【文献分享】Global and Planetary Change｜西北太平洋热带气旋降雨区域变化：持续时间还是降雨强度主导？

文献导览

题目：Regional changes of tropical cyclone rainfall in the western North Pacific

作者： Aifang Chen, Yuxin Li, Hao Huang, Cesar Azorin-Molina, Mengqian Lu, Hui-Wen Lai, Penghan Chen, Hong Wang, Junguo Liu

期刊： Global and Planetary Change

中科院分区： 一区（地球科学）

发表时间： 2025

DOI： 10.1016/j.gloplacha.2025.105094

一、摘 要

热带气旋（Tropical Cyclone, TC）是西北太平洋最具破坏性的自然灾害之一，其携带的大量降雨不仅影响洪涝灾害发生，还直接关系到区域水资源安全、生态系统稳定以及沿海社会经济发展。近年来，在全球变暖背景下，关于"热带气旋降雨是否增强"已成为国际气候变化研究的重要热点。然而，一个长期存在但尚未得到充分回答的问题是：

🔹 热带气旋降雨变化究竟是由降雨变得更强（Rain Rate）造成的，还是由于热带气旋影响时间变长（Duration）导致的？

针对这一科学问题，作者基于1979—2020年IBTrACS热带气旋最佳路径数据、MSWEP降水数据以及ERA5再分析资料，对西北太平洋热带气旋降雨进行了系统分析，并首次将热带气旋降雨分解为持续时间（Duration）和降雨强度（Rain Rate）两个独立组成部分，定量评估二者对降雨变化的贡献。

🔹 研究结果表明：

西北太平洋热带气旋降雨整体变化呈现明显的空间异质性；

20°N以南降雨减少，而20°N以北降雨增加；

约63%的区域降雨变化主要由持续时间变化控制，而非降雨强度；

北部沿海地区降雨变化更多受Rain Rate控制，其变化主要与500 hPa垂直速度（Omega）变化密切相关；

热带气旋路径持续向高纬迁移，使高纬地区热带气旋停留时间延长，是近年来北部降雨增加的重要原因。

研究不仅揭示了西北太平洋热带气旋降雨变化的新规律，也进一步阐明了不同区域降雨变化背后的物理驱动机制，为未来热带气旋灾害风险评估及适应气候变化提供了新的科学依据。

二、研究背景

为什么关注热带气旋降雨？

热带气旋是全球最重要的极端天气系统之一。虽然其发生频率相较于暴雨等天气事件较低，但由于其具有强风、暴雨、风暴潮等多重灾害特征，每年都会给沿海地区带来巨大的经济损失和人员伤亡。

西北太平洋是全球热带气旋活动最活跃的海域，约占全球热带气旋生成数量的三分之一。中国、日本、菲律宾、韩国以及东南亚国家均长期受到热带气旋影响，因此深入理解其降雨变化规律，对区域防灾减灾具有重要意义。

近年来，随着全球气候持续变暖，大气水汽含量增加，极端降雨事件呈现增强趋势。已有大量研究指出，热带气旋降雨正在发生显著变化，但关于其变化机制仍存在争议。一部分研究认为，降雨增加主要源于气候变暖提高了空气持水能力，使降雨强度增强；另一部分研究则认为，热带气旋路径发生北移、移动速度减缓以及影响时间延长，同样可能导致累计降雨增加。

然而，大多数已有研究关注的是降雨总量，而很少将降雨进一步拆分为“持续时间（Duration）和降雨强度（Rain Rate）”两个独立组成部分，因此尚不清楚究竟是哪一种因素在主导热带气旋降雨变化。

