英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

影响热带气旋潜在强度的趋势和变率的因素

Allison A. Wing1,2, Kerry Emanuel1, and Susan Solomon1

摘要：热带气旋的潜在强度（Vp）是由热力学海气不平衡和热力学效率控制的，这是一个由海洋表面温度和热带气旋流出温度组成的函数。在研究Vp的观测趋势和变率时，每个海区都被分解为由这两种组成部分的贡献。稳健的趋势只在大西洋检测到，这里的热带对流层（TTL）冷却对Vp增加的贡献达三分之一。这个不平衡的贡献在其他流域占主导着为数不多的统计上显著的Vp的趋势。这个结果对所使用的数据和Vp计算的细节敏感，反映了在TTL温度趋势的不确定性和预估Vp与它的组成部分的难度。我们也可以发现，Vp年际变化的20%-71%与TTL是联系在一起的，是发生在所有的海区的去趋势序列的热力学效率和Vp之间的相关性。

关键点：对热带气旋潜在强度趋势的贡献被量化；明显趋势只存在大西洋，其他海区数据源之间存在分歧；TTL温度在潜在强度的年际变化中存在作用

1. 引言

了解热带气旋强度变化趋势的原因和预测热带气旋在不同的气候条件下如何活动是当今拥有着极大的兴趣和重视的话题。有一些证据表明，热带气旋强度已经改变，比如增加北大西洋热带气旋能量的耗散[Emanuel, 2005]，并增加了北大西洋最强热带气旋的强度[Elsner et al., 2008; Kossin et al., 2013]。未来预测表明，人为变暖将导致全球平均热带气旋强度增加，向着更强的风暴发展[Knutson et al., 2010, and references therein]。大部分的前期工作调查这些变化的物理原因（直接或间接）都集中在海洋表面温度，但最近的一些论文已经发表关于上层大气温度变化在促进热带气旋强度变化中的作用[Emanuel et al., 2013; Vecchi et al., 2013; Ramsay, 2013; Kossin, 2014; Wang et al., 2014]。

温度在热带对流层和平流层低层中都表现出近十年的年际变化趋势。自1979年以来，低层平流层每十年升高0.5K [Ramaswamy et al., 2001; Randel et al., 2009]，这些变暖的平流层在记录的早期部分已经被联系到臭氧的损耗和El Chichon及Mount Pinatubo大量的火山喷发[Ramaswamy et al., 2006;Thompson and Solomon, 2009]。然而，对于热带对流层温度的变化趋势，有着更多的不确定性[例如Randel andWu, 2006; Fueglistaler et al., 2009; Haimberger et al., 2012]。热带对流层顶（TTL）是对流层的最上层，同时它还具有一些同温层的特性，并且其温度是大气动力学，化学和辐射之间的复合物耦合的结果。在TTL中，因为热带气旋流出的温度与对流层周围的温度是大致相等的[Emanuel and Rotunno, 2011]，因此，大气温度可调节热带气旋的强度。流出温度对于热带气旋潜在强度来说是个关键参数，这是一个稳定环境下热带气旋带给大气温度和湿度的海表面温度及环境状况的理论最大强度[Emanuel, 1986]。

有证据表明，热带气旋被TTL温度、全球模式和理想化模式所影响。Emanuel 等[2013]发现热带气旋流出温度的下降趋势和TTL的冷却有关，对于在探空数据和再分析数据中分析北大西洋的潜在强度上升趋势有显著贡献。在这些方面和其他研究[Vecchi et al., 2013; Kossin, 2014]在美国环境预报中心（NCEP）/美国国家大气研究中心（NCAR）的再分析资料中发现高估了TTL冷却（因此增加潜在强度）。在具有高分辨率的全球模式中，Vecchi et al. [2013]发现较低的TTL冷却可能增加潜在强度并增加了达到飓风级别的热带气旋的因素的强度。此外Ramsay[2013]和Wang et al. [2014]在辐射对流平衡状态中对热带气旋进行理想化模拟，分别为轴对称模型、非静力模型和三位尺度模型。在这些研究当中，潜在的强度和暴雨强度模式的建立在以0.4–1msminus;1每对流层的冷却程度的速率增加。海平面变暖导致潜在强度的趋势以2 m sminus;1程度增暖。

