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热带气旋强度指南是否有改善？

Mark DeMaria、Charles r. saMpson、John a. knaff及kate D. Musgrave

摘要：与文献中的普遍陈述相异，热带气旋强度预测模式在过去二十年中以相当的速率取得了进展，在统计学上意义重大。

据国家飓风中心（NHC）、中央太平洋飓风中心（CPHC）和联合台风警告中心（JTWC）的定义，热带气旋（TC）强度即为1分钟内地表（10m）的最大风速。TC强度以节（kt；1kt=0.514m s–1）为单位测量，因此我们将在本文的其余部分使用节作为本机单位。这些业务TC预测中心监测各自责任区内所有活跃TC的位置和强度。他们每6小时发布一次强度和跟踪预测，并包括指定初始时间（0000、0600、1200及1800UTC）之后的12、24、36、48、72、96和120小时有效预测。这三个中心都创建了最佳路径，并将他们的预测与那些最佳路径中包含的路径和强度信息进行了核对。最佳路径的强度值被认为接近于5 kT的间隔（Landsea和Frand 2013；Landsea2013；楚等2002）。

众所周知，近十年左右的路径预测业务已有显著改善，但是在这些中心的评估中，对这些同期运行的强度预测的验证表明，很少或没有改善（Cangialosi和Franklin 2012b；FalveY 2012）。例如，图1展示了2012年NHC给出的北大西洋和JTWC给出的北太平洋西部的年平均绝对强度误差的时间序列。大西洋的强度预测及趋势表明，NHC关于北大西洋的短期（24-48小时）官方预测确实没有多少改善。图1中JTWC的官方强度预测给出了类似的图，验证了其几乎没有改善。

诸如此类的短期强度预测已验证这么一个事实，在改善生成TC强度预测的方法或模式即我们称之为强度指南的方面，几乎没有或根本没有取得进展。很多言论反映了这种看法，如弗兰克bull;马克斯（Frank Marks，Freedman 2012）的“（风暴）路径的形势正在稳步改善，而（风暴）强度的发展形势却停滞不前”。一些相关文献也出现了这样类似的观点。例如，Harnos和Nesbitt(2011，第1页)认为，“尽管在1990年至2008年间，24-72小时期间的TC路径预报的精度提高了近50%，但在同一时间段内的强度预报精度却几乎没有提高”。张和陶（2013，第975页）认为，“在过去的几十年里，尽管热带气旋（TC）的路径预报有了很大的改善，但是所有同期强度预报几乎没有任何改善”。在许多最近的关于热带强度变化预测的论文中都可以找到类似的陈述。

本研究的目的是进行定量分析，以确定在过去二十年中TC强度指南的精度是否有改善，并将这些结果与操作强度及路径预测误差的趋势联系起来。接下来的部分将介绍数据集，验证过程由“验证方法”一节描述，趋势分析结果由“结果”一节给出，模式和操作预测趋势由“模式与官方预测误差趋势的比较”一节进行比较给出。结论于最后一节概述。

本研究中使用的数据

强度指南误差的趋势分析起于1989年，当年自动化热带气旋预报（ATCF；Sampson和Srader 2000）系统首次在运行预报中心投入使用。于2012年终止的24年期的强度指南数据曾包括在内。ATCF囊括所有可用的官方预测强度指南。TC强度验证来源于NHC和JTWC创建的最终最佳路径数据集。ATCF数据是如图1所示的验证统计的基础。

关于大西洋（AL）、北太平洋东部（EP）、北太平洋西部（WP）和南半球（SH）的预测将被考虑。SH包括南太平洋和南印度洋。尽管CPHC提供对140°W和日线之间区域的预测，JTWC提供对北印度洋的预测，但是关于这些区域的预测数量还是太少，以致于无法评估强度指南的误差趋势。在24年验证期的前半段，关于AL、EP和WP盆地的官方预测延长到72小时，在2001年的实验基础上增加到120小时，并在2003年开始全面投入使用。因此，这三个盆地的模式由1989-2000年的72小时与2001-12的120小时所验证。1989至1994年，SH预测仅延长到48小时。1995至2009年,在“按需”的基础上为一小部分风暴增加了72小时预测。从2010年开始，SH预测延长到120小时，与其他盆地类似。为此，SH趋势分析仅在48小时内完成。

图1 NHC（上）关于24、48、72、96和120小时AL TC强度预测的平均运行绝对强度误差（kt）的时间序列，线性趋势由虚线表示，以及JTWC（下）关于WP的预测时间序列。

