气候研究十步曲（二）为何今夏中性气候如何提前预判气候类型

1、1、美国大气与海洋管理局判断厄尔尼诺形成的流程2020 年 5 月 14 日，美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）公布了月度报告，认为目前仍未中性气候，且预计中性气候持续至夏季的概率为 65%。相比 4 月，这次讨论稿对中性气候的概率预期上调了 5%。厄尔尼诺事件到年底发生的概率为 10%，为小概率事件，大概率不会发生。厄尔尼诺的典型现象：东太平洋水温升高，大气活动沃克环流逆转回顾一下厄尔尼诺的定义，厄尔尼诺代表东太平洋水温升高的现象。厄尔尼诺最早是秘鲁和厄瓜多尔的渔民指出在圣诞节发生且持续数个月的

2、东太平洋水温变暖的现象。由于多在圣诞节发生，所以渔民将此类现象称为圣婴 Christ Child，西班牙语读作El Nino。厄尔尼诺的出现，是海洋和大气相互作用的结果。气象上，将二者合称为“厄尔尼诺-南方涛动”（El Nio -Southern Oscillation, ENSO）。ENSO 的前半部分“厄尔尼诺”，代表赤道地区海洋温度的变化；后半部分“南方涛动”则是与之相对应的大气异常活动，厄尔尼诺出现后，表现为沃克环流逆转。厄尔尼诺的出现影响中国夏季风和副热带高压。由于中国季风气候分布较广，夏季气候主要受到季风和副热带高压的影响。厄尔尼诺通过影响副热带高压和夏季风，使得中国南方夏季降雨量

3、大，出现凉夏。因此我们要关注厄尔尼诺是否发生。图 1、厄尔尼诺的典型特征，中东太平洋水温比往年异常升高NOAA 对厄尔尼诺的判定流程，考虑水温和大气环流美国 NOAA 则以历史水温、未来水温预计和大气环流状况为依据。图 3 显示，NOAA 判断厄尔尼诺情况的出现需要满足三个条件：当前水温：当前的Nio 3.4 区域的海表温度距平值超过 0.5C；未来水温：未来 3 个月的 Nio 3.4 区域的海表温度距平值将持续超过 0.5C；大气环流：出现沃克环流减弱的现象，如在中部太平洋降雨量更多，而在如印度尼西亚等地的西部太平洋地区降雨更少。图 2、Nio 3.4 区域位于赤道地区中东部太平洋资料来源

4、：NOAA， 整理图 3、NOAA 判断厄尔尼诺情况形成的流程图资料来源：NOAA， 整理2、立足当下，海温和大气状况表现为中性气候特征2.1、4 月中旬起东太平洋水温降温，目前处于中性气候区间首先，依据中国气象局判断标准，1-4 月Nio 3.4 区域海表温度出现厄尔尼诺特征。2017 年，中国气象局发布了厄尔尼诺国家标准，认为 Nio 3.4 区域水温的 3 个月滑动平均值达到或超过 0.5C、且持续至少 5 个月，判定为一次厄尔尼诺事件。2020 年以来的 3 个月滑动平均Nio 3.4 指数已连续 5 个月达到或略高于阈值0.5C，符合中国对厄尔尼诺的判断条件，但是 NOAA 的判定条

5、件更加严格。图 4、东太平洋水温升高，达成中国气象局厄尔尼诺判断标准资料来源：国家气候中心， 整理接着，来看美国 NOAA 的海表温度监测数值。图 5 为 NOAA 的 Nio 3.4 区域的海表温度距平值，2020 年 2 月下旬至 4 月下旬，该区域海表温度距平值持续高于阈值 0.5C。但自 4 月中旬开始降温，最新Nio 3.4 区域海表温度距平值为 0.2，处于中性气候温度距平区间 。因此不满足 NOAA 关于厄尔尼诺的第一个判断条件。图 5、4 月中旬以后，Nio 3.4 区域开始降温，目前为 0.2、NOAA 预测 Nio 3.4 水温持续下降，维持中性气候大概率事件依据美国NOA

6、A 的第二个判断条件，即对未来 3 个月 Nio 3.4 区域海表温度距平值的判断，较为复杂。一方面，多模型预测Nio 3.4 区域海表温度将持续下降；另一方面，赤道中东太平洋上层海水呈降温趋势，难以为表层海水提供充足热源。NOAA 多个统计、动态模型预测未来 Nio 3.4 区域水温下降第一步，需要通过多个动态模型和统计模型来进行预测。图 6 为NOAA 的气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）和哥伦比亚大学的国际研究机构（International Research Institute，IRI）于 4 月 19 日更新的 Nio 3.4 区域海表温度距平

