太平洋热能的内循环和外循环：海冰开关控制气候

                               杨学祥，杨冬红

              （吉林大学,长春130026）

    摘要：北太平洋对北极的半封闭状态和南太平洋对南极的开放状态是厄尔尼诺事件发生的构造基础，它导致北太平洋海表热能的积累和周期性向南太平洋输送。南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。2005年2月德雷克海峡的最低温度记录，将使海冰面积增加，减弱南极环流，增强秘鲁寒流，使赤道东太平洋海温降低。

    关键词：厄尔尼诺，拉尼娜，海洋热能交换，陆海分布，德雷克海峡，海冰开关效应

1  南太平洋的内部环流和三大洋外部环流

    在北半球，由于大陆的阻隔，北太平洋与北极处于半封闭状态，海洋寒流由北极进入太平洋要通过狭窄的白令海峡，流入量受到限制。印度洋北部是欧亚大陆。因此，太平洋和印度洋的北部完全在海洋暖流的控制之下。与此相反，大西洋、太平洋和印度洋对南极而言是完全开放的，特别是南半球环南极大陆强烈的海洋西风漂流，在经过南美洲的德雷克海峡时严重受阻，部分寒流沿南美洲西海岸北上，加强了秘鲁寒流，其规模远大于非洲西海岸的本格拉寒流，形成太平洋北暖南冷、西暖东冷的格局。南半球西风飘流是海洋寒流，北半球西风飘流是北太平洋暖流和北大西洋暖流，这个重大差别是由陆海分布差异造成的。

    西澳大利亚寒流是南半球最弱的海洋寒流，因为太平洋南赤道暖流能够通过阿拉弗拉海进入印度洋，加强印度洋南赤道暖流，减弱西澳大利亚寒流，形成印度洋和西太平洋的高温低压区，与东南太平洋由秘鲁寒流形成的低温高压区组成一个沃克环流。

    赤道附近太平洋上，东部海域海水较冷（寒流影响），使海水上空的气温偏低，气流下沉（近海面形成高压），而东部海域的海水的温度较高（暖流影响），空气受其影响气温偏高，气流上升，近海面形成低压，所以在近海面就形成从高压向低压的风，上空气流方向相反，就形成了环流，这就是沃克环流，它是纬向环流。

    纬向的沃克环流和径向的哈得来环流组合，构成南太平洋的内部循环，其路径是：太平洋的南赤道暖流----东澳大利亚暖流----南中纬度的西风漂流----秘鲁寒流^[1]。

    事实上，印度洋和大西洋都有类似的环流和现象，由于热能相对较少，厄尔尼诺和拉尼娜现象也就不明显。

    太平洋、印度洋和大西洋在北半球是相互封闭的；在南半球是相互连通的，南半球西风漂流带和环南极大陆海流是三大洋热能交换的渠道，构成太平洋的外循环。太平洋有广阔的赤道海域，由此获得的热能通过外循环向外传输。

2  全球海洋环流的热能输送数量估计

    北太平洋通过白令海峡向北极输出的热量为10TW(1TW = 10¹²W),南太平洋向南极输出的热量为1190TW，是前者的119倍。印度洋向南极输出的热量为490TW，而北大西洋输出的热量起源于太平洋，数量超过1000TW，其中向北极输出的热量为260TW^[2]。海洋输送的热量数量为北太平洋向南太平洋的热输出提供了证据。

    地质资料表明, 对第三纪早期的普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，迅速变暖和较长的变冷由轨道参数的周期性所决定。阻挡大西洋赤道暖流进入东太平洋，加强秘鲁寒流，是气候变化的原因。南美洲与南极大陆的分离造成环绕南极大陆强烈的海洋西风漂流带，它阻挡赤道暖流南移，生成南极冰盖并维持其稳定的存在,为全球构造运动影响气候变化提供了证据^{[3 - 5]}。这表明,北太平洋向南太平洋输送热量的波动性是厄尔尼诺事件和拉尼娜事件发生的本质原因,相应的海洋环流在温差积累到一定程度时必然发生。厄尔尼诺发生时，太平洋暖水由东向西，或由西向东，或由中部分别向东向西运动，其实质是北部暖水向南运动。

海洋热输送的数量估计

图1  海洋热输送的数量估计

    如果有某种原因使南半球的西风漂流减弱，或使东南太平洋表面海水增温，就会减弱这一地区的沃克环流，出现南太平洋高压和印度尼西亚——澳大利亚低压同时减弱，甚至相反的情况。这是南方涛动和厄尔尼诺同时出现的原因。

