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在全球变暖的背景下热带气旋数量、持续时间和强度的变化

P. J. Webster, G. J. Holland, J. A. Curry, H.-R. Chang

在海温持续升高的环境下，我们研究了过去35年中热带气旋的数目、持续天数以及强度。第四类和第五类台风的数目和所在比例有所升高。北太平洋，印度洋，和西南太平洋增加的最明显，北大西洋增加的最小。这些增加确实都发生了，但是在过去10年中除了北大西洋其余的大洋中的气旋数目和天数都有减少。

在2004年的飓风季节中，北大西洋有14个被命名的风暴，其中的9个达到了飓风的强度。在这其中又有4个飓风快速持续的袭击了美国的东南部，造成了相当大的破坏。北大西洋飓风特性的分析（1，2）显示从1995年开始，飓风的频率和强度都有所增加。最近，一个有关持续增长的海温和飓风频率和强度增长的关系的假设被提出来了（3），假设从饱和水气压和温度之间的非线性关系而引发的水文循环的加速（4）。在学术界和新闻媒体中，由于海温增加而导致的飓风频数的增加的争论非常激烈。

大量的研究已经解决了在全球变暖背景下的飓风的频率和强度的变化的问题。按照我们对飓风的基本理解，我们认为在海温和飓风活动之间可能存在联系。在现在的气候背景下，海表面温度大于26摄氏度是热带气旋生成的需要条件之一（6，7）。在海温和潜在的最大飓风强度之间有一假定的关系。但是飓风统计年际间的强烈变化（10-14）并且这种变化的影响可能与厄尔尼诺和北大西洋涛动的年际变化有影响（11，12），相对于背景场海温升高和统计的准确性，这种变化使其难以辨别处任何趋势（8）。除了海温的其他因素也被用来调节飓风的各种特性，其中包括垂直风切变和对流层中层水汽（15）。与二氧化碳增加一倍情况下的全球模拟的结果是矛盾的（15-20），在飓风总数增加或减少上，模拟并没有给出很大的一致性，尽管大部分模拟表现出台风强度的增加。

在1970年至2004年期间， 热带地区海温升高了大概0.5摄氏度（21）。左图（图1）表示在热带气旋季节在每个大洋中海温的变化趋势。（NIO:北印度洋，WPAC:西太平洋，SPAC:西南太平洋，SIO:南印度洋，EPAC:东太平洋，NATL:北大西洋）如果使用肯德尔趋势分析，除西南太平洋以外的在每一片大洋中的趋势是从零在95％的置信水平显著不同或更高。这里我们在各个大洋基本海温变化的背景下检测了飓风特性的变化。为此，我们进行了卫星（1970年至2004年）全球热带气旋的统计数据进行综合分析。在每一片热带海洋，我们检查了热带风暴和飓风的数量，风暴的天数和飓风强度的分布。热带气旋数据来自联合台风预警中心的最佳路径档案和国际预警中心，包括特殊的编译和质量控制（22）。

热带气旋系统地表风速在18至33米每秒时称为热带风暴，尽管当风暴风速大于33米每秒时在各个区域有不同的名字，我们为了简单更愿意将其称为飓风。根据萨菲尔-辛普森飓风等级，飓风分为一到五类，一类33至43米每秒，二类43至50米每秒，三类50至56米每秒，四类56至67米每秒，五类则是大于67米每秒。我们也定义了支持热带气旋发展的海洋区域：北大西洋（北纬5度至25度，西经90度至20度）、北太平洋西部（北纬5度至20度，东经120度至180度）、北太平洋东部（北纬5度至20度，东经90度至120度）、南印度洋（南纬5度至20度，东经50度至115度）、北印度洋（北纬5度至20度，东经55度至90度）和西南太平洋（南纬5度至20度，东经155度至180度）。这些大洋中，总的热带风暴天数被定义为系统的总数，并且只有达到热带风暴强度才会计算在内。总的飓风天数指的是系统达到飓风状态，包括系统达到热带风暴的时间段。总的热带气旋数或天数是指统计的热带风暴和飓风分别的总和。

左图（图2）显示了1970年至2004年全球热带气旋数目和热带气旋天数的时间序列，包括飓风、热带风暴和所有的气旋风暴。这些时间序列在这段时间内没有一个显示出不同于零的趋势（24）。但是，尤其是在热带气旋天数上存在一个很明显的十年周期的震荡。例如，在全球范围内，每年的热带气旋天数在1995年左右达到了870天的峰值，到2003年下降了25%只有600天。

