环境因子对热带气旋初始尺度及尺度演变的影响机制研究

《Atmosphere》：Environmental Contributions to Tropical Cyclone Initial Size and Size Evolution

　　

热带气旋（Tropical Cyclone，TC）尺度决定了灾害性大风、强降水和风暴潮的空间影响范围，然而调控TC尺度的环境过程仍认识不足。本研究利用2001至2023年全球TC观测资料，考察了TC初始尺度及其在增强过程中尺度演变的环流控制因子。在生成阶段尺度较大的TC，往往形成于垂直风切变（Vertical Wind Shear，VWS）较强且中层相对湿度较高的环境中，而海表温度（Sea Surface Temperature，SST）和相对SST的影响相对较小。环境因子对尺度增长的影响呈现明显的纬度依赖性：在低纬度地区，VWS与TC尺度增长的联系更为紧密；而在高纬度地区，SST和相对SST的重要性逐渐增强。环境相对湿度在两类纬度区间内均持续有利于TC尺度扩展。广义加性模型（Generalized Additive Model，GAM）与随机森林（Random Forest，RF）分析揭示，初始尺度和强度共同解释了TC尺度方差的一半以上，凸显了增强过程中强烈的结构记忆效应。在剔除上述风暴自身特征的影响后，相对SST成为影响TC尺度扩展最重要的环境因子。正相对SST异常结合充沛的环境水汽，可能增强外核深对流并促进径向风场扩展，为理解TC结构演变的环境调控提供了新见解。

论文解读：环境因子对热带气旋初始尺度及尺度演变的影响机制

一、研究背景与科学问题

热带气旋（Tropical Cyclone，TC）是最具破坏性的自然灾害之一，其登陆时常引发强风、暴雨和风暴潮，对沿海地区基础设施和社会经济活动造成严重影响。TC的危害程度不仅取决于强度，还取决于其结构特征，即风场和降水的空间分布范围。尽管强度相近的TC，其烈风半径可能差异显著，从而导致截然不同的灾害影响。因此，准确理解TC尺度及其演变规律，对于改进TC结构预报和灾害风险评估具有重要意义。

TC尺度通常以34节风半径（R34）等指标表征，R34是划定破坏性风场范围的核心指标，也是业务预警区域的重要参考。以往研究表明，TC尺度在整个生命史中具有显著持续性，初始尺度较小的风暴倾向于保持紧凑结构，而初始尺度较大的风暴往往维持较宽的风场。然而，TC尺度在增强过程中仍会持续演变，外风场可能扩展或收缩。当前尚有两个关键问题亟待回答：其一，不同初始尺度的TC是否形成于系统性不同的大气和海洋环境条件下，这些环境关联是否随风暴增强而持续；其二，在剔除初始结构记忆和风暴自身属性影响后，哪些环境因子与TC尺度演变关联最为密切。回答这些问题需要建立能够区分风暴特征与外部环境条件、并兼顾预测因子间非线性关系的分析框架。

二、研究内容与数据方法

研究人员利用2001至2023年全球TC观测资料，结合欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料（ERA5）和美国国家海洋和大气管理局最优插值海表温度（NOAA OISST）数据，系统考察了TC初始尺度与增强阶段尺度演变的环境调控机制。TC路径和尺度资料取自国际最佳路径档案库（IBTrACS）v4，统一采用美国国家飓风中心和联合台风预警中心两个业务机构的最佳路径数据集以保证一致性。研究以R34四个象限的算术平均值定义TC尺度，以40节作为TC生成判定阈值，共筛选出867个生命期最大强度和最大尺度均发生在30°S–30°N纬度带内的TC样本。增强阶段定义为从生成至首次达到生命期最大强度的时间段，共获得7946个6小时间隔观测样本。基于生成阶段和增强阶段R34分布的33rd和67th百分位数，将TC划分为小、中、大三个尺度类别。研究采用Mann–Whitney U检验结合Bonferroni校正进行组间差异显著性检验，并运用广义加性模型（Generalized Additive Model，GAM）刻画非线性响应关系，同时采用随机森林（Random Forest，RF）回归量化各因子的相对重要性。

三、主要研究结果

3.1 环境因子对TC初始尺度的贡献

研究首先考察不同初始尺度TC形成环境条件的系统性差异。三个尺度组别的平均生成纬度相近，表明生成纬度本身不足以区分不同初始尺度的TC。大气环境条件则呈现系统性差异：初始尺度较大的TC形成于VWS较强、中层相对湿度较高的环境中。大尺度组平均VWS为7.60 m s?1，显著高于小尺度组的6.20 m s?1；中层相对湿度从小的76.39%增至大的78.44%，大尺度组显著高于小尺度组。相比之下，SST和相对SST在三组间的统计分布高度重叠，均无显著差异。上述结果表明，TC初始尺度主要受大气环境条件调控，而非海洋表面热力条件；较强的VWS和较湿润的中层大气可能有利于外核深对流的广泛分布，从而促进较大初始风场的形成。

