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端午节快乐，吃粽子，读离骚，读厄尔尼诺 我们和厄尔尼诺的那些事 看看我们怎样把那支迷人的秘鲁沿岸流变成 一个全球气候灾害 S. George Philander 普林斯顿大学出版社 前 言 （张玮玮） 第一部分：厄尔尼诺是谁？（璞冰） 1. 多变的性格/ 2. 坠落的天使/ 3. 我们的概念/ 4. 一个媒人 第二部分：我们的困境（张玮玮） 5. 两种不相容的文化/ 6. “小”科学，“大”科学 第三部分：共同点（王金博） 7. 画家的视角/ 8. 诗人的视角/ 9. 音乐家的视角/ 10. “硬科学”和“软科学”的联姻/ 11. 云 第四部分：科学简史（符娇兰） 12. 预报天气/ 13. 大气环流研究/ 14. 海洋探索/ 15.协调关于厄尔尼诺的各家之说/ 16. 从长期的地质学角度看问题 第五部分：应对灾难（张云涛） 17. 印度的饥荒/ 18. 秘鲁的渔业/ 19.津巴布韦的干旱 后 记：成为地球的监护人（郭春蕊） 原文引用的文学作品、备注、参考文献（朱江） 璞 冰，北京大学大气与海洋科学系2004级研究生，美国康奈尔大学2007级博士，现在普林斯顿大学-NOAA的GFDL工作 张玮玮，北京大学大气与海洋科学系2004级研究生，美国特拉华大学2010级博士在读 王金博，北京大学大气与海洋科学系2002级研究生，美国MIT/WHOI 2005级博士，现在JPL工作 符娇兰，北京大学大气与海洋科学系2004级博士 郭春蕊，北京大学大气与海洋科学系2006级博士 张云涛，北京大学大气与海洋科学系2005级硕士 朱 江，北京大学大气与海洋科学系2009级研究生，美国威斯康辛-麦迪逊大学2011级博士在读 第 四 章 一个媒人 (II) 对立相吸。 ――无名氏 大气科学与海洋科学的结合对二者都大有裨益。可惜人们才刚刚认识到这一点，而且还是在经历了许多次的对长期气候变化预测的失败之后才知道的。对于长期预报的努力早在十九世纪就开始了，例如在印度，对于季风的一次失败预测就可能导致可怕的饥荒。为了应对这样的灾难，当局把季风预报看作是一件非常重要的事。在1899年的大饥荒过后，一位剑桥大学的多才多艺的年轻数学家吉尔伯特·沃克（Gilbert Walker）被委任了发展季风预报方法的重任。那时对季风还没有任何科学上的理解，能够为沃克提供引导。于是他听从了当时科学杂志《自然》的主编，著名的诺曼·洛克耶（Norman Lockyer）的建议：
很肯定的说，气象学，就像天文学一样，需要探究事物的周期，如果在温带找不到答案，就去寒带找，或者去热带找。如果找到了，不管用何种方法，首先要坚持抓住它，研究它，记录它，看它到底意味着什么。
沃克开始通过用统计的方法分析全球的气象数据，以寻求某种“型态”，寻找各种有趣的巧合。（一位到过他在西姆拉（Simla）办公室的客人形容说：办公室里有成排成排的“鸽子洞”，存放他的结果。）沃克就是这样发现了南方涛动，一种涉及到横跨热带太平洋和印度洋的气团来回运动的大尺度连贯的振动――“当太平洋气压高时，从非洲到澳大利亚的印度洋会气压偏低”，反之亦然。当热带西太平洋上空的暖湿空气向着南美向东涌进时，印度的季风降水会很少；湿空气返回向西时，印度次大陆通常会降水丰富。（一个完整的循环持续时间在四年左右，但振荡可能会很不规律。）虽然沃克提出的南方涛动是一个重要的贡献，但他既不能解释这个现象，又不能把他的结果转化为对季风的预报，部分原因是由于他缺少一个关键的线索。他的工作差点被湮没，直到1957年那条线索才有了眉目，这一年是我们与厄尔尼诺的一个幸运年。 直到1957年，我们还始终把厄尔尼诺看作是一个区域性现象，只限于厄瓜多尔和秘鲁沿岸。我们通过收集过去几个世纪以来在太平洋上航行的船只所记录的数据而获得了这种印象。从这些海洋数据我们了解到，沿着赤道太平洋西部直到国际日期变更线附近总的来说是暖的，而南美沿岸是冷水，在厄尔尼诺偶然拜访的期间，东部会暂时出现暖水。我们一直忽视了这种暖水的空间影响范围，因为单个研究船和商船的测量对海洋情况的时间或周期性变化提供的信息很少。