The Innovation | 太平洋“发烧”，印度干旱加剧？

● 导 读 ●

印度季风与热带中东太平洋海温，分属东西半球两个气候系统，二者相隔万里却如“提线木偶”般存在。热带中东太平洋海水一“发烧”，也就是我们常说的厄尔尼诺现象（与拉尼娜，南方涛动合称为ENSO），印度季风带来的降水就会偏少，随后印度出现大面积干旱，它们之间的这种关系走向颇受关注。这不仅影响着南亚十几亿人口的生活，也对东亚季风系统有着重要影响。20世纪70年代开始，ENSO与印度季风的负相关明显减弱，但本文最新研究显示， 从21世纪开始两者的关系发生了新转变——开始增强，而这种关系的“缓和”竟是大西洋在“牵线搭桥”（图1）。该研究为提高印度季风乃至东亚季风的预测提供了十分重要的支撑。

图1 图文摘要

印度，世界第二人口大国，位于南亚季风区，气候类型为热带季风气候，其夏季不仅酷暑难熬，还容易发生严重干旱（图2），而这一切随着6月份印度季风的来临带来充沛降水才得以缓解。印度季风是印度雨季的“开关”，印度季风在6–9月带来的降水占全年降水总量的70%，对当地农业生产和社会经济发展起到至关重要的作用。

图2  2019年6月季风爆发推迟近一周，印度出现大面积干旱（图片来源：trulybelong.com）

现代气候学发展以前，由于缺乏气象知识，每逢人间风雨失调，遭遇旱灾或涝灾，人们只能寄希望于祈祷。2019年季风爆发前的3–5月，印度卡纳塔克邦的降水量仅为47.4mm，较历史同期（161.6mm）减少了71%，恰逢6月季风的爆发偏晚一周，当地出现严重干旱。卡纳塔克邦民众甚至为青蛙举办隆重的婚礼来祈雨（图3）。

图3  2019年6月8日来自Kalsanka和Kolalagiri的两只青蛙在卡纳塔克邦的Udupi举行婚礼，以祈求雨神庇护（图片来源：The Weather Channel India）

科学的迅速发展，使大自然的奥秘被悉数揭开。印度季风如此重要，它的幕后大BOSS是谁？这个问题一直困扰着科学家们。直到20世纪初，印度气象局“天降猛男”——Walker爵士的出现让印度季风幕后大BOSS被逐渐揭晓。Walker爵士在印度气象局担任局长21年，一直致力于印度季风的研究。他于20世纪30年代发现大气的南方涛动（后与厄尔尼诺和拉尼娜合称为ENSO）与印度季风降水的异常存在密切关系。Walker爵士由此提出第一个基于物理过程的气候经验预测模型，这也是Walker环流名称的由来（图4）。随后经过多位科学家的努力，更加明确了ENSO与印度季风的关系。即厄尔尼诺（或拉尼娜）发生时，热带中东太平洋的海温偏暖（或偏冷），进入“发烧”（或降温）状态，接着会通过Walker环流使万里之遥的印度地区出现干旱（或洪涝），二者关系呈现出十分明显的负相关。ENSO是影响印度季风的幕后大BOSS之一。自此，类似的基于物理过程的气候预测在世界各地迅速开展起来，开启了现代气候学的新时代。

图4 Walker 环流

（图片来源：Pennsylvania State University）

20世纪末，得益于更长时间观测资料的获取，印度气候学家Kumar教授于1999年发表在《Science》的研究论文指出ENSO和印度季风降水的关系并不稳定，自20世纪70年代以来二者的关系开始逐渐减弱，在气候学上这种跨年代的转变称为年代际转变。这一问题迅速成为国际气候学的研究热点，气候学研究进而深入到“年际关系的年代际转变”上。随着问题的深入，相关研究变得异常复杂且艰巨，其物理机制不明，一直是国际气候学研究的重大挑战。特别是，20世纪70年代的这次转变在时间上和全球变暖的长期趋势契合，因此，这到底是大自然内部的年代际变化还是全球变暖趋势所致，也存在争议。

最近，中科院大气物理研究所黄平课题组最新研究指出，在20世纪90年代末期，ENSO和印度季风的关系开始出现新的年代际转变——开始增强（图5）。这表明热带中东太平洋海温偏暖（或偏冷），会加剧印度地区的干旱（或洪涝）。这一现象否定了ENSO和印度季风关系的转变是全球长期增暖趋势所导致的观点。

