拉尼娜 :气候变化现象,ENSO循环阶段之一

更新时间:2023-10-31 15:45

拉尼娜(英文:La Nina,西班牙语:La Niña,意为“圣女”,亦称“耶稣的小女孩”),又称“反圣婴现象”(西班牙语:anti-El Niño)。是指赤道太平洋东部和中部的海水表面温度大范围持续异常变冷的现象,其特征刚好与“厄尔尼诺”相反,都是热带海洋和大气共同作用的产物。

拉尼娜是一种气候现象,发生在赤道太平洋北纬5°~南纬5°,西经150°~西经90°的区域内,海水表面温度平均值连续6个月以上低于同期多年平均值0.5℃。目前世界各国对拉尼娜事件监测和认定标准不一致。该现象主要成因可能为全球变暖、赤道信风增强、海洋热量传输、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的相互作用、沃克环流作用、拉马德雷(PDO)的产生等综合作用。

拉尼娜和厄尔尼诺暖流已经成为预报全球气候异常的最强信号。拉尼娜是由前一年厄尔尼诺现象造成的庞大的冷水区浮出洋面后形成的。因此拉尼娜总是发生在厄尔尼诺现象之后,发生频率比它低,造成的影响也比它小很多。拉尼娜现象具有周期性,大约每3年~5年发生一次,持续时间为9~12个月,倾向于随着季节的变化而变化,通常在春季(3月至6月)发生,在深秋或冬季(11月至2月)达到峰值强度,然后在次年春季或初夏(3月至6月)减弱。它使得太平洋东部水温下降,出现干旱;西部水温上升,降水量增多,同时伴随全球性气候混乱。具体表现为印度尼西亚澳大利亚东部、巴西东北部、印度及非洲南部等地降雨偏多,在太平洋东部和中部地区、阿根廷、赤道非洲、美国东南部等地出现干旱。

拉尼娜现象会不同程度的影响区域经济增长与发展;还会对人类社会产生危害,影响人类生理机能,致使人类生病几率越来越大。如1988~1989年的拉尼娜被认为是历史上最严重的之一,致使美国中西部严重干旱,估计在北美造成了400亿美元的损失。在2021~2022年造成澳大利亚东南沿海部分地区遭遇特大洪水,超过1万人被迫撤离,造成的损失超过20亿美元。

命名

拉尼娜现象是人们在深入探索厄尔尼诺暖流与气候变化关系的过程中发现的。“拉尼娜”的名称源于其与厄尔尼诺现象的对比,就像“小女孩”(La Niña)与“小男孩”(El Niño)的关系一样。在西班牙语中,“Niño”代表“男孩”,而“Niña”代表“女孩”。因此,拉尼娜(La Niña)被用来描述与厄尔尼诺(El Niño)相反的气候现象。因此称之为“反厄尔尼诺”(anti-El Niño)或“一个冷事件(a cold event)”。

定义和标准

定义

拉尼娜是指赤道太平洋东部和中部的海水表面温度大范围持续异常变冷的现象,其特征刚好与“厄尔尼诺”相反,都是热带海洋和大气共同作用的产物。

界定标准

海洋气象学规定:在赤道太平洋北纬5°~南纬5°,西经150°~西经90°的区域内,如果海水表面温度平均值连续6个月以上低于同期多年平均值0.5℃,就可称为拉尼娜现象。目前世界各国对拉尼娜事件监测和认定标准不一致,主要由于不同国家选择影响关联的监测区域不同,对于海洋资料的来源和统计方法处理也不一样,对大气-海洋相互作用的认识不同,以及不同国家和地区与监测关键区地理位置的差异。

形成原理及影响因素

形成原理

拉尼娜是热带海洋和大气共同作用的产物,由于热带太平洋(北回归线和北回归线之间的太平洋地区)海水温度低于正常水平而引起,异常强劲的向东移动的信风和洋流将这种冷水带到地表,这一过程称为上升流,而上升流导致海面温度急剧下降。造成海面温度持续异常偏冷(与厄尔尼诺暖流现象正好相反),同时也伴随着全球性气候混乱。

拉尼娜是前一年出现的厄尔尼诺现象造成的庞大的冷水区域在东太平洋浮出水面后形成的,因此它总是出现在厄尔尼诺现象之后。也是厄尔尼诺现象造成的气候失衡的一种自然方式。拉尼娜与厄尔尼诺已经成为预报全球气候系统异常的最强信号。