没有数据能够显示其他的东西，我们就认为厄尔尼诺是发生在南美西岸零星的区域性的气候奇妙现象。 当厄尔尼诺再次出现在1957年时，我们改变了对它的看法。那一年正好是国际地球物理年（IGY），来自67个国家的科学家参与了我们这个星球上有史以来最大的一次国际合作观测研究。IGY期间所得到的测量数据揭示这期间的暖水向西扩展了数千英里，从秘鲁和厄瓜多尔沿岸向东穿越了整个海盆。这个令人吃惊的现象引起了雅克比·比雅克尼斯（Jacob Bjerknes）教授的注意。这位我们对厄尔尼诺感情故事中的主角立即意识到这样大范围的海温变化一定会对大气产生深远的影响。比雅克尼斯认识到在厄尔尼诺和差不多要被遗忘的沃克南方涛动之间，肯定有某种联系。 帝国的需要让吉尔伯特·沃克不远千里从大不列颠来到印度，在那里他发现了南方涛动。二战的恐怖迫使挪威气象学家比雅克尼斯留在了美国，1940年他恰好在美国进行一个延期访问。比雅克尼斯发觉自己在德国入侵挪威后变得进退两难了。于是他加入了加州大学洛杉机分校，在那儿他为美国空军气象员建立了一个培训学校。在二十世纪五十年代，他在“美洲国家间热带金枪鱼委员会”的资助下开始研究厄尔尼诺。当比雅克尼斯把注意力转向这一现象时，他已经是一个杰出的成果累累的气象学家了。（作为著名的挪威气象学家之子，一战之后不久，比雅克尼斯就很快以研究高纬度天气动力过程的先驱著称。）当1957年专门的仪器测量数据揭示与厄尔尼诺相关的增暖不只局限在秘鲁沿岸而是扩展到整个太平洋时，比雅克尼斯立即认识到如果这种增暖在每次厄尔尼诺来访时面积都是如此之大，那就很容易解释沃克的南方涛动了，因为地表的温度型态决定了气候。在低纬度最暖的区域，湿空气自然抬升形成高耸的积云，提供局地充足的降水。在高空，排干了水汽的空气向云外流出，在地面温度较低的区域下沉。因此，热带太平洋较暖的地方水汽充足，而较冷的地方降水少。在厄尔尼诺来临前暴雨和暖水区只局限在太平洋以西，但是在厄尔尼诺现象出现时，降水区域向东移到南美海岸，在厄尔尼诺结束后又向西回撤。沃克的南方涛动，热带太平洋上气团在东西向连续不断的振荡就是热带东太平洋海面温度变化的结果。 海面温度变化导致了南方涛动，但又是什么导致了海温的变化呢？为什么东太平洋的海水在厄尔尼诺期间变暖而平时却是冷的呢？热带地区的决定因子并不是海洋表面的热通量（高纬是这样的），而是风。风的振动――信风在厄尔尼诺期间松弛（变弱），在正常年份较强――能导致这些观测到的太平洋温度年际变化。这些风的变化，以及前面提到的降雨带的漂移，组成了南方涛动的各个方面。这意味着海面温度的变化既是南方涛动的原因，又是其结果。从这个循环论证，比雅克尼斯推断这个现象（南方涛动）和厄尔尼诺是大气－海洋相互作用的产物。 1957年的厄尔尼诺是“神的一次显灵”。原以为是区域性的、无关的大气和海洋现象，突然合为一体，长成一个惊人的巨人覆盖了整个热带太平洋。人们逐渐明白，厄尔尼诺只是连续振荡的南方涛动的一个位相，而南方涛动可以影响全球大部地区，其起源于整个热带太平洋地区的海洋－大气相互作用。仅仅依靠几组稀少的观测数据，比雅克尼斯凭着定性的推理得到这些真知灼见。他的结论要站得住脚，还需要对大气和海洋进行相当详细地观测和理论研究，特别是为了理解和预测厄尔尼诺甚或季风。 比雅克尼斯关于厄尔尼诺和南方涛动的开创性的工作，为如何融合各种研究提供了一幅蓝图。到上世纪八十年代，比雅克尼斯的许多猜想都被证实了。但是对厄尔尼诺研究的直接推动最初并不是因为比雅克尼斯在六十年代发表的研究结果，而是因为苏联人造卫星Sputnik上天所带来的政治发展。1957年真是个幸运年。 美国科学家们最先提出把一颗卫星放到绕地球轨道上来作为对国际地球物理年的献礼，但是他们遇到困难从而被延误了。结果，在1957年10月，前苏联成功发射了Sputnik――人类第一颗绕地球运行的人造卫星。美国科学家，和所有西方人一样，感到震惊和沮丧。美国怎么能够在科学上落后于苏联呢？这种忧虑给科学带来了好运。大气科学尤其是海洋科学受益匪浅，人造卫星是观测我们星球和大气的一个绝妙的平台。（极轨卫星每90分钟绕地球一圈；静止卫星始终固定在赤道上空某点。）安装在这样平台上的仪器能够毫无困难的穿过大气“看到”地球表面，尽管无法“看到”海表之下。