文摘

统计模型为季前赛的预测年度大西洋热带气旋(TC)和飓风数量通常包括厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)作为预测指标的预测。预测结果,从这些模型往往是受污染的ENSO的错误预测。在这项研究中,它是发现,潜热通量(LHF)热带东太平洋(ETP,该地区定义为0°5°N, 115°-125°W)春天是负相关的年度大西洋TC和飓风。通过消除向后逐步回归,进一步表明,3月的价值ETP LHF比春季或夏季更好的预测ENSO指数大西洋TC计数。分析交叉验证表明,这种预测的年度大西洋TC计数ENSO-independent统计模型显示与实际的TC显著相关(;价值)。大西洋飓风的预测使用3月ETP LHF和夏季(7 - 9月)ENSO指数显示只有细微的差别除了温和强厄尔尼诺年。因此,3月ETP LHF是一个很好的预测季节性大西洋TC预报和一个可行的替代使用大西洋飓风预测ENSO指数。

1。介绍

热带气旋(TC)是地球上最致命的自然灾害和昂贵的(1]。例如,据官方估计(2],安德鲁飓风(1992)袭击了迈阿密,佛罗里达,摧毁了许多建筑物,并造成超过580亿美元的损失。卡特里娜飓风(2005)造成灾难性的洪水,导致超过1600人死亡和超过1130亿美元的损失赔偿以及沿海湿地的破坏和障壁岛在路易斯安那州,密西西比州,和其他地方。最近,飓风桑迪(2012)造成巨大的洪水在新泽西,纽约,和附近的沿海地区,导致500亿美元的损失和损失(至少147人的生命3]。一般来说,数以百万计的生命和价值数万亿美元的属性沿大西洋和墨西哥湾海岸每年在飓风的风险。因此,重要的是要准确地预测飓风的威胁的飓风季节开始之前让决策者了解防灾减灾规划。

然而,季前赛飓风的预测的准确性并不令人满意。“飓风季节预测只能预测,“宣布由完善的飓风专家(4]。“在飓风都到哪里去了?“问Hennen和帕特森(5)对于预测繁忙的2013年飓风季没有出现。这些问题从领先的媒体评论员反映公众的不满关于飓风的预测社会无法提供可靠和准确的季前赛飓风预测。

识别错误的来源在季前赛飓风的预测,有必要了解变量被用作预测在季前赛飓风的预测模型。许多气候因素在季前赛中使用预测水平的大西洋飓风季节后的热带气旋活动。这些因素通常是由气候指数的时间序列关联与大西洋飓风活动。伊曼纽尔(6,7]形容飓风环境热机从海洋由明智的和潜在的加热,因此强烈依赖海表面温度(SST)。戈登伯格et al。8]表明大西洋数十年震荡(AMO),一个基于北大西洋海温指数模式,大西洋飓风的长期变化密切相关的频率。王等人。9)发现,大西洋暖池(一个地区的太平洋热带大西洋> 28.5°C),热带北大西洋(TNA;SST异常/ 6°-20°N 60°-15°W)太平洋与飓风活动。Knaff [10)解释说,高大西洋热带太平洋导致低海平面气压(SLP),降低了垂直风切变和滋润着midtropospheric空气。大西洋经向模式(AMM)是太平洋的最大协方差分析的结果和纬向和经向风地区21°S-32°N, 74°W-15°E也影响大西洋飓风活动(11]。这种耦合模式可以提供更多的洞察环境条件影响飓风独自开发比SST模式(12]。AMO可以触发一个mm在年代际时间尺度上。一个mm也可能导致AMO和飓风活动之间的联系13]。北大西洋涛动(NAO)的区别是大西洋副热带高压和冰岛低。它也可能影响飓风活动和跟踪14]。

