揭開汛期降水變化的奧秘：厄爾尼諾迴響曲，做農產品必讀

文 | 謝尚平，馬靜

首發於 科技導報

謝尚平，加利福尼亞大學聖地亞哥分校，教授，研究方向為氣候變化、海氣耦合動力學

馬靜，南京信息工程大學，博士研究生，研究方向為海氣相互作用

中國地處亞洲季風區，年降雨總量自東南向西北逐漸減少，降水時段主要集中在夏季，持續性強降水乃至洪澇災害的發生與東亞夏季風的變化密切相關。近百年來，中國發生過多次嚴重洪澇災害：1954年長江、淮河流域發生洪澇，死亡3萬餘人；1983年夏季，長江、漢江等流域發生嚴重洪澇，導致夏糧嚴重減產；1998年長江、嫩江、松花江、珠江等流域發生特大洪水（圖1[1]），全國受災面積達3億多畝，直接經濟損失高達2500億元。因此，氣象預報直接關係人民福祉，準確的預報能夠有效減免人員傷亡和經濟損失。

圖1 1998年中國長江流域大洪水

Fig. 1 1998 floods in theYangtze River Valley

人類在風暴、洪澇等惡劣天氣氣候現象中生活，懂得了敬畏自然，也心懷認識自然、趨利避害的願景。正確認識並預測天氣氣候現象自古以來就是我們的迫切需求和殷切嚮往，在安陽殷墟出土的甲骨文上就已記載了求雨的卜辭和風、雲、雨、雪、雹、虹、雷電等天氣現象。天氣諺語、二十四節氣和七十二候等在中國的史料中也都有豐富的記載。二十四節氣從兩漢時期一直沿用至今，是我國古代訂立的用於指導農事的補充曆法，主要依據太陽在黃道上的位置進行劃分。從氣候研究的角度看，它是古代人民對年循環、季節變化的經驗總結，是對氣候平均態的樸素認識。然而古語有云：「天有不測風雲」，天氣氣候最大的特點就是變化莫測，準確的預測不能僅依賴於經驗，還需要對物理過程進行深入認識。

近百年來，氣象學和海洋學取得了快速發展，人類對氣候變化的規律有了一定的認識。時至今日，氣候預測已開始業務化，並在防災減災中起著重要作用。本文介紹氣候預測的基本原理，回望中國汛期降水研究的發展進程，並探討厄爾尼諾對2016年汛期氣候的影響。

1預測原理

19世紀，隨著物理學的發展，人們認識到大氣、海洋的運動和變化可以用流體力學和熱力學方程描述，動力氣象學逐步從流體力學中分離出來，形成一個獨立的學科。1904年，挪威學者Bjerknes提出數值天氣預報的概念，認為它是一個數學初值問題：從大氣初始狀態對大氣動力學方程組進行時間積分，即可以預測未來天氣。1950年，在美國普林斯頓高等研究所，Charney藉助世界首台電子計算機成功進行了第1次天氣預報（其實是對過去一個天氣過程的後報模擬）。第1次實時預報則在1954年瑞典斯德哥爾摩實現，這是世界上第1套業務化的數值天氣預報模式。中國在50年代也開始發展數值天氣預報，並於50年代末成功製作了歐亞範圍的形勢預報。

2015年《Nature》雜誌發表綜述文章「The Quiet Revolution of Numerical Weather Prediction」，該文將數值天氣預報的發展喻為一次寂靜革命。目前，全球數值天氣預報每天都在世界各地的業務預報中心運行，1~5天的預報已經相當準確。降水、氣溫預報會告訴我們是否需要帶雨傘、添加衣服；颱風警報會告訴我們是否需要以及何時需要撤離；降水預報會告訴農民是否需要灌溉農田；風浪預報會告訴船隻出海航行是否安全。氣象信息已成為我們日常生活工作不可缺少的一部分。