3  潮汐振荡产生的季节性增暖

    在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸，由于暖水从北边涌入，每年圣诞节前后海水都会出现季节性的增暖现象。海水增暖期间，渔民捕不到鱼，常利用这段时间在家休息。因为这种现象发生在圣诞节(每年12月25日)前后，渔民就把它称为El Nino，音译为“厄尔尼诺”，是西班牙语“圣婴(上帝之子)”的意思。后来科学家发现有些年份海水增暖异常激烈，暖水区一直发展到赤道中太平洋，持续时间也很长，引起当地气候反常，给全球气候带来重大影响。现在，厄尔尼诺一词被气象和海洋学家用来专门指赤道太平洋东部和中部的海表温度大范围持续异常增暖现象^[6]。

    要解释厄尔尼诺事件发生的原因，首先必须说明为什么在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸每年圣诞节前后海水都会出现季节性增暖现象。

    太阳光在冬至点(每年12月21~23日)直射南纬23.5度，即南回归线。南回归线上的海面在白天正午处于潮汐高潮位，北回归线上的海面此时处于低潮位，地球自转半周后, 南回归线上的海面在半夜子时处于潮汐低潮位，北回归线上的海面此时处于高潮位，即高潮位与低潮位在南、北回归线之间往复振荡。这种现象也发生在夏至点（每年6月21或22日）。但是，太阳辐射、太阳风和太阳引潮力在近日点（1月3~4日）达到最大值，分别比在远日点(每年7月2日或3日)增大6%和9%。这使近日点时南北回归线之间的南北潮汐振荡达到最大值，南回归线附近太阳辐射量也达到最大值，变暖趋势明显。特别是从秋分到冬至，日地距离变为最小，太阳引潮力变为最大，半日潮产生的强烈振荡高值区由赤道向南北回归线偏移，形成低纬大洋南升西移北降东移的顺时针昼环流和南降东移北升西移的逆时针夜环流，昼夜反向环流和最大幅度南北振荡加强了冷暖水的混合^[4]。南北回归线之间的东太平洋海面，有北半球的温暖的赤道逆流和南半球的秘鲁寒流。南北回归线之间的最大幅度的南北潮汐振荡使太平洋东部低纬度北半球暖流南移，南半球秘鲁寒流北移，振荡混合后使厄瓜多尔和秘鲁沿岸海水变暖，加强了北太平洋向南太平洋的热输送。这不仅说明了在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸每年圣诞节前后海水都会出现季节性增暖现象的原因，而且给出了暖水从北边涌入的原因。以往许多关于厄尔尼诺事件发生机制的假说不能解释这种季节性增温现象。

4  德雷克海峡海冰气候开关作用

    中生代时期，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极其巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。中始新世和早渐新世之间的总的温度下降，在整个新生代都是最急剧的。这种下降被认为由如下原因引起：①德雷克通道和塔斯马尼亚以南的通道开始为全球循环和气候上隔离的环极流打开了通路；②由于澳大利亚—新几内亚向北移动，吸热的赤道水面积缩小；③特提斯海关闭，不能使赤道环流通过^[7]。

德雷克海峡海冰的气候开关

图1. 全球气候的三个海冰启动开关示意图

                Fig.1 Sketch map of three sea-ices switches for global climate

    在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退控制气候变化的一个可能模式是：南极半岛海冰增多使西风漂流在德雷克海峡受阻，导致环南极大陆水流速度变慢和南太平洋环流速度变快，部分受阻水流北上，加强秘鲁寒流，使东太平洋表面海水变冷，加强沃克环流及增强赤道太平洋热流与南极环流的热交换，增温的南极环流使南极半岛的海水减少；南极半岛的海冰减少使德雷克海峡水流通量增加，导致环南极大陆水流速度变快和南太平洋环流速度变慢，使部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，造成秘鲁海流变弱和东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流；结果使堆积在太平洋西部的暖水东流，减弱赤道太平洋热流与南极环流的热交换，降温的南极环流使南极半岛海冰增加。这就是德雷克海峡的海冰变化调控全球气候变化的机制，称之为南极环大陆海冰的气候开关效应（图1）。

