1. 拉尼娜状态的基本定义与分类
1.1 拉尼娜的核心定义与ENSO框架定位
拉尼娜(La Niña),意为“小女孩”,是厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)循环中的冷相位,与暖相位厄尔尼诺(El Niño)相对。ENSO是全球最强的年际气候变率信号,由赤道太平洋海表温度(SST)、大气环流和海洋次表层温度的周期性波动构成 1。拉尼娜状态的本质特征是赤道中东太平洋海表温度持续异常偏冷。
判定拉尼娜事件发生的主要指标是NINO3.4区域(5°N-5°S, 120°-170°W)的月平均海表温度异常。当该区域的SST距平值连续至少5个重叠的3个月平均值(例如,DJF、JFM、FMA等)低于或等于-0.5°C时,即认为发生了一次拉尼娜事件。这一标准由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)等机构广泛采用。在ENSO循环中,拉尼娜通常伴随着赤道太平洋信风异常增强、太平洋沃克环流加强以及印尼地区对流活动增强等大气响应。它在全球气候系统中扮演着关键角色,通过海气耦合作用影响着全球各地的天气模式和气候异常 1。拉尼娜与厄尔尼诺事件交替出现,共同构成ENSO的完整循环,对全球气候预测具有重要意义 1。
1.2 拉尼娜的类型划分与典型特征
拉尼娜事件根据其持续时间和强度可以进行分类,其中最主要的区分是单年拉尼娜和连续拉尼娜。单年拉尼娜指事件在一年内发生并消退,而连续拉尼娜,也被称为“多年度拉尼娜”或“三重拉尼娜”(Triple-dip La Niña),则表示事件持续两年或更长时间。例如,2020年至2022年的“三重拉尼娜”事件,导致了韩国历史上最严重的森林火灾等灾害 2。
连续拉尼娜与单年拉尼娜在海表温度异常强度、持续时间及其对全球气候的环流响应上存在显著差异。连续拉尼娜事件通常具有更广阔的子午向信风增强范围,这导致赤道太平洋的热量再充电过程减缓,从而使得冷异常得以持续,对全球气候、生态系统和农业产生更长时间的影响 3。相较于单年事件,连续拉尼娜事件可能在次年持续其冷异常,这种现象在全球变暖背景下有增加的趋势。有研究表明,在全球温室气体排放情景下,连续拉尼娜事件的发生频率在低排放情景下可能增加19%±11%,在高排放情景下可能增加33%±13% 3。
历史案例显示,连续拉尼娜事件对全球范围内的极端天气和气候灾害具有放大效应。例如,与拉尼娜事件同时发生的流感疫情强度和严重程度更高 4。此外,拉尼娜事件还会导致一些区域(如南美中西部)出现与干旱相关的缺水问题,影响灌溉用水供应 5。在印度洋,季风前热带气旋活动也与拉尼娜现象有关 6。由于连续拉尼娜事件的持续性影响,它们在气候预测和灾害预防中占据了更为重要的地位,尤其是在全球变暖的背景下,理解其形成机制和未来变化趋势变得尤为关键 3。
2. 拉尼娜的形成机制与驱动因素
2.1 海洋-大气耦合的核心过程
拉尼娜的形成是一个复杂的海气耦合过程,涉及赤道太平洋海洋和大气之间的正反馈循环。其核心机制可以概括为以下几个方面:
首先,信风的增强是拉尼娜形成和维持的关键驱动力之一。在拉尼娜事件期间,赤道太平洋上空的东风信风异常增强。这些增强的信风将太平洋表层温暖的海水向西吹送,导致赤道东太平洋的暖水堆积减少,表层冷水上升补偿,从而使该区域海表温度进一步降低。这种SST的降低反过来又进一步加强了海气压差,驱动信风进一步增强,形成一个正反馈循环。
