作者与发表信息

本文作者为John Kaplan（NOAA/AOML/飓风研究部，迈阿密，佛罗里达）、Mark DeMaria和John A. Knaff（NOAA/NESDIS/区域与中尺度气象团队，科林斯堡，科罗拉多）。论文发表于《Weather and Forecasting》期刊2010年2月第25卷第1期。

研究背景与目的

热带气旋强度预报，尤其是快速增强（rapid intensification，RI）的预报，一直是业务预报中的难题。RI事件虽然发生频率较低，但其带来的社会与经济影响巨大，因此美国国家飓风中心（NHC）将其列为最高预报优先事项。早期研究（Kaplan and DeMaria 2003，简称KD03）曾针对大西洋盆地开发了一个基于五个预报因子的RI指数（RII），该指数于2003年飓风季前投入业务使用。然而，该早期版本存在一个明显缺陷：它采用“阈值法”，即每个预报因子只能被判断为“满足”或“不满足”RI条件，无法量化条件的有利或不利程度。此外，该指数仅适用于大西洋盆地，未覆盖东北太平洋盆地。本研究旨在开发一个修订版RII，采用更复杂的统计方法（线性判别分析）和更多预报因子，并分别为25、30和35节（kt）三个RI阈值建立指数，同时将适用范围扩展至东北太平洋盆地。

研究数据与方法

研究使用了1989—2006年大西洋和东北太平洋盆地的热带气旋与副热带气旋的24小时海上强度变化数据，数据来源于NHC的飓风数据库（HURDAT）。25、30和35节RI阈值分别对应大西洋盆地约第90、94和97百分位，东北太平洋盆地约第88、92和94百分位。修订版RII的开发样本期为1995—2006年，因为1995年才开始在CIRA存档GOES-8卫星数据。

预报因子共八项（东北太平洋为七项，缺少海洋热含量OHC）：过去12小时强度变化（PER）、850—200 hPa水平风垂直切变（SHRD）、200 hPa散度（D200）、850—700 hPa相对湿度（RHLO）、距中心50—200 km范围内云顶亮温≤−30℃的IR云盖面积百分比（PX30）、同区域IR云顶亮温标准差（SDBT）、当前强度与最大潜在强度之差（POT，即potential intensity差）以及海洋热含量（OHC）。其中POT在大西洋版本中使用了Cione等（2009）开发的内核海温冷却算法进行修正，而东北太平洋版本则直接使用周平均海温。

修订版RII的推导采用了“缩放—判别”两步法。首先将每个预报因子按其观测到的RI值范围线性缩放至0到1（0代表最不利，1代表最有利），若任一因子缩放值为0，则该个例的总缩放值RS设为0。缩放后的因子进行线性判别分析，得到各因子的判别权重WN。判别函数值RD由各因子缩放值与对应权重乘积求和得到。将RD值按RI个例等分为四个四分位数，每个四分位数的RI概率由该区间内RI个例数除以总个例数得到。概率预测的阈值通过与气候态虚报率（POFD）相匹配的判别函数值来确定。

主要结果

大西洋盆地RI气候学分析显示，25、30和35节RI个例中，初始强度为热带风暴（tropical storm）的系统占比最高（分别约51.7%、50.4%和47.5%）。RI个例主要集中在8—9月（各阈值均约68%—72%）。东北太平洋盆地RI个例的空间分布较大西洋更为集中，约94%发生在10°—20°N、95°—140°W区域内，且热带风暴初始强度的系统占比更高（约58%—60%）。

预报因子重要性分析表明，两盆地间存在显著差异。大西洋盆地中，过去12小时强度变化（PER）、200 hPa散度（D200）和垂直切变（SHRD）的判别权重最高，约为热力学因子（POT、RHLO、OHC）的两倍以上。东北太平洋盆地中，PER、内核对流对称性（SDBT）和POT权重最高，而SHRD和D200的权重相对较低。这与东北太平洋盆地环境条件整体更有利且变率更小有关。值得注意的是，SDBT的权重显著高于PX30，表明对流对称性比对流数量对RI更为关键——这与Nolan和Grasso（2003）的数值模拟结果一致。

依样本（1995—2006）检验显示，判别版的Brier技巧评分（BSS）高于缩放版，且技巧随RI阈值增大而降低。大西洋25节阈值的判别版BSS约0.15，35节约0.08；东北太平洋相应值约0.12和0.10。交叉验证显示技巧有所下降，但两盆地所有阈值仍保持正值。2006和2007年独立样本检验中，RII的概率预报在两盆地均显示出相对气候学的技巧，但东北太平洋35节阈值的缩放版BSS为负值。

确定性检验（2006—2007年）将RII与DSHP、GFDL、SHF5和官方预报（OFCL）进行比较。大西洋盆地各阈值的RII命中率（POD）均高于其他所有业务强度指导产品，分别为25节59%、30节29%、35节15%（对应空报率FAR为85%、83%、85%）。东北太平洋盆地RII的POD更高：25、30、35节分别为73%、63%、53%，FAR分别为54%、53%、79%。Peirce技巧评分（PSS）显示RII在所有阈值上均为正值（大西洋约0.15—0.30，东北太平洋约0.25—0.50），而其他指导产品中仅OFCL在多数阈值上保持正技巧。东北太平洋的POD整体高于大西洋而FAR更低，表明该盆地RI的可预报性相对更高。

结论与意义

修订版RII利用线性判别分析和来自SHIPS模式的大尺度预报因子，可估算未来24小时发生RI的概率。该指数已开发出大西洋和东北太平洋两套版本，覆盖25、30和35节三个阈值，并于2008年飓风季前由TPC/NHC投入业务运行。独立样本验证表明，该指数在概率形式和确定性形式下均具有相对气候学的技巧，且优于其他业务强度指导产品。尽管如此，RII的POD仍属中等而FAR偏高，说明RI预报——尤其在大西洋盆地——依然是极具挑战性的问题。研究还揭示，两盆地RI的物理控制因子存在差异：大西洋更依赖大尺度动力学条件（散度、切变），而东北太平洋更依赖系统自身状态（近期强度趋势、对流对称性）。这一发现意味着，改进大西洋RI预报可能需要更多内核结构观测信息，而东北太平洋则可更多受益于大尺度环境预测的改进。

研究亮点

本研究的创新之处主要体现在三个方面。第一，方法上首次将线性判别分析与预报因子缩放技术相结合用于RI概率估计，克服了KD03阈值法无法量化条件有利程度的缺陷。第二，适用范围上首次为东北太平洋盆地开发了RII，并揭示了与大西洋盆地不同的预报因子权重结构。第三，业务应用上提供了多阈值（25、30、35节）的概率产品，使预报员可根据不同强度增幅需求选择相应指数。此外，研究将海洋热含量（OHC）和卫星红外云顶亮温对称性等新型预报因子纳入指数，其中SDBT所表征的内核对流组织结构信息是对传统大尺度环境因子的重要补充。