题目：Global increase in tropical cyclone rain rate
期刊：Nature Communications
01 研究背景
与热带气旋（Tropical cyclones，TCs）相关的降水可能引发洪水和山体滑坡事件，给沿海地区造成生命损失和无法估量的破坏。过去几十年来，热带气旋的破坏力有所增强，但由于长期同源的热带气旋记录数据不足的问题，热带气旋的数量和强度在全球变暖的情况下是否增加仍存在争议；根据数值模式预测，在全球变暖的情况下，海洋表面蒸发量增加和大气中湿度增加会导致与热带气旋相关的降雨率增加。然而，在全球范围内，对于热带气旋多发盆地，这些数值预报的验证受到了限制。因此，研究热带气旋降雨率变化对气候变化评估至关重要。
基于此，Guzman等人（2021）利用热带降水测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）和全球降水测量任务（Global Precipitation Measurement missions，GPM）提供的近二十年（1998～2016年）热带降水测量数据，研究了所有易受热带气旋影响的盆地，包括北大西洋（ATL）、中东太平洋（ECPA）、西北太平洋（NWP）、北印度洋（NIO）、南印度洋（SIO）和南太平洋（SPA）的热带气旋降雨率的变化情况。
02 研究数据与方法
2.1 数据来源
降水数据采用NASA降水处理系统服务器公开提供的卫星数据（TRMM 3B42V7降水数据以及GPM降水数据，可在https://arthurhouhttps.pps.eosdis.nasa.gov/ trmmdata/获取）；使用国际气候管理最佳路径档案（International Best Track Archive for Climate Stewardship）（IBTrACS）版本4提供的热带气旋最佳路径数据集（可在https://www.ncdc.noaa.gov/ibtracs/获取）；描述风暴周围环境条件特征的海面温度和总可降水量选自科罗拉多州立大学开发数据库SHIPS的开放存储数据（5天预测数据可在https://registration.pps.eosdis.nasa.gov/registration/获取）。
2.2 总TC降雨区域和内核降雨区域的定义
使用与风暴相关的定义来界定总TC降雨区域和内核降雨区域，即使用基于热带气旋降水区域（tropical cyclone precipitation features，TCPF）概念的框架来定义热带气旋总降雨面积，0.1 mm h-1作为定义降水区域的阈值，平均降雨率的计算考虑降雨率超过0.1 mm h-1的降水区域。要被视为TCPF，TC中心与PF（precipitation features）几何中心的距离必须小于500公里。比较传统的以TC中心为半径500 km的简单截断法（图1a）和基于TCPF的TC总雨量区域定义法（图1b）可知，两种方法的结果相似且一致，但本研究结果侧重于TCPF方法，能更好地估计TC的大小。
图1 1998～2016年间全球所有易受热带气旋影响流域的热带TC降雨量时间序列和TC降雨总面积平均值的线性回归拟合。总TC降雨区域由以下两种方法定义：（a）简单截断法，（b）热带气旋降水特征方法。图中显示了线性拟合函数、相关系数平方值以及5年移动平均值。
2.3 最大方位降雨半径定义
本研究采用最大方位降雨半径（the radius of maximum azimuthal rain rate，RMR）来定义内核区域，而不是传统上使用的最大风半径（the radius of maximum wind，RMW），因为并非所有全球热带气旋都有RMW数据可用。
对于内核区域，采用2×RMR的距离阈值，以确保包含最发达的积雨云团、大风区域、强烈的垂直运动区域和雨眼。对于雨带区域，使用从2×RMR到TCPF方法定义的外部边界区域，其中包括距离TC中心500 km以内的质心降水特征；这一选择是近似值，以允许包括最大风半径和风暴最外层两倍以上地区的降雨率。
2.4 统计分析
①线性回归分析用于确定1998-2016年降水率随时间的变化趋势。②Mann-Kendall检验用于检测时间序列中的显著趋势。③Sen’s slope及其置信区间提供了趋势强度的额外度量。④5年移动平均值用于平滑数据，揭示长期变化趋势。
03 主要发现
3.1 总TC降雨区域内的全球趋势
总TC降水量呈0.027毫米/小时的增长趋势，R2为0.90（图1b）。Kendall检验结果显示TC降雨率与时间的顺序变化显著相关（相关系数 = 0.80）。通过计算森氏斜率进一步验证了线性回归的结果，且0.022和0.031 mm h-1 year-1分别为斜率的最大上限和下限。
跨流域比较显示，西北太平洋和北北大西洋的总TC降雨量增长趋势比其他流域更为显著，每小时降水量在一年内增加高达0.04毫米（图2a、c）。整个北印度洋的增加趋势集中在每年0.03 mm h-1左右（图2d），东太平洋和中太平洋的趋势接近于每年0.018 mm h-1（图2b）。与北半球流域（除ECPA外）相比，南太平洋和南印度洋的变化趋势较小（图2e、f）。
图2 由热带气旋降水特征确定的6个不同流域的TC总降雨区域内的平均TC雨量时间序列及线性回归拟合。（a）北大西洋、（b）东太平洋中部、（c）西北太平洋、（d）北印度洋、（e）南印度洋和（f）南太平洋。图中标明了线性拟合函数、相关系数平方和5年移动平均值。
3.2 差异化趋势：内核核心与降雨带
在内核区和雨带区，内核区降雨率下降，雨带区降雨率上升（图3a、b）。这种反比关系存在于所有强度类别中；然而，Kendall检验表明，内核区域只有CAT1至CAT5的暴雨具有统计显著性，这两个暴雨区线性回归的R方值都很高，尤其是在雨带区域，趋势更为一致。其次，两个时间序列在2003～2004年之前和之后的斜率不一致，这表明一个潜在的拐点（或内核的峰值）可能与年代际或多年代际周期有关。
图3 不同热带气旋区域平均降雨的时间序列及线性回归拟合。（a）为平均热带气旋内核降雨；（b）为全球热带气旋易发流域的平均热带气旋雨带降雨。
04 主要结论
总体而言，观测结果显示平均TC降雨率每年增加约1.3%，这一事实主要是由于内核降雨率减少和雨带地区降雨率增加的综合作用；在全球变暖的情况下，海洋表面蒸发量增加和大气中湿度增加会导致与热带气旋相关的降雨率增加；北半球（尤其是西北太平洋和北大西洋）比南半球表现出更明显的热带气旋降雨率上升趋势。
05 引发思考
本研究基于1998～2016年热带降水测量任务（TRMM）和全球降水测量任务（GPM）提供的近二十年热带降水测量数据、国际气候管理最佳路径档案（IBTrACS）版本4提供的热带气旋最佳路径数据集以及SHIPS描述风暴周围环境条件特征的海面温度和总可降水量数据，得出了全球范围内的热带气旋降雨率呈上升趋势的结论。但实际的观测数据对数值模式预测的检验仍然有限。未来研究需要进一步改进气候模型和数据收集，以对气候变化及影响进行更精确地评估。
编者注
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原文出处
Guzman, O., & Jiang, H. (2021). Global increase in tropical cyclone rain rate. Nature Communications, 12(1), 5344. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25685-2
文字来源：庄雨馨
图片来源：https://www.nature.com/
编辑：庄雨馨
审核：罗楚玉
