2016可能是史上最熱年！厄爾尼諾預測還有多少提升空間？

新華社摩洛哥馬拉喀什11月14日電（記者湯沛沛）世界氣象組織14日在聯合國馬拉喀什氣候大會上發布報告說，2016年「很可能」成為有氣象記錄以來最熱一年。

初步統計數據顯示，2016年全球平均氣溫預計將比工業化前水平高出約1．2攝氏度。

世界氣象組織介紹，受強厄爾尼諾事件影響，全球平均氣溫近年來持續升高。2015年已是有記錄以來最熱一年，2016年又可能打破這一記錄。這也意味著有記錄以來的17個最熱年份中，16個發生在本世紀。唯一的例外是1998年，當年也是一個厄爾尼諾年。

厄爾尼諾事件以及長期的氣候變化推高全球氣溫，致使海平面上升，極端天氣頻發，為全球帶來嚴重社會經濟損失。世界氣象組織秘書長彼得里·塔拉斯提醒，本次厄爾尼諾事件已經結束，但大量溫室氣體導致的全球氣候變暖仍在持續。

厄爾尼諾事件的帶來的損失越來越大，但其預測卻無法完全實現。厄爾尼諾的預測能力還有多少提升空間呢？

地礦科普第102期

厄爾尼諾預測能力還有多少提升空間？

How Much Room Is There for Improvement of El Ni?o Prediction?

撰稿人丨陳大可

1. 背景與意義

厄爾尼諾是指赤道太平洋東部和中部每隔幾年發生一次的大幅度海水異常升溫。由於這一現象總是在聖誕節前後最為顯著，所以幾個世紀以來一直被秘魯漁民叫做「上帝之子」(厄爾尼諾的西班牙語原意)。隨著人們對其全球影響的認識，厄爾尼諾在最近幾十年得到了科學家和社會各界的廣泛關注。特別是發生於 1997、1998 年的所謂「世紀事件」，是有史以來觀測得最全、報道最多的厄爾尼諾，將人們對這一現象的興趣推向了高潮。從那以後，厄爾尼諾幾乎成了一個家喻戶曉的字眼，經常被當作世界各地不正常天氣和氣候變化的罪魁禍首。雖然媒體和公眾對其作用和影響未免有所誇大並有失公允，但不可否認的是，厄爾尼諾在地球的海洋和氣候系統中扮演著十分重要的角色。

要了解厄爾尼諾的動力機制，必須認識到它是熱帶太平洋海氣耦合系統中一種不穩定振蕩的一部分，振蕩的冷位相稱為「拉尼娜」，而其大氣部分則叫做「南方濤動」。如圖 1 所示，在拉尼娜狀態下，赤道表面東風使得東西方向海表溫度梯度加強，而後者通過氣壓場又進一步強化東風；在厄爾尼諾狀況下，赤道東風減弱，暖水和大氣深對流東移，海表溫度梯度減小，進而進一步弱化東風。控制厄爾尼諾?南方濤動(ENSO)循環的基本物理過程有兩個：一是上述緯向表面風和溫度梯度之間的正反饋 ，二是赤道動力過程(特別是開爾文和羅斯貝波)的延時負反饋，使得整個海氣耦合系統在冷暖位相之間振蕩。由於系統的非線性特徵和隨機過程的影響，ENSO 振蕩的周期和振幅都不規則，因而不易預測。

厄爾尼諾通過改變熱帶大氣的加熱過程造成全球大氣環流的擾動，從而引起世界範圍內的短期氣候變化，包括洪澇和乾旱災害，對社會經濟和生態系統產生極大影響。因此，提前一到數個季節預測厄爾尼諾對於防災減災和社會可持續發展具有重要意義。事實上，研究熱帶海氣相互作用機制並以此為基礎進行短期氣候預測是國際科學界當前的熱門話題之一，也是近二十年來海洋與大氣科學最富有成效的領域之一。其中尤以厄爾尼諾的研究和預測最為活躍，是諸多大型國際研究計劃如熱帶海洋與全球大氣(Tropical Ocean Global Atmosphere, TOGA)計劃以及氣候變率和可預測性(Climate Variability and Predictability, CLIVAR)計劃的聚焦點。經過系統的觀測、理論和模擬研究，目前厄爾尼諾預測已成為許多國家業務化氣候預測的首要內容，但對其可預測程度仍存在相當大的爭議。

2. 現狀與問題

最早用於厄爾尼諾預測的海氣耦合模式是 20 世紀 80 年代中期由 Mark Cane和 Steve Zebiak 建立的一個中等複雜模式 [3] 。它成功地預報了 1986、1987 年厄爾尼諾，從而第一次顯示了短期氣候預報的可能性。這一模式(現在又名 LDEO 模式)在 ENSO 的理論研究和業務化預報中有著極為重要的歷史地位，至今仍在發揮積極作用。受它的鼓舞，過去 20 年裡湧現出大量不同類別和複雜程度的短期氣候預測模式。它們總的來說可分為三類：純粹的統計模式，物理海洋加統計大氣的雜交模式，以及完全物理的海氣耦合模式。後一類按複雜程度又可分為中等耦合模式和耦合的環流模式。從理論上說，這類模式應該好於其他兩類，因而具有更大的發展潛力，但目前在預測能力上它們還沒有很明顯的優勢。

