厄尔尼诺发生的秘密机制：科里奥利力的搅局

                              杨学祥，杨冬红

关键提示：理论模式表明，赤道东风（贸易风）形成了赤道太平洋西部的暖池和东部的冷水区（秘鲁渔场），导致赤道太平洋西部的暖气流上升和东部的冷气流下降，在高空形成封闭的大气环流。但是，这一环流并不完整，因为在科里奥利力的作用下，上升气流向西偏转，下降气流向东偏转。实际形成的大气环流有三个：中间是温差形成的主环流，两边是科里奥利力作用下的次环流。这三个环流是不稳定的，两侧环流不断地减弱和压缩中间环流，并导致三个环流整体向东移动。环流东移是厄尔尼诺发生的重要特征（见图5）。

厄尔尼诺一词源自西班牙文El Niño，原意是“圣婴”，用来表示在南美洲西海岸（秘鲁和厄瓜多尔附近）向西延伸，经赤道太平洋至日期变更线附近的海面温度异常增暖的现象。厄尔尼诺一般发生在12月25日圣诞节附近，所以人们称之为“圣婴”。

厄尔尼诺发生时太平洋表层水温异常现象

图1 赤道太平洋正常状态和厄尔尼诺状态下的赤道信风（贸易风））和海流变化

在正常年份，此区域东南信风（赤道信风的南支流，在南半球）盛行。赤道表面东风应力把表层暖水向西太平洋输送，在西太平洋堆积，从而使那里的海平面上升，海水温度升高。而东太平洋在离岸风的作用下，表层海水产生离岸漂流，造成这里持续的海水质量辐散，海平面降低，下层冷海水上涌，导致这里海面温度的降低。上涌的冷海水营养盐比较丰富，使得浮游生物大量繁殖，为鱼类提供充足的饵料。鱼类的繁盛又为以鱼为食的鸟类提供了丰盛的食物，所以这里的鸟类甚多。由于海水温度低，水温低于气温，空气层结稳定，对流不宜发展，赤道东太平洋地区降雨偏少，气候偏干；而赤道西太平洋地区由于海水温度高，空气层结不稳定，对流强烈，降水较多，气候较湿润。

当东南信风异常加强时，赤道东太平洋海水上翻异常强烈，降水异常偏少；而赤道西太平洋海水温度异常偏高，降水异常偏多。这就是所说的拉尼娜事件。拉尼娜现象与厄尔尼诺相反，指东太平洋海水温度异常降低。两种现象都与全球气候有密切联系，可能导致极端天气出现的几率增加。

可是每隔数年，东南信风（赤道信风的南支流，在南半球）减弱，东太平洋冷水上翻现象消失，表层暖水向东回流，导致赤道东太平洋海面上升，海面水温升高，秘鲁、厄瓜多尔沿岸由冷洋流转变为暖洋流。下层海水中的无机盐类营养成分不再涌向海面导致当地的浮游生物和鱼类大量死亡，大批鸟类亦因饥饿而死。形成一种严重的灾害。与此同时，原来的干旱气候转变为多雨气候，甚至造成洪水泛滥，这就是厄尔尼诺。

关键在于大气环流的变化和科里奥利力的作用

赤道贸易风是如何形成的？为什么会时强时弱？

天气变化主要与对流层气体运动有关。吸收太阳辐射热量所在空间的温度和高度控制了对流层的气体密度和气压。一般在空气受热强的地区，形成低密度的低压区；而在受热弱的地区，形成高密度的高压区。在近地面水平方向上，赤道地区为低压区，两极地区为高压区；在垂直方向上，靠近地面的热空气为低压区，高空冷空气为高压区。气压的不均匀性导致气体运动，形成大气环流。受这一规律控制，一般空气在地面从两极流向赤道，在高空则从赤道流向两极。实际的气流分布并不这样简单，除赤道和两极外，还出现了30^o、35^o和60^o三个特征纬度，表明太阳能量分布差异不是大气环流形成的唯一因素^[5]。上述计算表明，气流分布出现了0 ^o、30^o、35^o、60^o和90^o五个特征纬度，与潮汐形变引起的地球扁率变化以及相关纬度大气的自转速度变化相关。

