三大“涛动”与“世界天气” | 李萌

在全球尺度上，无论是研究历史上的气候变迁还是当下气候事件的形成与演进，有一个大气运动现象被经常提起，并作为一些气候事件的推动者或参与者，这就是“涛动”。

“涛动”是大气环流在海平面气压图上的表现。19世纪后期以前，对气候现象的研究多数着眼在局部和区域范围。20世纪20年代，英国气象学家、统计学家沃克在总结前人研究的基础上发现了大气“涛动”现象，创造性地提出了“世界天气”的概念[1]。他从全球视角对大气循环进行研究，揭示了大气运动规律，体现了学者的大系统观。沃克推动了世界范围内科学家对全球三大“涛动”——北大西洋涛动、北太平洋涛动和南方涛动的研究。沃克的主要贡献在于发现了南方涛动 (Southern Oscillation)，并对其进行了初步研究。但北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation) 和北太平洋涛动 (North Pacific Oscillation) 则是在他之后才被其他科学家发现和定义的。每个“涛动”由一个高压与一个低压两个大气活动中心组成，两个大气活动中心的气压存在此消彼长的反相振动关系，也就是一个巨型的“跷跷板”式变化。

北大西洋涛动是指大西洋亚速尔群岛副热带高气压和冰岛低气压之间气压的持续反相振动关系，当亚速尔高气压加强时冰岛低气压减弱，当亚速尔高压减弱时冰岛低气压加强。北大西洋涛动强，表明两个活动中心之间的气压差大，北大西洋中纬度的西风强；北大西洋涛动弱，表明两个活动中心之间的气压差小，北大西洋上西风减弱[1-2]。北大西洋涛动选择亚速尔群岛高压和冰岛低压之间的气压基作为“涛动指数”。研究提示，北大西洋涛动是北半球气候快速变化的驱动因子。

北太平洋涛动是指北太平洋海平面气压场上南北方向的持续反相振动关系，用夏威夷群岛副热带高气压与阿留申群岛低气压变化衡量，两个气压中心存在同时增强或同时减弱的现象，选择夏威夷群岛高压和阿留申群岛低压之间的气压基作为“涛动指数”。两个活动中心增强，也就是高压增强和低压加深时中心之间的气压差就增大，呈现“强涛动”特征；两个活动中心减弱时，中心之间的气压差就缩小，呈现“弱涛动”特征。

南方涛动是指发生在赤道太平洋东部高压区与印度洋及印尼地区之间低压区气压的持续反相振动关系。选择塔希提岛或复活节岛和达尔文两个观测站海平面的气压基作为“涛动指数”，也就是等于塔希提岛减去达尔文的海平面气压。这个发现在今天看来更具有意义。

后来的研究进一步证实了三大“涛动”的存在，并揭示了三大涛动与大范围海洋和大气状况的联系。从其影响的区域范围可以看出三大“涛动”对地球上大部分地区的气候现象形成有重大影响。当然后来的研究也发现了其他区域出现的涛动，比如南极涛动、北极涛动，还有长周期的“拉马德雷现象”——太平洋十年涛动。

沃克提出三大“涛动”的创造性不仅仅在于对一种气候现象的描述，而是发现一种数量关系，在气象学和气候变迁的观察和研究上具有里程碑意义。虽然100年过去了，但其科学研究效应和气象实践效应仍然在不断溢出，全球尺度的很多气候事件的研究始于对“涛动”现象的揭示并由此延伸。当然，由于当时一些数据积累和计算手段不够也限制了沃克的研究，今天对相互联系与运动规律有了一定的认识和把握以后，借助计算能力的强大和建模能力的提升，通过计算机模拟已经能够预测诸多气候事件。

今天我们所熟知的一些气候事件与三大“涛动”是相互联系甚至是紧密耦合的。比如频繁出现的厄尔尼诺与南方涛动之间被证明有密切关系，就是一个典型。科学家把南方涛动和厄尔尼诺合体命名为恩索（ENSO）。恩索是全球气候中最强大的一个因素，历史可达5 000年以上，而且可能还会存在很长时间。开始人们并不了解南方涛动与厄尔尼诺和拉尼娜之间的关系，认为后者是一个孤立的区域事件，随着研究的深化，发现南方涛动实际上是伴随厄尔尼诺和拉尼娜出现的气压场和海温变化，是热带大气对厄尔尼诺和拉尼娜的响应，也是一种大尺度的海气作用现象。当南方涛动指数为正数，对应出现拉尼娜事件；当南方涛动指数为负数，对应出现厄尔尼诺事件。现在人们已经认识到，恩索不仅是全球气候形成的重要机制，还对全球的经济、政治、文化、安全等各方面也产生深远影响。