其次,赤道太平洋温跃层的变化也扮演着重要角色。温跃层是指海洋中温度随深度快速变化的层,其深度和坡度对SST有显著影响。在拉尼娜条件下,增强的信风使得赤道太平洋的温跃层在东太平洋地区变浅,而在西太平洋地区加深。温跃层在东太平洋的变浅,使得深层冷水更容易通过上升流到达表层,进一步加剧了海表温度的下降。同时,温跃层的这种东西向坡度变化,即“热含量倾斜”,使得东太平洋的冷水可以持续地影响表层温度,例如,研究表明温跃层温度在西赤道太平洋具有半岁差周期,这暗示了热带温跃层在轨道尺度的气候变化中发挥决定性作用 7。深层温跃层混合事件,特别是在热带不稳定波(TIWs)和赤道潜流(EUC)的剪切作用下,在拉尼娜条件下发生得更频繁和更深入,这进一步加强了温跃层的冷却效应 8。
伴随温跃层变浅和信风增强,赤道冷舌的扩展是拉尼娜的另一个显著特征。赤道冷舌是赤道东太平洋由上升流形成的冷水区域。在拉尼娜期间,由于信风增强和温跃层变浅,冷舌的范围和强度都会显著扩大和增强,使得赤道中东太平洋的冷异常更为显著。
最后,沃克环流的异常增强是大气对海洋冷异常的反馈机制。沃克环流是赤道太平洋上空的一个大气环流圈,其上升支位于西太平洋暖池区,下降支位于东太平洋冷水区。研究表明,在拉尼娜事件中,当沃克环流增强时,会形成一种拉尼娜型的环流 9。这种加强的沃克环流,通过增强东风信风和影响海洋动力学,维持并放大了赤道太平洋的冷异常,从而巩固了拉尼娜状态。近地表铍-7浓度模式的分析也显示,在拉尼娜事件中,赤道太平洋区域的铍-7浓度会呈现显著的模式,这与沃克环流的相应状态有关 10。
2.2 外部强迫与内部变率的影响
除了海气耦合的内部动力学机制外,拉尼娜的形成和发展也受到外部强迫和内部变率的显著影响。其中,全球变暖背景下的平均态变化以及特定区域的海表温度异常,对拉尼娜事件的调制作用尤为重要。
全球变暖导致的气候平均态变化,尤其是海洋热量收支的调整,被认为是影响ENSO循环和拉尼娜事件未来趋势的关键因素。例如,有研究指出,副热带东北太平洋(Subtropical Northeast Pacific, SNP)的增温极值对拉尼娜的持续性具有强化作用 3。在温室气体增暖情景下,SNP区域的平均态增暖最大值会增强该区域对扰动的热力学响应,进而生成比20世纪更偏北的异常东风,响应于厄尔尼诺的暖异常。这种向北扩展的东风异常模式所伴随的较慢的热量再充电过程,使得第一年的拉尼娜冷异常更容易持续到第二年,从而促使连续拉尼娜事件的发生频率增加 3。
此外,北热带大西洋(North Tropical Atlantic, NTA)和SNP区域海表温度的早期变化,也被认为是触发ENSO事件(包括拉尼娜)的前兆因素 11。虽然以往研究多单独考察这些前兆因素的影响,但它们之间的联合作用与单独影响显著不同。在全球变暖背景下,NTA和SNP对ENSO的影响均显著增强,且这种增强程度紧密相关。赤道外东太平洋更湿润的平均态是控制NTA和SNP对ENSO影响的单一贡献因素 11。这意味着全球变暖不仅可能通过改变ENSO事件的平均强度和频率,还可能通过调节这些关键前兆区域的海温,来影响拉尼娜事件的发生和演变。
海洋内部变率,如与ENSO循环相位转换相关的海洋热量累积和释放过程,也对拉尼娜事件的持续和强度有重要贡献。例如,拉尼娜事件通常在厄尔尼诺事件之后发展,且持续时间往往更长 3。这表明ENSO循环中的前一个相位对其后一个相位的演变具有预设作用。在拉尼娜期间,上对流层水汽含量呈现负异常,这与全球变暖和ENSO对流层水汽的影响一致,其中ENSO可以解释水汽年际变化的61% 12。这种水汽的异常变化也反映了海气耦合系统内部的复杂反馈过程。
综上所述,拉尼娜的形成和驱动不仅是赤道太平洋内部海气相互作用的结果,更是全球变暖背景下外部强迫与ENSO系统内部变率复杂协同作用的体现。全球变暖导致的平均态变化,特别是副热带海温增温极值,可能通过调制大气遥相关和海洋热量收支,增加连续拉尼娜事件的频率和强度,进而对全球气候产生更深远的影响 3。
