厄爾尼諾現象的成因猜測與分析？

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只了解到厄爾尼諾的現象與危害，沒有恰當的成因猜想，希望有人給出觀點

看到了個腦洞大開的答案，呵呵一聲，開始碼主流科學界的了解。
首先描述厄爾尼諾現象。
NOAA網站上找了一張三種情況下的熱帶太平洋海溫圖，從上往下分別是拉尼娜（反向的厄爾尼諾），正常年和厄爾尼諾年。首先可以看到正常年份熱帶太平洋是東冷西熱的情況，這是因為大氣環流，赤道東風帶驅動表層暖海水往西流動的結果。拉尼娜年是東太平洋比正常年份偏冷，厄爾尼諾年是東太平洋比正常年份偏熱。大家看最下面那張厄爾尼諾年的圖。1997-98年是近幾十年來以來最強的一次厄爾尼諾年（也許今年會刷新紀錄），東太平洋也不過是接近中西太平洋的溫度，並沒有出現東熱西冷的海溫分布。
所以，重要的事情說三遍：
厄爾尼諾並不是東熱西冷！
厄爾尼諾並不是東熱西冷！

厄爾尼諾並不是東熱西冷！

大家見的最熟悉的厄爾尼諾的海溫圖，比如說下面這樣的：

注意看色標軸，-4到4攝氏度。注意看標註：Sea Surface Temperature Anomaly. anomaly是啥？是偏離正常狀態的異常值。本來東西太平洋溫差有5-10度，減掉三四度的異常值還有一兩度，並沒有改變冬冷西熱的局面。不過對大氣的運動，也就是常說的大氣環流有很重要的影響，從而導致很多地方的氣候狀況也跟正常情況不一樣。這裡就不展開說了。前一部分跟問題無關，只不過給完全不了解厄爾尼諾現象的人簡單介紹一下。下面回到lz的問題，厄爾尼諾的成因。現在科學界對厄爾尼諾的成因還並沒有一個完美的解釋，主要是因為無法用實驗來證明到底是哪種機制起作用。我這裡主要介紹一下1969年Bjerknes提出來的海氣耦合正反饋機制。
厄爾尼諾不是一個獨立的海溫變化現象，而是跟大氣活動密切相關，最顯著的就是熱帶太平洋上空walker 環流的強弱變化。下圖又是一張很經典的圖，等值線是熱帶太平洋的海溫，西太平洋上升，東太平洋下降的大氣環流形成一個環流圈，這就是walker環流。Bjerknes提出，正常情況下walker環流底層是偏東風，將海面暖水向西太平洋堆積，造成西熱東冷的狀態。在厄爾尼諾開始的時候，東太平洋海溫升高一點，造成東西太平洋的溫度梯度減小，導致walker環流減弱；海面的偏東信風隨著walker環流減弱，從而使得海水向西太平洋的堆積減慢，更多的暖水留在了東太平洋，使得東太平洋海溫繼續升高。這個海溫升高 --&> walker環流減弱 --&> 海水流動減慢 --&> 海溫繼續升高的正反饋是維持厄爾尼諾現象的重要原因。

關於厄爾尼諾產生的初始擾動是怎麼形成的，成熟以後又是怎麼漸漸減弱的物理機制，科學界還有幾個不同的理論猜測，比如赤道Rossby波 - Kelvin波的作用理論，由於裡面牽涉的數學太多（其實是我也沒研究它），這裡就不展開說了。有興趣的可以找幾篇文獻綜述讀讀。

反駁雪印子，這是我聽到的最不靠譜的一個厄爾尼諾的成因了... 以及Gill(1980)pattern，是熱帶大氣風場氣壓場對於關於赤道對稱的加熱場的響應.... 不是海洋Rossby波和Kelvin波過程..
對於厄爾尼諾成因的探討，大致可以分為兩類，一類是單純關注與熱帶太平洋海氣耦合過程，第二類是其他大洋以及副熱帶太平洋對與熱帶太平洋施加的「擾動」。
第一類來講，充放電振子，延遲振子，西太平洋反射振子等等；
第二類，印度洋的西風異常的東傳，太平洋經向模（副熱帶海溫異常向赤道運動），大西洋副熱帶高壓對於太平洋信風強度的影響；
但是總結而言，無外乎是Bejerknes正反饋對於初始海溫異常的放大作用...主要是trigger不太一樣
從目前學術界的情況來看，對於厄爾尼諾年際振蕩的機制以及比較成熟了（雖然對於ENSO的預報還是慘不忍睹），但是ENSO年代際振蕩還需要一定的研究... 特別是熱帶-副熱帶互作方面。

