因?yàn)樘窖蟆鞍l(fā)燒”，導(dǎo)致印度干旱加??？

出品：科普中國(guó)
制作：黃平(中國(guó)科學(xué)院大氣物理所研究員)
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

本文作者系中國(guó)科學(xué)院大氣物理所研究員，博士生導(dǎo)師,中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員。

印度季風(fēng)與熱帶中東太平洋海溫，分屬東西半球兩個(gè)氣候系統(tǒng)，二者相隔萬(wàn)里卻如“提線木偶”般存在。

熱帶中東太平洋海水一“發(fā)燒”，也就是發(fā)生我們常說(shuō)的厄爾尼諾現(xiàn)象（與拉尼娜，南方濤動(dòng)合稱(chēng)為ENSO），印度季風(fēng)帶來(lái)的降水就會(huì)偏少，隨后印度出現(xiàn)大面積干旱。這不僅影響著南亞十幾億人口的生活，也對(duì)東亞季風(fēng)系統(tǒng)有著重要影響，所以它們之間的這種關(guān)系走向頗受關(guān)注。

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，ENSO與印度季風(fēng)的負(fù)相關(guān)明顯減弱，但本文最新研究顯示，從21世紀(jì)開(kāi)始兩者的關(guān)系發(fā)生了新轉(zhuǎn)變——開(kāi)始增強(qiáng)，而這種關(guān)系的“緩和”竟是大西洋在“牽線搭橋”（圖1）。研究為提高印度季風(fēng)乃至東亞季風(fēng)的預(yù)測(cè)提供了十分重要的支撐。

圖1

印度雨季什么時(shí)候來(lái)？誰(shuí)說(shuō)了算

印度，是世界第二人口大國(guó)，位于南亞季風(fēng)區(qū)，氣候類(lèi)型為熱帶季風(fēng)氣候，其夏季不僅酷暑難熬，還容易發(fā)生嚴(yán)重干旱（圖2）。

圖2.2019年6月季風(fēng)爆發(fā)推遲近一周，印度出現(xiàn)大面積干旱

（圖片來(lái)源：trulybelong.com）

現(xiàn)代氣候?qū)W發(fā)展以前，由于缺乏氣象知識(shí)，每逢人間風(fēng)雨失調(diào)，遭遇旱災(zāi)或澇災(zāi)，人們只能寄希望于祈禱。

2019年季風(fēng)爆發(fā)前的3—5月，印度卡納塔克邦的降水量?jī)H為47.4mm，較歷史同期（161.6mm）減少了71%，恰逢6月季風(fēng)的爆發(fā)偏晚一周，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)嚴(yán)重干旱?？{塔克邦民眾甚至為青蛙舉辦隆重的婚禮來(lái)祈雨（圖3）。

圖3.2019年6月8日來(lái)自Kalsanka和Kolalagiri的兩只青蛙在卡納塔克邦的Udupi舉行婚禮，以祈求雨神庇護(hù)

（圖片來(lái)源：The Weather Channel India）

隨著氣象學(xué)的發(fā)展，人們終于得以了解氣候背后的原因，印度季風(fēng)是印度雨季的“開(kāi)關(guān)”，干旱會(huì)隨著6月份印度季風(fēng)的來(lái)臨，帶來(lái)充沛降水得以緩解。

印度季風(fēng)在6—9月帶來(lái)的降水占全年降水總量的70%，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

印度季風(fēng)如此重要，引起它旱澇異常的幕后大BOSS是誰(shuí)？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著科學(xué)家們。

直到20世紀(jì)初，Walker爵士擔(dān)任印度氣象局局長(zhǎng)后，投入了大量研究，才讓引起印度季風(fēng)旱澇異常的幕后大BOSS身份逐漸揭曉。

Walker爵士在印度氣象局擔(dān)任局長(zhǎng)21年，一直致力于印度季風(fēng)的研究。他于20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)大氣的南方濤動(dòng)（后與厄爾尼諾和拉尼娜合稱(chēng)為ENSO）與印度季風(fēng)降水的異常存在密切關(guān)系。Walker爵士由此提出第一個(gè)基于物理過(guò)程的氣候經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，這也是Walker環(huán)流名稱(chēng)的由來(lái)（圖4）。

