揭开汛期降水变化的奥秘:厄尔尼诺回响曲

作者: 谢尚平、马静

来源: 科技导报

发布日期: 2016-07-06

本文介绍了厄尔尼诺现象对中国汛期降水的影响,回顾了气候预测的发展历程,探讨了气候变化的机制和挑战,强调了气象预报在防灾减灾中的重要性。

据中国气象局,今年入汛以来,南方出现20次区域性暴雨过程,为历史同期最多。入汛早、暴雨多等,加剧了大面积的洪涝灾害。这与刚结束的超强厄尔尼诺事件紧密相关。20世纪中国长江流域3次特大洪涝均发生在厄尔尼诺事件的次年夏季。2015年发生的超强厄尔尼诺事件会给2016年中国的汛期降水带来怎样的影响呢?

本文介绍了短期气候预测的科学原理,回顾了人们对气候变化机理的探索历程,总结了汛期降水预测取得的最新进展和面临的挑战。

中国地处亚洲季风区,年降雨总量自东南向西北逐渐减少,降水时段主要集中在夏季,持续性强降水乃至洪涝灾害的发生与东亚夏季风的变化密切相关。

近百年来,中国发生过多次严重洪涝灾害:1954年长江、淮河流域发生洪涝,死亡3万余人;1983年夏季,长江、汉江等流域发生严重洪涝,导致夏粮严重减产;1998年长江、嫩江、松花江、珠江等流域发生特大洪水,全国受灾面积达3亿多亩,直接经济损失高达2500亿元。因此,气象预报直接关系人民福祉,准确的预报能够有效减免人员伤亡和经济损失。

人类在风暴、洪涝等恶劣天气气候现象中生活,懂得了敬畏自然,也心怀认识自然、趋利避害的愿景。正确认识并预测天气气候现象自古以来就是我们的迫切需求和殷切向往,在安阳殷墟出土的甲骨文上就已记载了求雨的卜辞和风、云、雨、雪、雹、虹、雷电等天气现象。天气谚语、二十四节气和七十二候等在中国的史料中也都有丰富的记载。

二十四节气从两汉时期一直沿用至今,是我国古代订立的用于指导农事的补充历法,主要依据太阳在黄道上的位置进行划分。从气候研究的角度看,它是古代人民对年循环、季节变化的经验总结,是对气候平均态的朴素认识。然而古语有云:“天有不测风云”,天气气候最大的特点就是变化莫测,准确的预测不能仅依赖于经验,还需要对物理过程进行深入认识。

近百年来,气象学和海洋学取得了快速发展,人类对气候变化的规律有了一定的认识。时至今日,气候预测已开始业务化,并在防灾减灾中起着重要作用。本文介绍气候预测的基本原理,回望中国汛期降水研究的发展进程,并探讨厄尔尼诺对2016年汛期气候的影响。

19世纪,随着物理学的发展,人们认识到大气、海洋的运动和变化可以用流体力学和热力学方程描述,动力气象学逐步从流体力学中分离出来,形成一个独立的学科。

1904年,挪威学者Bjerknes提出数值天气预报的概念,认为它是一个数学初值问题:从大气初始状态对大气动力学方程组进行时间积分,即可以预测未来天气。1950年,在美国普林斯顿高等研究所,Charney借助世界首台电子计算机成功进行了第一次天气预报(其实是对过去一个天气过程的后报模拟)。第1次实时预报则在1954年瑞典斯德哥尔摩实现,这是世界上第1套业务化的数值天气预报模式。

中国在50年代也开始发展数值天气预报,并于50年代末成功制作了欧亚范围的形势预报。

2015年《Nature》杂志发表综述文章“The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction”,该文将数值天气预报的发展喻为一次寂静革命。目前,全球数值天气预报每天都在世界各地的业务预报中心运行,1~5天的预报已经相当准确。

降水、气温预报会告诉我们是否需要带雨伞、添加衣服;台风警报会告诉我们是否需要以及何时需要撤离;降水预报会告诉农民是否需要灌溉农田;风浪预报会告诉船只出海航行是否安全。气象信息已成为我们日常生活工作不可缺少的一部分。

既然对大气动力学方程组进行积分可以得到唯一确定的计算结果,那是否可以用这个方法无限制地准确预报将来的情境呢?

