全球变化- 杨学祥工作室分享 http://blog.sciencenet.cn/u/杨学祥 吉林大学地球探测科学与技术学院退休教授,从事全球变化研究。

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气象学家遭遇世纪难题:地震与气候变冷的关系

已有 8111 次阅读 2010-1-24 07:15 |个人分类:学术争论|系统分类:生活其它| 全球变暖, 气候变冷

                    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、200911月至20101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20097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 NinoLa Nina的母亲。

 

近十年研究发现,El NinoLa 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。

 

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,20041226印尼发生8.7级强震,2005329印尼再次发生8.5级强震,200691213日印尼又发生8.5级和8.3级强震,2008年月中国南方爆发罕见的冰雪冻灾,2008512中国汶川8.0级强震,20094月爆发世界流感大流行,2009930南大洋萨摩亚群岛爆发8级强震和海啸,200911月至20101月罕见的低温暴雪袭击北半球。强震、低温冷害和流感爆发的对应规律非常明显。

 

  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(1960522):里氏9.5级。发生在智利中部海域,并引发海啸及火山爆发。此次地震共导致5000人死亡,200万人无家可归。

  2、美国阿拉斯加大地震(1964328):里氏9.2级。此次引发海啸,导致125人死亡,财产损失达3.11亿美元。阿拉斯加州大部分地区、加拿大育空地区及哥伦比亚等地都有强烈震感。

  3、美国阿拉斯加大地震(195739):里氏9.1级,发生在美国阿拉斯加州安德里亚岛及乌那克岛附近海域。地震导致休眠长达200年的维塞维朵夫火山喷发,并引发15高的大海啸,影响远至夏威夷岛。

  4(并列)印尼大地震(20041226):里氏9.0级,发生在位于印尼苏门答腊岛上的亚齐剩地震引发的海啸席卷斯里兰卡、泰国、印度尼西亚及印度等国,导致约30万人失踪或死亡;

  4(并列)俄罗斯大地震(1952114):里氏9.0级。此次地震引发的海啸波及夏威夷群岛,但没有造成人员伤亡。

  5、厄瓜多尔大地震(1906131):里氏8.8级,发生在厄瓜多尔及哥伦比亚沿岸。地震引发强烈海啸,导致1000多人死亡。中美洲沿岸、圣-费朗西斯科及日本等地都有震感。

  6(并列)印尼大地震(2005328):里氏8.7级,震中位于印尼苏门答腊岛以北海域,离三个月前发生9.0级地震位置不远。目前已经造成1000人死亡,但并未引发海啸。

  6(并列)美国阿拉斯加大地震(196524):里氏8.7级。地震引发高达10.7的海啸,席卷了整个舒曼雅岛。

  7、中国西藏大地震(1950815):里氏8.6级。2000余座房屋及寺庙被毁。印度雅鲁藏布江损失最为惨重,至少有1500人死亡。

  8(并列)俄罗斯大地震(192323):里氏8.5级,发生在俄罗斯堪察加半岛;

  8(并列)印尼大地震(193823):里氏8.5级,发生在印尼班达附近海域。地震引发海啸及火山喷发,人员及财产损失惨重;

  8(并列)俄罗斯千岛群岛大地震(19631013):里氏8.5级,并波及日本及俄罗斯等地[6]

8(并列)印尼大地震(2007913):里氏8.5级,发生在位于印尼苏门答腊南部海中。

 

按时间顺序,1906192319381950195219571960196319641965200420052007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。

 

2004122620053192007913印尼38.5级以上大地震,对应200520062008年初的全球寒流突袭和2000年以后的冷信号增强。其中最后一次寒流袭击最为强烈。

 

