拉尼娜为什么常带来冷冬？海洋热交换使两极变暖赤道变冷

                               杨学祥，杨冬红

1 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春  130026

2 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春  130026

3吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春  130026

摘要：本文讨论了潮汐变化引起的大气圈、海洋圈和岩石圈差异旋转。在地球扁率变大时，赤道面的高速气流和洋流产生与地球自转方向相反的由东向西运动，类似赤道东风带；在地球扁率变小时，大气和海洋赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度线以上的中高纬度地区，形成两极突起，南北纬62度线为最高值，旋转方向与地球自转方向相同，速度加快，类似中纬度地区的西风带。这一变化规律与星体大小以及形变规模无关。计算结果与全球风带分布完全符合。综合分析表明，太阳在赤道面，赤道东风加强，海洋南北赤道暖流加强，有利于拉尼娜的形成；太阳在南北回归线（22.5度），赤道东风减弱，赤道和35度线以上的西风带加强，纬度60度左右南北两个多风暴带活动强烈，海洋的中纬度西风漂流带加强，有利于厄尔尼诺的形成。月亮潮周期地增强或减弱了这一效应，形成厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生。

厄尔尼诺是热事件，阻碍赤道和两极热交换，导致两极变冷，赤道变暖；拉尼娜冷事件，加强赤道和两极热交换，导致两极变暖，赤道变冷。南极海冰开关控制了全球的温盐循环和太平洋热循环。这是厄尔尼诺常带来暖冬和拉尼娜常带来冷冬的原因。

关键词：潮汐形变，地球自转，厄尔尼诺，大气环流，海洋环流

1. 2016年的气候特征

其一，厄尔尼诺结束拉尼娜又要来

2016-7-29 11:44:13 来源:新华社作者:张淼

   新华社日内瓦2016年7月28日电世界气象组织28日在日内瓦发布公报说，2015年至2016年强厄尔尼诺已于今年5月结束，但今年第三季度将可能出现弱拉尼娜事件。

   世界气象组织说，2015年至2016年的厄尔尼诺事件是有气象记录以来最强的厄尔尼诺事件之一，其增温效应助长了全球气温不断创新高。2016年前6个月已成为有记录以来最热的半年，即使下半年出现有降温作用的拉尼娜事件，今年全年也很可能成为有记录以来最热的年份。作者:张淼

http://news.eastday.com/eastday/13news/auto/news/world/20160729/u7ai5880839.html

其二、根据美国国家冰雪中心的数据，今年9月北极海冰大幅偏少，15%密度海冰覆盖面积比常年偏少200万平方公里以上。

http://news.163.com/16/1104/06/C50O55LT000187VE.html

2016年年初由于北极海冰覆盖面积减少，北大西洋暖流疯狂冲进北冰洋，北极涡旋被捅下来，超级寒潮袭击我国，广州城区甚至飘起了雪花。自2016年7月开始，赤道中东太平洋已进入拉尼娜状态；2016年9月北极海冰大幅偏少，北极变暖比其他地区更加明显。

气象科普公号“中国气象爱好者”表示，根据美国国家冰雪中心数据，2016年9月北极海冰大幅偏少，15%密度海冰覆盖面积比常年偏少200万平方公里以上。北极海冰在加速融化，北极变暖比其他地区更加明显，极涡分裂，会导致北美、东亚、欧洲等地出现寒冷气候。

其三、2016年9月22日南极半岛海冰面积最大值异常减少。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1004570.html

