【閱讀筆記】第一章：聖嬰基本介紹

雖然對於秘魯來說，沿岸地帶有著光禿禿的陸地及沙漠，不過在相鄰的海域中，卻有著讓漁夫們收獲滿滿的漁場。事實上在平常的年份裡，沿岸的海水總是冰冷的，一來因為有著向北的洋流（參考Humboldt Current），同時也因為湧升流，帶了不少底層的冷水上來。有趣的是，有時到了聖誕節，原本北向的海流竟然反倒朝南去了！而這時的海水相對以往，更顯得溫暖。

大約自19世紀末期起，一些秘魯的漁民開始稱這溫暖的海流叫「聖嬰洋流」（the current of El Niño），以西班牙話來說，「El Niño」可表示為嬰兒時期的耶穌，而這名稱搭上聖誕節，可說再適當不過。

這種「聖嬰洋流」，也就是帶著暖暖海水的海流，有時可以持續好幾個月。在西元1891那年，這種暖聖嬰洋流的現象特別的強烈，而且在這時期，沿岸沙漠經歷了相對以往驚人的雨量。這樣有趣的現象吸引了一些科學家如Carranza（1891）、Carillo（1892）及Eguiguren（1894）去思考，這種洋流和區域氣候之間究竟有什麼樣的關聯，特別是為什麼秘魯沿岸下的雨水比往年多。

事實上我們現在知道，聖嬰洋流造成海水表面溫度改變的不只限於秘魯沿岸，同時也存在世界上許多靠近赤道的地方；而造成這些溫度變化的原因，其實與每隔約2到5年的高低氣壓震盪有所關聯，而這也進一步影響了太平洋赤道地區的風場。這樣的震盪，就如同蹺蹺板一般，一端位於太平洋熱帶地區的西半部如澳洲、印度及東印度海，另一端則位於太平洋東半部。舉個例子來說，當澳洲、印度等地區的地表氣壓呈現高壓時，太平洋東半部相對的就會呈現低壓，反之亦然。

若要說是誰發現這大自然蹺蹺板的，我們可以從早年任職於印度政府的首任氣象官Henry Blanford說起。他是第一個注意到印度地區的季風現象，和地表氣壓長期變化有所關連的人，換句話說，他意識到了大自然蹺蹺板的一端。而到了西元1897年，Hildebrandsson更進一步窺探到蹺蹺板的兩端。他發現到澳洲首都雪梨和位於美洲的阿根廷首都布宜諾斯艾利斯（Buenos Aires）的地表氣壓，在某些時期會產生相對高低壓的變化。緊接著，藉由學者Norman Lockyer和他的兒子William（1902），以及Frank Bigelow（1903）檢視各地的資料後，確認了這種大自然蹺蹺板的存在。到了西元1924年，Gilbert Walker正式將這種現象命名為南方震盪（Southern Oscillation）。事實上除了南方震盪，Walker利用統計分析處理資料也發現了另兩種震盪並為之命名，分別為北大西洋震盪（North Atlantic Oscillation）及北太平洋震盪（North Pacific Oscillation）。

順帶一提，國外也有以北大西洋震盪為名的樂團。

透過Walker及Bliss後續的研究，他們發現南方震盪在觀測中存有一個奇怪的現象，那就是在大部分的時間裡，統計資料的相關性都算高，但是當到了北方春季來臨時，這種相關性就會突然快速的下降（可參考：The Spring Predictability Barrier: we’d rather be on Spring Break），也就是說，當我們想要針對聖嬰現象進行長期預測時，你可以從六、七、八月（June–July–August, JJA）開始著手，但若想從12月、1月、2月（December–January–February, DJF）開始進行預測，那麼效果相對就會變差。關於為什麼會存有這種春季屏障（Spring barrier）的效應，仍是當前科學家試圖完整解釋的重要議題。至於近代較詳細的研究內容，會留到之後的文章再做更多討論。

要知道，Walker先生當年的研究成果，放到現在來看可說是大氣科學領域的一代功臣；不過其實在那個時代，仍有許多人懷疑他的研究，因為縱然Walker提出了不少很有說服力的統計資料，但卻難以透過理論本身來解釋觀測資料與南方震盪及其他世界各地氣候變化之間的關聯。我們可以從西元1959年Walker被刊登在《英國皇家氣象學會季刊》（Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society）的訃聞窺知一二：

“Walker’s hope was presumably not only to unearth relations useful for forecasting but to discover sufficient and sufficiently important relations to provide a productive starting point for a theory of world weather. It hardly seems to be working out like that."