3. 拉尼娜的气候表现与全球遥相关
3.1 赤道太平洋的局地气候响应
拉尼娜事件期间,赤道太平洋地区表现出与厄尔尼诺事件截然相反的局地气候特征,这些特征是其全球遥相关影响的基础。最核心的局地气候响应体现在赤道中东太平洋海表温度(SST)的持续冷异常。根据定义,NINO3.4区域(5°N-5°S, 120°-170°W)的SST距平值持续低于-0.5°C是判定拉尼娜的标准之一。这种冷异常在东太平洋尤为显著,导致该区域水温低于正常水平。
与SST冷异常密切相关的是对流活动的抑制。在正常年份,赤道西太平洋由于暖池的存在,是全球对流活动最活跃的区域之一。然而,在拉尼娜期间,由于东太平洋冷水上升流增强,西太平洋的暖水被推向更西方,赤道中东太平洋的SST降低,使得该区域大气对流活动显著减弱。这种对流活动的抑制减少了垂直运动,进而影响了云的形成和降水分布。
同时,赤道西风的减弱或东风信风的异常增强是拉尼娜的另一个标志性特征。增强的信风将表层暖水向西太平洋堆积,使得赤道中东太平洋的温跃层变浅,深层冷水更容易上涌。这种信风的异常增强与海表温度的降低形成正反馈,进一步维持和强化了拉尼娜状态。
对比厄尔尼诺事件,拉尼娜的局地气候差异体现在:厄尔尼诺表现为赤道中东太平洋海表温度异常偏暖,对流活动增强,赤道西风异常增强或信风减弱。例如,在厄尔尼诺期间,通常会导致该区域上层对流层西风增强以及副热带急流向南移动 13。而拉尼娜则完全相反,赤道中东太平洋海温偏冷,对流抑制,信风增强。这种对比鲜明的局地气候响应是理解ENSO循环及其对全球气候影响的关键。这些局地变化通过海气耦合作用,最终通过大气遥相关模式,将影响传播到全球各地。
3.2 全球气候遥相关模式
拉尼娜事件通过复杂的大气遥相关模式,将赤道太平洋的局地气候异常传播至全球,引发全球范围内不同区域的气候响应。这些遥相关模式主要包括太平洋-北美型(PNA)波列和热带-副热带波列等。
在拉尼娜期间,由于赤道中东太平洋海表温度偏冷和对流活动抑制,导致沃克环流异常增强,这种大气环流的改变触发了一系列罗斯贝波(Rossby waves),这些波列沿着大气波导传播,影响全球各地的气候。例如,在南半球,特别是澳大利亚春季,拉尼娜事件会从太平洋中部产生一个清晰的波列,与厄尔尼诺期间起源于澳大利亚附近的波列形成对比 14。
具体的全球气候遥相关模式和区域气候异常表现如下:
东南亚/澳大利亚多雨:拉尼娜期间,太平洋西部的暖水异常和增强的对流活动导致该区域降水显著增加。这使得东南亚和澳大利亚北部,尤其是澳大利亚西北部,经常经历高于平均水平的降雨量,甚至引发洪涝灾害。例如,在西北澳大利亚,强拉尼娜年通常与鱼类、树木和珊瑚的生长呈正相关,表明降雨量增加对这些生态系统有利 15。印度尼西亚的热带泥炭沼泽森林,在拉尼娜期间也可能面临不同的蒸散量,这与降水和水分条件密切相关 16。
南美南部干旱:拉尼娜事件通常导致南美洲中西部地区,特别是阿根廷中西部和智利中部,出现严重的干旱,从而影响水资源供应和农业灌溉 5。巴西的亚马逊盆地在周期性拉尼娜事件与印度洋偶极子模式和热带北大西洋增暖的耦合下,也可能经历极端干旱 17。此外,南美南部的针叶树种,其繁殖周期可能与强拉尼娜带来的干旱密切相关 18。
非洲南部洪水:虽然未在提供的资料中直接提及非洲南部的洪水案例,但拉尼娜通常通过改变全球大气环流模式,可能导致非洲部分地区降水异常。例如,与拉尼娜事件相关的降水异常,会影响到一些虫媒传染病(如疟疾、登革热)的传播,表明其对区域气候和公共卫生的影响深远 19。
北美地区影响:拉尼娜也会对北美气候产生显著影响。例如,拉尼娜通常与北美西北部的冬季降温以及美国南部持续干旱有关 20。对于北美西南部而言,拉尼娜式响应可能导致更严重的干旱情景 21。