20世纪70年代,洛仑兹发现了现在人们熟知的蝴蝶效应,否定了无限制准确预报的可能。他发现,预测结果对初始条件具有极为敏感的依赖性,初始条件的极小偏差会引起结果的极大差异,正所谓“差之毫厘,谬以千里”。数值天气预报过程中噪音的非线性增长导致有效天气预报时限仅为两周,那么,1个季度之后的气候变化是否可以预测呢?气象预报可划分为3种类型:天气预报、短期气候预测和气候变化预估。

短期气候预测主要是指月、季、年时间尺度的气候预测,它和天气预报有明显的区别。天气预报的主体是可实际感受到的气象状态,而气候预测的对象则是一段时间的天气统计状态。人们出门穿什么衣服由天气决定,但是冬季和夏季分别要预备什么衣服则由当地气候决定。

1974年,世界气象组织和国际科学理事会提出“气候系统”的概念。这一概念的提出改变了天气预测的观念。

气候的变化除了受到大气自身因素的影响外,也会被大气以外的因素调控。海洋的热容量、密度均比空气大,大气变化快,记忆短,而海洋则变化慢、记忆长。因此,先前天气系统对后期天气系统的影响可以通过海洋来传递,海洋的这种记忆能力是突破洛伦兹混沌理论上限的重要依据。

洛伦兹指出的预测上限仅根据初始条件对大气圈的影响得到,而短期气候预测则依赖大气圈以外的气候系统成员的调制,如:海洋和耦合海气系统的低频变化,以及海冰、土壤条件、雪盖等的变化。混沌理论也指出,虽然混沌系统中的个别轨迹不可预测,但其统计特征的变化是可预测的。应用到短期气候预测中,虽然1个季节后的某个风暴何时形成、到达无法准确预报,但通过海表面温度等边界条件的缓慢变化,可以预测风暴的总体强度和位置。

因此,大气的底边界条件成为短期气候预测成败的关键。

在初始扰动中,海气耦合系统的正反馈作用会选择性地放大某个信号,这个被放大的信号又称为气候模态,是气候预测捕捉的对象。厄尔尼诺就是一个典型的气候模态。海陆气耦合系统的相互作用不仅包括变量之间的局地直接作用,也包括远距离的遥相关作用。遥相关作用能够把1个地区的可预测性传递到另一遥远地区。虽然厄尔尼诺发生在热带太平洋,但海气耦合遥相关可以把它的影响传送到遥远的亚洲大陆。

气候预测还要考虑大气内部变率,它是指没有海温等外强迫作用下大气自身的随机变化,与冷暖锋面、风暴等活跃的天气变化有关系。海洋等对大气的强迫作用和无规则的大气内部变率的关系可以用遛狗来进行类比。人可以控制整体的轨迹,而狗在主人周围跑动具有很大的不可预测的随机性,类似于内部变率的作用。可预测性随区域变化,在热带最强。热带的大气内部变率较低,海气耦合作用强,产生厄尔尼诺等可预测信号。

随着纬度的增加,内部变率增大,可预测信号经常被大气内部变率所掩盖。

近50年,科学界对短期气候变化的认识取得突破性的进展,发现了海洋慢变化的重要性,最终结晶于对厄尔尼诺现象的成功预报上。中国处于中纬度地区,大气内部变率的噪音大,加大了气候预测的难度。欧美科学家极少涉及东亚季风,在探索热带对东亚气候影响、寻找有效预报因子这一重大研究领域,中国科学家做出了开创性的贡献。

厄尔尼诺是西班牙语译音,原意圣婴,指发生在圣诞节前后南美秘鲁太平洋沿岸海水异常增暖的现象。20世纪初期,时任印度气象局局长的英国气象学家Walker发现,相隔万里的澳大利亚达尔文港与中南太平洋塔希提岛的海平面气压变化此起彼伏,呈现反相关,由此提出了南方涛动的概念。后来的几十年,南方涛动的研究陷入低潮。

直到1969年,美国学者小Bjerknes发现,海洋的厄尔尼诺变化其实是与大气的南方涛动紧密相连的,它们之间的相互作用产生正反馈效应,形成海气耦合振荡。人们现在将厄尔尼诺和南方涛动合称ENSO(El Niño-Southern Oscillation),ENSO研究促进了海洋科学与大气科学研究的革命性融合,开启了海气耦合动力学的新篇章。