既然對大氣動力學方程組進行積分可以得到唯一確定的計算結果，那是否可以用這個方法無限制地準確預報將來的情境呢？20世紀70年代，洛侖茲發現了現在人們熟知的蝴蝶效應，否定了無限制準確預報的可能。他發現，預測結果對初始條件具有極為敏感的依賴性，初始條件的極小偏差會引起結果的極大差異，正所謂「差之毫釐，謬以千里」。數值天氣預報過程中噪音的非線性增長導致有效天氣預報時限僅為兩周，那麼，1個季度之後的氣候變化是否可以預測呢？

氣象預報可劃分為3種類型：天氣預報、短期氣候預測和氣候變化預估。短期氣候預測主要是指月、季、年時間尺度的氣候預測，它和天氣預報有明顯的區別。天氣預報的主體是可實際感受到的氣象狀態，而氣候預測的對象則是一段時間的天氣統計狀態。人們出門穿什麼衣服由天氣決定，但是冬季和夏季分別要預備什麼衣服則由當地氣候決定。

1974年，世界氣象組織和國際科學理事會提出「氣候系統」的概念。這一概念的提出改變了天氣預測的觀念。氣候的變化除了受到大氣自身因素的影響外，也會被大氣以外的因素調控。海洋的熱容量、密度均比空氣大，大氣變化快，記憶短，而海洋則變化慢、記憶長。因此，先前天氣系統對後期天氣系統的影響可以通過海洋來傳遞，海洋的這種記憶能力是突破洛倫茲混沌理論上限的重要依據。洛倫茲指出的預測上限僅根據初始條件對大氣圈的影響得到，而短期氣候預測則依賴大氣圈以外的氣候系統成員的調製，如：海洋和耦合海氣系統的低頻變化，以及海冰、土壤條件、雪蓋等的變化。混沌理論也指出，雖然混沌系統中的個別軌跡不可預測，但其統計特徵的變化是可預測的。應用到短期氣候預測中，雖然1個季節後的某個風暴何時形成、到達無法準確預報，但通過海表面溫度等邊界條件的緩慢變化，可以預測風暴的總體強度和位置。因此，大氣的底邊界條件成為短期氣候預測成敗的關鍵。

在初始擾動中，海氣耦合系統的正反饋作用會選擇性地放大某個信號，這個被放大的信號又稱為氣候模態，是氣候預測捕捉的對象。厄爾尼諾就是一個典型的氣候模態。海陸氣耦合系統的相互作用不僅包括變數之間的局地直接作用，也包括遠距離的遙相關作用。遙相關作用能夠把1個地區的可預測性傳遞到另一遙遠地區[2]。雖然厄爾尼諾發生在熱帶太平洋，但海氣耦合遙相關可以把它的影響傳送到遙遠的亞洲大陸。

氣候預測還要考慮大氣內部變率，它是指沒有海溫等外強迫作用下大氣自身的隨機變化，與冷暖鋒面、風暴等活躍的天氣變化有關係。海洋等對大氣的強迫作用和無規則的大氣內部變率的關係可以用遛狗來進行類比（圖2[3]）。人可以控制整體的軌跡，而狗在主人周圍跑動具有很大的不可預測的隨機性，類似於內部變率的作用。可預測性隨區域變化，在熱帶最強。熱帶的大氣內部變率較低，海氣耦合作用強，產生厄爾尼諾等可預測信號。隨著緯度的增加，內部變率增大，可預測信號經常被大氣內部變率所掩蓋。

圖2 遛狗時人的直線軌跡與狗的隨機軌跡

Fig. 2 Straight-line trajectory of a man and the stochastic trajectory of a dog during dog walking

近50年，科學界對短期氣候變化的認識取得突破性的進展，發現了海洋慢變化的重要性，最終結晶於對厄爾尼諾現象的成功預報上。中國處於中緯度地區，大氣內部變率的噪音大，加大了氣候預測的難度。歐美科學家極少涉及東亞季風，在探索熱帶對東亞氣候影響、尋找有效預報因子這一重大研究領域，中國科學家做出了開創性的貢獻。

