调控厄尔尼诺的自然因素

                         ——日食、地球自转、月亮赤纬角和南极海冰

                             杨学祥，杨冬红

图1 2012-2015年厄尔尼诺指数逐周演变（中国气象局，2015）

一、关于厄尔尼诺的一般常识

厄尔尼诺暖流，太平洋一种反常的自然现象。在南美洲西海岸、南太平洋东部，自南向北流动着一股著名的秘鲁寒流，每年的11月至次年的3月正是南半球的夏季，南半球海域水温普遍升高，向西流动的赤道暖流得到加强。恰逢此时，全球的气压带和风带向南移动，东北信风越过赤道受到南半球自偏向力（也称地转偏向力）的作用，向左偏转成西北季风。西北季风不但削弱了秘鲁西海岸的离岸风——东南信风，使秘鲁寒流冷水上泛减弱甚至消失，而且吹拂着水温较高的赤道暖流南下，使秘鲁寒流的水温反常升高。这股悄然而至、不固定的洋流被称为“厄尔尼诺暖流”。

厄尔尼诺又分为厄尔尼诺现象和厄尔尼诺事件。厄尔尼诺现象是发生在热带太平洋海温异常增暖的一种气候现象，大范围热带太平洋增暖，会造成全球气候的变化，但这个状态要维持3个月以上，才认定是真正发生了厄尔尼诺事件。

在正常年份，此区域东南信风盛行。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。^[1] 

可是每隔数年，东南信风减弱，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。

厄尔尼诺事件和拉尼娜事件是全球气候异常变化的最强信号，它们使全球气候反常，严重旱涝灾害交替发生，是自然灾害发生的主要根源。关于厄尔尼诺事件的成因众说纷纭，并未取得一致意见。主要有大气环流异常说、海洋环流异常说、地球自转减慢说、日食说、地震火山说和潮汐说等。

在赤道东太平洋，由于暖水从北边涌入，每年年末海水就会出现季节性的增暖现象。在海水增暖期间，渔民捕不到鱼而在家休息，成为季节性“假期”。因为这种现象发生在12月25日圣诞节前后，渔民就把它称为El Nino，中文音译为“厄尔尼诺”，是西班牙语“圣婴（上帝之子）”的意思。

有些年份赤道东太平洋海水增暖（变冷）异常激烈，暖（冷）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，成为全球气候带来重大影响的特殊事件。厄尔尼诺事件一词被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。目前规定发生厄尔尼诺事件的一般标准是赤道太平洋特定地区（如El Nino3区）海温异常超过0.5℃，持续时间超过6个月。

二、调控厄尔尼诺的自然因素

1.      日食

林振山等人研究发现，日食是形成El Nino和La Nina的原因。他们得出的结论是^[12]：

a.一年内在南或北极连续发生3次或3次以上的日食，则当年一定发生El Nino。

b.一年内在赤道连续发生3次或3次以上的日食，则当年一定发生La Nina。他们定义日食－厄尔尼诺系数为r_i，年日食—厄尔尼诺系数为R₁，累积日食—厄尔尼诺系数为R₂。

按照林振山等人的预测，2014年的两次日食和2015年的两次日食都发生在极区，导致较强的厄尔尼诺发生（见表1）。所以，2015年较强厄尔尼诺可能卷土重来，2018年可能发生极强厄尔尼诺。

从图1和图2中可以看到2014年4月29日、10月23日和2015年3月20日的日食，都对厄尔尼诺指数的上升有明显的贡献。预计2015年9月13日的日食会比2014年10月23日日食更早地激活厄尔尼诺进入快速发展时期。

表1 2014-2018年日食-厄尔尼诺系数及预测

日食时间中午见食纬度日食中心区 r_i   R₁ R₂预测（实况）

2014-04-29   p         极区     3

2014-10-23   p         极区      3    6   4

2015-03-20   p         极区      3

2015-09-13   p         极区      3    6   12  厄尔尼诺

2016-03-09  12         低纬      -1

2016-09-01  -2         赤道      -1   -2    4  拉尼娜

2017-02-26  -37        中纬      1

2017-08-21   38        中纬      1    2    0

2018-02-15   p         极区      3

2018-07-13   p         极区      3

2018-08-11   p         极区      3    9   11  极强厄尔尼诺

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图2  2014年2月至2015年1月厄尔尼诺3区海温矩平

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2.      地球自转半年周期和黄赤交角

黄赤交角是地球赤道与地球绕太阳运转轨道的黄道面之间的夹角，对地球四季的起决定作用。

计算表明，当太阳的位置由南北回归线移向赤道，日长增量为0.27ms,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。日长的季节性变化，周年项变化的幅度约0.4 ms，半年项变化幅度约0.3ms。两种波动叠加在一起，出现两个波峰，其幅值变化的极小值通常位于1和7月。实际上，每年4月9日-7月28日（110天）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（72天）及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段。计算值与测量值完全相符。