200多年前,电和磁被认为是完全不同的现象。

1831年法拉第的电磁感应实验揭示了他们之间的相互作用,1865年麦克斯韦基于实验结果建立的电磁耦合方程预测了电磁波的存在。ENSO研究的发展与电磁波的发现有相似之处,1969年小Bjerknes将似乎无关、相隔万里的海洋厄尔尼诺现象和大气南方涛动视为耦合系统,这彻底改变了人们对气候变化的认识。与电磁波渗透于现代社会的每一个角落一样,厄尔尼诺的影响也遍布世界各地,是短期气候预测最主要的预报因子。

厄尔尼诺对环赤道太平洋地区的气候影响最为显著。在厄尔尼诺年,从赤道中太平洋到南美西岸多雨,而太平洋西部(印度尼西亚、澳大利亚等)则出现干旱。印度尼西亚的干旱容易引发森林大火,继而给当地乃至邻国马来西亚、新加坡等国家带来严重的烟霾天气,对民众健康、公共交通等造成极大影响。据报道,2015年的强厄尔尼诺事件中,印尼有超过13.5万人感染呼吸道疾病,民航航班大面积延误,学校停课。

从16世纪到21世纪的400多年时间里,智利的阿塔卡玛沙漠没有一丝雨水滴落,被称为“全世界最干的地方”,美国航空航天局(NASA)还曾将这里模拟成火星来做探测器试验。而在2015年10月,这片沙漠天降甘霖,浇灌了沉睡在地下多年的种子,使得贫瘠的土地很快成为花海,厄尔尼诺效应在这里一览无余。

1986年,美国学者Cane等借助简化的海洋大气耦合数值模式,首次成功预测了该年的厄尔尼诺事件。此后,人们又发展了统计模式和更加精确的海气耦合环流模式(也叫气候模式)。目前,这些模式能比较准确地预测厄尔尼诺事件的爆发与演变,以此为基础的短期气候预测已成为世界各地气象部门的常规业务,为各国经济等多方面活动服务。

尽管厄尔尼诺是发生在热带太平洋的局地海温异常现象,但它对气候的影响却是全球性的。

1981年,欧美科学家发现,厄尔尼诺发生的冬季,暖海水能够通过激发大气波列影响北美地区的气候,由此加强的西风急流为加利福尼亚州带来更多降水;厄尔尼诺次年夏季,西北太平洋上台风的生成数量明显减少,中国华南地区出现高温,东北则受到低温冷害影响。日本同样受到厄尔尼诺现象的影响,最典型的例子是1993年夏季的极端低温和多雨导致水稻严重减产,迫使日本开放了中国的大米市场。

20世纪,中国长江流域3次特大洪涝均发生在厄尔尼诺事件的衰减期。1953/1954年的厄尔尼诺事件使得1954年长江、淮河流域发生严重洪涝;1982/1983年的超强厄尔尼诺事件导致1983年6—7月长江中下游地区出现持续性暴雨,长江许多测站水位达历史最高;1997年发生的厄尔尼诺事件造成1998年夏季长江流域发生多次持续性暴雨,引发了特大洪涝灾害,黑龙江、嫩江和松花江也全线告急。

厄尔尼诺次年,北印度洋在西太反气旋发展中的作用类似于电容器效应,即厄尔尼诺盛期为印度洋“充电”,印度洋在夏季“放电”,影响西太反气旋。异常反气旋环流西侧的偏南气流能够加强孟加拉湾和南海上空水汽的向北输送,从而使得长江流域的梅雨维持时间较长,导致长江流域夏季经常发生持续性暴雨和洪涝灾害。

结束语:每个人的童年都对奇妙多变的天空、广袤神秘的大海充满了疑问和幻想:谁在雨后的蓝天上挂起了彩虹,又是谁点燃了热烈的晚霞。自然揽尽柔情之美、刚毅之气,也尽显摧枯之功、拉朽之力,深深震撼我们的心灵。历史的车轮滚滚向前,探索自然却是我们永恒的追求。气候研究的发展带动了观测方法、理论研究以及数值模拟的不断革新。

与天气预报一样,短期气候预测是自然科学谱写的又一光辉篇章,这可以追溯到大航海时代的对大气海洋的观测记录,1757年欧拉推导的流体力学方程组,以及1950年Charney在普林斯顿小镇上实现的数值天气预报。全球变暖在空间上是不均匀的,会驱动大气环流变化来影响区域气候,引发区域性极端气候事件。研究表明,全球变暖下热浪事件会普遍增加。

其他应对气候变化的重要科学问题包括:中国降水分布未来将会发生什么样的变化?登陆台风又会如何变化?

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