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台风活动与气候变化
来源:海洋动力过程与气候功能实验室    通讯员:王春在    2017-09-16 21:55:24

2017年--台风活动异常之年

从2017年7月21日凌晨至22日下午,在短短34个小时内,第5、6、7、8号台风相继在太平洋生成;它们分别是05号台风“奥鹿”、06号台风“玫瑰”、07号台风“洛克”和08号台风“桑卡”(图1)。这是近23年来首次出现四台共存现象。历史上多台共舞的情况并不少见,但大多为二个台风或者三个台风共存。今年9月8日在大西洋同时存在三个飓风(图2)。其中飓风“厄玛”(Irma)是大西洋历史上最强的飓风之一,其最大风速达到82米/秒以上。对于这样的不平常的台风活动,一个自然的问题是气候变化对台风的生成和发展起到什么样作用。

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图1: 2017年7月21日太平洋四台共舞


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图2: 2017年9月8日大西洋三飓风同存


台风及其生成条件

台风(或更广泛地,热带气旋)是指热带大气低气压系统:在北半球逆时针方向旋转,南半球顺时针旋转。热带气旋可在全球许多热带海洋地区生成(图3),全球每年有90个左右。在不同的海区,热带气旋的称谓也有差别,被称为台风、飓风、热带风暴、气旋性风暴或气旋等。在西北太平洋,被称为台风;在大西洋北部,太平洋东北部,称为飓风;在孟加拉湾地区称为气旋性风暴;在南半球则称气旋。由于地球自转和大气引导气流的效应,热带气旋在北半球和南半球分别朝西北和西南方向移动。目前世界各国对热带气旋的定义和分类标准并不完全相同,国际上比较通用的标准是按照热带气旋的强度(即气旋最大风速)进行分类。根据“萨菲尔-辛普森等级(Saffir-Simpson scale)”,可以将热带气旋分成三类:热带低压,热带风暴和飓风。当最大表面风速为10-17m/s时为热带低压。热带低气压的风速达到至少18m/s,它会被命名,并被归为热带风暴。热带风暴继续加剧并达到33 m/s的风速,则热带风暴被定为飓风。飓风进一步分为5类,1-5类的最高持续风速分别为33-42、43-49、50-58、59-69及70m/s以上。

虽然目前热带气旋生成的详细过程和原因还不太淸楚,但热带气旋的生成和发展需要下列条件:(1)广阔的高温、高湿大气。热带洋面上的底层大气的温度和湿度主要决定于海面水温,因此热带气旋只能形成于海温高于26-27℃的暖洋面上;(2)低层大气辐合、高层辐散的初始扰动;且高层辐散必须超过低层辐合,以维持足够的上升气流令低层扰动不断加强;(3)弱的水平风速垂向差异(即垂直风切变)。如果高低空水平风速相差过大,潜热会被迅速平流,不利于热带气旋的维持;(4)足够大的地转偏向力。地球自转作用有利于气旋性涡旋的生成。地转偏向力在赤道附近接近于零,向南北两极增大,热带气旋通常发生在大约离赤道5个纬度以上的洋面上。


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图3: 全球热带气旋生成地区和路径


全球变暖对台风活动的影响

研究全球变暖和热带气旋的关系需要长时间的观测资料。北大西洋的热带气旋观测资料最长,始于1851年。由于上世纪70年代后才开展卫星观测,因此在其之前产生并消亡于大洋的热带气旋可能无法被记录。所以比较可信的热带气旋资料是登陆飓风的资料。图4展示了1851年之后登陆美国的飓风。自从1851年,登陆的飓风数量没有增加,反而减少,这表明全球变暖不利于飓风的生成和发展。这一观测事实也与数值模拟的结果一致。

对于全球热带气旋的变化,观测资料和数值模式的研究达成共识:全球变暖会降低全球热带气旋的数量,但会增加热带气旋的强度和热带气旋引起的降雨量。换句话说,全球变暖减少全球热带气旋的总数,但强的台风或飓风会越来越多。全球热带气旋总数减少的原因是由于全球变暖增加了大气的稳定性,不利于大气对流的发展。而热带气旋变强是由于全球变暖加强了热带气旋形成和发展时的热力学因素。

全球变暖也影响台风或飓风的路径。如有的研究表明,海洋变暖会减弱大西洋副热带高压,同时令副热带高压向东北方向移动(图5a)。副热带高压强度的减弱和位置的偏移,会引起向北或向东北方向的引导气流。向北或东北方向的引导气流使飓风向北或者向东北方向移动,不利于其在美国东南地区登陆。相反,如果海洋变冷,由此产生的副热带高压和大气引导气流促使飓风向西北方向移动,从而有利于在美国东南地区登陆(图5b)。


