人们对近百年前气候变化的研究，主要是通过冰芯、石笋、树木年轮、深海沉积等气候代用指标进行的。随着科学技术的进步，人们逐渐建立起了全球气候观测网，从而能够依据观测资料定量地诊断分析年代际、年际、月～年尺度上的气候变化。近代气候变化都是由观测仪器所测的气候各要素的长期变化，故有时也称器测气候变化。浩如烟海的观测数据，记录了气候变化的事实，揭示了气候变化的内在特征，蕴含了气候变化的基本规律。本小节将简单介绍近百年来全球气候变化历史，年代际、年际尺度上的气候变化强信号。

近百年来气候变化的总趋势如下:

（1）从19世纪末到20世纪40年代，世界气温出现明显的波动上升现象。这种增暖在北极最明显，1919～1928年间的巴伦支海水面温度比1912～1918年高出8℃，巴伦支海在20世纪30年代出现过许多以前根本没有来过的喜热性鱼类。

（2）在20世纪40～70年代，世界气候有变冷现象。以北极为中心的60°N以北，气温越来越低，进入60年代以后，高纬地区气候变冷的趋势更加显著。例如，1968年冬，原来隔着大洋的冰岛和格陵兰，竟然被冰块连接起来，发生了北极熊从格陵兰踏冰走到冰岛的罕见现象。

（3）进入20世纪70年代后，世界气候又趋变暖。1979年以来，不同的资料集得到的全球地表变暖率是0.16℃/10年～0.18℃/10年。

过去一个半世纪以来，地球表面温度呈现出非常明显的上升趋势（图3.26）。而且，从各时期的线性趋势拟合看，距离现在的时间越短，倾斜度越大，这表明温度正在加速上升。种种迹象表明，目前正在经历的变暖可能是近千年中地表增温速率最大的一段时期。海洋温度上升、海平面升高、冰川融化、北极海冰减少和北半球积雪减少等现象也证实了全球变暖。

除了对地表温度的观测，从1958年以来，利用探空气球也实现了对地表以上不同高度层气温的观测，而从1979年起又开始获得卫星微波探测数据。就20世纪50年代末以来的全球观测来看，最近的数据集显示对流层的温度变化趋势与地表基本一致，其增温速度稍快于地表。而由探空、卫星和再分析资料对平流层温度的估计都是显著降温。这显示了温室气体浓度增加在对流层增温和平流层降温过程中起的作用，臭氧减少对平流层降温起了很大作用。

地球气候在过去的一百多年里显著地变暖了，这是一个平均状况。实际上由于大气环流的变异与调整以及不同下垫面及地形的影响，在不同的纬度和区域这种变暖存在着很大的差异，较高纬度地区明显高于较低纬度地区，并且陆地表面温度的变暖速率快于海洋表面的变暖速率，不同季节的温度变化特点也不完全一致。

图3.26　1850～2005年全球年平均气温（黑点）及线性趋势　左边的坐标轴表示相对于1961～1990年平均的温度距平，右边的坐标轴表示估算的实际温度。单位均是℃。图中分别给出了25年（黄色）、50年（橙色）、100年（红紫色）、200年（红色）的线性趋势。蓝色的平滑曲线表示年代际变化，淡蓝色曲线表示90%的年代际误差范围（IPCC，2007）

近百年来全球温度的升高表明气候发生了显著变化，这种变化在大气环流和海—气相互作用等方面也有明显表现。东亚季风对我国天气和气候有着十分重要的影响，厄尔尼诺—南方涛动是全球海洋大气年际变化的最强信号，认识并掌握它们的特征和变化规律，既是人们认识当前气候状态的需要，也是进行中长期天气预报和气候预测的需要。

季风是一个古老的气候学概念。一般来说，季风是指近地面层冬夏盛行风向接近相反且气候特征明显不同的现象。近年来对季风的研究已经超出了气候学的范畴，不仅研究季风的平均状态、季节变化、年际变化、基本成因等，还研究季风的环流系统、爆发与撤退过程、中短期变化及其物理机制，以及它和整个大气环流的相互联系和相互作用等天气学问题。本小节重点介绍东亚季风系统。

（1）东亚季风环流

气象学上通常这样定义季风:一个地区冬、夏之间盛行风有显著季节性变化的现象，冬、夏之间稳定的盛行风向相差120°～180°。早在15世纪末，阿拉伯水手们在印度洋的贸易航线上，就发现了风随季节变化而反向的现象。全球大约有一半以上低纬度地区盛行季风气候，亚、非和大洋洲的热带和副热带地区为连成一片的全世界最大的季风区，其中东亚的海上、南亚、东非和西非属明显季风区。

