互动科普

美国90%以上的西红柿、西兰花和杏仁等作物都种植在加利福尼亚州，而这些农作物需要大量的水来灌溉。加利福尼亚州的降水主要集中在冬季，由于此前4个冬季降水稀少，因此在2015年春季，该州处于严重的干旱状态，水库水位远低于其容水量，地下水被过量开采。作为春夏季重要水源的高山积雪融水在很多地区也几乎融化殆尽。 

当美国大气和海洋管理局（NOAA）宣布厄尔尼诺正在太平洋上形成时，加利福尼亚州的农民和居民们都为之一振。因为过往的经验告诉他们，厄尔尼诺会给他们的土地带来丰沛的降水。

厄尔尼诺是热带太平洋表层海水冷暖循环变化中变暖的部分。这个循环通常3~7年发生一次，变冷的部分叫做拉尼娜。厄尔尼诺和拉尼娜通常都会持续半年到一年时间。当厄尔尼诺发生时，温暖的海水会加热上方的大气，进而改变全球大气环流特征。我任职的、从事气候研究的机构NOAA通常可以在厄尔尼诺或拉尼娜到来之前预测它们对全球天气的影响在什么时候达到最大。

加利福尼亚人的期待很高，但事实上，每次厄尔尼诺带来的影响却不尽相同。自1950年NOAA开始监测厄尔尼诺以来，共有20次厄尔尼诺事件发生，其中只有半数情况下，加利福尼亚雨季（12月至次年2月）的降水量超过平均值。有时，厄尔尼诺带来的影响还与人们的预期相反。预报员已经可以很好地预报厄尔尼诺和拉尼娜将如何发展、演变，但难以确定它们会对区域天气产生何种影响。

2015年初，正当干旱愈演愈烈时，预报员们面临着几个严峻而紧迫的问题：这次厄尔尼诺的强度有多大？能不能拯救加利福尼亚？会不会和以往的一些厄尔尼诺一样，增强太平洋的飓风、削弱大西洋的飓风，炙烤澳大利亚，给印度尼西亚的森林火灾火上浇油，或是让美国东北地区的这个冬天消失？最重要的是，这一次的影响能否被预测？

这些问题的答案将极大地帮助农民、灾害管理人员和普通民众做好应对极端天气的准备，为此研究人员尽其所能收集相关数据。但是当这次超强厄尔尼诺真正来临时，我们才意识到它狡猾的一面。

2015年3月：厄尔尼诺来了

厄尔尼诺的早期信号在海面以下初露端倪。热带太平洋上的风通常由东向西吹，正是依靠这种被称为信风的稳定海风，帆船可以横跨太平洋航行。信风使得热带中东太平洋的表面海水变得稍冷一些，同时让暖水向西太平洋堆积。信风有时会减弱，使得西太平洋温暖的海水沿着赤道向南美大陆缓慢折返，该过程通常会持续数月。这样的变化会启动一次厄尔尼诺事件，或是让已经开始的厄尔尼诺变得更强。

在包括我在内的气象学家看来，2015年出现的厄尔尼诺会是很强的一次。过去几个月，我们发现热带太平洋海表温度变得比历史平均值高，包括我们认为最重要的指标区域——太平洋中部的Niño 3.4区（见上页地图）。事实上，厄尔尼诺是一个海洋－大气耦合现象在海洋上的表现，这个耦合现象叫做厄尔尼诺－南方涛动。因此，我们也在实时监测大气对海洋温度变化的响应。

海水温度只要比正常年份高1~2℃就会多容纳巨额的能量，这些能量会加热海面上方的空气，使得大气与海洋成为相互影响的耦合系统。厄尔尼诺发生时，中东太平洋的暖海水会像引擎一样，引发对沃克环流（见上页图文）的影响。随着暖湿空气的上升，中心向东偏移，海面风减弱，有时风向甚至会逆转为西风。大气对于海温变化的这种响应叫做南方涛动，它的存在使得厄尔尼诺得以维持并加强。

到了3月份，热带太平洋变暖的影响已经扎根：沃克环流正在减弱，我们也观测到了热带太平洋上方西风的爆发，它会使海表暖水向东移动。热带太平洋的暖水深度增加，使得海洋和大气的耦合作用增强。NOAA在12个月的监测之后正式宣布：厄尔尼诺来了。

