理论计算和实践验证：拉马德雷冷位相低温冻害频发

               杨学祥

1         引  言

北半球2010年初受到强烈寒流和创纪录的大雪侵袭，从中国、韩国到俄罗斯，从西欧到美国大平原，都因酷寒和暴雪而遭灾。亚洲东北部雪势最严重，使这个地区陷入六十年来最严酷的冬天，全球变暖面临空前的挑战。

早在2009年3月，凯尔·斯旺森和安纳斯塔西奥斯·托尼斯就指出，在21世纪气温总体上升趋势中，会交替出现阶段性的30年变暖和30年变冷。全球气候在2001年至2002年间就已经进入了这样一个阶段^[1]。丹·伊斯特布鲁克教授认为，“太平洋十年涛动”周期是影响全球气候冷暖的决定性因素。这是一种冷暖交替的周期，在30年的暖周期后，现在它已经开始变冷了。地球在1945年至1977年的变冷与太平洋上一次的冷周期时间一致^[2-4]。以下研究成果值得借鉴。

我们在2004年就提出，地球进入变冷周期：正当全球变暖的证据铺天盖地而来之际，地球变冷的信息悄然而至。透过表面现象看本质，地球气候变化的动力机制已发生重大的变化，预示一场类似20世纪50-70年代的变冷过程正在到来。1947-1976年和2000-2035年都对应太平洋十年涛动冷位相。

1.1  太平洋十年涛动及其对全球气候的影响

近十年研究发现，厄尔尼诺（El Nino）和拉尼娜（La Nina）的发生与更大时间尺度的“太平洋十年涛动”（Pacific Decadal Oscillation，缩写为PDO，亦称为拉马德雷现象）密切相关^[5-6]。PDO是近年来揭示的一种年代际时间尺度上的气候变率强信号，它是叠加在长期气候趋势变化上的一种扰动，直接造成太平洋及其周边地区气候的年代际变化，影响厄尔尼诺—南方涛动（El Nino South Oscillation，缩写为ENSO）事件的频率和强度^[7-8]。

PDO是一种高空气压流，其“暖位相”和“冷位相”两种形式分别交替在太平洋上空出现，每种现象持续近二十年至三十年。近一个世纪以来，PDO已经出现两个完整的周期。第一周期的“冷位相”发生在1890-1924年，而“暖位相”发生在1925-1945年；第二周期的“冷位相”发生在1946-1976年，而“暖位相”发生在1977-1999年。2000年进入第三周期的“冷位相”。一个周期为50-70年^[7-8]。2006年以来，我们研究了潮汐和地震在“太平洋十年涛动”冷暖位相转换中的作用。“太平洋十年涛动”的研究为2010年初的低温暴雪提供了一个可能的自然机制^[9-12]。

1.2  海洋对气候变化的影响

海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的主要供应者^[13-14]。海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在-2℃左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。我们称这个过程为海底藏冷效应。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了15℃，大气冷却了10-15℃^[15]。目前海洋底层温度为2℃，它为大气提供了充足的冷源。

1.3  潮汐影响气候变化

在十五世纪至十七世纪的二百余年内，全球强震发生频繁，其它自然灾害也很集中，如瘟疫流行，低温冻害严重，被称为小冰期时期。这个时期也正是太阳黑子蒙德极小值时期^[16]，太阳活动处于低值状态，有人把它看作是小冰期气候产生的原因。

2000年查尔斯·季林（Keeling）提出，强潮汐把海洋深处的冷水带到海面，使全球气候变冷，形成的全球气候波动周期大约为1800年。在十五世纪小冰期时期，潮汐强度为最大值，以后开始减弱，直到3100年潮汐强度又将达到最大值。潮汐调温效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到二十四世纪，而后随着潮汐的增强，地球的气候将逐渐变冷^[17]。

潮汐高低潮还有200年左右的明显周期变化。其中，1425年、1629年两次峰值对应小冰期时期，1770年的峰值对应18世纪的低温，1974年的峰值对应20世纪70年代的气候变冷。特别是潮汐54-56年周期（与太平洋十年涛动的50-70年周期对应），在全球气候变化中有非常明显的作用。