2016年的主要气候特征是赤道东太平洋海水变冷，两极气候变暖。

厄尔尼诺是热事件，导致赤道东太平洋海水变暖；拉尼娜是冷事件，导致赤道东太平洋海水变冷。

现在的问题是：2014年单日最大结冰量发生在9月20日，据国家冰雪数据中心的数据显示。在这一天海冰覆盖面积为2014万平方千米。2016年五天平均最大结冰量发生在9月22日，海冰覆盖了2011万平方千米。

http://www.weather.com.cn/climate/2014/10/qhbhyw/2209601.shtml

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-861222.html

2016年9月22日南极半岛海冰面积最大值异常减少，原因是什么？

我们的观点是：厄尔尼诺就是赤道和两极热交换受阻，导致两极变冷，赤道变暖；拉尼娜就是赤道和两极热交换过度，导致两极变暖，赤道变冷。

2. 大气环流受控于地球自转和潮汐形变

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，表明月亮在月亮赤纬角0度-28.6度之间震荡和太阳在南北回归线（南北纬22.5度之间）之间的震荡对大气环流的重要影响，日月引力导致地球潮汐形变和扁率变化，引发地球自转速度变化和表面流体流动。

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0^o~30^o的南北两个信风带（贸易风带）、纬度30^o~35^o南北两个亚热带无风带（高压带）、纬度35^o~60^o左右南北两个盛行西风带、纬度60^o左右南北两个多风暴带（低压带）、纬度60^o以上南北两个寒带东风带与极地高压带（见图1）。特别值得重视的是相邻两个风带之间的过渡带，即纬度0^o、±（30^o~35^o）、±60^o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^[1]。

图1 东风带和西风带以及径向南北运动（网络图片）

M.B.斯托瓦斯把地球作为体积不随时间变化的不等速的二轴椭球体，计算了它的基本参数随扁率或偏心率变化而发生的变化，得出南北纬35^o线不随扁率变化而伸缩，由于其固定不变的特性而称为临界纬度。相反，南北纬62^o与赤道纬度，当地球扁率发生变化时，互为消长，称为共轭纬度^[2]。0^o和62^o共轭纬度以及35^o临界纬度在大气环流和海洋环流中的特殊作用，表明地球扁率变化和地球自转在大气环流和海洋环流中可能起到某种特殊作用。

M.B.斯托瓦斯的计算表明，临界纬度35^o是在扁率变化中长度不变的纬度圈。

我们计算结果表明，一个旋转速度不断增大的气体星球，在扁率不断变大的过程中，被削平的两极突起通过35^o不变圈向赤道流动，形成一个几乎静止的（相对星球自转方向相反的快速旋转）大气环流。在星球外部看来，加速旋转的气体星球象一个层层包裹的洋葱，每层的旋转速度不同，中心转速快，外层转速逐渐减小（见图2）。这非常符合木星环的旋转特征：美国学院公园市马里兰大学的Douglas Hamilton和德国海德尔堡马普学会核物理研究所的Harald Krüger发现，行星环中的微粒缓慢围绕木星运转，其形成机制尚不清楚。理论计算结果给出了一个合理的行星环形成机制：变速旋转的气体星球，赤道有慢速旋转的环，两极有快速旋转的帽^[3]。

图2  地球变扁南北纬35度线长度不变（杨冬红，2009）

根据这一变化规律，在引潮力使地球扁率变大时，赤道上空的高速气流，产生与地球自转方向相反的由东向西运动，加大赤道东风带的风速，在外空间看来几乎静止不动；在引潮力使地球扁率变小时，大气赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度线以上的中高纬度地区，形成两极突起，旋转方向与地球自转方向相同，速度加快，加大中纬度地区的西风带风速。这一变化规律与星体大小以及形变规模无关^[3]。

南北纬35^o线不随扁率变化而伸缩，由于其固定不变的特性而称为临界纬度。相反，南北纬62^o与赤道0纬度，当地球扁率发生变化时，互为消长，称为共轭纬度^[2]。0^o和62^o共轭纬度以及35^o临界纬度在大气环流和海洋环流中的特殊作用，表明地球扁率变化和地球自转在大气环流和海洋环流中可能起到特殊作用。

根据图2，两极和赤道之间不存在直接的大气环流，而是在纬度0^o、±（30^o~35^o）、±60^o、±90^o的5个纬度带相对独立循环；赤道地区的热流被封闭在0^o、±（30^o~35^o）纬度内相对循环；两极地区的寒流被封闭在60^o、±90^o纬度内相对循环，直接热对流需要打破纬度界线。