尽管许多气候指数在大西洋地区发现关联与季节性大西洋飓风活动,没有人更广泛接受并用于预测飓风厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的索引。ENSO变暖(冷)异常的描述热带太平洋海温在东部(ETP)称为厄尔尼诺(拉尼娜)和相应的压力变化。在厄尔尼诺现象期间,ETP是增强对流。反过来,这导致西风上层对流层风异常在大西洋上空。自气候风在大西洋热带对流层上层大多是西风,El Nino-induced上层对流层风异常可以增加垂直风切变(大众;(15])。大众对主要发展地区(MDR) 10°至20°N从非洲到美洲可以显著降低飓风活动(16]。灰色(15)发现飓风天数之间的显著差异在厄尔尼诺现象期间(每年10.9天)和non-El尼诺年(每年23.2天)。他还分析了赤道Quasibiennial振荡的影响(QBO)大西洋飓风活动,发现它们之间的密切关联。Bove et al。17)表示,两个或两个以上的概率飓风登陆美国海岸在拉尼娜年66%,48% Nino-neutral期间,在厄尔尼诺年只有28%。史密斯et al。18]进一步证实了这些差异之间的大西洋飓风活动ENSO寒冷和温暖的年。

各种形式的气候指标测量ENSO的力量已经作为最重要的一个预测的统计模型预测季节性活动的大西洋飓风(14,15,19]。然而,由于ENSO和大西洋飓风活动之间的相关性并不成为重要的到7月,一个主要的限制和这些模型的不确定性来源的依赖是大西洋飓风预测夏季的预测ENSO指数通常包含大量不确定性的(20.,21]。谢et al。22]说明大西洋飓风预报的广泛的函数July-August-September ENSO指数(雅)。因为雅ENSO指数进行季前赛的时候不在飓风预测,预测通常使用的索引值。因为大西洋飓风的敏感性预测ENSO指数,ENSO预测误差不可避免的转化为大西洋飓风的预测误差。因此,为了减少季节性飓风的预测的误差,有必要开发一个飓风季节预测模型是独立于季前赛ENSO的预测。在这项研究中,我们将分析使用季前赛的可行性(春季)在热带太平洋海气潜热通量取代雅ENSO指数预测TCs和飓风的数量每年将开发在大西洋。

2。数据和方法

2.1。数据

因为我们的目标是预测TCs和飓风的数量形式在大西洋飓风季节,我们首先需要获得年度TC和飓风数量大西洋盆地。历史TC计数是通过手工计算基于美国国家飓风中心(NHC) HURDAT地图可以在最好的跟踪数据http://www.nhc.noaa.gov/pastall.shtml,以及有关项目:http://www.aoml.noaa.gov/hrd/hurdat/DataByYearandStorm.htm。训练我们的模型,我们使用过去的风暴数量从1960年到2011年期间更可靠。气候指数用于本研究的预测候选预测即将到来的飓风季节的TC和飓风数量几乎是基斯和谢(使用的相同19]。此外,QBO指数和ETP LHF作为候选预测还包括在这项研究。

一个mm指数是太平洋的最大协方差分析的结果和纬向和经向风地区21°S-32°N, 74°W-15°E。AMO索引是基于北大西洋太平洋。TNA是每月的平均海温的异常从5.5°N 23.5°N和15°W到57.5°W。TSA是每月的平均海温的异常从0到20°S, 10°E 30°W。WHWP是海洋表面区域的月度异常温暖的比28.5°C在大西洋和北太平洋东部。NAO由南北偶极子的异常,它有一个中心位于格陵兰岛和其他中心与反号跨越中央纬度之间的北大西洋35°N和40°N。QBO计算从30 mb的纬向平均纬向风在赤道与NCEP / NCAR再分析计算。从这些气候指标http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/。

NINO12 Nino1 + 2对海温异常区域,用于这项研究代表ENSO影响。从获得的NINO12指数http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/sstoi.indices。NINO12雅在飓风季节平均的值通常是用于建立一个统计模型。然而,预报值NINO12获得全球预测系统(例如,美国国家环境预测中心的耦合预测系统模型)通常用于预测即将到来的飓风季节。

