《Tropical Cyclone Research and Review》：Evaluation of rainfall characteristics and intensity of tropical cyclones from global and regional reanalysis products over the North Indian Ocean
编辑推荐：
热带气旋（TCs）期间降雨的精确估计与预报对于防灾准备和洪涝淹没模拟至关重要。再分析产品通过提供多种地表、次表层及环境参数，为理解与热带气旋相关的降雨变化物理机制提供了机会。本研究采用全球最佳再分析产品之一的ERA5，以及适用于南亚季风区的区域最佳再分析产品之
热带气旋（TCs）期间降雨的精确估计与预报对于防灾准备和洪涝淹没模拟至关重要。再分析产品通过提供多种地表、次表层及环境参数，为理解与热带气旋相关的降雨变化物理机制提供了机会。本研究采用全球最佳再分析产品之一的ERA5，以及适用于南亚季风区的区域最佳再分析产品之一——印度季风资料同化与分析（IMDAA），针对北印度洋（NIO）两个海盆在季风前期和季风后期不同强度类别热带气旋的平均降雨特征开展评估，并以卫星-雨量计融合降雨产品作为参照。由于参考降雨资料可获得性限制，本研究分析了2015年10月至2023年12月期间在北印度洋生成的41个热带气旋。尽管两种再分析产品均刻画了平均热带气旋降雨型，但对于北印度洋两个海盆所有热带气旋强度类别的强平均降雨均存在低估。在增强阶段，两种再分析产品在热带气旋内核区对平均降雨的低估幅度约为50%。除阿拉伯海季风后期热带气旋外，IMDAA在北印度洋两个海盆逐日峰值降雨估计中的误差较ERA5改善了5%–15%。鉴于热带气旋强度是决定降雨特征及相关灾害的主要因素之一，研究人员还利用两种再分析资料中的最大持续风速（MSW）和估计中心气压（ECP）对这41个热带气旋的强度进行了计算，并与印度气象局（IMD）最佳路径资料进行了评估。IMDAA在孟加拉湾（BoB）ECP偏差方面较ERA5改善了1–3 hPa，而对于阿拉伯海季风前期热带气旋，ERA5表现优于IMDAA。两种再分析产品在阿拉伯海季风后期热带气旋的ECP中均出现了最大的19–20 hPa误差。此外，IMDAA在北印度洋两个海盆热带气旋MSW估计的偏差与误差方面均较ERA5显示出显著改进。本研究结果对于利用全球和区域再分析产品开展北印度洋热带气旋历史分析具有重要意义，同时也为评估未来预估的热带气旋降雨及其相关灾害、服务灾害风险降低规划提供了框架。
该文发表于《Tropical Cyclone Research and Review》，围绕北印度洋热带气旋降雨与强度表征这一关键问题，系统比较了全球再分析产品ERA5与区域再分析产品印度季风资料同化与分析（IMDAA）在孟加拉湾和阿拉伯海两个海盆中的适用性。研究背景在于，热带气旋登陆前后常伴随强风、风暴潮与极端降雨，极易造成洪涝、内涝和严重社会经济损失。尽管近年来数值天气预报（NWP，数值天气预报）模式、资料同化技术和观测网络显著进步，使北印度洋热带气旋路径与强度预报能力明显提升，但热带气旋降雨预报精度仍相对不足。热带气旋降雨具有显著的时空非均匀性，其分布受到非对称结构、地形作用以及复杂物理动力过程共同影响，因此对其开展基于长时间序列高分辨率资料的定量评估具有必要性。再分析资料同时提供降雨、海平面气压、近地风场等多种诊断变量，是研究热带气旋结构和环境场的重要数据来源，但其在热带气旋条件下常存在强度低估及环境变量偏差，特别是全球再分析资料受限于分辨率，往往难以充分解析中尺度和局地过程。基于此，研究人员以ERA5和IMDAA为对象，评估其对北印度洋热带气旋降雨及强度的刻画能力，以支撑历史气候分析与灾害风险评估。
