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热带风暴季节性预报的评估：基于Met Office GLOSEA5系统的研究

作者及机构
本研究由J. Camp、M. Roberts、C. MacLachlan等来自英国气象局哈德利中心（Met Office Hadley Centre）的团队完成，发表于2015年7月的《Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society》（QJRMS），DOI为10.1002/qj.2516。

学术背景
热带气旋（tropical cyclones）是全球最具破坏性的自然灾害之一，对社会经济影响深远。季节性预报（seasonal forecasting）是预测热带风暴活动的关键手段，但其准确性受限于模型分辨率和气候变率的复杂性。过去的研究多依赖统计-经验关系（statistical-empirical relationships），但这类方法假设历史关系在未来仍成立，而实际气候的非线性和非平稳性常导致预测失效。动态模型（dynamical models）通过物理定律模拟气候过程，为季节性预报提供了新思路。

本研究旨在评估英国气象局第五代全球耦合季节性预报系统（GLOSEA5）对热带风暴活动的预测能力，重点关注其气候学特征、年际变率（interannual variability）以及对厄尔尼诺-南方振荡（ENSO）的响应。通过与低分辨率前代系统GLOSEA4、再分析数据（ERA-Interim）和观测数据的对比，验证GLOSEA5在热带风暴数量、累积气旋能量指数（ACE index）及登陆频率（landfall frequency）预测中的技能（skill）。

研究流程
1. 模型与数据
- GLOSEA5系统：大气水平分辨率为0.83°经度×0.55°纬度（约55°N处53 km），海洋分辨率为0.25°。对比系统GLOSEA4的分辨率为1.875°×1.25°（约120 km）。
- 数据来源：观测数据来自NOAA的HURDAT2（北大西洋和东太平洋）和JTWC（其他海域）；再分析数据使用ERA-Interim（1°×1°网格，6小时分辨率）。
- 追踪方法：采用TRACK算法（Hodges, 1995）识别热带风暴，基于850 hPa相对涡度（relative vorticity）和暖核结构（warm core）判定风暴路径和强度。

1. 评估时段与区域

   • 核心时段为1996–2009年（GLOSEA4和GLOSEA5的共同操作期），补充评估1992–2013年（GLOSEA5扩展数据）。
     
   • 研究区域覆盖全球热带风暴活跃海域（如北大西洋、西太平洋、澳大利亚海域等），并划分登陆区域（美国海岸和加勒比地区）。
     

2. 分析内容

   • 气候学特征：包括风暴路径空间分布、生成位置（genesis locations）、季节循环（seasonal cycle）。
     
   • ENSO影响：通过ENSO事件（定义为Niño3.4区SST异常≥0.5°C或≤−0.5°C）分析风暴路径密度的变化。
     
   • 预测技能：计算热带风暴数量、ACE指数及登陆频率的相关系数，评估统计显著性。
     

主要结果
1. 气候学表现
- GLOSEA5显著改善了热带风暴的地理分布模拟，尤其在东部大西洋和西太平洋。例如，西太平洋的活动峰值（如南海和菲律宾以东）与观测一致（图2）。
- 季节循环方面，模型成功再现了北大西洋9月峰值（图9），但对北印度洋的双峰季节模拟较差，误将峰值置于7月和10月。

1. ENSO响应

   • 在厄尔尼诺年（El Niño），北大西洋风暴活动减少（图10），西太平洋活动增强且生成位置向东南偏移（图11），与观测一致。GLOSEA5对ENSO相位变化的响应优于GLOSEA4。
     

2. 预测技能

   • 热带风暴数量：GLOSEA5在北大西洋（r=0.51）、西太平洋（r=0.57）和澳大利亚海域（r=0.69）表现出显著技能（表1）。
     
   • ACE指数：西太平洋的ACE预测技能最高（r=0.81），可能与ENSO对强度的强调控有关（表3）。
     
   • 登陆频率：加勒比地区预测技能显著（r=0.69），但美国海岸无显著技能（表4）。直接追踪登陆风暴与基于流域风暴数量的间接预测效果相当。
     

结论与价值
GLOSEA5是全球首个高分辨率季节性预报系统，其显著提升了对热带风暴活动关键特征的模拟能力，包括空间分布、ENSO响应及区域预测技能。研究证实，动力模型在热带风暴季节性预报中具有潜力，尤其在ACE指数和加勒比登陆频率预测方面。然而，美国海岸登陆预测的失败揭示了模型在局地动力过程（如风暴路径偏差）中的局限性。

研究亮点
1. 高分辨率优势：GLOSEA5的53 km大气分辨率显著改善了风暴路径和强度的模拟。
2. 创新方法：结合TRACK算法和暖核检测，实现了跨数据源的风暴追踪一致性。
3. 应用价值：为业务化季节性预报（如西太平洋和澳大利亚海域）提供了科学依据。

其他发现
- 非洲东风波（African Easterly Waves, AEWs）的模拟改进是东部大西洋风暴生成更准确的关键（图5）。
- 北大西洋风暴数量与登陆频率的弱相关性（如2010年活跃季仅1次美国登陆）凸显了区域预测的挑战。

该研究为热带风暴动力学预测设立了新基准，并为未来模型开发（如提升登陆预测）指明了方向。