北大西洋盆地热带气旋活动模式的地理性“超时”特征

《Global and Planetary Change》：Geographically metachronous pattern of tropical cyclone activity regimes across the North Atlantic Basin

通过整合北大西洋热带气旋（ATC）现代观测记录与27项古气候重建数据，识别出三种轨道类型和区域活动模式，揭示AMOC、ENSO、NAO及ITCZ位置对ATC路径和登陆分布的复杂调控机制，并论证了不同活跃期中气候因子与区域差异的相互作用。

　　

作者：强耀|刘康彪|特伦斯·麦克洛斯基|史蒂夫·米德韦|方书博|林妮娜|王克进

美国阿拉巴马州奥本大学科学与数学学院地球科学系，奥本，邮编36849

摘要

关于全新世大西洋热带气旋（ATC）活动的模式和气候控制因素，目前存在诸多争议。本研究基于仪器记录，识别出整个北大西洋盆地（NAB）中三种不同的ATC路径类型和地理区域，并综合了27条古风暴代用指标记录，以探讨ATC活动的空间和时间动态。我们的分析挑战了NAB范围内ATC活动同步或随机发生的观点，揭示出一种受大西洋经向翻转环流（AMOC）、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北大西洋涛动（NAO）和热带辐合带（ITCZ）影响的复杂、非同步模式。研究结果表明，在第一个活跃期（5500–4000年前）和第二个活跃期（2000–1000年前），如ITCZ偏北和NAO呈正值等气候条件有利于ATC在东海岸登陆；而在第三个活跃期（4000–2000年前）和加勒比地区（1000年前至今），由于ITCZ偏南和NAO呈负值，ATC活动模式转向了北墨西哥湾沿岸和西加勒比海。研究发现，尽管ENSO和海表温度会影响ATC活动总体情况，但ITCZ和百慕大高压的位置对ATC登陆位置具有显著影响，这突显了在理解ATC活动历史变化时考虑区域差异及多种气候因素相互作用的重要性，也为未来气候变化背景下的ATC模式提供了启示。

引言

大西洋热带气旋（ATC）活动的一个关键特征是其在空间和时间上的显著波动，这些波动可能与众所周知的大气/海洋周期有关，例如热带辐合带（ITCZ）的位置（van Hengstum等人，2016年）、北大西洋涛动（NAO）（Elsner等人，2000年）、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）（Donnelly和Woodruff，2007年）以及大西洋经向翻转环流（AMOC），后者影响海表温度（SST）和大气模式，进而影响气旋的形成和强度（Donnelly等人，2015年；Yan等人，2017年）。大多数长期研究表明，ATC活动存在数百年到数千年的周期变化，表现为活跃期和平静期之间的突然转变，活跃期的登陆频率可增加一个数量级（图1a）。然而，长期ATC记录之间的巨大不一致性也引发了关于ATC变化控制机制的争议。一种假设认为，在任何给定时间，北大西洋盆地内的ATC活动水平相对同步，其控制机制可能是SST和ENSO事件的波动（Donnelly和Woodruff，2007年；Mann等人，2009a）。另一种观点认为，ATC活动模式的变化可能仅仅反映了风向控制和登陆位置的变化，而非ATC频率本身的变化。因此，ATC的路径受到北大西洋环流系统（尤其是ITCZ和百慕大高压）纬度运动的引导（Liu和Fearn，2000年；Elsner等人，2000年；Baldini等人，2016年）。因此，ATC数据网络中存在大量知识空白。

