氣候周期

氣候周期要指長序列氣候要素觀測值的有規律變化。氣候變遷通過這種變化得以反映。人們在研究長期氣候的基礎上，提出多種氣候周期，包括全球氣候周期和某一地區的氣候周期。

基本介紹

• 中文名：氣候周期
• 外文名：climatic cycles
• 定義：氣候要素觀測值的有規律變化
• 類型：全球、某一地區的氣候周期
• 統計方法：功率譜分析、最大嫡譜分析等
• 成因：天體活動等

簡介

世界氣候組織(WMO ) 於1 9 6 6 年曾定義：氣候周期性是指氣候變化中其相鄰的極大值與極小值之間時間間隔保持不變或基本不變的一種現象。這種現象在氣候系統的時空演變中是普遍存在的。目前，氣候周期的取得多依賴於功率譜分析、最大嫡譜分析等統計學方法，因此也有人將這種周期稱之為準周期。對於氣候周期性的成因現已有許多的認識, 其中人們普遍認為天體活動的影響是十分重要的原因之一。

重要性

熱帶平流層風系變化的26個月周期、埃爾尼諾的3.5年周期、溫度和降水等以35年為周期變化的布呂克納周期等。與太陽活動有關的氣候周期有5～6年、11年、22年、80～90年和 180年等周期。由於氣象觀測紀錄年代的限制，較長的周期尚難以做到足夠的重現，同時氣候周期本身也不很嚴格。研究氣候周期對於氣候預測和預防氣候災害有重要意義。

氣候周期波動

全球現代氣候存在著明顯的周期，就是冷、暖交替變換周期，或與之相對應的濕、乾變換周期，這個周期的期長一般在幾年到十幾年不等，如此周而復始、循環往復。在冷、暖交替變換的過程中，拉尼娜、厄爾尼諾現象則相續上演，全球甚至出現一些極端的天氣現象。

暖氣候的形成及其回響

全球變暖有兩個基本體現：一個是冬、夏季增溫不均，冬季增溫幅度比夏季大，這樣就會形成連續多年的暖冬天氣。另一個是高、低緯增溫不均，高緯度地區比低緯度地區增溫的幅大， 這就嚴重影響了全球溫壓場的變化。

高緯度地區的增溫，導致極地高壓勢力減弱，極地高壓與赤道低壓之間形成的氣壓梯度也會隨之減小，導致全球氣壓場、盛行風和經向環流的削弱。氣壓梯度減小，風力減弱，中、低緯地區集聚的熱量不能很好地向高緯地區輸送，全球氣溫普遍增高，形成明顯的暖氣候。

在低緯地區，由於海—氣的相互作用，副熱帶高壓的削弱，導致信風減弱或消失，流向大洋西岸的赤道暖流隨之減弱，使得東岸暖水集聚而增溫，並給大氣加熱，大氣增溫改下沉氣流為上升氣流，東部乾旱地帶因異常多雨使沙漠變為綠洲， 甚至出現洪澇災害；西岸因流來的暖水減少而相應降溫，大氣改上升氣流為下降氣流，降水大幅度減少則引發乾旱，甚至出現森林火災，東、西部的氣壓場也隨之發生改變，出現所謂的“南方濤動”。在太平洋，正常情況下，太平洋赤道兩側盛行穩定的偏東信風， 它將溫暖的表層海水吹離南美洲沿岸，並向西流動，在赤道太平洋西部堆積，其海面比東側高30~40 厘米；在南美洲沿岸出現為補償西去海水而形成的上升寒流， 太平洋赤道地區就形成了東冷、西暖的海溫水平分布格局。

由於太平洋赤道地區的信風減弱或消失， 在海洋動力的驅動下， 集聚在赤道太平洋西岸的大量暖海水必將向東回流，使中、東太平洋海面比正常年份高二三十厘米，溫度比正常年份高2~5℃，造成海洋熱狀況發生巨大變化， 以及太平洋赤道東西兩側氣候的明顯變化，南美洲西岸的熱帶沙漠開始大雨滂沱，大洋洲東部則乾旱少雨，形成“厄爾尼諾”現象。