在技术方法上，研究使用2015年10月1日至2023年12月期间北印度洋41个热带气旋个例，样本来自印度气象局（IMD）最佳路径资料；参考降雨数据采用IMD与NCMRWF联合研制的0.25°×0.25°卫星-雨量计融合（MSG）逐日降雨产品。研究提取ERA5与IMDAA逐小时降雨资料累积生成日降雨，并使用0000 UTC的平均海平面气压（MSLP）与10 m风场评估估计中心气压（ECP）和最大持续风速（MSW）。分析采用热带气旋中心合成方法，结合偏差、相关系数、平均绝对差（MAD）和均方根差（RMSD）等统计指标，并以Student t检验评估95%置信水平上的显著性。
3.1. Evaluation of TC rainfall from ERA5 and IMDAA
研究结果首先表明，两种再分析资料均能够再现不同强度热带气旋的平均降雨空间型，且都反映出季风前期热带气旋降雨通常强于季风后期这一基本事实。然而，无论在孟加拉湾还是阿拉伯海、无论热带低压/深低压（D+DD）、气旋性风暴/强气旋性风暴（CS+SCS）还是很强气旋性风暴及以上（≥VSCS）类别，ERA5和IMDAA对强降雨均存在系统性低估。尤其在强热带气旋条件下，随着强度增加，低估幅度进一步增大。研究还指出，平均降雨一般随离风暴中心距离增加而减弱，最强平均降雨通常位于气旋西侧与北侧地理象限，而两种再分析产品在重到大暴雨范围上的刻画偏小，同时在南侧和东侧部分区域对弱到中等降雨存在高估。总体上，IMDAA在平均降雨表征方面优于ERA5。
研究进一步从风暴中心径向结构角度分析了日平均降雨变化。结果显示，热带气旋内核区降雨显著高于外围区，季风前期内核区降雨约为季风后期的两倍。两种再分析产品在定性上能够反映这种径向分布规律，但在增强阶段，内核区平均降雨低估约50%。对于≥VSCS强度个例，这种低估在距气旋中心1.5°以内尤为明显。研究还发现，随着热带气旋强度增强，外围区降雨随半径增大的衰减更陡，这一特征在参考资料与再分析资料中均有体现。
围绕24 h强度变化阶段的分析进一步揭示了降雨与强度演变的联系。研究将样本划分为增强、稳定和减弱三个阶段，结果表明增强期和稳定期的平均降雨强度普遍高于减弱期。对北印度洋两个海盆而言，季风前期个例总体仍表现出更强降雨，且阿拉伯海季风前期热带气旋在多个阶段中呈现最强平均降雨。对于孟加拉湾季风前期热带气旋，增强阶段内核区平均降雨较稳定阶段高约50%；而季风后期增强与稳定阶段之间差异不显著。减弱阶段则表现为平均降雨面积和强度均明显收缩。综合比较显示，IMDAA对这些阶段性降雨变化的再现总体优于ERA5。
在极端降雨能力评估方面，研究以逐日最大小时累积得到的最强日降雨为对象，与MSG资料进行比较。结果显示，ERA5对最强日降雨存在30%–50%的系统性低估；IMDAA偏差较小，并在多数情形下取得更优的MAD和RMSD。除阿拉伯海季风后期外，IMDAA在北印度洋两个海盆峰值日降雨估计的RMSD相对ERA5改善了5%–15%。这一结果表明，区域再分析资料受益于更精细的分辨率以及更适合区域特征的模式与资料同化体系，在极端降雨刻画上具有一定优势。
3.2. Evaluation of TC intensity from ERA5 and IMDAA
除降雨外，论文还系统评估了再分析资料中的热带气旋强度刻画能力。基于合成平均海平面气压（MSLP）场，研究发现两种再分析资料都能够反映出随热带气旋强度增强而中心气压降低、以及季风前期平均气压低于季风后期的总体结构特征。季风前期热带气旋的显著气压梯度主要位于气旋西侧，而季风后期则更多位于南侧，这一季节差异在两个海盆中均较一致。对于阿拉伯海季风后期高强度个例，IMDAA的平均MSLP显著高于ERA5，提示其对强气旋中心压降的刻画仍存在不足。