这项研究的目的是确定热带对流层顶（TTL）温度对每个单独海区观测热带气旋的潜在强度的影响。如果有的话，我们将专注于TTL温度趋势的差异以及海区之间的年际变化并计算出相对贡献，对于TTL在热带气旋潜在的强度的变化。我们也注意到TTL温度下的（例如引起大的火山爆发）热带气旋的流出温度和热效率的特别标识。

1. 数据和方法

热带气旋的潜在强度，Vp，[e.g., Bister and Emanuel, 1998]被定义为：

其中，Ck 是表面焓交换系数，CD 是阻力系数，Ts 是海面温度，To 是流出温度，hlowast;o 是海表面的饱和湿润静态能量，hlowast; 是自由对流层的饱和湿润静态能量。流出温度是指空气温度在海洋表面温度达到饱和时中性浮力的水平。较低的流出温度与更高的热力效率相关，所以通过效率来看，Tsminus;To/To，TTL温度的变化可能影响潜在强度。通过不平衡条件来看，主要影响潜在强度的是海面温度的变化，hlowast;o minus;hlowast;。潜在强度是根据Bister and Emanuel [2002]的算法来进行计算。我们讨论对于潜在强度计算中主要资料的细节敏感性。

我们研究对潜在强度的热力不平衡和流出温度的贡献趋势，通过取方程的对数（1）：

根据Emanuel 等[2013]，我们计算得到十年趋势在潜在强度的等式（2）中对每个参数的贡献，对于从再分析数据和探空数据中计算潜在强度，Ck∕CD 被取作常数0.9，因此不利于潜在强度趋势的增强。对于效率参数，log Tsminus;To/To，是直接从潜在强度计算中使用海表面温度以及所得的流出温度进行计算。对于热力不平衡参数，log (hlowast;o minus; hlowast;)，是从方程（2）剩余部分计算而得。我们注意到，剩余的趋势不一定完全取决于不平衡参数的趋势，因为方程（2）是一种近似使用Vp算法进行计算；我们用我们的结果对这些使用不平衡参数信息直接计算的数据进行对比。每个参数平均超过了每个流域的热带气旋季节的高峰期（表1）。通过再分析资料计算，我们对表中所示区域除了陆地区域，进行经纬度加权平均。十年趋势在潜在强度(m sminus;1 decademinus;1)从方程（2）中对最后两个参数的贡献是通过计算每个最小二乘回归斜率而被确定的。

自从我们开始分析趋势（由于工具的变化），使用探空资料来订正时间不均匀性问题就变得很重要。两个RATPAC的数据集（为了评估气候的探测大气温度的产品）[Free et al., 2005]和精简的RATPAC[Randel and Wu,2006]。在1980-2013年期间，结果主要使用RATPAC数据呈现。我们也比较了1980 - 2007年期间RATPAC和精简版RATPAC（在支持信息上）所获得的结果来测试探空资料的细节敏感度

我们选择的RATPAC数据库是热带气旋流域内或附近的站点。由于热带地区的大变形半径，人们得到的自由对流层的温度是通过探空数据所代表的海区平均温度而测得的。离北大西洋和东北太平洋最近的主要发展地理区域的站点分别是位于18.43∘N, 66∘W的 San Juan, Puerto Rico和位于19.72∘N, 155.07∘W的 Hilo, Hawaii,。这里还有位于西北太平洋地区的三个RATPAC站：位于7.33∘N, 134.48∘E的 Koror, Palau; 位于7.47∘N, 151.85∘E的 Chuuk, Micronesia和位于7.08∘N, 171.38∘E的 Majuro Atoll。位于12.43∘S, 130.87∘E的 Darwin, Australia是处于南半球区域内。位于13.73∘N, 100.57∘E的 Bangkok, Thailand是处于北印度洋区域内，但有太多缺失的数据不能去获得更有意义的结果。为了对RATPA与精简版RATPAC进行比较，我们还包括了位于24.3∘N, 153.97∘E的 Marcus Island/Minamitorishima，这是离精简版RATPAC资料最近的北太平洋西部主要发展区域。

海区（表1）月平均海表温度（Hadley中心全球海冰和海表温度（HadlSST））[Rayner et al., 2003]是通常被用在计算来自RATPAC的潜在强度的数据。将未经调整的IGRA（全球综合探空数据存档）每月温度气候数据[Durre et al., 2006]添加到RATPAC温度异常。潜在的强度计算还使用IGRA中的表面压力和湿度数据。