地表潜热通量源自NCEP / NCAR再分析数据用于计算与年度大西洋TC和飓风数量的相关性。潜热通量(LHF)值超过ETP提取NCEP / NCAR再分析,平均每个月的预测从1960年到2011年是另一个候选人。

2.2。方法

2.2.1。多元线性回归

我们的目标是估计的预期数量TCs和飓风形成在大西洋,为代表。预测了大西洋TC和飓风数量,分别。我们使用线性回归的统计模型,它假定的被选中的气候指数线性相关。我们选择哪一个月后的指数研究包括基斯和谢的19]。一旦每个指数选择的个月,每月平均每年指数计算的值来创建一个月度时间序列代表指数。实现回归之前我们检查气候指数之间的相关性。所有值,除了TSA和NINO12,表现出强烈的相关性。为了缓解这个问题,我们执行一个向后逐步消除回归(某人)来消除和冗余预测的意义。线性回归模型可以表示为 在哪里是拦截;,,等等是回归系数;和是随机误差。使用前几年的数据,预测因子的系数使用最大似然方法估计。这些估计,然后使用当前气候索引值预测的值。

最佳拟合线的偏差的平方和最小化数据点的线。每个预测的最小二乘常数计算使用统计软件。

2.2.2。某人过程

有许多气候指标包括那些部分中描述2。1被用作候选预测建立统计模型预测大西洋TC和飓风的数量在每个季节中形成。然而,并不是所有的候选人是独立的预测因子,并不是所有的独立预测因素是同等重要的。包含冗余预测和太多的无关紧要的因素会导致大的模型不确定性(19]。八个指标被基斯和谢(选择19飓风的预测模型。同样,谢et al。22)缩小预测的数量从22为大西洋TCs和9到12飓风用套索(23]。在这项研究中,我们将利用某人过程预测排名并选择最重要的候选人。过程包括从节中描述的所有9候选预测2。1至少删除每个预测和进步意义,影响相关系数最小。这样做是反复,直到最高的预测意义的结合(最低的值)。

2.3。标准化

标准化是一个过程,使均匀的数据范围不同数据集的范围值之间存在较大的差异。在这项研究中,一个标准化的时间序列从原始时间序列获得吗根据 在哪里的标准偏差和是平均的。

2.4。分析交叉验证(LOOCV)

来验证预测模型的预测能力,有必要确保答案的预测不是用来训练模型中的模型本身发展阶段。可以通过删除,试图预测的模型,从训练数据集(因此术语分析)用于开发预测模型。通过移除一年一次,我们可以交叉验证的预测回归模型预测的值没有训练。

3所示。结果和讨论

3.1。找到一个替代预测ENSO指数使用某人

因为明智的和潜热通量从海洋能源燃料的主要来源是飓风的发展,它是合理的探索是否这样的全球海洋热通量在某些地区可以作为预示季前赛飓风预测。虽然很多气候变量是目前常用的各种飓风的预测模型,海气明智的或潜热通量、令人惊讶的是,没有一个人。研究是否海气热通量在海洋的某些部分可能是有用的预测,我们首先创建相关地图显示领域的显著相关性()之间的合理和潜热通量在一个特定的月对全球海洋和TCs的年度数量在1960 - 2011年期间的北大西洋。在这项研究中,潜热通量的应用程序(以下称为LHF),这是更重要的比显热通量,提出了演示使用热通量作为预测的重要性。相关系数和相应的值之间的年度TC(飓风)计数和LHF全球再分析数据的每个网格点之间的1960年和2011年然后计算每个月。相关系数的等高线图是绘制今年每个月的平均每月LHF和相关的时间序列的北大西洋TC(飓风)从1960年到2011年。通过检查12个相关地图的12个月,相关识别的最重要的地区。ETP地区[0°5°N, 115°-125°W]是一个地区最明显和持久的负相关,表明LHF增加在这一地区与减少年度大西洋TC(飓风)计数。起初,这似乎是与厄尔尼诺现象的影响一致以来该地区[0°5°N, 115°-125°W]经常引用Nino3.4区域内,但事实证明,在春天LHF(1)之间的相关性和厄尔尼诺指数(Nino3.4或Nino1.2指数)在春天或夏天(雅)是无关紧要的。此外,这个地区的LHF和大西洋之间显著相关年度TC(飓风)计数开始发生早在1月和3月达到顶峰,而厄尔尼诺指数之间的相关性和大西洋飓风年度TC或重要的是无关紧要的仲夏直到大西洋飓风季节的开始。因此,LHF ETP地区在春天可能是一个可行的候选预测大西洋TC或飓风数量以下的飓风季节。

