基于一个改进的动力降尺度方法预估未来西北太平洋热带气旋的变化特征

Tropical cyclone is one the major natural disasters in China. With global warming, how the Northwest Pacific tropical cyclones will change in future? This is not only a key scientific issue but also closely related to the social economy and the safety of human life and properties. However, based on previous studies, the projection of tropical cyclone suffers from large uncertainties. Global climate models (GCM) are generally run at coarse resolution and contain significant biases, which are the important sources of uncertainties for tropical cyclone projection. To improve our confidence in the projection of tropical cyclone, based on our previous studies, we propose a new dynamical downscaling (NDD) method which introduces GCM bias corrections technique based on the dynamic and thermodynamic balance of atmosphere on one hand and multi-GCM ensemble on the other hand. Thus, the NDD method is expected to significantly reduce the uncertainties in the projection of tropical cyclones. In this project, we are going to downscale CMIP5 multi-model simulations by using the NDD method to project the frequency, strength, pathway of tropical cyclone over the Northwestern Pacific Ocean in future periods. The outcomes of this project are expected to provide scientific support for future climate change adaptation and policy makers.

热带气旋是我国主要自然灾害之一。在未来全球增暖背景下，西北太平洋热带气旋的特征将发生怎样的变化？这不仅是一个十分重要的科学问题，还关乎国民经济发展和人民生命财产安全。然而，从以往研究来看，对未来热带气旋变化的预估还存在非常大的不确定性。其中，全球模式分辨率粗，模式存在显著的系统误差是不确定性的重要来源。为了提高未来热带气旋预估的可信度，本项目在前期研究工作的基础上，提出了一个适用于热带气旋预估的动力降尺度方法。该方法在考虑大气内部热力和动力平衡关系的基础上，引入了全球模式误差订正技术，同时还充分利用了多模式集合的未来气候变化信息，以减小未来预估结果的不确定性。本项目将利用该方法，对CMIP5的多模式结果进行动力降尺度，预估未来西北太平洋热带气旋频数、强度、路径的变化特征并研究其机理。项目的实施有望获得更为可信的西北太平洋热带气旋预估结果，为适应未来气候变化和政府部门决策提供科学依据。

本项目利用最近发展的多变量集合评估方法(MVIE)，结合两个常用的再分析资料，评估了33个CMIP6模式的历史模拟结果，重点关注模式对与热带气旋相关变量的综合模拟能力。通过评估，遴选出在西北太平洋区，对热带气旋有较高模拟技巧的CMIP6模式：MPI-ESM1-2-HR。进一步发展新的误差订正方法，对需要降尺度模拟的MPI-ESM1-2-HR模式进行误差订正。误差订正后的数据具有基于ERA5的平均气候态和年际方差，同时具有18个CMIP6模式集合的非线性趋势。本项目采用美国国家大气研究中心(NCAR)研发的中尺度数值天气预报模式WRF模式，对订正后的MPI-ESM1-2-HR全球模式进行降尺度模拟。在未来增暖情景下，西北太平洋区域生成的热带气旋数量上虽然有一定减少，但登陆热带气旋的强度为强台风的增多。统计过程中发现，由于海温升高，热带低压一旦形成，就能迅速增强为台风。由此可见，在未来全球增暖的趋势下，我国沿海的防灾、减灾将会面临严峻挑战。