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厄尔尼诺、台湾古木与中太平洋

文章来源:地球环境研究所    发布时间:2017-06-06  【字号:      】

  好吧,厄尔尼诺不是新鲜话题,拉尼娜已经跻身寻常词汇。今天,我们没打算烧旧灶炒冷饭,而是给有志穿越回古代做钦天监的同学报告个大喜讯:科学家刚刚成功打造一款护身利器,包你在宋、明、清三朝呼风唤雨,尊享国师! 

  来来来,坐好坐好。话说厄尔尼诺和拉尼娜这对蓝血兄妹可坑苦了靠天吃饭的普罗大众。要浇地了,天大旱;好不容易忙活一年该收庄稼了又大涝;海边打鱼的弟兄们更是连个鱼鳞都摸不着,搞得四处民怨冲天。天下事吃饭为大,于是各国都派出精干部队,彻查肇事分子。 

  追查至今倒是有不少线索。首先厄尔尼诺这熊孩子出现,貌似很有奥数练习题的规律: 

   

  图1 1900-2016年厄尔尼诺事件时间表 

  不过目前还没有人琢磨出这孩子用的什么数列方程。看心情,以最少2年最多7年之间的任意间隔,他来逛一圈。但是这一逛,熊孩子是开心了,带来的后果可就不一般了,通常会导致全球气候模式中断,出现大范围异常,颇有土匪进村的感觉。比如1997年那次强厄尔尼诺事件,初期我国北方出现罕见的持续高温,南方接着持续阴雨天气,部分地区出现罕见的“春冬汛”,随后1998年长江全流域特大洪水暴发。刚过去的这次超强厄尔尼诺事件,从2014年5月开始,持续整整21个月。全球2015年平均气温成为有记录以来最暖的一年。北极温度狂升30℃,一度突破0℃。南非、埃塞俄比亚等国严重干旱,粮食严重减产;美国出现异常暖冬,中西部连降暴雨;南美洲多国遭受强风暴雨发生严重水灾;英格兰北部暴雨和洪水泛滥。连期货、金融市场都被搅乱。总之一句话,全球人民GDP一下子掉落好几格。 

  为了减少损失,这些年联合国与各路兵马无死角拦截,预警措施囊括天上卫星监测、海里浮标测温,到地上计算分析、数值模拟。还好太平洋够宽,厄尔尼诺不能一夜之间发作。利用时间差,各国都有提前几周到几个月的余地做准备。 

  给大家看一副“热图”。 

图片来源:NASA  

  这本是美国航空航天局为珊瑚礁白化预警做的服务产品,可因为它是基于海表温度的卫星监测数据,标明的海岸线又方便非专业同学,还恰好是15年全年的数据,借来说明厄尔尼诺时的海表温度异常刚刚好。这里颜色越红,可以等同为海表温度越高。请大家注意沿赤道一线,海表温度增高是怎样从西太平洋新几内亚(就是那个乌龟形状),转变到东太平洋的秘鲁附近。就是这种热带太平洋地区的海表热区转移影响了全球大气环流,导致2015年朋友圈圣诞节晒短裙,没几天春节前后又大面积晒秋裤的奇特景观。 

  当然,除了预警系统这样被动的守卫,还有另一队人马在研究厄尔尼诺发生的机制。毕竟,目前的预警只能做到当次事件,提前几个月,有时候庄稼都已经种下了。如果发生机制弄明白了,往小的说可以预测几年、十几年后发生异常事件的几率,提供足够长的时间规划农业渔业,往大的说,国际上那群热衷气候工程的又可以忙活了。 

  机制很重要,这个不言自明。科学家利用多种手段、数据做各种观测、模拟来认识厄尔尼诺。按照修正的家谱,厄尔尼诺和拉尼娜这俩娃娃目前都归于ENSO名下。ENSO是El  Niño and Southern Oscillation,中文为厄尔尼诺-南方涛动。南方涛动是指南太平洋、印度洋海表气压周期性地震荡,由被称为沃克环流(Walker Circulation)的水汽循环控制。 

    

  图2  一般状态下的太平洋海温、与沃克环流   来源:澳大利亚气象局 

  这是一般状态下的海表温度,可以看到西太印尼附近海域为红色,表明温度较高像个热水池子,东太秘鲁附近海域温度偏低为蓝色。沃克环流的一部分挂名信风从东吹到西,在西太暖池水汽受热上升然后一路回到东太老家。皆大欢喜。不过,人生经验告诉我们,好景从来没长过。 

   