3. 海洋环流受控于地球自转和潮汐形变

对海洋而言，水平运动具有明显的规律性。在赤道附近的中低纬度地区，形成明显的全球统一性一级西向流；而在中、高纬度地区形成明显东向流。尤其在南半球纬度40^o以南、北半球纬度45^o以北地区，洋流以东向为主，形成全球性一级东向流（见图3）。洋流稳态运动速率的量级介于cm/s~m/s。大气运动和盛行凤系的存在，是导致海洋水体运动的主要动力^[1]。

图3 太平洋和印度洋的海洋环流分布图和全球气候的三个海冰启动开关示意

由于大陆的阻隔，海洋相对大气有独立的热循环系统，打破了大气循环的纬度界线，形成南太平洋的内循环和外循环，控制了两极和赤道之间的热交换。

4. 南极半岛德雷克海峡通道对全球气候的影响

在整个中生代，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极的巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送。在南、北两半球，一个单一的环流系统作用范围至少达到纬度55^o，以致宽阔的、深而缓慢的赤道流在穿过低纬度大于180^o弧的旅途中被大大加热。中始新世和早渐新世之间的总的温度下降，在整个新生代都是最急剧的。这种下降被认为由如下原因引起：1) 德雷克通道和塔斯马尼亚以南的通道开始为全球循环和气候上隔离的环极流打开了通路；2) 由于澳大利亚-新几内亚向北移动，吸热的赤道水面积缩小；3) 特提斯海关闭，不能使赤道环流通过^[4~10]。

Van Andel等人(1975)在分析了太平洋所有不整合之后提出, 德雷克通道的打通可能形成了环极流，并隔断了对南极洲的向极热输送，因而产生了冰架和冷的底水^{[6, 10]}。对第三纪早期普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，因而限制了大西洋与太平洋之间赤道水体的交换^{[6, 7]}。同理，德雷克海峡被扩展的南极冰盖封闭，导致气候上隔离的环极西风漂流带的消失，加强赤道热流向两极的输送，使扩展冰盖趋于消失。这是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因。

既然德雷克通道在中周期和长周期的气候变化中起决定性的作用，那么在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退关系重大。一个可能的模式是：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，加强沃克环流，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冰减少；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，部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，使秘鲁寒流变弱，使东太平洋表面海水变暖，减弱沃克环流，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，我们称之为南极环大陆海冰的气候开关效应(图3)。

5. 南极海冰控制的全球海洋热输送

在北半球，由于大陆的阻隔，北太平洋与北极处于半封闭状态，海洋寒流由北极进入太平洋要通过狭窄的白令海峡，流入量受到限制。印度洋北部是欧亚大陆。因此，太平洋和印度洋的北部完全在海洋暖流的控制之下。与此相反，大西洋、太平洋和印度洋对南极而言是完全开放的，特别是南半球环南极大陆强烈的海洋西风漂流，在经过南美洲的德雷克海峡时严重受阻，部分寒流沿南美洲西海岸北上，加强了秘鲁寒流，其规模远大于非洲西海岸的本格拉寒流，形成太平洋北暖南冷、西暖东冷的格局。南半球西风飘流是海洋寒流，北半球西风飘流是北太平洋暖流和北大西洋暖流，这个重大差别是由陆海分布差异造成的。

西澳大利亚寒流是南半球最弱的海洋寒流，因为太平洋南赤道暖流能够通过阿拉弗拉海进入印度洋，加强印度洋南赤道暖流，减弱西澳大利亚寒流，形成印度洋和西太平洋的高温低压区，与东南太平洋由秘鲁寒流形成的低温高压区组成一个沃克环流。

赤道附近太平洋上，东部海域海水较冷（寒流影响），使海水上空的气温偏低，气流下沉（近海面形成高压），而东部海域的海水的温度较高（暖流影响），空气受其影响气温偏高，气流上升，近海面形成低压，所以在近海面就形成从高压向低压的风，上空气流方向相反，就形成了环流，这就是沃克环流，它是纬向环流。

