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过期30年破坏性热带气旋的增加
Kerry Emanuel

理论和模型都预测飓风强度会随着全球平均气温的增加而增加，但检测飓风活动发展趋势的工作主要集中于他们的频率，而频率没有显示出趋势。这里我根据总的消耗的能量定义了一个飓风潜在破坏性指数，这个指数自1970年代中期以来显著地增加了。这种趋势既是因为更长的生命周期，也是由于更大的风暴强度。我发现飓风净能量耗散的记录与热带海洋表面温度高度相关，反映良好记录的气候信号，包括在北大西洋和太平洋年代际振荡和全球变暖。我的结论建议未来的全球变暖可能导致热带气旋破坏性倾向的向上趋势，考虑到海滨人口的增长，在21世纪飓风相关损失将会显著增加。
热带气旋活动的变化对社会是明显重要的，尤其当遭受其折磨的区域人口增加的时候。热带气旋占据了美国自然灾害破坏、伤亡的很大部分，是代价最高自然巨灾。附加说明的是，最近的工作建议全球热带气旋活动可能在驱动海洋温盐循环中扮演着非常重要的作用，这对影响地区和全球气候有重要影响。
对北大西洋的热带气旋变动性的研究揭示出风暴频率在年际和年代际有很大的波动，这些波动与地区的气候现象如厄尔尼诺/南方涛动、平流层准两年振荡以及北大西洋地区年代际振荡相关。其他海盆区域的变动性还没有很好地论述，可能是因为历史数据不足造成的。
关于全球变暖对热带气旋活动的可能影响已经有许多理论、建模与实证研究。基本理论建立了飓风强度量化的上限，像通过最大表面风速测量以及实证研究所表明，当积累了足够大的样本时，飓风强度的统计被这个理论潜在强度牢牢地控制住了。全球气候模型显示潜在的强度将随全球大气变暖而显著增加，这导致预测的真实风暴强度将会随着时间增加而增加。这个预测一直回荡在气候变化的评估中。最近的综合研究使用了详细的使用了利用运行各种不同的全球气候模型的气候预测的数字飓风模型来支持对于风暴强度变化的理论预测。观测到的热带地区温度上升大约0.5摄氏度，然而，预测到的变化太小以至于无法被观察到，这局限了热带气旋强度的估计。
关于热带风暴频率的气候控制问题还有太大争议，从现有的理论中得到的指引太少。关于全球变暖对风暴频率影响的预测的全球气候模型太不一致，在有热带气旋历史数据的热带气旋频数中没有可检测到的全球趋势。
尽管热带气旋频率是一个重要的科学问题，但是它本身并不是热带气旋威胁的一个优秀的衡量指标。风暴中真实的货币损失大约是风速的立方，这与总的能量消耗（PD）一致，总的能力消耗是总的被影响的面积和它的生命周期的积分，公式如下:

这里CD是表面拖曳系数，ρ是表面空气密度，|V|是表面风速的规模，对风暴半径从0到r0和风暴的生命周期Τ积分。PD的数量有着能量单元，反应了一个风暴在其整个生命周期中的能力消耗。不幸的是使用历史数据很难对方程1中的积分面积进行估计，它们通常很少报道风暴尺寸。另一方面，详细的研究显示风速度径向分布的一般几何相似，然而峰值风速与风暴尺寸的相关性很小。这个风暴尺寸变量将会在假定风暴尺寸固定的方程1中引入随机误差项。在方程1的积分中，表面空气密度变化大约在15%左右，然而拖曳系数被认为以大约风速两倍的速度增加，但是在风速超过30米/秒时保持固定。在方程1的积分中，在实践中主要处于高风区域，我们假设对应的Cdρ是一个常数，将能量消耗方程简化为：PDI≡0tVmax3dt
这里Vmax是在通常的10米高度的最大维持风速。尽管这不是净能量消耗的一个完美的测量手段，这个指数是衡量热带气旋威胁的一个与单独频率或者强度相比更良好的指数。同时总的能量消耗从热带气旋分布上看是上层海洋混合和温盐环流造成的。这个指数与累积气旋能量 (ACE)指数非常相似，定义为在整个飓风风力持续区间的最大风速的平方求和。
分析技术，数据来源和原始数据的修正将在方法一节和补充方法中叙述。为强调长期的趋势和年代际的变量，PDI在几个主要的气旋影响区域按每年累积。为减少年际变化影响，我们应用了年PDI的1-2-1时间序列进行平滑，定义如下：
xi'=0.25(xi-1+xi+1)+0.5xi
这里Xi是第i年的变化值，xi'是平滑值。这个过滤器在回归中用到两次。
图1显示了北大西洋的PDI和一个在北大西洋主要起源地的九月平均热带海洋表面温度(SST)。在两个时间序列之间（r2=0.65有明显强烈的相关性，说明热带SST对PDI有强烈的控制。在文献10中讨论的大西洋年代际模型是SST时间序列的证据，同时短期振荡可能与厄尔尼诺/南方涛动和北大西洋振荡有关。但是上个年代的大的向上趋势是前所未有的，可能反映了全球气候变暖的影响。接下来我们还将讨论这个问题。