  图3 厄尔尼诺状态下的沃克环流  来源:earthscience.stackexchange.com 

  这张图是说由于目前还无法确认的复杂原因,任性的沃克决定不走寻常路,反着来一次。于是西太暖池的热水都被赶到东边,秘鲁附近聚集的热水阻挡了富含有机质的冷水上涌,鱼儿们只好拖儿带女游到别处觅生活。所以当初是渔民们发现圣诞节前后,有些年份鱼都不见了,他们就给这些年份起了个名字叫“小男孩”。(难道他们以为鱼群去给耶稣宝宝送贺礼了?)秘鲁是西班牙殖民地,大家讲西班牙语,这就是El Niño的来历。汉语意译为圣婴。不过当初音译成厄尔尼诺,估计词库里没能显示ñ上的小尾巴,按拼法音译成厄尔尼诺,其实厄尔尼纽才是正确的打开方式。好,看下一张图。 

   

  图4 拉尼娜状态下的沃克环流  来源:earthscience.stackexchange.com 

  有了前两张的经验,这张拉尼娜看起来就容易多了。任性少年沃克这次不走了,他改开车!强劲的循环动力把东太的冷水都带上表层。于是西边东南亚国家暴雨下成第二片汪洋。东边秘鲁的弟兄们倒是看见鱼群都回来了,不过要多带两件装备才敢下海。秋裤——御寒,钢盔——防海鸟。对应的,秘鲁人民给这样的年份起名叫“小女孩”,汉语叫拉尼娜,西班牙语读作拉尼尼亚。还有少数人起名叫“老头子”的,也说得通。 

  这两个小兄妹讲完了,沃克的幺蛾子可还没完。从2004年起,科学家发现他又走出一种新步法。日本人起名叫Modoki,意思是相似而又不同。咱们高端大气直接叫CP!嗯,Central Pacific,中太平洋,简称中太。下面就是中太厄尔尼诺(图5a)和中太拉尼娜(图5b)的真身。 

   

  图5 厄尔尼诺状态下的沃克环流 来源:earthscience.stackexchange.com 

  沃克一分为二,把事情都放在中太搞。要么自己热,要么自己冷,没东西两边什么事。这个新调调让研究机制的同学们很头疼。来路不明、从天而降,还没法扫码看ID。茫茫太平洋中央,海鸟找个礁石歇歇脚都得累个半死,谁当初也不会想着划船到这里收数据啊。即使当初想了,也会被评审骂个满头挂水。导致现在只能两手光光干着急。可大Boss发话:查!查不出来后果很严重! 

  一番折腾,发现除了极其有限的器测数据,再就是从珊瑚里得来的断断续续的中太厄尔尼诺记录。没办法,以前大家都是在东边玩,娱乐设施建的比较齐全,随便约个烧烤K个歌啥的分分钟搞定。可中太属于蛮荒区,想拉个灯泡都不知道线在哪。只好扩大搜查范围,曲线救国,可曲到哪里好呢? 

  对着地球仪,东边不用想了别人家的地盘。西边自家的看看,离得最近的,台湾?对,台湾!下不了海,咱上山砍树去! 

  吃瓜的同学你没跟上趟?好吧,其它同志你们跳过这一段继续。这下海等于上山之间的逻辑关系么,是这样的:我们大家都知道热带海域每天蒸腾出大量的水汽,并在各种风的作用下源源不断地输送至大陆。决定蒸腾强度的主要因素是海表温度,而海表温度变化正是ENSO的特征。比如正常状态下,台湾降水的水汽来源大致分为两个部分,一部分由热带西太平洋远距离输送向北抵达我国东南并化为降水,另一部分则主要为附近海洋中蒸发出来的水汽。而海温异常,El Niño发生,不论是中太型还是东太型都会抑制来自西太的水汽输送,使得从西太平洋到达我国东南的降水减少,相对而言局地水汽来源比例就增加了。而这种变化就会在当地的各种指标中留下痕迹。 

  这个很好理解。比如你现在每个月的生活费一部分来自实验补助,另一部分来自老妈。抢来的红包比例太小忽略不计。本来这么过得好好的,突然某个月老妈的钱没到帐,那你肯定有感觉。而我只要看你突然节衣缩食,而实验室其他人照常生活,那我就能比较肯定地推论是老家那边有状况,逼你回家相亲?出门旅游忘了娃? 

  而科学研究只有推论是不够的,数据才是硬道理。当当当当,欢迎今天我们的主角——中国科学院地球环境研究所所长、研究员刘禹登场。他可是钻树好把式,哦不,数一数二的树轮专家,不说国内的树了,全世界的树大概都被他摸遍了。 

   

  来一幅刘禹钻取树轮样品的背影 

  话说刘禹可是带着他的团队花费了近十年的时间来追踪这一路厄尔尼诺的线索。2008年CP厄尔尼诺才刚出现多久,他们就选定到台湾——我国迎接热带西太水汽的第一道陆屏——寻找样品。走过宝岛的每一寸深林,翻过无数高山,终于大雪山的这些样品不负重望,脱颖而出。 

  大雪山位于台湾中北部,高耸入云的红桧,大部分树龄达到千年以上,真当得起参天二字。千百年来,这些树依靠西太平洋丰沛的水汽繁盛至今,也忠实地记录了赤道水汽输送的变化。 