2015年5月：逐渐清晰

到了5月，NOAA认为，这次厄尔尼诺将持续到夏季结束的可能性高达90%，持续到年末的可能性也有80%。NOAA对他们的预测信心十足，因为4月份的热带太平洋海表温度持续高于平均水平。在海洋表层以下，直至300米深的次表层海水同样偏暖。与此同时，大气的响应也在加强。

但是，这次厄尔尼诺会对天气造成什么样的影响？加利福尼亚州的情况又会怎样？厄尔尼诺对气温和降水的影响在初冬时最为显著，现在距离那时还有半年。但是一些迹象表明，这次厄尔尼诺的影响将与之前的强厄尔尼诺相仿。干旱和热浪侵袭澳大利亚（这里正在入冬）。西太平洋热带气旋正呼啸而来，5月份已有7个已命名的风暴出现，而历史平均值只有2个。

2015年7月：几成定局

进入7月份，几乎所有计算机模式的预报结果都趋于一致，海洋和大气也朝着之前预想的方向变化。厄尔尼诺完全形成，预报员确信它会变得非常强大。Niño 3.4区的3个月平均海表温度预计会接近历史最高值，比肩历史最强的两次厄尔尼诺（1997-1998年及1982-1983年）。

经历过1997-1998年厄尔尼诺的南加州人正准备迎接风暴和巨浪。1982-1983年和1997-1998年两次厄尔尼诺期间，副热带急流——一支从西向东穿过美国并影响天气的高空气流——受冬季天气的影响向南偏至南加州。强大的风暴裹挟着来自暖水区的水汽，给所到之处带来强烈的降水，灌满了大大小小的水库，也使得被降水浸透的海岸时有滑坡发生。

农民和当地居民希望这次厄尔尼诺可以在12月之前带来丰沛的降水。预报员认为， 在接下来的冬季，南加州和墨西哥湾的降水量在历史同期的排名处于前三分之一的可能性有60%。这些预报都是基于对厄尔尼诺等不同信号的监测，并将监测结果与历史趋势进行比较，从而判断出现某些现象的可能性。

2015年10月：意料之外的风

到了10月份，加利福尼亚人热切期盼降水的到来。厄尔尼诺的峰值即将来临，但这时，意料之外的事情发生了。对保持高海温至关重要的海面风并没有像以往的强厄尔尼诺中那样迅速减弱。比如在1997-1998年的厄尔尼诺中，海面风减弱，方向甚至出现逆转，10月至11月时风向转为自西向东，使更多的暖水从西太平洋移动到中太平洋，厄尔尼诺进一步增强。

我们总会认为同一类事情都会朝同样的结果发展，但是自然界中变化无处不在。在北加州沿岸，强厄尔尼诺年冬季的平均降雨天数为40天，而在非厄尔尼诺年，这个数字只有26天。但在1965年冬天，虽然当时的厄尔尼诺强度可以排进有记录以来的前6名，但北加州沿岸的降水天数反而少于正常情况。我们还需要了解全球变暖是否会对厄尔尼诺造成影响。如果的确如此，预测厄尔尼诺造成的影响会变得更加困难。

2016年1月：多事之冬

到1月份，厄尔尼诺已经创造一系列惊人的数字。2015年12月，Niño 3.4指数超过平均值2.32℃，打破了历史同期记录：1997年12月的2.24℃。对尼尔尼诺的考量一般是基于季节尺度的，因此我们真正关注的是三个月平均的海表温度异常值。从2015年10月到12月，异常值达到2.3℃，与1997年并列第一。

在加利福尼亚州以外的地区，厄尔尼诺的影响都在意料之中。非洲东部在短雨季（10月至12月）期间降水偏多，非洲南部的干旱仍在延续。乌拉圭、巴西南部和巴拉圭雨水丰沛，南美洲北部则遭遇了干旱。

在澳大利亚，厄尔尼诺的典型影响是7月至12月间的大面积干旱，但在2015年，除了东部部分地区，澳大利亚各地的降水并没有明显减少。这或许是因为，印度洋创纪录的高海温起到了相反的作用。由于气候系统由很多动态的部分组成，因此人们无法确保预期中的影响一定会出现。

而在美国东北部，暖冬如期而至。我在NOAA的同事——气象学家米歇尔·勒赫（Michelle L'Heureux）在她的博客中写道：“我们一大家子人第一次在我姑姑在华盛顿特区的户外天台上交换圣诞礼物，我们丢掉热苹果汁喝起了热带饮料，穿着T恤和凉拖，带着狗一起玩。”

