热带气旋在气候模型中的研究进展综述

作者及机构
本文由Suzana J. Camargo（哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观测站）和Allison A. Wing共同撰写，由Eduardo Zorita（领域编辑）和Mike Hulme（主编）编辑，发表于2016年的《WIREs Climate Change》期刊（DOI: 10.1002/wcc.373）。

主题与背景
本文是一篇系统性综述，聚焦于气候模型中热带气旋（Tropical Cyclones, TCs）模拟的历史演变、现状与未来挑战。热带气旋是地球上最具破坏性的自然现象之一，其对社会经济的影响巨大。随着气候变化的加剧，理解热带气旋在气候变化背景下的行为成为科学界和政策制定者的核心关切。然而，气候模型因分辨率限制和计算成本问题，长期以来难以准确模拟热带气旋的强度与频率。本文旨在梳理从1970年代至今的模型发展历程，分析多时间尺度（季节内、季节、年代际及气候变化）的模拟能力，并探讨间接推断热带气旋活动的替代方法（如基于大尺度环境的生成指数和降尺度技术）。

主要观点与论据

1. 历史视角与模型进步

   • 早期研究（1970–1990年代）：Manabe等（1970）首次在低分辨率全球大气环流模型中观测到类似热带气旋的涡旋，但其强度远低于实际观测。Bengtsson等（1982）通过ECMWF（欧洲中期天气预报中心）模型进一步验证了涡旋的时空分布与实况的相似性，但模型仍无法解析强风暴。
     
   • 1990年代突破：Broccoli和Manabe（1990）首次尝试用气候模型研究气候变化对热带气旋的影响，尽管结果不确定，但奠定了方法论基础。Wu和Lau（1992）则揭示了ENSO（厄尔尼诺-南方振荡）对热带气旋频率的调制作用，推动了季节性预测的发展。
     

2. 大尺度环境与间接推断方法

   • 生成潜力指数（Genesis Potential Index, GPI）：Gray（1979）提出的首个GPI结合了低层涡度、垂直风切变等环境参数，但依赖固定海温阈值。后续改进版本（如Emanuel和Nolan的GPI）引入潜在强度（Potential Intensity）概念，更适用于气候变化研究。然而，GPI在预测未来热带气旋频率时与高分辨率模型直接模拟的结果存在矛盾（如全球频率减少的模型结果与GPI预测的增加趋势不符），凸显了环境参数组合的局限性。
     
   • 通风指数（Ventilation Index）：Tang和Emanuel（2010）提出该指数，量化垂直风切变、熵赤字等对热带气旋强度的抑制效应。CMIP5（耦合模式比较计划第五阶段）模型显示，未来多数热带气旋盆地的通风指数可能增加，但潜在强度的上升和风切变的减少可能部分抵消这一效应。
     

3. 降尺度技术与区域模型

   • 区域气候模型（RCMs）：通过高分辨率区域模型（如18公里网格）可显著改善热带气旋的模拟，但需注意边界条件偏差。例如，Bender等（2010）通过GFDL（地球物理流体动力学实验室）飓风预报模型对区域模型输出的风暴进行二次降尺度，预测21世纪末大西洋4–5级飓风频率可能翻倍。
     
   • 统计-动力降尺度：Emanuel（2006）开发的合成轨迹生成方法通过环境场数据生成大量虚拟风暴，用于评估登陆风险。但该方法在CMIP3和CMIP5模型中的应用结果不一致（前者预测频率减少，后者增加），原因尚不明确。
     

4. 多时间尺度预测能力

   • 季节内尺度：MJO（Madden-Julian Oscillation）对热带气旋生成的调制是研究热点。ECMWF的“无缝预测”系统能较好模拟MJO与热带气旋的关系，但在大西洋的预测技能较低。
     
   • 年代际预测：Smith等（2010）尝试用初始化耦合模型预测北大西洋热带气旋的5年平均频率，但技能主要依赖海温持续性而非真实的动力过程。Caron等（2014）指出，CMIP5模型对多年代际变率的预测能力有限。
     

5. 气候变化投影的挑战

   • 海温模式敏感性：高分辨率大气模型（如MRI-AGCM3.2）显示，热带气旋活动的区域变化强烈依赖海温异常的空间分布。例如，热带平均增暖背景下，部分区域因局地增温更强可能导致潜在强度上升。
     
   • CO₂直接效应：CLIVAR（气候变率与可预测性研究计划）工作组通过理想化实验发现，CO₂浓度倍增可能导致热带气旋频率减少，而均匀海温升高则结果不一，说明强迫机制的复杂性。
     

论文的意义与价值
本文的价值在于：
1. 系统性梳理：首次全面整合了热带气旋模型模拟的历史、方法学进展及未来方向，为研究者提供“路线图”。
2. 跨尺度关联：揭示了从天气尺度（MJO）到气候尺度（CO₂强迫）的模拟一致性问题和解决路径。
3. 应用导向：强调降尺度技术和环境指数在业务预测（如季节预报）和风险评估（如登陆概率）中的潜力。

亮点与不足
- 亮点：
- 对比了不同世代模型（CMIP3 vs. CMIP5）的改进与局限。
- 提出“无缝预测”框架，连接天气与气候预测的鸿沟。
- 不足：
- 对对流参数化等关键模型物理过程的讨论较浅。
- 未深入探讨云微物理过程对热带气旋强度模拟的影响。

未来方向
作者呼吁加强基础理论研究（如热带气旋生成的动力机制）、发展区域化GPI指数，并推动多模型比较计划（如HighResMIP）以提升分辨率与物理过程表征。