在中緯地區， 大陸西岸盛行西風的減弱及流經的大洋暖流勢力的減弱， 溫帶海洋氣候區降水量則相應減少，降水範圍變小；大陸東岸的季風區，夏季由於副熱帶高壓勢力的減弱， 夏季風勢力也隨之減弱，影響也相應變小；大陸中部的中緯大陸性氣候區範圍則相應擴大。

冷氣候的形成及其回響

暖氣候形成之後， 由於經向環流變弱， 阻止了高、低緯之間的熱量交換，從低緯地區向高緯地區輸送的熱量大幅度減少， 而高緯地區的冷空氣也不能儘快的向周邊擴散，高、低緯之間的溫差又會逐漸增大，導致高緯地區冷空氣逐漸集聚，極地高壓會越來越強大，到某一刻會達到極大值。此時，極地高壓與赤道低壓之間氣壓梯度會變得更強， 導致全球氣壓場、盛行風和經向環流隨之變強。之後可能出現三種情況：一是高、低緯之間的熱量傳輸恢復到正常狀態即準熱量平衡狀態，則全球氣候也恢復正常。二是傳輸過多，高、低緯之間的溫差仍然較小，則高緯增溫而低緯降溫，高、低緯之間熱量趨於平衡。三是傳輸過少，高、低緯之間的溫差仍然較大，氣壓差比正常年份大，氣壓梯度變大，經向環流變強，中、高緯地區大部分籠罩在冷空氣之下，全球氣溫普遍下降，形成明顯的冷氣候。

在低緯地區，信風逐漸加強，大洋東岸表層暖海水被吹走，到達大洋西岸，東岸深層冷海水上翻及寒流補充， 海水表面水溫逐漸降低， 大洋赤道地區東冷、西暖的海溫水平分布格局逐漸形成。由於海—氣互動，東部海溫低，大氣受冷下沉，到達海面後西行；西部海溫高，大氣受熱上升，到達高空後東行，形成“瓦克環流”。此時，大洋東岸因盛行下沉氣流形成大範圍赤道多霧乾旱氣候區， 西部因對流旺盛而形成濕潤多雨的氣候區。在太平洋， 副熱帶高壓持續加強，信風強勁，太平洋赤道地區東岸的大量暖海水被吹向西岸，西岸變暖、東岸變冷，“瓦克環流”得到加強，中、東太平洋赤道地區表層海水溫度持續異常變冷，比正常年份下降0.5℃以上，形成“拉尼娜”現象。在中緯地區，伴隨冷氣候的來臨，大洋高壓和盛行風變得愈發強勁， 再加上沿岸的變強的暖流的影響， 大陸西岸的溫帶海洋氣候和東岸的季風氣候都得到加強，降水可能就更多。

厄爾尼諾和拉尼娜的關係

厄爾尼諾出現時， 高、低緯之間的氣壓梯度轉弱，經向環流也減弱，從低緯向高緯傳輸的熱量就會減少，這又會造成高、低緯之間的氣壓梯度加強。厄爾尼諾越強勁， 從低緯向高緯傳輸的熱量就越少，高、低緯之間的氣壓梯度就會變得越發強勁，經向環流也就越強，太平洋赤道地區的偏東信風就越強大，拉尼娜也會變強， 即厄爾尼諾強大時拉尼娜也可能變強。1997—1998 年的強厄爾尼諾和緊隨其後連續兩年的拉尼娜就是這種情況。在全球變暖的大氣候背景下，極地高壓和副熱帶高壓變弱了，致使平洋赤道地區的偏東信風相應的減弱， 可能直接導致厄爾尼諾可能變得比以往更加強勁，而拉尼娜則變弱了。而厄爾尼諾較弱，則拉尼娜也較弱，甚至拉尼娜根本不會出現。

“拉尼娜”一般出現在“厄爾尼諾”之後，通常兩種現象的持續時間為一年左右。但並不是每次厄爾尼諾出現後都伴有拉尼娜， 據統計1950~1998 年厄爾尼諾出現了16 次，而拉尼娜只出現了10 次，甚至拉尼娜後也會出現厄爾尼諾， 但一般厄爾尼諾先出現， 這樣就在太平洋赤道地區形成了厄爾尼諾—厄爾尼諾，厄爾尼諾—拉尼娜，厄爾尼諾—拉尼娜—厄爾尼諾的海水錶層溫度異常變化模式。