就像在澳大利亚一样，厄尔尼诺不是造成华盛顿特区天气异常的唯一因素。北极涛动（环绕北极的极地大气涡旋）在同一时期进入强盛状态。在前几年冬季，极地涡旋较弱，这时冷空气能够涌入美国。但在去年12月到今年1月期间，极地涡旋增强，将冷空气困在北方，因此美国南部的暖空气可以向北移动。

除厄尔尼诺以外，另一些海洋大气现象也可以影响全球部分地区的天气，其中之一是季节内振荡（Madden-Julian Oscillation），这是一个沿着赤道东移的风暴区，可以持续数周，在其所经之处，厄尔尼诺的影响可能增强，也可能被削弱。但正如我在1月时写的那样：“对于季节内振荡与厄尔尼诺如何彼此增强或者削弱，目前仍然存在争议”。

另一个现象是太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation），它描述的是北太平洋东西部海表温度差的正负关系，从一个状态变换到另一个状态通常要经历15年或者更久。上述所有现象会相互影响。当然，气候变化是一个不确定因素，可能对这些现象造成不可预知的影响。

勒赫经历的温暖圣诞节，以及整个北美东部极为温暖的11月和12月，似乎是厄尔尼诺、北极附近被禁锢的冷空气以及活跃的季节内振荡共同导致的结果。尽管日报头条和电视上的天气预报员都声明是厄尔尼诺导致了这些极端天气，但我们不能指着一次风暴、寒潮或者热浪说：“这就是厄尔尼诺”。厄尔尼诺影响气候的背景态，因此我们可以说，造成一系列天气事件的部分原因是厄尔尼诺，但无法将单独的事件归因于它。

加利福尼亚人希望通过厄尔尼诺缓解干旱的算盘很快落空了。在北加州，12月和1月上旬的降水量超过平均值，但南加州的降水量只与平均值相近。来自太平洋的一系列风暴在1月的最后3天才姗姗来迟，一条从赤道地区直指美国西海岸的大气河将水汽传递到北美，给内华达山脉带来了可观的降雪，等到春天积雪融化时，旱情可以得到一定的缓解。

“当然，仅仅一个多雨的月份不足以缓解旱情。”另一位NOAA的同事——汤姆·迪·利贝托（Tom Di Liberto）在气候博客中写道，“尽管加利福尼亚州内陆一些区域和北加州的降水量超过平均值，但是南加州——包括从圣巴巴拉到圣迭戈这一段人口稠密的沿海走廊，降水量比正常值低75%。”他指出，只有频发强降雨才能使旱情在今年恢复正常，更不用说填补自2011年开始持续至今的水库和地下水水位下降。

一次强厄尔尼诺事件也不能保证加利福尼亚州拥有充沛的降水，只是可能让相应区域的冬季的湿度更高一点。

在经历了一个暖和的圣诞节之后，暴雪在今年1月份袭击了美国东海岸，美国国会被迫关闭两天。异常的天气再一次发生。在大量的宣传下，公众已经对厄尔尼诺十分熟悉，但这一次，我们同样不能将一次独立的风暴事件，尤其是如此复杂的东北风暴完全归因于厄尔尼诺。尽管在华盛顿特区最强的10次暴风雪中，至少6次发生在厄尔尼诺年，但是2016年的暴风雪是许多因素共同作用的结果，包括一次寒潮、为暴风雪提供水汽的暖大西洋海水以及一个强锋面系统。厄尔尼诺的印迹可能在这些因素中显现，但我们很难将其分割出来。在厄尔尼诺期间，副热带急流引导风暴穿越墨西哥湾沿岸各州、乔治亚州、南卡罗来纳州以及北卡罗来纳州，但是它们通常会从马里兰州和弗吉尼亚州南部的大西洋离开。在今年2月的风暴期间，急流的位置更加偏北，来到华盛顿特区，这在厄尔尼诺期间并不常见，但也并非闻所未闻。

2016年3月：三次最强事件

截止到3月份，我们对大众媒体上这样的报道已经习以为常：全世界正在经历史上最强的厄尔尼诺。我们得到这次厄尔尼诺事件的完整数据，因而可以与此前两次最强的厄尔尼诺（1982-1983年和1997-1998年）进行比较。这次厄尔尼诺被认为是1950年以来最强的三次厄尔尼诺之一，但因为对强度的测量标准不同，很难给它们排出名次来。