以IMD最佳路径资料为参照，研究比较了两种再分析产品估计中心气压（ECP）的误差特征。结果表明，IMDAA在孟加拉湾的ECP偏差较ERA5改善约1–3 hPa，而在阿拉伯海季风前期ERA5优于IMDAA。两种资料在阿拉伯海季风后期都出现了最显著误差，ECP的RMSD达到19–20 hPa，主要与高强度（≥VSCS）个例的中心气压高估有关。ERA5整体上倾向于高估ECP约3–5 hPa，在阿拉伯海季风后期高估幅度更大；IMDAA在孟加拉湾也存在约2 hPa的高估，但偏差总体较ERA5更小。尽管IMDAA空间分辨率高于ERA5，但基于ECP反演热带气旋中心位置时，并未显示出对ERA5的明显改进。中心定位误差在ERA5中通常随气旋强度增强而减小，而IMDAA未表现出同样稳定的规律。
在10 m风场和最大持续风速（MSW）方面，两种再分析资料都刻画出了随热带气旋强度增强而近地风速升高的基本特征，且这一增强在季风前期比季风后期更突出。研究据此认为，这种更强的近地风结构可能与季风前期降雨更强的结果相一致。将再分析MSW与IMD最佳路径资料比较后发现，ERA5能够识别北印度洋全部热带气旋，但对≥VSCS类别的MSW刻画不足；IMDAA则无法捕捉极强气旋性风暴（ESCS）及以上、即MSW≥90 kt的强度水平。误差统计显示，ERA5对各强度范围MSW均表现为一致性低估，而IMDAA主要在强热带气旋条件下低估MSW。尽管IMDAA在相关系数方面未必优于ERA5，但其偏差、MAD和RMSD在北印度洋两个海盆均较ERA5明显改善，说明其在风强估计上具有更好的总体误差表现。
讨论部分强调，本研究证实了全球与区域再分析资料均可用于北印度洋热带气旋气候学分析，但在强降雨和强度极值刻画方面仍存在显著局限。ERA5和IMDAA都能较好再现不同海盆、不同季节和不同强度类别下热带气旋降雨与风压结构的基本形态，但对内核区强降雨和高强度气旋中心压降、最大持续风速的低估或高估，说明当前再分析系统对热带气旋核心中尺度过程、对流结构和快速增强阶段的解析仍不充分。论文同时指出，虽然更高分辨率通常意味着更细致的区域结构表征能力，但分辨率提高本身并不必然带来对热带气旋环境场和中心结构的全面改进；资料同化体系、模式物理过程及海洋观测资料密度同样是关键因素。作者还指出本研究存在若干限制，包括分析时段较短、部分强度类别样本量有限、降雨与MSLP/风场的时间匹配方式不同，以及最佳路径资料与再分析资料在强度时间平均定义上的差异，这些因素均可能引入不确定性。
研究结论部分可概括为：ERA5和IMDAA均能够捕捉北印度洋热带气旋平均降雨的主要空间分布特征，但对所有强度类别的强降雨均存在低估，且在增强阶段内核区平均降雨低估约50%。总体而言，IMDAA在平均降雨表示和峰值日降雨估计方面优于ERA5，除阿拉伯海季风后期外，其峰值降雨RMSD改善幅度为5%–15%。在热带气旋强度评估方面，IMDAA在孟加拉湾ECP偏差上优于ERA5，而阿拉伯海季风前期则ERA5表现更好；两者在阿拉伯海季风后期的ECP误差最大。尽管IMDAA分辨率更高，但在基于ECP的气旋中心定位上未明显优于ERA5。两种再分析资料在MSLP和10 m风场平均结构上总体一致，IMDAA在MSW偏差和误差方面优于ERA5，但两者均难以准确捕捉北印度洋强热带气旋的MSW。总体来看，本研究为利用全球和区域再分析资料开展北印度洋热带气旋历史分析、未来降雨风险评估以及灾害风险降低规划提供了重要依据。
