[科普中国]-气候周期

简介

世界气候组织(WMO ) 于1 9 6 6 年曾定义：气候周期性是指气候变化中其相邻的极大值与极小值之间时间间隔保持不变或基本不变的一种现象。这种现象在气候系统的时空演变中是普遍存在的。目前，气候周期的取得多依赖于功率谱分析、最大嫡谱分析等统计学方法，因此也有人将这种周期称之为准周期。对于气候周期性的成因现已有许多的认识, 其中人们普遍认为天体活动的影响是十分重要的原因之一。2

重要性热带平流层风系变化的26个月周期、埃尔尼诺的3.5年周期、温度和降水等以35年为周期变化的布吕克纳周期等。与太阳活动有关的气候周期有5～6年、11年、22年、80～90年和 180年等周期。由于气象观测纪录年代的限制，较长的周期尚难以做到足够的重现，同时气候周期本身也不很严格。研究气候周期对于气候预测和预防气候灾害有重要意义。

气候周期波动全球现代气候存在着明显的周期，就是冷、暖交替变换周期，或与之相对应的湿、干变换周期，这个周期的期长一般在几年到十几年不等，如此周而复始、循环往复。在冷、暖交替变换的过程中，拉尼娜、厄尔尼诺现象则相续上演，全球甚至出现一些极端的天气现象。

暖气候的形成及其响应全球变暖有两个基本体现：一个是冬、夏季增温不均，冬季增温幅度比夏季大，这样就会形成连续多年的暖冬天气。另一个是高、低纬增温不均，高纬度地区比低纬度地区增温的幅大， 这就严重影响了全球温压场的变化。

高纬度地区的增温，导致极地高压势力减弱，极地高压与赤道低压之间形成的气压梯度也会随之减小，导致全球气压场、盛行风和经向环流的削弱。气压梯度减小，风力减弱，中、低纬地区集聚的热量不能很好地向高纬地区输送，全球气温普遍增高，形成明显的暖气候。

在低纬地区，由于海—气的相互作用，副热带高压的削弱，导致信风减弱或消失，流向大洋西岸的赤道暖流随之减弱，使得东岸暖水集聚而增温，并给大气加热，大气增温改下沉气流为上升气流，东部干旱地带因异常多雨使沙漠变为绿洲， 甚至出现洪涝灾害；西岸因流来的暖水减少而相应降温，大气改上升气流为下降气流，降水大幅度减少则引发干旱，甚至出现森林火灾，东、西部的气压场也随之发生改变，出现所谓的“南方涛动”。在太平洋，正常情况下，太平洋赤道两侧盛行稳定的偏东信风， 它将温暖的表层海水吹离南美洲沿岸，并向西流动，在赤道太平洋西部堆积，其海面比东侧高30~40 厘米；在南美洲沿岸出现为补偿西去海水而形成的上升寒流， 太平洋赤道地区就形成了东冷、西暖的海温水平分布格局。

由于太平洋赤道地区的信风减弱或消失， 在海洋动力的驱动下， 集聚在赤道太平洋西岸的大量暖海水必将向东回流，使中、东太平洋海面比正常年份高二三十厘米，温度比正常年份高2~5℃，造成海洋热状况发生巨大变化， 以及太平洋赤道东西两侧气候的明显变化，南美洲西岸的热带沙漠开始大雨滂沱，大洋洲东部则干旱少雨，形成“厄尔尼诺”现象。

在中纬地区， 大陆西岸盛行西风的减弱及流经的大洋暖流势力的减弱， 温带海洋气候区降水量则相应减少，降水范围变小；大陆东岸的季风区，夏季由于副热带高压势力的减弱， 夏季风势力也随之减弱，影响也相应变小；大陆中部的中纬大陆性气候区范围则相应扩大。

冷气候的形成及其响应暖气候形成之后， 由于经向环流变弱， 阻止了高、低纬之间的热量交换，从低纬地区向高纬地区输送的热量大幅度减少， 而高纬地区的冷空气也不能尽快的向周边扩散，高、低纬之间的温差又会逐渐增大，导致高纬地区冷空气逐渐集聚，极地高压会越来越强大，到某一刻会达到极大值。此时，极地高压与赤道低压之间气压梯度会变得更强， 导致全球气压场、盛行风和经向环流随之变强。之后可能出现三种情况：一是高、低纬之间的热量传输恢复到正常状态即准热量平衡状态，则全球气候也恢复正常。二是传输过多，高、低纬之间的温差仍然较小，则高纬增温而低纬降温，高、低纬之间热量趋于平衡。三是传输过少，高、低纬之间的温差仍然较大，气压差比正常年份大，气压梯度变大，经向环流变强，中、高纬地区大部分笼罩在冷空气之下，全球气温普遍下降，形成明显的冷气候。

