摘要：當(dāng)厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，它對(duì)天氣的影響可能比當(dāng)前更嚴(yán)重。

自1900年以來(lái)，至少發(fā)生了30起厄爾尼諾事件。近日，來(lái)自波茨坦氣候影響研究所的孟君和樊京芳博士，北京師范大學(xué)陳曉松教授以及合作者，提出了一種基于熵理論的方法來(lái)預(yù)測(cè)厄爾尼諾事件的強(qiáng)度。

對(duì)于剛剛到來(lái)的2020年，基于下文中提出的 System Sample Entropy 的方法，論文作者預(yù)測(cè)厄爾尼諾將有很大概率會(huì)在本年下半年再次發(fā)生，并發(fā)展為一個(gè)中等強(qiáng)度甚至高強(qiáng)度的厄爾尼諾事件。

一、什么是厄爾尼諾？

厄爾尼諾是一種周期性氣候現(xiàn)象，指赤道東太平洋海水每隔數(shù)年就會(huì)異常升溫的現(xiàn)象，平均每2-7年發(fā)生一次。厄爾尼諾-南方振蕩現(xiàn)象（El Ni?o-Southern Oscillation，簡(jiǎn)稱 ENSO）是赤道附近東太平洋海水表面溫度和海風(fēng)周期性變化的氣候現(xiàn)象。

厄爾尼諾現(xiàn)象是厄爾尼諾-南方振蕩現(xiàn)象中的升溫階段。對(duì)于該現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制目前科學(xué)界有多種觀點(diǎn)，通常認(rèn)為厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生，與太平洋赤道上的大氣環(huán)流—沃特環(huán)流—的改變有關(guān)。厄爾尼諾-南方濤動(dòng)現(xiàn)象中的低溫階段稱為拉尼娜現(xiàn)象。

在厄爾尼諾與拉尼娜的中間階段，西太平洋低壓和東太平洋高壓 （或沃特環(huán)流）會(huì)造成海風(fēng)自東向西將東太平洋表面溫暖的海水和空氣自東向西吹，同時(shí)低層的低溫海水向上翻涌，造成東太平洋表面海水溫度較低。而在厄爾尼諾發(fā)生前，赤道太平洋表面西風(fēng)減弱或轉(zhuǎn)向，從而使得東太平洋海水溫度變高，最終導(dǎo)致厄爾尼諾的發(fā)生。

在厄爾尼諾期間，熱帶降水和大氣環(huán)流的正常規(guī)律被打亂，并在全球范圍引發(fā)極端氣候事件。

由來(lái)：“厄爾尼諾”一詞來(lái)源于西班牙語(yǔ)，原意為“圣嬰”。

19世紀(jì)初，在南美洲的厄瓜多爾和秘魯?shù)任靼嘌勒Z(yǔ)系的國(guó)家，漁民們發(fā)現(xiàn)，每隔幾年，從10月至第二年的3月便會(huì)出現(xiàn)一股沿海岸南移的暖流，使表層海水溫度明顯升高。

南美洲的太平洋東岸本來(lái)盛行的是秘魯寒流，隨著寒流移動(dòng)的魚(yú)群使秘魯漁場(chǎng)成為世界四大漁場(chǎng)之一，但這股暖流一出現(xiàn)，性喜冷水的魚(yú)類(lèi)就會(huì)大量死亡，使?jié)O民們?cè)馐軠珥斨疄?zāi)。

由于這種現(xiàn)象最嚴(yán)重時(shí)往往在圣誕節(jié)前后，于是遭受天災(zāi)而又無(wú)可奈何的漁民將其稱為上帝之子——圣嬰。

定義：厄爾尼諾現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率并不規(guī)則，該現(xiàn)象一般每隔2至7年出現(xiàn)一次，持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月。

根據(jù)美國(guó)大氣海洋管理局（NOAA）的定義， 如果海洋厄爾尼諾指數(shù)（Oceanic Ni?o Index2）超過(guò)0.5oC，并且持續(xù)至少五個(gè)月，那么該事件稱為厄爾尼諾事件（El Ni?o Episodes）；反之，如果海洋厄爾尼諾指數(shù)低于 -0.5oC，并且持續(xù)至少五個(gè)月，那么該事件會(huì)稱為拉尼娜事件（La Nina Episodes）。

圖1：正常的太平洋格局：西部的暖池驅(qū)動(dòng)深層大氣對(duì)流。來(lái)源于維基百科

圖2：厄爾尼諾現(xiàn)象：暖的海水和大氣對(duì)流向東移動(dòng)。來(lái)源于維基百科

二、厄爾尼諾的影響

1. 氣候影響

厄爾尼諾現(xiàn)象會(huì)影響全球氣候并破壞正常的天氣模式，從而可能導(dǎo)致某些地方遭受強(qiáng)烈暴雨、洪水、極熱或極冷的天氣條件，進(jìn)而可能導(dǎo)致動(dòng)物疾病的暴發(fā)（包括人畜共患疾病和食源性疾?。?，以及植物病蟲(chóng)害和森林火災(zāi)等。

