三大“濤動”與“世界天氣”：應對全球氣候變化的思考

中圖分類號 P401 文獻標志碼 B 文章編號 1002-2104（2024）08-0001-02 DOI：10. 12062/cpre. 20240802

在全球尺度上，無論是研究歷史上的氣候變遷還是當下氣候事件的形成與演進，有一個大氣運動現象被經常提及，并被認為是一些氣候事件的推動者或參與者，這就是“濤動”。

“濤動”是大氣環流在海平面氣壓圖上的表現。19世紀后期以前，對氣候現象的研究多數著眼在局部和區域范圍。20世紀20年代，英國氣象學家、統計學家沃克在總結前人研究的基礎上發現了大氣“濤動”現象，創造性地提出“世界天氣”的概念［1］。他從全球視角對大氣循環進行研究，揭示了大氣運動規律，體現了學者的大系統觀。沃克推動了世界范圍內科學家對全球三大“濤動”——北大西洋濤動、北太平洋濤動和南方濤動的研究。沃克的主要貢獻在于發現了南方濤動（ Southern" Os?cillation），并對其進行了初步研究。北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation） 和北太平洋濤動（ North Pacif?ic Oscillation）由其他科學家發現和定義。每個“濤動”由一個高壓與一個低壓兩個大氣活動中心組成，兩個大氣活動中心的氣壓存在此消彼長的反相振動關系，也就是一個巨型的“蹺蹺板”式變化。

北大西洋濤動是指大西洋亞速爾群島副熱帶高氣壓和冰島低氣壓之間氣壓的持續反相振動關系，當亞速爾高氣壓加強時冰島低氣壓減弱，當亞速爾高壓減弱時冰島低氣壓加強。北大西洋濤動強，表明兩個活動中心之間的氣壓差大，北大西洋中緯度的西風強；北大西洋濤動弱，表明兩個活動中心之間的氣壓差小，北大西洋上西風減弱［2］。北大西洋濤動選擇亞速爾群島高壓和冰島低壓之間的氣壓基作為“濤動指數”。研究顯示，北大西洋濤動是北半球氣候快速變化的驅動因子。

北太平洋濤動是指北太平洋海平面氣壓場上南北方向的持續反相振動關系，用夏威夷群島副熱帶高氣壓與阿留申群島低氣壓變化衡量，兩個氣壓中心存在同時增強或同時減弱的現象，選擇夏威夷群島高壓和阿留申群島低壓之間的氣壓基作為“濤動指數”。兩個活動中心增強，也就是高壓增強和低壓加深時中心之間的氣壓差就增大，呈現“強濤動”特征；兩個活動中心減弱時，中心之間的氣壓差就縮小，呈現“弱濤動”特征。

南方濤動是指發生在赤道太平洋東部高壓區與印度洋及印尼地區之間低壓區氣壓的持續反相振動關系。選擇塔希提島或復活節島和達爾文兩個觀測站海平面的氣壓基作為“濤動指數”，也就是塔希提島海平面氣壓減去達爾文觀測站的海平面氣壓。這個發現在今天看來更具有意義。

后來的研究進一步證實了三大“濤動”的存在，并揭示了三大濤動與大范圍海洋和大氣狀況的聯系。從其影響的區域范圍可以看出，三大“濤動”對地球上大部分地區的氣候現象形成有重大影響。當然后來的研究也發現了其他區域出現的濤動，比如南極濤動、北極濤動，還有長周期的“拉馬德雷現象”——太平洋十年濤動。

沃克提出三大“濤動”的創造性不僅僅在于對一種氣候現象的描述，而是發現一種數量關系，在氣象學和氣候變遷的觀察和研究上具有里程碑意義。雖然100年過去了，但其科學研究效應和氣象實踐效應仍然在不斷溢出，全球尺度的很多氣候事件的研究始于對“濤動”現象的揭示并由此延伸。當然，由于當時一些數據積累和計算手段不夠也限制了沃克的研究，今天對相互聯系與運動規律有了一定的認識和把握以后，借助日益強大的計算能力和不斷提升的建模能力，通過計算機模擬已經能夠預測諸多氣候事件。