3.2 尺度演变环境贡献的纬度依赖性

增强阶段的环境调控呈现明显的纬度依赖性。低纬度（<15°）地区，VWS与TC尺度呈显著正相关，大尺度TC所处的VWS环境显著强于小尺度TC；高纬度（15°–30°）地区，VWS随尺度类别不呈单调递增关系，关联减弱。环境相对湿度则在两个纬度区间内均随TC尺度增大而系统性升高，大尺度TC持续出现在更湿润的环境中，该关系对分析区域选择不敏感。海洋热力条件的纬度依赖性则相反：低纬度地区几乎所有风暴均发育于超过28 °C的SST之上，SST和相对SST对TC尺度差异贡献有限；高纬度地区，大尺度TC的平均SST显著高于小尺度TC，SST对尺度类别的区分能力增强。综合来看，从生成到增强阶段，环境调控机制发生明显转变：大气动力过程主导初始尺度建立，增强阶段则呈现纬度依赖性，VWS在低纬度作用突出，海洋热力条件在高纬度重要性上升，环境湿度则在两类纬度区间内均持续有利于R34扩展。

3.3 环境因子与初始TC尺度的相对重要性

随机森林模型解释了TC尺度方差的58.1%，GAM解释了30.6%。RF重要性排序表明，初始尺度贡献了总相对重要性的三分之一以上，与TC强度共同解释了TC尺度方差的一半以上，定量证实了TC结构在增强过程中的强烈记忆效应。环境因子中，纬度重要性最高，VWS在剔除风暴特征后贡献相对有限；热力环境变量（相对湿度、SST和相对SST）的合计贡献超过动力环境变量，凸显热力条件在R34增长中的作用。GAM响应曲线显示，初始尺度在整个观测范围内呈现最强的正向响应，纬度呈显著非线性增长；相对SST呈现明显的非线性关系，相对湿度在大部分观测范围内维持正向贡献。针对24小时尺度变化率（ΔR34）的分析中，RF和GAM的解释方差分别降至30.2%和9.6%，表明短期尺度扩展包含更大的随机变异性。尽管如此，相对SST以18.5%的重要性占比成为ΔR34最重要的环境因子，略高于纬度（17.4%）、SST（17.5%）、相对湿度（16.2%）和VWS（15.0%）。按初始尺度分组进行的RF分析显示，小尺度组的首要环境预测因子为相对SST，中尺度组为绝对SST，大尺度组为纬度，表明与尺度演变关联最强的环境因子随初始尺度类别而变化，但热力条件在各组中均保持重要地位。

四、结论与讨论

本研究通过复合分析与非线统计模型相结合，揭示了TC尺度环境调控从生成到增强阶段的清晰转变。生成阶段，TC初始尺度主要与大气环境相关，大初始尺度TC优先形成于VWS较强、中层相对湿度较高的环境，而SST和相对SST虽提供总体有利的热力条件，却不能显著区分不同初始尺度。增强阶段，环境调控呈强纬度依赖性：VWS在低纬度与尺度增长关联更紧密，SST和相对SST在高纬度重要性上升，环境相对湿度则在两类纬度区间内均保持正向关联。统计建模表明，风暴自身属性主导绝对TC尺度的演变，初始尺度和强度共同解释半数以上方差，为TC结构记忆提供了定量证据。在环境因子中，相对SST在多项分析中均表现为重要因子，尤其在短期尺度变化方面表现突出。相对SST表征局地海洋热力异常相对于热带背景态的偏离，正相对SST异常结合充沛环境水汽，可增强眼墙外部的潜热释放，促进角动量向外围环流的径向输送，从而推动烈风风场在增强过程中的径向扩展。研究同时指出，R34估计存在约10%–40%或更高的观测不确定性，可能影响尺度分类和增长率估计的准确性，未来需采用独立卫星反演风场半径、替代尺度阈值及不确定性感知方法加以验证。这些发现为理解TC尺度演变中风暴记忆与环境条件的耦合作用提供了观测框架，也为区域海洋学研究（如鄂霍次克海阿尼瓦湾的物理海洋过程）中表征风暴风应力空间范围提供了参考依据。