大气二氧化碳浓度升高促使早侏罗纪极热期热带气旋强度增加

       未来人为碳排放持续增加及全球变暖加剧将导致极端天气气候事件频发、强度增加，并产生重大的社会经济影响。特别是，气候模式预估结果表明，随着CO₂浓度升高及海洋升温，21世纪全球强热带气旋（TC）的比例和TC最大风速呈增加趋势。虽然在过去约40年中直接观测的强TC频率和TC平均强度的确在增加，但模式预估结果仍缺乏经验性证据的约束和检验。同时，在更长时间尺度上，CO₂、温度和TC活动之间的联系也不明确。

       地球历史上的极端增温事件（称为 "极热事件"）为评估极端气候和TC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重要的机会。特别是，发生于~183 Ma的侏罗纪Toarcian（托尔阶）极热事件（也被称Toarcian大洋缺氧事件或Jenkyns事件）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历史参照。在Toarcian极热期，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（图 1）。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（二氧化碳浓度从~500升高至~1000 ppmv）。Toarcian极热期一个重要的特征是该时期风暴沉积物大量增加，促使人们猜测此时的碳释放和全球变暖直接导致TC强度增加。然而，这一假设尚未得到有力的验证，并且CO₂变化、全球变暖和TC之间的确切关系也不清楚。同时，由于Toarcian极热期风暴沉积物分布零散，导致TC变化的空间格局仍不明确。

图1. 侏罗纪Toarcian极热期气候变化（a-c）及关键TC沉积记录（d-i）。

       为了解决上述科学问题，中国科学院大气物理研究所、北京大学和中国地质大学（武汉）开展联合攻关。通过开展大量全球气候模式模拟试验，模拟结果表明，在Toarcian极热期，特提斯洋存在两个关键的TC潜在生成中心，其分别位于特提斯洋西北部和东南部（图2）。同时，与TC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TC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TC在西南热带特提斯洋沿岸登陆。重要的是，模拟的热带气旋活动中心得到了Toarcian极热期风暴沉积物记录的支持。

图2. 模拟的侏罗纪Toarcian极热期热带气旋潜在生成位置（蓝色填色）及引导气流（箭头）。

       Toarcian极热期TC活动增强曾被认为与CO₂浓度的升高和全球变暖有关。为了验证这一推测，我们进一步开展1组敏感性实验，研究TC如何随重建的二氧化碳翻倍（560至1120 ppmv）而变化。研究结果表明，几乎整个特提斯洋的TC潜在强度均因CO₂浓度升高而增强，并伴随着均匀的海洋升温。特别是，在Toarcian极热期，特提斯洋出现极端强TC的可能性增加，其表现为TC潜在强度概率分布向极大值方向偏移（图3）。这种概率分布的右移在北特提斯洋更为明显，同时在北特提斯洋也发现了Toarcian极热期的大部分风暴沉积。此外，在更极端的变暖情景（CO₂=2800 ppmv；但在Toarcian极热期仍是可能的）下，强风暴发生的概率显著增加，并且CO₂浓度越高，TC越极端。

图3.不同CO₂浓度下热带气旋潜在强度的概率密度分布（右：北特提斯洋；左：南特提斯洋）。

       更为重要的是，除了Toarcian极热期外，在其他地球历史典型暖期，也观察到了与全球变暖有关的TC强度增加，如古新世—始新世极热期（Paleocene Eocene Thermal Maximum； 55 Ma），上新世暖期（Pliocene warm period；~5-3 Ma），末次间冰期（Last Interglacial；~127 ka）和过去千年偏暖时段。这些地质证据强调了全球变暖背景下TC强度增加可能是一个普遍的现象。有趣的是，观测结果表明，在当代气候变暖下，全球平均TC强度增加，强TC发生频率增大。因此，我们应该预期在未来气候变暖背景下将出现更强的TC，这正与大多数未来预估结果一致。

       该研究受“大陆演化与季风系统演变”基础科学中心项目和中国科学院青年创新促进会联合资助。

       论文信息：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.