厄尔尼诺、拉尼娜和地球自转的因果关系
                     杨学祥，杨冬红
 
    理论研究和历史记录表明，地球自转变化导致厄尔尼诺和拉尼娜的形成，而厄尔尼诺和拉尼娜又翻过来影响地球自转，它们的互为因果关系值得关注。
 
厄尔尼诺现象使地球自转放慢
 
    研究风向和地球自转的美国科学家说，导致干旱和洪涝的厄尔尼诺现象还间接地使地球自转速度放慢，从而使一天的时间延长。
    美国大气和环境研究公司的科学家戴维·萨尔斯丁日前在波士顿举行的美国地球物理学会春季会议上报告说，厄尔尼诺现象使风向和风力发生了大的变化，从而导致地球自转速度放慢。萨尔斯丁是根据对跨度长达15年的数据进行研究后获得这一发现的，其中大多数数据是由卫星搜集的。
　　根据他的发现，由最近一次厄尔尼诺现象导致的最长的一天是1998年2月5日，这一天比通常延长了十分之八毫秒。这点时间通常可以不计，但是它对于航天等需要精确计算时间的领域就非常重要。
    美国国家海洋与大气管理局的科学家克劳斯·维克曼说，最近一次厄尔尼诺现象对一天时间影响最大的时期是1997年8月到1998年3月这段时间，这期间平均每天比正常情况延长了十分之四毫秒。目前每天只比通常延长了十分之一毫秒，而且很快会恢复正常[1]。
    厄尔尼诺现象使地球自转放慢的另一个原因是厄尔尼诺期间的海平面高度升高，海水变暖导致的地球半径的增高使地球转动惯量增大，地球自转也相应变慢。在厄尔尼诺形成期间。赤道东太平洋海水变暖是厄尔尼诺形成的重要标志。
    1997年-1998年厄尔尼诺期间，全球平均海平面高度升高约2厘米，现在又回复到正常水平。采用的数据是1992年8月发射的TOPEX/Poseidon卫星的观测结果。这是科学家第一次能客观地将厄尔尼诺与海平面高度变化联系到一起，具有重要意义。卫星每10天一次探测海平面高度，精度为0.4厘米。全球平均海平面高度的季节和年际变化是量度海洋热容量的指标，海平面高度平均值升高2厘米意味全球海表温度可能升高。海平面升高从1997年5月开始，于11月达到最高，然后在1998年7月回复正常，大体与海表温度变化相一致[2]。
    1997年4月至1998年6月发生了20世纪最强的厄尔尼诺事件，上述资料和证据表明，厄尔尼诺导致海平面升高和地球自转放慢。
 
地球自转加快导致厄尔尼诺发生
 
    理论推导和模型计算表明，地球自转加快和南极半岛变暖导致厄尔尼诺的发生，厄尔尼诺和地球自转互为因果关系值得关注。
    全球性地表风带和气压带由赤道向两极依次为：赤道无风带（低压带）、纬度0o~ 30o的南北两个信风带（贸易风带）、纬度30o~35o南北两个亚热带无风带（高压带）、纬度35o~60o左右南北两个盛行西风带、纬度60o左右南北两个多风暴带（低压带）、纬度60o以上南北两个寒带东风带与极地高压带。特别值得重视的是相邻两个风带之间的过渡带，即纬度0o、±（30o~35o）、±60o的5个纬度带，其两侧空气水平运动方向明显不同，故称之为大气临界纬度。全球不同纬度的气压带、风带空气运动速度变化很大，量极达m/s。这表明，大气运动与地球自转、地理纬度密切相关。计算表明，潮汐引起的地球扁率变化和不同纬度大气差异旋转与大气运动有关，特别是与纬度35o~60o左右南北两个盛行西风带、纬度60o左右南北两个多风暴带（低压带）的风暴形成机制有关。
    当太阳的位置由南北回归线移向赤道，太阳潮使地球扁率变为最大，地球自转变慢，日长增量0.27ms（毫秒），相当于1/3704s（秒），它是春分和秋分时的地球自转速度小于夏至和冬至时的自转速度的原因。当地球由远日点运动到近日点时，太阳引潮力的强度增加10%，得日长增量 0.07ms，相当于1/14286s。这使远日点的地球自转速度大于近日点的自转速度，从而使远日点处的增减速时间变长，近日点处的增减速时间变短。实际上，每年4月9日-7月28日及11月18日-1月23日为地球自转加速阶段；1月25日-4月7日及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段。快慢时段的昼夜时间（日长）长短的差别不超过几千分之几秒，但是这种变化可以影响到气象事件，与计算值量级完全相符。
    地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为80m，海洋圈的起伏大约为60cm，固体地球的起伏约为20cm，比例为400：3：1。当太阳在赤道，日月大潮在赤道处形成最大潮汐高潮区，地球的大气圈、水圈和岩石圈的扁率变大，自转变慢。
    地球的岩石圈、水圈和大气圈的线速度增量分别为 -0.000145cm/s、-0.000435cm/s和-0.058cm/s，即地球各圈层自转减慢。以岩石圈为参照，水圈相对减慢最少，气圈相对减慢最多。这导致赤道东风增强，赤道太平洋热水集中在西太平洋。所以，太阳在赤道有利于拉尼娜事件的形成，对应时间为3月末或9月末（春分3月20-22日，秋分9月22-24日，太阳在赤道面上）。由于日月的位置不同，月亮潮可以增加或减弱这一效应。
    在6月末或12月末（夏至6月21或22日，冬至12月21-23日）日月大潮发生在南北回归线附近，地球各圈层自转加快。以岩石圈为参照，水圈相对加快最少，气圈相对加快最多。这导致赤道东风减弱，赤道太平洋热水回流到东太平洋，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应时间为6月末或12月末，与季节性厄尔尼诺现象发生在12月25日圣诞节附近的季节性特征相符，厄尔尼诺是西班牙语“圣婴”，发生在圣诞节附近。
    季节性厄尔尼诺现象发生在12月末的原因还在于，每年1月3日或4日为地球轨道近日点，太阳引潮力增大10.2%，与11月18日—1月23日（66天）地球自转加速阶段相对应。冬至为12月22日或23日，离地球轨道近日点1月3日或4日很近，太阳潮最强。引起地球扁率变化也最显著。日食发生时，日、地、月成一线排列，潮汐强度最大，对厄尔尼诺和拉尼娜的影响也最大。
总之，每年4月9日-7月28日及11月18日-1月23日为地球自转加速阶段，有利于厄尔尼诺的形成；1月25日-4月7日及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段，有利于拉尼娜的形成[3]。
 
