这篇文档属于类型b（科学论文，但不是单一原创研究报告），是一篇发表在《WIREs Climate Change》期刊上的综述文章，由Suzana J. Camargo（哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站）和Allison A. Wing共同撰写，2016年3月/4月发表。文章题为《Tropical Cyclones in Climate Models》，系统回顾了气候模型中热带气旋（Tropical Cyclones, TCs）模拟的历史进展、现状与未来挑战。

主要观点与论据

1. 热带气旋模拟的历史发展

文章梳理了从20世纪70年代至今的气候模型对热带气旋模拟的演变。早期研究（如Manabe等1970年、Bengtsson等1982年）发现，即使低分辨率模型也能生成类似热带气旋的涡旋，但强度偏弱。1990年代，随着计算能力提升，高分辨率模型显著改善了模拟效果，例如Broccoli和Manabe（1990）首次探索了气候变化对热带气旋的影响，而Vitart等（1997）则开创了热带气旋季节预报的动态模型方法。这些进展得益于计算技术的指数级提升和环境场分析方法的引入。

支持证据：
- 早期模型（如GFDL模型）通过对比CO₂加倍实验，发现热带气旋频率和强度的变化存在不确定性（Broccoli和Manabe 1990）。
- Bengtsson等（1996）通过高分辨率大气模型发现，CO₂浓度增加可能导致热带气旋总数减少但强风暴增多，与Emanuel（1987）的理论预测一致。

2. 间接推断热带气旋活动的方法

由于直接模拟热带气旋需要极高分辨率，研究者开发了多种间接方法，例如热带气旋生成指数（Genesis Potential Index, GPI）。这些指数基于大尺度环境变量（如低层涡度、垂直风切变、海表温度）构建，用于评估气旋生成潜力。例如，Emanuel和Nolan（2004）的GPI结合了潜在强度（Potential Intensity）和湿度参数，而Tippett等（2011）提出了基于泊松回归的统计模型。然而，这些指数在气候变化情景下的适用性存在争议，例如多数GPI预测全球变暖会导致热带气旋频率增加，但高分辨率模型直接模拟的结果却显示频率下降。

支持理论与争议：
- Camargo等（2014）发现，仅包含中层熵亏缺（entropy deficit）和潜在强度的GPI能模拟出气候变暖下的热带气旋频率下降。
- Emanuel（2013）的降尺度研究表明，CMIP5模型下热带气旋活动可能增加，与多数模型的直接模拟结果矛盾，凸显了环境参数选择对结论的影响。

3. 降尺度技术的应用

区域气候模型（Regional Climate Models, RCMs）和统计-动力降尺度方法被用于弥补全球模型的不足。例如：
- 区域模型：Knutson等（2008）通过18公里分辨率的区域模型模拟北大西洋飓风，发现21世纪末强飓风频率可能翻倍（图6）。
- 合成路径法：Emanuel（2006）提出基于环境场生成合成气旋路径的方法，用于评估登陆风险，但CMIP3与CMIP5的降尺度结果差异显著，可能与海温模式变化有关。

技术挑战：
- 区域模型的性能受边界条件偏差影响（Caron和Jones 2012），且高分辨率计算成本高昂。
- 降尺度结果对海温异常模式敏感，例如Bender等（2010）通过双重降尺度（区域模型+飓风预报模型）预测了强飓风增加，但依赖特定的增暖情景。

4. 多时间尺度的预测能力

气候模型在季节内至年代际尺度上的预测取得进展：
- 季节内尺度：MJO（Madden-Julian Oscillation）的模拟改进提升了1-3周热带气旋活动的预测能力（ECMWF系统表现突出，图8）。
- 年代际预测：Smith等（2010）和Caron等（2014）发现，初始化的耦合模型对北大西洋飓风活动的5-9年预测具有一定技巧，但部分技能源于海温持续性而非真正的动力过程。

局限性：
- MJO模拟仍存在相位传播过快或强度不足的问题（Vitart等2010）。
- 年代际预测的可靠性受外部强迫（如气溶胶）和内部变率的共同影响（Knutson等2013）。

5. 气候变化下的热带气旋响应

高分辨率模型和耦合实验表明：
- 一致性结论：全球热带气旋频率可能减少，但强风暴比例和降水率增加（Knutson等2010）。
- 区域差异：北大西洋和西北太平洋的响应受海温异常空间分布调控（Vecchi和Soden 2007）。
- CO₂直接效应：美国CLIVAR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减少，而均匀增温2K的影响因模型而异（Walsh等2015）。

争议点：
- 耦合与非耦合模型的差异：Bell等（2013）发现耦合实验中强度增加不明显，可能与海洋反馈有关。
- 海温模式的不确定性：Murakami等（2012）指出区域预测需校正模型偏差。

6. 模型敏感性与未来方向

文章总结了当前模型的不足：
- 分辨率与参数化：虽然高分辨率改善气旋结构（如大西洋东风波），但对强度模拟仍不足（Roberts等2015）。
- 对流方案：Kim等（2012）显示，对流参数化微小调整会显著改变气旋生成频率。
- 追踪算法：不同方法对弱气旋的识别差异导致频率估算偏差（Camargo 2013）。

未来建议：
- 发展无缝预测（从天气到气候尺度）和多物理集合实验。
- 加强基础理论研究，如热带气旋生成的气候学控制机制（通过理想化实验或自聚集对流研究）。

论文的意义与价值

这篇综述系统整合了40余年来热带气旋模拟的关键进展，揭示了模型在预测不同时间尺度活动中的能力与局限，尤其强调了环境场分析、降尺度技术和多模型比较的重要性。其科学价值在于：
1. 为气候模型开发提供历史视角，指出分辨率、参数化和海温模式的核心作用；
2. 提出热带气旋生成理论的不足是限制可靠预测的主要瓶颈；
3. 推动了季节内至年代际预测的业务化应用（如ECMWF的集合预报）。

此外，文章对政策制定者的启示在于：区域风险评估需结合多模型、多方法，同时警惕海温模式不确定性对极端事件预测的影响。