7、值预测结果。图 6、2020 年 4 月 IRI 的预测模型结果资料来源：NOAA， 整理注：蓝色粗线为 CPC 预测线，红色粗线为动态模型均值预测线，绿色粗线为统计模型均值预测线结果显示，统计学模型一致预期和动态模型一致模型均显示，未来三个月 Nio 3.4区域的海表温度距平值将位于在-0.5+0.5C 之间，为中性气候时的海温情况。赤道地区东太平洋上层海水呈降温趋势，维持中性气候概率大第二步，则需要了解整个赤道地区东部太平洋上层水温的变化。若赤道地区东太平洋上部的水温较平均值偏高，将会为Nio 3.4 地区海平面水温升高提供热源。图 7 为赤道地区东太平洋上层水温异常图，四月以来东太平洋上

8、部海水持续降温。在 2019 年 11 月、2020 年 1 月和 2 月，赤道地区东太平洋的上层水温达到峰值。然而在 3 月后，该地区的上部水温开始下降，4 月初距平值为 0C，恢复往常水温，此后持续降温，难以为表层海水提供热源。图 7、赤道地区东部太平洋上层海洋水温异常值资料来源：NOAA， 整理结合NOAA 多个模型预测结果，以及赤道地区东部太平洋上层海水持续降温的情形，可知 NOAA 判断厄尔尼诺的第二个条件不成立。、沃克环流运转正常，当前大气环流、气压与中性气候的一致当前沃克环流运转正常，赤道低空盛行西风，高空盛行东风第一步，观察目前的沃克环流是否正常。正常情况下，赤道地区高层大气盛

9、行西风，低层大气盛行赤道东风。厄尔尼诺出现后，情况逆转，赤道地区高层大气会出现异常东风，低层大气则会出现异常西风。最近赤道地区的大气活动正常，赤道近地面风向为自东向西（图 8），高层大气活动风向为自西向东（图 9），说明 NOAA 的厄尔尼诺第三个判定条件不满足。图 8、赤道地区低层大气的东风资料来源：NOAA， 整理图 9、赤道地区高层大气的西风资料来源：NOAA， 整理南方涛动指数为正，气压情况表现为中性气候第二步，观察南方涛动指数（Southern Oscillation Index, SOI）。南方涛动指数是希提站和达尔文站的气压差，科学家以希提站代表东南太平洋，以达尔文站代表印度洋和

10、西太平洋。若 SOI 指数持续为负，说明出现厄尔尼诺事件；若持续为正，则说明出现拉尼娜事件。2020 年 1- 4 月的SOI 指数分别为 0.2、-0.1、-0.1 和 0.2，未出现持续为负值的情况，说明目前为中性气候。2017 年中性气候时期，SOI 指数围绕 0上下波动2015-2016 年厄尔尼诺时期，SOI 指数持续为负2019 年厄尔尼诺时期， SOI指数持续为负图 10、当前 SOI 指数呈现波动向上趋势资料来源：NOAA， 整理结合当期大气环流运转正常，以及 4 月 SOI 指数为正数，说明 NOAA 的厄尔尼诺情况的第三个条件不满足。综合海洋和大气状况，目前的气候更倾向于为

11、中性气候。3、对比 2015 年 5 月和 2020 年 5 月预测，显著不同NOAA 的ON（I Oceanic Nio Index ,ONI ）数值为 NOAA 的官方监测指标，即 Nio3.4 区域海平面三个月平均温度距平值，阈值为 0.5C。若超过 0.5C，说明赤道地区东太平洋海温较热。当前，Nio 3.4 区域海表温度较高，有人认为这可能预示着未来水温走势跟 2015年厄尔尼诺一样，其实不然。图 11、ONI 数值连续五个月高于阈值 0.5C 可能判定为厄尔尼诺气候特征资料来源：NOAA， 整理3.1、同为 5 月，2015 年 NOAA 预测厄尔尼诺，2020 年预测中性气候过去

12、五个月水温维持在判定厄尔尼诺的临界值上先回溯历史，2015 年 5 月，NOAA 公布的月度报告认为当时的弱厄尔尼诺状况正在走强（weak to moderate strength El Nio conditions）。当时，Nio 3.4 地区海平面水温距平值呈现升温趋势。对比之下，NOAA 发布的 2020 年 5 月的气候讨论报告，认为厄尔尼诺状态尚未出现（El Nio conditions：Not Active）。具体来看，首先，从图 12 的水温对比，可以看到 2015 年和 2020 年 4 月之前的 Nio 3.4 地区海平面温度趋势相似，呈现升温态势。但是呈现不同趋势，2020

