Tropische Wirbelstürme und die globale Erwärmung

Tropische Wirbelstürme und die globale Erwärmung

Vor allem das katastrophale Hurrikan-Jahr 2005 hat die Frage nach einem eventuellen Zusammenhang zwischen der Zunahme von Hurrikanen und der globalen Erwärmung aufgeworfen. Die seitdem intensivierte Forschung ist vor allem zwei Fragen nachgegangen:
1. Lässt sich über die letzten Jahrzehnte und eventuell Jahrhunderte ein Trend in der Häufigkeit und/oder Stärke tropischer Wirbelstürme feststellen?
2. Gibt es einen Zusammenhang zwischen der globalen Erwärmung und Änderungen im Auftreten von tropischen Wirbelstürmen und wie ist ein solcher Zusammenhang für die Zukunft einzuschätzen?Bevor wir auf diese Fragen eingehen, sollen zunächst die Besonderheiten tropischer Wirbelstürme dargestellt werden.

Hurrikane und Meeresoberflächentemperatur

In den meisten Regionen, in denen tropische Zyklonen vorkommen, haben sich die Meeresoberflächentemperaturen (SST - nach engl. Sea Surface Temperature) um mehrere zehntel Grad Celsius in den letzten Jahrzehnten erhöht. Das gilt besonders für das Entstehungsgebiet der nordatlantischen Hurrikane (Knutson, T.R. et al. 2010). Hier gibt es einerseits deutliche Dekadenschwankungen, mit einer kühlen Phase von 1905 bis 1925, einer warmen von 1930 bis 1960, einer kühlen von 1970 bis 1990 und dem Beginn einer neuen warmen Phase seit Mitte der 1990er Jahre. Andererseits zeichnet sich aber auch ein Trend von 0,7 °C pro 100 Jahre ab, der höher als im zonalen Mittel ausfällt (Holland, G.J., & P. J. Webster (2007).

Die Ursachen für die SST-Veränderungen im Atlantik sind nicht endgültig geklärt. Die Dekadenschwankungen werden mit der Atlantischen Multidekaden-Oszillation (AMO) in Zusammenhang gebracht, die hauptsächlich auf Schwankungen der Thermohalinen Zirkulation des Nordatlantiks zurückgeführt wird (IPCC 2007, 3.6.6). Worin die Ursachen für die langfristige Erwärmung  liegen, ist umstritten. Einige Autoren leiten sie primär aus der zunehmenden Konzentration von Treibhausgasen ab (Mann, M. E., and K. A. Emanuel, 2006). Das von der WMO (World Merteorological Organization) ernannte Hurrikan-Expertenteam stellt dagegen in seinem aktuellen Bericht fest, dass die Änderung der atlantischen SST in den letzten 30 Jahren nicht primär durch anthropogene Treibhausgase beeinflusst ist (Knutson, T.R. et al. 2010).

Hurrikane und Meeresoberflächentemperatur 1855-2005 im tropischen Ostatlantik 
Abb. 1: Anzahl Tropischer Zyklonen und Veränderung der Meeresoberflächentemperatur 1855-2005 im tropischen Ostatlantik, dem Entstehungsgebiet der nordatlantischen Hurrikane (Eigene Darstellung nach Holland, G.J., & P. J. Webster 2007)

Zwischen der Erhöhung der SST im Atlantik und der Anzahl von Hurrikanen wurde von einigen Forschern eine enge Beziehung hergestellt und die angenommene Zunahme der Hurrikane als anthropogen interpretiert. Holland&Webster (2007) unterscheiden für das 20. Jahrhundert eine stufenweise Zunahme von tropischen Zyklonen um etwa das Doppelte in drei Phasen. Nahezu parallel dazu habe sich die Meeresoberflächentemperatur um 0,7 °C im tropischen Ostatlantik, dem Entstehungsgebiete von Hurrikanen, erhöht. Die Veränderung der Hurrikan-Aktivität sehen sie zu mehr als 60 % durch den Anstieg der Meeresoberflächentemperatur bedingt, und  deren Zunahme zu Zweidritteln durch die Zunahme der Konzentration von Treibhausgasen verursacht. Ähnlich argumentieren Mann&Emanuel (2006).

