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气旋比较计划

2020-05-02
renql

热带气旋的特点是:他们很少发生,对称,移动缓慢,结构清晰。这使得热带气旋比较容易识别和追踪。
而中纬度气旋的发生频率高,形状和结构多变,不对称,水平尺寸从100-1000km不等,移动速度多变。加上热带外气旋经常会发生合并和分离,使得气旋的追踪变得复杂化。此外,气旋发生的天气环境多变。中纬度气旋的这些特点使得目前对气旋没有一个统一的定义,也使得气旋的辨认与追踪方法多样。

基于天气图人工统计的气旋轨迹自然是最好的轨迹。但由于某些区域的数据缺失以及气旋发展的复杂性,使得人工统计不可避免地存在分析者的主观选择。因此关于具体的气旋轨迹没有一个正确答案。
此外,尽管仔细的手动跟踪可能被认为是最优的,但要量化几十年来所有气旋的活动,这显然是不可行的,而应用自动检测和跟踪方法来重新分析数据是必不可少的。

尽管自动化的方案具有客观性和可重复性,但他们对气旋特征的不同理解,使得不同的算法得到的结果在某些方面非常相似,但在其他方面可能非常不同。因此气旋客观识别和追踪方法还有一个类似于AMIP的比较计划,IMILAST
设定的标准是气旋的生命史不短于24h。针对该计划有一个介绍网页并提供了14种追踪方法计算得到的气旋数据

根据对气旋的不同理解,常用海平面气压底层大气相对涡度来辨认和追踪气旋。

  • 涡度场是辨认天气系统较好的选择,因为背景环流对其的影响较小,它更聚焦于小尺度过程,可以辨认处于早期阶段的气旋,此时他们还没有形成闭合等压线(最小气压中心没有出现)。涡度与风场有关,包含更多高频信息。但是在高分辨数据中,该变量有很多噪音(因为锋面系统也可以识别),因此需要光滑或降低分辨率。但是,如果地转涡度是基于海平面气压计算的,其依然依赖于一个插值场。其中涡度
  • 海平面气压与质量场有关,更多反映低频尺度信号。且容易受到大尺度系统影响(例如冰岛低压),也会受到强的背景流影响,例如副热带急流增强时。当副热带急流减弱时,快速移动的天气过程容易呗背景流掩盖直至该天气过程出现显著发展。因此,用未滤波的海平面气压来辨认和追踪气旋,容易受大尺度特征控制,得到缓慢移动的系统。此外,海平面气压是差值场,其值对插值方法及模式中的地形精度有关。
  • 对于500hPa位势高度,依然会出现相同的问题,因为它也受大尺度过程的控制。

使用不同的变量场来辨认气旋会导致气旋中心的位置不同。在西风流场中基于涡度辨认的气旋中心往往位于气压最低值的向赤道一侧。然而移动的涡旋最大值不一定常常伴随着气压最小值。

对于海平面气压和涡度,极值可以直接辨认。但对于其他场,例如温度,只有在去除背景场后才能辨认出与天气系统相关的极值。事实上,即便对于地表气压,对于低压系统移入冰岛低压是否是周围环流造成的假象存在争议。对于冰岛低压是与大尺度强迫相关的背景行星尺度结构,还是移入该区域的天气尺度低压集合,存在正与。相对站得住脚的观点是介于两者之间。

Neu et al. 2013的论文中得到的一些结论:

  • 关于强气旋活动的频率、生命史、年际变率及趋势,不同探测方法得到的结果相对一致。但不同方法预测的强气旋活动在生成、消亡等方面依然存在差异。
  • 气旋传播速度估计的准确性也是一个需要研究的点,因为有些方案无法识别快速移动的物体。
  • 对于短生命期、浅薄、移动缓慢的气旋,不同方法探测到的频率分布存在很大差异,因为他们的探测对方法很敏感。
  • 北半球的分布差异比南半球大,尤其在陆地上
  • 与气候变化影响分析特别相关的一个重要结果是线性趋势分布的一致性,具有强烈趋势的区域与大多数方法表现出良好的一致性,至少在符号上是一致的。当试图将气旋活动的真正趋势从自然变率和方法的不确定性分开时,这是一个重要的考虑因素,因此需要量化长期趋势的统计意义
  • 另一个关键的结果是,到目前为止,很难清楚地将已确定的气旋特征的差异与不同方案的特征联系起来。

参考文献:

Neu et al. 2013: IMILAST – a community effort to intercompare extratropical cyclone detection and tracking algorithms. Bull. Amer. Meteor. Soc., 94, 529–547


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