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厄尔尼诺和拉尼那
来源: 本站原创   点击数:1568   更新时间:2005-09-07

目前,大多数人都听说过厄尔尼诺,而只要听说过的人都知道它与某种异常天气有关。不过,“异常” 这个词的定义因地区不同变化很大。对居住在印度尼西亚、澳大利亚、东南非的人来说,厄尔尼诺意味着 严重的干旱和致命的森林火灾。厄瓜多尔、秘鲁、加利福尼亚的人则认为厄尔尼诺会带来暴风雨,然后引 发严重洪水和泥石流。在全世界范围内,强厄尔尼诺事件不但造成几千人的丧生,还会使成千上万人流离 失所、数十亿美元损失。而在美洲东北沿岸的居民认为厄尔尼诺会使冬天变得更温暖(可节省取暖费), 飓风季节相对平静。

  厄尔尼诺(西班牙语为“圣婴”)这个名称最早起源于十九世纪末秘鲁沿岸的渔民中间,指季节性的 向南流动的暖洋流入侵,取代了往常他们捕鱼时向北流动的冷洋流,这种现象一般发生在圣诞节前后。如 今,厄尔尼诺不再指局地性的洋流的季节性变化,而是指ENSO现象中的一部分。

  厄尔尼诺/南方涛动( ENSO)指的是影响全球的连续但不规则的大气和海洋循环变化的一种现象。厄尔尼诺指中东太平洋地区海洋表面异常增温并与低层大气相互作用,它能产生较为显著的天气影响。与之相对应,自1985年起,中东 太平洋地区海表异常变冷的现象被称为“拉尼娜”(小女孩)。

  厄尔尼诺与拉尼娜相互转变需要大约四年的时间。最近十年,科学家们开始致力于解开海洋与大气之间的错综复杂的关系,这使人们有可能了 解这种不规则天气振荡的机理以及它对全球气候的影响。虽然气象学家长期以来都利用全球大气的观测资料来做每天的天气预报,但在全世界海洋的许多地方相对缺少资料的问题直到太平洋中有自动观测的定点 浮标列阵和人造卫星才得以解决。

  但是,技术的进步并不是唯一的关键所在。正如以下的文章所述,气象学家和海洋学家各自对大气和海洋经过数年的基础研究后,最终联合了起来。这两个研究领域的完美结合使得气象学家和海洋学家构造出了模拟和预报与ENSO有关的大范围的气候变化的理论模式。例如,科 学家已经能提前几个月给易受厄尔尼诺影响的人群发出厄尔尼诺来临的警报,从而让他们利用这段宝贵的时间来采取措施以减缓极其坏的影响。尽管厄尔尼诺的预报已经取得了巨大的成功,但相对于将气候预报 作为我们已经习以为常的日常天气预报的一部分这个长期目标而言,只是迈出了第一步。

  天气一直 是人类的一个关注重点,但我们却无法驾驭它。为此,几代人都努力地去观测、并与以往天气比较进而做 出预报。然而,做预报需要大量不同地区的天气状况的信息并需要具有将这些信息进行远距离传输的工具 。在十九世纪后半叶,电报的发明使气象资料有可能从大范围分散的测站快速收集起来,所以,一些国家 成立了气象部门。二十世纪期间,尤其从1957年第一颗人造卫星发射后,比较成熟的全球观测网发展了起 来。如今,卫星、商用飞机、海上船舶都可以用于观测。另外,高层大气的资料可以通过全球各气象测站 一日两次施放的探空气球来获取,海洋中的定点浮标也可以测得海洋深达数百米的温度。 

  尽管在高科技,包括复杂的计算机模式的帮助下,我们可以提前数天比较准确地预报出天气,然而,气候学家怎么才 能提前几个月预报出ENSO的厄尔尼诺位相的建立呢?问题的解决有赖于了解大气和海洋的相互作用是如何 经过一段时间后表现出来的。

  从根本上讲,许多理论都认为驱动气候长期变化的动力是热带太平洋的 加热和冷却。海风就是个众所周知的例子。在晴朗的下午,大陆要比海洋增温快;陆地上的空气加热并抬升,海洋表面上的冷空气流向海岸取代热空气。在高层,热空气流向海洋并冷却下沉,于是一个循环就形 成了。这种原理在整个地球都适用。一年中,赤道得到的太阳直射光线比中纬度和极地都要多,因此,赤 道海洋比其它海域吸收的热量要多得多。赤道海洋上空的空气被海水加热后膨胀上升(带着热量),流向 极地;相反,副热带和极地的高密度冷空气流向赤道,取代了那里的热空气。

  换言之,大气和海洋的 相互作用就像一个地球的热机。这种热量的连续再分配,再加上受地球自西向东转动的影响,产生出了高 空急流和盛行向西吹的信风。然后,风随地球的旋转带动了大尺度的洋流,如北大西洋的墨西哥湾流、南 太平洋的洪堡海流、南、北赤道洋流。在热带海洋处,东风获得了海上的水汽并将之从世界的一个地方带 到另一个地方然后下沉。例如,海洋-大气的动力作用使南美太平洋沿岸地区一般比较干燥,而在太平洋 海盆另一侧的印度尼西亚和新几内亚却有着茂密的丛林。信风向西吹带动热带海洋的上层暖水。当暖水在 西太平洋堆积时,东太平洋的深层海水便涌升至表面。