NHC和JTWC的官方预报必须在天气观测时3小时后发出。验证仅限于官方预测发布时可用的那些模式（“早期”模式）。所有基于统计的模式都是早期模式，但是动力模式在天气观测时3小时之后几乎不可能适用（“后期”模式）。为了更好地利用后期模式，现已发展了将动态模式预测从前一周期内插入当前预测时间的后处理方法。在这项研究中使用的内插器的版本类似于桑普森等人的描述（2006）。验证过程中只包括动力学模式的内插（早期）版本。此外，只有当官方预测中至少有一半的强度预测可用的情况下，模式才能包含一个给定年份。每年所有的验证结果都需有强度指南的均匀样本和官方预测案例。

表1给出了AL和EP验证中包含的模式。在验证期的开始几年中，唯一可用的强度模式是统计飓风强度预测模式(SHIFOR；Jarvinen和Neumann 1979)，即表1中的SHFR。该模式使用气候学持续性变量来预测72h强度变化（2003）。

统计飓风强度预测计划（SHIPS）最初于1991年仅在有限基础上提供给AL，但直到1992年样本量才不包括官方预测量的至少一半。EP版本于1996年开始使用。SHIPS模式采用统计学-动力学方法，其中强度变化的预测因子来自于气候学、持续性、全球模式预测场和卫星数据。SHIPS模式自1991年引入以来经历了相当大的变化（Dimialet等2005）。其中一个最具意义的变化是对陆面作用的明确处理。该版本称为DecaySHIPS（DSHP），并在验证中作为单独的模式进行跟踪。

Logistic增长方程模式（LGEM）于2006年实现。它是一个统计动力学模式，包含与SHIPS相同的输入，但它使用更复杂的预测方程（DeMaria 2009）。

地球物理流体动力学实验室（GFDL）飓风模式的实时预报最初于1992年在有限基础上提供预测，并于1995年全面投入使用。内插（早期）版本（GFDI）也于1995年推出，但仅用于路径。强度的插值版本于1996年加入了AL，于1997年加入了EP。其于2006年添加了内插器（GHMI）的修改版本。GFDI将当前强度与6小时GFDL预报的6小时前GFDL的差值加入为120小时的校正值。在GHMI中，校正将在48小时内逐步取消。GFDL飓风模式自首次转为运营以来经历了许多变化（Bender等2007年），如增加了耦合海洋模式及进行物理参数化的升级。海洋-大气耦合飓风天气研究和预测模式（HWRF）及其内插版本（HWFI）于2007年开始运行（Gopalakrishnan等2010）。

一旦获得了许多强度指南模式，就有可能发展共识预测。其中第一个是2006年的ICON（强度共识）（Sampson等2008）。最初版本是DSHP和GFDI的简单平均，但从2008年开始加入了HWFI和LGEM。

尽管两个早期模式对AL和EP源地都可适用，但它们未包括在分析中：美国海军版本的GFDL模式（GFNI；Rennick 1999）和ICON的一个变体，该变体不需要所有成员都提供预测[强度变量共识（IVCN）]。GFNI模式的年样本量通常小于其他模式，且误差一般大于GFDI和GHMI。IVCN于2008年开始运行，但由于其所有的验证结果都是针对均匀样品的，因此IVCN和ICON的结果几乎相同。

表2列出了JTWC验证区中包含的模式。在上半期，唯一的WP早期模式是来自台风模拟模式的简单统计气候学（CLIM; Sampson等1990）和气候学及持久性模式（CLIP; Chu 1994）。DeMaria等人提供了这些模式的细节（2007）。GFNI和5天统计台风强度预报系统（ST5D）于2001年开始供WP使用。GFNI是上述大西洋GFDI的美国海军版本。ST5D与SHIFOR模式类似（Knaff等2003）。统计台风强度预测方案（STIPS）模式（Knaff等2005）与2005年实施，它虽然更为简单，但仍与DSHP非常相似。验证中没有包括STIPS，因为它在下述的ST10、ST11和S511模式中被大量使用，这些模式通常具有优越的验证统计数据。热带气旋的海洋-大气耦合中尺度预报系统（COAMPSTC）与海洋-大气模式的耦合的插值版本（Doyle等人，2011年）于2011年在WP和SH中开始使用。

WP和SH的共识模式采取了与Al和EP不同的方法。STIPS统计动力学模式不是简单地对不同模式的强度预测进行平均，而是通过各种输入运行以建立强度预测集合，然后对其进行平均来创建强度共识预测。STIPS的主要输入来自数值天气预报模式的路径预报及预报。ST10使用了10种路径和全局模式输入场的组合（桑普森等2008）。ST11与ST10类似，但GFNI作为共识中的第十一个预测加入。S511与ST11类似，但具有包含海洋热含量预测因子的STIPS版本（Goni等2009）。

