量化台风路径曲率：引入标准化差分曲率指数

《Global and Planetary Change》：Quantifying typhoon track curvature: Introducing the Normalized Difference Sinuosity Index

台风路径几何特性分析及气候影响研究。提出归一化差异正弦曲率指数（NDS_iI）量化路径弯曲度，基于1977-2020年西太平洋1064个台风轨迹分析，发现轨迹复杂性与气候模态（ENSO/PDO）及区域密切相关，NDS_iI为防灾减灾提供新工具。

　　

Truong-Vinh Le | Yuei-An Liou

越南国立大学河内商学院（HSB）非传统安全学院，越南河内Cau Giay区Xuan Thuy街144号B1

摘要

台风轨迹分析对于理解风暴行为和提高灾害应对能力至关重要。本研究引入了标准化差异弯曲度指数（NDS_iI），这是一种用于量化台风路径曲率的几何指标，为评估路径复杂性提供了新的方法。NDS_iI通过计算台风轨迹上的最大和最小转向角度得出，并应用于1977年至2020年间西北太平洋（WNP）地区的1064条台风轨迹。所得数值（范围为0到0.24）被分为四类：直线型（G1）、半直线型（G2）、蜿蜒型（G3）和高度蜿蜒型（G4）。分析显示，台风的弯曲度存在显著变化，但没有明显的长期趋势。弯曲度较高的台风通常持续时间更长、影响范围更广，更有可能影响东亚地区。区域差异表明，蜿蜒路径的台风会影响朝鲜、韩国、台湾和日本等国家，而直线路径的台风在中国、越南和菲律宾更为常见。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和太平洋十年涛动（PDO）阶段显著影响气旋生成和路径模式：厄尔尼诺和温暖PDO阶段对应向东偏移的路径和更蜿蜒的路径，而拉尼娜和寒冷PDO阶段则与集中在WNP西部的直线路径相关。NDS_iI为分析台风路径几何特性提供了一种简洁有效的工具，有助于更好地理解台风行为的区域性和气候驱动变化，并支持台风频发地区的预报、建模和灾害管理策略的改进。

引言

西北太平洋（WNP）是热带气旋（TCs）或台风最活跃的区域，在生成频率和峰值强度方面均处于领先地位，占全球TC活动的三分之一（Camargo和Sobel，2005；Walsh等人，2015）。TCs凭借其强大的破坏力和影响，每年都会给数百万人带来重大损失（Terry和Etienne，2010）。此外，气候模型和全球数据分析表明，气候变化可能会增加未来TCs的强度和持续时间，这凸显了对其行为和相关风险进行更深入理解的必要性（Emanuel，2005；Webster等人，2005；Knutson等人，2008；Walsh等人，2019）。通过整合遥感技术，台风行为的研究和预测取得了显著进展（Liou等人，2019；Liou和Le，2024）。因此，深入了解热带低压与台风之间的相互作用非常重要且受到广泛关注（Liu等人，2014）。随后，Liou等人（2016）在WNP盆地开发并测试了一个通用经验公式，用于量化两条台风之间可能发生相互作用的阈值距离。历史上，大多数气旋研究集中在TCs的分布、强度和跨海洋盆地的频率上（Emanuel，2005；Emanuel，2018；Webster等人，2005；Knutson等人，2008；Pandey和Liou，2020；Pandey等人，2021；Le等人，2024），因为这些因素对理解TC相关灾害至关重要。然而，对于TC路径的几何特性，特别是其曲率和空间变异性，关注较少。过去十年中，研究人员越来越多地研究台风路径行为，Gienko和Terry（2012）以及Liou等人（2018）的研究强调了它们在广阔海洋区域内的曲折轨迹。

台风通常沿直线路径移动，但有些台风（如2022年的Hinnamnor台风）会采取高度蜿蜒的路线，这使得路径预测变得复杂，阻碍了灾害应对工作。这类案例强调了定量描述路径曲率的重要性，以便更好地捕捉台风运动的复杂性。该参数量化了与直线的偏差，提供了台风路径复杂性的数值度量（Terry和Feng，2010）。该指数评估了从气旋生成到消散位置的距离和位移。这一比率量化了路径的弯曲度，数值越高表示路径越不规则、越蜿蜒。随后，Terry和Gienko引入了一种新的指标，经过转换后接近正态分布，以满足统计假设或检测与其他变量的线性关系（Terry和Gienko，2011）。许多研究已在不同地区应用了这一指数，包括西南印度洋（Terry等人，2013）、北大西洋（Terry和Kim，2015）、WNP（Grossman等人，2016）、阿拉伯海（Terry和Gienko，2019）以及西南太平洋（Sharma等人，2021）。