本研究要解决什么问题？

针对上述科学问题，作者提出三个核心研究目标：

1.  揭示1979—2020年西北太平洋热带气旋降雨的时空变化特征；

2. 定量评估持续时间（Duration）和降雨强度（Rain Rate）对热带气旋降雨变化的相对贡献；

3. 结合热带气旋路径变化及大尺度环境因子，解释不同区域降雨变化的物理机制。

可以看出，与传统研究相比，这篇论文不仅关注"发生了什么变化"，更进一步回答了"为什么发生变化"，体现了从现象识别到机制解释的完整研究思路。

三、数据来源

本研究主要使用三类数据：

① 热带气旋路径数据：IBTrACS Version 4，时间：1979—2020年；

② 降雨数据：MSWEP V2，全球高分辨率降水数据集；

③ 大气再分析数据：ERA5，包括Omega、CAPE、RH600、RV850等环境变量。

研究区域覆盖整个西北太平洋（100°E–180°E，0°–40°N），能够较全面反映不同纬度热带气旋降雨变化特征。

四、研究结果

1. 西北太平洋热带气旋降雨总体呈现明显空间异质性

论文首先统计了1979—2020年西北太平洋热带气旋降雨的多年平均空间分布。从整体来看，TC降雨呈现出显著的空间异质性，不同区域的降雨特征存在明显差异。

研究结果显示，菲律宾以东洋面、日本南部海域以及西北太平洋热带海域是热带气旋降雨最丰富的区域，这些区域既是热带气旋生成和发展的重要海域，也是热带气旋生命周期内停留时间最长的区域，因此累计降雨量明显高于其他地区。

相比之下，东海、黄海以及我国东部沿海虽然热带气旋活动频繁，但由于热带气旋登陆后迅速减弱、移动速度加快，累计降雨总体低于海洋区域。

更值得关注的是，论文分别分析了“Duration（持续时间）和Rain Rate（降雨强度）”的空间分布，发现二者呈现完全不同的区域特征。

（1）Duration空间分布

Duration与累计降雨高度一致。

热带气旋在菲律宾东侧、西北太平洋中东部停留时间最长，因此这些区域也是累计降雨最高的区域。

说明：持续时间越长，累计降雨越容易增加。

（2）Rain Rate空间分布

Rain Rate则明显不同。

论文发现，高降雨率主要集中于：台湾附近海域、日本南部沿海、菲律宾北部、越南中部沿海。这些区域虽然持续时间未必最长，但由于局地对流发展旺盛、地形抬升作用明显，因此单位时间降雨强度更大。