3.      地球潮汐形变影响地球自转

地球潮汐形变影响地球自转速度是有据可查的。据罗时芳等（1974）和任振球等（1990）的研究，地球自转周期有11.169（对应11.2年太阳黑子周期）、12.15（对应12.01年木星相似会合周期）、18.6（对应月亮赤纬角变化周期）、19.855（对应19.858年木星、土星会合周期）、22.337（对应22.2年太阳磁周）、29.783（对应29.46年土星公转恒星周期）、59.555年周期（对应59和60年木星、土星、水星相似会合周期），振幅分别为0.162、0.141、0.521、0.189、0.434、0.521、1.239毫秒（见表3.1）[8, 38]。

此种解释的矛盾是，与土星相比，木星质量大，距离地球近，产生的地球自转振幅却仅为土星的四分之一。如果加上潮汐的11.137、18.6、19.96、22.3、29.94、59.88年周期，就有很好的对应性和可比性。地球潮汐形变对地球自转速度有明显的影响[35]。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[31]。地球自转周期18.6、29.783、59.555年的振幅是最大的，月亮赤纬角在18.6年内由18.6度变为28.6度，完成一个周期循环。在月亮赤纬角为最大值28.6度时期，地球的平均扁率变小，地球自转加快；在月亮赤纬角为最小值18.6度时期，地球的平均扁率变大，地球自转变慢[6]（见图2. 3）。比较图2. 3 和表3. 1，潮汐的11.137、18.6、19.96、22.3、29.94、59.88年周期使潮汐影响地球自转的解释更加合理。

地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为465m，海洋圈的起伏大约为0.6m，固体地球的起伏约为0.2m，比例为2326：3：1。当日食在赤道，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。

   以赤道长半径a的增量da为0.02m（岩石圈）、0.06m(水圈)、46m（大气圈）计算，日月大潮在赤道可使岩石圈日长增加0.27ms，水圈日长增加0.81ms，大气圈日长增加0.628s。换算成线速度，地球的岩石圈、水圈和大气圈的线速度增量dv分别为 -0.00000145m/s、-0.00000435m/s和-0.00348m/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，日食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）。这与厄尔尼诺日食说的结论是一致的，既提供了新的动力机制。

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。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。

4.      月亮赤纬角变化对厄尔尼诺影响最大

月亮引潮力是太阳引潮力的2.17倍，月亮赤纬角（即白赤交角）在18.6度（最小值时期）至28.6度（最大值时期）之间变化，黄赤交角为23.5^o。所以，月亮赤纬角变化可使日长发生0.6 ms的变化，在受到太阳干扰或增强时，日常变化范围可达0.3-0.9 ms。月亮视赤纬角最大值和最小值引起的地球形变，使地球自转加速，日长产生0.2– 1ms（毫秒）的变化。计算值与测量值完全相符。

月亮赤纬角变化对地球自转的半年周期也有重大贡献。

1940-2010年的轨道计算表明，由月亮赤纬角变化周期和日月大潮变化周期合成一个近似为一年的周期，潮汐南北震荡在一年中有两次高潮和两次低潮：1月末至5月中下旬和8月初至11月初为低潮期，5月末6月初至7月末和11月末至1月中旬为高潮期。具体日期并不固定，大约有1-2周的前后波动，形成气候的突变（见表2）。由于春季的潮汐南北震荡处于低潮期，冷暖空气交汇动力不足；夏季的潮汐南北震荡处于高潮期，冷暖空气交汇动力强大。所以，春雨贵似油，夏雨遍地流。由于秋季的潮汐南北震荡处于低潮期，冷暖空气交汇温和轻柔；冬季的潮汐南北震荡处于高潮期，冷空气活动强烈。所以，秋高气爽，冬寒雪大。这是大气环流在冬夏以径向为主，在春秋以纬向为主的原因。

表2 月亮赤纬角变化周期与日月大潮周期叠加的强南北震荡周期有近似1年周期

注：日月大潮与月亮赤纬角极大值的时差不超过3天时，定义当月为强潮汐南北震荡时期。由于日月大潮强度大于月亮近地潮，潮汐南北震荡以此周期的强度为最大，并由此确定一年四季的冷空气活动强度。

潮汐南北震荡高潮发生在日月大潮叠加月亮赤纬角最大值时期，此时地球扁率变小，地球自转变快；潮汐南北震荡低潮发生在日月大潮叠加月亮赤纬角最小值时期，此时地球扁率变大，地球自转变慢。

潮汐南北震荡在一年中有两次高潮和两次低潮：1月末至5月中下旬和8月初至11月初为低潮期，5月末6月初至7月末和11月末至1月中旬为高潮期。

每年4月9日-7月28日（110天）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（72天）及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段。

