厄尔Niño期间亚热带中北太平洋对热带气旋成因的意外限制

热带气旋(tc)的形成需要来自温暖海洋的能量¹作为必要条件之一，尽管控制TC频率的完整动力学仍然是一个持久的谜²．由于全球变暖，热带太平洋上空的海洋表面温度(SSTs)明显变暖^3.尽管在热带深处东西梯度的命运还存在争议^4，5．有人提出，由于纬向海温梯度的减小，东风信风有减弱的趋势⁶，倾向于热带太平洋的El Niño-like模式^{7，8，9，10}．然而，在21世纪的第一个十年中，东西向海温梯度和信风增强导致了所谓的“中断”，对相反的长期趋势发生了许多争论。¹¹．“间歇期”被宣布大约在2011年结束，导致El Niño-like模式变暖¹²．因此，考察El Niño-Southern振荡(ENSO)的两个相El Niño和La Niña在TC成因上的对比，可以为进一步认识全球变暖条件下的TC成因提供借鉴。

ENSO作为自然气候变率的主要模式，影响着全球的天气和气候¹³．在El Niño (La Niña)期间，由于SST、地表风和温跃层的耦合作用，在热带太平洋东部和中部出现暖(冷)海温异常^{14，15，16，17}．ENSO可以调节tc的数量^18，19通过调节海洋和大气状态。在厄尔尼诺Niño期间，西太平洋暖池显著向东扩张^20.．然而，在热带北太平洋西部产生的tc总数在El Niño和La Niña之间没有显著差异(图2)。1)，与El Niño的类型无关^21，22．除海表温度外，海底热含量^23，24也被认为是对TC起源有潜在影响的²⁵．特别是上层海洋的热含量，通常用26°C等温线表示，决定了支持TC演化的有效能量。灰色的²⁶将“海洋热能”列为TC形成的六个关键参数之一。

本文通过对比El Niño和La Niña，探讨了地下海洋作用对TC成因的影响。在El Niño期间，由于地表风异常，Ekman泵送使26°C等温线深度浅滩，降低了上层海洋的热量含量。因此，当El Niño发生时，地下海洋过程通过减少热带中北太平洋的温水量改变了TC形成的有利环境，即使sst似乎变得有利，因此在TC形成中发挥了重要作用。我们的研究结果表明，如果没有来自海洋地下的抵消作用，预计TC频率将增加更多，而由于地下效应，增加较少。

海洋地下对TC成因的影响

tc的热力学被理想地建模为卡诺热机，运行在温暖的储层(海洋)和寒冷的储层(对流层)之间。^1，27．因此，广泛应用的成因势指标^28，29依赖于一个海洋变量，即海温。为了考虑海洋潜热的可能贡献，量化海洋潜热的影响，建立了TC成因潜力指数(以下简称GPI)_海洋)，建议在北太平洋西部的战区部署^30.,也就是说,

在哪里\({\埃塔}_ {1000}\)为1000hpa处的绝对涡度;\ ({T} \ \酒吧)为上层混合层的平均温度，下层混合层为参考深度5 m温度下降0.2°C的深度³¹；F是海面的净长波辐射;(\ D {} _ {26} \)为26℃等温线深度;\ (f, g, h,我\)都是常数系数;而且p是一个系数，使GPI的最佳拟合_海洋观察。TC数和的依赖关系(\ D {} _ {26} \)见补充图。S1与观察。强烈的垂直风切变通常不利于TC的发生。然而，它通常弱于10米s⁻¹在西北太平洋的大部分地区³²因此通常不足以阻止TC的发生。确实，垂直风切变被测试，但GPI_海洋不像上面列出的因素那样对它敏感，并且没有保留在GPI中_海洋计算。GPI的适用性_海洋对北太平洋西部tc的其他GPIs公式的不同之处在于，海洋热含量以26°C等温线深度明确表示，这便于我们研究中的定量分析。

用GPI估算台风高峰期(7 - 10月)的热带气旋成因数_海洋如图所示。2 a - c，与美国联合台风预警中心(JTWC;见图。2 d-f)．包括观察和GPI_海洋结果表明，在La Niña期间90%以上的TC起源于160°E以西，而在El Niño期间TC起源地点向东延伸到170°E左右，尽管在热带西太平洋地区TC的总数与此相似。GPI的性能_海洋与(28)和(29)定义的GPIs一致，如补充图所示。S2．GPI的总变化_海洋（\ \(三角形{{{{{rm \ {GPI}}}}}} \))在El Niño和La Niña之间，可分解为各变量的贡献如下:

GPI的部分依赖性_海洋在每个变量(例如，\ \(压裂{\部分{{{{{rm \ {GPI}}}}}}}{\部分{D} _ {26}} \))是根据所有变量的气候学计算的。每个变量的变化(例如，\三角洲(\ D {} _ {26} \))表示El Niño和La Niña的差值。的相对重要性\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)，两者都表示海洋性质，可以通过比较来估计\(\压裂{\部分{{{{{rm \ {GPI}}}}}}} {{T} \部分\酒吧}\子弹\三角形\酒吧{T} \)而且\ \(压裂{\部分{{{{{rm \ {GPI}}}}}}}{\部分{D} _{26}} \子弹\三角形{D} _ {26} \)．这种方法本质上与(19)中应用的方法相同，在这种方法中，一次只有一个因素变化，而所有其他变量都保持其气候学。

