1953—2022年南海地區(qū)強(qiáng)熱帶氣旋破壞力的時空分布特征和成因

摘要 為認(rèn)識南海地區(qū)（105°～120°E，3°～25°N）強(qiáng)熱帶氣旋（severe tropical cyclone，STC；達(dá)到臺風(fēng)及以上等級的熱帶氣旋）各種目標(biāo)破壞力的時空分布特征，利用中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集，計算南海地區(qū)熱帶氣旋強(qiáng)度達(dá)到STC等級時段內(nèi)的能量耗散指數(shù)（power dissipation index，PDI），并將其分配到空間不同位置，進(jìn)而對1953—2022年STC引發(fā)南海地區(qū)破壞力的時空分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）STC對南海地區(qū)破壞力的空間分布呈東北高、西南及南部低的特征，其中東沙群島附近海域（116°～120°E，17°～21°N）是PDI最高的區(qū)域，以此為中心，PDI向西、向南呈輻射狀遞減的趨勢。（2）STC對南海地區(qū)破壞力較高區(qū)域的空間分布范圍隨時間的變化呈先擴(kuò)大后縮小再擴(kuò)大的趨勢。（3）STC對南海地區(qū)不同緯度破壞力的時間變化呈先增大后減小再增大的趨勢，而不同時期STC破壞力呈隨緯度降低先增大后減小的趨勢，其重心則呈總體南移的趨勢。進(jìn)一步分析認(rèn)為，途經(jīng)南海地區(qū)的西太平洋STC數(shù)量和持續(xù)時間的變化是導(dǎo)致南海地區(qū)STC破壞力時空分布特征發(fā)生變化的主要因素。

關(guān)鍵詞 南海；臺風(fēng)；能量耗散指數(shù)（PDI）；破壞力；時空分布

中圖分類號： P732.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 20963599（2025）01007911

DOI：10.19513/j.cnki.hyqxxb.20240107001

Abstract To understand the spatiotemporal distribution characteristics of the destructive forces of the severe tropical cyclones （STCs; tropical cyclones with intensities equal to or higher than typhoon） to various targets in the South China Sea （SCS; 105°-120°E， 3°-25°N）， the China Meteorological Administration （CMA） Tropical Cyclone Best Track Dataset is used to calculate the power dissipation indices （PDIs） of the tropical cyclones reaching the level of STC. Thereafter， the PDIs are assigned to different spatial locations to analyze the spatiotemporal distribution characteristics of the STCs’ destructive forces in the SCS from 1953 to 2022. The results are listed below. （1） The STCs’ destructive forces in the SCS exhibit high values in the northeastern part and low values in the southwestern and southern parts. That is， the waters around the Dongsha Islands （116°-120°E， 17°-21°N） have the highest PDI， and as it is far away from the Dongsha Islands， the PDI decreases towards the west and the south. （2） The spatial extent of highdestructiveforce areas first expands， then narrows， and expands again over the time. （3） The temporal variation of the STCs’ destructive forces at different latitudes shows an increasing-decreasing-increasing trend， while the forces in different periods first increase and then decrease from north to south. Moreover， the centroids of the PDIs are generally seen moving southward. Further analysis indicates that the changes in the numbers and duration of the STCs， which are produced in the western Pacific and then enter the SCS， are the most important factor for the spatiotemporal variations of the STCs’ destructive forces in the SCS.

Keywords the South China Sea; typhoon; power dissipation index （PDI）; destructive force; spatiotemporal distribution

引言

南海（the South China Sea，SCS）是西北太平洋熱帶氣旋（tropical cyclone，TC）最頻繁經(jīng)過的地區(qū)之一，也是TC生成和發(fā)生的重要區(qū)域［1］。TC在形成—移動—消亡過程中，往往伴隨著強(qiáng)烈的自然災(zāi)害，如狂風(fēng)、暴雨、巨浪和風(fēng)暴潮等［2］。這些災(zāi)害不僅會引起海岸水動力、地形地貌以及生態(tài)系統(tǒng)的劇烈變化［3］，還會威脅到人民的生命安全并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［4］。此外，TC引發(fā)的海浪可對海洋上遠(yuǎn)距離的島礁造成極高的破壞［5］。

