影响西北太平洋热带气旋强度气候变化的关键因子分析

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西北太平洋热带气旋(TC)强度的气候变化及归因是一个有争议的科学问题。目前全球气候模式对海盆尺度的TC强度长期变化的模拟能力低,大部分研究基于观测或理论定性地从大尺度环境场角度来理解TC强度的气候变化,但仍然没有能够解释出对应变化的机理。本文改进了一个适用于西北太平洋气候变化研究的TC强度模式,评估了TC强度资料的相对可靠性和再分析资料中大尺度环境因子的变化差异,在此基础上将改进的强度模式沿着观测的TC路径进行积分,由大尺度环境场来驱动,动力地模拟出西北太平洋海盆尺度的强台风比例和TC生命史最大强度(LMI)位置的气候变化特征,通过数值试验定量地分析了大尺度环境因子和TC盛行路径对强台风比例和TC LMI位置趋势变化的贡献作用,找出关键的影响因子,综合理解了西北太平洋TC强度气候变化的特征及其机理。得到如下主要结论:(1)改进的TC强度耦合模式提高了对西北太平洋TC强度趋势变化的模拟能力,利用改进的模式来评估不同台风业务中心TC强度资料的相对可靠性,结果表明相对于RSMC和STI的资料,JTWC的TC强度资料更加可靠。(2)对大尺度环境因子变化的评估表明,在不同的再分析资料中海表面温度、海洋混合层厚度和垂直风切变的气候分布和趋势变化相对一致,而流出层温度的气候分布和趋势变化差异较大。在西北太平洋TC的主要发展区,海表面温度变暖,混合层厚度加深,流出层温度变冷以及垂直风切变变化较小,这些大尺度环境因子的变化为TC强度的发展提供了有利的条件。(3)改进的TC强度耦合模式模拟出西北太平洋强台风比例的增加趋势,表明强台风比例的增加从物理上与大尺度环境因子和TC盛行路径的变化一致。定量分析控制强台风比例增加的关键因子,结果表明强台风比例的增加是由大尺度环境因子随时间的变化以及TC盛行路径的偏移造成的。TC盛行路径的偏移在强台风比例的增加中贡献了至少50%的作用,这是因为盛行路径的偏移改变了TC经历的大尺度环境条件。综合大尺度环境因子随时间和路径偏移的变化,发现混合层厚度的加深对观测的强台风比例增加起了主导作用。本文认为未来西北太平洋强台风的比例很有可能比以前研究的增加更多。(4)改进的TC强度耦合模式模拟出西北太平洋TC LMI的平均纬度向北偏移的趋势,表明TC LMI的平均纬度向北偏移从物理上与大尺度环境因子和TC盛行路径的变化一致。定量分析控制TC LMI的平均纬度向北偏移的关键因子,结果表明TC LMI的平均纬度向北偏移主要是由TC盛行路径的变化造成的,大尺度环境因子随时间变化的贡献作用很小。TC盛行路径主要受TC生成位置和大尺度引导气流的控制。利用TC路径模式分析影响TC盛行路径变化的关键因子,结果表明大尺度引导气流的变化导致TC在20°N以北活动增多而在20°N以南活动减少,是造成TC路径和TC LMI的平均纬度向北偏移的主要因子。(5)CMIP5模式对观测的大尺度环境因子气候特征和趋势变化的模拟能力差别很大。在西北太平洋TC的主要发展区,CESM1-BGC,CESM1-CAM5,CNRM-CM5和IPSL-CM5B-LR能模拟出观测海表面温度的变暖特征;CCSM4,CESM1-BGC和CESM1-CAM5能模拟出观测混合层厚度的增厚特征;模式都没有模拟出观测流出层温度的变冷趋势;CCSM4,CESM1-BGC,CESM1-CAM5,CNRM-CM5,MPI-ESM-MR和观测的垂直风切变都没有明显的变化趋势。(6)观测TC盛行路径的变化特征表现为TC在东亚地区的活动增多,而在南海地区的活动减少,这种变化与全球海表面温度变暖以及位于东亚地区上空的异常气旋性环流有关。利用CMIP3的全球变暖试验,预测在2001-2040年期间TC路径继续以观测的特征变化。
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