本研究由Jiuwei Zhao、Ruifen Zhan、Yuqing Wang、Leishan Jiang和Xin Huang共同完成，分别来自南京信息工程大学、上海期智研究院、复旦大学、夏威夷大学马诺阿分校和中国气象局上海台风研究所。该研究于2022年发表在《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》期刊上，题为《A Multiscale-Model-Based Near-Term Prediction of Tropical Cyclone Genesis Frequency in the Northern Hemisphere》。
学术背景
热带气旋（Tropical Cyclone, TC）活动对全球气候和社会经济具有重要影响，尤其是其生成频率（Tropical Cyclone Genesis Frequency, TCGf）的变化。尽管过去几十年在理解TCGf的大尺度环境控制因素方面取得了显著进展，但对其未来变化的预测仍然面临巨大挑战，特别是在短期气候预测（如年代际预测）领域。现有的预测方法在捕捉TCGf的多时间尺度变化方面存在不足，尤其是对全球变暖（Global Warming, GW）和内部气候变率（如ENSO、AMO等）的复杂影响缺乏足够的理论支持。因此，开发一种能够准确预测TCGf变化的模型具有重要的科学和实际意义。
研究流程
本研究的主要目标是构建一个多时间尺度回归模型，用于预测北半球主要TC盆地（包括西北太平洋、东北太平洋和北大西洋）的TCGf变化。研究流程包括以下几个步骤：
数据收集与处理
- 数据来源：研究使用了国际最佳路径存档（IBTrACS）的热带气旋轨迹数据、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海表温度（Sea Surface Temperature, SST）数据、NCEP/NCAR再分析数据以及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据。
- 数据处理：将北半球区域划分为1°×1°的网格，计算每个网格内的TCGf，并采用核密度方法平滑数据以减少不确定性。
关键SST指数的定义
- 定义了六个关键SST指数，包括三个年际指数（ENSO、东印度洋SST异常、热带北大西洋SST异常）、两个年代际指数（太平洋年代际振荡IPO、大西洋多年代际振荡AMO）以及一个全球变暖指数（GW）。
- 这些指数分别反映了不同时间尺度（年际、年代际和长期趋势）的气候变率对TCGf的影响。
多时间尺度回归模型的构建
- 模型形式：TCGf = a*ENSO + b*EIO + c*TNA + d*AMO + e*IPO + f*GW + const。
- 模型通过历史数据（1960-2019年）进行校准，并使用交叉验证方法验证其预测能力。
模型验证与性能评估
- 通过对比模型预测的TCGf与观测数据，评估模型在捕捉TCGf多时间尺度变化方面的表现。
- 结果显示，该模型在捕捉北半球主要TC盆地的TCGf变化方面表现出色，尤其是在年代际和长期趋势的预测上优于常用的生成潜力指数（Genesis Potential Index, GPI）。
短期预测
- 利用MPI-ESM地球系统模型的100个成员模拟数据，预测2020-2030年期间北半球主要TC盆地的TCGf变化。
- 预测结果显示，东北太平洋的TCGf将显著增加，而西北太平洋和北大西洋的TCGf变化较小。
主要结果
模型性能
- 该模型能够准确捕捉北半球主要TC盆地的TCGf多时间尺度变化，尤其是在年代际和长期趋势的预测上表现出色。
- 与常用的GPI相比，该模型在空间分布和振幅上的预测精度更高。
短期预测结果
- 东北太平洋的TCGf在2020-2030年期间将显著增加，预测的置信度较高。
- 西北太平洋的TCGf预计将略有增加，但置信度较低。
- 北大西洋的TCGf变化不显著，主要受内部气候变率的影响。
结论与意义
本研究开发的多时间尺度回归模型为预测北半球TCGf的变化提供了一种新的方法。该模型不仅能够准确捕捉TCGf的多时间尺度变化，还能够结合气候模型模拟数据进行短期预测。研究结果对政府制定防灾减灾政策具有重要意义，尤其是在应对未来十年热带气旋活动的变化方面。
研究亮点
创新性
- 本研究首次将多时间尺度气候因子（包括年际、年代际和全球变暖）整合到一个回归模型中，用于预测TCGf的变化。
- 模型在捕捉TCGf的年代际和长期趋势方面表现出色，填补了现有预测方法的不足。
实际应用价值
- 该模型能够为北半球主要TC盆地的短期TCGf预测提供科学依据，帮助政府制定有效的防灾减灾策略。
数据与方法
- 研究使用了多种高质量的数据源，包括IBTrACS、NOAA SST数据和ECMWF再分析数据，确保了模型的可靠性和准确性。
- 通过交叉验证和对比分析，验证了模型在预测TCGf变化方面的优越性能。
其他有价值的内容
本研究还探讨了不同气候因子对TCGf的相对贡献，发现全球变暖对东北太平洋TCGf的影响最为显著，而内部气候变率（如ENSO和AMO）对西北太平洋和北大西洋TCGf的影响更为重要。这些发现为进一步研究热带气旋活动的驱动机制提供了新的视角。