台风路径的复杂性，尤其是其弯曲度，对预报准确性和灾害风险降低具有重大影响。虽然直线路径通常更容易预测，但蜿蜒路径由于其不规则和曲折的特性，会带来意外登陆和对受影响地区的长期影响（Mei和Xie，2016）。以往的研究开发了弯曲度指标，如Terry和Gienko（2011）提出的弯曲度指数，该指数测量实际路径长度与气旋生成到消散之间的直线距离之比。然而，这些指标往往无法捕捉台风轨迹上转向角度的动态变化，限制了它们区分具有相似总长度但曲率模式不同的路径的能力。此外，大多数现有方法依赖于整体几何属性，可能因此忽略了路径方向的局部变化，而这些变化对于理解路径行为至关重要。

此外，大规模气候模式如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和太平洋十年涛动（PDO）已被证明会显著影响不同海洋盆地的TC生成、强度和路径模式（例如，Camargo等人，2007；Kossin等人，2010；Zhao和Wang，2019；Wu等人，2020）。这些研究表明，ENSO相关的大规模环流变化可以改变台风路径和曲率特征。然而，这些气候模式对WNP地区台风路径弯曲度和曲率的影响程度仍需进一步探索。

尽管台风路径弯曲度在预测台风行为和影响方面起着关键作用，但它仍然研究不足。因此，迫切需要一个更稳健、具有物理意义的指标来更好地描述台风路径的几何复杂性。本文介绍了标准化差异弯曲度指数（NDS_iI），这是一种利用最大和最小转向角度量化路径曲率的几何指标，通过捕捉WNP地区的动态路径复杂性来弥补现有指标的局限性。通过使用Jenks自然断裂方法将路径分为四个弯曲度组，我们分析了NDS_iI的空间和时间模式及其在ENSO和PDO阶段的变化，阐明了气候变异性如何在气候变暖背景下塑造路径弯曲度。这种方法不仅填补了现有弯曲度指标的方法论空白，还为气候变异性与台风路径几何特性之间的联系提供了新的见解。NDS_iI通过识别高度蜿蜒的路径，增强了台风预报和灾害管理能力，使WNP地区这些经常受到蜿蜒台风影响的国家的预警系统和资源分配更加优先。本研究旨在提高预测能力和风险缓解策略，以应对日益复杂的台风模式。

数据片段

TC最佳路径数据集

本研究使用了国际气候管理最佳路径档案（IBTrACS）第4版中的WNP地区1977-2020年的TC最佳路径数据（Knapp等人，2010；https://www.ncdc.noaa.gov/ibtracs/index.php?name=ib-v4-access）。该研究需要关键的TC变量，包括气旋中心位置（经度和纬度）、分类、最大持续风速（节）和最小中心气压（hPa），数据以6小时为间隔记录。这个44年的数据集

分布形状和分组

图3a显示了分布的形状及其统计值，偏度为-0.51，表明数据相对对称；峰度为-1.2，表明尾部较薄、峰值较平。该图还展示了样本大小对偏度和峰度值的影响。台风数量越多，我们越能准确描述分布的形状。NDS_iI指数偏离正态分布，这是极端情况的典型特征

讨论

NDS_iI的发展为台风路径分析做出了宝贵贡献，特别是在捕捉角度变化方面，有助于更全面地理解台风行为。与之前试图将指数分布转换为高斯分布并去除异常值的研究（Terry和Gienko，2011；Sharma等人，2021）不同，我们的方法旨在保留NDS_iI的全部变化范围。保留极端情况至关重要，因为高

结论

总之，本研究提出了一种新的几何方法，使用名为NDS_iI的指数来量化台风路径的弯曲度或曲率，该指数基于台风轨迹上的最大和最小转向角度。将NDS_iI应用于1977年至2020年间WNP地区的1064条台风轨迹，通过考虑每个路径段的角度变化提供了全面的视角。所得指数范围为0到2.04，被分为四组：

作者贡献

Truong-Vinh Le和Yuei-An Liou通过学术讨论提出了研究思路。Truong-Vinh Le负责数据收集、处理和分析，Yuei-An Liou提供了协助。Yuei-An Liou和Truong-Vinh Le共同准备了初稿，并对内容进行了修订和完善。

CRediT作者贡献声明

Truong-Vinh Le：写作——审稿与编辑、撰写初稿、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化。Yuei-An Liou：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。

资助

本工作部分得到了台湾国家科学技术委员会的资助，项目编号为113-2111-M-008-022和113-2121-M-008-001。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。