亚洲季风关系到了全球60%人口的生存，对亚洲季风的研究历来被气象学家重视。亚洲季风系统可分为东亚季风系统和南亚（印度季风）季风系统。比较起来，南亚季风以行星风带的季节变化为主因，且与海陆分布的影响一致，东亚季风则以海陆分布的因素为主，其行星风的交替现象不明显。

东亚季风可分为东亚冬季风和夏季风（图3.27）。首先，冬季盛行东北气流（华北—东北为西北气流），夏季盛行西南气流，中国东部—日本盛行东南气流；其次，因为冬、夏季风各有不同的源地，因而气团的性质有着根本的不同；冬季寒冷干燥，夏季炎热湿润；第三，季风造成的天气现象也有本质的季节性差异；冬季干燥少雨，夏季湿润多雨，尤其是多暴雨。在热带地区更有旱季和雨季的明显对比。

东亚季风对东亚及其邻近区域和全球尺度的天气、气候有着重要影响。中国除了新疆、柴达木盆地中西部、藏北高原西部、贺兰山和阴山之北的内蒙古地区属大陆性气候区外，其他地区均属于季风区。因此，中国大面积旱涝灾害与东亚季风的变化关系密切。1991年江淮流域持续两个月的严重降水及洪涝灾害和1998年夏季长江流域空前的持续性降水和洪涝灾害，即与东亚夏季风的活动异常直接相关。

图3.27　亚洲季风（左:冬季风，右:夏季风）示意图（Burroughs，2003）

从组成上看，东亚夏季风系统包括南海和赤道西太平洋的季风槽、印度的西南季风气流、沿100°E以东的越赤道气流、西太平洋副热带高压和赤道东风气流、中纬度的扰动、梅雨锋以及澳大利亚的冷性反气旋（Tao and Chen，1985）。

东亚夏季风起源于澳大利亚高压，在105°E～125°E附近越过赤道后，在南海、西太平洋地区成为西南气流，由于西太平洋副热带高压的影响，形成赤道辐合带。副热带高压南侧的东南气流向北运动又变成西南气流，与北方来的冷空气相遇，在长江流域形成梅雨锋。南亚季风系统起源于马斯克林高压，在东非沿岸越赤道后形成索马里急流，以西南季风形式影响印度、中南半岛和我国西南地区。西南季风的加强东伸，也可以影响到中国南海、西太平洋地区，加强那里的西南气流（图3.28）。

（2）东亚冬季风与寒潮

东亚冬季风是全球最为典型的冬季风。冬季时欧亚大陆存在全球最强大的冷高压，其中心一般位于西伯利亚，当高压离开源地向南爆发时，在其东侧和南侧可产生很强的偏北风，其影响范围从中国东部经南海直到马来西亚和印度尼西亚一带，这就是在冬季常见的冷空气过程。当气温下降到一定程度以下，即出现所谓的寒潮天气过程。它通常会带来大风和剧烈降温，有时出现雨雪天气。

冬季风的建立一般是在10月中旬，这正是亚洲大陆高压加强，寒潮首次侵袭到华南沿海以至东南亚的时候。根据我国中央气象台规定，当冷空气侵入后，凡气温在24小时内骤降10℃以上，最低气温降至5℃以下者称为寒潮。以后又补充规定:一次冷空气活动使长江流域以及以北地区48小时内降温10℃以上，长江中下游地区最低温度达4℃或以下，陆上有相当于三个行政大区出现5～7级大风，沿海有三个海区伴有6～8级大风者，称为寒潮或强寒潮。未达到以上标准者，则称为较强冷空气或一般冷空气。一次寒潮过程3～4天，但也有的长达8～9天。有寒潮天气来临时，各级气象台部门会提前发布寒潮预警（标准见附录二）。如2013年11月8日15时，青岛市气象局发布了寒潮蓝色预警，预计气温9日夜间明显下降，过程降温8℃左右，市区最低温度4℃左右。实况是9日～10日青岛地区降温8℃～9℃，平均风力5～6级，10日市区最低温度降至3.9℃，并给青岛带来了一场中雨。