2厄爾尼諾與南方濤動

厄爾尼諾是西班牙語譯音，原意聖嬰，指發生在聖誕節前後南美秘魯太平洋沿岸海水異常增暖的現象。20世紀初期，時任印度氣象局局長的英國氣象學家Walker發現，相隔萬里的澳大利亞達爾文港與中南太平洋塔希提島的海平面氣壓變化此起彼伏，呈現反相關，由此提出了南方濤動的概念。後來的幾十年，南方濤動的研究陷入低潮。直到1969年，美國學者小Bjerknes發現，海洋的厄爾尼諾變化其實是與大氣的南方濤動緊密相連的，它們之間的相互作用產生正反饋效應，形成海氣耦合振蕩。人們現在將厄爾尼諾和南方濤動合稱ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation），ENSO研究促進了海洋科學與大氣科學研究的革命性融合，開啟了海氣耦合動力學的新篇章。

200多年前，電和磁被認為是完全不同的現象。1831年法拉第的電磁感應實驗揭示了他們之間的相互作用，1865年麥克斯韋基於實驗結果建立的電磁耦合方程預測了電磁波的存在。ENSO研究的發展與電磁波的發現有相似之處，1969年小Bjerknes將似乎無關、相隔萬里的海洋厄爾尼諾現象和大氣南方濤動視為耦合系統，這徹底改變了人們對氣候變化的認識。與電磁波滲透於現代社會的每一個角落一樣，厄爾尼諾的影響也遍布世界各地，是短期氣候預測最主要的預報因子。

圖3給出了厄爾尼諾成熟期海表溫度異常的典型分布，顯著海溫正異常出現在赤道中東太平洋。厄爾尼諾的季節鎖相特徵顯著，於夏季開始發展，最強增暖出現在冬季，在次年春季或夏季衰減（圖4）。赤道東太平洋（Nino3.4區：5°N-5°S，170°W-120°W）的區域平均海溫異常，是監測厄爾尼諾強度的常用指數。1951年以來，共發生14次厄爾尼諾事件，其中3次達到超強級別，分別是1982/1983年厄爾尼諾事件、1997/1998年厄爾尼諾事件以及2015/2016年的厄爾尼諾事件。圖5給出1996—2015年冬季赤道東太平洋平均海溫和南方濤動指數（已乘-1）的年際序列，可見2者顯著的相關關係，表明赤道東太平洋平均海溫增暖（變冷）時，塔希提島海平面氣壓降低（升高），而達爾文港的海平面氣壓升高（降低），二者差值減小（增大）。1997/1998年和2015/2016年的2次強厄爾尼諾事件，在圖5中表現為赤道東太平洋顯著的升溫和南方濤動指數的顯著異常。

圖中顏色代表溫度數值，單位：°C

圖3 2015年冬季海表溫度異常

Fig. 3 Sea surface temperature (SST) anomalies in 2015 winter.

左側縱坐標為赤道東太平洋區域海表溫度異常，單位：°C；右側縱坐標為北印度洋區域（0°-20°N, 80°-120°E）海表溫度異常的演變你，單位：°C；紅色粗虛線為美國環境預報中心（NCEP）耦合預報系統模式預測的平均海表溫度異常，單位：°C；藍色陰影表示預測的不確定性，單位：°C；橫坐標中（0）和（1）分別表示厄爾尼諾發展（當）年和衰減（次）年；北印度洋區域為0°-20°N, 80°-120°E。

圖4 海表溫度異常的演變

Fig. 4 Evolution of SSTanomalies

圖5 1996—2015年冬季南方濤動指數和赤道東太平洋海溫異常

Fig. 5 Evolution of the winter Southern Oscillation index and equatorial eastern Pacific SST anomalies for 1996—2015

厄爾尼諾對環赤道太平洋地區的氣候影響最為顯著。在厄爾尼諾年，從赤道中太平洋到南美西岸多雨，而太平洋西部（印度尼西亞、澳大利亞等）則出現乾旱。印度尼西亞的乾旱容易引發森林大火，繼而給當地乃至鄰國馬來西亞、新加坡等國家帶來嚴重的煙霾天氣，對民眾健康、公共交通等造成極大影響。據報道，2015年的強厄爾尼諾事件中，印尼有超過13.5萬人感染呼吸道疾病，民航航班大面積延誤，學校停課。圖6為2015年10月印度尼西亞的煙霾天氣[4]，人們感嘆「煙霾如世界末日般籠罩」。