其他区域影响:在哥伦比亚,拉尼娜事件通常导致降雨量增加,使得钩端螺旋体病病例增加25% 22。西北太平洋的霓虹飞乌贼(Neon flying squid)栖息地质量与ENSO诱导的海洋条件变化密切相关,拉尼娜事件往往能带来更好的栖息条件和渔获量 23。在长江流域,拉尼娜事件还会通过影响气温和降雨量,增加细菌性痢疾的风险 24。在青藏高原,拉尼娜事件期间,特别是西北部地区,降雨侵蚀力可能更为严重 25。此外,拉尼娜事件还会导致夏威夷群岛信天翁保护区(French Frigate Shoals)的海洋垃圾沉积量显著少于厄尔尼诺事件 26。
这些遥相关模式表明,拉尼娜不仅仅是赤道太平洋的区域现象,而是能够通过大气环流的全球性调整,对世界各地的天气和气候产生广泛而深远的影响,包括降水、温度、极端事件频率等。因此,理解和预测拉尼娜事件对于全球范围内的灾害预防和资源管理至关重要。
4. 拉尼娜对生态系统的多维度影响
4.1 海洋生态系统响应
拉尼娜事件通过改变海表温度、洋流模式和初级生产力,对全球海洋生态系统产生多维度且复杂的影响。这些影响可以体现在珊瑚礁、鱼类分布以及浮游生物群落结构等多个层面。
珊瑚礁白化与恢复:尽管厄尔尼诺通常与大规模珊瑚白化事件紧密相关,但拉尼娜事件同样能对珊瑚礁造成影响。例如,在2020年,南中国海的珊瑚礁经历了严重的急性热应力异常,导致白化事件,其中拉尼娜事件也参与其中 27。在某些特定区域,如加拉帕戈斯群岛的恶魔冠(Devil's Crown)标志性鹿角珊瑚礁,甚至在拉尼娜冷却事件期间也经历了严重的死亡,尽管该区域在此前和之后都表现出快速恢复 28。这表明,即使是冷却事件,如果温度异常显著或与当地生态系统阈值不符,也可能对珊瑚造成压力。此外,拉尼娜与中太平洋涛动(PDO)的负相位异步时,可能导致年度海表温度(SST)峰值,进而引发珊瑚白化和珊瑚覆盖率下降 29。这凸显了ENSO事件与低频气候变率协同作用的复杂性,以及它们对珊瑚礁健康的潜在威胁。
鱼类分布与丰度变化:拉尼娜对鱼类群落的影响尤为显著。在北海湾(Beibu Gulf),强拉尼娜事件影响了鱼类群落的组成、丰度和分布,特别是日本鲭鱼(Japanese jack mackerel)和日本竹荚鱼(Japanese scad)等小型远洋鱼类的丰度和分布受影响最大,其种群丰度与海表盐度、海表温度密切相关 30。在哥斯达黎加的可可岛,研究发现扇形锤头鲨(Sphyrna lewini)和双髻鲨(Galeocerdo cuvier)在拉尼娜事件期间被发现的频率更高,而它们的丰度在厄尔尼诺期间则显著下降,表明拉尼娜条件对其有利 31。同样,在澳大利亚的宁加洛礁(Ningaloo Reef),幼年裸颊鲷(lethrinids)的年度丰度在拉尼娜年份达到峰值,这些年份海水更温暖,洋流更强劲 32。此外,在东南太平洋中部,拉尼娜事件被认为在生物学上对光滑锤头鲨(Sphyrna zygaena)种群有利,导致其生物量增加 33。这些案例表明,拉尼娜可能通过改变水温、盐度、洋流以及食物链可获得性,对不同鱼种的分布和繁殖产生正面或负面影响。对于高度移动的远洋捕食者,如黑马林(black marlin),拉尼娜事件期间其适宜栖息地甚至可以向南延伸约300公里 34。
