第四纪研究  2017, Vol.37 Issue (5): 1141-1150   PDF    
过去千年北大西洋热带气旋生成潜势的模拟研究:基于PMIP3气候模式
燕青 , 张仲石②,③ , 张冉 , 李香钰     
(① 中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心, 北京 100029;
② 中国地质大学(武汉)环境学院大气科学系, 武汉 430074;
③ Uni Research Climate, Bjerknes Centre for Climate Research, Bergen 5007, Norway;
④ 中国科学院气候变化研究中心, 北京 100029)
摘要:本文利用古气候模式比较计划第三阶段(PMIP3)10个耦合模式结果研究了过去千年北大西洋热带气旋生成潜势的空间特征。对于影响热带气旋生成的大尺度环境场而言,模拟结果表明中世纪暖期(950~1200A.D.)热带气旋潜在强度相对于小冰期(1600~1850A.D.)在北大西洋普遍增强,尤其是中纬度地区。中世纪暖期垂直风切变在10°~30°N之间的纬度带显著减小,而对流层中层相对湿度和低层绝对涡度在北大西洋东部增大。基于热带气旋生成潜势指数,中世纪暖期大尺度环境条件有利于热带气旋在北大西洋的生成和发展。同时,中世纪暖期热带气旋高空引导气流为东风异常,有利于热带气旋登陆北美地区。在百年尺度热带气旋气候态的角度,模拟结果与地质证据基本一致。此外,敏感性试验结果表明太阳辐射增加和火山活动减少对中世纪暖期北大西洋热带气旋生成潜势增加均有作用。
主题词过去千年     热带气旋     北大西洋     PMIP3    
中图分类号     P534.63+2;P532                     文献标识码    A

1 引言

热带气旋(或称为“台风”、“飓风”)是世界上最严重的自然灾害之一,其导致狂风、暴雨和风暴潮,对全球沿海地区人民生活和基础设施安全等带来巨大的威胁。在全球海洋增温背景下,1984~2012年间全球热带气旋平均强度增加了1.3m/s,但总频次减少了6.1次[1]。虽然热带气旋总频次有所减少,但强热带气旋个数却显著增加[2]。Kossin等[3]研究指出近30年来热带气旋最大风速呈增加趋势且所处位置向极地方向移动。然而,由于观测资料时间跨度较短且不同来源的数据一致性较差,热带气旋对外强迫的响应机制以及自然和人为因子的各自作用目前尚不清楚[4]。因此,利用地质证据和气候模式,研究地球历史时期热带气旋的演变特征和驱动机制,对于理解现在和未来热带气旋的变化趋势具有重要的指导意义。

过去千年历史气候变化研究对揭示年代至百年尺度的气候变率,评估热带气旋的自然和人为驱动贡献,认识人类活动在过去和将来热带气旋变化中的作用,具有极为重要的科学意义[5]。重建数据表明全球/区域气候在过去千年经历了显著的百年尺度冷、暖时段[6~9],如小冰期和中世纪暖期。在上述冷、暖气候背景下,北大西洋热带气旋活动发生了显著的转变[10~13]。基于多个飓风降水沉积物记录,Mann等[10]研究指出北大西洋热带气旋在中世纪暖期显著偏多而在小冰期偏少;Denommee等[11]通过分析加勒比海西部高分辨率沉积物记录确认了上述热带气旋在百年时间尺度上的转变。此外,地质证据[12, 13]表明北大西洋热带气旋活动在工业革命以来显著增强,但仍未超出过去千年自然变率的范围。然而,过去千年北大西洋热带气旋变化的动力学机制仍不清楚。

数值模拟作为一种重要的古气候研究手段,有助于从气候动力学的角度进一步阐明过去千年气候变化的空间特征及内在机制[14~20]。尽管粗分辨率气候模式无法刻画热带气旋的内部精细结构,但可以很好地模拟影响热带气旋生成的大尺度环境场(称为“生成因子”)。基于这些生成因子构建热带气旋生成潜势指数(Genesis Potential Index,简称GPI),就可以较好地刻画热带气旋的生成位置和发生频次等[21~23]。然而,相对于过去千年北大西洋热带气旋的重建工作,热带气旋的模拟研究较少。采用CSM1.4耦合模式和降尺度方法,Kozar等[24]指出模式很难重现地质记录所揭示的中世纪暖期北大西洋热带气旋频次的增多,这与基于CESM耦合模式的模拟结果类似[25]。基于古气候模式比较计划第三阶段(PMIP3) 的3个耦合模式结果,Reed等[26, 27]研究发现过去千年以来热带气旋造成的美国纽约市的风暴潮危害显著增加,并指出登陆北美的热带气旋个数与整个北大西洋气旋频次的变化趋势基本一致。