下图（图3）显示，在每个海洋区域的时间序列，飓风的年频率和持续时间随着全球时间序列呈现出相同的时间特性（图2）。而北大西洋是例外的，它有着在飓风频率和持续时间都在99％的置信水平并且显著上升趋势。这增加北大西洋飓风特性观察曾与SST有统计学显著积极的趋势，导致了猜测，在这两个领域的变化是全球变暖（3）的结果同时发生。北大西洋飓风特性的各种增强与海温有着统计学上面的正相关，并且产生了着两者的变化是全球变暖（3）的结果的猜测。

这对分析另外两个大洋区域的海温和飓风特性之间的关系有着启发性的意义，特别是东部和西部的北太平洋。东太平洋的年际变化尤其的明显，20世纪80年代中期风暴数目和风暴天数最大（19个风暴和150天的风暴天数）现在已经下降（19个风暴和100天的风暴天数）。伴随着海温的上升，这种下降持续到1990—1994年，然后海温一直持续下降至今。在观察期间，北大西洋的海温平稳的上升。风暴数量和风暴天数在20世纪90年代中期达到最大，然后在随后的15年大幅下降，其中气旋的天数变化最大，从1995到2003减少了40%。

综上所述，全球飓风数据的详细分析表明，在海温增加的背景下，热带风暴和飓风的数量上没有出现全球性的趋势。只有一个区域，北大西洋，1995年开始在统计上显示出一个明显的增加。然后，在温暖的海洋表面温度的气候背景下，导致的风暴数量的增加这个简单假设没有被支持，因为缺乏一个在其他海温也升高的大洋区域的相关性的比较。北大西洋飓风特性的观察与海温统计上的正相关性产生了一个猜测，这两个区域的变化是全球变暖的结果（3）。

对于飓风强度的检测，下图（图4）显示了全球范围内的飓风强度分布的一个巨大变化。其中一类飓风的数量大致保持不变（图4A）但在35年间其占飓风的总数的比例持续单调下降（图4B）。二类和三类飓风的综合的数量和所占飓风总数的百分比也很小。相反，最强的飓风（四类和五类飓风）在数量几乎翻了一倍（20世纪70年代每5年平均有50个，在过去的十年间每5年平均90个）并且比例也有所增加（同一时期从20%到35%）。这些变化发生在所有的大洋区域中。表格中给出了1975-1989年和1990-2004年期间第四类和第五类飓风的总体数目和所占百分比。第四类和第五类飓风的增加并没有伴随着最强烈的飓风的实际强度的增加：飓风的最大强度在过去的35年中仍然保持静止（黑色曲线，图4a）。

世界各地的气旋强度由基于所述德沃夏克方案（25）的卫星特征的模式识别估计。北大西洋是唯一的例外，那里已经有了连续飞机观测；北太平洋东部有时会有飞机侦察，还有北太平洋西部，飞机侦测持续到了到20世纪80年代中期。德沃夏克技术应用其中的方法（26）已经发生了重大的变化。这些变化可能会导致飓风更加剧烈的趋势，但是使用的是中心气压（27），而不是以前使用的最大风速。此外，在北大西洋和北太平洋东部的趋势一致，其中德沃夏克方案已校准的飞机穿越，指出作为独立的观测和分析技术的应用的趋势。此外，南半球和北印度洋海域，在这里只有卫星数据已经被用来判定在整个周期内的强度，同样的趋势在北半球地区也比较明显。

我们有意限制卫星时代的研究，因为在这一时期我们对其理解有着偏差（28），也就是说，长周期的振荡和趋势的全面分析这块难关还没有攻克。有一个的在20世纪70年代发生的最小的强烈气旋的证据（11），这可能表明，我们观察到向着更强烈的气旋的趋势是一个长周期震荡的反射。但是，第四类和第五类飓风所占比例持续增加超过了30年，表明相关振荡的周期肯定是比以前的研究观察到的时间更长。

我们得出结论，全球数据表明30年的趋势朝着更频繁和强烈的飓风发展，也经最近的区域评估结果证实（29）。这种趋势与最近的气候模式模拟的CO2的加倍的情况下，可能增加最强烈的气旋的频率相一致（18，30），尽管30年趋势的全球变暖的归因将需要一个较长时间的全局数据的记录，尤其是需要对飓风在大气和海洋的基本环流中的作用有一个更深的了解，即使是在目前的气候状态下。

参考文献

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