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(12221121421日),造成长时期的降温和严寒天气,改变了从1986年以来中国大部分地区连续出现18个暖冬的局面,人们难以适应。寒潮事件的强冷空气来自欧亚北部和北极地区的高纬平流层下部与对流层上部。在寒潮爆发前期,高位涡强冷空气传播到贝加尔湖南侧,并被来自低纬度的低位涡空气所切断,在欧亚地区形成北部低位涡(阻塞高压)南部高位涡(低涡)的偶极型环流。随着低位涡的减弱消亡,高位涡强冷空气沿高原北侧向东南方向移动,当高位涡中心移到中国东部地区,高位涡空气柱在垂直方向上强烈向下伸展,使得气柱的气旋性涡度加强,东亚大槽迅速加深,引起寒潮的爆发(对应20041226印尼9级地震和大海啸,死亡人数超过22)。

 

  插曲二:20081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2004122620053192007913印尼38.5级以上大地震造成的海洋表面温度变冷)。

 

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2009930南大洋萨摩亚群岛爆发8级强震和海啸)。

 

我们在200911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20097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,1957196919721976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1955195719841969197219771984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。


5  长江中下游冬季最大连续冰冻天数历年变化统计表(据丁一汇,2008

资料来源:丁一汇。透视大雪灾。日期:2008-02-24 来源:文汇报。http://wenhui.news365.com.cn/kjwz/200802/t20080224_1768467.htm


 

四、观点和结论

 

  未来世界会不会进入“微冰河期”?丁一汇院士认为,今天回答这个问题还很难。气候变化是个很复杂的科学问题,影响气候变化的因子非常多,忽略任何一个因子,都可能会影响预测的准确性。影响气候变化的因子主要有三大类:

 

  第一类是人类活动。近百年来,人类活动带来的温室气体排放所产生温室效应是气候变暖的重要原因之一。

 

  第二类是自然外强迫,主要是指太阳活动和火山活动。太阳活动是11年周期,太阳黑子多的时候,地球收到的能量就比较多,温度就会上升。反之亦然。火山爆发喷发出大量的颗粒物,最重要的是硫化物颗粒物,能够反射太阳光,地球温度就会降低。

 

  第三类是气候系统内部的变化。大气圈,海洋圈,生物圈,陆地圈,冰雪圈这五个圈层组成了气候系统。这五个圈层自身变化和相互作用变化都叫做内部变化。这种变化关系是非常复杂,甚至微妙的关系。其中最困难的莫属于这几个圈层之间的相互作用,即内部的耦合变异。这也是气候预测之所以非常难的原因。

 

  自1998年以后,太阳活动属于小M年,辐射总量极低;火山爆发频繁,太阳热量被气溶胶反射;北极涛动正位相逐步减弱;赤道中东太平洋温度下降。尽管这四个指标皆为负值,削弱了增温的趋势,无法达到1998年的峰值,但是仍处在高峰的位置。所以气象史上讲,最近十年的温度,仍然是1851年以来,是第五个最暖的十年。

 

  所以总体来讲,温度变化是曲线而非直线,是叠加了正负因素波动的上升变化。这个波动从1900年到现在有两正两负,即19201940年代、19801990年代两个高峰,19001920年代、19501970年代两个低峰。

 

  从三类因素分析来看,按照平均60年的周期算,以1998为界,预计未来十几年气候仍然继续变暖,但遭遇冷事件的风险增加了,冷事件造成的灾害影响可能会越来越大。比如本世纪以来的三次“冷插曲”正反映了这一特点。那么这个波动究竟会持续多长时间?这是气候研究的一个挑战,仍需要综合考虑、分析自然的因素和人类活动因素的多重影响作用,才能得出更准确的气候预测[1]

 

在哥本哈根关于应对全球变暖的争论深入人心的情况下,北半球突然遭遇了极端冷事件,不免让社会公众对于“全球变暖”问题感到迷惑。在全球变暖的大背景下,为什么近期“极端冷事件”却频繁发生?