圖6 2015年10月印度尼西亞煙霾

Fig. 6 Indonesian fire haze in October 2015

從16世紀到21世紀的400多年時間裡，智利的阿塔卡瑪沙漠沒有一絲雨水滴落，被稱為「全世界最乾的地方」，美國航空航天局（NASA）還曾將這裡模擬成火星來做探測器試驗。而在2015年10月，這片沙漠天降甘霖，澆灌了沉睡在地下多年的種子，使得貧瘠的土地很快成為花海（圖7[5]），厄爾尼諾效應在這裡一覽無餘。

圖7 2015年11月智利阿塔卡瑪沙漠的花海

Fig. 7 A mallow field in fullbloom in the Atacama Desert, Chile.

世界著名的斯克里斯普（Scripps）海洋研究所坐落在美國加利福尼亞州的拉荷亞（La Jolla）海岸，這裡受厄爾尼諾影響也極為顯著。圖8是2016年3月拍攝的拉荷亞海岸照片，2015/2016年的厄爾尼諾增強了北太平洋的風暴，拍擊海灘的海浪能量加強，加快了沙灘侵蝕，以致常年被沙灘覆蓋的岩石大量裸露。這是16年以來該岩石的第一次露頭，上一次露頭是1998年的強厄爾尼諾事件，因此，當地科學家稱其為尼諾岩（Rock Nino）。

圖8 2016年3月美國加州拉荷亞海灘上裸露的岩石

Fig. 8 Rocks exposed on the La Jolla, California Beach in March 2016

1986年，美國學者Cane等藉助簡化的海洋大氣耦合數值模式，首次成功預測了該年的厄爾尼諾事件。此後，人們又發展了統計模式和更加精確的海氣耦合環流模式（也叫氣候模式）。目前，這些模式能比較準確地預測厄爾尼諾事件的爆發與演變，以此為基礎的短期氣候預測已成為世界各地氣象部門的常規業務，為各國經濟等多方面活動服務。

儘管厄爾尼諾是發生在熱帶太平洋的局地海溫異常現象，但它對氣候的影響卻是全球性的。1981年，歐美科學家發現，厄爾尼諾發生的冬季，暖海水能夠通過激發大氣波列影響北美地區的氣候，由此加強的西風急流為加利福尼亞州帶來更多降水；厄爾尼諾次年夏季，西北太平洋上颱風的生成數量明顯減少，中國華南地區出現高溫，東北則受到低溫冷害影響。日本同樣受到厄爾尼諾現象的影響，最典型的例子是1993年夏季的極端低溫和多雨導致水稻嚴重減產，迫使日本開放了中國的大米市場。

20世紀，中國長江流域3次特大洪澇均發生在厄爾尼諾事件的衰減期。1953/1954年的厄爾尼諾事件使得1954年長江、淮河流域發生嚴重洪澇；1982/1983年的超強厄爾尼諾事件導致1983年6—7月長江中下游地區出現持續性暴雨，長江許多測站水位達歷史最高；1997 年發生的厄爾尼諾事件造成1998 年夏季長江流域發生多次持續性暴雨，引發了特大洪澇災害，黑龍江、嫩江和松花江也全線告急。那麼，厄爾尼諾事件影響中國次年夏季降水的物理機制是什麼？厄爾尼諾事件的可預測性，是否意味著中國汛期降水預測也有較高的準確度呢？

3厄爾尼諾迴響曲：尋找汛期降水的海洋記憶信號

1987年，日本學者新田（Nitta）[6]發現，熱帶西太平洋暖池（簡稱西太暖池）上空對流活動強弱對東亞夏季旱澇起著重要作用，提出了PJ（Pacific-Japan）遙相關型：西太暖池對流活動減弱（增強）時，東亞梅雨鋒區降水增強（減弱）。在季節變化上，1995年，時為筑波大學研究生的植田（Ueda）[7]發現，西北太平洋降水的突然增多伴隨著梅雨雨季的結束和中國北方雨季的開始，為PJ遙相關提供了又一有力佐證。圖9給出了該遙相關型的主要特徵，可以看到，西太暖池和梅雨鋒區的降水異常呈反相關關係。該遙相關波列的熱帶分支是西北太平洋反氣旋（簡稱西太反氣旋，見圖9風矢量），它是亞洲夏季風系統的重要成員。在氣象學中，反氣旋指順時針旋轉的流動系統。