图5 Nino3指数与印度季风的滑动相关

ENSO这个大BOSS与印度季风的关系为什么会发生如此转变呢？该研究指出这种关系的增强与太平洋的“小弟”——大西洋的“态度”密切相关。在21世纪之前（1979–1997年），ENSO事件发生时南大西洋海温的异常主导着整个大西洋海盆（图6C），这样一家独大的局面使得大西洋梯度指数（北大西洋区域与南大西洋区域平均海温异常之差）为较大的正值。因此，随着南大西洋的介入，逐渐瓦解并破坏了ENSO与印度季风的“信任”，导致二者的关系开始减弱。这时，热带中东太平洋海水即使“发烧”，万里之遥的印度干旱也并不严重。

然而21世纪之后（2000–2018年），风水轮流转，ENSO事件发生时南大西洋的势力开始衰退，并且海温信号开始向北大西洋转移，最后两者实力均较弱且基本相当（图6D），因此大西洋梯度指数基本为0。此时南大西洋的“欢喜冤家”——北大西洋，一直与南大西洋唱反调，二者对印度季风的影响相反，使大西洋整体对印度季风的贡献正负抵消，为ENSO和印度季风“牵线搭桥”建了一条绿色通道，这样一来ENSO和印度季风的关系在不受干扰的情况下又开始增强。这时，热带中东太平洋海水一“发烧”，万里之遥的印度干旱便会加剧。

图6 印度降水和海温异常对Nino3指数的回归分布图

那么，为什么大西洋会出现这样的转变呢？黄平课题组进一步指出：这竟是ENSO“自导自演”的一出戏。其实是ENSO自身的时间演变特征发生了变化。过去大家关注不同空间位置的ENSO（如根据ENSO位置分为东部型和中部型），该项研究却发现对夏季ENSO的状态而言存在两个不同的时间演变，有些ENSO从上一个冬季就存在，一直持续到次年夏季，他们将此称为延续型ENSO（Continuing ENSO）；而另外一些ENSO从夏季才出现，称为新发型ENSO（Emerging ENSO）。

延续型和新发型ENSO通过大气Walker环流对印度季风的直接影响几乎没有差别，但在延续型ENSO下，由于其已经存在半年之久，它对全球海温有着重要影响，尤其是南大西洋，这些其他区域海温异常的存在会干扰ENSO的直接大气影响，这种情况下ENSO和印度季风降水的关系会很弱；而在新发型ENSO下，其他海区的海温异常都较弱，无法对ENSO的直接大气影响造成干扰，ENSO和印度季风降水的关系非常显著（图7、图8）。

图7 不同ENSO组别下的海温异常合成图

图8 不同ENSO组别下的降水异常合成图

大自然竟然如此奇妙！热带中东太平洋的海水稍微“发烧”，却能影响万里之外十几亿人的生活与生产；且不同年代的影响竟然大不相同。然而，这或许只是气候联动过程中的冰山一角。为了更好地为人类的生存和发展提供服务，我们需要探索更多的气候学谜团。

总结和展望

该研究首次发现ENSO与印度季风最新的年代际增强现象，并强调大西洋在其中的“桥梁作用”，提出ENSO时间演变的多样性，更清晰地解释了ENSO与印度季风关系的多次年代际转变。这有助于未来更好地摸清ENSO的“脾气”。随着观测资料的日益丰富和时效性的增加，让科学家有机会从更广阔的角度去关注洋盆间相互作用（太平洋、大西洋和印度洋）的特征以及对气候变化的影响。这也必将加快人类对自然界中年代际信号转变的了解。未来对洋盆间相互作用的持续研究，可能降低目前气候模式模拟的不确定性，并提高我们短期气候预测的水平，从而为应对全球气候变化提供更好的支撑。

原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00027-8

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将以Article发表的“Restored relationship between ENSO and Indian summer monsoon rainfall around 1999/2000” (投稿: 2020-11-15；接收: 2021-02-26；在线刊出: 2021-04-02)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100102

引用格式：Yang X., Huang P. (2021). Restored relationship between ENSO and Indian summer monsoon rainfall around 1999/2000. The Innovation. 2(2),100102.

作者简介

黄平，中国科学院大气物理所研究员，博士生导师。主要从事热带及东亚夏季气候变化研究，近10年来在热带降水变化机制、热带海温变化分布型、ENSO降水变化、热带年际海气耦合过程变化等方面取得重要进展。在Nature Geoscience, Nature Communications, Journal of Climate, GRL, ERL, Climate Dynamics等国际一流期刊上发表通讯作者论文近40篇。获国家自然科学基金优秀青年基金项目、面上项目、青年项目，国家重点研发计划课题等资助。入选中国科学院青年创新促进会优秀会员。

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