[论文解读] A stochastic model for the lifecycle and track of extreme extratropical cyclones in the North Atlantic

Paul Sharkey, Jonathan A. Tawn+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Climate variability and models被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于北大西洋中纬度气旋的随机模拟模型，结合极值分析与条件核密度估计，联合模拟风暴路径与涡度强度。该模型能够捕捉空间变异性、强度尾部分布特征及路径动力学，实现对超出历史记录的合成极端风暴的生成，从而提升气候与基础设施规划中的风险评估能力。

ABSTRACT

Extratropical cyclones are large-scale weather systems which are often the source of extreme weather events in Northern Europe, often leading to mass infrastructural damage and casualties. Such systems create a local vorticity maxima which tracks across the Atlantic Ocean and from which can be determined a climatology for the region. While there have been considerable advances in developing algorithms for extracting the track and evolution of cyclones from reanalysis datasets, the data record is relatively short. This justifies the need for a statistical model to represent the more extreme characteristics of these weather systems, specifically their intensity and the spatial variability in their tracks. This paper presents a novel simulation-based approach to modelling the lifecycle of extratropical cyclones in terms of both their tracks and vorticity, incorporating various aspects of cyclone evolution and movement. By drawing on methods from extreme value analysis, we can simulate more extreme storms than those observed, representing a useful tool for practitioners concerned with risk assessment with regard to these weather systems.

研究动机与目标

• 为解决中纬度气旋历史再分析记录长度有限的问题，该问题限制了对极端风暴风险的可靠估计。
• 开发一种统计模型，用于生成超出观测极端值的合成气旋路径与涡度强度，以改善长期风险评估。
• 纳入气旋演变的空间与时间动态特征，包括区域路径差异、强度尾部分布特征及随机终止机制。
• 使从业者能够评估比历史观测更极端的风暴的发生概率、位置与持续时间。
• 提供一个统一的框架，用于模拟同时考虑路径传播与强度演变的气旋，且可扩展至季节性及北大西洋振荡（NAO）相位特定的情景。

提出的方法

• 模型使用1979–2014年共36年的3小时一次的涡度数据，来自ERA-Interim再分析，经2.8°分辨率滤波以降低噪声。
• 气旋被识别为涡度局部极大值且超过1.0×10⁻⁵ s⁻¹，通过最近邻连接与平滑性约束构建路径。
• 采用条件核密度估计建模风暴路径的时空演变，使用多变量高斯核，带宽矩阵通过经验规则法选择。
• 通过从位移与方向增量的条件分布中抽样，实现对风暴传播的模拟，确保路径轨迹平滑且符合物理实际。
• 利用极值分析对气旋强度进行随机建模，特别关注涡度极大值的尾部分布，以模拟更罕见、更强烈的事件。
• 引入随机终止机制，基于观测到的衰减模式与涡度耗散，实现对气旋生命周期的现实模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 我们如何模拟出合成的北大西洋中纬度气旋路径与涡度强度，使其超过历史再分析数据中观测到的最极端事件？
• RQ2 北大西洋极端气旋在空间与时间上的路径传播与强度演变具有何种模式？
• RQ3 我们如何建模气旋行为的区域差异，例如不同纬度带的偏好路径？
• RQ4 条件核密度估计在多大程度上能够捕捉风暴位置与涡度强度的联合演变？
• RQ5 该模型模拟超出历史观测的更极端风暴的能力，如何提升基础设施与气候适应规划中的风险评估？

主要发现

• 该模型成功生成了能够再现北大西洋中纬度气旋活动空间分布特征的合成气旋路径。
• 引入极值分析使模型能够模拟出在1979–2014年数据集中未观测到的更强涡度极大值，从而可评估更罕见、影响更大的事件。
• 条件核密度估计有效捕捉了风暴位置与涡度之间的依赖关系，能够反映非马氏动力学与局部路径变异性。
• 该模型考虑了气旋行为的区域差异，例如冬季风暴路径向极地迁移，以及与大尺度环流模式相关的经向位移。
• 随机终止机制通过模拟气旋的自然衰减过程，避免了不现实的无限生命周期，从而提升了模拟的真实性。
• 该模型在扩展至季节性及NAO相位特定模拟方面具有潜力，因为北大西洋振荡显著影响风暴路径频率与位置。