影响形成的因素

到目前为止,全球科学界对拉尼娜现象的成因尚未达成共识,现列举相关主要成因如全球变暖、赤道信风增强、海洋热量传输、厄尔尼诺暖流南方涛动(ENSO)的相互作用、沃克环流作用、拉马德雷(PDO)的产生等综合作用。

全球变暖

全球变暖是拉尼娜现象产生的根源,而拉尼娜只是全球变化的一个组成部分。全球气温的变化导致全球气压场变化,引起大气环流的变化,大气环流的变化又影响到海洋洋流系统的变化。在大气动力和海洋动力的影响及相互作用下,也就发生了气候异常。拉尼娜的成因机制是,全球变暖在高、低纬之间的差异增温,使高、低纬之间的气压场、经向环流和赤道偏东信风变弱导致厄尔尼诺暖流的产生;高、低纬之间的气压场变弱却又阻止了高、低纬之间的热量交换,又致使高、低纬之间的气压场势力加强,经向环流和赤道偏东信风也随之加强,从而形成拉尼娜。

赤道信风增强

拉尼娜的发生与赤道偏东信风加强有关。偏东信风加强,赤道暖流受信风推动,从东太平洋流向西太平洋,使高温暖水在热带西太平洋地区堆积,成为全球海水温度最高的海域,其表层海水温度达29℃以上;相反,在赤道东太平洋表层比较暖的海水向西输送后,深层比较冷的海水就来补充。因此,造成东太平洋表层海水温度偏低,从而引发拉尼娜现象。

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的相互作用

南方涛动(ENSO)循环是拉尼娜现象的主要影响因素之一。南方涛动是指热带太平洋气压与热带印度洋气压的升降呈反向相关联系的振荡现象。研究发现,南方涛动与厄尔尼诺暖流/拉尼娜之间密切相关,表现出内在成因上的联系,亦即可视为海洋一大气耦合系统的两方面表现。ENSO的主要特征是:当赤道东太平洋水温异常升高(或降低)出现正(或负)距平时,南方涛动指数SOI(一般指塔希提岛减达尔文的气压差)出现异常低(高)相位。

沃克环流作用

“沃克环流”是在热带太平洋西部的印度尼西亚低压区和热带东太平洋复活节岛的高压区之间形成的纬向垂直环流圈。当沃克环流处于高强度状态时(即复活节岛的高压和印尼的低压同时加强时),南半球东南信风增强,导致冷流增强,赤道涌升大,冷水上翻强,随之热带太平洋洋面温度降低,就产生拉尼娜现象。沃克环流的强度总是在不断地发生变化,有时强,有时弱,周期大约为3~5年,当沃克环流高强度状态开始时,便会产生拉尼娜现象。

拉马德雷的产生

拉马德雷(la Madre),又称“太平洋十年涛动”(Pacific Decadal Oscillation,简称PDO)同“厄尔尼诺暖流现象”“拉尼娜现象”有着密切联系,被喻为厄尔尼诺和拉尼娜的“母亲”。“拉马德雷”是一种高空气压流,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。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,使中太平洋海面降低。当“拉马德雷”以“冷位相”形式出现时,会发生拉尼娜现象。

冬半年东亚大槽活动较弱

研究发现,在厄尔尼诺暖流发生之前的冬半年,东亚大槽活动频繁,影响到赤道中西太平洋地区,造成那里偏东信风的减弱。同理,在拉尼娜发生之前的冬半年东亚大槽较弱,一般影响不到赤道中西太平洋地区,使那里的偏东信风保持强盛。由于冬半年强东亚大槽频繁活动,通过行星波动不断将能量向东南方向频散到中西太平洋地区,引起热带中西太平洋地区偏东信风的持续减弱以及对流活动的加强,热带中西太平洋地区大气环流的持续异常及向东扩展,最终导致厄尔尼诺现象产生。相反,则会产生拉尼娜现象。

夏季热带大气环流异常

大西洋的西部,热带对流层高层东风急流异常,向东传播,导致厄尔尼诺暖流现象发生,然后又引发拉尼娜现象。主要是由于东亚季风区对流层高层异常强的东风急流通过高层北风越赤道气流向南输送东风动量,使得高层澳大利亚至中太平洋散度风东风以及澳大利亚上空的辐合和下沉运动加强,导致澳大利亚低层冷空气堆积,使澳大利亚至东太平洋的纬向热力对比和澳大利亚至太平洋辐散西风增强,通过低层南风越赤道气流向北输送西风动量,抑制赤道太平洋东信风,从而使太平洋沃克环流出现异常,导致厄尔尼诺/拉尼娜现象发生。