这一结果说明：高降雨量并不一定意味着降雨强度高，更可能是由于热带气旋停留时间更长。

这一发现为后续贡献率分析埋下了伏笔。

2. 西北太平洋热带气旋降雨呈现“南减北增”格局

为了进一步分析长期变化趋势，作者采用Sen's slope和Mann–Kendall检验，对1979—2020年热带气旋降雨进行了趋势分析。

结果发现：整个西北太平洋并不存在一致的变化趋势，而是呈现出十分明显的南北差异。研究以约20°N为界，可将西北太平洋划分为两个截然不同的区域。

南部海域（20°N以南）：热带气旋累计降雨整体呈下降趋势。主要包括：菲律宾附近海域、南海东部、热带西北太平洋。这些区域近年来TC降雨持续减少。

北部区域（20°N以北）：结果则完全相反。包括：东海、日本南部、韩国附近、中国东部沿海。热带气旋降雨总体呈增加趋势。

这一现象意味着：未来高纬沿海地区可能面临更大的热带气旋暴雨风险。

为什么会出现这种变化？

论文指出，仅分析Rainfall并不能回答原因。因此，作者进一步分析：

🔹 Duration是否变化？

🔹 Rain Rate是否变化？

只有找到真正变化的组成部分，才能解释南北差异形成机制。

3. 持续时间和降雨强度具有完全不同的空间变化特征

上图展示了Duration和Rain Rate各自的长期变化趋势。

首先来看Duration。

作者发现：近年来热带气旋持续时间在北部区域明显增加，而南部海域则有所减少。这一变化与前面Rainfall变化几乎一致。

说明：Duration很可能决定了Rainfall变化。

另一方面，Rain Rate变化则明显更加局地化。高降雨率变化主要集中在：日本附近、中国东南沿海、台湾周围，而大部分海洋区域Rain Rate变化并不明显。

为什么二者差异如此明显？

论文认为：

Duration主要受：TC路径变化、TC移动速度、生命周期变化共同控制。

Rain Rate则更多受到：大气水汽、垂直运动、对流发展等局地环境因素影响。

因此，两者本身对应完全不同的物理过程。

4. Duration还是Rain Rate？论文给出了定量答案

为了定量比较两者的重要性，作者利用偏导贡献率分解方法，对整个西北太平洋进行了归因分析。结果十分清晰：约63%的区域热带气旋降雨变化主要由Duration控制，仅约37%的区域主要受Rain Rate影响。

进一步来看空间分布：

Duration主导区域主要位于：菲律宾以东、西北太平洋广大海域、中低纬海洋区域，这些区域热带气旋降雨变化几乎完全由持续时间决定。

Rain Rate主导区域主要位于：中国东部沿海、日本南部、韩国附近，说明登陆前后的热带气旋降雨变化更多受到局地大气环境控制，而不仅仅是路径变化。

5. 热带气旋路径北移是持续时间变化的关键原因

前面的分析已经证明：Duration是影响西北太平洋热带气旋降雨变化的主要控制因子。那么，一个新的科学问题随之而来：

为什么 Duration 会发生变化？

为了解答这一问题，作者进一步分析了1979—2020年热带气旋路径（Track）的长期变化特征，包括：热带气旋生成位置（Genesis）、最大强度位置（Lifetime Maximum Intensity，LMI）、全生命周期轨迹密度（Track Density）。

通过核密度估计（Kernel Density Estimation，KDE）分析发现，近年来西北太平洋热带气旋活动中心整体呈现明显的**向高纬迁移（Poleward Shift）**趋势。

具体表现为：热带气旋生成位置逐渐北移；达到最大强度的位置同步向北移动；

热带气旋轨迹整体向日本及我国东部沿海方向偏移。这种路径变化直接改变了不同区域热带气旋的停留时间。

对于低纬热带海域而言，热带气旋经过次数减少、影响时间缩短，因此累计降雨呈下降趋势；而对于中高纬海域及沿海地区，热带气旋影响时间明显增加，使累计降雨呈增加趋势。

论文指出：Duration的空间变化几乎与热带气旋路径变化保持一致。说明路径变化是控制持续时间变化的重要动力机制。

为什么路径北移会增加降雨？

很多人容易认为：热带气旋降雨增加 = 风暴更强。事实上，这篇论文给出了另一种解释。

作者认为：如果热带气旋在某一区域：停留时间增加、移动速度降低、经过次数增加，即使单位时间降雨没有明显增强，累计降雨仍然会显著增加。换句话说：“下得久”比“下得猛”更重要。这也是全文最核心的观点之一。

6. Random Forest 揭示 Rain Rate真正受什么控制？

既然Duration解释了大部分降雨变化，那么：Rain Rate 又由什么决定？

作者进一步利用机器学习方法进行了分析。论文构建了Random Forest模型，输入多个环境变量，包括：500 hPa垂直速度（Omega）、CAPE（对流有效位能）、RH600（600 hPa相对湿度）、RV850（850 hPa相对涡度），输出Rain Rate变化。

Random Forest不仅能够建立变量之间复杂的非线性关系，还能够计算每个变量的重要性，因此近年来在气候变化归因研究中得到越来越广泛的应用。

模型结果表明：Random Forest能够较好地模拟Rain Rate变化，说明这些环境变量能够较好解释降雨强度变化。

进一步的重要性排序显示：Omega 是影响Rain Rate最重要的大尺度环境因子。其次依次为：CAPE、RH600、RV850。说明：Rain Rate主要受大气动力过程控制，而不是TC路径变化。

为什么Omega最重要？

Omega表示大气垂直运动。一般来说：Omega越负，表示上升运动越强。上升运动增强，能够：增强对流发展、增加凝结、提高降雨效率，因此Rain Rate会明显增加。论文结果进一步验证了这一物理机制。

