热带气旋和气候变化外文翻译资料

 2022-12-12 17:17:02

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热带气旋和气候变化

thomas r·Knutson

摘要 热带气旋的特征已经发生变化还是将在日益变暖的气候中发生变化？如果即将发生变化，将如何变化？大量相关主题的调查，存在相互矛盾的结果。热带气旋的频率和强度的大幅度波动使人们对长期趋势的检测和对大气温室气体的上升水平的探索大大复杂化。趋势检测还受到热带气旋全球历史记录的可用性的严重限制。因此，仍然不能确定热带气旋活动的变化是否超过了人们预期的变化。然而，基于理论和高分辨率动态模型的未来预测的研究一致表明，温室变暖将导致全球的热带气旋的平均强度变强，到2100年热带气旋的强度将增加2-11％。现有的建模研究也一致预测全球平均热带气旋频率减少了6-34％。与此对应，高分辨率模拟研究预测最强高强度的旋风的频率将大幅增加，并且在风暴中心100公里内的降水率将增加20％的量级。各个海域对气旋参数的预测在不同建模研究之间存在较大差异。

关键词 热带气旋 海温 预测

引言 在过去几十年中，形成热带气旋的大多数地区的海面温度（SST）增加了0.5℃。 气候变化委员会（IPCC）第四次评估报告得出结论，在过去的半个世纪中，全球地表温度的大幅度上升很可能是由于温室气体浓度的增加，美国气候变化科学计划3.3报告得出结论，由人类活动引起的温室气体增加很可能导致飓风形成区海面温度（SST）的增加。这些结果提出了一个问题，即全球气温的进一步变暖以及热带环境的其他变化将如何影响热带气旋活动。

近几十年来，热带气旋造成的经济损失非常大。历史分析表明，这主要是由于沿海地区人口的增加和沿海地区基础设施的增加。特别是在发展中国家，人口向沿海地区流动是社会因素的结果，这些因素不容易发生可逆的变化。因此，气候变化是影响热带气旋灾害在未来发生演变的因素之一。

我们从2006年世界气象组织专家组的报告来考虑该领域的新发展，包括：新的基于卫星的强度分析；改进降级技术的后场性能；对数据同质性问题的大量新分析；使用更高分辨率的全球模型的新模拟；以及热带气旋预测对降低气候模式选择的敏感性的分析。热带气旋历史数据的限制的讨论在补充信息S5中给出。对于检测和原因，研究的重点是大西洋海域，因为该区域的数据记录更长，相对更可靠，但我们的评估报告还是考虑所有海域。

一、热带气旋活动与海表温度

在过去50年中，大西洋热带气旋的消耗和过去某几年或更长时间的SST之间存在显着的统计学相关关系。分析一年中的所有时间尺度，我们可以发现热带气旋的耗散和热带大西洋SST之间存在相当大的相关性。以这两个统计关系来看，这两个统计关系导致了二十一世纪晚期关于大西洋热带气旋活动的不同结论，第一种情况下热带气旋出现的频率增加约300％，而第二种情况并无明显变化（图1 ）。

在过去30年中，热带大西洋SST与平均SST相比增长更快，这种趋势与大西洋耗散指数在这一时期的正向趋势保持一致（图1b）。大西洋的这种差异变暖可能受到年代变异性以及气溶胶的影响，但气候模式表明它不受温室气体强迫的影响（图1b）。如果图中的大西洋气旋的耗散与这种差异变暖之间的关系是因果关系，那么自1950年以来大西洋气旋的耗散的增加很可能引起海平面温度的增加。

另一方面，通过观察其他海域气旋的消耗，我们可以发现近几十年的区域变暖幅度不会超过热带平均气温变暖的幅度，这提高了当地对海温的监测的准确性。相关西北太平洋海域的研究表明，气旋的耗散与当地的SST之间存在统计学上的相关关系。但这种相关性远远大于大西洋、西北太平洋风暴活动的其他重要区域，如4类和5类台风，与SST没有显著的相关性。

二、热带气旋频数

我们首先需要考虑热带大西洋SST的差异，这种差异已经在统计学上用于模拟大西洋热带风暴频率的变化。北大西洋海域的多年SST变异性明显（图2，第二个绿色系列）。这种变化的原因仍然不确定，一种可能的假设是由于来自内部气候变率和辐射强迫变化的影响。热带非洲湖泊沉积物表明，二十世纪之前的降雨变率至少与二十世纪的降雨变率一样大，从而增加了热带大西洋自然气候变化的可信度。多形态SST变异性（图2，第二个绿色系列）使热带大西洋的趋势检测复杂化，但数据模拟表明，过去半个世纪以来，观察到的热带大西洋和西北热带太平洋SST上升的影响因子主要来自于温室效应。

一些观察性研究报告指出，大西洋热带气旋频率的增长，可以通过大规模的SST增加（图2，第一个蓝色系列与第二个绿色系列）进行统计学模拟，其中一些增加归因于人为因素。然而，研究发现，由于卫星轨道密度较低，原始风暴频率数据趋势的统计显著性大大降低（1966年前）（图2，第一个红色系列）。此外，原始数据中风暴的趋势增加几乎完全表现为短期（lt;2天）热带风暴的增加——这种现象可能归因于观测能力的增强。风暴持续超过两天的增长趋势要小得多（图2，第二个红色系列），而长期增长的趋势并不显著（pgt; 0.05）。