如图所示。3 a, b，位于热带西北太平洋(虚线框内5°N - 20°N和130°E - 160°E)\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)由于偏东信风减弱和暖水向东扩张，在厄尔Niño期间是否存在负异常³³．在热带太平洋中北部(5°N - 20°N和160°E-170°W之间的实方框)，已经有很好的记录和理解\ ({T} \ \酒吧)在El Niño期间比La Niña期间更热(图2)。3)．然而,负(\ D {} _ {26} \)在正面的下方，异常现象很明显\ ({T} \ \酒吧)在El Niño期间的实盒异常。这样的模式\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)也可以在BOA_Argo数据中看到(补充图。S3)．这四个变量被纳入GPI_海洋(Eq。1)对GPI的总变化有相应的贡献_海洋．在El Niño期间，\({\埃塔}_ {1000}\)而且\ \ (F)异常倾向于增加整个热带太平洋的TC发生(补充图。S4)．在热带西北太平洋(图中虚线框)。3.),冷\ ({T} \ \酒吧)和浅(\ D {} _ {26} \)在El Niño期间，异常共同推动了TC成因的适度减少。相反，在热带中北太平洋，所有变量的异常都有利于TC发生的增加，除了(\ D {} _ {26} \)．根据GPI_海洋，热带中北部太平洋每月产生的tc多0.15个(在99%置信水平上具有统计学意义)(图中实框)。3.)在El Niño相对于La Niña。如果(\ D {} _ {26} \)根据其气候学，厄尔Niño期间热带中北太平洋每月将产生0.19个TC(在99%置信水平上也显著)，TC成因增加了27%。结论有效(补充图。S5)，即使El Niño事件被进一步划分为中太平洋(CP)和东太平洋(EP)类型^5，34．

负相关D₂₆中北太平洋海温

众所周知，温跃层，传统上近似为20°C等温线³⁵，与sst呈正相关³⁶．正相关也适用于(\ D {} _ {26} \)，由于西太平洋暖水的积聚(消散)加深了(浅滩)26°C的等温线深度(也被视为海平面高度的变化)。这在热带西北太平洋得到了证实(图中虚线框)。4)，其中为区域均值之间的相关系数\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)为0.68(图;4 b；在99%置信水平上显著)。许多开创性的研究都使用了这种正相关性^16，36并作为ENSO研究的基本动力学范式。此外，二者呈正相关(\ D {} _ {26} \)海表温度保证了海表温度与上层热量呈正相关(\({c}_{p}\rho {\int}_{{D}_{26}}^{0}{Tdz}\)在哪里p c \ ({} _ {} \)是海水的热容，ρ\ (\ \)是海水的密度，\ \ (T)为海水的位温;无花果。4 d)．然而，在热带太平洋中北部(图中实方框)。4)，这种情况与上文所述的经典理解不同。\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)负相关显著，相关系数为−0.40(图;4摄氏度)．在El Niño期间，(\ D {} _ {26} \)随着海表温度的增加，浅滩逐渐增加。前者有利于降低热容，而后者有利于增加热容。由于这些相互冲突的影响，上层热含量和海表温度异常之间的关系在统计上变得不显著。4 e)．因此，热量含量的降低也较浅(\ D {} _ {26} \)在热带中太平洋造成了对TC成因的意外限制，这表明海温和地下热含量在共同调节TC成因方面存在微妙而相互竞争的控制。

海表温度异常与26°C等温线深度之间存在着传统的正相关关系，这是由海洋中第一个斜压模式动态建立的³⁷．然而，热带中北太平洋(图中实方框)。4)是一个例外。由于地表风应力旋度异常导致的Ekman抽吸在变化中占主导地位(\ D {} _ {26} \)．在厄尔Niño期间，热带深处明显的西风异常在经向上减弱(大约从5°N到15°N;图中的箭头。5)．因此，地表风应力旋度在整个热带西北和中北太平洋具有气旋性异常(图中阴影部分)。5)．由此产生的Ekman吸力如图所示。5 b．同样的结论也适用于La Niña，但方向相反，即反气旋风应力旋度导致更深(\ D {} _ {26} \)横跨热带西北和太平洋中北部由风应力旋度引起的空间平均艾克曼上升流速度与风速呈显著负相关(\ D {} _ {26} \)均有统计学意义，如图所示。5 c, d．这种风应力旋度异常与北太平洋副热带高压(NPSH;补充图。S6)，即在厄尔Niño期间，北太平洋日蚀线减弱³⁸导致热带东风松弛，加强热带气旋风应力旋度异常。