然而,上述模拟结果依赖于单一模式或少数几个模式,有必要从多模式的角度进一步探讨过去千年北大西洋热带气旋活动的空间特征,从而在一定程度上提高模拟结果的可信度。此外,过去千年典型冷暖期北大西洋热带气旋变化的可能动力学机制以及太阳辐射和火山活动的各自贡献目前尚不清楚。解决上述问题,有助于加深对过去千年北大西洋热带气旋空间特征和驱动机制的认识,并对理解自然强迫对热带气旋演变的可能作用有所启示。因此,本研究利用PMIP3多模式过去千年模拟结果,首先研究过去千年北大西洋热带气旋生成因子的空间特征;然后,通过构建热带气旋GPI指数,分析北大西洋热带气旋生成频次的可能变化;最后,基于太阳辐射和火山活动单因子敏感性试验,初步探讨两者对于北大西洋热带气旋生成潜势的可能影响。

2 数据和方法

本研究采用的数据来源于PMIP3提供的10个海气耦合模式的过去千年(850~1850A.D.)试验结果(表 1)。模式外强迫包括过去千年太阳辐射[28~31]、火山活动[32, 33]、温室气体和地表覆盖变化[34],其他边界条件(如气溶胶、臭氧)设置为工业革命前水平。模式输出结果包括月平均整层气温、风速、相对湿度和绝对湿度以及海表温度和海平面气压。同时,我们使用了目前公开的MPI-M耦合模式过去千年全强迫试验和单因子(太阳辐射和火山活动)敏感性试验[35],其中全强迫试验的驱动因子包括太阳辐射、火山活动、温室气体、植被覆盖和地球轨道参数。由于代用指标揭示的过去千年冷暖时段不尽相同,这里我们定义中世纪暖期(Medieval Warm Period,简称MWP)和小冰期(Little Ice Age,简称LIA)分别为950~1200A.D.和1600~1850A.D.,使得两个时段长度一致,同时也与已有模拟研究一致[36]

表 1 PMIP3过去千年试验基本信息* Table 1 Basic information for the PMIP3 of the last millennium simulations

热带气旋GPI指数可以较好地模拟观测的热带气旋气候态的空间分布和年际变化[22, 23],并被广泛地应用于多种时间尺度的热带气旋研究。Emanuel和Nolan[21]将热带气旋GPI指数定义为:

(1)

公式(1) 中,η是850hPa绝对涡度(s-1);Vshear是850hPa与200hPa之间的垂直风切变大小(m/s);RH是600hPa的相对湿度(%);PI为潜在强度(m/s)。潜在强度定义为[37]

(2)

公式(2) 中,Ck是熵交换系数;Cd是拖曳系数;SST是海表温度;To是平均出流气体温度;CAPE*是海表饱和湿空气上升时具有的对流有效位能;CAPEb则是边界层空气上升时具有的对流有效位能。具体来说,潜在强度代表在一定的海气热力条件下热带气旋理论上可能达到的最大风速[37],其值越大,越有利于热带气旋生成。垂直风切变可造成风暴对流中心在垂直方向上发生倾斜且将不饱和环境空气引入风暴核心[38],因此垂直风切变越大,越不利于热带气旋生成和发展。由于风暴对流中心为饱和的湿空气,因此环境空气的相对湿度越大,越有利于热带气旋生成。绝对涡度提供了重要的天气尺度低层辐合,有利于对流系统发展[39],故绝对涡度越大,越有利于热带气旋生成。由于不同热带气旋生成因子的作用可能相互抵消,因此,我们采用GPI指数来衡量热带气旋各生成因子的综合作用。一般而言,GPI越大,表明大尺度环境场越利于热带气旋生成和发展;反之则不利于热带气旋的生成和发展。