隨著全球氣候變暖趨勢加劇，南海地區(qū)TC的強(qiáng)度和頻率也在不斷增強(qiáng)，其造成的災(zāi)害頻率也具有顯著增多的趨勢［6］。這不僅會對南海地區(qū)的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成很大威脅，而且還會導(dǎo)致南海地區(qū)島礁上的軍事、漁政設(shè)施以及礁區(qū)內(nèi)的漁業(yè)活動面臨很大的風(fēng)險。因此，厘清TC對南海地區(qū)破壞力的時間變化和空間分布特征，有助于對高風(fēng)險區(qū)域的識別與預(yù)測，從而有針對性地進(jìn)行防護(hù)工程的建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)策略的制定。

TC的頻率和強(qiáng)度是衡量其活動特征的重要指標(biāo)，但兩者都不能夠較為全面地反映出TC潛在的破壞性威脅［7］。例如，Landsea等［8］發(fā)現(xiàn)，1944—1995年，北大西洋TC的強(qiáng)度總體減弱，其中強(qiáng)颶風(fēng)頻數(shù)減少，但北大西洋TC所造成的經(jīng)濟(jì)損失卻有所增加。鑒于此，Emanuel［7］綜合考慮TC的頻數(shù)、強(qiáng)度和持續(xù)時間等因素，提出了能量耗散指數(shù)（power dissipation index，PDI），以便比較全面地評估TC對各種目標(biāo)的潛在破壞力。

目前，PDI已被廣泛應(yīng)用于衡量、分析TC活動及其潛在破壞力的變化［9-10］。例如，Emanuel［7］發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)70年代中期以來，北太平洋西部和北大西洋盆地TC的PDI呈現(xiàn)顯著增加的趨勢；Liu等［11］發(fā)現(xiàn)1980—2018年登陸中國大陸的TC的PDI也呈顯著增加趨勢。喬守文等［12］探討了1980—2015年進(jìn)入北部灣海域TC的頻數(shù)、強(qiáng)度、持續(xù)時間和PDI等指標(biāo)的年際變化趨勢，結(jié)果表明TC頻數(shù)和最大風(fēng)速的增加導(dǎo)致了PDI的逐年增大。而駱方露等［13］通過對PDI等指標(biāo)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，TC的破壞力與其生成海域的海面溫度（sea surface temperature，SST）有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。可以看到，PDI能夠用于描述TC對全球或特定區(qū)域的整體破壞力［11，14-15］，但還難以用于表達(dá)TC破壞力的空間分布。換而言之，目前仍較少將PDI用于TC破壞力時空分布特征的研究。

按照GB/T 19201—2006《熱帶氣旋等級》［16］劃分標(biāo)準(zhǔn)，TC可以根據(jù)底層中心附近最大風(fēng)速劃分為熱帶低壓（tropical depression，TD；底層中心附近最大風(fēng)速為10.8～17.1 m·s-1），熱帶風(fēng)暴（tropical storm，TS；底層中心附近最大風(fēng)速為17.2～24.4 m·s-1），強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（severe tropical storm，STS；底層中心附近最大風(fēng)速為24.5～32.6 m·s-1），臺風(fēng)（typhoon，TY；底層中心附近最大風(fēng)速為32.7～41.4 m·s-1），強(qiáng)臺風(fēng)（severe typhoon，STY；底層中心附近最大風(fēng)速為41.5～50.9 m·s-1）和超強(qiáng)臺風(fēng)（super typhoon，SuperTY；底層中心附近最大風(fēng)速超過51.0 m·s-1）。

當(dāng)達(dá)到TY、STY和SuperTY等級時，TC對各種目標(biāo)的潛在破壞力很強(qiáng)［17］。例如，2021年西太平洋生成的SuperTY“雷伊”侵襲南海時，南海島礁遭受了嚴(yán)重的風(fēng)雨影響［18］；2013年STY“蝴蝶”席卷南海西沙群島的永樂環(huán)礁海域，造成數(shù)十艘船只沉沒、62人喪生以及2 m水深處約46%的珊瑚嚴(yán)重?fù)p壞［19］；2014年海南遭受SuperTY“威馬遜”的襲擊，造成325.8萬人受災(zāi)和108億元直接經(jīng)濟(jì)損失［3］。Liu等［20］曾統(tǒng)計南海1988—2019年STY和SuperTY的年累積PDI，結(jié)果發(fā)現(xiàn)STY和SuperTY破壞力呈顯著增大的趨勢，其分析指出，南海STY和SuperTY破壞力的增大是導(dǎo)致南海灰沙島近30 a呈現(xiàn)侵蝕趨勢的重要原因。

