地球科學

氣候越暖颱風越強

全球暖化讓海面溫度升高,助長了颱風威力!

撰文/川柏斯(Kevin E. Trenberth)
翻譯/林筱雯

地球科學

氣候越暖颱風越強

全球暖化讓海面溫度升高,助長了颱風威力!

撰文/川柏斯(Kevin E. Trenberth)
翻譯/林筱雯

海洋只要暖化一點點,就可能使更多的熱帶擾動升級成颱風,熱帶風暴的威力也會增加,並帶來更多雨水。

2004年的夏天似乎是個嚴重警訊:這年,四個颶風襲擊美國弗羅里達州,前所未見;十個颱風登陸日本,比過去的最高紀錄還多四個。科學家嚇壞了,提出各種理論,解釋熱帶氣旋為何增加。這些理論彼此矛盾,而對於全球暖化如何影響熱帶氣旋,意見更是分歧。大自然就像脫韁野馬,2005年,北大西洋的夏季颶風數量再度打破紀錄,其中包括破壞力強大的卡崔娜和莉塔颶風。2006年,美國東南部的房屋保險費用大漲,但颶風總數卻遠低於預期。如果全球暖化真的對颶風有影響,為什麼2006年的颶風那麼少?

科學家分析天氣型態並提出理論,同時說明為什麼颶風在2004和2005年大幅增加,在2006年卻意外地平靜。不幸的是,理論也預言了未來我們將遇上麻煩。颶風的前身是熱帶大氣的擾動。當擾動發展成有組織的雷雨系統,開始旋轉,風速超過每小時62公里,氣象學家就會為它命名。如果系統最大風速超過每小時119公里,則稱為熱帶氣旋,大西洋和東北太平洋地區使用的名稱是「颶風」,西北太平洋地區稱「颱風」,印度洋地區則簡單稱為「氣旋」,在本文中,我會交替使用這些稱呼。

科學家必須先了解熱帶風暴如何形成,才能討論全球暖化對颱風的數目、大小、強度(也就是風速)有什麼影響。過去幾年,科學家發展出更細緻的模式,模擬颱風如何生成。颱風需要溫暖的海水,所以大多在熱帶地區形成。在熱帶,太陽近乎直射地球,海水吸收大部份的入射能量,並主要以蒸發作用將多餘的熱排出,當水蒸氣凝結形成雨,會釋放潛熱到大氣中。冬天,風把熱送到高緯度,再輻射到太空;但是在夏天,潛熱會一直留在赤道,並透過對流,上升到高空,對流過程造成許多現象,從積雲到雷雨都有可能,當環境適當時,雷雨群可以組成渦旋,從海洋汲取大量熱能,並形成颱風。

大氣中必須先有擾動,才能觸發渦旋形成。北大西洋的大氣擾動通常由非洲中部的西海岸傳來,非洲內陸的沙漠和海岸山脈的森林之間的溫度差異,會造成大氣擾動。其他有利於渦旋形成的條件,還包括海面溫度必須高於26℃、水氣要充足、洋面有低壓帶,以及高低緯間的風切微弱(太強的風切會撕裂新生氣旋)。

海洋是颱風的溫床

海面溫度是颱風生成的關鍵要素之一,科學家對近年的颱風型態感到好奇,所以就想要知道海溫在過去數十年有什麼改變,而颱風的數量、大小、強度又隨著改變了多少。如果海溫真的對颱風有影響,那人類活動導致的全球暖化,會是導致海溫上升的主要原因嗎?還有,2004、2005這兩個破紀錄的年份,有什麼特別的環境條件?科學家已經很了解,溫室氣體(例如,燃燒化石燃料產生的二氧化碳)大量累積會讓地球變暖,然後讓海溫升高,水氣的製造量也會變多,使颱風形成前的對流運動更容易發生。在2005年之後,我們的問題是:海溫真的升高了嗎?全球暖化究竟讓海溫升高了多少?