我们也使用临时的欧洲中心中期天气预报的再分析资料(ERA-Interim) [Dee et al., 2011]和现代欧洲中心中期天气预报的再分析资料（MERRA）进行研究与应用 [Rienecker et al., 2011]。所使用的是ERA-Interim每月格点为0.75∘times;0.75∘的网格和MERRA每月格点为0.67∘times;0.5∘的网格的数据。Kossin[2014]的工作证实ERA-Interim和MERRA的再分析资料对风暴当地上层温度趋势通过比较热带气旋云顶温度，给再分析数据用于研究的信心。我们没有显示使用NCEP/NCAR再分析资料的结果[Kalnay et al., 1996]因为他的TTL温度趋势相比其他再分析资料和观察的结果大[Randel et al., 2009; Emanuel et al., 2013; Vecchi et al., 2013; Kossin, 2014]。对于我们的所有结果，在支撑信息中描述的方法（其中包括占时间序列自相关），使用统计显著性在95%显著水平上进行估计。

1. 热带对流层顶温度

我们首先考察热带对流层顶的温度变化趋势和观测变化，在RATPAC探测和ERA-Interim之间以及1980到2013之间的MERRA再分析资料。图1使用的时间序列在北大西洋和西北太平洋流域100和70hPa的温度作为例子，观测TTL的温度趋势在不同流域是如何变化的。在北大西洋中，列在70hPa的三个数据（图1a）都有显著冷却的趋势，尽管在MERRA再分析资料的趋势只是93%的准确率。值得注意的是，这个趋势在San Juan大概是再分析数据的两倍大。在100hPa，气温降幅仅在San Juan地区比较显著（图1c）。在100hPa和70hPa中再分析数据和San Juan表现出温度的高峰值，都和1982年和1991年的El Chichon 和 Pinatubo火山爆发一致。在100hPa和70hPa温度最初都存在大的正距平，这些数据有利于总体十年降温趋势的发展，并且大型火山的喷发对气温的年际变化在热带对流层顶和低平流层中的升高也支持着这一观点。

图1. 70hPa的北大西洋（a）和西北太平洋（b）在表1表示的月份和范围内温度异常。100hPa的北大西洋（c）和西北太平洋（d）在表1表示的月份和范围内温度异常。个别站的异常，来自RATPAC再分析资料的异常是从1980-2013的平均值取得。细实线和虚线所示的为线性回归斜坡；实线表示的趋势是统计显著性为95%的显著水平。为了清楚起见2K先后被添加到每个时间序列。

在西北太平洋70hPa（图1b）的ERA-Interim的数据中，Chuuk探测，Majuro探测和Marcus Island探测有95%的显著水平呈显著冷却趋势（MERRA有降温趋势的显著水平是92%）。在100hPa（图1d）Majuro已经具有95%的显著水平，在统计学上呈显著冷却的趋势，而ERA-Interim则是相反的表现（但是显著水平只有92%）。我们注意到，在西北太平洋，冷点对流层顶可能高于100hPa，因此，这些可能是对流层的温度趋势，而不是TTL。不像在北大西洋，只有在EL Chichon时100hPa和70hPa的温度数据弱，而Pinatubo火山爆发时间没有明确的信号。确定这些大型火山爆发的信号原因，这种纬向不对称的情况是超出了本研究的范围，但是可能包括在太平洋较大的自然变化，例如一个厄尔尼诺无南方涛动事件与Pinatubo火山喷发的巧合，由于热带西北太平洋较强的上升运动，跨越100hPa的TTL，使得这些级别辐射效应的影响相对减少迁移。

在东北太平洋（支撑信息中的图S1a和S1b）70hPa 中的ERA-Interim和Hilo探测资料在统计学上具有显著的降温趋势，但是在100hPa他们不具有这种趋势（只有在100hPa Hilo探测的趋势显著）。在70hPa温度有一个小的高峰与EL Chichon爆发相符，但是在Pinatubo的爆发却没有没有明显的形势表明。在北印度洋（图S1c和S1d），再分析数据中70hPa表现出有小型降温冷却趋势，而在100hPa没有，并且难以区分EL-Chichon和Pinatubo相关联的信号，以70hPa温度在EL-Chichon呈异常形势。在南半球（图S1e和S1f）70hPa中唯一显著的趋势是在ERA-Interim有变冷趋势，并在100hPa的Darwin探测（可能是对流层顶下）有降温的趋

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[31763]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word