Gegen diese Argumentation sind jedoch in den letzten Jahren gravierende Einwände vorgebracht worden. Sie stützen sich im Wesentlichen auf zwei Argumente:
1. die gängige Statistik über die Anzahl der Hurrikane seit Ende des 19. Jh.s muss korrigiert werden,
2. die Hurrikane sind nicht allein und eventuell nicht primär durch die SST bestimmt.

Fragen an die Hurrikan-Statistik

Seit Beginn der Satellitenbeobachtung um 1970 zeigen die Daten eine deutliche Zunahme der tropischen Sturmereignisse im tropischen Nordatlantik (s. Abb. 1).  Global und in den anderen Ozeanbecken ist ein solcher Trend allerdings nicht auszumachen. Im östlichen und westlichen Nordpazifik ist zwar eine deutliche Zunahme zwischen dem Ende der 1970er und dem Beginn der 1990er Jahre zu verzeichnen, seitdem aber eine Abnahme auf das Niveau der 1970er Jahre. Und auch das globale Mittel zeigt keinen Trend  (Webster, P. J., et al., 2005).

Über die Anzahl tropischer Stürme und Hurrikane im Atlantik seit 1878 liegen Daten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) vor (die sog. HURDAT-Daten). Sie zeigen einerseits starke Schwankungen von Jahr zu Jahr, andererseits deutliche Dekadenschwankungen. So war die Zeit zwischen 1910 und 1930 ausgesprochen ruhig, während seit Mitte der 1990er Jahre die Hurrikanaktivität ungewöhnlich zugenommen hat. Es lässt sich über den gesamten Zeitraum 1878-2006 aber auch ein deutlicher Trend erkennen, der auf +3,84 Stürme pro 100 Jahre geschätzt wurde. Beginnt man die Betrachtung bei 1900 ergibt sich sogar ein Trend von +6 Stürmen pro 100 Jahre (Vecchi, G. A. & Knutson, T. R., 2008).

Ein erheblicher Teil der Zunahme der Sturmhäufigkeit ist jedoch künstlich bedingt durch eine Veränderungen in den Beobachtungsmethoden. Vor 1944 wurden die Stürme durch Schiffe oder durch das Zählen der auf Land treffenden Stürme erfasst. Dabei gab es z.T. große Unterschiede bei den Schiffsrouten. So wurden vor der Eröffnung des Panama-Kanals 1914 der Golf von Mexiko und die Karibik nur wenig befahren. Außerdem haben beide Weltkriege zu großen Lücken bei der Beobachtung geführt. Nach dem 2. Weltkrieg wurden die Schiffsdaten über dem Nordatlantik durch Beobachtungen von Flugzeugen ergänzt. Erst seit 1965 gibt es eine flächendeckende Beobachtung durch Satelliten, die bis in die Gegenwart stetig verbessert wurde. Vor dem Satellitenzeitalter wurde also ein erheblicher Teil der tropischen Wirbelstürme im Nordatlantik nicht erfasst, der nach 1965 in die Zählung aber durchaus einging (Vecchi, G. A. & Knutson, T. R., 2008). Das betrifft besonders schwächere Stürme mit weniger als zwei Tagen Dauer.