圖中彩色區域為線性回歸到PJ遙相關指數的降水異常，單位：mm·day-1；箭頭為低層風異常，單位：m·s-1

圖9 PJ遙相關型的主要特徵

Fig. 9 PJ teleconnection pattern

PJ遙相關型的發現，將東亞與熱帶區域的環流變化聯繫起來，為中國汛期降水的預測提供了重要的理論依據。1989年，中國氣候學家黃榮輝等[8]發現，厄爾尼諾發展期和衰減期夏季，中國降水異常有顯著差別。中國汛期降水變化複雜，除了熱帶影響外，還包含很強的大氣內部變率成分，極大地限制了降水的可預測性。20世紀末開始，科學家們開始將注意力轉向可預測性強的熱帶變化，特別是西太反氣旋的變化。1996年，博士畢業不久的青年學者張人禾[9]發現，西太反氣旋異常在厄爾尼諾盛期（冬季）開始出現，之後的研究表明該反氣旋可以持續到夏季，影響中國汛期降水。

厄爾尼諾衰減期異常西太反氣旋的發現，是亞洲季風研究的重要進展。然而，這一發現引發了重大困惑：厄爾尼諾次年夏季，中東太平洋海溫異常已消退，無法直接影響西太及中國氣候。持續到夏季的西太反氣旋異常必須由別處海洋的記憶信號來驅動。然而，海洋信號的探尋之路並非一招致勝，經歷了頗多曲折。

21世紀初，華裔學者王斌等[10]提出，東北信風區的海氣相互作用可以維持西太反氣旋的發展，為解決海洋記憶信號的困惑邁出了重要一步。然而，熱帶西太平洋的海溫異常與西太反氣旋的耦合機制依賴於低層東北風，而東北風在夏季東退，該耦合過程受到抑制。

在厄爾尼諾成熟期，印度洋海溫顯著增暖，但該區域的大氣對流反而受到抑制。因此，在很長一段時間內，人們普遍認為印度洋的變化受制於太平洋，處於被動地位。但是，該傳統觀點近期受到了有力的挑戰。2009年，中科院青年學者杜岩[11]發現，北印度洋海溫異常出現2次峰值，第1次峰值對應厄爾尼諾的成熟期，第2次峰值則出現在厄爾尼諾次年夏季，此時，中東太平洋區域海溫異常已消退，無法引起印度洋的此次增溫。進一步研究表明，印度洋海溫的第2次增暖源於赤道南側緩慢傳播的海洋波動（圖10a）。在解決海洋記憶信號這一困惑的過程中，另一重要進展來自於中國海洋大學的劉秦玉團隊[12]，他們發現厄爾尼諾次年夏季，北印度洋海溫的持續增暖通過激發大氣波動增強西太反氣旋，將厄爾尼諾的影響延續至次年夏季，擔負著「你方唱罷我登場」的重要角色（圖10b）。該工作打破了印度洋被動無功的傳統觀念，受到廣泛關注。

厄爾尼諾次年，北印度洋在西太反氣旋發展中的作用類似於電容器效應，即厄爾尼諾盛期為印度洋「充電」，印度洋在夏季「放電」，影響西太反氣旋。異常反氣旋環流西側的偏南氣流能夠加強孟加拉灣和南海上空水汽的向北輸送，從而使得長江流域的梅雨維持時間較長，導致長江流域夏季經常發生持續性暴雨和洪澇災害。從圖10可以直觀地看到，自厄爾尼諾盛期到其衰減期，氣候異常的「舞台」從東太平洋轉移到了印度洋和西北太平洋區域，這兩個海區儲存著前期厄爾尼諾的信號，成為中國汛期降水重要的可預測性來源。