浮游生物群落结构调整:作为海洋食物网的基础,浮游生物对拉尼娜事件的响应也至关重要。墨西哥湾北部地区,强烈的河流径流和营养物质输入,使得该地区拥有高产的沿海生态系统。研究表明,ENSO是该地区冬季和春季盐度和浮游生物生物量年际变化的主要驱动因素,其中厄尔尼诺和拉尼娜的影响存在显著不对称性,厄尔尼诺条件下的影响幅度更大、范围更广 35。在加拉帕戈斯群岛,赤道潜流(EUC)对富营养水的输送支持了浮游植物的初级生产力。尽管在厄尔尼诺期间营养供应受到抑制,但在拉尼娜事件期间,由于混合层和深水层之间的分层增加,特别是在东部站位,营养水平并未显著增强 36。在巴西东北部的热带水库中,拉尼娜导致的异常降雨量显著改变了浮游植物群落的形态功能群(MBFG)结构,导致蓝藻物种多样性的降低和浮游植物总多样性的增加,这与水体混合和营养脉冲有关 37。这表明拉尼娜通过影响水体营养盐、温度和水文条件,重塑了浮游生物群落的组成和生产力。
其他海洋生态影响:除了上述方面,拉尼娜事件还可能影响其他海洋生物和生态过程。例如,南极洲西部半岛的冰川融化扰动,会使海底生态系统从净自养性转向净异养性,而暖拉尼娜春季(2016年)由于冰川融水径流增加导致的混浊水体限制了海底微藻的生产,加速了这种转变 38。在加拉帕戈斯群岛,反复的ENSO温度异常可能导致有孔虫密度较低,而拉尼娜异常所带来的慢性高营养和低pH值则可能抑制其在厄尔尼诺后的恢复,并导致南部群岛有孔虫群落以异养为主 39。在澳大利亚西部的班伯里沿海,拉尼娜事件期间海豚丰度较低,这可能与海洋环境变化影响了海豚的猎物分布有关 40。这些例子共同揭示了拉尼娜事件对海洋生态系统从微观到宏观,从热带到极地的广泛而深刻的影响。
4.2 陆地生态系统扰动
拉尼娜事件通过引发全球性的降水异常和温度变化,对陆地生态系统造成显著扰动,影响植被生长、物种分布以及食物链结构,甚至对人类社会产生间接影响。
植被生长与生产力变化:拉尼娜导致的降水异常是影响陆地植被的关键因素。在一些区域,拉尼娜带来的降雨增加促进了植被生长。例如,印度季风降雨(ISMR)和植被动态受到ENSO的显著影响,拉尼娜年份印度哈里亚纳邦的降雨量和归一化植被指数(NDVI)均高于平均水平 41。类似地,印度大部分地区(Kharif季节82.82%,Rabi季节80.95%)在长期内呈现NDVI正增长趋势,这与拉尼娜期间的有利降水条件有关 42。在西北澳大利亚,强拉尼娜年通常与鱼类、树木和珊瑚的生长呈正相关,表明降雨量增加对这些生态系统有利。然而,在另一些区域,拉尼娜可能导致干旱,从而抑制植被生长。例如,亚马逊地区的黑水和白水洪泛平原的Macrolobium acaciifolium树木生长模式与马瑙斯港记录的水位变化显著相关;厄尔尼诺事件导致降水异常减少,河流径流降低,陆地阶段延长,从而促进了树木生长,但拉尼娜事件的气候信号在树木年代学代理中并不明显 43。这说明,拉尼娜对植被的影响具有区域异质性,取决于当地的降水响应。此外,东非地区的植被变化也受到热带太平洋和印度洋海表温度的综合影响,拉尼娜期间更湿润的条件导致植被逐渐恢复 44。
寄生虫传播与食物链结构扰动:拉尼娜事件改变的环境条件能够间接影响寄生虫的传播,进而扰动陆地生态系统的食物链结构。在墨西哥阿卡普尔科湾,研究发现太平洋石首鱼(Lutjanus inermis)肠道寄生虫群落的组成和结构在厄尔尼诺和拉尼娜等异常气候事件期间表现出显著的年际变化 45。气候事件可能通过影响局部食物网结构,间接改变肠道寄生虫物种的传播率。例如,宿主捕食行为的变化或宿主种群的增减可能导致寄生虫负荷的波动 45。在哥伦比亚,拉尼娜导致的降雨增加使得钩端螺旋体病病例增加了25%,这是一种通过受感染动物尿液传播的细菌性疾病,表明气候变化与疾病传播之间的复杂联系。此外,赞比亚裂谷热(Rift Valley fever, RVF)的暴发与异常降水(拉尼娜)存在正相关 46。这表明拉尼娜通过影响降水模式、宿主行为和种群动态,对陆地生物多样性和疾病生态学产生深远影响。