今天我們所熟知的一些氣候事件與三大“濤動”是相互聯系，甚至是緊密耦合的。比如頻繁出現的厄爾尼諾與南方濤動之間被證明有密切關系，就是一個典型的例子。科學家把南方濤動和厄爾尼諾合體命名為恩索（EN?SO）。恩索是全球氣候中最強大的一個因素，歷史可達5 000年以上，而且可能還會存在很長時間。開始人們并不了解南方濤動與厄爾尼諾和拉尼娜之間的關系，認為后者是一個孤立的區域事件，隨著研究的深化，發現南方濤動實際上是伴隨厄爾尼諾和拉尼娜出現的氣壓場和海溫變化，是熱帶大氣對厄爾尼諾和拉尼娜的響應，也是一種大尺度的海氣作用現象。當南方濤動指數為正數，對應出現拉尼娜事件；當南方濤動指數為負數，對應出現厄爾尼諾事件。現在人們已經認識到，恩索不僅是全球氣候形成的重要機制，還對全球的經濟、政治、文化、安全等各方面也產生深遠影響。

三大“濤動”和“世界天氣”理論在創立的早期就與中國結緣了，這得益于我國老一代氣象學家涂長望先生［3］。1931年涂長望先生來到倫敦大學理工學院，師從沃克學習氣象理論，1933年完成了論文《中國雨量與世界氣候》，并獲得了碩士學位。1934年在利物浦大學攻讀博士學位期間受竺可楨邀請，放棄繼續讀博回到國內工作，先后在清華、浙大、中央大學任教，并從事氣象科學研究。中華人民共和國成立后被任命為第一任中央氣象局局長（1954—1962年）。他以“世界天氣”的思維，把中國天氣和全球氣候聯系起來，對大氣活動中心、大氣濤動和海洋環流與中國降水和溫度的關系進行了開創性的研究，發表了大量深受學術界推崇的論著，比如《大氣運行與世界氣溫之關系》《中國天氣與世界大氣的浪動及其長期預告中國夏季旱澇的應用》《中國氣候區域論》《關于二十一世紀氣候變暖問題》等，顯示了他在學術上的遠見，是20世紀50年代中國氣象界在大氣環流變化領域進行許多國際領先研究的引領者。

當今世界，人類是命運共同體，世界是地球村，已經成為共識，這在氣候領域的表現尤為典型。隨著人們思路眼界的拓展和研究手段的提升以及方法的改進，在全球氣候變化和“雙碳”背景下，還有很多新的宏觀問題被提出來，正在深化研究。比如“氣象”與“氣變”的關系，特別是全球氣候變暖與大氣濤動之間的相互影響，大氣環流與海洋碳排放之間的相互影響，南極、北極、青藏高原這“三極”氣候之間的聯動關系等。隨著研究的深入有很多謎團被解開，也產生了新的謎團，弄清地球系統的規律還有很多研究工作要做。

近年來，中國科學家在開展第二次青藏科考中，對“三極”在全球氣象和氣候變化中相互影響也進行了初步探索，積累數據，深化研究，在一些宏觀和微觀問題上都取得了重要進展。自主研發了貢嘎（GONGGA）大氣碳反演系統，構建全球—全國—青藏高原多尺度反演模型；青藏高原對“濤動”的調節器作用；過去青藏高原的隆升塑造了地球的宜居性，未來青藏高原演變將決定著人類的命運，等等。在研究全球氣候變化和推進“雙碳”目標中，中國科學家對大氣與海洋之間的碳交換、大氣環流與海溫變化之間關系進行數據積累，對碳收支計算也進行深化研究，都產生了較為廣泛的影響。

當前，以大模型為代表的生成式人工智能迅猛發展，為揭示地球尺度“世界天氣”大系統諸多氣候事件的驅動因素、因果關系、數量關系提供了有力工具。多種復雜氣候事件之間存在著剪不斷理還亂的關系，AI大模型的應用就顯得尤為重要，包括“濤動”間的互動、三極的聯動，關系越復雜聯系越緊密就越需要AI助力解決問題。AI時代中國科學界跟上了世界的步伐，跨界融合開發多種氣候模型，AI+進入到氣象領域、AI+應用在氣候變化上，為精準量化氣候風險、準確預測氣候變暖進展、定量評估評價“雙碳”目標實現程度，探索了途徑、方法和工具，相信更多的謎團會更快地被中國科學家所揭示。

致謝：本文是介紹性文章，文中引用了許多他人研究成果和論述，鑒于篇幅限制不能逐一標注，在此一并感謝！

（責任編輯：李琪）