首先反對上面雪印子的觀點。第一，他說百科上關於厄爾尼諾的定義是錯誤的，因為根據定義「厄爾尼諾暖流自南美洲西海岸沿赤道西方向逐漸遞減」不能滿足，但是所謂的厄爾尼諾現象或者事件，南美洲西海岸沿赤道西方向逐漸遞減的並不是暖流，而是海表溫度的距平值，也就是熱帶中東太平洋溫度值的異常偏高（依然低於西太平洋暖池）。第二，地熱導致厄爾尼諾不是什麼新鮮觀點了，以前有人提過，但是地熱的能力之小不足以對海溫造成如此大的影響。
對於厄爾尼諾的簡介和正反饋機制（即厄爾尼諾是如何產生和發展的），上面的volley介紹的很好了，我想再簡單提一下厄爾尼諾，或者說ENSO，的負反饋機制。ENSO是厄爾尼諾+南方濤動的總稱，分別對應厄爾尼諾期間海洋和大氣的異常現象。根據Bjerknes的海氣耦合機制能很好地解釋厄爾尼諾為什麼能夠發展，但是我們知道這一現象並不會一直發展，而是在發展到頂峰之後衰退，甚至發生反厄爾尼諾（拉尼娜）現象。這就涉及到有一個負反饋機制使得厄爾尼諾慢慢停下來。
比較熱門的兩個理論分別是延遲振子理論和充放電理論。
延遲振子理論。主要涉及到海洋波動通過其攜帶的能量在傳播和反射中使ENSO減弱的現象。在厄爾尼諾期間，赤道中東太平洋出現正海溫異常，相當有一個加熱場，在加熱場的作用下，根據gill模態的理論（涉及很多推導），赤道外中太平洋強迫出一個上翻的西傳Rossby波，經過1到2年傳到西太平洋沿岸反射成為被赤道捕獲的東傳Kelvin波。這裡的兩種波動可以簡單的理解為帶著能量的運動著的海水，因為Rossby波來自赤道外的相對下部（溫躍層），帶著負的溫度距平，當這個負溫度距平的信號以Kelvin波的形式傳回赤道東太平洋和正異常抵消的時候，厄爾尼諾就結束了。

如圖為gill模態，左側的兩個鼓包就是強迫出來的Rossby波。
充放電理論。這一理論是由華人科學家金飛飛老師總結提出的，exciting！根據我的理解，簡單來講，就是通過海水的經向輸送，當赤道外海洋向赤道輸送熱量（充電），厄爾尼諾發生；然後赤道海水向赤道外海水輸送熱量（放電），厄爾尼諾衰退。其中涉及到數學推導我也不太懂，就不繼續瞎說了，只想說真正的氣象學、氣候學知識都是建立在大量的數學推導，物理解釋和計算機模擬基礎上得出的，可不是一拍腦袋就能想出來的~

百科的知識可了解一下，厄爾尼諾暖流大略是「吹拂著水溫較高的赤道暖流南下，使秘魯寒流的水溫反常升高。這股悄然而至、不固定的洋流被稱為「厄爾尼諾暖流」。

這個解釋是錯的，在於若是赤道暖流導致厄爾尼諾暖流的話，那海水溫度分布在整個赤道區域是接近的，而不是如厄爾尼諾暖流這樣自南美洲西海岸沿赤道西方向逐漸遞減。那真正的原因是什麼？

厄爾尼諾暖流，是一個大範圍的海水升溫事件。那麼簡單的道理就是，必存在一個大範圍的熱源，來加熱這一區域的海水。且這個熱源不是太陽，原因就是上面所說，若是太陽的話，那整個赤道溫度都會一致，而不是遞減分布。那麼熱源只有一個：地球內部。