Hurrikane im Nordatlantik 1878-2006 pro Jahr
Abb. 2: Häufigkeit tropischer Wirbelstürme im Nordatlantik 1878-2006 pro Jahr über 5 Jahre gemittelt. Die Entwicklung nach den vorliegenden Daten (blau) ergibt einen linearen Trend von +3,84 Stürmen pro 100 Jahr. Die korrigierte Entwicklung (rot) unter Hinzufügung früher nicht erfasster Stürme (grün) ergibt einen Trend von +1,6 Stürmen pro 100 Jahre.(Eigene Darstellung nach Vecchi, G. A. & Knutson, T. R., 2008)

In den letzten Jahren ist daher von verschiedenen Autoren der Versuch unternommen worden, die Anzahl nicht erfasster tropischer Zyklonen zu bestimmen. Nach Mann et al. (2007) würden mehr als ein Sturm pro Jahr den beobachteten statistischen Beziehungen zwischen dem zugrundeliegenden Klima und der Anzahl tropischer Zyklonen widersprechen (Mann, M. E., et al., 2007). Landsea (2007) nimmt dagegen 3,2 fehlende Stürme pro Jahr an (Landsea, C. W., 2007). Von Vecchi & Knutson (2008) wurden die „fehlenden“ Stürme mit 3-4 pro Jahr um 1880 und für die beiden Weltkriege sowie mit 0,25 pro Jahr in den 1950er und 1960er Jahren angesetzt. Daraus ergibt sich über den gesamten Zeitraum von 1878-2006 ein deutlich geringerer Trend von nur +1,6 Stürmen pro 100 Jahre, der statistisch nicht signifikant ist (Abb. 2) (Vecchi, G. A. & Knutson, T. R. (2008). Landsea (2007) kommt dagegen auf einen deutlich stärkeren Trend von +2,89 pro 100 Jahre, da er seine Analyse auf den Zeitraum 1900-2006 bezieht. In einer neueren Untersuchung lassen Landsea et al. (2010) die Zeitreihe allerdings auch mit dem Jahr 1878 beginnen, rechnen die kurzlebigen Stürme heraus und die „fehlenden“ mittel- bis langlebigen Stürme hinzu. Das Ergebnis ist: Es gibt bei den mittel- bis langlebigen Hurrikanen keinen Trend, sondern nur Dekadenschwankungen (Abb. 3).

Häufigkeit von mittel- und langlebigen Hurrikanen pro Jahr 1878-2008
Abb. 3: Häufigkeit von mittel- und langlebigen Hurrikanen pro Jahr 1878-2008 (Eigene Darstellung nach Landsea, C. et al., 2010)

Noch weniger als im Atlantik konnte für den nördlichen Westpazifik ein Trend der Häufigkeit tropischer Zyklonen festgestellt werden. Eine Untersuchung der auf Land treffenden Taifune während der Zeit von 1954 bis 2004 an den Küsten von Vietnam, den Philippinen, China, Korea und Japan ergab zwar starke jährliche und ebenso ausgeprägte Schwankungen über Jahrzehnte, aber keinen erkennbaren Trend. Ein Einfluss der globalen Erwärmung auf die Aktivität von Taifunen kann nach Chan&Chu (2009) ausgeschlossen werden  (Chan, J. C. L. & Xu, M., 2009).

Das Hurrikan-Team der WMO schließt daraus, dass es letztlich ungewiss bleibt, ob die vergangenen Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklonen die Schwankungen überstiegen haben, die aus natürlichen Ursachen zu erwarten wären (Knutson, T.R., et al., 2010).

Starke und schwache Hurrikane

Die meisten Modellberechnungen kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Erwärmung durch anthropogene Treibhausgase im 21. Jahrhundert die Anzahl aller tropischen Zyklonen zwar ab-, die starken Hurrikane der Kategorie 4 und 5 jedoch stärker und häufiger werden (s.u.). Verschiedene Autoren haben untersucht, ob ein solcher Trend auch schon in der jüngsten Vergangenheit zu beobachten und ob er der bisherigen globalen Erwärmung zuzuordnen ist. So haben Webster et al. (2005) in der Zahl und dem Anteil starker Hurrikane der Kategorie 4 und 5 in allen Ozeanbecken eine deutliche Steigerung festgestellt. Während die Anzahl der Hurrikane der Kategorien 1-3 in der Zeit der Satellitenbeobachtung 1970-2004 pro Jahr sich kaum verändert habe, zeige die der Kategorien 4 und 5 nahezu eine Verdopplung von ca. 50 auf 90 Hurrikane pro Jahr. Auch der Anteil der starken Hurrikane an der Gesamtzahl aller Hurrikane ist von ca. 20 auf rund 35 % gestiegen.

