地球科學園地

一九九七◆十二月冬季

《第四期》

 

 

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談大氣-海洋的深呼吸

聖嬰/南方振盪現象

吳明進/台灣大學大氣科學系

 

  今年台灣的降水可真是特別的多,起伏也很大,可說是氣候上顯著的異常。在這同時,報紙、電視等新聞媒體卻報導著澳洲北部和東南亞等地很久沒有下雨了,而這些地區原是世界上雨下得很多的地方。

  今夏也由於異常的乾旱,印尼蘇門答臘和加里曼丹兩大島野火四起,濃煙甚至波及馬來西亞和新加坡等地。在赤道和熱帶太平洋的另外一邊,如南美洲厄爪多爾和祕魯北部等沙漠地帶卻豪雨成災。

  很顯然地,這個氣候的異常現象,正擴及全球廣大的地區。

  這種全球性氣候異常的現象,在70年代以前並不知道是什麼原因,不過,最近大家都認為這是一種「聖嬰/南方振盪現象」。

  於是,祕魯總統藤森8月30日下令高度警戒防範聖嬰現象發酵,防範南旱北澇橫掃全國;新加坡環境部則擔心印尼蘇門答臘森林火災的濃煙可能因為聖嬰現象更加惡化,波及新加坡;台灣的新聞媒體也紛紛宣稱台灣的水災可能和聖嬰現象有關。在今年,聖嬰現象的發生已經成為全球媒體的焦點了。

  但是,是不是所有的災難都要歸咎於聖嬰現象呢?這倒是值得討論的問題。

 今年(1997)台灣地區二、三月以及梅雨季的降
雨比。降雨比(率)%=降雨量/氣候值×100

地 點 二 月 三 月 梅雨季
基 隆 117 96 123
宜 蘭 123 73 95
蘇 澳 103 67 103
鞍 部 117 72 164
陽明山 105 62 189
淡 水 135 63 183
台 北 141 57 169
新 竹 152 92 168
台 中 122 233 151
梧 棲 108 146 159
日月潭 147 186 104
阿里山 169 205 100
嘉 義 164 239 111
台 南 245 274 116
高 雄 497 262 177
花 蓮 125 84 80
成 功 128 70 58
台 東 261 113 69
大 武 151 281 192
恆 春 345 191 181
蘭 嶼 96 126 103
澎 湖 160 152 51

 

 聖嬰/南方振盪現象
(El Nino/Southern Oscillation)是什麼?

  大家都在熱烈談論聖嬰現象,到底什麼是「聖嬰現象」?它和「南方振盪」又有什麼關係?這必須從聖嬰現象未發生之前談起。

  太平洋東部副熱帶地區海域平常為太平洋高壓所籠罩。在東太平洋熱帶海岸和沿赤道地區的海面由於受到冷洋流和湧升流的影響,海面溫度較其他地區冷,氣候也較乾燥,例如東太平洋厄瓜多爾、祕魯地區的海岸都是沙漠。然而海面的溫度仍有顯著的季節變化,通常10月最低,4月最高。


全球海面溫度的變化。

  其實,祕魯北部地區的漁民和水手很早就注意到一個現象--聖誕節過後,盛行的南風會減弱,並且有一股海流遠從赤道地區帶來暖水和漂流物。這股暖流每隔幾年會特別強,維持特別久,並伴隨海況和氣候有所改變,當地人便稱它為"El Nino"西班牙文小寫是「男孩」的意思,大寫則代表「耶穌基督(聖嬰)」。

  後來,科學家分析資料,發現El Nino發生時,海面溫度異常升高的現象不只發生在祕魯、厄瓜多爾地區的海岸,還擴及整個熱帶東太平洋。而溫度異常升高的幅度有時可以較季節平均(正距平)高出攝氏2至8度,並可維持半年到18個月。此外,除了熱帶東太平洋海面溫度異常升高之外,還有海洋和大氣環流以及海陸生態平衡的改變。後來,氣象和海洋學家便借用原來祕魯指稱異常暖流的現象E中Nino來統稱東太平洋海面異常的增溫現象,即「聖嬰現象」或「艾尼紐」。