圖4. Walker 環(huán)流

（圖片來(lái)源：Pennsylvania State University）

隨后經(jīng)過(guò)多位科學(xué)家的努力，更加明確了ENSO與印度季風(fēng)的關(guān)系。即厄爾尼諾（或拉尼娜）發(fā)生時(shí)，熱帶中東太平洋的海溫偏暖（或偏冷），進(jìn)入“發(fā)燒”（或降溫）狀態(tài)，接著會(huì)通過(guò)Walker環(huán)流使萬(wàn)里之遙的印度地區(qū)出現(xiàn)干旱（或洪澇），二者關(guān)系呈現(xiàn)出十分明顯的負(fù)相關(guān)。

ENSO是影響印度季風(fēng)的幕后大BOSS之一。自此，類(lèi)似的基于物理過(guò)程的氣候預(yù)測(cè)在世界各地迅速開(kāi)展起來(lái)，開(kāi)啟了現(xiàn)代氣候?qū)W的新時(shí)代。

20世紀(jì)末，得益于更長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)資料的獲取，印度氣候?qū)W家Kumar教授于1999年發(fā)表在《Science》的研究論文指出ENSO和印度季風(fēng)降水的關(guān)系并不穩(wěn)定，自20世紀(jì)70年代以來(lái)二者的關(guān)系開(kāi)始逐漸減弱，在氣候?qū)W上這種跨年代的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為年代際轉(zhuǎn)變。這一問(wèn)題迅速成為國(guó)際氣候?qū)W的研究熱點(diǎn)，氣候?qū)W研究進(jìn)而深入到“年際關(guān)系的年代際轉(zhuǎn)變”上。

隨著問(wèn)題的深入，相關(guān)研究變得異常復(fù)雜且艱巨，其物理機(jī)制不明，一直是國(guó)際氣候?qū)W研究的重大挑戰(zhàn)。特別是，20世紀(jì)70年代的這次轉(zhuǎn)變?cè)跁r(shí)間上和全球變暖的長(zhǎng)期趨勢(shì)契合，因此，這到底是大自然內(nèi)部的年代際變化還是全球變暖趨勢(shì)所致，也存在爭(zhēng)議。

最近，中科院大氣物理研究所黃平課題組最新研究指出，在20世紀(jì)90年代末期，ENSO和印度季風(fēng)的關(guān)系開(kāi)始出現(xiàn)新的年代際轉(zhuǎn)變——開(kāi)始增強(qiáng)（圖5）。

圖5

這表明熱帶中東太平洋海溫偏暖（或偏冷），會(huì)加劇印度地區(qū)的干旱（或洪澇）。這一現(xiàn)象否定了ENSO和印度季風(fēng)關(guān)系的轉(zhuǎn)變是全球長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)所導(dǎo)致的觀點(diǎn)。

增強(qiáng)？消弱？誰(shuí)在操控ENSO與印度季風(fēng)的關(guān)系？

ENSO這個(gè)大BOSS與印度季風(fēng)的關(guān)系為什么會(huì)發(fā)生如此轉(zhuǎn)變呢？該研究指出這種關(guān)系的增強(qiáng)與太平洋的“小弟”——大西洋的“態(tài)度”密切相關(guān)。

在21世紀(jì)之前（1979–1997年），ENSO事件發(fā)生時(shí)南大西洋海溫的異常主導(dǎo)著整個(gè)大西洋海盆（圖6C），這樣一家獨(dú)大的局面使得大西洋梯度指數(shù)（北大西洋區(qū)域與南大西洋區(qū)域平均海溫異常之差）為較大的正值。

因此，隨著南大西洋的介入，逐漸瓦解并破壞了ENSO與印度季風(fēng)的“信任”，導(dǎo)致二者的關(guān)系開(kāi)始減弱。這時(shí)，熱帶中東太平洋海水即使“發(fā)燒”，萬(wàn)里之遙的印度干旱也并不嚴(yán)重。