比较可知，地球自转半年周期不只是太阳潮的作用，也包含月亮潮的作用。就潮汐组合而言，每年4月9日-7月28日（110天）及11月18日-1月23日的潮汐组合导致地球扁率变小，形成地球自转加速阶段，有利于厄尔尼诺的形成；1月25日-4月7日（72天）及7月30日-11月6日的潮汐组合导致地球扁率变大，形成地球自转减速阶段，有利于拉尼娜的形成。这在图1中有明确的表现。

5.      南极半岛海冰

由于太平洋、印度洋和大西洋在南半球彼此相连，南半球的西风漂流畅行无阻，形成开放性的西风漂流。因此，南太平洋的环流速度与南极半岛的德雷克海峡海冰状况密切相关。如果德雷克海峡被海冰封闭，南太平洋的环流速度就会大大增加，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜形成。反之，南太平洋的环流速度就会减慢，减弱秘鲁寒流，热能输送就会减弱，能量就会积累在南太平洋，有利于厄尔尼诺的产生（杨学祥，2003，2004；杨学祥等，2005；杨冬红等，2007a）。

2014年9月南极海冰增加，特别是南极半岛海冰增加，阻塞德雷克海峡表面海水通道，增强秘鲁寒流，阻碍了2014年厄尔尼诺事件的发生。南极海冰增加有利于拉尼娜事件的形成，南极海冰减少有利于厄尔尼诺事件的形成，这是拉马德雷暖位相增强厄尔尼诺，拉马德雷冷位相增强拉尼娜的原因之一（见表3）。

2015年9月南极海冰最大值的异常程度对厄尔尼诺有重大影响。

表3  1999-2012年南极海冰变化与厄尔尼诺事件

年  份  9月的平均程度（百万平方公里）2月平均范围（百万平方公里）气象事件

1979–2000 mean    18. 7                 2.9

1999/2000         19.0                  2.8                      强拉尼娜

2000/2001         19.1                  3.7                      强拉尼娜

2001/2002         18.4                  2.9                    弱厄尔尼诺

2002/2003         18.2                  3.9                      厄尔尼诺

2003/2004         18.6                  3.6                      

2004/2005         19.1                  2.9

2005/2006         19.1                  2.7                      厄尔尼诺

2006/2007         19.4                  2.9                        拉尼娜

2007/2008         19.3                  3.9                        拉尼娜

2008/2009         18.5                  2.9                      厄尔尼诺

2009/2010         19.2                  3.2                      强拉尼娜

2010/2011         19.2                  2.5                        拉尼娜

2011/2012         18.9                  3.5                夭折的厄尔尼诺

2012/2013         19.44

2013/2014         19.50                                         弱拉尼娜

2014/2015         20.11                             夭折的或弱的厄尔尼诺

http://blog.sina.com.cn/s/blog_bd64c19e0101ihif.html

http://weather.news.qq.com/a/20140109/012127.htm

http://roll.sohu.com/20140718/n402426913.shtml

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-864190.html

三、结论

一年内在南或北极连续发生3次或3次以上的日食，则当年一定发生El Nino。从图1和图2中可以看到2014年4月29日、10月23日和2015年3月20日的日食，都对厄尔尼诺指数的上升有明显的贡献。预计2015年9月13日的日食会比2014年10月23日日食更早地激活厄尔尼诺进入快速发展时期。

每年4月9日-7月28日（110天）及11月18日-1月23日的潮汐组合导致地球扁率变小，形成地球自转加速阶段，有利于厄尔尼诺的形成；1月25日-4月7日（72天）及7月30日-11月6日的潮汐组合导致地球扁率变大，形成地球自转减速阶段，有利于拉尼娜的形成。这在图1中有明确的表现。

如果德雷克海峡被海冰封闭，南太平洋的环流速度就会大大增加，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜形成。反之，南太平洋的环流速度就会减慢，减弱秘鲁寒流，热能输送就会减弱，能量就会积累在南太平洋，有利于厄尔尼诺的产生（杨学祥，2003，2004；杨学祥等，2005；杨冬红等，2007a）。2014年9月南极海冰1979年以来最大值对厄尔尼诺的阻碍作用在图1 和图2中非常明显。

根据日食、潮汐组合、地球自转、南极海冰的变化规律，2015年厄尔尼诺在7月末将会走下坡路（见图1），9月末逐渐回升，在11月至2016年1月达到高潮，比2014年进入高潮的时间要提前。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-910584.html

参考文献

杨冬红，杨学祥。流感世界大流行的气候特征。沙漠与绿洲气象。2007，1（3）：1-8。

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。

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.

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.

杨冬红, 杨学祥.北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2): 610-615.    

杨冬红。潮汐周期性及其在灾害预测中应用。博士论文，吉林大学，2009.