13、 年 4-5 月 Nio 3.4 地区海平面温度持续下降，而 2015 年却持续升温。图 12、2015 年和 2020 年 1-4 月，Nino3.4 地区海平面水温距平值高于 0.5C2015 年 5 月2020 年 5 月资料来源：NOAA， 整理水温方面：同为 5 月，2015 年预测之后升温，2020 年预测之后降温其次，同样在 5 月，对于未来，NOAA 在 2015 年和 2020 年给出不同的未来预测。图 13 为NOAA 在 2015、2020 年的 5 月所公布的Nio 3.4 地区海平面温度距平值。左图为 2015 年 5 月所公布的预测值，大部分模型都预测 2015 年

14、夏季的Nio 3.4地区海平面温度距平值显著高于阈值 0.5C。因此 NOAA 在 2015 年 5 月预测厄尔尼诺持续至夏季的概率高达 90%，持续至年底的概率高于 80%。右图为 2020 年 5 月所作出的预测，则认为今年夏季 Nio 3.4 地区海平面温度距平值显著低于阈值 0.5C，显示为中性气候。NOAA 在 2020 年 5 月，预测中性气候持续至夏季的概率为 65%，并维持至秋季。预测结果的不同，主要是因为 2015 年和 2020 年气候形势存在差异。同时表明，赤道地区东太平洋海水年初的异常升温并非是 NOAA 对未来气候判断的唯一依据。图 13、NOAA 的 2015 年和

15、 2020 年 5 月起始预测存在显著差异2015 年 5 月起始预测2020 年 5 月起始预测资料来源：NOAA， 整理注：左图粉色粗线为 CPC 预测线，黄色粗线为动态模型均值预测线，绿色粗线为统计模型均值预测线蓝色粗线。右图蓝色粗线为 CPC 预测线，红色粗线为动态模型均值预测线，绿色粗线为统计模型均值预测线更细致来看，对赤道地区东太平洋上层海水的温度进行对比。根据图 14，2015 年 1 月开始，赤道地区东太平洋上层海水持续升温，4 月下旬后上层海水稳定在较高温度，为表层海温的升高持续提供热源。2020 年 5 月的报告显示，自 2 月中旬起，赤道地区东太平洋上层海水开始持续降温。

16、这正是导致 2015 年和 2020 年的 5 月起始预测结果差异大的原因之一。图 14、2015 年和 2020 年 4 月赤道地区东太平洋上层海水温度趋势各异2015 年 5 月2020 年 5 月资料来源：NOAA， 整理大气方面：2015 年 5 月沃克环流逆转，2020 年 5 月沃克环流运转正常由于厄尔尼诺是海洋和大气相互作用的结果，因此除了观察海洋温度，还需要密切对比当时的大气状况。射出长波辐射（OLR）是指地球大气系统在大气层顶向外空辐射出去的所有波长的热辐射密度，其大小主要由发射下垫面的温度所决定。一般来说，在多云时，辐射出去的 OLR 距平值低，此时多云情况将增强空气上升运

17、动；在云少时，辐射出去的 OLR 距平值高，此时将削弱空气上升运动，增强空气下沉运动。图 15 对比了 2015、2017 和 2020 年 5 月份时候的射出长波辐射。2015 年 5 月，赤道地区西太平洋盛行下沉气流，中部太平洋盛行上升气流，表现为图 15 的上图中间为蓝色，为沃克环流逆转情形，体现在图 16 下图。2017 年 5 月，赤道地区西太平洋盛行上升气流，表现为图 15 的中图左边为蓝色，中东部太平洋盛行下沉气流，沃克环流运转正常，见图 16 上图。2020 年 5 月，和 2017 年 5 月接近，赤道地区西太平洋盛行上升气流，中东部太平洋盛行下沉气流，沃克环流运转正常，图 16 上图。图 15、对比 2015、2017 和 2020 年 5 月的大气环流状况，蓝色为上升气流2015 年 4 月（厄尔尼诺）2017 年 4 月（中性气候）2020 年 4 月（预计中性气候）资料来源：NOAA， 整理由此，我们可以明确 2015 年和 2020 年 5 月的起始预测差异迥异的另一个原因，正是因为大气环流运转情形的不同。图 16、厄尔尼诺出现时，大气活动异常变化正常情况下的大气活动厄尔尼诺气候下的大气活动资料来源：NOAA，