TY、STY和SuperTY等級的TC對南海島礁等各種目標(biāo)的影響與破壞力很強(qiáng)［3，7，18-20］，而政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次評估報告［21］則指出全球變暖很可能會導(dǎo)致TY、STY與SuperTY等級的TC發(fā)生頻數(shù)進(jìn)一步增加。因此，此文將達(dá)到TY及以上等級的熱帶氣旋稱為強(qiáng)熱帶氣旋（severe tropical cyclone，STC），并探討STC引發(fā)南海地區(qū)（105°～120°E，3°～25°N）破壞力的時空分布特征及可能的成因。其中STC包括等級為TY、STY和SuperTY的熱帶氣旋。

1計算方法

（4）遍歷給定時間段 內(nèi)第i條STC路徑上的每個位置j，計算相應(yīng)的PDI，并與正方形模板M 相乘，獲得模板Ni，j 。

（5）計算位置j在圖像I 中對應(yīng)的行列號，將其與模板Ni，j 的中心對齊，進(jìn)而將Ni，j 累加到圖像I 中（相當(dāng)于把模板M 的中心平移至位置j）。

遍歷完時間段 內(nèi)的所有STC路徑位置之后，以上算法獲得的I 即為STC對南海地區(qū)破壞力的空間分布圖像。將CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集劃分為若干不同時間段，分別計算，就可以得到南海地區(qū)STC破壞力空間分布的時間變化序列。

需要補(bǔ)充說明的是，文中將具體考慮2種類型的STC：分別是TY及以上等級熱帶氣旋（包括TY、STY和SuperTY，以下簡稱“TYs”）和STY及以上等級熱帶氣旋（包括STY和 SuperTY，以下簡稱“STYs”）。因此，在以上計算PDI的過程中，對于一條具體的CMA熱帶氣旋最佳路徑，參與計算的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別選擇的是達(dá)到相應(yīng)等級的第一個點(diǎn)和最后一個點(diǎn)。例如，對于TYs的PDI計算，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別選擇的是達(dá)到TY等級的第一個點(diǎn)和最后一個點(diǎn)；同理，對于STYs的PDI計算，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別選擇的是達(dá)到STY等級的第一個點(diǎn)和最后一個點(diǎn)。如果TC路徑中達(dá)到相應(yīng)等級的點(diǎn)在中間有斷開，則在去掉中間斷開的點(diǎn)后，重新尋找下一個起點(diǎn)和終點(diǎn)。

2強(qiáng)熱帶氣旋對南海地區(qū)破壞力的空間分布特征

圖2給出了1953—2022年南海地區(qū)STC 70 a累積PDI的空間分布。從整體上看，TYs和STYs的PDI具有相似的空間分布模式，即東北部的PDI較高，而西南部和南部則相對較低。具體來說，70 a累積PDI高值區(qū)[ZW（DYB]第2節(jié)所言PDI高值區(qū)定義為：對于TYs而言，高值區(qū)為IPDgt;9.0×1010 m3·s-2的區(qū)域；而對于STYs而言，高值區(qū)為IPDgt;5.5×1010 m3·s-2的區(qū)域。高值區(qū)對應(yīng)圖2中的紅色區(qū)域。[ZW）]主要集中在南海東北部的東沙群島附近海域（116°～120°E，17°～21°N）（圖2a），即STC對這一區(qū)域的破壞較為嚴(yán)重。而以東沙群島附近海域?yàn)橹行模?0 a累積PDI向西、向南呈現(xiàn)輻射狀遞減的特征。

對于TYs而言，70 a累積PDI高值區(qū)主要集中在東沙群島東部海域以及西沙群島、中沙群島至東沙群島之間的海域（圖2a），PDI最高可達(dá)11.7×1010 m3·s-2。說明這些區(qū)域在過去70 a中頻繁遭受TYs的侵襲，承受了較強(qiáng)的STC破壞力。對于STYs而言，70 a累積PDI高值區(qū)主要集中在東沙群島東部海域（圖2b），PDI最高可達(dá)7.4×1010 m3·s-2，其范圍顯著小于TYs。

綜上所述，STC對南海地區(qū)破壞力的空間分布呈現(xiàn)出東北高、西南及南部低的特征。對于STYs而言，相較于南海其他海域，東沙群島的東部海域往往會受到STY和SuperTY更強(qiáng)的沖擊。