地球內部地幔是高溫岩漿，被地殼包裹，這是常識。地殼，是地幔高溫與太空低溫相互平衡的固體結構，於是人類可以生活在地表上。地幔熱量，正隨時透過地殼，給地錶帶來熱能。地熱，就是最直接的證據之一，人們通過溫泉、火山熔岩之類的地質現象直觀認識地熱。

雖然地殼包裹地幔，使地球表面溫度降很多，讓人類可以生存。但地殼厚度並不是均勻的。顯然地殼厚的地方，地表接收地熱要小一點，地殼薄的地方，地表接收地熱要多一些。同時，地殼面積大一些，地表接收地熱總量也要多一些。

再看南美洲西海岸地形，存在一條長5,899公里(3,666哩)，平均寬度64公里(40哩)，面積約590,000平方公里(228,000平方哩)，最深處是在海平面以下達8,065米的理查德斯深淵(Richards Deep)的智利海溝，又稱阿塔卡馬海溝。

海洋地殼的平均厚度大概只有7公里，海洋地殼一處存在深海溝的另一層意思，就是這裡的地殼還要薄。海溝越深，海溝所處的地殼就越薄，帶來的效應就是從這越薄地殼散發出來的地幔熱量就越多。地幔熱量從深海溝處巨量湧出，加熱流經此處的海水，導致海水延海溝走向逐漸升溫。

太平洋的秘魯寒流，經過南美洲西海岸的智利海溝後，底層低溫海水就這樣被深海溝處的巨量地熱慢慢加熱升溫，隨海流從南向北緩慢斜上升到海面，並與中表層海水混合，形成一股可觀測的暖流，後沿赤道自東向西行進，溫度也是自東向西遞減。

這就是厄爾尼諾暖流成因，並帶來厄爾尼諾現象與事件。

為什麼厄爾尼諾暖流不是每年都發生呢?

每次厄爾尼諾暖流導致的厄爾尼諾現象與事件後，暖流對洋流方向產生干擾，導致整個南半球太平洋的洋流梯度會發生偏離，洋流重心更偏向南極洲附近，於是洋流流經南極洲附近後形成的秘魯寒流有更低的溫度。

如此更低溫度的秘魯寒流在智利海溝處平衡了上升海水的熱量，表現在赤道海面上，就是這股暖流消失，不是每年發生。比如厄爾尼諾暖流只是讓海洋溫度升高三五度，那隻要秘魯寒流比平常年份溫度降個三五度，就會在太平洋東岸的赤道附近出現平衡狀態，若降得更多，那就是拉尼娜現象。

如此結果就是，在厄爾尼諾現象發生後，南半球太平洋的洋流重心南偏，帶來更低溫的秘魯寒流，平衡智利海溝的地幔熱量，同時產生拉尼娜現象。而在拉尼娜現象發生後，南半球太平洋的洋流重心北偏，帶來相對高溫的秘魯寒流，不能平衡智利海溝的地幔熱量，於是產生暖流與厄爾尼諾現象。兩者反覆周期性出現，時間周期就是人們觀察到的厄爾尼諾發生周期。

厄爾尼諾暖流，就如一個楔子，插入南北半球的太平洋洋流之間，影響南北半球的太平洋洋流的區域狀態與重心位置。

厄爾尼諾暖流之所以發生在北半球12月-3月份之間，在於這個時間剛好是南半球的夏季，當洋流重心最偏北的時候，秘魯寒流離南極洲最遠，同時受南半球夏季太陽強輻射影響，溫度相對達到最高，於是流經智利海溝時，被地幔熱量加熱後的溫度也最高，在太平洋東海岸的赤道緯度表現為暖流。

而拉尼娜現象，我雖沒查到發生的時間，但可以推斷這會發生在北半球的6-8月份，在於這個時間剛好是南半球的冬季，當洋流重心最偏南的時候，秘魯寒流離南極洲最近，同時受南半球冬季太陽弱輻射影響，溫度相對降到最低，於是流經智利海溝時，被地幔熱量加熱後的溫度也最低，在太平洋東海岸的赤道緯度表現為寒流。

暖流對北半球的洋流方向也會產生干擾，表現在北半球太平洋的洋流重心更偏向北極，從而對我國產生南方暖冬、北方夏冷、乾旱和洪澇、熱帶風暴偏少等氣候影響，就不再詳細描述。