胡永云
一、研究背景
热带气旋是发生在热带亚热带地区海面上的气旋性环流，是地球上最猛烈、破坏性最大和最致命的破坏性天气系统之一，其登陆时的强风、暴雨和风暴潮常给生命财产带来巨大损失。习惯上，在西北太平洋及沿岸地区被称为“台风”，在大西洋和东北太平洋及沿岸地区根据强度被依次称为“热带低压”、“热带风暴”和“飓风”，而在印度洋则常用“气旋风暴”。台风通常在赤道两侧生成，在副热带高压外围气流的的引导下，北半球台风向西北方向移动，越过副热带高压脊线先后，转向东北方向。南半球台风从源地向西南方向移动，越过副热带高压脊线后，转向东南方向（图1）。
图1 现代热带气旋路径及强度分布图（改自http://www.geographypods.com/4-tropical-storms.html）
过去40年来，全球强热带气旋（简称台风）的频次、台风最大风速和台风平均强度均呈现增加的趋势，但由于观测资料时间跨度短，人类活动在其中的作用及贡献难以评估（Kossin et al., 2020; Knutson et al., 2019）。随着未来人为碳排放持续增加及全球变暖，气候模式预估结果表明，21世纪全球台风强度可能趋强，但具有很大的不确定性（Seneviratne et al., 2021），这部分源于预估结果缺乏经验性证据的约束和检验。地球历史上的极端增温事件（称为"极热事件"）为评估全球升温和台风活动之间的机制联系以及这种变化可能发生的时间尺度提供了宝贵的机会。
约1.83亿年前（即Toarcian极热期或Toarcian大洋缺氧事件），潘吉亚超大陆刚开始裂解，热带存在广阔的半封闭特提斯洋，恐龙开始成为地球上处于统治地位的动物。在该时期（图 2），地球处于极端温室气候状态，海表温度大幅上升（局地可达10°C），碳同位素迅速负偏，伴随黑色页岩广泛发育、海洋酸化和海洋生物灭绝，是一次重要的生物灭绝事件，。该极热事件可能持续了约100万年，其与火山和/或地表储层（如甲烷水合物和多年冻土）的大规模碳释放有关，造成二氧化碳浓度从~500升高至~1000 ppmv，甚至高达~2000 ppmv。Toarcian极热期为理解地球极端天气事件对大规模碳释放的响应提供了一个重要的地质历史时期的参照。
图2 早侏罗世气候和环境记录（David Kemp提供）
二、Toarcian极热期风暴增强的地质证据
台风活动会在经过的地区形成强烈的风暴流，沉积物经过改造和搬运后在沉积盆地中再沉积形成的一套组合称为风暴沉积。风暴沉积属于事件沉积，通常与上下背景沉积具有明显不同的岩性特征、沉积序列和沉积构造，其主要特征表现为沉积物中发育丘/洼状交错层理、平行层理、侵蚀面和粒序层理等构造（韩中，2019）。Toarcian极热期一个重要的特征是该时期发现了大量的风暴沉积物（即，风暴岩）（Krencker et al., 2015; Izumi et al., 2018; Han et al., 2018；图3）。相比于事件前后的背景沉积，风暴沉积构造发生频率显著增加，表明Toarcian极热期强风暴发生频次明显增加。Toarcian极热期的急剧升温促使人们猜测该时期的碳释放和全球变暖直接导致了台风强度的增加（图4）。然而，由于Toarcian极热期风暴沉积物分布零散，因此台风变化的空间格局仍不明确；此外，CO2变化、全球变暖和台风触发之间的具体关系尚不清楚，导致这一假设尚未得到有力的验证。
图3 早侏罗世东特提斯Toarcian早期藏南年多剖面风暴沉积记录（韩中提供）
碳酸盐台地中-外缓坡沉积背景下可见丰富高能沉积：鲕粒颗粒灰岩（A）、具粒序层理的似球粒粒泥灰岩(B)、石英颗粒条带（C）、侵蚀面（D）、平行层理（E）、波痕（F）、小规模的丘/洼状交错层理（G）、爬升波纹（H）、U/V形渠模（I），部分渠模中充填的砂质层还呈现较弱的丘状交错层理（HCS）
图4 逃离特提斯洋风暴（绘制：史爱娟；设计：胡永云）
三、研究方法
数值模拟是理解过去气候变化时空特征和驱动机制的重要手段之一。为验证在Toarcian极热事件期间是否存在超强台风并探究其与全球升温之间的关系，我们使用海气耦合气候模式CESM（Community Earth System Model）开展了相关数值模拟试验。CESM模式是全球气候系统的一种数学表达方式，包含大气、陆地、海洋和海冰四个主要模块，并考虑不同模块之间的相互作用及影响，其可以给出时空连续且物理上自洽的气候变量（如、温度、降水、风场等）分布，因而被广泛应用于古气候模拟研究（Li et al., 2022）。根据重建的早侏罗世Toarcian极热期CO浓度及其不确定性（图2），在侏罗世海陆分布边界条件下，我们开展了3类模拟试验：一类试验使用560 ppm二氧化碳（CO2）浓度（工业革命前CO2浓度的2倍），另两类分别使用1120 ppm和2800 ppm CO2浓度（分别是工业革命前的4倍和10倍）；第一类代表极热事件前的CO2浓度，后两类代表极热事件期间的CO2浓度峰值（Yan et al., 2023）。
四、研究结果
试验结果表明，在Toarcian极热事件期间，特提斯洋存在两个潜在台风生成中心，分别位于特提斯洋西北部和东南部（图5）。潜在台风生成中心这大致对应于特提斯洋海洋表面温度的相对高值中心，并伴随着较小的垂直风切变、较大的海气热力不平衡以及较高的中层水汽含量等有利台风生成的大尺度环境条件。与台风移动轨迹相关的大尺度引导气流在北特提斯洋为反气旋式环流，导致低纬地区（~5°-20°N）呈现明显的东风，这有利于在特提斯洋西北部形成的台风在冈瓦纳北部沿岸登陆；在南特提斯洋（~15°-30°S），主导的引导气流也为东风，有利于台风在西南热带特提斯洋沿岸登陆。这与地质记录中显示的风暴沉积产生的位置是一致的。