根據(jù)TC年鑒資料，西太平洋的STC移動路徑主要分為3種類型：西行路徑、西北行路徑以及轉(zhuǎn)向路徑［24］。其中，西行路徑、西北行路徑是影響南海地區(qū)最常見的兩種路徑類型［24］。這兩種路徑受到西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“西太副高”）位置和狀態(tài)的影響。例如，西太副高外圍流場通常會形成一個穩(wěn)定的氣流引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，促使STC沿著該結(jié)構(gòu)移動［24］。當(dāng)西太副高強(qiáng)度強(qiáng)、面積大且西伸脊點(diǎn)偏西時，STC通常會受西太副高南側(cè)邊緣東風(fēng)氣流的引導(dǎo)，向西或西北偏西方向移動進(jìn)入南海［24］。柴博語等［26］對1861—2020年西太副高的年代際統(tǒng)計特征研究表明，西太副高總體上呈強(qiáng)度增強(qiáng)、范圍增大以及西脊點(diǎn)西伸的特征。這促進(jìn)了西太平洋STC的西行，使得南海北部受西太平洋STC的影響顯著高于南海的其他區(qū)域。

此外，廖菲等［27］針對1949—2017年途經(jīng)南海的1 101個TC的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，西太平洋很多STS及TY向西北移動至南海地區(qū)后，往往會發(fā)生強(qiáng)度快速加強(qiáng)為TY及STY的事件（即強(qiáng)熱帶風(fēng)暴快速加強(qiáng)為臺風(fēng)、臺風(fēng)快速加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)的事件）。其中，東沙群島附近海域和中沙群島至西沙群島之間的海域是發(fā)生這些事件最集中的區(qū)域，而這兩個區(qū)域也是此文STC的PDI高值區(qū)主要分布區(qū)域。

因此，西太副高的增強(qiáng)及其西脊點(diǎn)西伸有利于西太平洋TC西行進(jìn)入南海北部地區(qū)并增強(qiáng)為STC，而這正是STC對南海地區(qū)的破壞力在空間分布上呈現(xiàn)東北高、南部和西南部低特征的主要原因。

3強(qiáng)熱帶氣旋對南海地區(qū)破壞力空間分布的時間變化特征

綜上所述，南海地區(qū)STC的PDI空間分布具有很強(qiáng)的年代際變化特征，整體上高值區(qū)范圍呈先擴(kuò)大后縮小再擴(kuò)大的過程。值得注意的是，1963—1972年STC的PDI高值區(qū)范圍最大，而在1993—2002年STC的PDI高值區(qū)范圍最小。其次，隨著緯度從高到低，南海地區(qū)STC在不同時期的PDI呈先增大后減小的趨勢，直至接近赤道（約4°N）時PDI值降至0。而STC破壞力的重心位置則經(jīng)歷緯度先下降后上升再下降的過程，2013—2022年STC破壞力重心南移的趨勢很明顯。

為更好地理解1953—2022年南海地區(qū)STC的PDI空間分布的逐10 a變化特征以及不同緯度PDI的變化特征，對各時段內(nèi)“南海土臺風(fēng)”以及西太平洋生成且途經(jīng)南海地區(qū)時能達(dá)到STC等級的TC數(shù)量（圖7）進(jìn)行統(tǒng)計，并繪制了各個時段STC的路徑點(diǎn)（圖8）。

南海地區(qū)STC總數(shù)的變化趨勢與西太平洋生成且途經(jīng)南海的STC數(shù)量的變化趨勢基本保持一致（圖7）。馮小麗［28］亦指出，1979—2019年發(fā)源于西太平洋且移入南海后達(dá)到STC等級的TC數(shù)量與在南海活動的STC總數(shù)十分接近。因此，西太平洋TC生成數(shù)量的增多（減少）會引起南海地區(qū)STC的數(shù)量增多（減少）。

南海地區(qū)1953—1962年STC總數(shù)為112個，1963—1972年STC總數(shù)下降至74個（圖7a），與此同時，1963—1972年STC的PDI高值區(qū)范圍卻向西擴(kuò)大至西沙群島、中沙群島海域。不過，通過對比1953—1962年與1963—1972年的STC路徑點(diǎn)（圖8a、b），發(fā)現(xiàn)1963—1972年南海地區(qū)STY和SuperTY路徑點(diǎn)分布范圍更廣、數(shù)量更多、持續(xù)時間更長。這是1963—1972年南海STC數(shù)量雖然減少但其PDI高值區(qū)分布范圍卻呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢的主要原因。

