区域海气耦合模式中热带气旋强度变化的多变量集合敏感性研究

Ensemble sensitivity has been applied to understand the underlying physical mechanism of the intensification of tropical cyclones. The drawbacks of the commonly used univariate ensemble sensitivity include overestimate of the sensitivity and lack of interactions among multi-scale variables. To combat these drawbacks, a multivariate ensemble sensitivity will be proposed, which can simultaneously take into account multi-scale variables and provide a quantitative measure for the interactions among different variables. This multivariate ensemble sensitivity will be applied in a regional atmospheric ensemble simulation and a regional coupled ocean-atmosphere ensemble simulation, aiming to analyze the characteristics of multi-scale atmosphere, ocean, and coupled ocean-atmosphere model variables that are sensitive to the intensification of tropical cyclones, and understand the interactions among the multi-scale model variables and the impact on the intensification of tropical cyclones. These findings will provide theoretical bases for improving the intensity forecast of tropical cyclones. Moreover, the multivariate ensemble sensitivity can estimate the impact of coupling an ocean model on the simulation of the intensification of tropical cyclones, which will build the basis for the strongly coupled cross-component data assimilation.

集合敏感性是研究影响热带气旋强度变化的潜在物理机制的方法之一。常用的集合敏感性为单变量集合敏感性，即仅考虑热带气旋强度变化对单个模式变量的集合敏感性。单变量集合敏感性的缺点多表现为对敏感性的过高估计和不能同时考虑不同尺度变量间的相互作用以及对敏感性的影响。为了克服这些缺点，本项目提出多变量集合敏感性，即同时考虑多个模式变量并可定量地估计不同尺度模式变量间的相互作用。此多变量集合敏感性将分别运用于区域大气模式和海气耦合模式集合预报，从而揭示影响热带气旋强度变化的不同尺度大气模式、海洋模式以及海气耦合模式初始敏感变量的分布特征、不同尺度模式变量间的相互作用以及对热带气旋强度变化的影响，以期为热带气旋强度预报的改进提供理论基础。利用此多变量集合敏感性，分析耦合海洋模式对影响热带气旋强度变化的大气模式初始敏感变量分布特征的影响，为跨模式板块的耦合同化提供理论依据。

集合敏感性是研究影响热带气旋强度变化的潜在物理机制的重要方法。相对于传统使用的单变量集合敏感性，项目提出多变量集合敏感性，其可同时考虑多个模式变量并可定量地估计不同尺度模式变量间的相互作用。项目首先研究了热带气旋强度变化大气初值场的多变量集合敏感性，利用台风海燕大气模式集合预报得到台风海燕的强度预报的集合敏感性特征为台风初值场的暖心增强、深对流区增湿、初级环流和次级环流增强等，模式初值场扰动实验验证了多变量集合敏感性可有效解决单变量集合敏感性对敏感性高估的问题，特别是在对流层高层，多变量集合敏感性较单变量集合敏感性可以更准确地估计初值场扰动带来的预报结果变化、提供更精确的敏感性估计。项目然后研究了热带气旋强度变化海洋初值场的多变量集合敏感性，利用台风玛丽亚的海气耦合模式集合预报，得到台风玛丽亚的的强度预报对海洋变量的多变量集合敏感性，在台风中心东南侧位置温度升高、盐度下降，海洋表层台风中心处反气旋式环流增强、台风外围海域气旋式洋流环流加强、海洋中下部反气旋式环流加强等有利于台风强度增强，多变量集合敏感性较单变量集合敏感性获得在水平方向上为更平滑、更大尺度的敏感性、在垂直方向上更加连续的敏感性。项目随后研究了热带气旋强度变化大气和海洋初值场协同的多变量集合敏感性，即在多变量集合敏感性分析中同时考虑大气和海洋模式初值场对敏感性的影响，考虑海气耦合的模式初值场的多变量集合敏感性将敏感性大值区限制于台风中心区域附近，消除了远离台风海域及台风尾流区域的敏感性，获得了更具有物理意义的敏感性分析。项目进一步提出了改进集合预报对热带气旋的预报技巧的方法，一种集合预报成员的适应性权重估计方法，该方法可改进集合预报对热带气旋路径和强度的预报技巧。项目的研究成果加深了对影响热带气旋强度变化的初值场的理解，并改进了热带气旋的集合预报。