在24年预测期的前半段，ATCF数据库在SH中比其他盆地中更为稀少。事实上，1993至1997年期间缺失所有的强度指南，1998至2002年间没有早期模式。CLIM模式预测在1989至1992年是可行的，因此被认为是当时的代表。SH模式与WP的模式从2003年开始类似，尽管其预测直到2010年都不会超过48小时。

验证方法

第2节中将强度指导与最终最佳路径中的强度估计进行了验证。由于验证是均匀的，因此它们每年的各种强度指南方法都包含着相同的案例。只有当最佳径迹强度大于20kt，并且仅当该系统被分类为热带或亚热带气旋时，才能验证预测结果。在预测开始时，飓风也必须是热带或亚热带的。这些是NHC和JTWC用于确定图1所示的官方预测强度误差的相同验证规则。强度导引误差（强度误差）在这里是指预测验证时的预测强度与最佳路径强度之差的绝对值。

使用标准线性回归拟合作为年函数的强度误差，可确定时间趋势。若最佳拟合线的斜率为负，则误差随时间递减。考虑mge;0的零假设，可确定下降趋势的统计显著性，其中m是回归线的斜率。若可在标准t检验下以95%的水平拒绝零假设，则可认为递减误差趋势具有统计学意义。

线性拟合的自变量是以时间序列的年份（1989年为24、48和72小时预测，2001年为96和120小时预测）开始计算的。最佳拟合线中的常数（b）是它其在时间序列的初始值。预测的改善将以每年的百分比单位来计算，其计算值为-100（m/b）。

如第2节所述，在24年验证期的最初几年内只能得到简单的统计模式，动态模式的统计动力学及早期版本在验证期的中期左右可用，这些方法在验证期的后期一致可用。为确定强度指南误差的趋势，我们选择多年周期内强度指南集相对恒定的最佳模式。虽然不可能复制预测者用来确定模式的主观方法，但是选择一种在多年期间的最佳平均模式比仅在每年中选择最好的模式更好，因为它至少需要预测者用一到两个季度把握新技术，再将线性回归拟合到最佳模式时间序列，更多细节见本文第四节。

结果

为简洁起见，最初重点将集中在四个TC盆地的48小时强度预测上。图2显示了表1和官方预测中总结的AL和EP强度指南的年度验证。AL的平均年样本量为195，其范围取自1991年的55个至1995年的399个。EP的平均年样本量为193，其范围取自1995年的84个至1992年的500个。SHFR是1989-91年间唯一的模式，因此被公认为是最好的模式。1992至1995年，SHIP和SHFR已经问世，但是SHIP的早期版本并没有比SHFR有所改善，所以SHFR仍然是最好的模式。1996年至1999年，SHFR，SHIP和GFDI可用，GFDI在此期间表现最佳。2000至2005年，DSHP是表现最佳的模式，ICON在2006至2012年期间平均表现最佳。将趋势线与这四种技术的误差进行拟合（即，SHFR，1989-95；GFDI，1996-99；DSHP，2000-05；ICON，2006-12）显示出下降趋势，表明强度指南在这24年期间确实有所改善。官方预测误差下降趋势不明显（红色虚线）。对EP进行了相同分析（图2，底部），其最佳模式误差趋势线也呈现下降趋势。EP每年的最佳模式与AL是非常相似的。

图2 年度48小时强度误差（即MAE）的时间序列与AL（上）和EP（下）中的强度预测指南和简单强度共识方法的相关性，以及每年最佳模式的线性趋势线和官方预测（有关如何选择最佳模式的说明，请参阅文本）。

上述最佳模式和官方预测的趋势线是由24-120h其它预测期确定的，并对趋势进行了统计显著性检验。虽然并非总是如此，这些相同的48小时模式被认为是其它时期模式中的最佳模式。通过这种简化，表3表明，最佳强度指南显示出了AL的48-120小时和EP的24-72小时的统计显著性改善。强度指南改善率的统计显著范围在24-72小时为每年0.8%至1.5%，在96和120小时则更大。

作为比较的基础，表3还给出了与强度指导同期的NHC官方路径预报改善率。虽然这些趋势不能直接度量路径模式的改善，但它们能有良好估计效果，因为NHC官方路径误差与过去几十年中最好的路径模式非常接近（例如，Cangial

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