Diese Ergebnisse wurden durch weitere Untersuchungen bestätigt (Vgl. Knutson, T.R., et al., 2010). Aufgrund von Satellitendaten  1981-2006 wurden z.B. von Elsner et al. (2008) die höchsten Windstärken, die tropische Zyklonen während ihrer Lebenszeit erreichen, untersucht. In allen Ozeanbecken wurde ein Aufwärtstrend festgestellt, insbesondere bei den stärksten Zyklonen und vor allem im Nordatlantik. Kein Trend ergab sich dagegen bei den schwächeren Windstärken. Die starken tropischen Zyklonen sind also noch stärker geworden (Elsner, J. B., et al., 2008).

Eine Methode, den gesamten Energieumsatz eines Hurrikans zu berücksichtigen, ist der Power Dissipitation Index (PDI) des US-Hurrikan-Forschers Kerry Emanuel, der die Dauer aller tropischen Zyklonen während einer Saison und die maximale Windstärke während dieser Dauer berücksichtigt (Emanuel, K., 2007). Seit den 1970er Jahren hat nach Emanuel (2007) der PDI im tropischen Nordatlantik um fast 100 % zugenommen, im westlichen Nordpazifik um 35 %. Unmittelbare Gründe sind nach Emanuel sowohl eine verlängerte Sturmdauer pro Jahr wie höhere Windgeschwindigkeiten.

Aber auch bei der weitgehend auf Satellitenbeobachtung beruhenden Abschätzungen einer zunehmenden Hurrikan-Intensität sind Zweifel angebracht. In den 1970er und 1980er Jahren gab es nur wenige Satelliten mit einer geringen Bildauflösung, die Tropische Zyklonen vor allem im Nordatlantik erfassten. Seit den 1990er Jahren wurde die Anzahl der Satelliten erhöht und die Bildauflösung verbessert. Die Intensität der Zyklonen wurde daher vor 1990 häufig deutlich unterschätzt. So wurde etwa der Bangladesch-Zyklon von 1970, der wahrscheinlich schlimmste Tropische Zyklon der jüngeren Menschheitsgeschichte mit 300000 bis 500000 Toten, offiziell nie klassifiziert. Nachträgliche Untersuchungen früherer Satellitendaten lassen vermuten, dass zwischen 1978 und 1990 etwa 70 Zyklonen der Kategorie 4 und 5 nicht als solche erkannt wurden (Landsea, C. W., et al., 2006). Hinzu kommt, dass die Zeitperioden zu kurz für Aussagen über einen längerfristigen Trend sind.

Das Ursachenproblem

Die Probleme bei den Daten, insbesondere die Schwierigkeit, längerfristige Trends festzustellen, machen es nahezu unmöglich, den beobachteten Veränderungen bestimmte Ursachen zuzuordnen. Die noch vor einigen Jahren propagierte direkte Kopplung der Hurrikanaktivität mit der Meeresoberflächentemperatur und der Rückschluss auf anthropogene Einflüsse sind einem differenzierteren Bild gewichen.

Zum einen gibt es zwischen der Anzahl tropischer Zyklonen und der Meeresoberflächentemperatur offensichtlich keine einfache Beziehung. So lässt sich die Entwicklung beider Faktoren seit Beginn der Satellitenbeobachtung  zwar im Nordatlantik zur Deckung bringen. Im NW-Pazifik kann man jedoch von Mitte der 1970er Jahre bis ca. 1990 eine starke Zunahme der Zahl Tropischer Zyklonen von 10 auf etwa 20 pro Jahr feststellen, dann aber eine starke Abnahme auf ca. 12 um das Jahr 2000, obwohl die Meeresoberflächentemperatur stetig angestiegen ist (Webster, P. J., et al., 2005).