3 结果分析

图 1a给出了中世纪暖期热带气旋潜在强度相对于小冰期的异常分布。基于多模式集合平均结果(简单算术平均),在热带气旋季节(8~10月),中世纪暖期北大西洋热带气旋潜在强度明显增大,特别是中纬度地区(30°~40°N);同时,中世纪暖期海洋表面温度和对流层高层(200~70hPa)温度均升高(图 1b1c),但前者的升温幅度更大,这加剧了对流层垂直温度梯度,有利于大气垂直不稳定度加强,从而造成热带气旋潜在强度增加[37]。潜在强度增大有利于热带气旋在北大西洋生成和发展。然而,热带气旋潜在强度在赤道大西洋和北非西侧上升流区有所减小。

图 1 热带气旋季节(8~10月)中世纪暖期(950~1200A.D.)相对于小冰期(1600~1850A.D.)热带气旋潜在强度(a,单位m/s)、海表温度(b,单位℃)和对流层高层温度(c,单位℃)的异常分布 图中空白区域表示模拟的变化符号一致的模式少于7个(即10个模式中,模拟结果表明中世纪暖期温度升高的模式少于7个) Fig. 1 Difference in potential intensity(a, m/s), sea surface temperature(b, ℃), and upper troposphere temperature(c, ℃) during the storm season(Aug-Sep-Oct)between the Medieval Warm Period(950~1200A.D.)and Little Ice Age(1600~1850A.D.). Areas in blank have less than 7 models producing the same sign change

相对于小冰期,模式结果表明在热带气旋季节,中世纪暖期北大西洋200~850hPa的垂直风切变普遍减小(图 2a)。垂直风切变减小幅度最显著的区域主要位于10°~30°N之间的纬度带。垂直风切变减小有利于中世纪暖期该区域热带气旋的生成和发展,其可能部分归因于北大西洋局地哈德莱环流(Hadley Circulation,简称H. C.)的变化。从图 3a可以看出,北大西洋局地哈德莱环流在赤道地区( < 10°N)略微减弱,但多模式结果一致表明在中纬度地区(15°~40°N)局地哈德莱环流显著加强,这有利于在热带北大西洋高空出现东风异常,而在低空出现西风异常(图 3b3c),从而导致垂直风切变减小。

图 2图 1,但为垂直风切变(a,m/s)、600hPa相对湿度(b,%)和850hPa绝对涡度(c,10-5 s-1) Fig. 2 Same as Fig. 1 but for vertical wind shear(a, m/s), 600hPa relative humidity(b, %), and 850hPa absolute vorticity(c, 10-5 s-1)

图 3 热带气旋季节(8~10月)中世纪暖期(950~1200A.D.)相对于小冰期(1600~1850A.D.)大西洋(90°~0°W)质量流函数(a,×109kg/s)、200hPa风场(b,m/s)和850hPa风场(c,m/s)的异常分布 (a)在北半球正(负)值表示顺时针(逆时针)环流,打点区域表示模拟的变化符号一致的模式多于或等于7个;(b,c)空白区域表示模拟的变化符号一致的模式少于7个 Fig. 3 Difference in mass stream function(a, ×109kg/s), 200hPa(b, m/s)and 850hPa winds(c, m/s)over the Atlantic (90°~0°W)during the storm season(Aug-Sep-Oct)between the Medieval Warm Period(950~1200A.D.)and Little Ice Age (1600~1850A.D.). Positive(negative)contours in (a) indicate clockwise(counterclockwise)circulation; and dotted areas have ≥7 models producing the same sign change. Areas in blank in (b) and (c) have less than 7 models producing the same sign change

就对流层中层水汽含量而言,在热带气旋季节中世纪暖期600hPa相对湿度相对于小冰期呈现一个类经向“三极子”异常分布(图 2b)。中世纪暖期相对湿度在北大西洋东部中纬度地区(10°~25°N)之间显著增加,而在该纬度带两侧减小。相对湿度增加和减小的区域大致对应于北大西洋局地哈德莱环流变化导致的气流上升区和下沉区(图 3)。异常的上升气流将相对较湿的空气从海表带到对流层中层,造成相对湿度增加;而异常的下沉气流将相对较干的空气从高空带到对流层中层,造成相对湿度减小。同时,水汽含量增加有助于热带气旋在北大西洋东部中纬度地区生成和发展。