    当南极洲的温度变冷时，存在很多海冰的德雷克通道处于封闭状态，阻塞环南极大陆的海流，加快南太平洋环流，并从向极方向连接南极洲热输送，从而使南极洲变暖；当南极洲的温度变暖时，存很少海冰的德雷克通道处于开放状态，打通环南极大陆海流，减慢南太平洋环流，并从向极方向隔离南极洲热输送，因而使南极洲变冷。如图1所示，非洲海冰开关I，澳大利亚海冰开关II和德雷克海峡开关III控制了环南极大陆海流，并从向极方向隔离或连接向南极洲的热输送，因而增加或减少在非洲、澳大利亚和南美洲西部的海洋寒流流量。因此，南太平洋海温的增加和减少在环南极三个“海冰开关”的控制下不断交替发生，与南太平洋环流速度减慢与增加相对应^[8-10]。

    南极海冰季节性变化幅度较大.海冰净冰面积在2月最小，为2.3×10⁶ km²，在9月最大，为15.4×10⁶ km²，最大值约是最小值的6.5倍^[11]。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。日长在1月份比在7月份要长，即1月的地球自转速度比7月减慢。在南、北半球±10^o的低纬度地区，自东而西的太平洋赤道洋流在2月最大流速为51 cm/s，8月最大流速大于77 cm/s。即8月赤道洋流流速要明显地大于2月^[12]。

    南半球冬季冰冻线使非洲、澳大利亚和南美洲与南极洲的表面水流宽度分别缩小到原来的1/3、1/2和1/8。这种情况在平面地图上是难以觉察到的。南极半岛的海冰面积在2月最小，扩大了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度加快，使太平洋外循环加快，内循环减慢，减弱秘鲁寒流，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应赤道太平洋3月海水最暖，流速降低；南极半岛的海冰面积在9月最大，缩小了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度减慢，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜事件的形成，对应赤道太平洋9月最冷，流速增大，使太平洋外循环减慢，内循环加快。

    南极海冰的长期趋势变化从70年代到90年代海冰有两个突变，一次发生在1975年底1976年(厄尔尼诺年)初，海冰由偏多迅速转变为偏少，另一次发生在1988年(拉尼娜年)，是海冰由偏少缓慢转向偏多。海冰减少与厄尔尼诺有很好的对应关系^[10]。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。1973年南半球冬季海冰的范围比夏季大大扩展；最小的出现在2月10日，最大的出现在7月16日^[11] (与9月出现最大值的一般情况相比是特殊的异常现象)。与其相关的是，1972年4月~1973年2月是厄尔尼诺事件时期，1973年6月~1974年4月是拉尼那事件时期。对比两者的变化趋势可以看出，南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。

5  结论

    德雷克海峡的海冰大小控制了太平洋的内循环和外循环，控制了太平洋热能的热输出。检测德雷克海峡海冰变化可发现厄尔尼诺现象发生的前兆：南太平洋外循环加快内循环减慢有利于厄尔尼诺事件的形成；外循环减慢内循环加快有利于拉尼娜事件的形成。

    厄尔尼诺事件的发生是北太平洋积累的热能向南太平洋输送的结果，潮汐南北震荡加快了南北太平洋的热能输送。

参考文献

1．  杨学祥. 厄尔尼诺现象的构造基础与激发因素. 西北地震学报, 2002, 24（4）：367-370

2．  J. Houghton, 全球变暖. 北京:气象出版社,1998.83.

3．  L. A. 费雷克斯. 地质时代的气候. 北京: 海洋出版社,1984. 315, 244

4．  杨学祥。地球形变产生的岩石圈、水圈和气圈等差异旋转。中国学术期刊文摘（科技快报）。2001，7（7）：902~904

5．  杨学祥。预测重大灾害的天文学方法与能量放大器。见：中国地球物理学会编，中国地球物理学会年刊2001。昆明：云南科技出版社。327

6．  中国气象局国家气候中心。’98中国大洪水与气候异常. 北京: 气象出版社, 1998. 92~101

7．  Frakes, L. A., 1979. Climates throughout geologic time. Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam—Oxford—New York, pp. 182, 192, 200, 223, 315.

8．  杨学祥. 大气、海洋与固体地球的能量交换. 世界地质, 2004, 23(1): 28-34

9．  杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008 Vol. 23 (6): 1813～1818

10． 杨学祥.  地球流体的差异旋转与气候变化. 自然杂志. 2002, 24（2）: 87－91

11．  周秀骥, 陆龙骅, 卞林根, 等. 南极与全球气候环境相互作用和影响的研究. 北京: 气象出版社,1996. 1~5, 43~50, 74~85, 132~139, 370~392.

12． 任振球。全球变化，北京：科学出版社，1990。24~27，64，72-74，106~109，133~134