全球变暖　飓风升级

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　　越来越多的证据表明，全球变暖加剧了气旋破坏作用，同时增加了降雨量，使洪水泛滥。
　　撰文 凯文·E·特伦贝斯（Kevin E.Trenberth）
　　翻译 冉隆华
　　审校 丁一汇
　　
　　
　　2004年夏天，美国佛罗里达接连四次遭遇史无前例的飓风，日本也连续十次受到台风侵袭，比历史最高纪录还多了四次，这似乎向我们敲响了警钟，科学家们为此焦头烂额。为什么热带气旋会增多？是全球变暖带来的影响吗？大家各执己见，却没有一致的看法，甚至相互矛盾。2005年，大自然再次发威，在北大西洋引发了创纪录的飓风季节，卡特里娜飓风和丽塔飓风大肆席卷这一地区，造成巨大的损失。
　　鉴于前两年的受灾情况，2006年，美国东南部的保险费率大幅飙升。但出人意料的是，这一年北大西洋风暴次数却比预测低了很多。如果是全球变暖在兴风作浪，为什么2006年的夏天却如此平静呢？
　　2004年和2005年飓风急剧增多，而2006年却出奇的寂静，我们深入分析一下天气变化型式，便会得出一致的解释。遗憾的是，这种解释预示着长期的气象灾难。
　　飓风始于热带大气扰动，而热带大气扰动可能演变为有组织的雷暴系统。如果雷暴开始旋转，风速超过39英里（约63千米）/小时，气象学家就会给它取一个名字。当最大风速超过74英里（约119千米）/小时，它被称作热带气旋；在大西洋和太平洋东北地区，热带气旋被称作“飓风”；而在太平洋西北地区，热带气旋被称为“台风”；在印度洋，它又被称作“热带风暴”了。本文中，这些术语都可以互换。
　　要想确定全球变暖是否影响飓风的次数、大小或强度（风速），首先必须了解雷暴形成的各种因素。多年来，科学家们设计了越来越详细的模型，来解释飓风的形成过程。研究表明，形成飓风需要温暖的水域，热带是大多数飓风的孕育之地，因为太阳在这里几乎垂直照射。海洋吸收了太阳光的绝大多数能量，主要通过蒸发来排掉过多的热量；水汽上升凝结成雨，随着降雨释放潜热，致使大气变暖。冬天，这些热量被大风带到纬度更高的地区，并在那里辐射到太空之中；而在夏天，热量基本上通过对流上升到热带地区海拔更高的地方，产生从积云到雷暴的种种现象。在适当条件下，大量雷暴可以形成旋风（即飓风），为海洋带走许多热量。
　　要形成旋风，必须先存在大气扰动。北大西洋地区的大气扰动通常源于中非的西部海岸——那里的内陆沙漠与沿海森林山区之间经常存在巨大温差。形成旋风还需要其他适当条件，例如海洋表面温度（SST）高于26℃、水蒸汽丰富、海洋表面气压低、高低层之间的风切变微弱（强烈的风切变往往会破坏刚刚形成的气旋）等等。
　　
　　科学家们对最近几年飓风的出现型式迷惑不解，而海洋表面温度是形成飓风的驱动力，他们很想了解过去几十年中海洋表面温度发生了怎样的变动，以及飓风发生的次数、规模和强度是否随海洋表面温度的变动而改变。如果是，那么人类活动导致的全球变暖，会是海洋表面温度上升的主要因素吗？又是什么独特因素形成了2004年和2005年那些史无前例的飓风？科学家们早就知道，越来越多的温室气体（例如燃烧化石燃料所产生的二氧化碳）使地球变暖，提高了海洋表面温度，增加了水蒸气量，进而提高了对流活动出现的可能性——对流活动正是形成飓风的必要条件。现在的问题是，2005年以后，海洋表面温度是否已经升高，全球变暖对此的影响程度又有多大？
　　
　　更温暖的策源地
　　
　　赤道北面是形成飓风的关键区域，数据表明，飓风增多的同时，这一区域海洋表面温度也正好升高。
　　1970年以前，卫星观测还没有成为一种常规手段，气候学家无法确定全世界发生了多少次飓风。但他们认为，从1944年开始利用飞机监测热带风暴以后，热带北大西洋的飓风记录是非常可靠的。通过与那段时期的数据比较，1994年以来，北大西洋命名的风暴和飓风明显增多。值得注意的是，风暴和飓风增多时，北纬10度~20度区域海洋表面温度刚好升高。这片热带水域就在赤道的北面，从非洲一直延伸到中美洲，是飓风形成的关键区域。
　　一些科学家认为，1994年以来北大西洋表面温度的升高，是大西洋多年代际振荡（AMO）现象的结果。这种现象是一种自然周期循环：北大西洋表面温度数十年保持相对低温状态，此后几十年进入较暖和的阶段，随后又进入低温阶段（最大温差在0.5℃左右），如此循环往复。专家们认为，上述周期变化源于洋流和深层回流的变动，例如横扫大西洋的湾流所引起的变动。20世纪70年代到90年代初期，北大西洋海表温度较低。随后，AMO现象又使海洋表面回复到较暖和的状态，这段时期的飓风发生次数比寒冷时期增加了许多。然而计算机模型表明，AMO并不能完全解释1995年以来飓风增强的趋势，也不能完全解释2005年和2006年的现象。