在以往發(fā)生的厄爾尼諾事件中，某些地區(qū)以漁業(yè)為生的人受到嚴(yán)重影響。

自1950年以來(lái)對(duì)厄爾尼諾事件的觀察表明，厄爾尼諾的發(fā)生及其所造成的影響具有多樣性和不確定性的特點(diǎn)，這也就增加了相關(guān)預(yù)測(cè)工作的難度。

在大多數(shù)厄爾尼諾事件期間，比較明確的影響包括印度尼西亞和南美洲北部的降雨量低于平均水平，而南美東南部，赤道非洲東部和美國(guó)南部的降雨量高于平均水平。

對(duì)中國(guó)的影響：

對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，厄爾尼諾易導(dǎo)致暖冬，南方易出現(xiàn)暴雨洪澇，北方易出現(xiàn)高溫干旱，東北易出現(xiàn)冷夏。比起單純的氣溫變化，極端天氣更容易引發(fā)危險(xiǎn)。

（1）臺(tái)風(fēng)減少。西太平洋熱帶風(fēng)暴（臺(tái)風(fēng)）的產(chǎn)生次數(shù)及在我國(guó)沿海登陸次數(shù)均較正常年份少。

（2）夏季風(fēng)較弱，季風(fēng)雨帶偏南，位于中國(guó)中部或長(zhǎng)江以南地區(qū)。北方地區(qū)夏季容易出現(xiàn)干旱、高溫，南方易發(fā)生低溫、洪澇。近百年來(lái)我國(guó)的嚴(yán)重洪水，如1931年、1954年和1998年長(zhǎng)江中下游地區(qū)的洪水，都發(fā)生在厄爾尼諾現(xiàn)象出現(xiàn)的次年。

（3）厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生后的冬季，我國(guó)北方地區(qū)容易出現(xiàn)暖冬。

2. 對(duì)人類(lèi)和自然的社會(huì)生態(tài)影響

經(jīng)濟(jì)：廣泛地說(shuō)，厄爾尼諾現(xiàn)象會(huì)影響商品價(jià)格和不同國(guó)家的宏觀經(jīng)濟(jì)。它可以限制降雨驅(qū)動(dòng)的農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)；減少農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，建筑和服務(wù)活動(dòng)；造成食品價(jià)格上漲和通貨膨脹；并可能在主要依賴進(jìn)口食品的依賴商品的貧窮國(guó)家引發(fā)社會(huì)動(dòng)蕩。

此外，在厄爾尼諾沖擊之后，大多數(shù)國(guó)家都經(jīng)歷了短期的通脹壓力，而全球能源和非燃料商品價(jià)格卻在上漲。

健康：與厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)的極端天氣狀況與流行病發(fā)病率的變化有關(guān)。

例如，厄爾尼諾周期與蚊子傳播的某些疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，例如瘧疾，登革熱和裂谷熱。印度，委內(nèi)瑞拉，巴西和哥倫比亞的瘧疾惡性循環(huán)現(xiàn)已與厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)。

暴雨和洪水后，在澳大利亞?wèn)|南部的溫帶地區(qū)爆發(fā)了另一種由蚊子傳播的疾病，即澳大利亞腦炎（Murray Valley，腦炎，MVE），這與拉尼娜事件有關(guān)。在1997-98年厄爾尼諾現(xiàn)象期間，肯尼亞?wèn)|北部和索馬里南部出現(xiàn)特大降雨，隨后發(fā)生了裂谷熱的嚴(yán)重爆發(fā)。

三、厄爾尼諾的預(yù)測(cè)

厄爾尼諾事件的發(fā)生對(duì)全球各地區(qū)的氣候?yàn)?zāi)害均有預(yù)兆意義，因此對(duì)它的預(yù)報(bào)已成為氣候預(yù)測(cè)中最重要內(nèi)容之一。

及早并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)厄爾尼諾的發(fā)生以及強(qiáng)度，對(duì)預(yù)防或降低其帶來(lái)的全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、社會(huì)等方面的損失意義重大，而且將幫助政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)制定政策，應(yīng)對(duì)厄爾尼諾的影響。

目前傳統(tǒng)的厄爾尼諾預(yù)測(cè)方法只能在提前6個(gè)月范圍內(nèi)給出比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這一現(xiàn)象稱之為，春季預(yù)測(cè)障礙（即無(wú)法在厄爾尼諾發(fā)生的那一年的春季或更早給出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)）。

圖3顯示了18個(gè)動(dòng)力學(xué)和8個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)氣候模型預(yù)測(cè)能力， 我們看到在春季的時(shí)候幾乎所有的模型都喪失了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)厄爾尼諾的能力。

?圖3：傳統(tǒng)氣候模型預(yù)測(cè)能力示意圖。來(lái)源于NOAA

為了克服上面提到的春季預(yù)測(cè)障礙，來(lái)自波茨坦氣候影響研究所的團(tuán)隊(duì)，提出了一種全新的框架用以預(yù)測(cè)厄爾尼諾事件的開(kāi)始——即氣候網(wǎng)絡(luò)的方法。