古风暴学是一种经过时间检验的代用指标重建方法，能够揭示千年尺度的风暴模式（Liu，2004年；Rodysill等人，2020年；Schmitt等人，2020年；Yao等人，2020年，Yao等人，2023年），为理解过去和未来主要热带气旋活动的变化提供了必要的长期基准数据。然而，代用记录的地理局限性导致未受干扰的档案空间覆盖不均匀，且偏向于记录强烈风暴（Donnelly等人，2004年；Kiage等人，2011年；Lane等人，2011年；Brandon等人，2013年），从而引发了古风暴学研究之间的分歧和不同假设的提出。尽管普遍认为ENSO的冷相位（拉尼娜现象）、弱垂直风切变和较高的海表温度有利于ATC生成（Goldenberg等人，2001年），统计和物理模型也显示，在百年到千年的时间尺度上，加勒比海、墨西哥湾和美国东南部海岸的ATC活动表现出与NAO相位和强度相关的非同步模式（Elsner等人，2000年；Elsner，2003年）。因此，将局部导向的经验方法扩展到区域视角至关重要。然而，很少有研究尝试将全盆地的仪器记录与独特的区域古风暴记录进行定量整合，并将其与已知的大气/海洋模式相结合，以形成关于过去、现在和未来ATC活动的全面且统计上稳健的概念框架（Mann等人，2009a；Yang等人，2024年）。

本文基于一组记录了过去7000年加勒比西南部地区（图1a中的站点20–22、25–27）的古风暴档案的代用指标记录，首先使用K均值聚类和核密度分析方法对整个NAB的HURDAT2数据集（例如卫星图像、飞机侦察和船舶报告；Landsea等人，2015年）进行了分析，根据ATC路径类型划分出三个地理区域。然后，我们从24个研究区域综合了27条古风暴记录（每条记录超过1000年），为每个地理区域生成了综合记录（见支持信息中的表S1），并将这些综合区域记录与大规模古气候重建结果进行定量比较，以形成自中全新世以来ATC-气候动态的全面视图。基于现代和古环境重建的全盆地整合，本研究的主要目标是揭示在气候变化加速背景下的ATC模式，因为我们相信从过去的学习对于沿海社区的风险评估和缓解措施至关重要。

部分摘录

野外和实验室采样程序

所有岩芯均为复合岩芯，通过从相邻孔中提取重叠部分来避免沉积物压实。岩芯采集位置及重要物理特征（低水位和高水位标记的位置、硬木林的起始和结束位置、棕榈带、沼泽）由手持GPS设备确定。所有岩芯样本在运输到路易斯安那州立大学之前均进行了严格密封，并存放在冷藏室（4°C）中直至打开。

燃烧损失分析……

大西洋热带气旋活动的空间变化

迄今为止，大多数关于多千年尺度ATC历史的研究都是基于沿海湖泊、沼泽和天坑中保存的实证记录（例如历史记录、冲刷和洪水代用指标、δ¹⁸O以及微古生物学证据）（图1b）。虽然人们关注较多的是ATC频率和强度与气候变化的关系，但对ATC路径模式和登陆位置的空间变化讨论较少（Elsner等人，2000年；McCloskey和Liu，2012年；McCloskey等人……）

中全新世以来的地理非同步ATC活动模式

已有文献表明，在早全新世期间海平面迅速上升，中全新世之后趋于稳定（Khan等人，2017年）。考虑到早全新世至中全新世期间海平面变化对记录冲刷事件敏感性的影响（Liu，2004年），本研究仅讨论了从5500年前至今的区域风暴活动相位变化。

我们共识别出中全新世以来的四个ATC活动阶段。

古风暴学的局限性和不确定性

尽管本研究提供了全新世大西洋热带气旋变异性的全盆地视角，但仍需承认古风暴学中存在的若干方法学局限性和不确定性（Minamidate和Goto，2024年）。首先，在事件识别和数据汇编方面，本研究使用的PT-Index完全基于先前发表的经过同行评审的古风暴记录（见表S1）。在这些原始研究中，作者已经……

CRediT作者贡献声明

强耀：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论制定、调查、资金获取、数据分析、数据管理、概念构思。 刘康彪：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。 特伦斯·麦克洛斯基：撰写——审稿与编辑、数据分析。 史蒂夫·米德韦：方法论制定、数据分析、概念构思。 方书博：

未引用参考文献

Donnelly等人，2001年 Liu和McCloskey，2024年 Mann等人，2009b年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了美国国家科学基金会（NSF资助编号#2341540）和美洲全球变化研究所（IAI资助编号CRN-2050）的支持。