图5 早侏罗世极热事件期台风潜在生成位置（橘黄色位置）和移动路径示意图
彩色标尺为陆地高程，紫色点是强风暴造成的沉积地质记录的大致位置（制图：燕青、胡永云）
图6给显示了三类CO2浓度条件下，特提斯洋台风潜在强度的概率分布。随着CO2浓度的升高，潜在台风强度的概率分布向高值方向偏移，这表明环境条件有利于极端强台风事件的发生。此外，这种概率分布特征在特提斯洋北部更为显著，与特提斯洋西北部在Toarcian极热事件期间的风暴沉积记录相一致。
图6 三类不同CO2浓度下台风潜在强度的概率密度分布
右：特提斯洋北部；左：特提斯洋南部。注：这里的台风强度是理论推算的，实际台风强度要弱一些
五、未来指示
除了Toarcian极热期外，在地质历史时期其他典型的极热/暖期，也观察到了与全球变暖有关的台风强度增加的现象，如古新世—始新世极热期（Paleocene Eocene Thermal Maximum; 56 Ma），上新世暖期（Pliocene warm period；~5-3 Ma），末次间冰期（Last Interglacial；~127 ka）和过去千年内的偏暖时段。这些地质证据表明全球变暖背景下台风强度的增加可能是一个普遍的现象。现代观测结果同样显示，在当前气候变暖下，全球平均台风强度增加，强台风发生频率增大，这也预示着在未来气候进一步变暖背景下将出现更强的台风（图7）。此外，该工作也强调了研究过去暖期在约束未来极端气候变化方面的重要价值。
图7 预估的2℃升温情景下台风总频次、强台风频次，台风强度和台风降水的可能变化（Seneviratne et al., 2021）
参考文献
[1] S. I. Seneviratne et al., Weather and climate extreme events in a changing climate. In climate change 2021: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, V. Masson-Delmotte et al., Eds. (Cambridge University Press, 2021), pp. 1513–1766.
[2] J. P. Kossin, K. R. Knapp, T. L. Olander, C. S. Velden, Global increase in major tropical cyclone exceedance probability over the past four decades. Proc. Natl. Acad. Sci. 117, 11975 –11980 (2020).
[3] T. Knutson et al., Tropical cyclones and climate change assessment: Part I: Detection and attribution, Bull. Am. Meteorol. Soc. 100, 1987–2007 (2019).
[4] F. N. Krencker et al., Toarcian extreme warmth led to tropical cyclone intensification. Earth Planet. Sci. Lett. 425, 120–130 (2015)
[5] K. Izumi, D. B. Kemp, S. Itamiya, M. Inui, Sedimentary evidence for enhanced hydrological cycling in response to rapid carbon release during the early Toarcian oceanic anoxic event. Earth Planet. Sci. Lett. 481, 162–170 (2018).
[6] Z. Han, X. Hu, D. B. Kemp, J. Li, Carbonate-platform response to the Toarcian Oceanic Anoxic Event in the southern hemisphere: Implications for climatic change and biotic platform demise. Earth Planet. Sci. Lett. 489, 59–71 (2018).
[7] X. Li, Y. Hu, J. Guo, et al., A global high-resolution climate simulation dataset for the past 540 million years. Scientific Data, 9: 371 (2022) , https://doi.org/10.1038/s41597-022-01490-4.
[8] Yan, Qing, Xiang Li, David B Kemp, Jiaqi Guo, Zhongshi Zhang, and Yongyun Hu. 2023. “Elevated Atmospheric CO2 Drove an Increase in Tropical Cyclone Intensity during the Early Toarcian Hyperthermal” Proceedings of the National Academy of Science, 120 (29). https://doi.org/10.1073/pnas.2301018120.
[9] 韩中，2019.侏罗纪早期极热事件：生物灭绝与热带风暴肆虐。沉积之声.
