北大西洋热带气旋活动未来变化的高分辨率动力降尺度研究：频率减少与强度不确定性的新证据

本研究针对全球气候模式(CMIP6)对热带气旋(TC)活动模拟存在的分辨率限制，通过WRF模式(20 km)对偏差校正后的CMIP6数据集进行动力降尺度分析，评估了SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下北大西洋盆地(2071-2100年)TC活动的未来变化。研究发现TC密度在热带和中北大西洋显著减少，年均TC频率显著降低，尽管强飓风(3级以上)数量在SSP5-8.5情景下增加，但强度变化未呈现统计学显著信号。该研究证实了未来TC预测的不确定性，为气候适应策略提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变暖的背景下，热带气旋(tropical cyclones, TCs)作为最具破坏性的自然天气现象之一，持续威胁着热带和亚热带地区。这些风暴系统带来的强风、暴雨、风暴潮和洪水等复合灾害，不仅造成巨大经济损失，更导致重大人员伤亡。以北大西洋盆地为例，这里孕育了全球约16%的热带气旋，2005年的卡特里娜飓风和2017年的哈维、艾尔玛和玛丽亚等飓风都造成了灾难性影响。

然而，准确预测未来热带气旋活动变化面临巨大挑战。当前全球气候模式(CMIP6)由于分辨率限制，难以捕捉热带气旋生成和发展中的小尺度过程，如对流、飓风眼壁结构、眼壁置换循环以及海气相互作用等。尽管高分辨率模式比较计划(HighResMIP)提供了评估多模式TC预测的框架，但在北半球洋盆的未来TC预测仍存在不确定性，特别是对强飓风频率存在明显低估。

为解决这一科学难题，由Albenis Pérez-Alarcón领衔的研究团队在《iScience》上发表了最新研究成果。研究团队采用动力降尺度方法，使用天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting, WRF)以20公里水平分辨率对偏差校正后的CMIP6数据集进行降尺度处理，系统评估了在中等(SSP2-4.5)和高排放(SSP5-8.5)情景下，北大西洋盆地21世纪末(2071-2100年)热带气旋活动的未来变化。

研究团队采用WRF模式v4.2.1对偏差校正的CMIP6全球数据集进行动力降尺度，使用CyTRACK算法进行TC检测和追踪，分析包括TC频率、强度、累积降水等关键指标，并评估海表温度(SST)、垂直风切变(VWS)和大尺度引导流等环境场的变化，通过Mann-Whitney检验统计显著性。

评估历史时期降尺度热带气旋活动

研究人员首先评估了1985-2014年历史时期的模拟效果。WRF-HIST模拟捕捉了TC频率的年际变化，平均每年检测到13.5个TC(±3.0)，与HURDAT2观测数据的12.4个TC(±4.4)相当。虽然WRF-HIST未检测到TC数量的显著趋势，但WRF-ERA5和HURDAT2显示了每十年2.4个TC的显著上升趋势。模拟与观测的TC空间密度模式基本一致，但在西加勒比海错过了局部最大值。强度方面，两种WRF模拟都倾向于再现中心气压方面风速较弱的TC，但对强度的误报导致累积气旋能量(ACE)的整体低估。

未来变化预测

对未来时期的分析显示，与历史时期(1985-2014年)相比，两种情景下热带和中北大西洋盆地的TC密度均减少，在SSP5-8.5情景下更大区域呈现统计显著性，包括亚速尔群岛、加那利群岛和伊比利亚半岛之间的区域。虽然统计不显著，但西欧的TC密度也有所减少。相比之下，古巴和美国东部的TC密度预计略有增加，但除美国东部的两个孤立格点外，即使在高排放情景下，增加也不显著。

年均TC数量显示明显减少，但SSP5-8.5情景下的强飓风(3级以上)数量比1985-2014年气候态显著增加超过一倍。SSP2-4.5情景下热带风暴和强飓风强度的预计变化不显著。尽管存在这些差异，这些结果与NATL盆地TC密度的整体减少一致，但揭示了在"中等"和"高"排放情景下TC频率的略微不同响应。