  聖嬰現象的發生和大氣裡頭最大規模的氣壓系統變動,即地球的深呼吸-南方振盪(Southern Oscillation)也有密切關聯,不過這是1960年代以後才知道的事。

  資料分析指出,聖嬰現象和南方振盪有密切關聯。一般說來,聖嬰現象都發生在南方振盪指數低時,同樣聖嬰現象的發生也使得南方振盪指數降低。也就是說,聖嬰現象和低南方振盪指數有雞生運、蛋生雞的關係,因而一般合稱為「恩索ENSO」(El Nino / Southern Oscillation)。


東太平洋海溫和南方振盪指數相反的傾向。

  因為大氣和海洋間交互作用的緣故,熱帶太平洋為東邊冷、西邊暖與東邊乾、西邊濕的分佈。這種狀態在南方振盪指數最高、信風(東風)最強的時候最顯著,以前氣象學家稱它為「非聖嬰」或「長老」,後來又有海洋學家把它取名為「女嬰期」(La Nina,西班牙文意思是女孩),意思是和聖嬰現象相反。

什麼是「南方振盪現象」?

 在二十世紀初期,英國的沃克爵士(Sir. G. Walker)主持印度氣象局,他採用相關迴歸的方法來做印度季風(夏季降雨量)的長期預報。

 研究結果發現,印度夏季季風的強度(以6至9月的降雨量表示)竟然和南美洲大陸副熱帶地區的氣壓(以阿根廷首都布宜諾斯艾利斯和智利首都聖地牙哥的氣壓平均為代表)有關--如果在3、4月時南美洲的氣壓比氣候值偏高(有正距平),則印度夏季季風強,雨量較多;反之,如果南美洲氣壓偏低,則印度可能發生乾旱。

 而南美洲氣壓高低之間的擺動,每幾年就會發生一次。沃克認為南美洲氣壓高低之間的擺動是南半球的現象,所以稱它為「南方賑盪」。

 後來的研究顯示,南方振盪其實是太平洋-印度洋之間大氣質量場(氣壓場)的變動。

 氣象學家勃拉齊曾計算全球各地的月平均氣壓距平和印尼爪哇島的雅加達氣壓距平相關係數,發現西太平洋和印度洋地區氣壓的長期變化和東太平洋的氣壓變化趨勢相反。而變化最大的中心,西邊是在澳洲北部、印尼地區,東邊是在南太平洋副熱帶高壓地區。

 由於靠近中心的東太平洋的大溪地島和澳洲北部的達爾文港有比較好的觀測記錄,所以現在都用這兩地的氣壓差來代表南方振盪的狀態,稱為「南方振盪指數」。

 

為什麼熱帶太平洋東邊、西邊氣候截然不同?

 在氣候上,熱帶太平洋海面東邊冷、西邊暖。為什麼會這樣?這主要跟大氣環流有關。

◆海洋的情況

東太平洋副熱帶地區:大氣為南北太平洋高壓所籠罩,南美洲海岸吹的是盛行南風,中美洲和北美洲海岸吹的是盛行北風。南(北)半球南(北)風把表面水往北(南)帶,由於受到科氏力影響,表面水的移動會往左轉(北半球右轉)離開海岸,從質量不滅可以推測下層的水會升上來補充,這就是「海岸地區湧升流」( upwelling)形成的原因。

 海洋的主要熱源是太陽輻射,上層的水溫比較高。一般海水水溫高則密度小,所以海洋有明顯的分層--上層暖水和下層冷水間有一明顯的界面叫做「斜溫層」。湧升流使得下層的水上升,所以斜溫層較淺較靠近海面,又由於風吹送使水混合,因而有湧升流地區海面溫度較低也就不足為怪了。