然而21世紀(jì)之后（2000–2018年），風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，ENSO事件發(fā)生時(shí)南大西洋的勢(shì)力開(kāi)始衰退，并且海溫信號(hào)開(kāi)始向北大西洋轉(zhuǎn)移，最后兩者實(shí)力均較弱且基本相當(dāng)（圖6D），因此大西洋梯度指數(shù)基本為0。

此時(shí)南大西洋的“歡喜冤家”——北大西洋，一直與南大西洋“唱反調(diào)”，二者對(duì)印度季風(fēng)的影響相反，使大西洋整體對(duì)印度季風(fēng)的貢獻(xiàn)正負(fù)抵消，為ENSO和印度季風(fēng)“牽線搭橋”建了一條綠色通道，這樣一來(lái)ENSO和印度季風(fēng)的關(guān)系在不受干擾的情況下又開(kāi)始增強(qiáng)。這時(shí)，熱帶中東太平洋海水一“發(fā)燒”，萬(wàn)里之遙的印度干旱便會(huì)加劇。

那么，為什么大西洋會(huì)出現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變呢？

黃平課題組研究發(fā)現(xiàn)：這竟是ENSO“自導(dǎo)自演”的一出戲，其實(shí)是ENSO自身的時(shí)間演變特征發(fā)生了變化。過(guò)去大家關(guān)注不同空間位置的ENSO（如根據(jù)ENSO位置分為東部型和中部型），該項(xiàng)研究卻發(fā)現(xiàn)夏季ENSO的狀態(tài)存在兩個(gè)不同的時(shí)間演變，有些ENSO從上一個(gè)冬季就存在，一直持續(xù)到次年夏季，他們將此稱(chēng)為延續(xù)型ENSO（Continuing ENSO）；而另外一些ENSO從夏季才出現(xiàn)，稱(chēng)為新發(fā)型ENSO（Emerging ENSO）。

延續(xù)型和新發(fā)型ENSO通過(guò)大氣Walker環(huán)流對(duì)印度季風(fēng)的直接影響幾乎沒(méi)有差別，但在延續(xù)型ENSO下，由于其已經(jīng)存在半年之久，它對(duì)全球海溫有著重要影響，尤其是南大西洋，這些其他區(qū)域海溫異常的存在會(huì)干擾ENSO的直接大氣影響，這種情況下ENSO和印度季風(fēng)降水的關(guān)系會(huì)很弱；

而在新發(fā)型ENSO下，其他海區(qū)的海溫異常都較弱，無(wú)法對(duì)ENSO的直接大氣影響造成干擾，ENSO和印度季風(fēng)降水的關(guān)系非常顯著（圖7、圖8）。

圖7. 不同ENSO組別下的海溫異常合成圖

圖8. 不同ENSO組別下的降水異常合成圖

大自然竟然如此奇妙！熱帶中東太平洋的海水稍微“發(fā)燒”，卻能影響萬(wàn)里之外十幾億人的生活與生產(chǎn)，且不同年代的影響竟然大不相同。

然而，這或許只是氣候聯(lián)動(dòng)過(guò)程中的冰山一角。為了更好地為人類(lèi)的生存和發(fā)展提供服務(wù)，我們需要探索更多的氣候?qū)W謎團(tuán)。

該研究首次發(fā)現(xiàn)ENSO與印度季風(fēng)最新的年代際增強(qiáng)現(xiàn)象，并強(qiáng)調(diào)大西洋在其中的“橋梁作用”，提出ENSO時(shí)間演變的多樣性，更清晰地解釋了ENSO與印度季風(fēng)關(guān)系的多次年代際轉(zhuǎn)變。這有助于未來(lái)更好地摸清ENSO的“脾氣”。

隨著觀測(cè)資料的日益豐富和時(shí)效性的增加，讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)從更廣闊的角度去關(guān)注洋盆間相互作用（太平洋、大西洋和印度洋）的特征以及對(duì)氣候變化的影響。這也必將加快人類(lèi)對(duì)自然界中年代際信號(hào)轉(zhuǎn)變的了解。

未來(lái)對(duì)洋盆間相互作用的持續(xù)研究，可能降低目前氣候模式模擬的不確定性，并提高我們短期氣候預(yù)測(cè)的水平，從而為應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供更好的支撐。