在大气纬向的沃克环流和径向的哈得来环流组合的影响之下，构成南太平洋的海洋内部循环，其路径是：太平洋的南赤道暖流----东澳大利亚暖流----南中纬度的西风漂流----秘鲁寒流^[1]。

事实上，印度洋和大西洋都有类似的环流和现象，由于热能相对较少，厄尔尼诺和拉尼娜现象也就不明显。

太平洋、印度洋和大西洋在北半球是相互封闭的；在南半球是相互连通的，南半球西风漂流带和环南极大陆海流是三大洋热能交换的渠道，构成太平洋的外循环。太平洋有广阔的赤道海域，由此获得的热能通过外循环向外传输。

北太平洋通过白令海峡向北极输出的热量为10TW(1TW = 10¹²W),南太平洋向南极输出的热量为1190TW，是前者的119倍。印度洋向南极输出的热量为490TW，而北大西洋输出的热量起源于太平洋，数量超过1000TW，其中向北极输出的热量为260TW^[2]。海洋输送的热量数量为北太平洋向南太平洋的热输出提供了证据（见图4）。

地质资料表明, 对第三纪早期的普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，迅速变暖和较长的变冷由轨道参数的周期性所决定。阻挡大西洋赤道暖流进入东太平洋，加强秘鲁寒流，是气候变化的原因。南美洲与南极大陆的分离造成环绕南极大陆强烈的海洋西风漂流带，它阻挡赤道暖流南移，生成南极冰盖并维持其稳定的存在,为全球构造运动影响气候变化提供了证据^{[3 - 5]}。这表明,北太平洋向南太平洋输送热量的波动性是厄尔尼诺事件和拉尼娜事件发生的本质原因,相应的海洋环流在温差积累到一定程度时必然发生。厄尔尼诺发生时，太平洋暖水由东向西，或由西向东，或由中部分别向东向西运动，其实质是北部暖水向南运动。

图4  海洋热输送的数量估计

如果有某种原因使南半球的西风漂流减弱，或使东南太平洋表面海水增温，就会减弱这一地区的沃克环流，出现南太平洋高压和印度尼西亚——澳大利亚低压同时减弱，甚至相反的情况。这是南方涛动和厄尔尼诺同时出现的原因。

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3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。

南极海冰季节性变化幅度较大.海冰净冰面积在2月最小，为2.3×10⁶ km²，在9月最大，为15.4×10⁶ km²，最大值约是最小值的6.5倍。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。日长在1月份比在7月份要长，即1月的地球自转速度比7月减慢。在南、北半球±10^o的低纬度地区，自东而西的太平洋赤道洋流在2月最大流速为51 cm/s，8月最大流速大于77 cm/s。即8月赤道洋流流速要明显地大于2月。

南半球冬季冰冻线使非洲、澳大利亚和南美洲与南极洲的表面水流宽度分别缩小到原来的1/3、1/2和1/8。这种情况在平面地图上是难以觉察到的。南极半岛的海冰面积在2月最小，扩大了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度加快，使太平洋外循环加快，内循环减慢，减弱秘鲁寒流，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应赤道太平洋3月海水最暖，流速降低；南极半岛的海冰面积在9月最大，缩小了德雷克海峡海水通道，使南半球西风漂流速度减慢，增强秘鲁寒流，有利于拉尼娜事件的形成，对应赤道太平洋9月最冷，流速增大，使太平洋外循环减慢，内循环加快。

南极海冰的长期趋势变化从70年代到90年代海冰有两个突变，一次发生在1975年底1976年(厄尔尼诺年)初，海冰由偏多迅速转变为偏少，另一次发生在1988年(拉尼娜年)，是海冰由偏少缓慢转向偏多。海冰减少与厄尔尼诺有很好的对应关系^[10]。南太平洋低纬度的海温，历年在3月附近为最暖，9月附近为最冷。1973年南半球冬季海冰的范围比夏季大大扩展；最小的出现在2月10日，最大的出现在7月16日^[11] (与9月出现最大值的一般情况相比是特殊的异常现象)。与其相关的是，1972年4月~1973年2月是厄尔尼诺事件时期，1973年6月~1974年4月是拉尼那事件时期。对比两者的变化趋势可以看出，南极海冰和南太平洋的海温具有明显的相关性，即德雷克海峡冰冻线的季节性北移，关闭了德雷克海峡的”海冰开关”，导致秘鲁寒流的对应增强，是拉尼那事件发生和秘鲁沿海表层水季节性降温的主要原因。

