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氣候越暖，颱風越強
WARMER OCEANS, STRONGER HURRICANES
【摘 自】科學人雜誌2007年8月號
【中文章名】氣候越暖，颱風越強
【外文章名】WARMER OCEANS, STRONGER HURRICANES
【作 者】川柏斯 ( Kevin E. Trenberth )
【譯 者】林筱雯
知識分類：地球科學
美國路易斯安那州的葛倫特那市，遭到卡崔娜颶風襲擊，這個城市位在紐奧良近郊。
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全球暖化讓海面溫度升高，助長了颱風威力！
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。（本文出自SA 200707）
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機艙內部設置許多精密的儀器，由兩位科學家控制電腦系統，一位科學家做資料的處理，正、副駕駛位於前艙，右下角則為飛行技術人員，左下角即為投落送發射器。