南海地區(qū)1973—1982年、1983—1992年的TYs數(shù)量相近（圖7a），STYs數(shù)量也相近（圖7b）。但與1953—1972年相比，TYs和STYs都呈現(xiàn)出下降趨勢。圖8c、d表明，STY和SuperTY的路徑點(diǎn)數(shù)量驟減，且大部分STC路徑點(diǎn)都集中縮減至15°N以北。因此，南海地區(qū)STC數(shù)量減少與分布范圍北移是1973—1992年南海PDI高值區(qū)分布范圍逐漸縮小的主要原因。1993—2002年，南海TYs、STYs的破壞力（PDI）降至最低。在此期間，南海地區(qū)TYs和STYs數(shù)量也分別降至最低，其中TYs為39個、STYs為13個（圖7a、b）。且該時期內(nèi)并無SuperTY途經(jīng)南海地區(qū)（圖8e）。因此，南海地區(qū)STC數(shù)量減少及強(qiáng)度減弱是1993—2002年南海地區(qū)STC的PDI高值區(qū)范圍縮減的主要原因。2003年以后，STC的PDI高值區(qū)范圍重新出現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢。南海地區(qū)STC的數(shù)量不斷增多，且SuperTY的路徑點(diǎn)重新出現(xiàn)（圖7及圖8f、g）。這是導(dǎo)致南海地區(qū)STC的PDI高值區(qū)在2003年以后重新出現(xiàn)且不斷擴(kuò)張的主要原因。

此外，南海地區(qū)STC路徑點(diǎn)主要分布在10°N以北，隨著緯度的降低，STC路徑點(diǎn)逐漸稀疏（圖8）。換而言之，低緯度地區(qū)STC存活概率很低。因此，隨著緯度降低至靠近赤道時，STC的PDI會逐漸減小至接近0。

綜上所述，STC對南海地區(qū)破壞力空間分布的年代際變化與西太平洋生成并進(jìn)入南海地區(qū)的STC數(shù)量變化相關(guān)，西太平洋生成且途經(jīng)南海地區(qū)的STC數(shù)量增加（減少）和持續(xù)時間長（短），導(dǎo)致了南海STC空間分布范圍的擴(kuò)大（縮減）。低緯度地區(qū)STC存活概率較低，也是其破壞力隨緯度降低而逐漸減小的主要原因。

4結(jié)論與討論

利用CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集計算了南海地區(qū)TC強(qiáng)度達(dá)到STC等級時段內(nèi)的PDI，并將STC的PDI按照熱帶氣旋路徑點(diǎn)的圓形緩沖區(qū)分配到空間中的每一個位置，進(jìn)而對1953—2022年STC引發(fā)南海地區(qū)破壞力的時空分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

（1）70 a間，STC對南海地區(qū)的破壞力呈現(xiàn)東北高、西南及南部低的特征，破壞力高值區(qū)主要集中在南海東北部的東沙群島附近海域（116°～120°E，17°～21°N）（STYs主要集中在東沙群島東部海域），且STC破壞力以此為中心逐漸向西、向南呈輻射狀遞減的特征。STC對南海地區(qū)的破壞力在空間分布上呈現(xiàn)此特征的主要原因是，西太副高的增強(qiáng)及其西脊點(diǎn)西伸有利于西太平洋很多TC西行進(jìn)入南海北部并增強(qiáng)為STC。

（2）70 a間，STC對南海地區(qū)破壞力較強(qiáng)區(qū)域分布范圍隨時間的變化呈先擴(kuò)大后縮小再擴(kuò)大的趨勢。究其原因，STC對南海地區(qū)破壞力空間分布的年代際變化與西太平洋生成并進(jìn)入南海地區(qū)的STC數(shù)量的變化相關(guān)。換而言之，西太平洋生成并途經(jīng)南海地區(qū)的STC數(shù)量增加（減少）和持續(xù)時間長（短），導(dǎo)致南海STC空間分布范圍的擴(kuò)大（縮減）。

（3）70 a間，南海地區(qū)STC破壞力的重心位置經(jīng)歷緯度先下降后上升再下降的過程，尤其是2013—2022年STC重心南移的趨勢很明顯。此外，不同緯度STC破壞力的逐10 a變化呈先增大后減小再增大的趨勢，且目前南海地區(qū)并非處于STC破壞力最強(qiáng)烈的時期。隨著緯度降低，不同時間段內(nèi)的STC破壞力呈先增大后減小趨勢（接近赤道或接近4°N時降為0），其最大值出現(xiàn)在18°N附近；低緯度地區(qū)STC存活概率較低，是造成其破壞力隨緯度降低而逐漸減小的主要原因。

[HTH]致謝：[HTSS]感謝廣西南海珊瑚礁研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雍陽陽老師和武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院陶鵬杰等老師在該論文研究和撰寫過程中所給予的幫助與指導(dǎo)。

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