冬半年侵袭我国的全国性寒潮平均每年有3～4次，只影响到长江以北或只影响到长江以南的寒潮每年各有2次。但各年之间的差异很大，如全国性寒潮，最多一年可出现5次，最少者一次都没有。全国性寒潮一般于9月下旬开始，次年5月结束。3～4月寒潮活动次数最多，11月次之。春、秋两季是过渡季节，冷、暖空气势均力敌，相互更替频繁，天气形势多变，故寒潮次数较多。冬季，我国大部分地区为冷空气所占据，冷空气居绝对优势地位，虽有冷空气南下，但不易达到降温10℃以上的程度，故寒潮过程减少。夏季，强冷空气很少能侵入我国中部和南部，只有在西北、东北等地，冷空气活动较频繁。

寒潮或强冷空气过境时，突出的天气表现是:大风和剧烈降温，有时伴随风沙、雨、雪、雨凇和霜冻，春秋两季江南地区，还有可能产生雷暴。寒潮的风向在南北方也有差异:东北、内蒙古多为西北大风；华北、黄淮多为偏北大风；长江以南多为东北大风。由于寒潮冷锋越往南移动速度越慢，南方大风持续时间往往比北方长。

冷空气开始形成和积聚的地区称为冷空气源地。影响中国的冷空气源地主要有三个:新地岛以东的北冰洋洋面，来自这个地区的最多（约40%），达到寒潮强度的次数也最多；新地岛以西的北冰洋洋面，来自这个地区的冷空气次数较少（18%），但其强度一般较强；冰岛以南的大西洋洋面，来自这个地区的较多（33%），但达到寒潮强度的比例少。来自这三个源地并影响到我国的冷空气有95%都要经过西伯利亚中部（70°E～90°E，4 3°N～65°N），并在那里聚集加强，我们称这个地区为“关键区”。冷空气经关键区后，经过不同的路径入侵我国。第一条路径是从关键区经蒙古到达河套附近南下，直达长江中下游及江南地区；第二条路径从关键区到华北北部，冷空气主力继续东移的同时，低空的冷空气折向西南，经渤海侵入华北，再从黄河下游向南可达两湖盆地；第三条路径是从关键区经新疆、青海、西藏高原东南侧南下，影响西北、西南及江南地区。各路冷空气有时会同时南下汇合，造成大范围的雨雪天气。寒潮过程的发生除了要有冷空气的酝酿和积聚过程，即冷源条件外，还需要有引导冷空气入侵我国的合适大气环流场。在500hPa等压面图上，对应于寒潮的环流形势主要有三种:小槽发展型、低槽东移型和横槽转竖型。

每年发生的寒潮次数是不相同的。1951～2004年，全国大部分区域的寒潮频次在寒潮季都减少了，东北地区尤其明显。其年代际变化也很显著，20世纪50、60年代寒潮偏多，70年代为一过渡期，80、90年代最少。从区域分布上看，中国北方单站寒潮频次的减少比南方明显得多。在气候变暖的背景下，西伯利亚高压和冬季风强度的减弱使得冬季中国地表温度持续升高，而温度的这种变化与中国寒潮频次及其相伴随大风频次的减少均有密切的联系（王遵娅和丁一汇，2006）。

冬季风存在着明显的年际和年代际变化。冬天的寒冷程度通常可以用来衡量冬季风的强弱。龚道溢（1999）计算了1880～1997年的全国平均冬季气温序列（图3.30），如果把温度序列中大于1.3倍标准差的年份定义为异常暖冬，小于-1.3倍的标准差的年份定义为异常冷冬，那么此序列中的异常暖冬有13个，分别是1940、1948、1945、1978、1986、1915、1934、1997、1990、1994、1992、1996和1938年；异常冷冬有10个，分别是1892、1967、1944、1935、1956、1884、1954、1976、1885和1894年。除了这种年与年的不同之外，异常暖冬和冷冬的出现有很大的群发性。近百年的冷冬主要集中在1880～1890年代，异常暖冬主要集中在1930～1940年代和1980～1990年代。

用西伯利亚高压的强度指标也可作为冬季风强弱的指标。取30°N～70°N、60°E～130°E范围内，地面气压≥1 028hPa的点数代表西伯利亚高压的强度。据分析，20世纪10年代末到20年代中是一个高压持续偏弱的时期，30年代后期到50年代初为一相对弱期，80年代后期以来为一个显著的弱期，与中国冬季气温计算相关系数，大约在35°N以北相关系数均在-0.4或更低，最低-0.6。说明这个指数与中国冬季气温有很密切的关系。西伯利亚高压强时气温低，弱时气温高。西伯利亚高压强，一般可认为冬季风强，弱时冬季风弱。所以，西伯利亚高压指数，在一定程度上反映了冬季风的变化。其明显的年代际变化与近百年中国冬季气温的变化是一致的。

