
三、TAO事件预计增加
使用CMIP6-MME和共享社会经济途径5-8.5（SSP 585）情景实验，进一步探讨未来的变化在TAO。如图6a所示，CMIP 6模型通常预测21世纪（每100年23.96 ± 3.28个事件）的正TAO事件与20世纪（每100年17.19 ± 1.85个事件）相比增加（约39.4%）。正TAO事件的增加在21世纪末最为明显，每100年超过20起事件。此外，26个CMIP6模式中有7个甚至可以捕捉到WNP异常气旋与前一个春季TAO之间加强的跨季节联系，进一步表明随着气候变暖，TAO对台风路径的潜在影响。此外，未来的人为变暖将使高纬度人口密集的沿海地区附近的台风运动减速，这是由于副热带西风带的极移，这可能导致台风影响的时间更长。随着强度和降雨量的增加，这可能会加剧未来与台风有关的损失。根据现有研究结果，TAO正相位事件的预期增加可能导致引导气流模式增强，从而促进台风路径向极地迁移。这种环流变化意味着未来东亚高纬度城市可能面临更严重的台风威胁及相关经济损失。因此，我们在此大胆推断：在变暖的未来，TAO引发的台风活动向极地迁移现象，将随着本世纪的推进，加剧东亚高纬度城市面临的台风社会风险。然而，在全球气候变暖的背景下，台风活动和热带海温场都在不断演变，不确定性总是不可避免的存在。
图5 预测亚太地区台风活动
a 标准化观测台风路径偶极子（TTD）时间序列（蓝色柱状图）与预测TTD（红色曲线）。预测数据分为训练期（1979–2014；蓝色阴影区）和验证期（2016–2023；红色阴影区）。标注了观测值与预测值的相关性及显著性水平，同时给出两个时段的均方根误差（RMSE）。b–d 1979–2023年间台风路径密度与不同预测因子（详见"方法"部分）预测序列的相关模式： 使用热带倾向大西洋振荡（TAO）、北大西洋振荡（NAO）、北环状模态（NAM）、北太平洋振荡（NPO）及海冰浓度（SIC）的模型（b）；仅TAO模型（c）；仅TAO且排除NAO信号的模型（d）；仅NAO且排除TAO信号的模型（e）。斜线表示相关性通过95%置信水平检验。图中标注了TTD指数与对应预测模型的R²值。
图6 CMIP6多成员集合中的TAO
在耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）历史数据与共享社会经济路径5-8.5（SSP585）模型中，1900–1999年（蓝色柱状图）与2000–2099年（红色柱状图）正TAO数值（百年事件频率）的对比。多成员集合（MME）以阴影背景显示，误差条表示95%置信区间。水平虚线标示当前观测水平。圆内十字标记未模拟正TAO事件数增长的模型。b 1900–2099年间CMIP6海平面气压（SLP）中TAO的空间相关模式。c CMIP6历史（蓝色）与SSP585（红色）集合中，以60年滑动窗口诊断的正TAO事件发生率（每百年）演变。阴影区域为95%置信区间。
参考文献
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发表于 2026-1-31 22:56