农业活动与人类文明影响:拉尼娜对陆地植被的影响也直接关系到人类的农业生产和食物安全。在墨西哥尤卡坦半岛,玛雅文明时期玉米种植地的重建数据揭示了其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)变率之间的关系,这暗示了气候波动对古代农业社会的重要性。尽管直接提及拉尼娜对玛雅玉米种植的具体影响较少,但ENSO的整体效应,包括拉尼娜带来的降水变化,无疑会对依赖雨水灌溉的农作物产生关键影响。在亚马逊流域,拉尼娜事件可能会导致极端干旱,特别是在与印度洋偶极子和热带北大西洋增暖耦合时,这会影响森林的健康和农业生产。
总而言之,拉尼娜通过改变区域降水和温度模式,直接影响植被的生长和生产力,从而重塑陆地生态系统的结构和功能。同时,这些环境变化也间接影响寄生虫的传播和疾病生态,甚至对人类的农业活动和粮食安全构成挑战。
5. 拉尼娜对人类活动与公共健康的影响
5.1 农业与水资源管理挑战
拉尼娜事件通过其对全球降水模式的显著影响,对农业生产、水资源管理和粮食安全构成了严峻的挑战。其导致的区域性干旱或洪涝,直接冲击着依赖气候条件的农业系统和水资源供应。
对农业生产的影响:
拉尼娜事件可以显著改变农业地区的降水和温度条件,从而影响作物产量和牲畜健康。
- 印度季风降水异常:拉尼娜与印度夏季风降水(ISMR)的增强密切相关,这对于印度农业至关重要。虽然增强的季风降水通常有利于水稻等作物的生长,但如果降水过多或分布不均,也可能导致洪涝灾害,损害农作物。相反,一些研究指出,厄尔尼诺事件会对哥伦比亚的菜豆产量产生负面影响,而拉尼娜事件则没有显著的负面影响,这表明不同作物和区域对ENSO事件的响应存在差异 47。
- 寄生虫传播对牲畜的影响:拉尼娜导致的降水变化也间接影响畜牧业。例如,在非洲南部,ENSO对小型反刍动物寄生虫(如捻转血矛线虫)的传播潜力有显著影响。强拉尼娜事件能增加热带农生态区这些寄生虫的传播潜力,尤其是在从厄尔尼诺向拉尼娜过渡的时期,这会增加牲畜的疾病风险,影响农业生产 48。
- 粮食安全与作物多样性:在秘鲁亚马逊地区,2011-2012年严重的拉尼娜事件导致了大规模洪水和临时人口迁移。该地区的儿童饮食模式和多样性受到影响,谷物、大米、奶制品和糖的摄入频率减少,而香蕉的摄入量增加,表明气候事件迫使当地居民改变饮食结构以适应环境变化。此外,拉尼娜条件显著降低了饮食多样性 49。这突显了在面对气候变化时,需要通过适应性措施(如气候和性别敏感的公共卫生营养计划)来保障脆弱人群的饮食安全。
对水资源管理的影响:
拉尼娜在全球范围内的降水异常对水资源的供应和管理产生了深远影响,尤其是在水资源已经紧张的地区。
- 干旱与水短缺:在南美洲中西部,特别是阿根廷中西部和智利中部,拉尼娜事件导致的干旱严重限制了水资源供应和农业灌溉需求 5。这种长期的干旱使得这些地区面临严重的水资源危机,对当地的农业和居民生活造成巨大压力。
- 水库水量变化:在巴西东北部,拉尼娜年份通常与降水正异常相关,导致水库蓄水量增加。然而,厄尔尼诺年份则导致负降水异常和水库水量减少 50。这表明,拉尼娜能够为某些干旱地区带来缓解,但也要求水资源管理者做好洪涝和水库调度准备。
- 蒸散发和水文模型:精确的蒸散发(ET)估算对于流域尺度的农业干旱监测和灌溉规划至关重要。在印度东部的Kangsabati河流域,拉尼娜事件能够更好地重现流域尺度的径流和ET通量,这对于改进水文模型、提升干旱监测准确性具有重要意义 51。
- 水质问题:在图瓦卢等南太平洋岛国,2011年由强拉尼娜引起的严重干旱紧急情况,导致腹泻爆发。研究发现,家庭水箱水位低于20%以及洗手频率降低是导致腹泻风险增加的独立因素 52。这表明在拉尼娜导致的干旱条件下,水资源短缺可能引发水质恶化,从而带来公共健康风险。