之间的正相关\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)西北太平洋热带地区的厄尔尼诺现象符合ENSO理论。然而，在热带太平洋中北部，\ ({T} \ \酒吧)由于东风的减弱和随之而来的太平洋暖池的扩大。与此同时,(\ D {} _ {26} \)在厄尔Niño期间发生在北太平洋副高上空的气旋应力旋度与异常埃克曼吸力有关。因此,\ ({T} \ \酒吧)而且(\ D {} _ {26} \)在热带中北太平洋呈显著负相关。GPI偏移量为(\ D {} _ {26} \)不应忽视在热带中太平洋地区形成的热带气旋，因为在热带中太平洋地区形成的气旋在登陆前会经过更长的距离，因此有可能达到更高的强度和更大的破坏性影响¹⁸．这些结论也得到了来自高分辨率模型对比项目(HighResMIP;补充表S2图S7一个）³⁹．

应该强调的是，没有证据表明不同的ENSO类型在这些过程中存在差异⁴⁰．总体而言，尽管在厄尔Niño期间，西太平洋暖池由于浅滩而向东扩张(\ D {} _ {26} \)热带中北太平洋海表温度与热含量的反相关行为表明，单靠海表温度，TC成因数量并没有预期的增加。我们的研究结果强调了全球变暖下TC成因的复杂性，特别是因为许多气候模型预测了全球变暖下的El Niño-like模式^3.．因此，全球变暖条件下的TC成因必须综合考虑海洋次表层(垂直结构变化)和海表温度变化。ENSO对TC成因的影响提供了一个极好的模拟，并为可能取消对GPI的动态和热力学影响提供了一个警示。

这里需要说明的是，有一些不确定因素有望通过进一步分析消除。例如，主要结果在数量上依赖于GPI的形式(补充图。S7而且S8)，虽然结论仍然有效。我们的结果也不排除强台风(3级及以上)数量增加的可能性，因为El Niño期间的累积气旋能量(ACE)超过了La Niña期间(补充图)。S9)，更多的tc可以有更长的寿命在温暖的海洋上生长⁴¹他出生在太平洋中部的热带地区然而，考虑海温和海洋热含量对TC成因的综合影响的必要性再怎么强调也不为过，特别是在一个变暖的世界里。

数据

TC成因数据来自美国联合台风预警中心(JTWC)开发的最佳轨迹数据集。在本研究中，当最大持续风速首次达到34节时产生一个TC。本研究考虑了在北太平洋上产生的向西移动并威胁东亚的tc。

对于海洋变量，每月海洋温度来自全球海洋数据同化系统(GODAS)的数据产品⁴²由国家环境预测中心(NCEP)开发。水平分辨率为1/3°纬度× 1°经度。简单海洋数据同化(SODA)第三版再分析产品⁴³以及每月扩展重建SST (erst)版本5数据集⁴⁴也有使用。SODA再分析和erst的结果与GODAS的结果在性质上是一致的。此外，从Argo观测，即BOA_Argo⁴⁵用于验证从分析和再分析产品得到的结果。

对于大气变量，风速、比湿度、空气温度和地表热通量来自国家环境预测中心-国家大气研究中心(NCEP/NCAR)每月再分析I产品⁴⁶分辨率为2.5°纬度× 2.5°经度。NCEP-DOE再分析II产品⁴⁷ERA5再分析⁴⁸同时应用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的产品。

El Niño和La Niña的定义

海洋Niño指数⁴⁹(ONI)定义El Niño和La Niña。它是根据Niño 3.4区域(5°S-5°N和120°W-170°W)的月海温异常，经过3个月的运行平均值计算得出的。当月度ONI至少连续5个月高于(低于)0.5°C(−0.5°C)时，定义El Niño (La Niña)事件。台风高峰期是7月到10月。在El Niño和La Niña事件的旺季的所有月份都列在表中S1．

CP-和ep -型El的定义Niños

根据El Niño的定义，当最大海温异常发生在150°W东(西)时，将El Niño事件定义为EP (CP) El Niño。CP型和ep型El Niño在旺季的月份分类在补充表中S1．

TC成因潜力指数(GPI)

GPI是TC动态性质的统计代理。它已被广泛用于量化各种物理驱动器对tc的影响^{50，51，52，53}．虽然GPI是经验的，而不是基于动力学和物理约束，但它捕获了tc过程中固有的动力学约束，并且往往优于动力学方法^54，55，56．本研究结论对GPI的具体形式不敏感_海洋．特别是另一个GPI_{atm_ocean}式中提出。4(30)，通过(\ D {} _ {26} \)以及其他大气和海洋变量。附图S8显示了(\ D {} _ {26} \)使用GPI对TC起源进行分析_{atm_ocean}，与图定性一致。3 d，尽管在数量上存在一些差异。GPI之间的定量差异_海洋和谷歌价格指数_{atm_ocean}可以用HighResMIP输出重现，也可以从中得出相同的结论(补充图。S7)．

埃克曼抽吸/

埃克曼抽吸计算公式为

在哪里ρ\ (\ \)为海水密度;\ ({M} _ {x} \)而且\ ({M} _ {y} \)分别为纬向和经向Ekman质量输运;\({\τ}_ {x} \)而且\({\τ}_ {y} \)分别为纬向和经向10 m风应力;而且\ \ (f)为科里奥利参数。