每月平均的LHF ETP然后与北大西洋TCs和飓风的数量。发现3月相关性最高,其次是2月和1月。因此,3月LHF值选择的ETP区域(称为LHF指数以下3月)有最好的可能是一个有用的预测为大西洋TC和飓风。

评估是否LHF指数3月大西洋TC计数的主要预测因子之一,某人过程应用于3月LHF指数以及其他候选人预测中所描述的部分2。1。除了ENSO指数平均使用雅,3月值用于所有其他预测真正的预测可以在4月份。表1描述了排名最高的预测在每个步骤中,直到最低值是达到了。结果清楚地表明,LHF是前三大西洋TC计数和比夏季的预测ENSO指数。因此,3月LHF可以用来取代雅ENSO指数。同样值得注意的是,QBO指数被广泛用于预测大西洋TC频率未能达到顶峰6预测符合Camargo的发现和索贝尔(24]。

3.2。将3月LHF大西洋TC预测模型

使用前4预测,TNA, TSA LHF, WHWP,我们可以构造一个大西洋TC预测模型不使用预测ENSO指数的值。图1显示LHF之间的关系和大西洋TC数量从1960年到2011年。清楚地看到一个负相关。

大西洋年度TC的线性回归模型计算基于TNA, TSA, WHWP,和LHF可以建立了1960 - 2011年期间:

图2显示了回归模型的预测TC计数和观察到的数量。它有一个很好的相关性(,价值)。如果我们更换LHF指数与夏季(雅)ENSO指数同时保持TNA, TSA, WHWP,回归略有降低,建议使用LHF的优势而不是雅ENSO指数即使准确预测厄尔尼诺现象。

3.3。使用LOOCV模型验证方法

为了评估的技巧中提出的回归模型(3),LOOCV法。图3显示了预测年度大西洋TC数量比实际的数量。可以看出,预测趋势密切关注与观察。表2显示了大西洋的预测和观察到的异常的迹象TC计数(+)代表高于正常,低于正常(−),()附近正常(正常的差异2风暴)。52年过去了,有44 8未击中,获得85%的成功率。在最近的25年自1986年以来,只有3失误,反映出一个令人印象深刻的88%的成功率。相比之下,以类似的预测成功率锻炼使用更复杂的“网络motif-based机器学习工具”获得了类似的成功率为80% (25]。因此,识别的春季LHF预测,即使是一个简单的多元线性回归模型显示的承诺改善季前赛大西洋TC预报。这一承诺进一步证明了对应的散点图如图4。预测和观察年度大西洋TC计数得到一个令人印象深刻的正相关。

3.4。应用于大西洋飓风的预测

结果部分3.3证明海气潜热通量在三月份ETP观察可以用于预测年度项大西洋TCs在接下来的飓风季(11月1日6月30)。这消除了需要使用预测厄尔尼诺/拉尼娜值这样的预测,从而降低了季前赛的不确定性预测年度大西洋TCs计数。然后,问题是是否同样适用于更强烈的飓风没有计算热带风暴。要回答这个问题,我们将只对飓风重复某人过程。如表所示3如果我们包括LHF和ENSO指数3月,ENSO指数消除在第四步骤,未能进入前5名的预测,而LHF指数达到前三。