當然事實是，Walker的努力與研究方向是可行的。我們甚至要感謝當時Walker長時間的觀測資料，畢竟這些結果，對於建立氣候變異度（climate variability）的理論都是至關重要的。

回來正題。那些年Walker正努力研究氣壓與各地雨量的關聯時，Brooks and Braby（1921）觀測了國際換日線附近太平洋島嶼上的雨量及風場資料，而這是一個頗具關鍵的研究成果；他們發現到，氣候乾濕的變化在東經170度到西經155度這區域有顯著的一致性。而放到今日來看，我們已經知道，其實這個靠近國際換日線的赤道地區，正是和聖嬰現象背後的機制有著直接的關連。

西元1933年時的Leighly，是第一位提出海水表面溫度（Sea Surface Temperature, SST）變化能影響中太平洋赤道區域降雨的人；而他也認為，赤道地區的地表氣壓梯度和風場、海水溫度及降雨有所關聯。他的研究直到Walker過世，以及聖嬰現象和南方震盪被連結起來時才開始受到重視。緊接著到了西元1960年，Berlage和de Boer發現位於秘魯Puerto Chicama港口的海水表面溫度，竟和南方震盪之間有著強烈的關聯。Berlage（1957, 1961）甚至提出一個理論來解釋聖嬰現象，他認為這種現象是奠基於風場作用，而南方震盪可用海氣交互作用（air-sea interaction）來解釋。雖然後來事實證明Berlage提出的理論是有問題的，但對於聖嬰現象與南方震盪關聯的建立，仍是對於現代ENSO（theory of El Niño and the Southern Oscillation）理論有著至關的重要性。

到了西元1969年，Jacob Bjerknes將赤道地區太平洋海水與大氣的相關耦合機制提出更合理的解釋。他注意到，位於太平洋赤道地區東側的表面海水相對於西側是冷的，而這能夠驅使太平洋赤道上方形成一股大氣環流，並將這現象命名為沃克環流（Walker Circulation）。另外，Bjerknes也注意到，當沃克環流增強時會產生一些正回饋（positive feeback）的效應。例如當沃克環流增強的時候，太平洋赤道地區地表的東風也會增強，並且造成海域東半部產生更強的湧升流（Upwelling），也就是會有更多冷水從海洋深處被帶上來，這更加深了太平洋東西側海水溫度的差異，使得沃克環流作用更強烈。同樣的，當今天沃克環流減弱，連帶的太平洋東側的湧升流也減弱了，也就是在減少冷水被帶到表面的情況下，表層的海水變得更溫暖，繼而減少了太平洋東側下沉氣流的作用，造成沃克環流跟著減弱。Bjerknes由此透過確立海氣交互作用的機制，來解釋沃克環流減弱或增強的趨勢；然而，有一個關鍵的問題是，到這裡還是無法透過理論解釋為什麼沃克環流會由增強的趨勢轉為減弱，或是由減弱的趨勢轉強。這種科學家稱為「turnabout」的問題，直到花了二十多年才開始被瞭解，而這需要的便是一個結合海洋與大氣的模型。