飓风计数（对可能的失踪案件没有记录）显示从19世纪末至今飓风的数目显著增加，但从1850年代或1860年代到现在没有显著增加的趋势。其他研究推断了大西洋早期热带气旋强度（1851 - 1920年）存在实质性的偏差，如果纠正这个误差，将进一步减少或有可能消除海域飓风计数的长期增长趋势。在美国登陆的热带风暴和飓风活动没有长期增长（图2，橙色系列）。 全球范围内的主要飓风数量显示出明显的上升趋势，但我们认为这些区域数据在1944年飞机侦察之前对于气候趋势估计是不可靠的。

对美国沿岸多个地点以及波多黎各附近的一些存在沉积物的地点进行1500年的研究发现，这些地点的大西洋强飓风登陆数量存在于这几个时期（从公元1000-1200年左右；早期的第1400号；第1800号；20世纪50年代；和最近的早期年）。这一记录不会受到直接观测记录评估强飓风频率的数据的错误影响，但受到地质特征对风暴特征的解释和空间覆盖有限的不确定性的限制。在直接记录期间，这些数据与其他引起强降水的热带气旋之间的比较尚未得到记录。

在全球热带气旋频率方面，得出的结论是，1970年至2004年全球热带风暴或飓风数量没有显著变化，除大西洋外，个别海域的飓风数量也没有显著变化。过去六十年来东亚各个地区的气旋的登陆，以及菲律宾在过去一个世纪的气旋的登陆也没有表现出显著的趋势。因此，考虑到现有的观测研究，并考虑了以往观测能力变化引起的潜在误差，过去变化的温带气旋频率是否超过了预期的变率仍然是不确定的。

我们在开发季节性热带气旋频率的动力学和统计动力学模型方面取得了进展。这些模型包括：全球耦合气候模式；运行在观测或预测的SST分布上相对高分辨率的大气模型；用于降低全球耦合模式解决方案的区域气候模式；旨在避免在动力学模型中对强度模拟的限制的新的统计动力学技术。其中许多模型重现了过去热带气旋变异性的关键方面，边界条件如SSTs或区域模型，由SST和大气层大风引起的历史变化，大气中的水分和温度分布再分析（图3）。但是这种热带气旋频率的模拟高度依赖于全球耦合气候模型的能力。来自不同方法的频率预测的结果一般趋同，结合图1所示的后期测试，开始对全球和半球关于热带气旋频率的预测提供一些信心。然而，对这些预测的信心仍然很低。

由于未来热带气候变化的大规模模式的不确定性，热带SST变化模式的模型预测与其余的限制条件之间缺乏统一 。

根据现有的模拟研究和有限的观测资料，我们认为：由于温室效应，全球平均热带气旋的频率可能会降低或保持不变。二十一世纪的模型预测显示全球范围从-6％降至-34％，南半球平均值比北半球平均值的下降更为明显。全球热带气旋频率下降的可能性之一是热带环流的减弱，伴随深层的对流向上的质量通量的减少，或对流层中层饱和度不足增加。南半球更强劲的下降可能是由于南半球与北半球相比，SST的增幅较小，而南半球全球模式的垂直切变的增加。对于个别海域来说，增加了热带气旋频率预测的不确定性，各种模型预测的变化可达plusmn;50％以上。

三、热带气旋强度

根据气候模型的预测结果分析，未来的热带气候平均热力学状态的变化和热力学变化将导致热带气旋的强度增加。高分辨率模型预测平均强度和强度水平较高的气旋频率都有所增加。在全球热带气旋强度的最佳轨道记录中观察到了这种变化，但是这些记录具有很大的异质性，这也可能表现为向更强风暴转变。从1975年到2004年，报告得出最严重的热带气旋数量（Saffir-Simpson规模的第4类和第5类）在全球大幅度增长（几乎翻了一番）。自1981年以来基于全球卫星的强度估计分析表明，最佳轨道数据的趋势确实有所膨胀，而且在最强的热带气旋强度的支持下，全球的增长率将有所增加。

新的基于卫星的强度数据被认为比现的有全球数据分布更均匀，但仍然存在不确定性，特别是在卫星记录不太一致的印度洋。 数据在短时间内不允许任何关于人为变化、与自然年代际变率的分离或存在长期趋势以及可能与温室变暖有关的明确声明。 此外，强度变化可能是由风暴持续时间的系统变化引起的，这是风暴环境可以影响尚未广泛研究的强度的另一条路线。

由于温室气体引起的气候变暖的影响，与模型预测相一致的幅度的强度变化的检测在这个时候可能性是非常小的。因为数据限制和相对于预测变化的年际变化大，热带气旋与内部气候变率之间的不确定关系，包括与SST分布有关的因素，如垂直风切变，也降低了我们将观察到的强度变化归因于温室效应。 最显著的气旋强度增加被发现在大西洋海域，但是不能确定多年代际变化（不管是内部还是气溶胶强制）与温室气体变暖相关的相对贡献。