Auch im Atlantik scheint eine direkte Beziehung möglicherweise nur scheinbar zu existieren. Offensichtlich ist es weniger die atlantische Mereresoberflächentemperatur direkt, die die Hurrikan-Aktivität beeinflusst, als deren Relation zur übrigen tropischen SST und der Einfluss dieser Differenz auf die atmosphärische Dynamik (Vecchi, G.A., et al., 2008). Die tropische SST im Atlantik ist in den letzten 30 Jahren deutlich stärker angestiegen als in den anderen Ozeanen. Nach Berechnungen von Klimamodellen ist dieser Unterschied jedoch nicht durch Treibhausgase zu erklären (Knutson, T.R., et al., 2010). Eine Folge ist, dass sich die Innertropische Konvergenzzone nach Norden verschiebt. Daraus folgen wiederum: eine reduzierte vertikale Windscherung sowie eine Reduktion der Stabilität des dynamischen Profils der Troposphäre. Diese Faktoren begünstigen die Entstehung von tropischen Stürmen und sind möglicherweise verantwortlich für die Korrelation von Hurrikan-Häufigkeit und Meeresoberflächentemperatur im Atlantik (Knutson, T. R., et al., 2008).

Immerhin steht nach einer jüngeren Untersuchung (Elsner et al. 2008) die Zunahme der hohen Windstärken in Übereinstimmung mit der Zunahme der SST (Elsner, J. B., et al., 2008).  Pro 1 °C Anstieg der SST wurde eine Zunahme um 1,9 m/sec bei den 20 % höchsten Windstärken und um 6,5 m/sec bei den 10 % höchsten Windstärken festgestellt. Die stärksten Zyklonen werden also stärker mit höheren SST. Diese Parallele ist konsistent mit theoretischen Überlegungen, dass ein wärmerer Ozean mehr Energie für die Entwicklung tropischer Zyklonen bereitstellt. Sie erlaubt jedoch noch keine kausale Zuschreibung, da der Einfluss anderer Faktoren wie die vertikalen Temperaturverhältnisse der Troposphäre, die vertikale Windscherung, der Einfluss von El-Niño-Verhältnissen usw. nicht berücksichtigt sind.  Auch die Zunahme des PDI kann laut Hurrikan-Team der WMO durch höhere SST nur z.T. erklärt werden. Aufgrund der kurzen Periode der Satellitendaten sei es letztlich nicht möglich, anthropogene Veränderungen von natürlichen Dekadenschwankungen zu trennen (Knutson, T. R., et l., 2008).

Projektionen

Der IPCC-Bericht von 2007 unterscheidet Modell-Projektionen über die Entwicklung der Aktivität von tropischen Zyklonen in einer wärmeren Welt nach ihrer räumlichen Auflösung. Modelle mit einer Auflösung von 50 km oder gröber sind danach nur begrenzt in der Lage, wichtige Merkmale der Zyklonen zu erfassen.  Sie zeigen insgesamt keine einheitlichen Ergebnisse, weder was die Häufigkeit noch was die Stärke der Stürme betrifft. Lediglich eine Zunahme von Starkregen in Hurrikannähe wird von allen Modellen prognostiziert. Modelle mit einer höheren Auflösung bis hinunter auf 9 km simulieren zwar auch nicht durchgehend dieselben Ergebnisse. Die Mehrheit dieser Modelle kommt jedoch zu dem Ergebnis, dass die hohen Windgeschwindigkeiten ebenso wie die an tropische Zyklonen gekoppelten  Niederschläge zunehmen werden und – mit weniger hoher Wahrscheinlichkeit – dass die Anzahl der schwachen tropischen Zyklonen ab- und die der starken zunehmen wird.