西北太平洋暖池為季風區，海氣耦合模態季節轉折顯著。冬春季盛行東北信風，王斌提出的局地海氣相互作用機制，在維持西太反氣旋中起著重要作用。而夏季西南季風盛行，造成印度洋海溫異常與西太反氣旋之間的耦合。謝尚平最近的綜述研究[13]進一步發現，前期冬春季東北信風中的海氣相互作用可以觸發夏季耦合模態，這表明，隨著季節的遷移，西太反氣旋與海洋的耦合從西北太平洋轉移到印度洋。印度洋—西北太平洋的聯合電容器（IPOC）效應，體現了印度洋在氣候變化中的主動作用，解開了海洋記憶的困惑，解釋了為什麼夏季的厄爾尼諾「迴響曲」 縈繞在印度洋—西北太平洋地區。

（a） 厄爾尼諾峰值期（冬季），西太反氣旋開始形成，海洋波動西傳影響南印度洋；（b）厄爾尼諾發衰減期（夏季），印度洋二次增溫激發大氣波動，影響西太反氣旋和PJ遙相關，進而影響東亞氣溫和降水；紅（藍）色陰影表示海溫正（負）異常

圖10 厄爾尼諾發展、衰減期印度洋—太平洋區域的主要海洋大氣異常示意

Fig. 10 Ocean and atmosphericanomalies over the Indo-Pacific Oceans in the peak and decay phases of El Ni?o

42016年夏季氣候異常的預測

取用觀測資料作為初始場耦合全球氣候模式（CGCM），能夠提前幾個月有效預測厄爾尼諾次年夏季IPOC模態，包括北印度洋和南海的海溫增暖和西太反氣旋。由於PJ遙相關的存在，熱帶區域異常能夠影響東亞中緯度區域，因此，模式對厄爾尼諾次年夏季中國東部和日本南部的降水增多和西南風增強有一定的預測技巧。

2015—2016年，全球氣候變化的「領銜主演」是超強厄爾尼諾事件，在美國，人們形象地稱其為「Godzilla」怪獸（圖11）。隨著厄爾尼諾在熱帶太平洋主舞台的謝幕，人們開始將目光轉向印度洋—西北太平洋，並著重關注IPOC效應及中國汛期降水的預測問題。此次厄爾尼諾事件是否會給中國造成嚴重的洪澇災害？接下來，我們應用美國環境預報中心（NCEP）的預測數據（6月起報）將2015—2016年的結果與1997—1998年進行對比。

圖11 「Godzilla」厄爾尼諾Fig. 11 「Godzilla」 ElNi?o圖4比較了1997—1998年、2015—2016年熱帶東太平洋與北印度洋海溫異常的逐月演變特徵。由圖可見，2015年熱帶東太平洋區域的海表溫度異常與1997年相當，高達2.9°C。海溫異常的平均預測結果由紅色虛線表示，藍色陰影表徵預測的不確定性。此次厄爾尼諾事件預計在夏季轉為拉尼娜位相，強度略弱於1998年。北印度洋上，2015—2016年平均海表溫度異常與1997—1998年增溫相當，而且2次增溫現象顯著，夏季的再次增溫有利於西太反氣旋的增強發展，中國汛期降水可能會顯著增強。

IPOC效應是中國今年汛期降水預報的主要根據。國家防汛抗旱總指揮部在2016年6月8日的會商上表明：「受厄爾尼諾事件影響，前汛期南方降水過程多，強度大，覆蓋廣。」 入汛以來，「南方主要江河水位均高於常年和1998年同期，長江、太湖、西江等南方江河當前水位較常年偏高0.73~3.05 m，其中，長江中下游幹流及洞庭湖、鄱陽湖區域較常年偏高2.53~3.05 m，較1998年同期偏高2.49~3.68 m；太湖水位較常年偏高0.73 m，為僅次於1954年同期的第2高水位。」

