文丨波波百谈

编辑丨波波百谈

起源于珊瑚海的热带气旋 (TC) 对其周围的沿海地区构成了重大危害。此外，该地区还没有很好地了解 TC 轨道的不稳定性质。因此，研究人员根据最大风权质心的 K 均值聚类对过去五十年的珊瑚海 TC 轨迹进行了分组。

热带气旋 (TC) 可能对其附近地区造成极大危害，其能力通过它们产生的海浪从远处造成破坏。最近全球研究的共识预测，由于人为气候变化可能会加剧与海平面上升相关的洪水，TC 活动会更加强烈。

历史上，澳大利亚东海岸附近的 TC ，曾对自然景观和人为基础设施造成重大破坏。澳大利亚损失最惨重的前五次自然灾害中，有三次是 TC 造成的。在这三个 TC 中，有两个在澳大利亚东部盆地被追踪，TC 可能对澳大利亚东海岸构成重大风险。

珊瑚海风热带气旋可用数据

研究数据集的一个重要考虑因素，是选定的时间跨度及其对数据质量的反比关系。1972 年 Dvorak 技术的发布使旋风强度估计得到了显着改进。尽管自 1972 年以来常规红外极地轨道卫星一直在澳大利亚用于气旋测量，但常规地球静止气象卫星自 1978 年以来仅覆盖该地区。1970 年代，强度测量仪器偏差减少了约 10%。

强度（风速）用作轨道聚类的轨道特定权重因子，因此跨轨道风速偏差不是问题。假设在 1970 年代部署的特定强度估计技术在每个轨道内都是一致的，因为所考虑的区域仅属于一个 BOM 热带气旋警告中心。

从 1972 年开始，在珊瑚海中产生的完整 BOM 气旋轨迹被选择纳入聚类研究。对于由此产生的两项分析——整体和集群内气旋功率和曲率（曲率），1978 年以后的轨迹被视为集群内子集，以减少这两项分析结果的仪器偏差。

TC轨迹加权质心和方差。TC 耗散的功率是其表面风速在记录的时间跨度内的函数。因此，选择最大持续风速（十分钟平均值）作为计算轨迹质心和方差的加权因子，因为它类似于气旋在其空间位置的惯性质量，由其地理坐标定义纵坐标。使用这个最大风速加权因子计算的加权质心可以描述为 TC 路径的第一质量矩。

珊瑚海TC质量和聚类分析

TC质量矩的K均值聚类适应轨道几何形状，并且还可以扩展以包括其他元轨道形状索引（例如正弦度），因此基于这个理念，我们认识到澳大利亚东部盆地（珊瑚海）的TC轨迹按功率（最大风速）加权质心分组，每条轨道的质心是纬度和经度的二维向量。然后确定和解释每组或 TC 簇的元特征——曲率（弯曲度）和面积是此类元特征的示例。

means 方法在气旋聚类中的应用已在北半球多次使用，因为它允许根据气旋路径空间特征进行分组。其中一些研究根据轨迹演变中的选定点对TC轨迹进行了聚类，例如最终强度和最大强度的位置。

但是，这不使用轨道长度作为分组参数，因此首选按加权第一矩进行分组。使用的分组方法是气旋轨迹质心的 K 均值聚类，由沿轨迹的每个测量坐标处的最大风速加权。它类似于旋风的第一质量矩，最大风速是旋风沿其轨道的特定点处的质量度量。

单独应用第一矩（轨迹加权质心）作为聚类变量，而不将第二矩（轨迹加权方差）作为聚类变量，是一种以前没有采用过的方法，它基于这两个力矩具有截然不同的应用的基本原理——第一个是空间中（加权）质心位置的测量，第二个是轨道面积、轨道轴方向和形状。

当使用 K 均值聚类方法时，会建立初始分区，然后在每次更改后逐渐重新计算和更新聚类中心（不要与 TC 轨迹质心混淆，其中纬度和经度构成受聚类影响的两个变量集）到集群。

对于 n 个 TC 轨道数据集，每个轨道有p 个变量x ( i , j ) for i  = 1,2,…, n；j  = 1,2, …, p ; K-means 将每个轨道分配给 K 个组或集群中的一个，以最小化集群内的平方和。小号( k ) = _ _∑我= 0n∑j = 0p( x ( i , j ) −x ( k , j )¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯)2个

计算具有K个簇的起始簇质心的起始K x p矩阵，然后将轨道分配给具有最近的集群质心的集群。然后，迭代计算试图通过将轨道从一个集群移动到下一个集群来找到具有最小集群内平方和的最佳分区（Hartigan 和 Wong 1979）。

珊瑚海TC轨道位置

虽然TC轨道位置的三个变化描述了覆盖的区域、方向和区域的形状，但这些并不能直接测量轨道的整体曲率。因此，Terry 和 Gienko使用的弯曲度S的定义已用于比较星团间的轨道曲率：小号=TC轨迹距离TC轨道位移。

计算无约束轨迹的曲率，然后，与PDI一样，曲率计算在发生和衰减时受到限制——第一个和最后一个记录被定义为最接近十分钟平均风速首次超过/最后降低到 17.5 m 时的轨迹记录/秒。

按集群划分的TC趋势。过去五十年的TC频率趋势按集群分组，研究人员在年度和十年尺度上进行了调查。使用泊松回归模型，p检验用于确定时间尺度上任何检测到的 TC 频率趋势的统计显着性。

飓风在其生命周期内的总强度是衡量整体飓风破坏性和风险的指标，因此，PDI如方程式中所定义，被选为要分析的气候特征。然后可以将跨集群趋势与过去 50 年澳大利亚 TC 特征研究中产生的其他非集群趋势分析进行比较。