σ为温度序列的标准差，根据±1.3σ＝±1.14的标准来判断异常的冷冬与暖冬（龚道溢和王绍武，1999）

冬季风的变化与大气环流的异常有密切关系。一个很有意思的现象是，在全球变暖的背景下，最近几年来北半球出现了连续的冷冬。全球地面气温的观测记录显示，21世纪第一个10年的冬季与20世纪的最后10年相比，美国气温下降1℃～2℃，欧洲下降2℃～3℃，西伯利亚下降3℃～4℃，我国东北及新疆也下降1℃左右。可见近年来冬季的变冷不是个别年份的现象，也不是某一地区的局部现象。至少是从2004年起冬天变冷的过程就开始了，在2007年之后这种趋势更为突出。

对这个现象的解释，有研究者提出了“暖大洋冷大陆”的理论:气候变暖导致北极海冰融化，使极区变暖，气压上升，大气西风环流产生波动，在北大西洋形成一个强的高压脊，北美及欧洲处于这个高压脊的两侧，形成很深的槽，冷空气顺槽南下，所以冬季出现严寒天气，欧洲槽的加深促使东亚的槽也加深，因此东亚的气候寒冷。这个例子也告诉我们，需要把气候系统的各圈层结合起来考虑。由于温室效应加剧，气候变暖了，促使北极海冰融化，改变了大气环流，使得冷空气侵入两个大陆。这样就产生了戏剧性的效果，全球气候变暖反而造成了北半球大陆的寒冬（王绍武，2013）。

（3）东亚夏季风与暴雨

中央气象台规定，日降水量≥50mm为暴雨，日降水量≥100mm为大暴雨，日降水量≥200mm为特大暴雨。暴雨是我国主要的灾害性天气之一，除了青藏高原、内蒙古和新疆的沙漠地区外，我国从南到北都可能发生暴雨。从辽东半岛南部起，沿着燕山、阴山经河套、关中、四川到两广，在这条界线以南以东的地区都容易出现大暴雨。持续性大暴雨或罕见的特大暴雨能引起江河暴涨，洪水泛滥，造成严重灾害。与寒潮等灾害性过程一样，暴雨来临前，各级气象部门会发布相应的暴雨预警信号（见附录二）。

暴雨的发生与季风雨带的南北移动相吻合。冬季暴雨局限在华南沿海。4～6月华南前汛期暴雨过程很多，多区域性或连续性大暴雨，以及特大暴雨。尤其是广东省，特大暴雨出现的频数及其中心最大雨量都比广西和福建大得多。6～7月间，长江中下游和淮河流域多发梅雨暴雨，历时长、面积广、暴雨量也大。7～8月是北方地区的主要暴雨季节，北方出现暴雨的频数比南方少得多，但强度大。8～10月暴雨的主要发生地又随着雨带逐渐南撤。9～10月我国西南部，包括陕西、甘肃南部、云南、贵州、四川西部、汉江上游和长江三峡地区在内的华西地区，会出现华西秋雨暴雨。

除了凝结核、冰晶、碰并等微观物理条件外，形成暴雨的宏观条件有:充沛的水汽、强烈的上升运动、持久的持续时间和有利的地形。东亚夏季风恰恰提供了前三种条件。

夏季风的进退带来了东亚地区雨带位置的移动（图2.4）。候平均的降水情况能够反映这种阶段性进退。定义候平均的日降水量减去1月份月平均的日降水量为相对候平均降水率，用这个指标对夏季风的爆发和撤退进行判断。相对降水率超过每天5mm的候即为季风爆发候，降至每天5mm以下的候即为季风撤退候（Wang和Lin，2002）。

