南京信息工程大学（NUIST）的Ke Peng、Jing-Jia Luo*和Yan Liu团队在《Advances in Atmospheric Sciences》期刊（2023年7月）发表了一项关于季节性热带气旋（Tropical Cyclone, TC）活动预测的研究。该研究基于NUIST-CFS1.0（南京信息工程大学耦合气候预测系统1.0版）的集合预报系统，评估了北半球热带气旋活动的预测能力，重点分析了1982—2019年期间5月至11月的 hindcasts（后报）数据。

学术背景

热带气旋（TC）是全球最具破坏性的自然灾害之一，其季节性活动预测依赖于对大气和海洋环境条件的准确模拟。前人研究表明，热带气旋的生成和强度与海表温度（Sea Surface Temperature, SST）、低层涡度（Vorticity, Vor）、垂直风切变（Vertical Wind Shear, VWS）等环境因子密切相关，而ENSO（El Niño-Southern Oscillation，厄尔尼诺-南方振荡）等大尺度气候模态对热带气旋活动的年际变化具有显著影响。然而，由于气候模式的水平分辨率限制，热带气旋活动的预测仍存在较大不确定性。本研究旨在评估NUIST-CFS1.0系统对北半球热带气旋活动的预测能力，并探讨其预测技巧的来源和局限性。

研究流程

1. 数据与模型设置

   • 使用NUIST-CFS1.0耦合气候预测系统，其大气分量采用ECHAM4模型（水平分辨率T106，约1.1°×1.1°），海洋分量为OPA8.2模型（赤道附近经向分辨率0.5°）。
     
   • 初始化方法：采用SST-nudging（海温松弛）方案，将模型SST与NCEP（美国国家环境预报中心）的每日观测SST进行同化。生成9个集合成员，通过扰动耦合物理过程和初始条件来表征不确定性。
     
   • 研究时段：1982—2019年每年5月初始化的7个月 hindcasts（预测时段为5—11月）。
     

2. 热带气旋检测与追踪

   • 采用基于相对涡度的客观追踪算法，识别模型输出的热带气旋样涡旋。具体步骤包括：
     
     • 计算850 hPa、700 hPa和600 hPa的平均相对涡度，并过滤小尺度波动。
       
     • 定义涡旋中心为局部涡度最大值（>5×10⁻⁶ s⁻¹）。
       
     • 通过时间连续性（6小时内移动距离°）和空间一致性（垂直结构连贯性）筛选热带气旋。
       
     • 强度阈值：10米风速≥12.8 m/s（对应热带风暴级别）。
       

3. 预测技能评估

   • 对比NUIST-CFS1.0的 hindcasts 与IBTrACS（国际热带气旋最佳路径数据集）的观测数据，计算热带气旋生成密度、路径密度、频率和累积气旋能量（Accumulated Cyclone Energy, ACE）的相关系数和均方根误差（RMSE）。
     
   • 分析环境因子（SST、VWS、低层涡度、中层相对湿度）的预测能力，并探讨其与热带气旋活动的关系。
     

主要结果

1. 热带气旋活动的空间分布

   • NUIST-CFS1.0能够较好地再现热带气旋生成和路径密度的整体分布，但在所有海盆中均低估了热带气旋频率和ACE，主要受限于大气分量的低分辨率。
     
   • 在西北太平洋（Western North Pacific, WNP），模型预测的生成位置较观测偏东；在北大西洋（North Atlantic, NA），生成中心远离非洲西海岸，且墨西哥湾和美国东海岸的热带气旋活动显著减少。
     

2. 年际变化预测能力

   • 西北太平洋（WNP）：模型对ACE的年际变化预测较好（相关系数0.65），但与ENSO相关的WNP热带气旋频率预测能力较弱（相关系数0.24）。进一步将WNP分为东（WNP-E）和西（WNP-W）子区域后，模型对WNP-E的ACE预测能力显著提升（相关系数0.72）。
     
   • 东北太平洋（Eastern North Pacific, ENP）和北大西洋（NA）：模型对ENP和NA的热带气旋频率和ACE的年际变化预测能力较强（相关系数分别达0.58和0.54），这与模型对热带SST相关变量（如ENSO指数、SST_rel）的高预测技巧密切相关。
     

3. 环境因子与预测偏差

   • 模型在预测热带SST（如 Niño-3.4 指数）和大气环流方面表现优异（相关系数>0.7），但对WNP热带气旋频率与东印度洋（Eastern Indian Ocean, EIO）SSTA的负相关关系未能准确捕捉。
     
   • 预测的生成位置偏差导致热带气旋与环境因子的关系被错误表征。例如，在NA区域，模型低估了墨西哥湾的生成活动，导致ENSO与热带气旋频率的负相关关系被高估。
     

结论与意义

NUIST-CFS1.0在北半球热带气旋活动的季节性预测中展现出较高的技巧，尤其是在ENP和NA海盆。其优势源于对热带SST年际变化的准确模拟（如ENSO和SST_rel）。然而，受限于分辨率，模型对WNP热带气旋频率的预测能力较弱，且生成位置的系统性偏差影响了环境因子与热带气旋活动的关联性。研究建议，未来可通过提高模式分辨率或改进物理参数化来优化热带气旋生成的模拟。

研究亮点

1. 预测技巧：NUIST-CFS1.0能够准确预测ENP、NA和WNP-E的ACE年际变化（除WNP热带气旋频率外）。
   
2. 创新性方法：采用耦合SST-nudging初始化方案和集合预报技术，显著提升了热带气候变量的预测能力。
   
3. 应用价值：研究成果为改进季节性热带气旋活动预测提供了科学依据，尤其对灾害风险评估和防灾规划具有重要参考价值。
   

其他有价值的内容

研究还对比了NUIST-CFS1.0与其他国际主流预测系统（如英国气象局GLOSEA5、GFDL FLOR）的性能，发现其预测技巧与高分辨率模型相当，凸显了其在业务化预测中的潜力。