南极半岛-德雷克海峡海冰最小值导致厄尔尼诺发生
 
    由于处于南半球夏季，每年2月南极半岛-德雷克海峡海水异常最暖，海冰出现最小值，赤道太平洋3月海水最暖；由于处于南半球冬季，由于处于南半球冬季，每年9月南极半岛-德雷克海峡海水异常最冷，海冰出现最大值，赤道太平洋9月海水最冷。关键在德雷克海峡海冰开关作用。
    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，有利于拉尼娜的形成，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，有利于厄尔尼诺的形成，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）[4]。

1997年2月28日海温矩平

图1. 全球气候的德雷克海峡海冰启动开关示意图
 
    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。
    据乌拉圭设在南极的阿蒂加斯科学考察站1998年5月的报告，由于受到厄尔尼诺现象影响，最近南极气候发生一系列异常变化。1998年南极出现暖冬现象，没有往年的强风暴，降雪量也比较少，有些地方积雪仅10厘米，气温维持在-2℃至7℃左右。另外，一些冰川出现裂缝，许多冰块脱离南极陆缘冰盖母体向南大西洋漂移。他们指出，南极在冬季出现这种现象是不可思议的[5]。
 
综合因素导致厄尔尼诺形成
 
    太阳潮、月亮潮、日食、月食、地球自转、太阳活动、德雷克海峡海冰变化等综合因素的叠加导致厄尔尼诺或拉尼娜的发生。
    1997-1998年最强的厄尔尼诺事件发生原因在于：1996年11月18日-1997年1月23日为地球自转加速阶段，有利于厄尔尼诺的形成；1997年2月德雷克海峡海冰达到最小值，南极半岛海温最暖，多项因素叠加达到最大值。
    2013-2014年可能发生太阳黑子峰年和强拉尼娜事件[6]，相关的叠加条件和严重低温冻害、冷冬、强台风、强震、流感等拉马德雷冷位相灾害链值得关注。
 
参考文献
 
1. 谷利源。厄尔尼诺现象使地球自转放慢。来源：中国气象报社。发布时间：2013-01-16 http://www.cma.gov.cn/kppd/kppdqxwq/kppdjckp/201212/t20121218_197955.html

2. 吴贤纬。厄尔尼诺期间的海平面高度升高。来源：中国气象报社。发布时间：2013-01-16 http://www.cma.gov.cn/kppd/kppdqxwq/kppdjckp/201212/t20121218_197955.html

3. 杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.
4. 杨冬红，杨学祥。澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关。地球物理学进展。2007，22（5）：1680-1685。
5. 胡积康。厄尔尼诺现象影响南极气候。来源：中国气象报社。发布时间：2013-01-16 http://www.cma.gov.cn/kppd/kppdqxwq/kppdjckp/201212/t20121218_197943.html

6. 杨学祥。2012年厄尔尼诺预测被证实 2013-2014年将发生强拉尼娜。2012-7-21 07:45 科学网。http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-594209.html