郭增建等人在1991年提出月亮潮迫使地球放气形成中国旱涝18.6年周期的观点^[18]。蓝永超等人发现，黄河上游每个丰、枯水周期平均持续时间基本相同，一个完整的丰枯循环周期大约在十八年左右^[19]，与日食月食18年沙罗周期对应。李国庆发现月亮视赤纬角变化周期13.6天、27.3天与地球自转速度变化有明显的对应关系并影响天气变化^[20]。

1.4  深海巨震降温

2002年郭增建提出“深海巨震降温说”：海洋及其周边地区的巨震产生海啸，可使海洋深处冷水迁到海面，使水面降温，冷水吸收较多的二氧化碳，从而使地球降温近20年。20世纪80年代以后的气温上升与人类活动使二氧化碳排放量增加有关，同时这一时期也没有发生巨大的海震。巨震指赤道两侧各40^°范围内的Ms 8.5级和大于Ms 8.5级的海震^[10]。郭增建等人指出，9级和9级以上地震与北半球和我国的气温有很好的相关性^[18]。

海洋及其周边巨震，特别是地震引起的海啸，将海底冷水翻到表面，降温效果是明显的，这可以从2004年12月26日印尼地震海啸后气温的剧烈波动变化中得到验证。2004年、2005年、2007年、苏门答腊三次Ms 8.5级以上强震和2009年9月30日南大洋萨摩亚群岛Ms 8级地震海啸，是2005年中国18年暖冬终结、2006年初低温寒流、2008年初中国南方罕见冰雪冻灾、2010年初低温暴雪袭击北半球的前兆和成因，2010年2月27日智利Ms 8.8级地震和海啸与2010年12月欧美暴雪低温和英国三百年来的最强寒流的对应性再次验证了这一结论。

20世纪4场最强的特大地震在很短的时间内都发生在环太平洋地震带的沿海地区：1952年堪察加地震，1957年阿拉斯加阿留申群岛地震，1960年智利地震，1964年阿拉斯加威廉王子海峡地震，与50-70年代低温期相对应。

表1  1890年以特大地震和PDO冷位相对应关系

Table 1  Relation between the strongest earthquakes and PDO from 1890 to 2011

注: 括号内为国外数据，？表示预测

2         周期分析的证据

对潮汐周期的叠加和地震数据的分析中，我们发现潮汐对太平洋十年涛动的影响以及地震和气候变化相同的周期关系，表明潮汐和地震在气候波动变化中的作用不可忽视。

2005年以来，作者的数值计算得到一些可以验证的新结果。过去人们仅仅知道太阳黑子活动有11a（年）和22a周期，实际上潮汐也有11 a和22 a周期。

交点月周期27.21d(天)，朔望周期29.53d，合成周期803.5113d，合2.2014a，整数年约为22a。月亮近点月周期27.55d，与日月大潮周期和朔望周期合成406.7757d和813.5515d周期，合1.1145a和2.2289a周期。交点月周期和月亮近点月周期27.55d合成749.6355d，合2.0538a。月亮视赤纬角变化周期为13.65d、27.3d，与日月大潮周期及朔望周期合成403.0845d和806.169d周期，合1.1043a和2.2087a周期。月亮视赤纬角变化周期13.6d、27.3d与月亮近点月周期合成376.0575d和752.115d，合1.0303a和2.0606a。由此衍生的公倍周期有3.1、3.34、4.1、4.9、5.5、5.57、9、9.5、9.9、11、18.6、22、27、30、33、44、54、55、55.7、60、77、90、110、179.6、182.4、186、200、205、220 a。

在澳大利亚气象学家E. 布赖恩特编著的《气候过程和气候变化》中，有关气候现象循环的记录75项^[21]。潮汐周期与气候现象循环的记录有很好的对应性^[22]，与潮汐周期相同的有66项，占88%，表明潮汐是影响气候现象循环的主要因素。潮汐的多种周期在受到它们的共同周期和其它周期因素叠加时，表现得更为强烈，如11a和22a周期是潮汐和太阳活动的共同作用，占75项气候现象循环记录中的17项。