基于热带气旋季节的多模式集合平均结果,相对于小冰期,中世纪暖期850hPa绝对涡度在北大西洋东侧10°~20°N之间的纬度带增加且多模式结果的一致性较高(图 2c),这有利于热带气旋生成。尽管低层绝对涡度在北大西洋中纬度也明显增加,但其对热带气旋生成的贡献较小,因为在中纬度热带气旋生成主要受大尺度热动力因子控制(如,潜在强度和垂直风切变)[22]

中世纪暖期的GPI指数相对于小冰期在北大西洋普遍增加,特别是北大西洋西北位相和热带大西洋(10°~20°N)(图 4a)。因此,大尺度环境场总体上利于中世纪暖期热带气旋在北大西洋生成和发展,这与地质证据[10]大体一致。潜在强度增加、垂直风切变减小、水汽含量增多以及绝对涡度增强均有利于热带大西洋GPI增加,而北大西洋西北位相GPI增加主要归因于增强的潜在强度和减小的垂直风切变。同时,我们分析了过去千年北大西洋热带气旋高空引导气流(850~300hPa)的变化,从图 4b可以看出,相对于小冰期,中世纪暖期热带气旋引导气流整体上为东风异常,这有利于热带气旋登陆北美地区。

图 4图 1,但为GPI指数(a)和引导气流(b,m/s) 中文注解 Fig. 4 Same as Fig. 1 but for the GPI (a) and steering flow(b, m/s)

此外,基于MPI-M耦合模式的全强迫试验和单因子敏感性试验,我们初步探讨了太阳辐射和火山活动对北大西洋热带气旋生成潜势的可能影响。由于太阳辐射的周期性特征以及火山活动的随机性,为了可以更加清楚地辨析两者的作用,我们选择过去千年中太阳辐射大且火山活动少(1100~1150A.D.)和太阳辐射小且火山活动多(1650~1700A.D.)的时段[35]分别作为中世纪暖期和小冰期的两个代表时段。MPI-M全强迫试验结果表明中世纪暖期代表时段相对小冰期代表时段GPI指数在北大西洋普遍增大(图 5a),这与PMIP3多模式结果基本一致(图 4a)。图 5表明太阳辐射增大和火山活动减少大体上均可造成中世纪暖期热带大西洋和北大西洋西北位相GPI增大。尽管两者导致的GPI变化幅度大体相当,但在空间上存在明显的差异。此外,太阳辐射和火山活动影响北大西洋热带气旋生成潜势的动力学机制仍不清楚,需要在下一步工作中进行重点研究。

图 5 热带气旋季节(8~10月)MPI-M模式全强迫试验(a)、太阳辐射敏感性试验(b)和火山活动敏感性试验(c)中世纪暖期代表时段(1100~1150A.D.)相对于小冰期代表时段(1650~1700A.D.)的GPI异常分布 Fig. 5 Difference in GPI during the storm season(Aug-Sep-Oct)between a typical interval of the Medieval Warm Period(1100~1150A.D.) and Little Ice Age(1650~1700A.D.)in the MPI-M full forcing (a), solar-only (b), and volcano-only (c) experiments
4 结论和讨论

本文利用PMIP3多耦合模式结果研究了过去千年典型冷、暖期北大西洋热带气旋生成因子的空间特征,其包括潜在强度、垂直风切变、600hPa相对湿度和850hPa绝对涡度。通过分析GPI指数和高空引导气流变化,探讨北大西洋热带气旋生成频次以及移动路径的可能变化。此外,基于过去千年单因子敏感性试验,初步探讨太阳辐射和火山活动对于北大西洋热带气旋生成潜势的可能影响。

研究结果表明,相对于小冰期,中世纪暖期热带气旋潜在强度在北大西洋普遍增强,尤其是北大西洋中纬度地区。中世纪暖期垂直风切变在北大西洋10°~30°N之间的纬度带显著减小。对流层中层相对湿度在中世纪暖期呈现类经向“三极子”的异常分布,其在10°~30°N纬度带显著增加,而在该纬度带两侧减小。此外,中世纪暖期850hPa绝对涡度在北大西洋东侧10°~20°N之间的纬度带明显增加。

