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气象学家遭遇世纪难题:地震与气候变冷的关系
杨学祥,杨冬红
一、2009年11月至2010年1月北半球低温暴雪的原因
中国工程院院士 中国气象局国家气候中心研究员丁一汇最近指出,今年冷空气暴发之所以如此偏早、持续、频繁,主要有两大原因:
第一,“北极涛动”出现负位相。从本世纪初开始,北极涛动的正位相开始逐步减弱,向负位相方向发展,即极地气压逐步升高,低压变高压异常。如此一来,原本仅在极地附近绕西风带活动的极地冷空气开始向南蔓延,即通常所谓的寒流。正是此次北极涛动突然出现负位相,致使极地寒流向南沿三条路径侵袭了北美东部,特别是在北美的东南部;北欧和西欧,包括英国在内;东亚,特别是东北亚。
第二,非正常的“厄尔尼诺”。根据2009年7月至11月的气候特征分析,2009年应该是一个厄尔尼诺年,但是进入12月后,赤道太平洋的增温中心并没有像原先预测的那样移向中、东太平洋地区,而是停留在了中太平洋,致使西太平洋海洋的海温没有出现偏低现象,偏暖的海温增加大气对流的活跃性,云量增加。这种厄尔尼诺的异常变化导致极地冷涡分裂并长时间偏南,无法尽快返回极地。
“北极涛动”原因之一是平流层的爆发性增温。为何此次北极涛动突然变成了负位相?大家仍在深入研究探讨,但至少原因之一是来自平流层大气的变化。观测资料显示,在这次冷冬出现之前,平流层在11月初和12月初产生了两次大的爆发性增温。特别是12月初平流层的爆发性增温使暖高压到达极地,将冷涡切分成几股,迫使冷涡流向纬度偏低地区。此后,美国、英国、法国、德国和中国、韩国等上演了一幕幕暴风雪灾害。至于平流层变化背后的原因仍需要进一步的科学研究。
“假厄尔尼诺”增加了气候预测的难度。科学家认为这种“厄尔尼诺”其实是“假厄尔尼诺”,即看似为厄尔尼诺年,但实际上不完全是厄尔尼诺年。这种异常的厄尔尼诺非常类似于拉尼娜。如此一来,原本就属异常的厄尔尼诺现象本身也变得异常,这就使气候预测增加了复杂性。目前赤道太平洋的增温中心已经从中太平洋开始移向东太平洋。据国家气候中心预测,极地冷涡未来强度会逐渐减弱,经过1月下旬的过渡期,当2月份赤道太平洋增温中心到达东太平洋正常位置时,气候会重新回归偏暖的状态[1]。
国外科学家认为“在过去几十年里,北极涛动指数多为正值。今年冬季,北极涛动指数出现负值情况,造成美国、欧洲和中国出现寒冬。” 北京大学物理学院大气科学系王绍武教授认为,这个分析是对的。北极涛动现在是个很低的值,但是究竟北极涛动处于负位相的这个阶段,是仅出现这一个冬季,还是会连续十几个冬季,目前还没有科学定论。
有科学家认为,可能会二十年到三十年的处于负位相。这也只是讲的一种趋势,并不是说每年如此。因为在过去一百年,北极涛动是每二三十年处于正位相,每二三十年处于负位相。所以“二三十年处于比较弱”的观点是可以理解的,但是未来北极涛动的负位相能维持多长时间,现在还有争议。
现在争论的焦点主要是年代际气候预测。短期预报有天气图、气候预测有各种模式,而针对几十年的预测却没有很好的办法。国外也是有两种意见,一种意见就是北极涛动很快会变成正值,一种意见认为会变成负值。正是由于没有很准确的方法,大家的预报意见才有分歧[2]。
与北极涛动对应的是太平洋十年涛动,与北极涛动一样也是每二三十年处于正位相,每二三十年处于负位相。
二、地震与气候变冷的关系
“拉马德雷”是一种高空气压流,亦称太平洋十年涛动,分别以“暖位相”和“冷位相”两种形式交替在太平洋上空出现,每种现象持续20年至30年。近100多年来,“拉马德雷”已出现了两个完整的周期。当“拉马德雷”现象以“暖位相”形式出现时,北美大陆附近海面的水温就会异常升高,而北太平洋洋面温度却异常下降。与此同时,太平洋高空气流由美洲和亚洲两大陆向太平洋中央移动,低空气流正好相反,使中太平洋海面升高。当“拉马德雷”以“冷位相”形式出现时,情况正好相反。中太平洋海面反复升降导致地壳跷跷板运动,引发强烈的地震活动。全球强震也有类似的规律。