1970年之前,衛星觀測尚未普及,全球颱風的數量統計並不可靠,但氣候學家認為,熱帶北大西洋的颶風記錄從1944年起就很可信了,因為偵查飛機開始定期監測熱帶風暴。查看歷史記錄後,我們發現,1994年起,有命名的北大西洋風暴和颶風數量逐漸增加,值得注意的是,北緯10~20度的北大西洋海溫也上升了,這和颶風數量的增加非常吻合,這股變暖的海水由非洲延伸到中美洲,而且正好位在赤道北邊,是颶風形成的重要地區。

有些科學家認為,1994年以後北大西洋的海溫上升,只不過是反映大西洋多年代振盪(AMO)的影響而已。AMO是一種自然循環,北大西洋海溫在保持數十年的相對低溫後,會升高數十年,之後又逐漸降低(最大溫差約0.5℃)。專家認為,這種循環源自洋流的變化(例如環繞大西洋的墨西哥灣流帶來的暖流)和海洋較深處的回流。1970年代起,直到1990年代早期,北大西洋的海溫比較低;1990年代以後,AMO再回到較暖的狀態,颶風形成數目比低溫時期來得多。不過,從電腦模式來看,AMO循環並不能完全解釋颶風為什麼自1995年起大量增多,也無法解釋2005和2006年發生了什麼事。

雖然,人類大量排放溫室氣體到大氣裡,就像正在進行一場無法控制的大型環境實驗,然而氣候學家卻無法真正進行改變地球的實驗,他們必須改用氣候模式,才能測試影響海溫和颱風的各種因素。這些模式的目標是重現所有影響氣候的重要物理、化學、生物過程。在多年努力之後,美國國家大氣研究中心(NCAR)以及其他研究單位的科學家,發展出一套全球氣候模式,可以合理重現過去一世紀以來全球大氣、海溫的實際變化。模式也把其他變因考慮進來,包括大氣化學成份的變化、太陽的能量輸出,或是大型火山噴發產生的灰燼阻隔太陽輻射、讓全球氣溫暫時降低一、兩年。

透過氣候模式,我們能單獨研究人類造成的變化(例如,排放煙塵和污染物到大氣裡),並且估計改變的後果。研究結果顯示,剔除AMO因素之後,大西洋的暖化和人為導致的大氣增溫有關係。美國勞倫斯利佛摩國家實驗室氣候學家桑德(Ben Santer)與同事最近發表一項研究,把熱帶大西洋與太平洋的暖化歸因於人為溫室氣體的增加。初步估計指出,1970年起,全球暖化導致海溫增加了0.6℃,雖然這樣的海溫增加幅度聽起來很小,卻能夠大幅影響熱帶風暴的強度,就像卡崔娜颶風經過墨西哥灣流的時候,海溫只要上升1℃,就能讓颶風的強度整整增加一個等級(例如從第二級變成第三級)。

熱帶氣旋活動受海溫影響非常大,因此我們能夠推論:全球暖化讓熱帶風暴更加強烈。2005年6月,我在《科學》發表的論文中,詳細討論了海溫和熱帶風暴的關聯,兩個月後,麻省理工學院的伊曼紐(Kerry Emanuel)在《自然》發表直接的觀測證據,我們兩人的研究是完全獨立進行的。伊曼紐證明,1970年之後全球氣旋強度與生命期的顯著增加,和海溫增加有關,就算根據其他專家提出的質疑修正結果,也只小幅改變某些特定的相關性,整體結論並不會改變。2005年9月,喬治亞理工學院的韋布斯特(Peter Webster)和同事在《科學》發表研究,證明1970年以後,四級和五級颶風的數量,有明顯的增加,而且佔所有颶風的比例也增加了,他們認為,既然我們已經觀測到海溫升高,颶風的數量本來就應該跟著增加。