    

再一来幅台湾红桧树照片 

  在古气候学圈子里,目前反映过去降水或温度比较通用的指标之一是氧同位素。氧同位素的载体很多,以后我们有机会一一细说。今天我们着重看看台湾大雪山树木年轮如何指示远在千里之外的中太平洋温度变化。 

  中太厄尔尼诺发生时,海表面的异常温度梯度导致西太平洋海域产生大规模的反气旋,供给台湾降雨的西南风被迫减弱,台湾降雨随之减少。由于降水量效应的存在,大气降水氧同位素变得偏正,通过根系吸收大气降水的红桧的树轮氧同位素因此也偏正。 

  咱们还是用前面生活费的例子好好说人话。你是一棵生长在大雪山的红桧,定期收到水汽-生活费来源。大体上你生活来源还算稳定,伙食标准长期保持在一荤一素。每年吸收的卡路里被新年轮里的氧同位素值计录下来。不过每隔不定期的几年,你的生活费会大幅减少,造成这段时间你的卡路里摄入明显降低,年轮也受到影响,其中的氧同位素更是大大地记了几笔苦日子。因此只要让氧同位素交出小抄本子,我们就知道哪些年头你潇洒快活,哪些年头你吃糠咽菜。而你过得生不如死的那段日子,就是厄尔尼诺兴风作浪的时间。    

  这也正是刘禹为什么要和千年古树较劲,就着显微镜头数细细的黑色条带,还要小心翼翼地在条带之间提取纤维素测量其中的氧同位素比率,太平洋厄尔尼诺的变化情况可都记录在这一圈一圈不足0.5毫米的小小样本里。 

   

  树轮样芯细节(局部) 

  你猜大雪山的这些红桧一共记录了多少年的账本?818年,年年清晰明白!有没有被帅呆?这可是迄今为止中部太平洋最长、最连续的一条温度记录。就好像正在蛮荒中部太平洋苦苦寻找电线想连个灯泡的同学们,突然发现手机有Wi-Fi了,还满格!能不让人兴奋,不让人激动么? 

  天赋禀异的你不仅一路看到这里,大脑CPU没有一点过热的迹象,还发现了一个问题。从前面几张厄尔尼诺的示意图可以看到,中部太平洋的海表温度在东太型(EP)厄尔尼诺和中太型(CP)厄尔尼诺期间都会异常升高,那仅有中太海表温度怎么分开中太型和东太型?少年,考虑报个地环所的研究生入伙一起干怎么样? 

  这个问题当然没有被刘禹忽略。他们对比了大量的现代器测资料以及全球海表格点温度数据,发现只有3-5月的中太海表温度异常可以与台湾大雪山树轮建立起可信的方差关系,其它区域相关系数无法通过检验。 

  天这么热,来根钟楼冰棍的例子。话说楼下有两家冰棍店,一家叫CP只卖红豆冰棍,另一家叫EP只卖山楂冰棍。如果看见隔壁宿舍的红桧同学常常满嘴红豆,那他跑不掉是CP的常客。这个道理不难吧。    

  絮叨了这么久,吃瓜同学不禁会问,那为什么要费这么大力气去查CP这家店呢?虽然比起EP这千年老店,CP短短十几年的店龄明显嫩得多,可架不住人家有后台啊。大家纷纷议论CP的后台就是全球变暖。可是苦于没有证据,也就说说而已。这次的大雪山树轮一上场,有图有真相: 

   

  图6 树轮重建的过去800年中太温度变化  来源: Liu et al.  2017,Nature Communications 

  专业同学自行参详各图,其它同学我们就主要看图6d好了。喂,那位要穿越回去做钦天监的,就是这张,收好不谢。啥?你还不会用?那我们简单讲讲。先来识图基本动作,认清坐标轴:图6d横轴是年代,竖轴是变率。这张图表明你一直穿到1190年都可以靠它和皇帝套近乎。这来年天是要旱还是要雨,宋朝以后的人民可就指望你开仙口了。 

  言归正传,上图表明在长期趋势上(图6a红线),最近几十年中太海洋表面温度(SST)持续升温,已经超过了前面800余年的任何一个时期,同时,其变率增大(图6c与图6d),指明CP厄尔尼诺变得更不可捉摸。       

  所以,此次台湾大雪山树轮研究显示,赤道中太平洋海表温度对全球人类活动响应更为敏感。而变率加大的CP海温反过来对我国东南沿海地区的降水变化也施加显著的影响。若全球温度继续升高,沿海地区降雨量将持续减少,对当地的生态和经济将产生更加巨大的影响。 

  也就是说,如果全球继续升温,沃克本来开的小夏利可就要升级玛莎拉蒂。这要是撞一下,啧啧。 




(责任编辑:麻晓东)

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