“拉马德雷”(Lamadre )现象是美国海洋学家斯蒂文.黑尔于1996年发现的,是一种高空气压流,在气象学和海洋学上被称为“太平洋十年涛动”(PDO),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,Lamadre 已经出现了两个完整的周期。第一周期的“冷位相”发生在1890年—1924年,而“暖位相”发生在1925年—1945年;第二周期的“冷位相”发生在1946年—1976年,而“暖位相”发生在1977年—1999年。2000年进入第三周期的“冷位相”。Lamadre是西班牙语“母亲”的意思,即她是El Nino和La Nina的母亲。
近十年研究发现,El Nino和La Nina的发生与更大时间尺度的“太平洋十年动动” (Pacific Decadal Oscillation,缩写为PDO)密切相关[3-4]。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ENSO事件的频率和强度。1976-1977年北太平洋出现了一次显著的气候年代际突变现象,直到上世纪八十年代末,人们才开始对引起这种现象原因予以关注[5-6]。
1889年以来,全球大于等于8.5级的地震共21次,在1889-1924年“拉马德雷”“冷位相”发生6次,在1925-1945年“拉马德雷”暖位相”发生1次,在1946-1977年“拉马德雷”“冷位相”及其边界发生11次,在1978-1999年“拉马德雷”现象以“暖位相”发生0次,在2000-2007年“拉马德雷”“冷位相”已发生3次。规律表明,拉马德雷冷位相时期是全球强震的集中爆发时期。2000年进入了拉马德雷冷位相时期,2000-2035年是全球强震爆发时期[7-10]。
“拉马德雷”与“厄尔尼诺”和“拉尼娜”之间的关系,根据资料分析,如果“暖位相”的“拉马德雷”与“厄尔尼诺”相遇,将使其更强烈,出现的次数更频繁;假如“冷位相”的“拉马德雷”与“拉尼娜”现象相遇,那么“拉尼娜”将显示强劲的势头,出现频繁。
1953年和2007年都是月亮赤纬角最大值年,月亮赤纬角变化周期为18.6年,3个周期为56年,构成一个拉马德雷冷暖位相转换周期。1953年处于1947-1976年拉马德雷冷位相时期,2007年处于2000-2030年拉马德雷冷位相时期。拉马德雷冷位相时期的主要特征是,8.5级以上强震、低温冷害和世界流感大流行频繁发生。
在1947-1976年拉马德雷冷位相时期,8.5级以上强震发生11次,中国东北严重低温冷害发生5次(1954年、1957年、1969年、1972年、1976年,其中第一年为拉尼娜年,后4年为厄尔尼诺年),世界流感大流行发生3次(1957-1958年、1968-1969年和1976-1977年,当年都是厄尔尼诺年,前一年为拉尼娜年)。
1977-1999年的拉马德雷暖位相时期,全球没有发生8.5级以上强震,中国东北没有发生严重低温冷害,全球没有发生流感大流行。2000年进入拉马德雷冷位相时期,
20世纪以来世界八大地震的基本情况(按震级划分和排列)如下:
1、智利大地震(
2、美国阿拉斯加大地震(
3、美国阿拉斯加大地震(
4、(并列)印尼大地震(
4、(并列)俄罗斯大地震(
5、厄瓜多尔大地震(
6、(并列)印尼大地震(
6、(并列)美国阿拉斯加大地震(
7、中国西藏大地震(
8、(并列)俄罗斯大地震(
8、(并列)印尼大地震(
8、(并列)俄罗斯千岛群岛大地震(
8、(并列)印尼大地震(
