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在气候变化背景下,全球台风活动将发生显著的变化。目前,探讨气候变化对台风活动影响的相关研究主要依赖于全球模式(GCM)和动力降尺度产品,但考虑到GCM对未来气候情景预估的不确定性、降尺度产品过粗的分辨率以及在降尺度过程中产生偏差等缺陷,因此运用降尺度产品预估未来情景下的台风活动也必然存在较大的偏差。除此之外,采用区域气候模式(RCM)预估台风活动,最大的问题在于预估的台风强度远小于观测值,并且对台风频数、路径和降水的预估均存一定的缺陷,这给气候变化对台风活动影响的评估工作带来极大的挑战。近年来,机器学习技术在台风研究中有初步的应用,尤其是该技术通常作为台风预报的辅助性工具。但是,结合降尺度产品与机器学习技术探讨气候变化背景下的台风活动这方面的研究仍然较为薄弱,为了充分发挥两者的优势,本文运用HadRM3P模式与机器学习预估西北太平洋的台风活动,并针对模式预估的台风进行相应的偏差订正,最终量化不同的气候增暖情景对台风活动的具体影响。研究成果以期为科学合理地探讨气候变化下的台风活动提供新的方法参考。本文具体研究内容和结论包括:(1)首先利用再分析资料ERA-Interim驱动HadRM3P模式,评估模式对西北太平洋历史观测台风的模拟能力。结果显示,模拟的台风频数较接近观测值,但模式缺乏对台风强度的模拟能力(最大风速仅为48 m/s)。模式中台风路径有北偏的趋势,并且南海区域有较活跃的台风活动,本文认为这与模式模拟的大尺度环境场有关,其中副热带高压位置偏东、强度偏弱,南海区域的正涡度面积偏大,西南季风偏强,东风气流偏弱。另外,选择国际耦合比较计划CMIP5中的环流模式HadGEM2-ES驱动HadRM3P,预估在RCP4.5和RCP8.5情景下的台风活动。结果发现两个情景的台风年际频数均低于历史基准时段,而RCP8.5情景的台风频数也低于RCP4.5情景,但由于模式没能模拟出强度均大于50 m/s的台风,因此尚未能判断出在气候变化情景下强台风频数的变化情况。(2)由于原本的台风路径追踪技术检测到几类异常的台风:较短生命史的台风、具有多个低压中心的台风、初始时刻强度较大的台风、路径发生截断的台风。鉴于此,本文构建新的路径追踪算法:梯度提升树(GBDT),并考虑台风的气候学因子、天气学因子以及台风运动的持续性因子。结果显示,新的追综算法很大程度上减少对以上几类异常台风的检测,总体上台风年际频数减少了4~7个,台风平均生命史延长约2天。进一步分析还表明,在RCP4.5和RCP8.5两种温室气体排放情景下,台风年际生成频数相比历史基准阶段并没有明显的“增加”或“减少”趋势,显然,这与原本路径追踪算法中“RCP情景的台风频数相比历史基准的频数有减少趋势”这一结论有所不同之处。(3)HadRM3P模式预估的台风强度严重偏小,这也是诸多RCM面临的难题之一。本文构建一套以机器学习为基础的台风强度偏差订正模型,集成了偏最小二乘法、BP神经网络、支持向量机、随机森林多种机器学习算法,选择与台风活动有密切联系的天气学因子作为建模因子,包括:空气温度、海表面温度、比湿、水汽通量等热力学因子,以及相对涡度、水平散度、纬向风速、10m风速、位势高度、环境风垂直切等动力学因子。结果表明,模型对不同强度等级的台风有不同程度的订正幅度,这使得热带低压、热带风暴的频数大幅度减少,解决了HadRM3P模式“不能模拟出强度大于50 m/s的台风”这一难题。进一步比较还表明:气候变化背景下强台风频数仅有略微的增加趋势。(4)HadRM3P模式对台风降水的模拟也有一定的偏差,体现在暴雨以下等级的台风降水小于历史观测的降水,而暴雨以上等级的台风降水则大于历史观测的降水。本文建立基于极限梯度提升器(Xgboost)的台风降水偏差订正模型。从订正的结果来看,在RCP4.5情景下,21世纪中期和后期的台风降水相比历史基准时段都有增加的趋势;而在RCP8.5情景下,21世纪中期的台风降水相比历史基准时段有增加的趋势,但后期的台风降水则有大幅度减少趋势。(5)构建台风的潜在强度指数(MPI)、台风潜在生成指数(GPI)与台风累积气旋能量指数(ACE)。从台风MPI来看,在气候持续增暖条件下,不同档位的海表面温度(SST)对台风强度的影响截然不同:在SST小于27℃的环境里,气旋强度随着SST的升高而明显增强;相反,在SST大于27℃的环境里,气旋强度随着SST的升高而有略微下降趋势。从台风GPI来看,不同浓度的温室气体排放情景下台风频数变化也有差异,其中RCP4.5情景下21世纪中期和后期的台风频数差异不明显,而RCP8.5情景下21世纪中期的台风频数远大于后期。台风GPI与台风实际生成频数在不同浓度温室气体排放情景、或不同时间段里,两者都有较好的对应关系。研究还发现,过高的SST未必会导致更强的MPI,也未必能产生更高的台风GPI。从台风ACE分析,随着SST的不断升高,相应的台风ACE并没有表现出升高趋势。本文认为,气候增暖对西北太平洋台风活动的影响,并不仅仅通过SST的升高来体现;相反,与台风活动有密切关系的大尺度环境、水汽条件、中尺度扰动等条件,也是重要的影响因素。