热带气旋的平均最大风速有所增加，可能是由于二十一世纪全球变暖，虽然不是所有热带地区都发生增加。这一结论得到了潜在强度理论和建模研究的支持，当模型的水平分辨率增加时，具有更逼真的强度模拟。 基于潜在强度理论和较高分辨率（lt;20公里网格）模型项目的研究，预计全球最大风速增加 2％至 11％（大约 3％至21％的压力下降）。 在单个流域尺度上，现有的多模式集合平均投影显示了从-1%到 9％的强度变化范围。

对于某些个别海域，基于单个模型的投影可以表明较大的增减幅度，而投影在plusmn;15％以上的范围内变化。 这些模型中大多数都不能体现主要的飓风，这对于充分的模拟需要更高的分辨率。在某些情况下，缩小报告的时间间隔或基于主机气候模式实验一个短暂的记录，特别是对于个别海域的投影主要代表着内部变异性，而不是一个强制信号。特别是使用伊曼纽尔的潜在强度理论的可逆上升公式，对气候变暖预测的积极敏感度低于伊曼纽尔的假阳性潜在强度公式。

模型中有一个明显的趋势，特别是在较高分辨率（60公里网格间距或更小）的情况下，预计更强的热带气旋频率将增加，尽管其实际强度水平在模型之间有所不同，这取决于模型分辨率和其他因素。这些增加通常预计分数很大。即使风暴强度分布向较高强度的相对较小的转变或扩张也可能导致最强（最少见）热带气旋的发生率相对较大的分数上升。例如，使用运行（9公里网格距）飓风预测模型的近期降级研究显示，二十一世纪大西洋第四类和第五类飓风的频率增加。我们认为，最强的风暴频次的大幅增加很有可能，但是这可能不会发生在所有的热带地区。我们对这一发现的信心是有限的，因为模型预测的变化是由于风暴强度的增加和整体风暴频率的下降之间的竞争而产生的。

虽然在几个相对较低的分辨率模拟中没有注意到这些变化，但是这些模型对于研究最强烈的旋风也不太可靠。 例如，发现对于一系列模型，在模拟加温相关强化之前需要约60公里的分辨率。

需要进一步的研究来评估强度变化的模型预测。例如，通过比较年际变异性的强度与观测值的模拟。现有研究表明，气候变暖引起的高分辨率模型的增加在粗网格模型中较大，所以现有的模型可能会整体的低估未来的强度趋势。强烈的热带气旋（3-5类）的未来特征需要特别注意，因为在历史上这些风暴虽然仅占美国登陆热带气旋的24％，但是却占美国飓风的85％。进一步研究更精细的分辨率模型有望增加我们对未来热带气旋强度预测和强频率气旋的信心。

四、热带气旋降雨

许多地区近几十年来大气含水量有所增加，气候模式一致认为，平均而言随着大气温度的升高，热带地区的综合水柱含水量将会增加。 预期的是，随着热带气旋的水汽含量增加，给定量的水分收敛增强。这将增强系统（如热带气旋）的降雨率，其中水分收集是水汽计算的重要组成部分。风暴强度的增加将增加这种水分的收集。

尽管存在这种预期，但现有研究还没有确定热带气旋降水的可检测变化。基于卫星的研究报告说明，在1979 - 2003年期间热带地区发生大雨事件的概率也有所增加，处于年际变化的温暖期。陆基降水资料的一些研究已经确定了非常强烈的降水事件发生频率的增长趋势。 这些研究都没有分离热带气旋降水率。

与温室效应气候变暖有关的热带气旋的相关降雨量可能会增加。这是热带气旋在较暖气候下的模拟中的强力预测：所有七项现有研究报告以气旋为中心的降雨率大幅增加。现有研究中，二十一世纪末期的预测范围为 3%至 37%。对于所考虑的平均半径而言，增加的百分比显然非常敏感，对于较小的（较大的）平均半径却报告了较大的（较小的）灵敏度。在风暴中心100公里内，典型的预计变化约为 20％。然而，风暴中心附近的模型解决的复杂物理过程对这种不容易量化的预测造成了一定程度的不确定性。如果风暴频数降低的影响超过了个别风暴中降雨量增加的影响，热带气旋年平均降雨量可能会下降，但是这一影响还未被量化。

五、源地，路径，持续时间和洪水

没有确凿证据表明，任何观察到的热带气旋的生成、路径、持续时间和潮涌洪水的变化超过了自然原因预期的变化。有观察到大西洋的风暴路径和起源位置变化的贡献，这些贡献已经提供了对美国和墨西哥湾沿岸登陆风暴日益增加的趋势的解释。大西洋热带气旋路径的世纪尺度趋势分析表明，海洋西部和主要降雨落区附近风暴密度降低，海域中东部和东部地区密度增加。然而根据最近持续时间类别对路径密度以及风暴发生的研究，东大

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