三大“涛动”和“世界天气”理论在创立的早期就与中国结缘了，这得益于我国老一代气象学家涂长望先生[3]。1931年涂长望先生来到伦敦大学理工学院，师从沃克学习气象理论，1933年完成了论文《中国雨量与世界气候》，并获得了硕士学位。1934年在利物浦大学攻读博士学位期间受竺可桢邀请，放弃继续读博回到国内工作，先后在清华、浙大、中央大学任教，并从事气象科学研究。新中国成立后被任命为第一任中央气象局长（1954—1962年）。他以“世界天气”的思维，把中国天气和全球气候联系起来，对大气活动中心、大气涛动和海洋环流与中国降水和温度的关系进行了开创性的研究，发表了大量深受学术界推崇的论著，比如《大气运行与世界气温之关系》《中国天气与世界大气的浪动及其长期预告中国夏季旱涝的应用》《中国气候区域论》《关于二十一世纪气候变暖问题》，显示了他在学术上的远见，是20世纪50年代中国气象界在大气环流变化领域进行许多国际领先研究的引领者。

当今世界，人类是命运共同体，世界是地球村，已经成为共识，这在气侯领域的表现尤为典型。随着人们思路眼界的拓展和研究手段的提升以及方法的改进，在全球气候变化和“双碳”背景下，还有很多新的宏观问题被提出来，正在深化研究。比如“气象”与“气变”的关系特别是全球气候变暖与大气涛动之间的相互影响，大气环流与海洋碳排放之间的相互影响，南极、北极、青藏高原这“三极”气候之间的联动关系。随着研究的深入有很多谜团被解开，也产生了新的谜团，弄清地球系统的规律还有很多研究工作要做。

近年来，中国科学家在开展第二次青藏科考中，对“三极”在全球气象和气候变化中相互影响也进行了初步探索，积累数据，深化研究，在一些宏观和微观问题上都取得了重要进展。自主研发了贡嘎（GONGGA）大气碳反演系统，构建全球—全国—青藏高原多尺度反演模型；青藏高原对“涛动”的调节器作用；过去青藏高原的隆升塑造了地球的宜居性，未来青藏高原演变将决定着人类的命运，等。在研究全球气候变化和推进“双碳”目标中，中国科学家对大气与海洋之间的碳交换、大气环流与海温变化之间关系进行数据积累，对碳收支计算也进行深化研究，都产生了较为广泛的影响。

当前，以大模型为代表的生成式人工智能迅猛发展，为揭示地球尺度“世界天气”大系统诸多气候事件的驱动因素、因果关系、数量关系提供了有力工具。多种复杂气候事件之间存在着剪不断理还乱的关系，AI大模型的应用就显得尤为重要，包括“涛动”间的互动、三极的联动，关系越复杂联系越紧密就越需要AI助力解决问题。AI时代中国科学界跟上了世界的步伐，跨界融合开发多种气候模型，AI+进入到气象领域、AI+应用在气候变化上，为精准量化气候风险、准确预测气候变暖进展、定量评估评价“双碳”目标实现程度，探索了途径、方法和工具，相信更多的谜团会更快地被中国科学家所揭示。

借写此文机会向老一代科学家涂长旺先生以及他的开创性贡献表示敬意。

致谢：本文是介绍性文章，文中引用了许多他人研究成果和论述，鉴于篇幅限制不能逐一标注，在此一并感谢！

■ 参考文献

[1]WALKER G T. Correlation in seasonal variations of weather：a further study of world weather [J]. Monthly weather review, 1925,53(6): 252-254.

[2]HURRELL J W, KUSHNIR Y, OTTERSEN G, et al. An overview of the North Atlantic oscillation[J]. Geophysical monograph-American Geophysical Union, 2003,134: 1-36.

[3]中国气象局.中国气象事业奠基人：涂长望[EB/OL].(2014-03-13)[2024-07-01].https://www.cma.gov.cn/2011xzt/2014zt/20140305/2014030502/201403050201/201403/t20140313_240579.html.