在低纬地区，信风逐渐加强，大洋东岸表层暖海水被吹走，到达大洋西岸，东岸深层冷海水上翻及寒流补充， 海水表面水温逐渐降低， 大洋赤道地区东冷、西暖的海温水平分布格局逐渐形成。由于海—气互动，东部海温低，大气受冷下沉，到达海面后西行；西部海温高，大气受热上升，到达高空后东行，形成“瓦克环流”。此时，大洋东岸因盛行下沉气流形成大范围赤道多雾干旱气候区， 西部因对流旺盛而形成湿润多雨的气候区。在太平洋， 副热带高压持续加强，信风强劲，太平洋赤道地区东岸的大量暖海水被吹向西岸，西岸变暖、东岸变冷，“瓦克环流”得到加强，中、东太平洋赤道地区表层海水温度持续异常变冷，比正常年份下降0.5℃以上，形成“拉尼娜”现象。在中纬地区，伴随冷气候的来临，大洋高压和盛行风变得愈发强劲， 再加上沿岸的变强的暖流的影响， 大陆西岸的温带海洋气候和东岸的季风气候都得到加强，降水可能就更多。

厄尔尼诺和拉尼娜的关系厄尔尼诺出现时， 高、低纬之间的气压梯度转弱，经向环流也减弱，从低纬向高纬传输的热量就会减少，这又会造成高、低纬之间的气压梯度加强。厄尔尼诺越强劲， 从低纬向高纬传输的热量就越少，高、低纬之间的气压梯度就会变得越发强劲，经向环流也就越强，太平洋赤道地区的偏东信风就越强大，拉尼娜也会变强， 即厄尔尼诺强大时拉尼娜也可能变强。1997—1998 年的强厄尔尼诺和紧随其后连续两年的拉尼娜就是这种情况。在全球变暖的大气候背景下，极地高压和副热带高压变弱了，致使平洋赤道地区的偏东信风相应的减弱， 可能直接导致厄尔尼诺可能变得比以往更加强劲，而拉尼娜则变弱了。而厄尔尼诺较弱，则拉尼娜也较弱，甚至拉尼娜根本不会出现。

“拉尼娜”一般出现在“厄尔尼诺”之后，通常两种现象的持续时间为一年左右。但并不是每次厄尔尼诺出现后都伴有拉尼娜， 据统计1950~1998 年厄尔尼诺出现了16 次，而拉尼娜只出现了10 次，甚至拉尼娜后也会出现厄尔尼诺， 但一般厄尔尼诺先出现， 这样就在太平洋赤道地区形成了厄尔尼诺—厄尔尼诺，厄尔尼诺—拉尼娜，厄尔尼诺—拉尼娜—厄尔尼诺的海水表层温度异常变化模式。

暖、冷气候周期对中国的影响在暖气候或厄尔尼诺发生时，经向环流减弱，海洋对我国的影响减小， 我国冬暖夏热， 降水南多北少，全国普遍少雨。冬季，影响我国北方的极地大陆气团变弱，冷锋过境将会减少，会出现暖冬和少雨的天气状况；夏季，副热带高压和西太平洋热带海洋气团势力减弱， 夏季风势力也随之变弱， 北上速度变缓，台风登陆偏少，江淮多雨而凉爽，北方干旱而炎热。1998 年的长江流域特大洪水和华北、河套地区的严重旱情就是在这种情况下造成的。在冷气候或拉尼娜发生时，我国冬季寒冷、夏季温和，降水北多南少，降水量普遍增加。冬季，影响我国北方的极地大陆气团变强，寒冷的偏北气流盛行，寒潮、大风、扬尘出现频繁，渤海、黄海冰情偏重；夏季，太平洋高压强劲，西太平洋暖海水堆积，水温偏高，热带海洋气团势力加强，推移迅速，北方降水偏多，南方多台风雨。2012 年的冷冬多雨就是冷气候的产物。1

气候周期性变化的新假说气候的最大特点就是它的不定性。这种不定对于科学家预报长期的气候趋势是不利的。经过几个世纪的研究之后, 气候学家终于发现陆地上观测到的气候变化与太阳活动的年周期有着无可争辩的联系。但是至今仍存在着激烈的争论。

二十世纪八十年代末期，柏林的Karin Labitzke和国际大气研究中心的Harry Van Loon提出了有说服力的证据，即冬季风暴描绘出的北大西洋低压系统的年变化趋势。这种趋势与太阳活动如太阳黑子和耀斑的强弱非常吻合。Labitzke说这种吻合关系已被后来的实际情况所证实。

基于这种发现，这两个工作者推测热带附近的对流层即地球大气密集的底层随着太阳活动周期会变得更冷或更热。Labitzke猜测太阳辐射的变化影响大气环流，如哈得莱环流赤道上空温暖的空气流向极地，在副热带附近沉降到地面，并返回赤道。推测在太阳活动活跃期，哈得莱环流加强，把更多热空气输送到副热带，导致副热带温度的上升。

根据卫星探测仪器显示太阳总发光效率的变化大约为0.1%。太阳曾、辐射能这么小的波动怎能如此重要的影响气候呢?Labitzke无法解释。

有人已经提出两种假说。Labitzke支持紫外辐射假说即气候的变化是太阳紫外辐射变化的反应，紫外线被平流层的臭氧吸收，这就决定了这层大气的温度。紫外辐射也在平流层中制造了臭氧。这样形成了一个复杂的反馈过程。而平流层温度的变化能够改变哈得莱环流。