東太平洋赤道地區:也有湧升流,這原因和海岸地區類似,只不過它的邊界是赤道罷了。赤道地區由於受到南北半球副熱帶高壓的影響,吹的是盛行偏東風,東風使得表面水在赤道以北往北移,而赤道以南往南移,一樣從質量不滅可以推測下層的水會升上來擴充,因而造成赤道地區的湧升流和較低的海面溫度。

 這赤道的偏東風不但使海面溫度降低,且造成表面往西的洋流。水在熱帶西太平洋堆積,因而赤道西太平洋海平面較東太平洋高,東西兩岸大概相差達6O公分左右(不到1公尺),但斜溫層卻是赤道西太平洋要較東太平洋深(靜力平衡),西太平洋約為150公尺深,東太平洋則是不足5O公尺。西高東低的海平面和西深東淺的斜溫層代表海洋有較高位能,這主要是靠信風的應力維持:在熱帶西太平洋海面,因斜溫層很深,下層的海水不容易影響上層,加上陽光照射加熱,使得熱帶西太平洋成為全球海面溫度最高的地區,稱為「暖池」。


聖嬰發生前(左)和發生後(右)上層海洋立體示意圖
(1)風(2)海水的水平運動(3)海水的垂直運動。

◆大氣的情況

 氣候資料顯示,在聖嬰發生前,東太平洋副熱帶地區為太平洋高壓所籠罩,而亞洲南部(特別是西太平洋印尼地區)則是低壓。沿赤道,這種東西向之氣壓分佈和海面溫度的分佈有某種程度上的關係。

低層氣流:從靜力平衡的觀點得知,地表(海面)的溫度高則氣壓低,地表的溫度低則氣壓高。在南半球低層氣流順著高壓外緣做逆時鐘方向旋轉,在赤道附近形成東南信風,這和北半球的東北信風構成赤道地區偏東風。這種低層潮濕的偏東風在西太平洋-印度地區和印尼以西的偏西風相遇,產生輻合而上升,加上地面(海面)溫度高大氣不穩定,更容易成雲致雨,因此造成印尼和西太平洋新幾內亞地區潮濕多雨的雨林氣候。

上層氣流:大氣層的上層則剛好相反,氣流從低層輻合區上升後在高層往外輻散(質量不減),向東的一支在太平洋東部副熱帶地區輻合下沈,配合這些地區低層的高壓輻散(質量不滅),造成太平洋東部地區晴朗少雨的氣候(加洲南部即為一例)。加上海面溫度偏低大氣更形穩定,因而東太平洋赤道附近地區為全世界最乾燥的地區之一,想不到吧!

 這種低層東風,高層西風與西邊上升,東邊沈降的東西向環流,有別於赤道地區上升及副熱帶地區下沈的南北向哈德里(Hadley)環流,稱為沃克環流。


聖嬰發生前後熱帶太平洋低層氣流示意圖

聖嬰發生前(上)後(下)熱帶太平洋大氣和海洋環流垂直剖面示意圖

 

 聖嬰現象發生了!

  熱帶太平洋的海洋大氣系統中大氣低層強盛東風,海面溫度西暖東冷,海洋上層有高位能的狀態。

  經過一段時間後,會發生西太平洋赤道西風突然加強、南太平洋高壓突然減弱、中太平洋低層東風變弱或轉向的現象。這時,印度、印尼和澳洲北部降雨減少,而中太平洋及東太平洋降雨量突然增加。同時,熱帶中太平祥和東太平洋海面溫度會升高。

  這種現象會維持一段時間,這就是氣象上的南方振盪、海洋上的聖嬰現象。

  過去發生的聖嬰現象大體上有兩種類型。

  一種是海面溫度的異常升高首先出現在南美洲海岸,而後往中太平洋蔓延。開始的時間大多在聖誕節前後,1972/73年的聖嬰現象是典型的例子。

  另一種是海面溫度的異常升高首先出現在中太平洋,而後隨著時間往東太平洋發展,開始的時間通常是北半球春天以後,1982/83年的聖嬰現象是典型的例子。

  1982/83年的聖嬰現象是本世紀最強的一次,今年的聖嬰現象比較接近1972/73年的類型,訊號首先在東太平洋出現,但強度可能會打破1982/83年的記錄。



1997年8月全球海溫距平。(資料來源:IRI)

為什麼東太平洋的海面溫度會升高?