 

  王绍武研究员认为,北半球近期极端冷事件频繁发生,可以说是自然变率的结果。IPCC以前的评估报告只考虑了人类活动对气候变化的影响,在它的第四次评估报告中除了考虑人类活动因素的影响外,也开始考虑自然变率的影响。在二十世纪后期,有好多人根据太阳活动周期预测21世纪20-30年代世界将进入相对冷的时期,我觉得这种预测是有可能的。但是,是不是现在就会进入寒冷时期?现在对未来的预测,还没有比较好的、大家都能接受的模式。当时这一观点提出的时候,并不受重视,这个寒冬使大家开始重视研究这个问题。目前大家只是开始重视讨论这个问题。所以世界究竟何时进入寒冷期、寒冷期会持续多长时间、寒冷期强度有多强等问题,还需要严格地研究,才能发表比较确切的预测结果[2]

 

如丁一汇院士所说,大气圈,海洋圈,生物圈,陆地圈,冰雪圈这五个圈层组成了气候系统。这五个圈层自身变化和相互作用变化都叫做内部变化。这种变化关系是非常复杂,甚至微妙的关系。其中最困难的莫属于这几个圈层之间的相互作用,即内部的耦合变异。郭增建研究员的“海洋巨震调温理论”,可能发现了其中的一个原因,需要气象界关注和研究。

 

王绍武研究员认为,北半球近期极端冷事件频繁发生,可以说是自然变率的结果。郭增建研究员的“海洋巨震调温理论”是自然变率的一个结果。

 

参考文献

 

1.  丁一汇。“冷事件”很难改变气候变暖的大趋势。记者:中国气象报  徐丽娜。来源:中国气象报社。发布时间: 20100118 http://www.cma.gov.cn/ztbd/2010zt/2010011801/2010011802/201001/t20100118_57095.html

2.  王绍武,徐丽娜。做“世界进入迷你冰河期”的结论为时尚早。来源:中国气象报社。发布时间: 20100118http://www.cma.gov.cn/ztbd/2010zt/2010011801/2010011802/201001/t20100118_57085.html

3.  杨修群, 朱益民, , . 太平洋年代际震荡的研究进展[J]. 大气科学, 2004, 28(6): 979-992.

4.  吕俊梅, 琚建华, 张庆云, . 太平洋年代际振荡冷、暖背景下ENSO循环的特征[J]. 气候与环境研究, 2005, 10(2): 238-249.

5.  Zhang Y, Wallace J M, Battisti D S. ENSO-like interdecadal variability: 1900-93[J]. J. Climate, 1997, 10:1004-1020.

6.  Mantua N J, Hare S R, Zhang Y, et al. A Pacific ingterdecadal climate oscillation with impacts on salmon production [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 1997, 78: 1069-1079.

7.  杨冬红, 杨学祥, 刘财. 20041226印尼地震海啸与全球低温.地球物理学进展.2006,213):1023-1027

8.  杨冬红, 杨学祥. “拉马德雷冷位相时期的全球强震和灾害.西北地震学报.2006,281):95-96

9.  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.2007,13):1-8.

10.              杨冬红, 杨学祥. 潮汐和地震对全球气候变化的影响. 沙漠与绿洲气象, 2007,14):5-12.

11.              郭增建. 海洋中和海洋边缘的巨震是调节气候的恒温器之一[J]. 西北地震学报, 2002, 24(3): 287.

12.              杨冬红, 杨学祥. 海洋中和海洋边缘巨震是调节气候恒温器理论的检验[J]. 西北地震学报. 2005, 27(1): 96

13.              杨冬红,杨学祥.全球变暖减速与郭增建的海震调温假说”.地球物理学进展.2008, Vol. 23 (6): 18131818

14.              杨学祥,杨冬红。地震、海啸、低温和流感:灾害链的变化趋势。生命与灾害,2009,(11):4-7.

15.              杨学祥、杨冬红。4种原因可能是祸首。新文化报,201016(第5版)。http://enews.xwhb.com/html/2010-01/06/content_144259.htm

16.              杨学祥,杨冬红。拉马德雷冷暖位相转换说值得研究。日期:2010-01-12 来源:文汇报。12版:科技文摘。http://wenhui.news365.com.cn/kjwz/201001/t20100112_2587807.htm

 

 




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