在Sputnik之后，由于携带核武器的潜艇能够有效的隐藏在海表之下，海洋的军事重要性显著上升。需要更多地了解海洋状况，特别是这些状况的变率，导致海洋学家得到了巨大的资源。 传统上海洋学家利用单独的观测船在全球不同地方仅能做些相对短暂的探索。他们这样当然可以研究那些被认为是“永恒不变”的现象，诸如墨西哥湾流，但是他们没有任何这些洋流变率的信息。海洋学家一直关注的是海洋环流的主要特征，直到1953年，他们偶然发现了赤道潜流才动摇了他们关注的焦点。这支引人注目的次表层向东急流，与海面盛行风向相反，在强度和输送量上几乎与墨西哥湾流相当，像一条缎带一样横跨在广袤的热带太平洋上，精确地标志了赤道的位置。关于这条洋流的解释，在1957年仍争论不休，在1959年的一次学术讨论会的通知上可以看出（图4.2）。
在Sputnik上天之后，海洋学上令人兴奋的发现一个接着一个，这是因为卫星带来一个的重要副产品：研究大气和海洋的国际计划大大增加了。1957年的国际地球物理年之前的国际极地年是1882和1932年，之间相隔了50年。但是在1957年后，包括许多研究机构和国家诸如苏联、美国的诸如此类的计划大大增多。这些研究地球不同区域的合作努力被认为有助于缓和冷战时期的紧张气氛。当林登·约翰逊（Lyndon Johnson）总统提出二十世纪七十年代是“国际海洋探索十年”（IDOE）时，他引用了郎费罗（Long fellow）的诗（“昏暗深邃的海洋――曾经是一道鸿沟――团结了全人类”）并表达了通过海洋探索促进国家之间和平合作的愿望。类似的情感推动了大气科学家发起了一个庞大的“全球大气研究计划”(GARP)，与海洋学家紧密合作，在联合国的一个机构――世界气象组织的支持下运作。 大型的合作项目使海洋学家们能够把他们的研究焦点从海洋“气候”扩展到海洋“天气”。这个新的兴趣把海洋学家放到了一个不寻常的位置，与大气科学家所经历的非常不同。描述大气情况变化的气象学数据已经收集了很长时间，因为对天气的兴趣，各地总有一些对气象爱好者作一些常规观测。（几位早期的美国总统都保留了天气日志，杰斐逊（Jefferson）坚持了50年，最早从1777年开始。）1843年电报的发明使得气象观测网得以极大扩展，使得20世纪初在印度的沃克和一战时挪威的比雅克尼斯都能够拿到大量的气象数据来验证和指导他们关于天气和气候的想法。与此相反，海洋学家一直几乎没有关于洋流变率的信息，直到二十世纪六十年代他们才开始计划大型的项目来研究这种变率。有限的资源和逻辑上的局限性――研究船在海洋停留的时间，或者仪器留在海洋上无人照管的时间都很短――意味着广阔海洋只有很少部分能被观测到，只有这部分海洋的时间变化才能得到研究。到底应该关注哪些海域呢？这些区域观测仪器应该怎样布列呢？ 因为诸如此类的问题，很多理论学家加入到海洋学家队伍中来了，他们喜欢用数学来描述海洋运动。对于他们而言，海洋和大气有显著的共同之处――它们都是旋转的固体地球上的层结流体。（在麻省理工学院，一些学生把海洋称为“湿空气”。）最初，这些海洋学家群体中的新成员――他们没有参与过任何观测数据的获取――创造出了高度理想化的数学海洋模型。这些模型给出“梦幻般”美妙的结果，看似与现实没有一点联系。然而，他们关于赤道附近波和流的思想很快被证明与厄尔尼诺期间热带太平洋异常暖水的出现密切相关。而且，科学家们认识到他们对于某个海洋过程（及厄尔尼诺）的理解可以不必受限于太平洋。 三个不同的热带海洋就象三个不同的实验室一样，人们可以分别研究不同的因子如何影响海洋以及海洋对风如何响应。这三个大洋盆，虽然每个都有错综复杂的冷水和暖水，向东和向西、表面和次表层的洋流，但彼此有显著的不同。太平洋和大西洋的尺度有巨大差别，因而在季节循环和年际变化上表现不同。大西洋和印度洋在尺度上是可比的，但是热带大西洋盛行的是平缓变化的向西吹的信风，而印度洋上的季风经常有突然变化。三个大洋上这些看似不同的现象都遵循共同的基本规律，并且都能够用模式真实的模拟出来，理论学家们由此树立了对自己模式的信心。 （璞冰译，杨海军校） 未完待续。。。 |
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