 聖嬰現象發生前,中、東太平洋東風增強,造成赤道海平面西高東低,而斜溫層是西深東淺,這樣巨大的位能需要靠風應力維持。當西太平洋西風爆發或中太平洋東風減弱造成東風應力減弱,風應力就不能維持海面和斜溫層的傾斜,重力使得海面上升,斜溫層下降的擾動會沿赤道以重力波(凱爾文波)的方式傳播到東太平洋(從西太平洋傳到東太平洋約需3、4個月),擾動向東傳播時,由於科氏力的作用(水面高往水面低的地方流動時,北半球往南,南半球往北)使得擾動被侷限在赤道上,直到東太平洋。擾動帶來暖水和斜溫層的下降使得湧升流冷卻的效果減弱,導致海洋上層溫度升高。因而擾動帶來海面溫度的暖異常。擾動到達海岸會往南北傳播,由於科氏力的作用,在南半球往南流動的水要往左偏移(即向東偏轉),所以整個擾動會侷限在海岸邊。另外一部份能量在東邊界反射,由於造成科氏力的科氏參數隨著緯度改變,這一部份擾動以行星波(羅氏貝波)的方式以較慢的速度,從東邊界往西傳(傳播速度約為凱爾文波的三分之一),海面溫度的異常因而也可能由東向西傳播。

 

為什麼中太平洋東風會進一步減弱?

 聖嬰現象發生後主要的特徵,是熱帶東太平洋海面溫度升高。其實伴隨的尚有西太平洋海面溫度略為降低,因而聖嬰現象發生後東西向沿赤道的海面溫度差異減小,因而東西氣壓的差異也減小,所以聖嬰現象發生後,低層氣流不再能夠從東太平洋經過溫暖的洋面往西太平洋印尼地區去匯合而成雲致雨。積雨雲所扮演的鍋爐角色,由潛熱釋放來驅動沃克環流的機制因而消失,導致中太平洋東風進一步減弱。

 同時,東太平洋海面溫度升高也使得東太平洋副熱帶高壓進一步減弱。沃克環流的減弱在大氣上的表現就是印尼、澳洲北部的降雨減少,而這時的中太平洋和東太平洋由於高壓減弱和海面溫度升高,導致大氣不穩定度增大,反而有更多下雨機會。

 

 聖嬰的影響

  熱帶太平洋聖嬰現象的影響範圍廣達世界各地,不過影響最直接、最嚴重的當然是太平洋熱帶地區。

  聖嬰發生前,太平洋東部的海域由於受到湧升流的影響,斜溫層非常平淺,深海含養料豐富的海水會上升到上層,加上擁有充足的陽光,構造簡單的生物能行光合作用營生,因而藻類、浮游生物滋生,魚蝦繁殖,形成世界主要的漁場,捕魚是沿岸居民主要的經濟活動。

  此外,捕食魚蝦的海鳥在海岸地區大量繁殖、排泄,加上該地區氣候乾燥少雨,鳥糞不會被雨水沖刷而堆積成鳥糞層。當地居民收集海岸地區的鳥糞出售,供作生產肥料的原料,成為漁產之外的一大財源。這些資源皆是拜低溫的湧升流和乾燥的氣候所賜。

  聖嬰現象發生時,海面和海面溫度都升高,但斜溫層反而下降,湧升流不再使下層養料豐富的冷海水上升到上層,結果藻類和浮游生物減少了,大小魚蝦也因缺乏食物和海水溫度改變而死亡或他遷,造成漁獲量突然減少。1972/73年的聖嬰現象發生時,造成秘魯鯷魚漁獲量從1971年的1200萬噸銳減至1973年的150萬噸,造成秘魯漁業的全面崩潰即為一例。聖嬰現象發生,靠魚兒維生的海鳥,也因食物減少與氣候不適應而大量死亡或遷徙,鳥糞也沒有了。當地居民賴以維生的資源一下子枯竭,很多人因此失業被迫遷移到遠地的城市,造成整個國家社會的不安。