Hurrikane der Kategorie 4 und 5 – Gegenwart lila, Zukunft rot
Abb. 4: Hurrikane der Kategorie 4 und 5 – Gegenwart: lila, Zukunft: rot (Eigene Darstellung nach Bender, M. A. et al., 2010)

Seit dem letzten IPCC-Bericht sind weitere Modellexperimente mit hoher Auflösung veröffentlicht worden (Bender, M. A. et al., 2010). Danach verringert sich die Anzahl aller tropischen Zyklonen (tropische Stürme und Hurrikane) bis zum Ende des 21. Jahrhunderts nach allen Modellsimulationen um 6-34  % im globalen Mittel. Für einzelne Becken dagegen sehen die Ergebnisse wesentlich differenzierter aus. So projektieren 10 Modelle für das Nordatlantische Becken eine Zu- und 13 eine Abnahme der Zahl tropischer Zyklonen. Die starken Hurrikane der Kategorie 4 und 5 nehmen dagegen sowohl in ihrer Intensität wie in ihrer Häufigkeit zu. Eine aktuelle Modelluntersuchung über die Entwicklung von atlantischen Hurrikanen der Kategorien 4 und 5 bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ergibt eine Zunahme der Anzahl dieser starken Hurrikane um fast das Doppelte und bei den Stürmen der Kategorie 5 sogar um das Dreifache. Ebenso wird der Niederschlag in einem Radius von 100 km um das Hurrikane-Zentrum um 20 % zunehmen (Knutson, T.R., et al., 2010).

Die Gründe für diese Entwicklung sind nicht endgültig geklärt. Eine wichtige Ursache für die Abnahme der Gesamtzahl tropischer Zyklonen in einer wärmeren Welt wird darin gesehen, dass die globale Erwärmung die vertikale Windscherung begünstigt (Wang, C., & S.-K. Lee, 2008). Vertikale Windscherung unterbricht die Formation vor allem der schwächeren Stürme, während die starken Stürme sich ihre eigene Umwelt schaffen und den Einflüssen von Windscherungen eher widerstehen. Außerdem wird durch die globale Erwärmung die Stabilität der Atmosphäre gestärkt, indem die Abkühlung der höheren Troposphäre durch Ausstrahlung reduziert wird (Bengtsson, L. et al., 2007).

Schluss

Obwohl damit gerechnet wird, dass die Gesamtzahl der Hurrikane abnimmt, ist davon auszugehen, dass die Hurrikanschäden zunehmen werden. Der Grund ist darin zu sehen, dass die Schäden hauptsächlich durch die starken Hurrikane verursacht werden. So stammen 86 % aller in den USA durch tropische Zyklonen verursachten Schäden von Hurrikanen der Kategorie 3-5, obwohl diese nur 24 % der auf Land getroffenen Stürme ausmachten. Die Zunahme der starken Hurrikane wird daher möglicherweise eine Steigerung der Schäden um 30 % nach sich ziehen (Bender, M. A. et al., 2010).

 Allein diese potentielle Gefahr durch die globale Erwärmung macht es zu einer wichtigen Aufgabe für die Wissenschaft, die bisherige und künftige Beziehung zwischen tropischen Zyklonen und dem Klimawandel weiter mit Nachdruck zu erforschen. Dabei werden nicht nur hohe Ansprüche an eine verbesserte Beobachtung in allen wichtigen Ozeanbecken gestellt, sondern vor allem auch an die Modellierung von Hurrikanen. Die Modellauflösung muss weiter verfeinert und die Kopplung mit globalen Modellen, die den Klimawandel adäquat darstellen, verbessert werden. Dass die Anstrengungen in dieser Richtung vor allem in den USA erfolgen, ist angesichts der Bedrohung und des wissenschaftlich-technischen Potentials dieses Landes nur zu verständlich.

Literaturliste
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