表2  太平洋十年涛动51-56年准周期

Table 2  51-56a cycle by PDO

表3  潮汐叠加振幅对比

Table 3  Contrast among the amplitude of tidal cycles

3.  最新证据

据英国《卫报》报道，美国斯克里普斯海洋研究所开展的最新研究认为，全球变暖的“暂停”与世界上最大的海洋循环系统太平洋的十年涛动有关。受涛动影响，近年来太平洋东部热带地区海域已显著转凉，且这一阶段可能持续多年，何时结束难以预测。

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/9/282052.shtm

在20世纪40-70年代间，地球表面温度没有明显上升。同时期，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象的始作俑者——热带太平洋的温度则出现不规律的下降。在过去十多年间，热带太平洋的温度继续下降，发生拉尼娜现象的次数要多于厄尔尼诺现象。一项新的研究表示，这可能解释了全球变暖为什么在最近出现停顿。

最近国外研究结果显示，“热带太平洋是全球气候的动力。过去出现过加速或减速变暖的时期，”显然，地球上最大的海洋影响着气候，而热带太平洋温度变化的动力何在并不清楚。

事实上，我们在2011年发表的文章中指出，海洋是能量的储库，无论是冷是热，都有一个长期的积累过程。强潮汐和强地震将海洋底层冷水翻到表面，导致表层海水变冷，阻止了全球变暖。一亿年前的中生代是全球温暖时期，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度，最终导致第四纪大冰期的发生。如果海洋底层冷水的温度没有提升到一亿年前的水平，强潮汐和强震就会不断将底层冷水翻到表面，阻止全球变暖。

2002年郭增建提出，海洋及其周边地区的巨震会产生海啸，可使海洋深处冷水迁到海面，从而使地球降温20年[27]。全球变暖导致冰盖融化海平面上升，破坏了原有的地壳均衡，导致海洋地壳均衡沉降，引发环太平洋地震带频发的地震活动。深海巨震的降温作用使全球气候变冷，形成自然的冷暖自调节作用，其能源来自太阳辐射变化造成的冰水转换。

2000年美国科学家季林认为，地球、月亮和太阳相对位置的变化会引起潮汐强度的逐渐变化，其周期与邦德提出的“气候周期”是一致的。潮汐大时，就有更多来自海洋深处的冷水被带到海面。这些冷水可以冷却海洋上的空气。潮汐小时，海洋深处的冷水很难被带到海面，世界就变得暖和。据季林的计算，大约在1425年即小冰期的末期，潮汐达到了最大值，从那以后逐渐减弱，直到3100年潮汐又达到最大值。这个周期是过去1万年气候变迁的主要动力。这个效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到24世纪[33]。

潮汐高低潮还有200年左右的明显周期变化。其中，1425年、1629年两次峰值对应小冰期时期，1770年的峰值对应18世纪的低温，1974年的峰值对应20世纪70年代的气候变冷。特别是潮汐54-56年周期（与太平洋十年涛动的50-70年周期对应），在全球气候变化中有非常明显的作用[6]。

日本东京大学大气海洋研究所日前发表的最新研究成果显示，由于深海吸收的热能一直在增加，于20世纪后半叶开始不断升高的全球平均气温在进入本世纪以后趋于稳定。这为强潮汐和强地震导致表层海水变冷阻止了全球变暖的证据：其实，深海吸收的热能是通过强潮汐和强震来加速实现的。

海洋底层水的降温，经过上亿年的积累，不会很快被暖化，是气候变化的指示标志。60年太平洋涛动周期会持续很长时间。

http://int.gmw.cn/dzb/2013-07/23/content_1832819.htm#blz-insite

参考文献

杨冬红，杨德彬，杨学祥. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报，2011，54（4）：926-934

杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-723955.html