这种对按中心分组的TC轨迹的分析，然后是坐标方差，将深入了解气旋频率的变化、气旋的曲率以及功率的时间趋势和 TC 最大强度的位置。

珊瑚海质心（第一矩）聚类

根据研究调查，三个聚类有明显的分离而没有重叠，而方差椭圆突出了每个聚类的不同和发散的形状特征。集群 2 和 3 大致位于同一纬度，集群 1 的质心位于更南约 3 度的位置。每个椭圆的长轴表示气旋移动的主要方向：第 2 组气旋通常沿东风移动，第 1 组气旋（平均）向东南方向移动，而第 3 组气旋的典型方向是西-西南。集群 2 和集群 3 中的 TC 比集群 1 中的 TC 横向移动更多，集群 1 中的南北方差几乎是其他集群的两倍。

TC 跟踪具有由第一时刻聚类的质心（跟踪质心），最大风速的 TC 轨迹由渐变色标和各个轨迹质心的位置表示，如十字所示，相关的轨迹簇组由质心点颜色表示。聚类方差椭圆也用颜色表示——说明每个聚类的平均侵犯面积、平均方向和平均形状

TC频率，在过去 50 年中，完整集（未聚类）和聚类 1 的 TC 频率在统计上有显着下降趋势（符合泊松分布）。每年的 TC，用于 1970 年至 2020 年珊瑚海起源的轨道，a所有轨道，然后按集群分组。b – d所有轨迹均显示 90% 置信度下的下降（p值：0.0611）。

按集群对 TC 频率时间趋势的分析表明，只有集群 1 TC 显示出线性下降趋势 - 因此，单独集群 1 是澳大利亚东海岸气旋频率总体下降趋势的原因。集群 2 和 3 中的旋风在过去五十年中没有显示出频率降低的任何证据。

珊瑚海TC轨道曲折度

珊瑚海中近 80% 的气旋是弯曲的或弯曲的，集群 1 的直线或准直线移动的气旋比例最高 (28.5%)。集群 2 和 3 具有极高比例的弯曲或蜿蜒轨道，达到 85% 及以上，请注意，Sinuosity 值范围不遵循正态分布，因为它是使用 Sharma 等人开发的指数来表征的， 用于整个 SWP。

这些结果与研究中的成因和衰减强度（最大风速）约束结果的比较显示所有受限轨道的弯曲或蜿蜒（直线或准直线）减少（增加）约 9%，并且集群中弯曲或蜿蜒（直线或准直线）TC 轨道的类似减少（增加），相比之下到不受约束的轨道集群。由此可以推断，与包括 TC 发生前和衰减后记录在内的整个热带风暴轨迹相比，完全形成的TC的移动方式更不复杂。

根据弯曲度调查结果表明，所有轨道的弯曲度在时间上都有一个小的、具有统计学意义的显着增加。集群 2的弯曲度随时间增加是明显的，尽管显着性的统计水平低于 90%（p值：0.1523）。其他集群没有显示任何可见的趋势或弯曲度的统计显着趋势，强度约束轨迹在 95% 或 90% 的显着性水平上没有显示任何曲折趋势。

无约束轨道的曲折趋势——首先是所有在珊瑚海中产生的TC，在 90% 置信度下呈线性增长（p值：0.0991），然后是具有拟合二阶多项式回归线的簇2（对于 90% 以上没有统计显着性）聚类 1，p值：0.1523）。

研究人员确定的三个星团中的每一个都显示了 TC 运动的主要方向——星团 1、2 和 3 的方向分别为东南、西风和西南偏西，而星团 2 和 3 显示出高度的横向移动移动。该区域的 TC 轨迹在从东向西移动的曲线中增加，这是以前在 SWP 中报告过的现象。集群 2 和 3 向西方向追踪，其椭圆中心更靠近陆地，而集群 3（最西向位置的集群）具有最高的每条轨道功耗中值。

自新千年伊始以来，与其他集群相比（考虑功率、弯曲度、LCP 位置和频率时），在集群 2 定义的区域中跟踪的 TC 的危险明显增加)。即过去半个世纪以来，SWP 中的曲折度一直在增加，方法是将这种趋势确定为无约束轨道的边缘趋势，并且对于特定子区域中的最大风速约束轨道在统计上不显着地区（珊瑚海）。它证实了 ENSO 对选定的 TC 气候趋势的影响，在五十年的时间框架内。

参考文献

【1】Asbridge E、Lucas R、Rogers K、Accad A澳大利亚昆士兰州欣钦布鲁克岛严重热带气旋 Yasi 后红树林变化的程度和恢复潜力。Ecol Evol 8(21):10416–10434。

【2】Bell SS、Chand SS、Turville CENSO 驱动的区域热带气旋路径的预计变化。Clim Dyn 54(3-4):2533-2559。

【3】Bhaskar Rao DV、Srinivas D、Satyanarayana GC当前全球变暖时代孟加拉湾热带气旋的起源和登陆位置的趋势。J Earth Syst Sci 128（7）：1-10。

【4】Bloemendaal N, de Moel H, Martinez AB, Muis S, Haigh ID, van der Wiel K, Haarsma RJ, Ward PJ, Roberts MJ, Dullaart JCM, Aerts JCJH未来热带气旋风险的全球一致局部尺度评估. 科学进阶 8(17)：eabm8438。

【5】Ham YG, Choi JY, Kug JS近几十年来ENSO-印度洋偶极子（IOD）耦合强度的减弱。Clim Dyn 49（1-2）：249-261。