不同于一般的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，在氣候網(wǎng)絡(luò)中將節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是全球氣候數(shù)據(jù)集的空間網(wǎng)格中的站點(diǎn)；根據(jù)兩個(gè)站點(diǎn)之間相應(yīng)的氣候數(shù)據(jù)時(shí)間序列對(duì)之間的統(tǒng)計(jì)相似度，從而定義網(wǎng)絡(luò)的邊。氣候網(wǎng)絡(luò)方法使人們能夠以一種全新的角度來(lái)了解不同時(shí)空尺度上氣候系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化。

目前基于氣候網(wǎng)絡(luò)的方法可以提前一年預(yù)測(cè)厄爾尼諾事件的開(kāi)始 [3, 4, 5], 其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率超過(guò)89%。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的氣候模型。且該系列方法成功的對(duì)2014-2016和2018-2019事件進(jìn)行了成功的預(yù)警。

雖然我們可以克服春季預(yù)測(cè)障礙成功的預(yù)測(cè)厄爾尼諾事件的開(kāi)始，但是至今沒(méi)有辦法長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)其強(qiáng)度。而預(yù)測(cè)強(qiáng)度至關(guān)重要，這是因?yàn)檩^強(qiáng)的厄爾尼諾現(xiàn)象通常會(huì)導(dǎo)致更多極端事件（例如洪水，干旱或嚴(yán)重的風(fēng)暴）對(duì)經(jīng)濟(jì)，社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

近日，來(lái)自波茨坦氣候影響研究所的孟君和樊京芳博士，北京師范大學(xué)陳曉松教授以及合作者，提出了一種基于熵理論的方法來(lái)預(yù)測(cè)厄爾尼諾事件的強(qiáng)度 [6]。研究論文已在線發(fā)表在世界知名期刊美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS（https://www.pnas.org/content/117/1/177.short），首次克服了長(zhǎng)久以來(lái)困擾厄爾尼諾預(yù)測(cè)的“春季預(yù)測(cè)障礙” ，將對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生，特別是強(qiáng)度的預(yù)測(cè)提前一年。

該文作者提出了一套基于信息熵理論的全新的方法——System Sample Entropy——用來(lái)計(jì)算厄爾尼諾區(qū)域（Nino 3.4）近海平面空氣或海表溫度的復(fù)雜度（包括溫度隨時(shí)間變化的無(wú)序性以及不同地點(diǎn)溫度變化的同步性或相干性）。

利用這一方法，作者們發(fā)現(xiàn)了Nino 3.4區(qū)域溫度變化的復(fù)雜度與厄爾尼諾現(xiàn)象強(qiáng)度存在著非常強(qiáng)和穩(wěn)定的線性關(guān)系，即一年內(nèi)（1月1日-12月31日）Nino 3.4區(qū)域的溫度變化復(fù)雜度越大，那么下一年發(fā)生的厄爾尼諾事件的強(qiáng)度就越大。

基于這一發(fā)現(xiàn)，作者們提出了一套基于每年Nino 3.4 區(qū)域溫度變化復(fù)雜度的大?。ㄓ稍搮^(qū)域 System Sample Entropy 量化）來(lái)預(yù)測(cè)來(lái)年厄爾尼諾發(fā)生及其強(qiáng)度的方法。

該方法目前成功的預(yù)測(cè)了1984至2019年期間10個(gè)厄爾尼諾事件中的9個(gè)事件的發(fā)生年份，以及24個(gè)沒(méi)有厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生的年份當(dāng)中的21個(gè)，特別是對(duì)厄爾尼諾強(qiáng)度預(yù)測(cè)的平均誤差僅為0.23攝氏度。

對(duì)于剛剛到來(lái)的2020年，基于文中提出的System Sample Entropy的方法，作者們預(yù)測(cè)厄爾尼諾將有很大概率會(huì)在本年下半年再次發(fā)生，并發(fā)展為一個(gè)中等強(qiáng)度甚至高強(qiáng)度的厄爾尼諾事件，其預(yù)測(cè)強(qiáng)度為1.48+-0.25攝氏度。

四、氣候變化與厄爾尼諾

政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)的最新報(bào)告顯示，隨著氣候變暖，較強(qiáng)的厄爾尼諾現(xiàn)象可能發(fā)生得更加頻繁。

如果是這樣的話，那么與厄爾尼諾相關(guān)的氣候事件也將變得更加劇烈，但是氣候變化產(chǎn)生的影響可能不僅僅是厄爾尼諾現(xiàn)象嚴(yán)重程度和相關(guān)后果。

一些研究表明，全球氣候轉(zhuǎn)暖可能增大全球受厄爾尼諾影響的總面積。

因此，當(dāng)厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，它對(duì)天氣的影響可能比當(dāng)前更嚴(yán)重。