在NOAA，我们主要用海洋Niño指数来衡量厄尔尼诺强度，它显示的是Niño 3.4区3个月平均海表温度相对历史平均值的偏离。从2015年11月到2016年1月，该数值为2.3℃，与1997-1998年相同。我们也关注海洋的其他区域，包括东太平洋（1997-1998年更暖）以及西太平洋（2015-2016年更暖）。除了海水温度，我们同样关注厄尔尼诺－南方涛动的另一方面——大气对海洋温度的响应。总体上，1997-1998年的大气响应比2015-2016年更强。

在这三次强厄尔尼诺中，冬季的天气和气候有很多相似之处，但也有一些引人注目的例外（见上方图文）。其中一个例外是，加利福尼亚州的降水绝大多数分布在北部而非南部，这与以往的强厄尔尼诺事件大相径庭。气候研究人员需要花费数年时间来揭示这一分布方式出现的原因。许多潜在的因素也在起作用，例如现在的海洋比过去两次强厄尔尼诺发生时更温暖。而且天气系统中常有短期的混沌现象，因此即使是两次完全一致的厄尔尼诺，对天气的影响也不完全相同。

拉尼娜要来了？

在NOAA宣布厄尔尼诺出现之后一年，这次厄尔尼诺结束了。热带太平洋大部分区域的海温异常在2016年2月已经减弱，海洋次表层的暖水温度也在下降。

进入今年3月，我们认为厄尔尼诺很有可能在初夏过渡到平均态，有一半的几率在秋季转为拉尼娜。在1950年以来的10次中等至很高强度的厄尔尼诺中，有6次在结束之后过渡到了拉尼娜，但由于样本数量太少，难以作出确切的预报。

我们的气候模式也很难在春季（尤其是3月到5月）作出准确的预测，因为在春季，厄尔尼诺和拉尼娜常常减弱至中性。北美的天气在这个季节变化多端，经常受厄尔尼诺和拉尼娜两种信号共同影响。

虽然如此，大部分模式预测拉尼娜将在今年秋季发展起来。2016年4月，NOAA称拉尼娜可能会出现。到了8月份，我们认为拉尼娜有50%的几率将在今年秋天发生。最新的预测结果表明，太平洋海表温度将继续下降，有可能通过拉尼娜阈值（低于平均值0.5℃）。此外，在整个热带太平洋，表层以下冷水在积累。值得一提的是，在1997-1998年强厄尔尼诺之后，Niño 3.4区的次表层海水温度在1998年达到历史最低值。

在美国，拉尼娜的影响大致与厄尔尼诺相反。拉尼娜对西风和急流的改变方式不同于厄尔尼诺，并为大西洋上的飓风发展提供有利的环境。NOAA在8月份发布的最新飓风季节性展望中指出，北大西洋的飓风数量将会多于往年。拉尼娜发生时，加利福尼亚州的冬季通常会偏干旱。

振荡延续

尽管厄尔尼诺听起来很可怕，但在全球范围内，它导致的自然灾害通常不比其他年份更多，而且这些灾害的可预测性更强。如果政府和灾害管理人员留意与厄尔尼诺相关的季节性预报，就有机会在灾难来临之前转移人员和物资，以减少厄尔尼诺带来的损失。

研究者们还不清楚全球变暖对厄尔尼诺/拉尼娜循环有怎样的影响。一些研究表明，更暖的海洋可能导致更多强厄尔尼诺的发生，但另一些研究认为，全球变暖会降低厄尔尼诺的强度。整个地球系统包含大尺度的大气和海洋现象，它们可以在不同的状态间自然转换，比如太平洋年代际振荡，因此揭示全球变暖怎样影响厄尔尼诺、厄尔尼诺将来会怎样变化显得极具挑战性。为了寻找可能的内在联系，研究人员仍将继续努力。

可以肯定的是，厄尔尼诺和拉尼娜将会继续发生，时强时弱。我们的依据来自珊瑚化石，珊瑚化石记录的信息告诉我们，厄尔尼诺/拉尼娜循环已经持续了数千年。当我们对气候动力学的理解更深一步时，我们就可以更好地预测厄尔尼诺对全球气候和人类生活的影响。

本文译者 姜文萍和田群是中国科学院大气物理所博士生。

本文审校 黄刚是中国科学院大气物理所研究员，研究方向包括季风和气候动力学、海气相互作用等。