按时间顺序,1906、1923、1938、1950、1952、1957、1960、1963、1964、1965、2004、2005、2007年发生了8.5级以上强震,与太平洋十年涛动冷信号一一对应,其中,1950-1957年的3次强震和1960-1965年的4次强震对应1950-1957年和1962-1965年最强冷信号。
全球20世纪初的低温期、30-40年代的增暖、50-60年代的低温和80年代后的迅速增暖,与拉马德雷冷暖位相的转变一一对应。郭增建的“深海巨震降温说”是一种合理的解释: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,其降温的物理机制也很明显[11-13]。伴随拉马德雷冷位相中地震的增强,近20年内全球气温将逐渐变冷。建立全球防冷机制迫在眉睫。
全球变暖导致的冰川融化和海平面上升,破坏了地壳的原有重力均衡,失去冰川的陆壳僵均衡上升,增加海水的洋壳将均衡下降,由此引发强烈的地震火山活动,并导致全球变冷。气象学家并不了解这一变冷的构造运动原因和机制,所以对突然的气候变冷迷惑不解。
丁一汇院士指出,近十年中,在我国气候变化的“暖调”中,出现了三首意外的“冷插曲”,记忆深刻[1]:
插曲一:2004/2005年冬季中国出现了两次大范围寒潮过程(
插曲二:2008年1月南方冰冻雨雪天气。主要是因为冷空气连续四次从新疆入境后沿青藏高原经河南安徽南下,与从孟加拉湾、南海等输送到陆地的水汽在长江和长江以南交汇,形成了冻雨(对应
插曲三:今年冬季华北等地寒潮暴雪天气。主要成因是偏北冷空气(冷高压)直接从北方入境,并很快向东南进入了黄渤海区域,形成东风回流,最后以非常短的路径,把海洋上的水汽输送到陆地,与北下的冷空气交汇在华北、东北及安徽、山东等地。充沛的水汽加之北方寒冷的温度,就形成了大到暴雪(对应
我们在2009年11月指出,根据历史记录,就全球灾害变化的趋势而言,萨摩亚8级地震引起的南太平洋大海啸可能导致全球气温的逐渐降低,引发低温冻灾,增大流感爆发的强度。我们必须了解这一变化的历史记录和物理过程。我们的低温冻灾预测得到证实[14-16]。
三、假厄尔尼诺和拉马德雷冷位相的关系
丁一汇院士指出,今年冷空气暴发之所以如此偏早、持续、频繁,第二个原因是非正常的“厄尔尼诺”。根据2009年7月至11月的气候特征分析,2009年应该是一个厄尔尼诺年,但是进入12月后,赤道太平洋的增温中心并没有像原先预测的那样移向中、东太平洋地区,而是停留在了中太平洋,致使西太平洋海洋的海温没有出现偏低现象,偏暖的海温增加大气对流的活跃性,云量增加。这种厄尔尼诺的异常变化导致极地冷涡分裂并长时间偏南,无法尽快返回极地。
“假厄尔尼诺”增加了气候预测的难度。科学家认为这种“厄尔尼诺”其实是“假厄尔尼诺”,即看似为厄尔尼诺年,但实际上不完全是厄尔尼诺年。这种异常的厄尔尼诺非常类似于拉尼娜。如此一来,原本就属异常的厄尔尼诺现象本身也变得异常,这就使气候预测增加了复杂性。目前赤道太平洋的增温中心已经从中太平洋开始移向东太平洋。据国家气候中心预测,极地冷涡未来强度会逐渐减弱,经过1月下旬的过渡期,当2月份赤道太平洋增温中心到达东太平洋正常位置时,气候会重新回归偏暖的状态[1]。
事实上,“假厄尔尼诺”并不是21世纪出现的新问题。在1946-1976年拉马德雷冷位相时期,1957、1969、1972、1976年都发生了厄尔尼诺事件,与此同时,中国并没有发生暖冬,反之,这四年中国东北发生了严重的低温冻害。长江中下游冬季最大连续冰冻天数超过4天的年份1955、1957、1984、1969、1972、1977、1984年也集中在拉马德雷冷位相时期,有8年的滞后期。1954年中国东北严重低温冻害和1955年长江中下游冬季最大连续冰冻天数超过4天发生在1947年拉马德雷进入冷位相7年之后,2008年中国冰雪冻灾在2000年进入拉马德雷冷位相8年之后,这一规律值得深入研究。拉马德雷冷位相是假厄尔尼诺发生的可能原因,需要进一步研究。