反聖嬰現象趕走了颱風

2004與2005年的颱風數量破紀錄,和我們的研究結論相當符合。但是,如果海溫增加真的是主要原因,為什麼2006年的颱風季節這麼平靜?2005年夏天,熱帶北大西洋(北緯10~20度間)的海溫創下歷史新高,比1901~1970年的平均海溫還高0.92℃,就算把全球暖化和AMO的影響加起來,也還不足以造成這麼高的溫度變化,還有什麼現象會影響海溫?主要的外加因素是2005年冬季到隔年春季發生的聖嬰現象。聖嬰現象是洋流和大氣環流耦合過程所發生,發生時熱帶太平洋的海溫會升高。
在2004跨入2005年的冬季,北半球有一個中等偏弱的聖嬰現象發生,它使得熱帶大西洋地區的天空晴朗、風速微弱,因此蒸發冷卻減少,海溫增高的幅度比預期多出0.2℃;此外,聖嬰現象在夏天前逐漸減弱,北大西洋的風切變小,創造了另一個有利颶風生成的環境,2005年颶風的發生和強度都破紀錄,這是聖嬰現象、AMO,以及全球暖化共同造成的結果。
2005年到2006年間發生的反聖嬰現象,效果正巧相反。反聖嬰現象讓熱帶太平洋變冷、北大西洋的信風比正常情況下更強、海水釋放更多的熱到大氣裡,使得2006年的颶風季節,平均海溫跟正常水準差不多,甚至稍微偏低;而且,2006年夏季時,下一波聖嬰現象又開始形成,大西洋附近的風切逐漸增強,海溫較低、風切較強,兩者都不利颶風生成,徹底改變了熱帶大西洋的環境條件,使得大西洋從2005年破紀錄的颶風數量,變成2006年的平靜,雖然平均海溫升高了,但是每年的變化還是可能扭轉海溫升高的影響,並主導每一年的颶風數量。
當然,只有觀測和模式結果值得信賴時,前面提到的理論才會成立,因為觀測和模式結果是理論的根基。在NCAR,我們模擬與預報颶風時,使用的模式稱為「天氣研究與預報模式」,它以4公里寬的網格分割真實世界的氣候資料,以一般的標準來說,這樣的解析度相當高;美國國家氣象局的全球模擬系統解析度是35公里,而他們的地區模式,解析度也只有8~12公里。要用4公里的解析度來計算,需要大量電腦資源,耗費的時間也很長,因此氣象預報的解析度頂多維持在8公里,否則計算時間太長,來不及預報天氣。我們的模式也直接處理對流效應。

海溫升高1℃,雨量增加19%

我們將真實的觀測資料輸入模式,結果重現了已發生的風暴,尤其是2004年和2005年的颶風,軌跡相當符合,這使我們對模式更有信心。我們把卡崔娜颶風經過墨西哥灣那幾天的海溫資料輸入模式,模擬出來的颶風軌跡跟真實的非常接近。
這些測試結果證明模式是可信的,因此我們也試著研究,海溫上升是不是會影響颱風的降雨量。以卡崔娜颶風來說,海溫上升1℃會讓環境中的水氣量增加7%,最大風速也增加了,風把更多水氣帶進風暴裡,並增加蒸發速度,整體來說,模式的預測是:海溫上升1℃,颱風眼周圍400公里內的降雨量會增加19%。
所以,我們可以說:全球暖化讓熱帶氣旋的降雨增加了。1970年以來,全球暖化導致海溫增加0.6℃,也就是說,氣候變遷讓大氣裡的水氣在過去37年裡增加了4%。我們的模擬結果也和衛星觀測一致,衛星微波儀器的觀測發現,自1988年以來,大氣中的水氣增加了2%。我們知道,當熱帶氣旋的水氣增加,水氣凝結,釋放潛熱,導致更多空氣上升,流入氣旋的風速也隨著增加。水氣增加4%,會讓降雨量增加8%。
根據這些計算,我們認為,卡崔娜颶風帶給紐奧良的300毫米總雨量中,大概有8%,也就是25毫米,是全球暖化的結果。我們不能說某個熱帶氣旋是全球暖化「造成」的,但是,地球變得更暖,必然影響了熱帶氣旋的強度和降雨量。
無論是觀測或理論都指出,當地球變得更暖,颱風也會變得更強。不過,我們很難預測,颱風的數量會不會因此上升,因為熱帶風暴從海洋裡汲取熱量的效率,比一般雷雨風暴更高;一個大型風暴也許比兩個小型風暴更有效率,所以熱帶氣旋的數目有可能變少,但一旦形成,規模會更強大。大型風暴過後,海洋變得比較冷,至少會暫時減少更多新風暴生成。
而且,過去的風暴觀測記錄還有其他問題,有些科學家說,歷史記錄不夠一致,所以結論並不是那麼可信;其他人說,我們可以相信北大西洋的資料(至少1944年之後的),但是對太平洋就不是那麼確定。解決方式之一,是以最新技術重新處理所有的衛星資料,讓過去風暴的強度、大小、生命期和其他活動的測量更一致。運算更快的電腦會讓模式更進步,更多的實地實驗也能提供新知識,這些進展會讓我們的模式表現得更好,也能提高模式的可信度,讓我們更了解未來的發展。
不過,不斷更新的科學記錄證明,全球暖化讓海溫升高,可能讓颱風強度增加,包括可能侵襲美洲的颶風。今年5月,跨國氣候變遷研究小組(IPCC)發表的報告指出:「觀測證據顯示,1970年起,北大西洋的熱帶氣旋活動強度增加了,同時,熱帶海溫也升高了。」當模擬和觀測技術持續進步,我們也最好有所準備,因為在未來,颱風的威脅可能更致命。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2007年第66期8月號】