  在太平洋另一邊的澳洲北部和菲律賓、印尼地區,在聖嬰發生前原來有大量的降水,所以印尼的農業、澳洲的畜牧業非常發達。聖嬰發生後,降水顯著減少,甚至發生嚴重的乾旱現象、森林火災,農地休耕,畜養的牛羊也因缺水而不得不大量宰殺。

  上述地區漁獲、肥料、穀物、畜產等產量巨大的改變,透過國際貿易可直接影響到世界各地各種期貨市場的價格。

  事實上,聖嬰現象的影響並不僅限於熱帶太平洋地區,它的發生牽連地球上每個角落的氣候變化。聖嬰現象的發生代表熱帶大氣加熱地區的擴大和位置移動,意即代表全球大氣環流型態的改變和對流層的增溫,因而也影響到世界各地的氣候。

  聖嬰現象發生時,除了熱帶太平洋的氣候發生變動之外,副熱帶太平洋區(例如夏威夷)的降水會減少,印度地區可能發生乾旱,非洲東南部地區會變得比較乾,加拿大西南部通常較溫暖,而墨西哥灣地區可能會有洪水,巴西東北部可能發生乾旱,美國西海岸地區風暴增多,西南部降水增加。此外,由於熱帶暖洋面
移至中、東太平洋,因此不利颱風在西太平洋形成,西太平洋颱風發生次數減少,東太平洋颶風則增加。由此可見聖嬰現象的影響差不多擴及全世界。

  聖嬰現象對台灣的影響,依資料的分析主要是在聖嬰年,西部春季2、3月的降水顯著增加,冬季氣溫顯著升高。西太平洋颱風發生的次數雖然減少,但是侵台颱風卻沒有顯著的差別。聖嬰現象影響的程度,除了熱帶太平洋地區之外,其他的地區則要看海面溫度改變的幅度範圍大小和不同的季節而定。

 

 謎樣的聖嬰現象

  聖嬰現象發生的原因尚不清楚,現在仍是大氣和海洋科學一個熱門的研究題目。

  以往海洋學家認為聖嬰現象的發生是因為大氣的改變。聖嬰現象發生時,南太平洋高壓減弱,同時赤道西太平洋西風爆發,中太平洋偏東風減弱,因而風力不能支持原來的東西海面梯度,因而西太平洋的暖水往東潰流,造成東太平洋海面升高,斜溫層下降,導致海面溫度升高,這樣子聖嬰現象就發生了。

  聖嬰現象發生後,中太平祥和東太平洋海面溫度升高,沃克環流減弱或甚至反向,造成熱帶太平洋東西兩岸的氣候改變。中太平洋和東太平洋南北向的哈德里環流,因熱帶地區的海面溫度升高而加強,結果更多的能量與動量往南北傳送,造成中緯度西風加強、北美太平洋沿岸氣旋的增加及其他一連串的氣候改變。

  為什麼南太平洋高壓會有強弱振盪的現象?有部份的氣象學家認為,南太平洋高壓的減弱是因為東太平洋海面溫度升高所引起,且氣象數值模式的模擬也支持這個說法。這個說法和上述部份海洋學家的觀點,即海面溫度升高是由南太平洋高壓減弱所引起的理論,大相逕庭,到底是先有雞蛋還是先有雞?目前尚無答案。

  最近的研究認為,聖聖/南方振盪現象是一種循環的過程,它是大氣/海洋系統的質量場、能量場的調適過程,它是大氣/海洋交互作用的結果,也有人認為聖嬰現象是大氣海洋的平衡系統受到火山活動等隨機擾動所激發。理論很多,不過可以確定的是,要探討ENSO現象的奧秘需要大氣與海洋同時考慮。

 

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