4月下旬（23～24候）亚洲季风雨季最早在孟加拉湾的东南部开始，之后迅速向东北方向扩展，在5月上旬（25～26候）穿过中南半岛，5中旬（27～28候）越过南海，29候时到达西北太平洋，引起我国台湾和琉球群岛等地的雨季。南海季风的爆发是亚洲夏季风广泛爆发的标识。南海季风爆发以后，一条横跨南亚沿海到日本南部的雨带迅速建立。此后，夏季风向西北方的大陆跃进。在阿拉伯海地区，季风雨季爆发后迅速北进，在30候（5月26～30日）抵达印度次大陆，32候到达20°N（6月5～9日）；孟加拉湾上空的季风雨季爆发后向西北移动速度较慢，在6月初（32～33候）才到达印度沿海。东亚地区的雨带在6月5～14日（32～33候）移动到长江中下游和日本南部，梅雨季节开始。6月底7月初，季风雨带移至朝鲜半岛。与东亚和南亚地区的阶段性跃进不同，季风雨季在西北太平洋是逐步东移的。6月中旬（33～34候）到达菲律宾海西南部，在7月中旬（39～41候）、8月8日～13日（44候）到达西北太平洋季风区的中部和东部地区。

季风雨季的峰值主要发生在四个时段。第一时段是5月26日～6月9日（30～32候），在阿拉伯海南部、孟加拉湾东南、中国华南地区和琉球群岛到日本南部地区。第二时段是6月下旬（35～36候），在南海中部和菲律宾海西南部。第三时段是7月下半月（40～42候），在印度和东北亚地区，包括黄河中下游、渤海、东北和朝鲜半岛地区。第四时段是8月5～19日（44～46候），在西北太平洋地区。

季风雨季的结束也存在巨大的区域差异。阿拉伯海地区季风雨季南退最早，南亚次大陆和孟加拉湾自9月开始逐渐南退。东亚地区雨季结束是从南向北进行的，与副热带高压和季风锋区的移动紧密联系在一起。东亚地区雨季持续时间一般在8个候内，朝鲜半岛南部因为受到热带风暴活动的影响，在8月份存在雨季峰值，雨季时间超过15候。而在热带季风区，雨带是向南渐渐撤退的，越向赤道靠近，雨季的持续时间越长，孟加拉湾东南部雨季可持续7个月。

东亚夏季风也存在着明显的年际、年代际变化。由于从天气学定义的夏季风很难建立一个长的序列，中国的很多学者以降水量来反映夏季风。研究证明，夏季风较强时，华北多雨、长江少雨、华南降水也偏多。由于夏季风强时，才可能向北伸展，华北降水是对夏季风最敏感的要素。据分析，从19世纪90年代末到20世纪40年代中，是一个大约持续50年的漫长干旱期，应该是夏季风偏弱的时期。20世纪70年代及80年代夏季华北多雨，说明那时夏季风强。20世纪的后半期，华北降水较前半个世纪为多。但是，后半个世纪内华北降水为由多到少的变化，夏季风有减弱的趋势，特别是20世纪80年代明显减弱，这也是华北比较干旱的一段时期。20世纪50年代前半期、60年代前半期及70年代前半期夏季风较强，华北降水也较多。

为了避免因为夏季降水带状分布带来的用降水量反映夏季风变化的困难，有的学者以中纬度地区的纬向海平面气压差表征东亚季风的强度。多年平均的海陆海平面气压差在冬、夏季是相反的，当海陆之间的海平面气压差大时，季风就强。这种定义方法立足于大尺度，有明确的物理意义，所得的结果也能较好地解释夏季气温、降水异常（施能等，1996）。

东亚夏季风巨大的年际变率有时给中国带来过多的降水，导致洪涝，造成破坏；而有时候降水很稀少，造成大旱。夏季风在某年的爆发和消退日期、推进和消退速度以及季风强度都和主要雨带位置有直接的关系。北方降水一般比南方少，而对中国农业最有利的季风就是给北方带来多雨的季风。1984年就是如此，结果粮食获得了大丰收。相反，1978年长江流域季风中断，造成了灾难性的后果，该年7～8月间的作物主要生长季节，降水量比常年少了40%～60%，中国超过1/4的农业区遭受旱灾，引起了严重的粮食短缺。这是自1949年以来最严重的干旱，超过5.7万人死亡。

（4）东亚季风的形成

影响东亚季风形成的主要因子有三个，海陆热力差异、行星风带的季节变化和高原大地形的作用。哈雷（E.Halley）于1686年首先对亚洲季风给出了基本解释。他指出，在夏季，当亚洲大陆变暖时，热带印度洋和太平洋的大量水汽会向亚洲大陆移动；而冬季的情况正好相反，风从寒冷的大陆吹向温暖的海洋。由于海陆热力差异产生了经典的海陆季风，即冬季大陆为冷源、海洋为热源，风从大陆吹向海洋；夏季大陆为热源、海洋为冷源，风从海洋吹向大陆。海陆热力差异造成的风向变化反映了季风的本质。但是这不是季风的唯一成因，因为并不是所有的海边都有季风，也不是在温度年较差更大的高纬度地区季风更显著，最显著的季风区在亚洲—非洲的低纬度地区。