图2显示了西北太平洋地区年累积的平滑的PDI和北太平洋主要生成区域的平滑的7-11月SST。与大西洋的情况一样，这些是强相关的，r2等于0.63。一些年代际变量与厄尔尼诺/南方涛动相关，这在Camargo和Sobel的文献中论述过。SST时间序列显示SST在1975年左右有向上趋势，这与过去70年的标准不同。

有一些原因让我们相信全球热带SST倾向对热带气旋的影响比地区波动要小，因为热带气旋的潜在强度对SST与对流层平均温度的差异敏感。为了量化全球信号，南北纬之间的年均平滑SST与北大西洋和西北太平洋平滑PDI值的比较显示在图3中。两个时间序列的相关的r2是0.69。自1975年以来热带平均表面温度上升通常归因于全球变暖，这表明在热带气旋的PDI值上升趋势至少部分是人为的。有趣的是，在过去的30年这种趋势已经包括超过北大西洋和北太平洋西部PDI和的一倍。

过去30年中能量耗散的巨大增加可能因为风暴总体上变得更强，或者在更高的强度下持续更长的时间。北大西洋和西北太平洋累积的年风暴持续时间自1949年已经增加了大约60%，虽然这可能部分反映了报导工作中的变化，这在方法中有所讨论。北大西洋和西北、东北太平洋年风暴峰值风速加总在这段时间也上升了大约50%。因此持续时间和峰值强度的趋势都对净能量消耗的总体增长有贡献。对固定比率的加强和耗散，风暴将花费更长的时间来达到更高的风速，因此也花费更多的时间消耗。因此毫不奇怪，强的风暴持续更长的时间；持续时间和峰值强度的时间序列相关性具有0.74的r2。
在理论中，热带海洋温度每增加1摄氏度，热带气旋的峰值速度将增加5%。给定观测到的升温只有0.5摄氏度，这个峰值风速只增加2-3%，因此能量消耗增加6%-9%。当遇预期的风暴周期增加耦合的时候我们可以预测整个PDI增加8-12%，明显比观测到的变化小。
热带气旋并不直接对SST起反应，然而，它们热力学环境的适当衡量手段是潜在强度，它不仅依赖于表面温度，也依赖于对流层的整体温度状况。我使用了日均再分析数据和Hadley中心的SST来重建潜在最大风速，然后对同一热带区域的每一日历年的结果进行平均用于计算平均SST。在西北太平洋和北大西洋，潜在强度的时间序列都与SST非常接近，但是在记录期间增长了大约10%,而不是预测的2-3%。仔细检查再分析数据显示观测到的大气气温与SST并不同步。这对增加潜在强度有影响。给定观测的增加为10%，考虑到事件的持续时间增加，预期的PDI增长为40%。这比观测到的增加仍然要小。
以上的讨论显示只有部分观测到的热带气旋能量消耗直接归因于增加的SSTs；剩余的只能由其他影响飓风强度的因素来解释，例如垂直风切。从再分析数据中分析250-850hPa风切，在图1中北大西洋相同的部分，显示出在1949-2003年间有每10年0.3米/秒的下降趋势，但是这主要发生于1970年之后，而且无论如何，这个下降都太小而不足以有太大影响。热带气旋强度同时也依赖海洋上层的温度分布，有一些迹象表明，次表面的温度也在上升，因此降低了从风暴引致混合层的负反馈。
不论产生的原因，在有记录以来的能量消耗接近翻倍都是一个值得关注的问题，因为它是衡量热带气旋潜在破坏性的指标进一步，如果热带气旋造成的海洋上部混合层是温盐循环的重要贡献成分，像作者假设的一样，那么全球变暖会造成循环的增加，因此会有增加海洋焓从热带到高纬度地区运传递的情况。

方法：
在热带气旋“最佳路径”数据集（这里使用的是JTWC数据和NOAA国家飓风中心数据，最大维持风力是10米高位置的1分钟平均风速）中每6小时报道了热带气旋的位置和最大表面维持风力。对大西洋和东、中北太平洋，这些数据总NHC获得，对西北太平洋和北印度洋，以及所有的南半球，数据都是从JTWC获得的。
由于1940年代以来系统测量热带气旋的测量和报道实践的变化，在热带气旋风速报道中存在系统偏差，他们在分析趋势的时候必须考虑到。这种偏差的来源和校正在补偿方法中论述。