基于海表面温度冷却的热带气旋波浪长期趋势反演

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Inversion of Long-Term Trends in Tropical Cyclone Waves Based on Sea Surface Temperature Cooling

　　

提出了一种基于海表面温度（SST）冷却反演热带气旋（TC）引起的极端波浪强度的统计方法。基于数十年的统计数据与理想化垂直温度剖面，分析了初始混合层深度（MLD）对TC引起的SST冷却的抑制作用。长期趋势分析表明，TC引起的波浪与SST冷却的平均态均呈现一致的减弱趋势，而其极端态则呈现相反的增强趋势。这些趋势特征可能归因于区域MLD的加深，这改变了TC生命周期中的强度演变。

**研究背景、问题与意义**
热带气旋（TC）是海洋盆地中最具破坏力的天气系统之一，对中低纬度沿海地区构成灾难性威胁。除强风和风暴潮外，TC还产生强表面波浪，造成海岸侵蚀和海洋工程损毁。在全球气候变化背景下，准确分析TC波浪的长期趋势对于极端天气事件风险管理至关重要。然而，极端条件下海洋观测资料稀疏，传统方法在分析TC波浪长期趋势时存在较大不确定性。已有实验和现场研究表明，海洋表面波浪显著增强上层海洋垂直混合，导致海表面温度（SST）冷却；且TC波浪与SST冷却之间存在物理关联。因此，研究人员提出一种基于SST冷却反演TC波浪长期趋势的新方法，以提高长期趋势评估的可靠性。该研究发表于《Journal of Ocean Engineering and Science》。

**主要技术方法**
本研究使用了1982—2020年西北太平洋区域（100°E—130°E，15°N—40°N）的多源数据，包括NOAA 1/4°日最优插值海表面温度（OISST V2.1）、改进的SWAN模型模拟的TC波浪数据、ERA5波浪再分析资料、中国气象局（CMA）TC最佳路径数据以及NCEP GODAS月平均混合层深度（MLD）数据。研究采用ROI图像处理算法确定TC冷尾迹与波浪足迹的空间范围，定义平均强度、等效半径和总量三类指标，并基于多元线性回归建立波浪强度/尺寸与SST冷却、TC移速和MLD之间的参数化反演模型。

**研究结果**
**3.1 冷尾迹与波浪足迹的相关性分析**
通过对不同TC强度分组（TT、ST、SS）的散点图和相关分析，发现组合指标总冷却ΔT_total与总波浪能量立方根ΔE_total^1/3的相关性最强，相关系数达0.56～0.72。同时分析MLD对SST冷却的分段抑制作用，并利用理想化垂直温度剖面解释了更深的初始MLD需要更大波能才能产生同等冷却的机制。

**3.2 基于SST冷却的TC波反演**
研究人员构建了包含MLD和TC移速的多元参数化模型，不同强度组回归系数符号一致，表明波足迹与冷尾迹强度/尺寸呈正相关，且较快的TC移速和较深的MLD需要更大的波能才能产生等量冷却。反演结果与SWAN模拟结果的相关系数均超过0.70，高于单参数模型；去除MLD项后相关性最高下降13%，证实多变量模型更优。

**3.3 长期趋势**
年平均值指标（平均冷却ΔT^M、平均波高ΔH_s^M、等效半径R_Hs、总冷却ΔT_total、总波浪能量立方根ΔE_total^1/3）均呈现显著下降趋势，例如反演得到的平均波高下降-0.04±0.03 m/十年，等效半径下降-14.58±11.66 km/十年。然而，年最大冷却ΔT_max与最大波高ΔH_smax却显著上升，增幅分别为0.20±0.18 K/十年和0.27±0.25 m/十年。这表明TC平均态减弱而极端态增强。

**3.4 潜在驱动因素讨论**
TC总时长呈不显著下降趋势；弱强度组（TT）比例显著上升，中等强度组（ST）比例显著下降，高强度组（SS）比例略增但未达显著。超强台风（SSTY）6小时中心频次由1982—2000年每年7.7次增至2001—2020年每年11.7次，增幅51.9%。同时，研究区域大部分海域6—9月平均MLD显著加深，削弱了垂直混合引起的SST冷却负反馈，为TC增强创造了有利条件。

**讨论与结论**
讨论指出，垂直混合引起的SST冷却抑制海洋向TC输送热能，但上层海洋层结增强（MLD加深）缓解了这一热阻尼作用，导致冷尾迹尺寸减小，同时增强高强TC的最大潜在强度，并加速其增强与衰减阶段。结论部分翻译如下：本研究提出了一种基于SST冷却反演TC波长期趋势的新方法。鉴于全球海洋波浪观测资料的时空不连续性，该反演方法提高了TC波长期趋势评估的可靠性，并为评估特定区域TC波灾害的多年演变提供了额外证据。通过评估TC冷尾迹与波浪足迹的三组指标，发现强度-尺寸组合指标（总波浪能量立方根ΔE_total^1/3与总冷却?ΔT_total）相关性最稳健。在研究区域内，年平均值指标显示TC冷尾迹和波浪足迹的强度与尺寸显著减弱，而年极端值则呈增强趋势。该研究提出的多角度复合分析框架为评估区域气候趋势和TC灾害防治提供了有价值的信息。