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AAS封面故事:海盆尺度台风强度与气候变化综述

AAS《热带气旋活动的气候变化和气候变率》专刊封面

  理论上台风可视为卡诺热机,台风下方温暖的海洋正是其发展的能量源泉。海洋伴随的高温高湿水汽携带巨大潜热,其输送至大气上层的过程中,经潜热释放,转化为动能,增强了台风强度。当前全球正在历经以变暖为主要特征的气候变化。由于海洋温度显著升高了,人们很自然地就会推测台风强度会变得更强。更巧的是,2005年两位国际著名气象学家Kerry Emanuel和P. J. Webster团队分别在《Nature》 和《Science》发文释放了全球变暖导致强台风频数增加和台风潜在破坏力增强的重磅信号。然而事情并非如此简单,国际台风专家对该论断进行了诸多质疑和回应,对台风气候变化趋势及其归因展开了激烈的争辩。时至今日,随着台风活动与气候变化的科学理解不断增进,获得了部分的基本共识,但台风强度未来如何变化仍存在很大争议。

  复旦大学大气与海洋科学系吴立广教授团队长期从事台风气候学领域的研究,深入探讨了台风强度气候变化及其变率机理,取得了一系列重要的研究成果。本文在国家自然科学基金重点项目和优秀青年基金等项目的联合资助下,结合团队和国内外的研究,综述了当前国际上关于气候变化影响海盆尺度台风强度认识的进展,强调了气候变化对海盆尺度台风强度的影响机理不同于单个台风,提出了团队在台风气候方面的见解与思考,建议了台风气候学领域的优先研究议题。

  1、台风观测资料的非均一性和时限性限制了对台风强度气候变化的认识

  正如前面提及的,气候变暖在理论上会使台风变强。基于台风最佳路径资料,不少研究指出全球变暖增加了强台风频数和增强了台风潜在破坏力,然而这些研究所用的资料存在明显缺陷。其一是,观测手段和台风定强技术的不断更新带来的台风资料来源的显著差异性。台风生成于热带洋面上,由于洋面上常规观测资料稀缺,而岸基的天气雷达观测受限于其探测距离(一般为460km),气象卫星就成为台风定位定强的最主要手段。从1970s年代基于卫星云图观测的台风云型特征的Dvorak 技术才开始陆续在各观测机构应用于台风定强,但由于不同机构发布的台风整编资料所用资料和定强技术细节不尽相同,导致了各台风的强度纪录并不完全一致。在西北太平洋海域,不同机构的台风平均风速的定义不同(上海台风研究所为2分钟平均风速、美国联合台风预警中心为1分钟平均风速、日本气象厅为10分钟平均),由此也可见近几十年台风强度气候变化趋势截然不同。因此若当使用不同资料讨论某一问题时,有时会得到不一致甚至相反的结论。其二是,可信的台风强度资料的纪录时间(静止卫星以来)不够长,很难分离出是全球变暖产生的强迫影响还是自然变率中的正常波动,以至于很难得到海盆尺度台风强度长期变化的可信依据。

  论文的第一作者吴立广教授指出,资料是研究的首要基础,当前台风资料的时限性和非均一性极大地阻碍了对台风强度气候变化的认识,为了更好地促进台风气候学的研究,更好地揭示人类活动和自然变率如何影响台风强度变化,更好地获得全球变暖下台风强度气候变化的统一共识,构建一套长时间且均一性的台风资料迫在眉睫。

不同机构最佳路径资料的强台风频数的时间序列

  2、模式模拟的不确定性进一步降低了台风强度气候变化趋势结论的可靠性

  由于观测证据不足以给出台风强度气候变化趋势的明确结论,全球气候数值模拟、区域模式降尺度和统计-动力降尺度方法已经被广泛地用于研究全球气候变化对海盆尺度台风强度的影响。然而当前研究主要关注台风强度在未来气候下发生了怎么样的变化,物理上主要是从影响台风的大尺度环境因子变化定性理解其对全球气候变化的响应,而相对地忽略了未来气候变化情境下影响台风强度的大尺度环流系统的变化及其伴随的大尺度环境因子对台风强度的定量贡献,以至对海盆台风强度气候变化的理解只见树木、不见森林,缺乏全面的认识。事实上气候模式模拟的影响台风活动的大尺度环境普遍存在较大的偏差,这将进一步增加台风强度气候变化预估结果的不确定性。

  吴立广教授团队强调全球变暖对海盆尺度台风强度的影响机理不同于单个台风,海盆尺度台风强度变化并不要求每个台风都增强。团队成员近年来提出了认识台风活动气候变化的新思路,不同于以往研究主要关注大尺度环境参数的定性影响,而从影响台风活动变化的大尺度环流系统和定量讨论不同环境因子对台风强度变化的贡献深入认识台风强度气候变化,这将为更好地理解台风强度的未来变化和给出更加可信的预估结果提供一条有效的可行途径。

影响西北太平洋台风活动的四大主要环流系统

  3、建议台风强度气候变化领域的优先研究议题

  为了更好地理解全球变暖下的台风强度气候变化,给出合理可信的台风强度未来预估结果,台风气候学研究之路任重道远。建议三个优先研究主题,(1)为了构建一套完整的、时间长且均一性的台风最佳路径资料,非常有必要开展对过去、甚至古气候下台风活动的重建工作;(2)由于自然变率的存在,使得台风气候变化的归因十分复杂,为了进一步深化台风强度气候变化的归因认知,非常有必要提高自然变率和人类活动如何影响台风强度气候变化的物理机制的认识;(3)为了给出更加合理可信的预估台风强度气候变化,不能仅从大尺度环境因子变化的角度定性理解,而需要从影响台风活动的大尺度环流系统变化及其定量不同环境因子的贡献的统一框架,提高对台风强度气候变化的认识。论文作者吴立广教授和赵海坤教授说。

  以上研究成果于近期接收发表于大气所主办期刊Advances in Atmospheric Sciences上。

  论文信息:

  Wu, L. G., H. K. Zhao, C. Wang, J. Cao, and J. Liang, 2022: Understanding of the effect of climate change on tropical cyclone intensity: A review. Adv. Atmos. Sci., 39(2), 205?221, https://doi.org/10.1007/s00376-021-1026-x.

  全文链接:

  http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-021-1026-x

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