　　
　　人类不断向大气排放温室气体，从某种意义上说，就像一场规模巨大而又不受控制的“气候实验”，但是气候学家却没有办法把真正的地球当作实验对象，来研究气候的变化。相反，他们只能利用气候模式来梳理影响海洋表面温度和飓风的各种因素，试图再现影响气候的所有重要物理、化学和生物过程。美国国家大气研究中心（NCAR）以及其他机构的科学家们经过多年努力，已经设计出多个全球气候模式，能够相当准确地再现过去一个世纪记录的全球大气温度和海洋表面温度的真实变化情况。计算机模型考虑了大气化学成分和太阳辐射能量的变化情况，还考虑了大规模火山喷发事件的影响——火山活动能够阻挡太阳辐射，使地球冷上一两年。
　　利用这些模式，我们可以把人类活动（包括向大气排放烟气和其他污染）所造成的变化分离出来，单独分析它们的影响。这样的研究清楚地表明，扣除AMO的作用之后，大西洋仍在不断变暖，并且与人类活动导致的大气变暖有关。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的气候学家本·森特（Ben Santer）及其同事作了进一步研究，认为人类活动引起的温室气体增加是热带大西洋和太平洋变暖的罪魁祸首。权威估计表明，1970年以来，全球变暖使海洋表面温度上升了0.6℃左右。上升幅度似乎不大，但一点点温度变化，就足以影响风暴的威力。当卡特里娜飓风横扫墨西哥湾的时候，海洋表面温度哪怕只上升或者下降1℃，都可以使风暴等级整整上下波动一级（例如从二级上升到三级）。
　　热带气旋活动主要取决于海洋表面温度，因此我们认为，全球变暖将带来更加猛烈的风暴。我在2005年6月的《科学》杂志上发表了一篇论文，详细分析了全球变暖与风暴威力的关系。两个月后，美国麻省理工学院的克里·伊曼纽尔（Kerry Emanuel）在《自然》杂志上独立公布了直接观测证据。伊曼纽尔证明，1970年以来全球气旋强度显著提高，持续时间明显延长，这与海洋表面温度不断升高存在较强的相关性。其他科学家对此提出了一些质疑，对一些细节进行了修正，但并没有动摇总体结论。2005年9月，美国佐治亚理工学院的彼得·韦伯斯特（Peter Webster）及其同事在《科学》杂志上发表了一篇文章，明确表明，自从1970年以来，四级飓风和五级飓风出现的次数大大增加，它们在全部飓风中所占的百分比也有所上升，这些情形完全符合我的观点。他们断定，只要给出海洋表面温度升高的观测数据，就可以预测四、五级飓风出现次数及所占比例上升的情况。
　　
　　平静的2006年
　　
　　2004年和2005年，是飓风肆虐的两年，但到了2006年，飓风的次数、威力却直线下降，是什么原因导致发生这样的现象呢？
　　2004年和2005年的飓风次数创造了历史纪录，与我们前面提到的结论十分一致。令人奇怪的是，2006年的飓风季节却十分寂静，为什么会出现这种情况呢？2005年夏天，北大西洋热带地区（北纬10～20度）的表面温度同样创下新高，比1901年-1970年的正常温度高出0.92℃，不论是AMO现象还是全球变暖，都不能对此作出很好的解释。这又是哪里出了问题呢？以上两个问题都与前一个冬季和春季发生的厄尔尼诺现象（El Nino）有关。这种现象是洋流和气流共同作用的结果，会令太平洋热带地区变暖。
　　
　　2004年底到2005年初，北半球的冬季，发生了中等偏弱的厄尔尼诺现象，导致大西洋热带地区上空阳光明媚，风平浪静，令海水蒸发冷却作用变弱，使海洋温度额外升高了0.2℃左右。但是，到了2005年夏天，厄尔尼诺现象逐渐消失，大西洋风切变的强度达到最低状态，为形成飓风创造了另一个有利条件。最终，厄尔尼诺现象，加上AMO现象和全球变暖，导致2005年飓风不但次数创历史新高，威力也大大增强。
　　与此相反，2005年底到2006年初发生了拉尼娜现象（即太平洋热带地区变冷的现象），导致北大西洋信风的强度高于正常情况，带走了大西洋的热量，从而使2006年飓风季节的海洋表面温度略微低于或者接近正常水平。此外，2006年夏天厄尔尼诺现象开始形成，迫使大西洋风切变增强。海洋表面温度的降低和风切变的增强，从根本上改变了热带大西洋形成飓风的条件，造成了2006年相当平静的飓风季节。尽管就整体而言，目前海洋表面温度的平均温度已经偏高，但厄尔尼诺和拉尼娜这样的年度性变化，仍然可以大大改变给定年份的海洋表面温度，从而极大地影响这一年飓风的数量和强度。