Latif 等 回顧了早期厄爾尼諾預測方面的工作，指出以上三類模式都有一定的預測能力。高級的物理模式似乎可以提前作出更多有用的預測，但對於提前 1~2個季節來說，各類模式水平差不多。Kirtman 等 對這方面的現狀作了更詳細的評估，得出了大致相同的結論，但他們發現多個模式的集合比任何單一模式的預測效果都要好。另外，模式的預測能力呈現年代際變化，比如 20 世紀 80 年代就好於20 世紀 70 年代和 90 年代，而且預測大的厄爾尼諾事件的能力明顯高於小事件。

令人費解的是，雖然模式越做越複雜，其預測能力卻沒有多大提高，現在所做的實時預測不一定比多年前做的更可靠。一種消極的解釋是目前的水平已經達到了可預報的極限，但有事實表明這種可能性不大。我們更應該從模式本身找原因。

到目前為止，厄爾尼諾和與之相關的熱帶異常是地球氣候系統中可預測性最高的擾動。由於厄爾尼諾的強烈影響，對熱帶太平洋海溫的預測也已成為全球氣溫和降雨季節性預測的基礎。譬如國際氣候預測研究所(International Research Institutefor Climate for Society, IRI)的業務化季節性預測系統就依靠一組厄爾尼諾模式的集合來提供底邊界條件。主要是因為厄爾尼諾的可預測性及其全球影響的量化，才使得熱帶乃至全球的短期氣候預測由夢想變成了現實。然而，具體到特定的厄爾尼諾事件，模式的實際預測能力仍不盡人意。圖 2 所示為 22 個不同模式在 2007 年 10月至 2009 年 7 月對東太平洋海表溫度的預測結果。雖然各模式的集合預測基本上包括了觀測到的變化曲線，但各模式之間差別很大，說明厄爾尼諾預測仍有相當大的不確定性。

3. 爭議與前瞻

厄爾尼諾無疑是可預測的，問題是可預測的程度到底有多高，進一步提高預測能力的空間有多大。要回答這些問題，我們首先得知道預測的物理基礎是什麼。厄爾尼諾的可預測性來源於熱帶太平洋的海氣相互作用 、 慢變的海洋在相互作用中的主導地位 以及這一耦合的低維度特性。因此，關於 厄爾尼諾可預測性的爭議集中在熱帶太平洋海氣耦合的強度。傳統理論認為 ENSO 是依靠熱帶太平洋的強烈海氣耦合而自我維持的一個年際變化模態，其可預測性主要由初始誤差的增長限制，因而潛在的預測提前量應該在幾年的量級上。另一種理論則強調大氣「噪音」，特別是赤道西太平洋的西風爆發，對 ENSO 事件的觸發作用。根據這種觀點，ENSO是一個靠隨機外力維持的衰減振蕩，其可預測性主要由噪音而不是初始條件控制。

這就意味著厄爾尼諾不可能提前很長時間預測，因為所有的厄爾尼諾事件都伴隨著高頻外力擾動。

「噪音」理論的困境是無法解釋為什麼西風爆發之類的大氣噪音隨時存在而厄爾尼諾卻發生在 2~8 年這一特定的時間尺度上。所以噪音的作用更可能是加強而不是觸發厄爾尼諾。Fedorov 等建議了一個折中的方案，把 ENSO 當作一個由噪音調製的微衰減振蕩，其時間尺度由海氣耦合的動力機制決定，而隨機外力則維持振蕩並使其變得不規則。因此，可預測性既由初始條件又由隨機擾動控制，前者決定ENSO 的位相而後者影響其隨後的發展。然而，Chen 等 的後報試驗表明，過去一個半世紀里所有顯著的厄爾尼諾都可以提前約兩年預測(圖 3)，而他們的模式里沒有任何隨機外力。這說明厄爾尼諾的可預測性更多的取決於初始條件而不是大氣高頻擾動。值得指出的是，他們用的只是一個中等複雜的模式，而且只用了海表溫度的觀測數據作初始化，因此他們得到的結果應該只是厄爾尼諾潛在可預測性的一個保守估計。

總的來說，目前限制厄爾尼諾預測水平的主要因素有四個：可預測性的內在限制；觀測資料不足；預測模式的缺陷；觀測資料使用不當 。如前所述，儘管對厄爾尼諾可預測性的內在限制還有爭議，但越來越多的事實表明，熱帶短期氣候變化特別是厄爾尼諾具有相當高的可預測性，其上限應該遠遠高於目前已達到的水平，因此現有的預測系統還有很大的改進空間。為了進一步提高厄爾尼諾預測能力，我們的主要任務應該是改進觀測系統、預測模式和數據同化方法。具體來說，發展耦合的數據同化和模式初始化方案，改進表面熱通量和淡水通量的模擬和參數化，以及考慮來自熱帶太平洋以外特別是印度洋的影響，都是提高預測水平的可能途徑。

這幾個方面也是目前厄爾尼諾研究的熱點，但願能在不久的將來取得突破，使我們預測厄爾尼諾的能力逼近其理論可預測性的上限。

(選自1000個科學難題·地球科學卷)

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