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西北太平洋热带气旋生成频率与热带印度洋及北大西洋海表温度关系的年代际变化研究

作者及机构
该研究由Renguang Wu（浙江大学地球科学学院）、Xi Cao和Yiya Yang（中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心）合作完成，发表于2020年的《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》。

学术背景
西北太平洋（Western North Pacific, WNP）是全球热带气旋（Tropical Cyclone, TC）活动最频繁的区域之一，其年际变化对社会经济具有重大影响。热带气旋的生成和路径受海表温度（Sea Surface Temperature, SST）异常的影响，而热带印度洋（Tropical Indian Ocean, TIO）和热带北大西洋（Tropical North Atlantic, TNA）的SST异常通过大气遥相关作用调控WNP的环境条件。然而，这种关系在20世纪90年代初发生了显著的年代际变化，其机制尚不明确。本研究旨在揭示这一变化的成因，重点关注TIO和TNA SST与WNP热带气旋生成频率关系的年代际转变及其背后的物理机制。

研究流程与方法
1. 数据来源与处理
- 热带气旋数据来自联合台风预警中心（JTWC）的IBTrACS数据集（1961–2015年），筛选6–11月（JJASON）的TC生成记录。
- SST数据采用ERSSTv5，大气再分析数据来自NCEP-NCAR和JRA-55。
- 将WNP划分为四个象限（西北NW、东北NE、西南SW、东南SE），分析各区域TC生成频率与SST的关系。

1. 年代际变化分析

   • 通过21年滑动窗口计算TC生成频率与TIO、TNA、赤道中东太平洋（EPO）SST的相关系数，识别1990年代初的转折点。
     
   • 对比1969–1989年和1991–2011年两个时段，分析SST异常的空间分布及其对WNP大气环流的影响。

2. 数值模拟验证

   • 使用CAM5.1大气环流模型设计四组敏感性试验：
     
     • TIO+EPO：模拟TIO和EPO SST同相位异常；
       
     • TIO：仅TIO SST异常；
       
     • TNA+EPO：模拟TNA和EPO SST同相位异常；
       
     • TNA-EPO：模拟TNA和EPO SST反相位异常。
       
   • 通过对比试验结果与观测，验证SST异常协同作用的物理机制。

主要结果
1. TC生成频率的年代际变化
- 1990年代后，SE象限TC的变异性显著增强，成为WNP整体TC活动年代际变化的主导区域。
- TIO SST与WNP TC的负相关性在1991–2011年增强（相关系数从-0.192降至-0.573），而TNA SST的负相关性也显著增强（从-0.130降至-0.639）。

1. SST异常协同作用的转变

   • 1969–1989年：TIO与EPO SST呈同相位变化，共同导致SE象限气旋性环流和NW象限反气旋性环流，削弱了WNP整体TC与TIO SST的相关性。
     
   • 1991–2011年：TIO与EPO SST的协同性减弱，TIO SST单独诱导WNP大范围反气旋环流，增强TC与TIO SST的负相关；TNA与EPO SST转为反相位变化，协同抑制SE和NE象限的TC生成。

2. 数值模拟验证

   • 模型成功复现了观测中SST异常组合对WNP环流的影响，例如TIO+EPO试验中SE象限的气旋性环流与NW象限的反气旋性环流对比。
     
   • TNA-EPO试验中，反相位SST异常导致WNP大范围东风异常，与观测中1991–2011年的环流特征一致。

结论与意义
该研究揭示了1990年代初WNP热带气旋与TIO、TNA SST关系年代际变化的物理机制：
1. 科学价值：阐明了SST异常协同作用通过调制大气遥相关影响TC生成的动态过程，强调了年代际尺度上ENSO（El Niño-Southern Oscillation）与印度洋、北大西洋SST相位关系的重要性。
2. 应用价值：为改进WNP热带气旋的季节预测模型提供了关键物理因子，例如需考虑TNA SST在1990年代后的增强影响。

研究亮点
1. 多区域协同分析：首次将WNP划分为四个象限，明确了SE象限TC在年代际变化中的主导作用。
2. 机制创新：提出“SST异常协同性转变”假说，解释了TIO和TNA SST影响TC的年代际差异。
3. 跨尺度验证：结合观测分析与数值试验，验证了 interannual（年际）和 interdecadal（年代际）SST变化的联合效应。

其他发现
- 研究指出太平洋年代际振荡（PDO）在1990年代的相位转变是EPO SST趋势反转的主因，进而通过改变SST协同性调控TC活动。
- 对比印度洋偶极子（IOD）的影响，发现TIO整体SST（而非IOD）对WNP TC的调控更为显著。

以上报告完整呈现了研究的背景、方法、结果与价值，为相关领域学者提供了系统的参考。