《Earth's Future》：Historical and Projected Tropical Cyclone Characteristics in SPEAR Large Ensemble Simulations
本研究分析了无缝预测与地球系统研究模型（Seamless System for Prediction and EArth System Research, SPEAR）大集合模拟中,未来预估与历史模拟相比热带气旋（Tropical Cyclone, TC）的气候学、变率及关键特征。研究预估热带气旋生成数量将显著减少,这一趋势部分可由饱和亏缺（Saturation Deficit, SD）的增加解释。空间分布上,除中太平洋地区SPEAR预估有所增加外,热带气旋生成在全球多数海盆均呈下降趋势。相应地,累积气旋能量（Accumulated Cyclone Energy, ACE）、登陆频率及热带气旋降水（Tropical Cyclone Precipitation, TCP）亦呈下降趋势。气候学TCP的预估减少主要由热带气旋出现频次降低驱动,而每个热带气旋的降水量以4.64%/K的比率增加,可与TCP"气候尺度"相当。TCP尺度预计到本世纪末在半径上扩展约31.5 km。相对于海盆热带气旋总数的归一化热带气旋登陆频率显示,由于生成区域向极偏移,低纬度登陆减少;然而登陆热带气旋的强度略有增加。热带气旋移动速度因西风减弱而预计在高纬度减慢,在低纬度加速。标准内部气候变率模式在变暖下未发生根本性变化,热带气旋对这些模式的响应与当前条件相比基本保持不变。
热带气旋是自然界中最具破坏性的天气系统之一,每年在全球范围内造成巨大的社会经济损失。当前相对于工业化前时期已发生的1.0 K全球变暖已影响大气诸多方面,包括热带气旋及其相关破坏性。以往研究基于观测证据和模式预估已报道变暖气候中热带气旋生成频率、空间分布、强度、降水和移动速度等多方面的变化,但对于生成频率和移动速度等性质的预估仍存在不确定性,亟待深入研究。
关于全球变暖下热带气旋生成的变化,已有大量关注。全球每年约形成85个热带气旋,近几十年来该数量保持相对稳定,尽管存在区域变化。然而现有观测记录相对较短,限制了识别长期趋势的能力;再分析数据集虽提供更长的时间覆盖,但也存在可靠性问题。环流模式（General Circulation Model, GCM）的趋势同样不确定:虽然多数GCM预估变暖下热带气旋生成减少,但部分模式预估增加。此外,不同海表温度（Sea Surface Temperature, SST）变暖模式通常会产出不同的热带气旋活动预估。基于约40年可靠观测或单一模式模拟的分析可能混淆强迫气候趋势与内部变率。
热带气旋活动的其他方面,如移动速度和登陆频率,也已被广泛分析。例如,少数研究预估东亚沿岸热带气旋登陆率将下降,但关于热带气旋路径变化仍缺乏共识。类似地,虽有研究报道观测到的热带气旋移动速度减缓,但该结论因卫星时代前数据可靠性问题而受到质疑。
厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）、太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）和大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO）等气候变率模式对热带气旋活动有重要影响。众多研究表明这些气候模式的行为可能在变暖气候下发生变化,但其对热带气旋活动调制作用是否会改变仍高度不确定。