夏季東亞—西太平洋間大氣橋的發現，為中緯度地區氣候的可預測性提供了一定的理論基礎，數值模式對厄爾尼諾次年夏季東亞降水有一定的預測技巧。但中緯度地區大氣內部變率很強，特別是沿西風急流傳播的絲綢之路波列，可以影響我國汛期降水，其位相變化與海溫異常沒有顯著聯繫，缺乏可預測性。該波列預測的不確定性極大地限制了東亞氣候的季節預測水平。2010年是厄爾尼諾衰減年，西太、印度洋氣候異常有利於東亞地區冷夏的出現，但由於絲綢之路波列的影響，該年夏季東亞地區出現了空前的熱浪天氣。

5結束語

每個人的童年都對奇妙多變的天空、廣袤神秘的大海充滿了疑問和幻想：誰在雨後的藍天上掛起了彩虹，又是誰點燃了熱烈的晚霞（圖12）。天上的雲彩、海里的浪花，是詩人畫家永久的旋律。英國詩人雪萊筆下的雲鮮活靈動:

我為焦渴的鮮花，

從河川，從海洋，

帶來清新的甘霖；

我為綠葉披上淡淡的涼蔭，

當他們沉浸在午睡的夢境。

圖12 誰持彩練當空舞（加州拉荷亞海岸的晚霞）

Fig. 12 Sunset off the La Jolla coast

自然攬盡柔情之美、剛毅之氣，也盡顯摧枯之功、拉朽之力，深深震撼我們的心靈。歷史的車輪滾滾向前，探索自然卻是我們永恆的追求。在楚辭《天問》中，屈原問天地萬象之理：「何所冬暖？何所夏寒？」屈子一問，流轉經年，直到兩千多年後的今天，我們才略有斬獲，聊以應答。

從天氣的「變化莫測」到「風雲可測」，其間凝聚了人類的非凡智慧和不懈努力。以觀測、理論、預測驗證三位一體為根本，氣候研究的發展帶動了觀測方法、理論研究以及數值模擬的不斷革新。與天氣預報一樣，短期氣候預測是自然科學譜寫的又一光輝篇章，這可以追溯到大航海時代的對大氣海洋的觀測記錄，1757年歐拉推導的流體力學方程組，以及1950年Charney在普林斯頓小鎮上實現的數值天氣預報。

工業革命以來，人類為了追求經濟發展，不斷向大氣排放二氧化碳等溫室氣體，地球氣候系統因此發生了顯著變化，全球平均溫度從20世紀初開始已增暖1°C左右[14]。隨著溫室氣體的繼續增加，全球氣溫預計在21世紀末會再升高2~5°C。在全球變暖背景下，厄爾尼諾事件的強度、頻率以及影響中國的大氣橋效應都會發生變化。全球增暖在空間上是不均勻的，會驅動大氣環流變化來影響區域氣候，引發區域性極端氣候事件，如2008年底南方的大範圍雨雪冰凍災害、2012年夏季北京的特大暴雨、以及藉助厄爾尼諾餘威，2015年席捲印度高達51°C的熱浪（圖13[15]）。研究表明，全球變暖下熱浪事件會普遍增加。其他應對氣候變化的重要科學問題包括：中國降水分布未來將會發生什麼樣的變化？登陸颱風又會如何變化？

圖13 2015年5月印度新德里高溫引起的路面標示變形

Fig. 13 Distorted road markingsas the asphalt melts due to high temperatures in New Delhi

與厄爾尼諾等氣候系統的自由振蕩不同，全球變暖是溫室氣體增加引發的強迫變化。預測全球變暖引發的區域變化，需要認識強迫響應的物理規律，這是氣候研究面臨的新挑戰，也為學科發展帶來了新機遇[16]。在全球變化國家重大科學研究計劃支持下，謝尚平研究組正以海氣耦合過程為切入點，摸索區域氣候變化的特徵和機理[17]。在這個剛剛起步的國際前沿領域，該年輕團隊已取得一些重要進展：全球變暖下，熱帶太平洋的增溫不均勻性會加強厄爾尼諾引起的氣候異常，進一步強化熱帶傳向中高緯度的大氣橋效應，可以幫助提高中國汛期降水的預測精度。

雪霽霜消雲詭譎，

波移濤涌聲激越。

拓新登高開望眼，

風易雨臨景肯確。

參考文獻

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