赤道接受太阳能量最多，是全球最热的地方。地表空气受热后膨胀，密度变小，上升到高空，周围冷空气流来补充，形成中低纬度大气的哈得来环流（见图2）。

图2 哈得来环流示意图

在南北纬30度的冷空气流向赤道的同时，由于科里奥利力的作用，赤道地表的气流向东偏转，形成赤道贸易风（东风），赤道表面东风应力把表层暖水向西太平洋输送，在西太平洋堆积，从而使那里的海平面上升，海水温度升高（见图3）。而东太平洋在离岸风的作用下，表层海水产生离岸漂流，造成这里持续的海水质量辐散，海平面降低，下层冷海水上涌，导致这里海面温度的降低。科里奥利效应不容忽视。

图3 由赤道贸易风形成的高空大气环流（红黄色表示高温，蓝色表示低温）

在这里，人们犯了一个致命错误，忽视了大气高空对流中的科里奥利力效应：在科里奥利力的作用下，上升气流向西偏转，下降气流向东偏转。正确的图示见图4。

图4的理论模式表明，赤道东风（贸易风）形成了赤道太平洋西部的暖池和东部的冷水区（秘鲁渔场），导致赤道太平洋西部的暖气流上升和东部的冷气流下降，在高空形成封闭的大气环流。但是，这一环流并不完整，因为在科里奥利力的作用下，上升气流向西偏转，下降气流向东偏转。实际形成的大气环流有三个：中间是温差形成的主环流，两边是科里奥利力作用下的次环流。这三个环流是不稳定的，两侧环流不断地减弱和压缩中间环流，并导致三个环流整体向东移动。环流东移是厄尔尼诺发生的重要特征（见图5）。

当地球自转速度增加时，科里奥利力增大，这将导致两侧环流增强，中间环流减弱，具体表现为赤道东风减弱，中间环流收缩，西太平洋暖池东移，厄尔尼诺发生（见图6）；当地球自转速度减少时，科里奥利力减少，这将导致两侧环流减弱，中间环流增强，具体表现为赤道东风增强，中间环流扩张，西太平洋暖池西移，拉尼娜发生。

地球自转速度存在明显的半年周期：在春分和秋分，太阳正对赤道，太阳引潮力使地球扁率变大，自转变慢；在夏至和冬至，太阳处于南北回归线，使地球扁率变小，自转变快。

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，有利于厄尔尼诺的发生，12月25日圣诞节就在冬至（21或22日）附近，所以厄尔尼诺就称为圣婴；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，有利于拉尼娜发生。

图4 科里奥利力作用下的赤道高空大气环流（红黄色表示高温，蓝色表示低温）

图5 暖池东移导致厄尔尼诺

图6 厄尔尼诺发生时的高空大气环流：主要特征为中间环流收缩

结论

赤道太平洋的东风（贸易风）和厄尔尼诺与科里奥利力的强弱变化密切相关，与地球自转速度变化密切相关。

参考文献

1. 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.YangDH,YangD B. Thermal dynamic mechanism of ElNino induced by solareclipse.GlobalGeology(in Chinese), 2010, 29 (4):652-657.

2. 杨学祥，杨冬红。2014-2016年月亮赤纬角最小值时期雾霾进入高发期。2013天灾预测总结研讨学术会议论文集。2013，万方数据库。

3. 杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934. Yang D H,Yang D B, Yang X X, The influenceoftidesandearthquakes in global climatechanges. Chinese Journalofgeophysics(inChinese),2011, 54(4): 926-934

4. 杨学祥，杨冬红。2013年中国雾霾高发的气象原因初探。科学家. 2014, (3): 90-91.YANGXue-xiang,YANGDong-hong.MeteorologicalAnalysis of ReasonsCausingChina'sFrequent SmogWeatherin 2013. Technology andlife. 2014, (3): 90-91.

5. 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.YangX X, Chen D Y. Study oncauseofformationin Earth’s climatic changes. Progressin Geophysics (inChinese),2013,28(4):1666-1677.

6. 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.YangDH, Yang X X. Australiasnow in summer and threeiceregulatorsfor El Nino events.ProgressinGeophysics (in Chinese),2007,22(5):1680-1685.