大集合（Large Ensemble, LE）气候模拟相较于传统单一模拟和观测记录具有优势,因其能更清晰地区分外强迫信号与内部气候变率。许多研究已利用LE模拟分析历史和预估热带气旋特征及年际变率。地球物理流体动力学实验室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL）开展了使用无缝预测与地球系统研究模型（SPEAR）的长期大集合模拟（1921–2100）,包含30个集合成员,为研究热带气旋特征如何响应长期变暖和内部气候变率提供了宝贵机会。Murakami等人利用SPEAR LE模拟预估未来全球和北大西洋域热带气旋频率减少;Xi等人进一步检验了太平洋和大西洋海盆热带气旋季节时间的预估变化;Wang等人则预估未来接近西欧的热带气旋将减少。虽然这些研究凸显了SPEAR在预估未来热带气旋行为方面的实用性,但尚未有研究系统利用SPEAR LE模拟检验其他海盆的热带气旋变化或相关的水文气候条件变化。Chu等人评估了SPEAR的历史表现（1921–2010）,发现其能较好地再现热带气旋生成模式、季节性、登陆频率和降水,以及ENSO、PDO和AMO等关键变率模式及其对热带气旋活动的调制作用。
本研究正是基于此,利用SPEAR LE模拟检验未来热带气旋生成频率、登陆特征、移动速度和相关降水的变化,以及气候变率模式与热带气旋活动关系的可能变化。
研究人员采用的主要关键技术方法包括:SPEAR模式为完全耦合配置,从1921年连续积分至2100年,历史模拟（1921–2014）由自然、人为和火山强迫驱动,未来预估（2015–2100）采用共享社会经济路径5（Shared Socioeconomic Pathway 5, SSP5-8.5）高排放情景,模式大气水平分辨率为0.5°,海洋为1°（热带加密至0.3°）,共30个集合成员。热带气旋识别采用Harris等人开发的算法,基于6小时间隔的海平面气压、10米风场和300–500 hPa平均温度资料,满足暖核、最大风速、持续时间和形成纬度四项标准。研究使用热带气旋生成指数（Tropical Cyclone Genesis Index, TCGI）解释大尺度环境变化对热带气旋生成变化的影响,该指数基于绝对涡度、柱积分饱和亏缺、潜在强度、垂直风切变和纬度等因子构建。热带气旋降水提取自Chu等人的方法,通过极坐标变换和方位平均获得径向降水分布,定义降水率首次低于0.5 mm/h的半径为降水尺度。登陆检测利用Python Shapely库的交叉检测算法,将全球海岸线分为24段进行统计。研究还采用海表温度资料表征长期趋势和提取内部变率模态,使用经验正交函数分析、线性回归去除ENSO信号等方法分离各气候模态影响,并运用Mann–Whitney U检验和错误发现率（False Discovery Rate, FDR）校正进行统计显著性检验。
研究背景与问题:热带气旋是最具破坏性的自然灾害之一,全球变暖已对其产生多方面影响。尽管热带气旋强度和降水增加已有广泛共识,但生成频率、移动速度等性质的预估仍不确定,且内部气候变率对热带气旋活动的调制作用在变暖下是否会改变也亟待研究。此外,观测记录较短、模式分辨率限制以及不同模式间预估差异等问题,使得需要借助大集合模拟来分离强迫信号与内部变率。本研究的科学意义在于系统揭示SPEAR大集合模拟中热带气旋多维度特征的演变规律及其物理机制,为未来气候变化下的热带气旋风险评估提供科学依据。该论文发表于《Earth's Future》。
SST变暖模式:通过30个集合成员平均消除内部变率贡献,分离长期SST趋势的空间型。历史期（1950–2014）SPEAR模拟热带SST增暖趋势为1.0±0.1 K/百年,未表现出典型的厄尔尼诺或拉尼娜型增暖型态,纬向和经向趋势梯度接近零,与HighResMIP多数GCM一致。未来期（2015–2050）增暖幅度增至约3.0±0.2 K/百年,增暖型态呈现类厄尔尼诺型。
热带气旋频率:全球平均热带气旋数从历史期（1971–2000）的94.95±9.22个预估降至世纪末（2071–2100）的69.38±9.15个,减少约26.9%。空间上南半球各海盆显著减少（平均-45.19%,南太平洋达-50.68%）,而北半球中太平洋显著增加（+62.16%）。TCGI分析表明,潜在强度的增加对生成有正贡献,但饱和亏缺的负贡献更为主导,导致整体TCGI下降。同时南半球垂直风切变的增加也有负贡献。