　　
　　还有更大的洪水
　　
　　气候模型分析显示，海洋表面温度升高1℃，方圆400千米范围内的降雨量竟然会增加19%。看来，地球变暖，确实影响降雨量。
　　当然，这些结论的可信度取决于观测数据的准确性和相关气候模式的精确性。我们在美国国家大气研究中心模拟和预测飓风时，使用了WRF模式（一种用于气候研究和预测的计算机模式）。该模型把真实世界的气候数据划分为网格，每4千米有个格点——换句话说，模型分辨率达到了4千米，算是高分辨率模型了。相比之下，美国国家气象局（National Weather Service）的全球气候模式分辨率仅为35千米，区域气候模式的分辨率也只有8～12千米。在4千米的分辨率下进行运算和模拟，需要强大的计算机能力并占用很长的运行时间。对于天气预报而言，气候模式的分辨率被限制在8千米以下，否则缓慢的运算速度根本无法及时作出预报。我们的气候模式对运算速度没有要求，4千米的高分辨率让它可以直接计算对流作用。
　　
　　把真实的气候数据输入模式，能非常准确地再现真实风暴的许多特征。值得一提的是，我们的模型准确再现了2004年和2005年许多飓风的移动路径。我们还把卡特里娜飓风经过墨西哥湾期间的海洋表面温度数据输入计算机，得出的模拟飓风路径与实际飓风路径非常吻合。这些结果坚定了我们对这个气候模式的信心。
　　我们还试图用模式来辨析海洋表面温度升高对飓风降雨量的影响情况。就卡特里娜飓风而言，海洋表面温度每升高1℃，大气中的水蒸汽就提高7%左右。速度最大的风也在增多，向风暴输送更多的水分，还会增强蒸发作用。模式显示，所有效应综合起来，海洋表面温度升高1℃的话，风暴眼方圆400千米范围内的降雨量大约会增加19%。
　　看来，全球变暖提高了旋风的降雨量，是无可争议的。1970年以来，全球变暖导致海洋表面温度上升了0.6℃，意味着过去37年间气候变化使大气中的水蒸汽增加了4%。卫星微波仪观测表明，1988年以来大气中的水蒸气确实升高了2%，这与上述结论相吻合。在热带气旋中，额外的水蒸气凝结并释放潜热，会增加上升的空气，从而大大提高了风流入量。水蒸气增加4%可以使降水量增加8%。
　　鉴于这些计算结果，我们可以说在卡特里娜飓风给新奥尔良带来的30厘米降水中，大约2.5厘米，或者说其中的8%是由全球变暖带来的。虽然没有任何人敢说，一次特定的气旋是由全球变暖引起的，但地球变暖显然影响了气旋的威力和降水量。
　　
　　未来的灾难
　　
　　未来，海洋表面温度不断升高，飓风强度也会不断增强，我们能做的，就是不断完善模型和观测条件，从容应对更大的飓风威胁。
　　观测数据和理论推导都表明，地球日益变暖，飓风也会越来越猛烈。然而，飓风绝对次数是否可能增加还很难说，因为就从海洋中带走热量而言，热带风暴比一般雷暴效率高得多。一场大风暴也可能比两场小风暴效率高，因此飓风次数很有可能会更少，但规模会越来越大、威力越来越猛。一场大风暴过后，海洋就会变冷，风暴形成的可能性就会降低，至少不太会立即形成。
　　
　　过去风暴的观测数据依然存在问题。一些科学家指出历史数据差异太大，根本无法支持得出的结论。另一些科学家则说北大西洋的数据（至少1944年以来的数据）是可靠的，但是太平洋数据的可靠程度就要大打折扣了。采用现代技术重新处理所有存档的卫星观测数据，努力梳理出过去风暴强度、大小、持续时间和其他活动指标的可靠信息，可能是一项有益的工作。从大规模外场试验中得到的知识，以及运算速度更快的计算机，都将进一步改善计算模型的模拟状况。这些进展将更好地确定我们模式的运行状况和预测可靠性。
　　然而，不断完善的科学记录表明，全球变暖正在日益提高海洋表面温度。反过来，海洋表面温度升高很可能增加飓风或台风的强度。今年5月份，联合国政府间气候变化专门委员会在一份报告中指出：“大约自1970年以来，北大西洋的强热带气旋活动增多，这已经得到观测证据的证实。热带气旋增多与热带地区海洋表面温度升高是有关系的。”随着我们不断完善模型和观测状况，我们便能未雨绸缪，更好地应对更大的飓风威胁。

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