  正如研究人员逐步认识到的那样,如果他们获 取了热带太平洋某些海域的次表层温度, 就能提前几个月预报出信风。相反,如果知道了信风的特点, 海表温度也能预报出来。 厄尔尼诺问题首先是在大气研究中提出的。二十世纪初,英国数学家、印度气象台台长Sir Gilbert Walker利用已有的气象资料在大气科学研究中做出了根本性的突破。1899年,印度农民所希冀的季风雨迟 迟未来,紧接着一场大饥荒发生了。

  Walker授命研究这种天气异常的预报方法,他精选从全球气象观测网 中挑出来的四十年温度、气压和降水资料,发现东南太平洋(塔希提岛以东)和印度洋(澳大利亚的达尔 文站以西)气压之间有一种跷跷板式的关系,也就是说,这其中的一个地区气压偏高,另一个地区的气压 反过来就偏低。 在1928年给皇家气象科学会提供的一篇论文中,Walker将这种跷跷板式的气压型定义 为南方涛动,还给出了测量两个地区之间的气压差的尺度。他观测得到,每当气压东边很高西边很低时, 印度的季风雨量就会很大。而东西差异不大时,雨量则小,甚至无雨或干旱。此外,Walker的研究还指出干旱条件不仅袭击澳大利亚、印度尼西亚和印度,还会袭击非洲的次撒哈拉沙漠地带,与此同时,加拿大 则可能出现暖冬。

  由于Walker用图点出了一年中不同时段两地气压差之间的时间滞后相关性,他认为这些 观测结果也可以用于一些地区的长期天气预报。 尽管Walker 很有洞察力和远见,但他却不能识别南方 涛动的物理机制。后来的三十年,由于各方面的因素,对南方涛动的深入研究跌入低谷。其中最主要的是 在1930年到1950年之间, 表征厄尔尼诺和南方涛动的气候信号较以前异常不明 显,人们的研究热情随之降低。而在1957年由于气候、科学和国际政治方面的事件同时爆发,又掀起了此 项研究的热潮。

  那一年,前苏联发射了第一颗人造卫星Sputnik,这对整个西方的各种科 学研究起到了一个明显的推动作用。这时,一次大的厄尔尼诺事件爆发了。虽然这是一次强事件,却很可 能没有受到足够的关注便结束了。意外的是1957年恰好被确定为国际地球物理年,这一年各个国家的科学 家一起合作以提高对固体地球、海洋、大气的实际认识。结果是全世界科学家们对地球开展了全面的观测 。他们不仅收集了大气观测资料,而且还有整个太平洋的海表温度资料,这在Gilbert Walker 的时代都 是无法实现的。二十世纪五十年代,一些科学家注意到秘鲁沿岸高的海表温度与热带太平洋气压的微小差 异有关联。事实上,1959年,Scripps海洋研究所的科学家召集一批学者讨论了这种现象。

  然而,直到六 十年代,洛杉矶加州大学的气象学家Jacob Bjerknes 才指出了Walker 的南方涛动与厄尔尼诺之间的联系 机制。 从在挪威算起,Jacob Bjerknes研究大气已经有几十年了。第一次世界大战时,他与父亲 Vihelm Bjerknes一起工作。老Bjerknes是气象界的老前辈,他创造了“锋面”一词,用来描述冷暖空气 相遇并产生暴风雨的分界面。他认为天气预报不仅需要全球大气资料,还需要较好地了解大气的一个状态 是从另一个状态演变而来这个规律。数十年后,他的儿子在美国为这个思想做出了重要的贡献。

  Jacob Bjerknes的洞察力主要表现在他看出了大气和海洋的相互作用对风场、降雨、和天气的其它方面有重要的 影响。Bjerknes 描述出了一个位于太平洋上空的环流圈,将之称为Walker 环流。他认为这种环流模式与 东西太平洋的海表温度差异有关,温度的差异导致两处产生气压差。 东太平洋上的冷空气密度高,水 汽无法上升成云致雨,使得秘鲁和厄瓜多尔的一部分地区变成沙漠。沙漠始于远离海岸的地区,高密度的 冷空气使该地有效地形成高压带。东部的高压和西部暖水上空的低压(在Gilbert Walker 理论中提到的 气压差)使空气向西移动,产生并加强了赤道信风。风在向西太平洋吹的过程中,携带着海洋上的水汽; 暖湿空气上升凝结形成丰富的季风雨,养育了新几内亚和印度尼西亚的丛林。 Bjerknes认为在厄尔尼诺 条件时,秘鲁北部沿岸的海水温度比正常高,气压降低,东西部气压的差异减弱,于是信风也减弱。随着 信风衰弱,暖湿空气到不了西太平洋,只能在中太平洋上升,这样有效地窃走了本该降在印度尼西亚附近 的季风雨,孕育了侵袭南、北美西海岸的暴风雨。

  大气科学家们目前希望利用计算机能确定 Bjerknes的观点是否具有预报能力。二十世纪五十年代初,数值计算机的主要发明家之一,数学家John von Neumann在新泽西州的普林斯顿大学前沿学科研究所领导了一批科学家,首先就在利用计算机模式开 发天气预报方面做了一些尝试。一直到七十年代,研究者们利用计算机构造大气环流模式(AGCM

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