虽然Random Forest能够告诉我们：哪个变量重要，但它仍然属于"黑箱模型"。

因此作者进一步采用：SHAP（SHapley Additive exPlanations）解释模型输出。SHAP最大的优势在于：不仅告诉我们：谁重要？还能告诉我们：为什么重要？以及：如何影响结果？

论文SHAP分析进一步表明：Omega不仅排名第一，而且对Rain Rate具有持续稳定的正向贡献。与此同时：CAPE增加、中层湿度提高、低层相对涡度增强，都会促进热带气旋降雨率增加。

不同环境因子的贡献程度存在明显差异，其中：Omega贡献远高于其他变量。

SHAP结果意味着什么？

这意味着：未来如果能够准确预测大尺度垂直运动和大气稳定度，就能够提前判断热带气旋是否容易产生更大的Rain Rate。对于暴雨预报而言具有重要应用价值。

五、研究亮点

亮点一：提出“下得久比下得猛更重要”的新认识

研究结果表明，在长期尺度上，热带气旋累计降雨变化主要受持续时间控制，而非降雨强度。这一发现突破了传统上仅关注降雨强度变化的研究思路，为理解热带气旋降雨变化提供了新的视角。

亮点二：揭示西北太平洋TC降雨“南减北增”的新格局

论文发现，近40年来西北太平洋热带气旋降雨呈现显著的空间异质性：20°N以南降雨减少，而20°N以北降雨增加，说明未来我国东部、日本及韩国等高纬沿海地区可能面临更高的暴雨风险。

亮点三：机器学习增强了物理机制解释能力

通过Random Forest和SHAP分析，论文不仅识别了关键环境因子，还解释了不同变量对降雨强度变化的影响方向和重要性，实现了从统计规律到物理机制的进一步拓展。

六、一句话总结

热带气旋降雨变化不仅取决于“下得有多大”，更取决于“下了多久”。近40年来，热带气旋路径北移导致持续时间增加，是西北太平洋北部降雨增加的重要原因，而降雨强度更多受局地大气环境调控。

七、管理启示

根据论文结果，可得到以下几点启示：

加强高纬沿海地区防灾准备。 随着热带气旋路径北移，高纬沿海地区可能经历更长时间的热带气旋影响，应进一步完善暴雨预警和防洪体系。

实施区域差异化监测。 海洋区域应重点关注热带气旋路径和停留时间，沿海地区则需加强对大气环境条件（如垂直速度、湿度等）的监测，提高降雨预报精度。

完善综合风险评估。 在未来热带气旋风险评估中，应综合考虑持续时间、降雨强度及其驱动机制，而不仅关注累计降雨量，从而提升区域气候适应能力。以上内容基于论文讨论部分的归纳整理。

八、编辑推荐

这篇论文最值得关注的地方，并不仅仅在于发现了西北太平洋热带气旋降雨“南减北增”的空间格局，更重要的是，它回答了一个长期存在但一直缺乏定量证据的科学问题：

热带气旋降雨变化，到底是由降雨强度增强，还是由持续时间延长所驱动？

作者通过降雨分解、贡献率分析、路径变化分析以及机器学习解释模型，构建了从现象识别—定量归因—机制解释的完整研究框架。这种研究思路具有较强的可借鉴性，对于开展极端降水、热带气旋及气候变化影响研究具有重要参考价值。

九、引用格式

Chen A., Li Y., Huang H., et al. Regional changes of tropical cyclone rainfall in the western North Pacific. Global and Planetary Change, 2025, 255: 105094. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.105094

本文仅用于学术交流与科研学习，内容依据原始论文整理与解读。文中对研究背景、创新点、研究亮点、编辑推荐等栏目进行了编辑性归纳，旨在帮助读者理解论文内容，不代表原论文作者观点。如有理解偏差，欢迎交流指正。