暖、冷氣候周期對中國的影響

在暖氣候或厄爾尼諾發生時，經向環流減弱，海洋對我國的影響減小， 我國冬暖夏熱， 降水南多北少，全國普遍少雨。冬季，影響我國北方的極地大陸氣團變弱，冷鋒過境將會減少，會出現暖冬和少雨的天氣狀況；夏季，副熱帶高壓和西太平洋熱帶海洋氣團勢力減弱， 夏季風勢力也隨之變弱， 北上速度變緩，颱風登入偏少，江淮多雨而涼爽，北方乾旱而炎熱。1998 年的長江流域特大洪水和華北、河套地區的嚴重旱情就是在這種情況下造成的。在冷氣候或拉尼娜發生時，我國冬季寒冷、夏季溫和，降水北多南少，降水量普遍增加。冬季，影響我國北方的極地大陸氣團變強，寒冷的偏北氣流盛行，寒潮、大風、揚塵出現頻繁，渤海、黃海冰情偏重；夏季，太平洋高壓強勁，西太平洋暖海水堆積，水溫偏高，熱帶海洋氣團勢力加強，推移迅速，北方降水偏多，南方多颱風雨。2012 年的冷冬多雨就是冷氣候的產物。

氣候周期性變化的新假說

氣候的最大特點就是它的不定性。這種不定對於科學家預報長期的氣候趨勢是不利的。經過幾個世紀的研究之後, 氣候學家終於發現陸地上觀測到的氣候變化與太陽活動的年周期有著無可爭辯的聯繫。但是至今仍存在著激烈的爭論。

二十世紀八十年代末期，柏林的Karin Labitzke和國際大氣研究中心的Harry Van Loon提出了有說服力的證據，即冬季風暴描繪出的北大西洋低壓系統的年變化趨勢。這種趨勢與太陽活動如太陽黑子和耀斑的強弱非常吻合。Labitzke說這種吻合關係已被後來的實際情況所證實。

基於這種發現，這兩個工作者推測熱帶附近的對流層即地球大氣密集的底層隨著太陽活動周期會變得更冷或更熱。Labitzke猜測太陽輻射的變化影響大氣環流，如哈得萊環流赤道上空溫暖的空氣流向極地，在副熱帶附近沉降到地面，並返回赤道。推測在太陽活動活躍期，哈得萊環流加強，把更多熱空氣輸送到副熱帶，導致副熱帶溫度的上升。

根據衛星探測儀器顯示太陽總發光效率的變化大約為0.1%。太陽曾、輻射能這么小的波動怎能如此重要的影響氣候呢?Labitzke無法解釋。

有人已經提出兩種假說。Labitzke支持紫外輻射假說即氣候的變化是太陽紫外輻射變化的反應，紫外線被平流層的臭氧吸收，這就決定了這層大氣的溫度。紫外輻射也在平流層中製造了臭氧。這樣形成了一個複雜的反饋過程。而平流層溫度的變化能夠改變哈得萊環流。

包括Goddard太空研究學會的David Rind在內的幾個研究人員正在用精心製作的計算機模式檢驗紫外輻射假說的可能性。指出在太陽相對活躍期，紫外輻射強度的增強，加熱了平流層大氣，一個較熱的平流層改變了大氣波動的形勢，這種波動在平流層和對流層間引起並傳播，其長度為1000km或更長。

這種波動形勢的變化能夠影響雲層、風和地面溫度, 局部地區可能會改變5℃， 而且，Rind相信， 這種效果能累積到下一個太陽周期。太陽活動微小的變化能引起長期的氣候變化。如小冰期一一歐洲十五一十八世紀反常的寒冷時期。Rind說：“ 這種解釋相當微妙，它提供了太陽引起地球氣候波動的最可能的途徑。