包括Goddard太空研究学会的David Rind在内的几个研究人员正在用精心制作的计算机模式检验紫外辐射假说的可能性。指出在太阳相对活跃期，紫外辐射强度的增强，加热了平流层大气，一个较热的平流层改变了大气波动的形势，这种波动在平流层和对流层间引起并传播，其长度为1000km或更长。

这种波动形势的变化能够影响云层、风和地面温度, 局部地区可能会改变5℃， 而且，Rind相信， 这种效果能累积到下一个太阳周期。太阳活动微小的变化能引起长期的气候变化。如小冰期一一欧洲十五一十八世纪反常的寒冷时期。Rind说：“ 这种解释相当微妙，它提供了太阳引起地球气候波动的最可能的途径。

Tinsley不同意这种说法，他认为太阳引起气候变化的初始作用是带电微粒而不是紫外线。他解释说太阳风即从太附中连续喷出的带电粒子经过地球时，影响戈大气中电荷的流动，电荷的累积能够助长冰晶的形成，有效地散播了云水汽凝结中释放的热量会使大气垂直运动加强，并推动了冬季咫风的发展云量的变化能长时期地改变气候。

Tinsley承认他的观点仍是假说，但是他观测到地球大气中电荷分布的变化和跟风一的强度相一致，并且与大气的不稳定有联系。更重要的是他发现一些大气现象的发生与磁暴有联系。太阳风的影响很清楚地与太阳紫外辐射无关。Rind认为不容质疑，电荷能够影响云的变化, 但是还必须通过观渺结果来证实它。“ Tinsley希望他或其他研究人员能够完成试验室的试验来确定他的观点的正确性。3

气候周期与天体活动周期对地球表层系统而言， 太阳系作为外部环境，与地球表层系统进行着物质、能量和信息的交换。气候变化与更迭正是这种交换导致地球表层系统结构和功能变化与调整的必然结果和具体表现。耗散结构理论指出：系统与环境之间不断进行着嫡交换，环境输入的负病流可以抵消系统内部的嫡产生，保持或增加系统的有序性。如果把气候系统中某一有序态作为其“ 正常” 的平均状态，那么外部环境输入系统内的负嫡流无论是超过还是不足于系统为维持原有状态所需的负嫡流时，系统都会跃迁或退化到新的状态，同时改变和调整其内部结构和功能以适应新的环境条件，进而牵动整个系统发生变化。当环境向系统内输入的负嫡流围绕系统的平均状态发生周期变化时，气候系统也将随之映射出周期性的变化。由于气候系统对外部环境的输入需要经过接收、感应和转化过程, 加之系统内部结构的复杂性和功能的多样性，因此气候周期与外部环境(即天体活动) 周期之间有时难以完全吻合，其间还可能存在着一定的偏差。若以偏差小于5 %时二者间即具有对应关系为判断标准。每一种天体活动的周期均与一定周期的气候变化过程相对应，而气候周期并不与有关天体活动一一对应。由此可见天体活动的周期性变化对地球气候系统有着深刻的影响，但并非是气候变化具有周期性的唯一原因。如果那样，我们这个世界也就变得简单了。

考察气候系统的负嫡流来源，宇宙内，特别是太阳系内各天体(包括地球本身) 活动所产生出的物质、能量和信息是地球气候系统得以维持并继续演化的最重要的和最根本的物质、能量和信息基础。正缘于此，天体活动的周期变化才成为气候系统周期变化的根本性驱动力。宇宙天体在其周期性的活动中可以通过改变传输负嫡流的两种基本形式-一一万有引力和电磁力的量级来改变气候系统的结构和功能，使之发生状态的演进或退化。根据目前的研究，造成气候周期性的天体活动形式主要有： (l) 太阳活动及其本身的运动变化，如磁暴、黑子等；(2) 地球天文参数的变化，如自转速度改变， 地极运动等； (3) 太阳系内各行星的相互作用，如上合、下合和会合等；(4) 月球对地球的影响，如引潮力的变化等。

气候周期在全球尺度上具有一定的趋同性， 这反映了天体活动对地球气候系统的影响在宏观上的一致性，但随着区域范围的缩小，区域内的自然环境各要素对气候系统的影响作用得以充分发挥，而天体活动的影响却变得相对弱小, 这样气候周期的区域性也就表现得愈加明显; 另一方面, 气候系统对天体活动周期性的响应在区域上可能存在着一定的“ 遥相关” 关系，这就是说，一定空间范围内相邻区域对同一天体活动的响应程度并不一致，但从全球范围来看对同一天体活动产生较强响应的区域也并非只有一个，而是多个。这样， 小区域的气候周期虽然千差万别，但就更大区域乃至全求尺度而言气候周期与天体活动周期之间仍具有很大的一致性。2