很明显,3月LHF是优先于3月ENSO指数(NINO12)作为预测季节性预测的大西洋飓风。这并不奇怪,因为众所周知,ENSO和大西洋飓风数量之间的相关性并不成为重要直到盛夏。然而,比较LHF和ENSO指数在春天季节可能不公平,因为只有夏天ENSO指数值用于现有的飓风的预测模型。假设完美的夏季预测ENSO指数,我们可以为预测因子包括排名3月LHF和雅ENSO指数。某人分析的结果如表所示4。毫不奇怪,ENSO指数成为三大因素,而LHF前4,消除了ENSO指数前一步。这表明,如果完美ENSO预测可用,使用ENSO指数作为大西洋飓风的预测计算者优先。

之间的差异使用3月LHF和雅ENSO指数预测更清楚地说明了交叉验证的预测使用它们作为预测指标。图5展示了大西洋飓风之间的对比统计预测使用一个mm, TSA,和3月LHF(蓝线),并使用一个mm, TSA,雅NINO12(绿线)。这些预测是实际相应回归方程(4)和(5),分别。两个预测非常类似于他们的相关系数与实际数量是0.2626和0.2674,分别(图6)。图的仔细检查5揭示两者之间的主要区别预测与强烈的厄尔尼诺年,特别是1997年(强大的厄尔尼诺年)和2002年(温和的厄尔尼诺年)。在这两种情况下,(4)overpredicted以较大的优势比(5)。这表明,如果准确预测ENSO可用,使用ENSO指数预测者优先考虑:

4所示。结论

在这项研究中,我们发现ETP的潜热通量的区域内(0°5°N, 115°-125°W)在春天是大西洋TCs的年度数呈负相关。通过某人的过程,3月的价值ETP LHF通过显著性检验过程和到达顶部的列表3预测。奇怪但幸运的是,春天值和ENSO的夏天价值(NINO12)指数未能达到顶峰4预测列表。因此,我们建议使用3月ETP LHF取代夏天的麻烦的预测价值预测ENSO指数统计模型的发展大西洋TCs的季节性计数。使用选择的前4预测某人过程,季前赛的多元线性回归模型(4)预测ENSO的大西洋TC计数不使用索引。LOOCV方法使用前4预测和实际大西洋TC数量从1960年到2011年之间呈显著相关预测TC数量和实际TC计数(;价值)。天气预报也正确放置的85%年大西洋TC活动的适当的类别,即以上,低于或接近(在不同之间的两场风暴预测TC异常和实际异常如果他们不同的迹象)正常。这个比例的成功率大大高于模型使用预测厄尔尼诺/拉尼娜现象作为预测指标。

3月ETP效用LHF预测年度大西洋飓风数量比TCs有所不同。结果表明,如果有可用的完美预测ENSO发出飓风预测之前,雅ENSO指数如NINO12是一种更有效的预测比3月ETP在厄尔尼诺年LHF。然而,在ENSO-neutral或拉尼娜年,之间的差异使用3月ETP LHF和雅NINO12指数是次要的。因此,除非可靠预测ENSO可发行的时候季前赛大西洋飓风预测和这样的预测表明,厄尔尼诺事件是开发在飓风季节,使用3月LHF比使用雅ENSO的预测仍然是一个更好的选择。

这里给出的结果是有限的分析使用价值的潜热通量随着3月ETP大西洋的潜在季前赛预测预测年度TC和飓风。显热通量比其他地区的全球海洋或陆地影响大西洋年度TCs的变化,飓风,或主要飓风吗?潜热通量如何影响大西洋TC和飓风活动吗?海气热通量影响飓风追踪吗?在未来这些问题值得进一步研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这个工作的主要部分是当第一作者(肯尼·谢)是一个暑期实习生第二作者的监督下刘(本)沿海NCSU流体动力学实验室/量。作者感谢Drs。蒙特塞拉特f和Dorit Hamerling援助统计工具的使用。这项研究是由美国国家海洋和大气管理局通过分包UF-EIES1100D31-NCS和美国东南沿海海洋观测区域协会(SECOORA)奖IOO.11 NCSU.LX.MOD.1 (03)。