Tinsley不同意這種說法，他認為太陽引起氣候變化的初始作用是帶電微粒而不是紫外線。他解釋說太陽風即從太附中連續噴出的帶電粒子經過地球時，影響戈大氣中電荷的流動，電荷的累積能夠助長冰晶的形成，有效地散播了雲水汽凝結中釋放的熱量會使大氣垂直運動加強，並推動了冬季咫風的發展雲量的變化能長時期地改變氣候。

Tinsley承認他的觀點仍是假說，但是他觀測到地球大氣中電荷分布的變化和跟風一的強度相一致，並且與大氣的不穩定有聯繫。更重要的是他發現一些大氣現象的發生與磁暴有聯繫。太陽風的影響很清楚地與太陽紫外輻射無關。Rind認為不容質疑，電荷能夠影響雲的變化, 但是還必須通過觀渺結果來證實它。“ Tinsley希望他或其他研究人員能夠完成試驗室的試驗來確定他的觀點的正確性。

氣候周期與天體活動周期

對地球表層系統而言， 太陽系作為外部環境，與地球表層系統進行著物質、能量和信息的交換。氣候變化與更迭正是這種交換導致地球表層系統結構和功能變化與調整的必然結果和具體表現。耗散結構理論指出：系統與環境之間不斷進行著嫡交換，環境輸入的負病流可以抵消系統內部的嫡產生，保持或增加系統的有序性。如果把氣候系統中某一有序態作為其“ 正常” 的平均狀態，那么外部環境輸入系統內的負嫡流無論是超過還是不足於系統為維持原有狀態所需的負嫡流時，系統都會躍遷或退化到新的狀態，同時改變和調整其內部結構和功能以適應新的環境條件，進而牽動整個系統發生變化。當環境向系統內輸入的負嫡流圍繞系統的平均狀態發生周期變化時，氣候系統也將隨之映射出周期性的變化。由於氣候系統對外部環境的輸入需要經過接收、感應和轉化過程, 加之系統內部結構的複雜性和功能的多樣性，因此氣候周期與外部環境(即天體活動) 周期之間有時難以完全吻合，其間還可能存在著一定的偏差。若以偏差小於5 %時二者間即具有對應關係為判斷標準。每一種天體活動的周期均與一定周期的氣候變化過程相對應，而氣候周期並不與有關天體活動一一對應。由此可見天體活動的周期性變化對地球氣候系統有著深刻的影響，但並非是氣候變化具有周期性的唯一原因。如果那樣，我們這個世界也就變得簡單了。

考察氣候系統的負嫡流來源，宇宙內，特別是太陽系內各天體(包括地球本身) 活動所產生出的物質、能量和信息是地球氣候系統得以維持並繼續演化的最重要的和最根本的物質、能量和信息基礎。正緣於此，天體活動的周期變化才成為氣候系統周期變化的根本性驅動力。宇宙天體在其周期性的活動中可以通過改變傳輸負嫡流的兩種基本形式-一一萬有引力和電磁力的量級來改變氣候系統的結構和功能，使之發生狀態的演進或退化。根據目前的研究，造成氣候周期性的天體活動形式主要有： (l) 太陽活動及其本身的運動變化，如磁暴、黑子等；(2) 地球天文參數的變化，如自轉速度改變， 地極運動等； (3) 太陽系內各行星的相互作用，如上合、下合和會合等；(4) 月球對地球的影響，如引潮力的變化等。

氣候周期在全球尺度上具有一定的趨同性， 這反映了天體活動對地球氣候系統的影響在巨觀上的一致性，但隨著區域範圍的縮小，區域內的自然環境各要素對氣候系統的影響作用得以充分發揮，而天體活動的影響卻變得相對弱小, 這樣氣候周期的區域性也就表現得愈加明顯; 另一方面, 氣候系統對天體活動周期性的回響在區域上可能存在著一定的“ 遙相關” 關係，這就是說，一定空間範圍內相鄰區域對同一天體活動的回響程度並不一致，但從全球範圍來看對同一天體活動產生較強回響的區域也並非只有一個，而是多個。這樣， 小區域的氣候周期雖然千差萬別，但就更大區域乃至全求尺度而言氣候周期與天體活動周期之間仍具有很大的一致性。