利用综合观测和高分辨率再分析数据集评估澳大利亚热带气旋尺度趋势

《Atmospheric Research》：Assessing trends in tropical cyclone size over Australia using consolidated observations and high-resolution reanalysis datasets

　　

•通过结合观测数据与高分辨率再分析产品，为澳大利亚创建了一个热带气旋尺度数据集。
•近几十年来，澳大利亚的严重和非严重热带气旋尺度均有所减小。
•热带气旋尺度在陆地上下降最为显著，其次为近岸区域，海洋上下降最小。

热带气旋（Tropical Cyclone, TC）的尺度（size）通常不如其最大强度受到重视，但却是衡量风暴潜在影响范围的关键指标，因为它定义了破坏性风和强降雨可能发生的总面积。澳大利亚位于南半球，地处南太平洋和南印度洋两大热带气旋活动频繁的盆地之间，具有“双盆地”暴露特征，平均每季约发生9-11个TC。TC带来的强风、暴雨和洪水对农业、基础设施和人类生命造成严重影响，因此准确表征风暴结构至关重要。然而，尽管再分析数据集在TC研究中应用日益广泛，但澳大利亚地区仍缺乏一致、长期的TC径向范围记录。TC降雨受多因素控制，而TC尺度在决定降雨空间分布中起重要作用，对其变化的认知不足会加剧评估TC降雨影响和再分析数据集中雨带结构表征的不确定性。数据不足、监测技术和方法频繁变化以及操作预报实践的差异共同导致了这一知识空白。此外，现有最佳路径数据集主要服务于操作预报，并非针对空间结构指标如TC尺度优化。因此，研究人员开展本研究，旨在利用高分辨率区域再分析BARRA-R2（Bureau's Atmospheric high-resolution Regional Reanalysis for Australia-Regional Version 2）推导TC尺度，填补澳大利亚热带气旋数据库（Australian Tropical Cyclone Database, ATCD）中尺度记录的缺失，并分析长期季节趋势。该研究发表在《Atmospheric Research》上，预期结果将支持未来更稳健的TC相关降雨和洪水影响分析，且方法可推广至其他盆地。

研究人员主要采用以下关键技术方法：首先，利用澳大利亚气象局的ATCD提供TC最佳路径位置，并采用BARRA-R2（12 km分辨率，1979年至今）的逐时平均海平面气压（Mean Sea Level Pressure, MSLP）场。其次，开发了一种基于圆形度（circularity）指标的算法，从BARRA-R2的MSLP场中提取TC的半径最大闭合等压线（Radius of Outermost Closed Isobar, ROCI）作为尺度度量。算法在ATCD观测点周围3.5°半径内搜索MSLP最小值，识别同心闭合等压线，并应用圆形度阈值（严重TC为0.85，非严重TC为0.80，逐步放宽至0.65/0.6）筛选出代表TC环流的等压线，计算其平均半径。对原始时间序列应用4点移动平均平滑。统计上，采用Mann-Kendall检验评估长期趋势，Mann-Whitney U检验比较两个时期差异。样本来源包括ATCD中所有标注为热带气旋的系统，并限制在95°E-160°E、0°S-30°S区域，排除温带系统。

**3.1 ATCD中TC尺度的完整性**：ATCD的TC尺度记录在2000年之前存在大量缺失，1985年以前几乎空白。通过用BARRA-R2推导的尺度填充，数据可用性提升至70%以上，部分季节达到100%。尽管仍有部分提取失败，主要由于BARRA-R2低估了TC引起的MSLP异常，但总体数据完整性显著提高，为后续趋势分析提供了基础。

**3.2 BARRA-R2推导的TC尺度验证**：与ATCD直接比较，BARRA-R2的TC尺度中位数（337 km）略大于ATCD（333 km），分布偏斜，存在高估，尤其在非严重TC阶段。但严重TC的偏差较小，方向性比较显示两种数据集在总体分布上相似。季节平均ROCI的验证显示，BARRA-R2能较好地再现ATCD的年际变化（R2=0.62，RMSE=44 km），表明其适用于长期气候学分析。此外，ATCD本身存在一些记录问题，如部分TC的尺度在时间上恒定不变，BARRA-R2则能反映动态变化，进一步说明了合并数据的必要性。

**3.3 澳大利亚TC尺度的趋势**：使用合并数据集，比较1980-2002年（P1）和2003-2025年（P2），发现TC尺度显著减小。非严重TC平均尺度从384 km降至310 km，严重TC从426 km降至351 km，所有TC从397 km降至314 km。线性趋势表明，非严重TC每十年减小32 km，严重TC每十年减小42 km，所有TC每十年减小37 km（均通过95%显著性检验）。在TC生命周期最大强度（Lifetime Maximum Intensity, LMI）时也观察到类似趋势，非严重TC每十年减小39 km，严重TC每十年减小48 km。按区域划分，尺度减小最显著的是陆地（117 km），其次为近岸（104 km）和海洋（69 km）。暴露分析进一步表明，TC暴露总量减少，部分由路径密度变化引起，但尺度减小本身也贡献显著，尤其在西北和东北海洋区域，表明尺度减小独立于TC发生频率的变化。

**3.4 减小趋势的意义及潜在驱动因素**：TC数量呈每十年减少约1个的趋势，同时TC的圆形度（结构紧凑性）增加，表明TC变得更紧凑。强度方面，非严重TC强度基本不变，严重TC强度略有增加，与Kossin等（2020）的研究一致。潜在强度（Potential Intensity, VP）在澳大利亚区域增加，但TC尺度并未相应增大，说明尺度变化不受VP单独调控，而可能受局部环境条件（如相对海表温度、湿度）和风暴内在因素（如预存涡旋结构）影响。这些驱动因素仍为假设，需进一步研究。

讨论部分指出，TC尺度的减小与数量减少共同导致TC影响范围缩小，但靠近中心的风力可能更强，从而改变灾害分布。目前对驱动因素的分析是初步的，需要进一步研究相对海表温度、湿度等环境因子的作用。本研究结论可翻译如下：通过结合BARRA-R2推导的记录与ATCD现有数据，构建了扩展的TC尺度数据集，并分析了澳大利亚长期季节TC尺度变化。ATCD尺度记录在2000年前不完整，通过BARRA-R2算法（基于网格MSLP和圆形度阈值）补充，验证表明该方法在TC成熟时表现良好，整体分布与ATCD相似，但存在高估。合并后的数据集使1980年以来所有季节的数据完整性达到70-100%。利用该数据集，发现严重和非严重TC的尺度均显著减小（95%置信水平），TC影响的地理范围在澳大利亚大部分区域缩小，其中陆地减小最显著，其次为近岸和海洋。TC变得更紧凑，强度基本不变，且未发现与潜在强度增加有直接联系。因此，建议进一步分析可能的调节因子，并建议将类似方法应用于其他高分辨率再分析产品以评估跨盆地的适用性。本研究为改进澳大利亚TC相关降雨和洪水影响分析提供了基础。