基于多模式集合平均结果,中世纪暖期GPI相对于小冰期在北大西洋普遍增加,特别是北大西洋西北位相和热带大西洋(10°~20°N),这有利于热带气旋在上述区域生成和发展。同时,中世纪暖期热带气旋高空引导气流整体上为东风异常,有利于热带气旋登陆北美地区。在百年尺度热带气旋气候态的角度,模拟结果与地质证据基本一致,从而验证了模式结果的可靠性。此外,敏感性试验结果表明太阳辐射增大和火山活动减少均利于中世纪暖期GPI增大,但有一定的区域性差异。需要注意的是,两个单因子敏感性试验并不能完全重现全强迫试验模拟的GPI空间特征,这可能指示气候系统内部变率或其他因子对中世纪暖期GPI的变化也有一定的贡献。同时,该结果需要结合多模式结果进行进一步地分析和动力机制探讨。

然而,模拟结果的不确定性依然存在。本文所采用的GPI指数可以表征热带气旋生成位置和频数的变化,但无法准确刻画热带气旋强度和移动路径。由于地质证据大多记录了飓风降水或滨岸湖沼相的越岸沉积[40]的变化,因此模拟结果无法与地质证据进行直接的对比。此外,PMIP3模式模拟的热带气旋生成因子变化幅度相对较小,这可能与模式所采用的外强迫以及模式本身的不确定性(如,模式敏感度)有关。例如,部分模式所采用的太阳辐照强度从蒙德极小期到现代仅仅增加了0.04 % ~0.1 % (0.1~0.23W/m2)[41]。在下步工作中,采用超高分辨率气候模式开展热带气旋模拟研究,有助于进一步加深理解自然强迫下热带气旋活动的演变规律和机制。

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Simulation of tropical cyclone genesis potential over the North Atlantic in the last millennium based on PMIP3 models
Yan Qing, Zhang Zhongshi②,③, Zhang Ran, Li Xiangyu     
(① Nansen-Zhu International Research Centre, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
Department of Atmospheric Science, School of Environmental Studies, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074;
Uni Research Climate, Bjerknes Centre for Climate Research, Bergen 5007, Norway;
Climate Change Research Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029)

Abstract

Using ten climate models in the Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase Ⅲ(PMIP3), we investigate possible variations of large-scale environmental factors important to tropical cyclone(TC)genesis over the North Atlantic in the last millennium. The genesis factors include potential intensity, vertical wind shear, mid-tropospheric relative humidity, and absolute vorticity. Based on the ensemble mean of the PMIP3 models, potential intensity that predicts the theoretical maximum of TC intensity is broadly enhanced over the North Atlantic in the Medieval Warm Period(MWP, 950~1200A.D.)relative to the Little Ice Age(LIA, 1600~1850A.D.), especially at the mid-latitude. Vertical wind shear, generally hampering TC genesis and intensification, is mainly reduced over a zonal band between 10°N and 30°N in the MWP. Relative humidity at 600hPa that measures mid-tropospheric moist content is broadly increased over the eastern tropical North Atlantic, where the low-level absolute vorticity is also increased. We then calculate a genesis potential index(GPI)as a way to summarize environmental changes to overall favorability of TC genesis. It is found that conditions are generally favorable for TC genesis over the North Atlantic in the MWP relative to the LIA, especially over the main develop region and the northwestern North Atlantic. Higher potential intensity, smaller vertical wind shear, larger relative humidity, and stronger absolute vorticity point to the increased GPI over the main develop region, while the larger GPI over the northwestern North Atlantic is mainly attributed to increased potential intensity and reduced vertical wind shear. Meanwhile, the steering flow, estimated as the mean wind between 850hPa and 300hPa, exhibits an anomalous easterly in the MWP relative to the LIA, which generally benefits TC landfall over the North America. The model results are broadly consistent with geological evidence in terms of TC climatology on centennial timescale. Additionally, sensitivity experiments based on the MPI-M model indicate that both increased solar irradiation and reduced volcano eruptions contribute to a higher GPI in the MWP relative to the LIA.
Key words: last millennium     tropical cyclone     North Atlantic     PMIP3