热带气旋强度与ACE:全球ACE从历史期131.01±16.54×10
4 m
2/s
2降至95.2±16.18×10
4 m
2/s
2,主要由路径密度变化而非强度变化驱动。空间上ACE在西北太平洋副热带和中太平洋增加,其他海域减少。平均热带气旋强度略有但统计显著地增加,从24.76±4.93 m/s增至24.93±4.93 m/s,概率密度函数显示向更强风暴的小幅偏移,但由于模式分辨率限制,高强度热带气旋变化不明显。强度变化存在区域差异:北半球大部分海域增强,而南半球尤其南印度洋减弱。
热带气旋登陆与登陆强度:未来登陆频率沿几乎所有海岸线均预估下降,全球从26.17±5.59次/年降至16.36±5.54次/年,北大西洋沿岸减少最大（-51%）。归一化登陆频率（与盆地热带气旋总数之比）显示,低纬度登陆减少而高纬度变化不大,这与生成区域向极偏移有关。热带气旋登陆强度略微增强,全球均值从23.65 m/s增至23.93 m/s,其中南中国海、日本、夏威夷、墨西哥和美国东岸有显著增加,但马达加斯加显著减少。
热带气旋移动速度:全球平均移动速度无统计显著变化,但存在区域差异:低纬度（尤其热带北大西洋和东北太平洋）加速,高纬度显著减慢。高纬度减慢与中纬度西风减弱有关,低纬度加速与东风引导气流增强有关。
热带气旋降水:全球年均TCP率从0.06 mm/d略降至0.05 mm/d。分解分析表明,气候学TCP的减少主要由热带气旋出现频次降低驱动,而每TC的TCP率增加起次要作用,后者在西北太平洋部分抵消了频次的负贡献。TCP率增幅最大发生在沿TC运动方向的象限,100–250 km半径处最强。全球TCP率增加12.77%/百年,以2.75 K的SST增暖推算,气候尺度为4.64%/K（内核约3.38%/K,外区约6.65%/K）。TCP尺度从历史期386.60±15.16 km显著增至418.14±39.64 km,南太平洋增幅最大（65.02 km,15.20%）,南印度洋最小（21.82 km,5.3%）。较强TC通常比较低强度TC经历更大的尺度扩展。
气候变率模式与热带气 cycl响应:ENSO在未来变得更频繁且振幅增强,但空间型态未根本改变;PDO特征无统计显著变化;AMO各相位持续时间缩短、振幅略减。热带气旋对这些模式的响应基本保持不变,ENSO-TC关系略有增强,PDO-TC关系略有减弱但统计上不显著,AMO-TC响应因SST信号减弱而减弱。
研究总结与结论:SPEAR大集合模拟揭示了变暖气候下热带气旋生成、ACE、登陆频率、TCP和移动速度的显著变化,但热带气旋与标准气候变率模式的关系大多未变。热带气旋生成在多数海盆呈下降趋势,中太平洋除外,这与类厄尔尼诺型增暖有关。TCGI中饱和亏缺的负贡献主导了生成变化。登陆频率下降主要源于生成总数减少,低纬度登陆减少与生成区极移有关,但高纬度登陆未增因TC多东转进入开阔洋面而非朝向陆地。TCP减少主要由TC频次降低驱动,每TC降水率增加,气候尺度为4.64%/K。TCP尺度扩展约31.5 km。翻译速度在高纬度减慢、低纬度加速。内部气候变率模式未发生根本性变化,热带气旋对其响应基本保持不变。
研究也存在若干局限:缺乏6小时间隔或日尺度的三维关键变量数据,限制了对某些机制（如TCP尺度扩展的驱动因子）的深入探索;SPEAR热带气旋路径在登陆统计上存在偏差,部分路径在登陆前突然终止;历史期热带太平洋SST增暖型态与观测存在偏差;模式分辨率限制了对热带气旋强度的准确表征,影响了对强度变化预估的信心。未来工作需要更详细研究登陆热带气旋,特别是其极端降水及其空间分布,以提供变暖气候下灾害潜力变化的关键信息。