在那個時期，Bjerknes對於赤道地區的海水如何受風場作用，以及大氣的加熱作用仍有很多不懂之處；而若要瞭解海洋層面的問題，關鍵則在於海洋波動知識的建立，特別是那些可以沿著赤道攜帶能量傳遞數千公里的波。第一個探討這種赤道波的是Gordon Groves （1955），那時他還是個在聖地牙哥加州大學斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）就讀博士班的學生。透過理論的建立，他試著了解位於太平洋坎敦島（Canton Island）附近的海平面擾動。可惜的是，當時Gordon Groves除了將這個研究寫在論文中外，並沒有另外發表有關於赤道波的理論，因此難以讓更多人認識這個研究。該理論直到西元1966年，由日本氣象學家Taroh Matsuno進一步發表相關內容後才廣受矚目。到了西元1969年時，劍橋大學的一位教授Sir James Lighthill將重點放在赤道地區的海洋是如何受到風場在長時間及大範圍的尺度下影響，並探討和聖嬰現象之間的關聯；不過可惜的是，當時James Lighthill顯然並沒有注意到之前日本氣象學家Matsuno的研究工作，因此他沒有將赤道開爾文波（equatorial Kelvin wave）考慮進他所建構的理論中。五年過去後，另一位劍橋學者Adrian Gill才開始將Lighthill的理論與赤道開爾文波進行統整（Gill and Clarke, 1974）。

事實上，赤道開爾文波是相當重要的，因為在海洋盆地的尺度下，它是唯一能夠攜帶能量往東走的波。澳洲聯邦科學與工業研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO）的海洋學家Stuart Godfrey（1975）認為，當赤道的貿易風減弱，並且赤道開爾文波向東傳遞至南美海岸時，便是聖嬰現象產生的時刻。透過一系列的觀測研究（海平面、海溫及風場），位於夏威夷大學的Klaus Wyrtki進一步支持了這個想法，於是在此之後，其他海洋科學家認知到了聖嬰現象的重要性，並開始發表諸多與聖嬰現象及赤道海洋動力學有關的研究文章（Cane and Sarachik 1976, 1977, 1979, 1981; Hurlburt et al. 1976; McCreary 1976; Moore and Philander 1977)。因此，基本上在西元1970那個年代，在處理大氣海洋耦合的問題上，關於海洋動力部分已有更多了解；而大氣部分，則也已從Matsuno（1966）所建立的簡易模型開始逐步探討。14年過去後，Adrian Gill（1980）構建了一個和Matsuno基本概念相同的模型，並透過理論進一步解釋大氣加熱作用。而在這之後，Matsuno/Gill模型便開始廣泛用在研究ENSO的領域。

至1970年代晚期開始，海洋學家及氣象學家便開始思考ENSO背後海洋與大氣耦合的動力機制。當時一位來自麻省理工的教授Mark Cane受到Bjerknes研究的啟發，因此他建立了一個更強大的數值海洋模型（Cane and Patton, 1984），並在之後，進一步和Stephen Zebiak將Matsuno/Gill大氣模型與之結合。這可說是第一個考慮耦合效應的ENSO模型，同時也是第一個用來預測聖嬰現象的理論模型（Cane et al. 1986）。直到今日，雖多少有再經過修正，但主體上該模型仍是被用來預測聖嬰現象的主要工具之一。

到了西元1987年，美國太空總署的研究員Paul Schopf認為，有關於ENSO「turnabout」的問題，可能是因為海洋波動造成了延遲的負回饋（delayed negative feedback），而他稱該理論為「延遲振盪理論（delayed oscillator theory）」；之後Paul Schopf和他的同事Max Suarez進一步闡釋如何透過數值模擬和簡化後的理論來呈現這種物理機制。一位來自華盛頓大學的博士生David Battisti，在他的博士論文中提出，延遲振盪的機制能夠被用來解釋Cane及Zebiak的模型（Battisti, 1988），並在之後和Tony Hirst稍微修正了原先Paul Schopf和Max Suarez所提出的延遲振盪理論（Battisti and Hirst, 1989）。另一方面，Stephen Zebiak和Mark Cane認為，根據他們所構建的大氣海洋耦合模型，赤道地區太平洋上層溫暖海水的多寡，是動力機制中的重要關鍵（Zebiak and Cane, 1987）。在這之後，透過夏威夷大學教授金飛飛理論與觀測的建立（Fei-Fei Jin, 1997）及Christopher Meinen和Michael McPhaden的研究（Meinen and McPhaden, 2000），支持了另一個理論「充電振盪理論（recharge oscillator theory）」，用以解釋ENSO的「turnabout」問題。關於這些理論的想法，將會留到之後的文章再做進一步的討論。