尽管热带风暴和飓风的平均数量整体减少，但两种情景下未来TC的风压关系与历史时期相似。SSP5-8.5情景描绘了风速高于50 ms^-1(即强飓风强度)时中心气压下降曲线比历史时期更缓慢，证实了强飓风频率的显著增加。基于最小MSLP的TC寿命最大强度(LMI)未观察到显著变化。虽然SSP2-4.5情景的平均LMI预计降低约0.2%，但SSP5-8.5的平均LMI略有增加约0.1%。

基于偏差校正CMIP6数据集的降尺度模拟预测，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，ACE整体显著减少约29%和18%。这反映了TC频率的预计减少，包括TC总数、热带风暴和飓风，而未来的TC持续时间分布与历史时期相似，平均TC寿命略有差异。根据结果，TC在SSP2-4.5(SSP5-8.5)情景下将持续约8.6(8.9)天，与历史时期的8.7天非常接近。

年TC累积降水的未来预测遵循两种情景下TC密度和寿命的未来变化。在SSP2-4.5情景下，热带和西北大西洋(北纬20°以北)和墨西哥湾的年TC累积降水呈现统计显著减少约60-80%，而在SSP5-8.5情景下，热带和东大西洋的减少为主。此外，虽然模拟预测美国南部内陆年TC累积降水增加(>约200%；p < 0.05)，但SSP2-4.5模拟在该区域显示不显著变化。

海表温度(SST)在热带NATL上整体统计显著增加约1.4°C-1.6°C和约2.4°C-2.8°C，而垂直风切变(VWS)在两种情景下呈现更复杂的模式，在NATL盆地内表现出不同的行为。虽然VWS在SSP2-4.5下预计在盆地大部分地区增加，在加勒比海和小安的列斯群岛东北部统计显著，但在SSP5-8.5情景下，墨西哥湾西南部和加勒比海地区注意到VWS上升约12-18%(p < 0.05)，随后是非洲西部(北纬10-20°之间)约6-12%的区域。有趣的是，两种情景都预测西大西洋的VWS减少，尽管SSP2-4.5下统计不显著。

研究结论与意义

这项研究通过动力降尺度方法揭示了北大西洋盆地热带气旋活动的未来变化趋势。最重要的发现是TC频率的显著减少，特别是在热带和中北大西洋地区，这一结果与全球变暖背景下TC数量减少的评估一致。然而，强度变化缺乏统计显著信号，与一些先前研究的强度增加预测存在差异，这突显了未来TC预测中的不确定性。

研究表明，热带大西洋垂直风切变的预计增加创造了不利于TC的环境，支持了上述TC频率的整体减少。这些垂直风切变预测先前在CMIP5和CMIP3模式中已被注意到，这与21世纪太平洋沃克环流的减弱有关。

尽管存在与先前工作的差异，但未来的ACE预测与TC频率的整体减少以及强度和持续时间缺乏变化一致。此外，年TC累积降水也预计在北大西洋盆地大部分地区减少，与TC频率的整体减少一致。预计6小时TC降水的统计显著增加与TC降雨率的稳健预计增加一致。这一预测可能与物理机制有关，包括变暖气候中对流层水汽含量的显著增加以及水分汇聚而非局部蒸发作为TC降水主要水分来源的一致作用。

该研究还指出了当前模式的局限性：20公里的水平分辨率仍然过于粗糙，无法捕捉TC生成和发展中涉及的小尺度过程；使用单一的WRF物理组合可能带来不确定性；CMIP6模拟中存在的固有不确定性，特别是其无法表示赤道太平洋SST梯度，可能通过侧边界条件传播到区域模式中，影响区域TC预测的可靠性。

总之，这项研究强调了在变暖世界中北大西洋盆地TC活动的减少趋势，证实了未来TC预测中的不确定性，并证明了在降尺度TC活动时持续改进区域数值模式分辨率和物理组合的必要性。这些发现为制定减缓和适应战略提供了重要科学依据，有助于减轻未来TC的相关影响。