地球自转角速度减慢

地球自转速度变化可使大气纬向风速或洋流纬向速度产生变化,并分别被放大6个和4个量级,且方向相反。通过研究地球自转与海温、南方涛动(ENSO)的功率谱和交叉谱显示,海温变化的主周期约为3.3年。在此周期上,海温与地球自转的凝聚谱0.78,信度达0.01,海温比自转落后14天。可见,地球自转的大幅度持续减慢可能是形成厄尔尼诺暖流现象是重要原因,即当地球自转急速减慢时,赤道信风和赤道洋流减弱,赤道东太平洋涌升减弱,赤道东太平洋洋面温度升高。而拉尼娜多数是跟在厄尔尼诺之后出现的。

海底火山喷发

在赤道东太平洋海底存在着许多火山和热液喷泉,从海底喷出的热液温度高达300~400℃(最高达750℃)。海底火山和热液喷发后,使这一地区的海水温度骤然升高,引起其上空空气增暖,气压下降,从而影响了正常的大气环流规律,使这一地区低层信风减弱,西风增强。由于西风增强,使表层受太阳辐射的温暖海水自西向东流动,导致赤道东太平洋表面海温进一步升高,从而形成厄尔尼诺暖流事件。研究表明,在拉尼娜现象发生时,伴随有火山爆发。

主要特点

在全球范围内,拉尼娜现象的特点是:在北半球冬季,赤道中太平洋以西的澳大利亚北部和印度尼西亚上空,以及在北半球夏季的菲律宾上空,出现比正常情况下更潮湿的天气。同样在北半球冬季,非洲东南部和巴西北部也会比正常情况更湿润。在北半球夏季,印度的降雨量往往大于正常值,尤其是在印度西北部。在南美洲热带西海岸,以及北美洲墨西哥湾沿岸)和南美洲(巴西南部至阿根廷中部)的亚热带纬度地区,在各自的冬季都观察到比正常情况更干燥的情况。

在拉尼娜发生时期,赤道中、东太平洋信风比常年偏强,海水温度偏低,云量减少,海平面气压比常年偏高。而在赤道西太平洋海域,海水温度比常年偏高,对流活动加强,云量增多,降水偏多,海平面气压偏低。另外,位于太平洋西边界的黑潮比常年偏强。拉尼娜还具有中太平洋和东太平洋压力高于正常水平的特点,导致该地区的云量产量和降雨量减少。

拉尼娜现象具有周期性,大约每3年~5年发生一次,但也有时间间隔达10年以上的;通常持续时间为9~12个月,倾向于在春季(3月至6月)发生,在深秋或冬季(11月至2月)达到峰值强度,然后在次年春季或初夏(3月至6月)减弱。拉尼娜和厄尔尼诺暖流都可能持续一年以上,但厄尔尼诺事件很少持续超过一年左右,而拉尼娜持续两年或更长时间是很常见的。现代记录中最长的厄尔尼诺现象持续了18个月,而最长的拉尼娜现象持续了33个月。从20世纪初到1992年期间,拉尼娜现象共发生了19次,大约每3年~5年发生一次,但也有时间间隔达10年以上的;其中有12次发生在厄尔尼诺年的次年。最近的一次拉尼娜事件发生于2020年8月,并持续至2022年冬季,成为本世纪首个“三峰”型拉尼娜。

主要影响

气候影响

拉尼娜对全球气候的影响程度和威力,较厄尔尼诺暖流要小得多。一般情况下,在拉尼娜出现时,印度尼西亚澳大利亚东部、巴西东北部、印度及非洲南部等地降雨偏多,在太平洋东部和中部地区、阿根廷、赤道非洲、美国东南部等地易出现干旱。然而,强烈的拉尼娜事件会造成澳大利亚北部发生灾难性洪水,却对南美洲西部的渔业产生积极影响。

一般而言,在多数拉尼娜事件盛期的冬季,欧亚中高纬大气环流经向度加大,影响中国的冷空气活动比常年更加频繁,中国中东部地区气温较常年同期偏低的概率较大。但是,需要特别指出的是,每次拉尼娜事件的影响不尽相同,不是每个拉尼娜年的冬季中国平均气温都偏低。中国容易出现冷冬热夏,即冬季气温较常年偏低,夏季偏高。