2014年南极海冰结冰量创40年新高，是南极海冰长期趋势变化的第三次突变，预示一个气候变冷时期正在生成。

6. 南极三个海冰开关控制了全球的温盐循环

据网上资料，温盐环流是一个大尺度的海洋环流，由温度及含盐度的差异所致。在北大西洋，环流的表面暖水向北流而深海冷水向南流，造成净热量向北输送。表面海水在位于高纬度的固定下沉区下沉。

表面风对于100 米左右以下深度的海水环流所起的作用微乎其微，而海水温度和盐度的变化则足以使海水密度产生差异。

海水密度的差异使得产生了密度梯度，导致海流的形成。这种方式产生的海流流速非常慢（每年只有若干公里），只有通过特殊的手段才能发现这种海流，也就是通过把不同深度的水团的温度、盐度和氧含量表示在图上，才能发现它的存在。

海洋的温盐环流系统是大洋中最重要的海水运动，一般被形象地称为“大洋输送带”。在这个系统中，北大西洋表面冷而致密的海水下沉到海洋深处，再经过印度洋和太平洋，最终回到大西洋。这整个循环过程要花费数个世纪之久，是调节地球上大陆之间热量的最重要的循环之一。温盐环流在地球上温度和盐度都不同的大洋之间输送着营养物质和热量。

在北半球，由于大陆的阻隔，北太平洋与北极处于半封闭状态，深海环流由北极进入太平洋要通过狭窄的白令海峡，流入量受到限制。印度洋北部是欧亚大陆。因此，北太平洋高纬度海区没有典型的温盐环流（见图5）。与此相反，大西洋、太平洋和印度洋对南极而言是完全开放的，温盐环流在南极大陆周围形成最大规模。这个重大差别是由陆海分布差异造成的（见图6）。

NASA所绘制的温盐环流分布图。不同的生态系统，其所受到的环境因子便有所不同，而温盐环流对于海洋生态系而言具有极大的重要性，因为它也主导了盐份的循环。而对气候的重要性同样重要，因为其也伴随气候与能量的调节。

   图5  NASA所绘制的温盐循环图（蓝色表示冷流，红色表示热流）

图6 以南极为中心的温盐循环图（蓝色表示冷流，红色表示热流）

全球温盐环流有两大系统：北极冷水下沉控制的温盐环流规模较小，流经大西洋和印度洋，处于非洲海冰开关控制之下；南极冷水下沉控制的温盐环流规模较大，遍及三大洋，影响全球气候变化，处于南极三大海冰开关控制之下。后者的作用被人们忽视（见图5，图6）。这表明，南极海冰的异常减少，将打开南极海冰的三大开关，导致温盐循环速度突增。这是2016年9月北极和南极海冰同时大量融化的原因。

杨学祥最近指出，当赤道热两极冷的平衡被打破，热空气进入北极，冷空气被挤出。北极寒潮遇到北极涛动的负位相，这个寒潮强度将变得非常强，演化成现在所说的“超级寒潮”。

http://news.163.com/16/1104/06/C50O55LT000187VE.html

参考文献

1．  吴珍汉。旋转地球动力学。北京：地质出版社，1997。

2．   M.B.斯托瓦斯。地球自转的不均衡性——地球形状及大地构造因素。地质力学论丛（1），北京：科学出版社，1959。

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．  Francisco P. Chavez, John Ryan, Salvador E. Lluch-Cota, etal. From Anchovies to Sardines and Back: Multidecadal Change in the Pacific Ocean. Science. 2003, 299: 217-221.

5．  周秀骥, 陆龙骅主编. 1996, 南极与全球气候环境相互作用和影响的研究. 北京: 气象出版社.2, 12, 44, 133, 271, 380, 381-392.