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图4: 登陆美国的飓风数量。黑线是线性趋势,蓝线代表年代际变化


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图4: 登陆美国的飓风数量。黑线是线性趋势,蓝线代表年代际变化

 

多年代际气候变率对台风活动的影响

在年代际和多年代际时间尺度上,主要的气候变率有太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡。在太平洋年代际振荡的正位相,热带中、东太平洋偏暖而中纬度北太平洋偏冷;其负位相则反之。太平洋年代际振荡在正(负)位相时,西北太平洋热带气旋数量増加(减少)(图6)。这是由于太平洋年代际振荡的正(负)位相增加(减少)了低层大气相对涡度并同时减少(增加)了大气的垂直风切变,二者都利于(不利于)热带气旋的生成和发展。

大西洋多年代际振荡反映了北大西洋海温多年代际变化,是由大西洋翻转流引起的。大西洋多年代际振荡不仅影响北大西洋热带气旋,也影响东北太平洋热带气旋。偏暖的北大西洋能够引起对流层上层的东风异常,该东风异常横跨中美州大陆延伸到东北太平洋。因此,暖的北大西洋减弱了北大西洋的垂直风切变,而令东北太平洋的风切变加强。所以大西洋多年代际振荡的正位相有利于北大西洋的飓风活动而不利于东北太平洋的飓风活动。大西洋多年代际振荡冷位相发生时,情况则相反。


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图6: 西北太平洋6-8月热带气旋时间序列和Nino3.4指数。1979-1997(1998-2015)太平洋年代际振荡为正(负)位相


年际气候变率对台风活动的影响

在年际时间尺度上,厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是全球最强的气候现象。当厄尔尼诺(拉尼娜)发生时,热带东太平洋海温变暖(冷),因此会增加(减少)东北太平洋的飓风活动。此外,厄尔尼诺(拉尼娜)也通过遥相关增加(减少)北大西洋的垂直风切变,从而不利于(利于)北大西洋飓风的产生和发展。之前的研究表明,ENSO对西北太平洋台风数量的影响不明显,但是厄尔尼诺(拉尼娜)会使西北太平洋台风源地向东南(西北)方向偏移。

最近根据卫星观测数据的结果表明,ENSO和西北太平洋台风的关系有明显的加强,特别是1998之后二者的相关性增加到0.6(图6)。这是由于自上世纪90年代末之后,中部型厄尔尼诺事件增多,增加了垂直风切变和湿度对台风的效应,从而增强了ENSO和台风在年际尺度上的联系。

面临的问题和挑战

研究气候或海洋对台风影响的重要目的之一是改善并提高台风预报,以减少台风造成的生命财产损失。在过去几十年的研究中,台风路径的预报有显著的提高,但对台风强度和降雨量的预报改进不大,这主要归咎于台风观测资料的缺乏。当飓风在大西洋生成后,美国利用飞机穿越台风采集资料,这在一定程度上解决了当前大气资料不足的问题。但目前还缺乏台风之下的海洋观测,这也是造成当前台风强度预报改进不大的原因之一。新的海洋观测技术Glider(水下无人机)为改进台风期间的海洋观测提供了希望,但如何利用Glider开展观测还是亟待解决的问题。

控制台风变化的物理过程非常复杂,涉及到台风内部动力学、大尺度气候变化和小尺度天气过程等。目前的海气耦合模式很难同时模拟好大尺度和小尺度变化。有的模式可很好模拟气候变化但无法模拟台风;相反有能力模拟台风的模式却又无法模拟气候,如何使海气耦合模式即能模拟台风又能模拟大尺度的气候变化是我们有待解决的另一个问题。



     王春在


220216045726.png       王春在,男,博士,中国科学院南海海洋研究所研究员,青岛海洋科学与技术国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室研究员,中国科学院率先行动百人计划学术帅才(A类)首批入选者、中共中央组织部的千人计划、中国教育部长江学者。主要从事海洋-大气相互作用和气候变化及极端天气事件的研究,在《Nature》、《Nature Climate Change》等杂志共发表SCI学术论文和综述论文130多篇。SCI论文引用近4000次,3篇文章被Web of Science评为高引用文章,入选全球地学领域 Top1% 高引用科学家。担任多个国际著名学术刊物(如《Journal of Geophysical Research-Oceans》、《Journal of Climate》)的主编或副主编。


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