图3.31　亚洲季风雨季的爆发（a）、峰值（b）和撤退（c）日期（Wang和Lin，2002）

地表太阳辐射地理分布的季节变化，引起行星风系的季节变化。在两支行星风带交替的区域，随着季节的变化行星风系发生转移，地面盛行风向往往近于相反。行星季风在30°N～30°S最为显著。行星风带变化和海陆季风的共同作用造成了从东非经南亚到东亚以至西太平洋的显著季风气候区。

喜马拉雅山和青藏高原也是非常重要的影响因子。夏季时，巨大而高耸的青藏高原比周围的大气受热快，相当于是个热源；冬季由于强烈的辐射冷却，青藏高原相对于周围大气是个冷源。这种热力差异形成了高原上的冬夏季风，并直接影响整个亚洲的季风。由于夏季高原是个热源，高原低层形成热低压，盛行气旋式环流，与西太平洋副热带高压相配合，使得夏季风可以深入到华北以至东北地区。另外，当青藏高原变暖时，在其高空会形成一个大气高压系统（南亚高压），此时，引导天气系统的西风急流从喜马拉雅山南侧移向北侧。这是一次重大的环流调整，带有丰沛水汽的热带暖湿空气向北运到印度，并给那里带来强降水。

北半球夏季时，欧亚大陆受一个巨大的热低压所控制，低压中心在印度半岛西北部，在低压东部的广大东亚地区，夏季风方向有东南、南和西南向。中国东部地区以东南风为主，其来临过程比较缓慢，常在几次加强或减弱的过程后，才成为明显的盛行风，不似南亚的西南风那样以爆发的形式开始。

厄尔尼诺一词源自西班牙文El Ni1o，原意是“圣婴”，用来表示在南美洲西海岸（秘鲁和厄瓜多尔附近）向西延伸至赤道东太平洋至日界线附近的海面温度异常升高的现象。在正常年份，此海域盛行偏东信风，在平均风速下，沿赤道太平洋海平面高度呈现西高东低的形势。西太平洋上混合层深度约200m而在东太平洋仅50m左右，这种结构与西暖东冷的平均海温分布相对应。

某些年份东风异常加强时，赤道表面东风应力把表层暖水向西太平洋输送，在西太平洋堆积，从而使那里的海平面上升，上混合层加深。而东太平洋在信风的作用下，表层海水产生强的离岸流，造成这里持续的海水质量辐散，海平面降低，下层冷海水上涌，导致这里海面温度降低。上涌的冷海水营养盐比较丰富，使得浮游生物大量繁殖，为鱼类提供充足的饵料。鱼类的繁盛又为以鱼为食的鸟类提供了丰盛的食物，所以这里鸟类甚多。由于海水温度低，水温低于气温，空气层结稳定，对流不易发展，降雨偏少，气候偏干。相隔数年后，偏东信风减弱，东太平洋冷水上涌现象消失，表层暖水向东回流（图3.32），导致赤道东太平洋海平面上升，海面水温升高，秘鲁、厄瓜多尔沿岸由冷洋流转变为暖洋流。下层海水中的无机盐类营养成分不再涌向海面，当地的浮游生物和鱼类因缺少食物而大量死亡，大批鸟类也因饥饿而死，形成一种严重的灾害。与此同时，由于暖水向东移动，原来位于印度尼西亚附近的强对流上升运动区域移动到中太平洋海域，改变了东西方向的垂直环流（Walker Circulat ion，图3.33），并通过向高纬度传播能量的球面罗斯贝波列（图3.34），对全球气候的变化产生影响，使得某些具有干旱气候特点的地区降雨量变大，甚至造成洪水泛滥，这就是厄尔尼诺。

图3.32　正常、厄尔尼诺和拉尼娜时环流图（http://en.wikipedia.org/wiki/Elnino）

拉尼娜（La Ni1a）是厄尔尼诺现象的反位相，即信风的强度异常偏强，赤道东太平洋海温较常年偏低（图3.33）。拉尼娜的原意为女孩，开始一些学者不同意用这个名词，因为圣婴即耶稣是独一无二的，并不存在一个圣女。所以，有一段时间人们多用反厄尔尼诺，但后来约定俗成，拉尼娜的名字得到广泛承认。一般来说，拉尼娜的影响和破坏力没有厄尔尼诺严重，对它的研究也不及厄尔尼诺多。赤道东太平洋本来就是海洋寒流的活动区，其与正常年份相比，拉尼娜发生时只是海温偏低程度的差别，而不是冷暖性质的对立。