Bjerknes對於沃克環流的初始想法是依據太平洋赤道地區東西側的表面海水溫度差異而來，因此他認為，東側SST的反常現象應該會對於ENSO動力機制上具有一定程度的影響，尤其是當這種反常現象比西側還劇烈的時候。不過根據Adrian Gill和Gene Rasmusson（1983）對1982-1983年的聖嬰事件進行仔細的分析後發現，對於ENSO背後大氣與海洋的耦合機制來說，最重要的關鍵並非赤道地區太平洋的東側，反而是位於西側的暖池（Warm Pool）；而在暖池上方的大氣，將會受到水氣的抬升、凝結、釋放淺熱（latent heat）的一系列效應下產生加熱作用。另外Gill和Rasmusson發現，暖水向東移的時候，大氣對流與加熱也會因此而跟著移動。進一步地，當大氣加熱產生西風時，風場便會促使赤道洋流往東流，進而造成暖池更往東邊移動。這些暖池東移的現象，從1982年及1997年的聖嬰事件可見一般。之後的研究顯示（Fu et al., 1986），正常情況下，在聖嬰現象發生的過程中，暖池東移的距離是更小的（大約2000公里），而這些沿著赤道東移或西移的暖池和南方震盪、聖嬰及反聖嬰（La Niña）有密切關聯（編按：反聖嬰是指和聖嬰相反的現象，例如反聖嬰發生時，赤道太平洋東側表面海水會比平時還冷，與聖嬰發生時會更暖的現象剛好相反）。

另外值得一提的是，法國研究員Joel Picaut和Thierry Delcroix，透過衛星分析海平面資料後，進一步確認了Adrian Gill（1983）的想法，那就是這種暖池東西移動的現象，主要與赤道開爾文波及羅斯貝波（Rossby wave）有關，而針對暖池移位理論（Warm pool displacement theory），將會留到第七章再做更進一步的討論。

在西元1982年，學者Gene Rasmusson及Thomas Carpenter透過完整分析SST、風場以及降水模式後，注意到ENSO有著看似自相矛盾的特性，因為它具有季節鎖相的特徵（Locked in phase with the seasonal cycle）。為什麼說這種特徵會是一種自相矛盾呢？因為ENSO本身是一種屬於大氣海洋耦合產生的氣候反常現象(編註：有些人不認為應該把ENSO當作「異常」），換句話說，當我們將季節效應去除後，它仍應存有這種反常的特徵，因此就會很難想像它同時還具備著季節鎖相的現象。這個部分會放到第八章進一步說明。

科學界對ENSO真正產生興趣大約是在1980年代才開始，但當時無論是觀測資料、研究人員數量以及彼此交流頻率都還仍有很大增長的空間。有趣的是，在西元1982年10月，科學家們聚集在紐澤西州的普林斯頓，正共同討論該如何制定一個研究ENSO的方案時，卻渾然不知，其實他們此刻正面臨一個大規模的聖嬰事件！而如今和過去相比，我們已經又有長足的進步，透過來自衛星等觀測資料（如風場、表面海水溫度、海平面高度、降雨、大氣溫度等），幫助我們更好的掌握聖嬰現象的原貌。其中許多現場（in-situ）觀測資料來自於熱帶大氣與海洋陣列（Tropical Atmosphere Ocean, TAO），而該陣列是從西雅圖的太平洋海洋環境實驗室（Pacific Marine Environmental Laboratory）開始發起的，至今有大約七十個mooring橫跨在熱帶太平洋，其中海洋及氣象的資料透過Argos系統達到即時（real-time）觀測的作用。目前世界各國的科學家，便主要利用這些資料來了解及預測聖嬰現象的發生；而關於氣候預測最大的進展，則是在西元1966年美國氣候與社會國際研究院（International Research Institute for Climate Prediction, IRI）的成立。總結以上，自西元1950年代初，科學家便開始利用觀測資料進行天氣預報。而到今日，我們甚至已能建立長期預報，並利用它來回饋社會。

這真是一個令人振奮的開始呢！