对人类及生态环境的影响

对农业的影响

拉尼娜现象对农业造成严重危害。如20世纪70年代初北非的旱灾,成为上世纪最严重的饥荒;1970年11月孟加拉国因受热带风暴袭击,发生有史以来最惨重的洪灾;又如1997年中国华东地区比常年偏旱,降水量出现较明显的负距平,次年夏天,出现了有史以来最严重的洪涝,降水量一下子上升到极高的正距平,拉尼娜现象导致的旱涝交替体现为年际变化。

对经济的影响

拉尼娜现象会不同程度的影响区域经济增长与发展。从经济学角度分析,气候变化对宏观经济的影响主要有:一是降低产出和劳动生产率,使得农业、渔业和旅游业受到巨大影响;二是破坏农田、建筑、交通等基础设施,产生大范围移民和冲突,使得国家财政状况恶化;三是贸易状况发生突变,出口减少而对食品和其他一些基本商品的进口需求增加,易出现国际收支问题。

对人类健康的影响

拉尼娜现象会给人类生理机能造成影响,生病几率将越来越大,各种生理疾病将快速蔓延,甚至滋生出新疾病。眼科疾病、心脏类疾病、呼吸道系统疾病、消化系统类疾病、病毒类疾病、细菌类疾病增多,死于非命的人将越来越多。病菌通过极端天气和气候事件(如拉尼娜、厄尔尼诺暖流),扩大疫情的流行,对人体健康危害很大。

强度等级

依据中国的判定标准(《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》GB/T33666-2017)拉尼娜事件强度等级的标准,以Nino3.4区海温指数满足事件判定的时间为持续时间;在事件过程中,NINO3.4区海温指数的3个月滑动平均绝对值达到最大的时间和数值分别定义为事件的峰值时间和峰值强度。

典型拉尼娜事件

美国

拉尼娜现象使得美国南部加利福尼亚州佛罗里达州的天气更干燥、更温暖。这种天气增加了佛罗里达州野火和北美平原干旱的风险。20世纪30年代的大沙尘暴干旱被认为是由十年的拉尼娜病状条件造成的,其中1988~1989年的拉尼娜被认为是历史上最严重的之一,致使美国中西部严重干旱,估计在北美造成了400亿美元的损失。

拉尼娜现象使得是美国西北和小范围的加利福尼亚州北部、北部山间西部和中北部各州的天气异常寒冷;相反在在更南的地方,如落基山脉南部和大平原俄亥俄州谷、东南部和中大西洋各州的广阔地区,温度略高于正常水平。

澳大利亚

拉尼娜现象造成澳大利亚东南沿海部分地区遭遇“百年未遇”特大洪水。2022年2月至3月,澳大利亚的昆士兰州东南部和新南威尔士州东北部的降雨量记录下降,导致从昆士兰州的玛丽伯勒到新南威尔士州的格拉夫顿的洪灾和河流洪灾。新南威尔士州中央海岸、悉尼、伊拉瓦拉和新南威尔士州南海岸也发生了洪水。全国有20多人死亡,造成33.5亿美元的损失,这也成为“澳大利亚历史上最昂贵的洪水”。

巴西

2021~2022年期间,拉尼娜现象导致巴西北部和东北部的降雨量有所增加,南部地区也出现了干旱和非常高的温度。在巴伊亚州南部造成了持续性的强降雨,导致流量增加,几个城市被洪水淹没,结果数千人无家可归,还有数百人受伤和死亡记录。巴西南部地区情况正好相反,巴拉那州圣卡塔琳娜州南里奥格兰德州经历了严重的干旱,特别是在9月至次年2月期间,每日气温急剧上升,南里奥格兰德州各市仍创造了最高温度记录。

拉尼娜对巴西中西部和东南地区的影响更难预测。在某些情况下,会造成雨水短缺。在其他地区,可能两个地区的州在非典型时期都面临暴雨和气温下降,尤其在夏季的最初几个月。例如,在米纳斯吉拉斯州,高降雨量导致一些城市的河流泛滥和洪水,还造成了山体滑坡和大坝破裂,结果造成经济上的巨大损失,特别是农业。

泰国

拉尼娜现象造成泰国在2011年发生洪灾,致使泰国中部阿育他耶省(Ayutthaya)内将近200间工厂因洪灾被迫关闭,包括日本本田技研工业 Motor Co)所经营的工厂。泰国防灾中心指出,在全国的77府之中,有30府的积水严重,致使230万人受灾,整体经济损失达到590亿。