拉尼娜常发生于厄尔尼诺之后，但也不是每次都这样。厄尔尼诺与拉尼娜相互转变需要大约4年的时间。

图3.34　遥相关波列［太平洋—日本型（PJ型）］示意图（李崇银，2000）

与厄尔尼诺事件密切相关的大气环流异常还有南方涛动（Southern Oscillation，简记为SO），它是指南太平洋副热带高压与印度洋赤道低压这两大活动中心之间气压变化的负相关关系，即南太平洋副热带高压比常年增高时，印度洋赤道低压就比常年降低，两者气压的变化有“跷跷板”现象，故称为涛动（图3.35）。南方涛动是叠加在直接热力环流圈（沃克环流、哈得来环流）上的扰动，与湿空气上升区的强度及位置变化相联系。由于大气运动的直接能量来源于地球表面，地球表面的70%以上是海洋，因此南方涛动受海表温度（SST）变化的影响；海水可因风的影响而流动，因此南方涛动的变化也可影响海表温度。这是整个海—气耦合系统的一个部分。

图3.35　月平均的地面气压与雅加达地面气压的相关（丁一汇，2005）

南方涛动与厄尔尼诺、拉尼娜之间，表现出内在成因上的联系，因而又将三者合称为ENSO。ENSO的主要特征是当赤道东太平洋海水温度出现异常升高时，南方涛动指数SOI却出现异常低相位（塔希堤岛气压与达尔文港两地气压差减小）。关于赤道东太平洋海水温度达到怎样的正距平，才算厄尔尼诺出现，目前还没有统一的标准，但大体上连续三个月赤道东太平洋海水温度正距平在0.5℃以上或其季距平达到0.5℃以上，就可认为发生了厄尔尼诺事件。如果达到上述数值的负距平，则为反厄尔尼诺事件（拉尼娜事件）。

很早以前，人们就发现有的年份赤道东太平洋的水温异常地升高。历史上最早记载厄尔尼诺可追溯到1541年，每隔几年就会出现一次。1950年以来，全球发生过的厄尔尼诺事件分别在:1951年、1953年、1957～1958年、1963年、1965～1966年、1968～1969年、1972年、1976年、1982～1983年、1986～1987年、1991～1992年、1993年、1994～1995年、1997～1998年、2002年、2006年和2009年。1982～1983年强厄尔尼诺的出现出乎科学家的意外，因为它与过去几十年发生的事件都不一样，发生前没有出现当时已经认识的一些前期征兆；1997～1998年的事件则爆发和发展都异常迅猛。可以说，每一次厄尔尼诺的发生都增加了人们对该事件的认识。

厄尔尼诺出现的季节有早晚、持续时间有长短、暖水区域有大小、偏暖程度有强弱等等，问题非常复杂。这些年来对它的研究虽取得了长足的进步，但关于厄尔尼诺的成因还没有完全搞清楚。早期厄尔尼诺被认为是一种地区性的现象。随着对厄尔尼诺的监测和研究逐渐受到重视，20世纪60年代，研究发现厄尔尼诺与太平洋上大气活动和一些地区的气候异常有着密切的关系，即赤道东太平洋的异常增暖与海面气压分布的变化（印度尼西亚地区的气压与东南太平洋地区海面气压变化的趋势相反）是同一现象分别在海洋和大气中的不同反映，这种现象与大尺度的海洋和大气相互作用有关。从那时以来，大尺度海洋大气相互作用影响研究成为气候变化研究的热点领域之一，引起了地球科学中许多不同学科的高度关注，并形成了跨学科协同研究的热点问题。

近些年，由于发生了半个世纪以来最强的厄尔尼诺（1982～1983年，1997年），该现象更引起了社会的强烈关注。越来越多的事实和研究结果表明，ENSO现象并不是哪一个半球的行为，而是两个半球通过大气环流和热带海洋大气的相互作用，使气候出现异常的现象。大气环流（信风强度）的改变，引起洋流的变化、海平面的升降、海水的上涌或者下沉，导致海面水温的变化。海面水温的变化，又反过来引起大气环流的变化（气流上升或者下沉），从而导致气候的变化（干旱或者湿润）。

厄尔尼诺事件是科学界公认的、迄今为止发现的、最强年际气候信号，厄尔尼诺一旦发生将给全球大气环流和气候造成异常变化，导致天灾连连，使人们的生命财产受到损失，也给经济建设和生态环境带来影响。对居住在印度尼西亚、澳大利亚、东南非的人们来说，厄尔尼诺意味着严重的干旱和致命的森林火灾。厄瓜多尔、秘鲁、加利福尼亚的人则认为厄尔尼诺会带来暴风雨，然后引发严重洪水和泥石流。在全世界范围内，强厄尔尼诺事件不但造成几千人的丧生，还会使成千上万的人流离失所、损失数十亿美元。而在美洲东北沿岸的居民则认为厄尔尼诺会使冬天变得更温暖（可节省取暖费），飓风季节相对平静。

1982～1983年的强厄尔尼诺事件爆发时间十分异常。因为在1983年4月前后，秘鲁沿岸的海温并不是特别高；后来才知道1982年7月厄尔尼诺的信号就已明显表现出来。不幸的是，1983年4月份，墨西哥埃尔奇琼火山爆发，向大气高层喷射出大量微粒云团，使监测太平洋海温的卫星受到干扰，卫星监测到的海温比实际要低得多。虽然那时赤道处也有浮标，但观测资料却在数月后仪器被修复才得到。在这次事件中，澳大利亚经历了20世纪最严重的灾难，大火、农业灾害和牲畜死亡造成了数亿美元的经济损失。非洲次撒哈拉的大部分地区遭受了旱灾，南非共和国和津巴布韦这样的食物出口国也不得不向国际社会求援。而厄瓜多尔南部和秘鲁北部部分地区在6个月的时间里竟下了2 540 mm的雨，河水流量是正常年的1 000倍。整个事件导致全世界2 100人丧生，几十万人被迫疏散，更多的人无家可归，全球损失超过130多亿美元。

1997～1998年发生了20世纪最强的厄尔尼诺事件（图3.36）。1997年11月，厄尔尼诺增暖的高峰期，7 200km广阔海域上的海表温度上升了5℃，这是有记录以来最强的升温。如同1982～1983年的事件一样，对社会产生了灾难性的影响。暴风雨连续数月袭击了加利福尼亚，许多山体滑坡，危害到1 400多个家庭。仅美国就有大约90人丧生，包括佛罗里达州中部受到了一系列看似无序的龙卷风袭击，一些人认为这跟厄尔尼诺对高空急流的影响有关。印度尼西亚遭受了森林和泥炭火灾，整个东南亚上空被黑烟笼罩。在秘鲁沿岸，鱼类产量骤然下跌，也危及了当地的海豹、海狮、洪堡企鹅以及海鸥和燕鸥那样的海鸟。在墨西哥，熊熊大火烧焦了珍贵的云雾林。巴拿马发生了旱灾，为巴拿马运河供水的湖水水位下降，被迫禁止船只通过运河。由于早期的预报就警告有可能出现旱灾，加利福尼亚投保的人数从不到26.5万人剧增并超过33.3万人。

厄尔尼诺事件发生后会造成不同的大气环流变化，通过遥相关影响热带和中高纬地区的天气和气候。研究发现，近百年来，南亚、东南非洲和南印度尼西亚和印度等地区，厄尔尼诺发生后，绝大多数为雨量减少年乃至干旱年。当厄尔尼诺发生时，季风区强对流东移，降水减少，这是导致非洲等地干旱的重要原因。厄尔尼诺改变了中纬度大气环流状态，造成中纬度气候异常。如一些地区冬、春季出现罕见的低温和暴雪，港口、河道被坚冰封闭；一些地区夏季出现罕见暴雨，洪水泛滥，而一些地区持续高温干旱，大量海豹等动物死亡。

图3.36　1997～1998年厄尔尼诺事件深层暖水团移动发展过程（Burroughs，2003）

厄尔尼诺事件对中国气候异常的影响明显。主要表现在:①对热带气旋的影响，西北太平洋登陆中国的热带风暴和台风减少；②中国北方夏季易出现高温、干旱；③中国南方易发生低温、洪涝，在厄尔尼诺发生后的次年仍发生洪涝灾害；百年来，我国发生的严重洪涝灾害，如1931年、1954年、1998年都发生在厄尔尼诺发生的次年；④厄尔尼诺年发生后的冬季，中国北方出现暖冬。

3.3.6 器测时代的气候变化

3.3.6　器测时代的气候变化