中国

在中国,拉尼娜现象往往促使中国夏季的主要雨带偏北,华北地区河套平原一带多雨,南方降水偏少,造成“南旱北涝”的降雨格局。到了秋冬季节,中国寒潮明显偏多,南方可能出现阶段性低温冻雨灾害,江南、华南地区降雨量明显偏少,气象干旱频发,导致农作物减产,水资源供应紧张等不利影响。发生在2008年初的一次中等拉尼娜事件,使中国迎来一个冷冬季节,南方地区出现了四次历史罕见的大范围低温雨雪冰冻天气过程,受灾人口达1亿多人,直接经济损失超过1500亿元。

相关研究

监测拉尼娜

浮标网络

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)运营着一个浮标网络,用于测量海面温度、空气温度、海流、风和湿度。这些浮标位于从加拉帕戈斯群岛到澳大利亚的大约70个地点。这些浮标每天向研究人员和气象学家传输数据。使用浮标数据以及他们从卫星收到的视觉信息,科学家能够更准确地预测ENSO,并可视化其在全球的发展和影响。

全球远程预测

世界气象组织(WMO)会发布拉尼娜每个季度的最新数据,内容包括对赤道太平洋现状的观察监测和基于共识的下一季展望。还会定期发布全球季节性气候更新(GSCU),其中包含北大西洋涛动、北极涛动和印度洋偶极洲等其他主要气候驱动因素的影响。这些更新由世界气象组织远程预测多模型综合中心(LC-LRFMME)使用WMO全球远程预测生产中心(GPCs-LRF)的预测制作。

预测拉尼娜

气候建模

科学家通常可以提前几个月到一年预测拉尼娜现象的发生,主要应用现代气候模型(如NOAA国家环境预测中心使用的模型)和来自热带太平洋观测系统的观测数据(包括卫星、海洋浮标和无线电发射器上的传感器),这些传感器不断监测海洋和大气层不断变化的条件。预测拉尼娜的生命周期和强度有助于人们规避社会各个方面的潜在危害,包括农业、渔业、能源、水、运输和医疗保健。

在极端的拉尼娜事件中,中太平洋的寒冷海面条件发展,从海洋大陆到中太平洋的温度梯度增强。最近的研究表明,根据模拟的未来温室变暖,厄尔尼诺暖流特征发生了强劲的变化,但拉尼娜现象将如何变化仍不清楚。在这里,科学家提出了气候建模证据,从为耦合模型相互比较项目第5阶段进行的模拟中,未来极端拉尼娜事件的频率几乎翻了一番,从每23年一次到每13年一次。之所以发生这种情况,是因为预计海洋大陆的平均变暖速度比中太平洋更快,上海垂直温度梯度增强,以及极端厄尔尼诺现象的频率增加,都有利于极端拉尼娜现象的发展。大约75%的增长发生在厄尔尼诺现象极端事件后的几年,因此预计从一年到下一年,相反的极端之间会更频繁地波动。

预测ENSO

拉尼娜描述了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)气候周期的一个特定阶段。ENSO是一种大气-海洋耦合现象,表示拉尼娜、厄尔尼诺和中性条件(既不是厄尔尼诺也不是拉尼娜)之间的过渡受大气和海洋环流之间的相互作用。在大气中,ENSO通过南方振荡指数(SOI)进行监测,SOI是大气环流的测量,测量达尔文和塔希提岛之间的大气压力差。在海洋中,ENSO通常通过被称为NINO3.4的中部和东部热带太平洋区域内观测到的海面温度进行监测。当SOI值保持在+7以上,NINO3.4温度比平均温度低−0.8°C时,通常定义拉尼娜事件。ENSO周期的演变可以提前几个月预测,然后做出对策以减轻不利影响或利用有利影响。

拉尼娜出现概率增高

2024年6月3日,世界气象组织表示,引发极端天气事件的厄尔尼诺暖流现象将减弱,在2024年晚些时候转为拉尼娜现象。拉尼娜“回归”或使全球在经历创纪录高温后体验些许凉意。世界气象组织下属的全球长期预报中心发布的最新预报显示,2024年6-8月期间,出现中性条件或过渡到拉尼娜现象的几率均等(50%)。7-9月期间,拉尼娜条件的出现几率将增至60%;8-11月期间,增至70%。在此期间,厄尔尼诺现象再度发展的几率微乎其微。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)作出的预测也与世界气象组织几乎一致。根据NOAA的模型预测,2024年11月到2025年1月,拉尼娜现象的出现概率高达87%。

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