应对策略需求:
面对拉尼娜带来的农业和水资源管理挑战,各国和地区需要制定综合性的应对策略。这包括:
- 早期预警系统:利用气候预测模型,提前预警拉尼娜事件的发生及其可能带来的降水异常,为农业生产和水资源调度提供决策依据。
- 气候适应性农业:推广耐旱或耐涝作物,改进灌溉技术,发展多样化的农业种植模式,以提高农业系统对气候变化的韧性 53。
- 综合水资源管理:建立健全的水资源监测和管理系统,优化水库调度,推广节水技术,并投资建设基础设施以提高水资源的收集、储存和分配效率。
- 跨部门合作:加强气象、农业、水利和公共卫生部门之间的合作,共同应对拉尼娜带来的多重挑战。
5.2 极端天气与公共健康风险
拉尼娜事件通过引发全球范围内的极端天气,如异常降水、高温、干旱或洪涝,对人类公共健康构成严重威胁。这些极端天气事件不仅直接导致伤害和死亡,还会通过影响环境条件、病媒生物活动以及社会经济因素,间接加剧疾病的传播和健康风险,尤其对脆弱人群影响更为显著。
异常降水与传染病风险:
拉尼娜事件通常伴随着特定地区降水量的显著变化,这与多种传染病的发生和传播密切相关:
- 肠道疾病:极端降水事件(如暴雨和洪水)可能导致水源污染,从而增加肠道疾病的风险。例如,在马里兰州的沿海地区,极端降水事件每增加一天,弯曲杆菌病(campylobacteriosis)的风险就增加3% 54。值得注意的是,这种风险在拉尼娜时期显著更高,每增加一天极端降水事件,弯曲杆菌病风险增加9% 54。同样,在印度的艾哈迈达巴德,极端降水事件与肠热病(Enteric Fever)风险增加5%相关 55。在太平洋岛国图瓦卢,2011年由强拉尼娜引起的严重干旱紧急情况导致腹泻爆发,主要原因是家庭水箱水位过低和洗手频率降低,表明极端干旱同样会通过影响水质和卫生习惯,增加肠道疾病风险。
- 蚊媒传染病:拉尼娜对降水的影响会直接改变蚊媒的繁殖环境,从而影响登革热、基孔肯雅热、寨卡病毒和疟疾等疾病的传播。
- 登革热:在泰国中部,拉尼娜事件与登革热发病率和风险水平的增加有关 56。所罗门群岛的研究也显示,拉尼娜与瓜达尔卡纳尔省登革热样疾病(DLI)风险增加4.5倍相关,而厄尔尼诺则与风险降低相关 57。在巴西托坎廷斯州,拉尼娜与2010-2012年间的登革热感染相关 58。气候变化与更频繁、更强烈的ENSO事件相关,预示着登革热等新发传染病的发病频率和严重程度可能增加 4。
- 疟疾:虽然气候变化对疟疾的影响复杂且存在区域差异,但一些研究指出拉尼娜与疟疾传播有关。例如,在南非林波波省,拉尼娜与季前高发疟疾有关 59。在埃塞俄比亚,尽管疟疾疫情与ENSO关联复杂,但普遍认为拉尼娜事件会带来特定的降雨和温度模式,可能影响疟疾传播 60。在委内瑞拉东北部,1988年的拉尼娜事件导致疟疾传播达到异常高水平 61。然而,也有研究显示,在东非之角等地区,温暖的厄尔尼诺南方涛动(ENSO)与裂谷热、霍乱和疟疾的更高风险相关,而拉尼娜事件期间则与登革热、基孔肯雅热和黄热病相关 4。这表明ENSO对蚊媒疾病的影响具有显著的地理特异性。
- 其他虫媒传染病:拉尼娜事件可能通过影响局地生态系统,改变昆虫传播疾病的宿主和病原体的地理分布 62。
高温与健康风险:
尽管拉尼娜通常与赤道太平洋冷异常相关,但其遥相关效应可能导致其他地区出现异常高温。
- 心血管和呼吸道疾病:极端高温事件对心血管和呼吸道疾病患者构成额外负担,可能加重心脏病、中风和哮喘等疾病的症状,甚至增加死亡风险。例如,在拉尼娜期间,极端高温事件也可能增加弯曲杆菌病风险 54。
- 传染病传播:高温还可以加速病原体的繁殖和病媒生物的生长周期,从而增加虫媒传染病的传播效率。
脆弱人群的健康风险放大效应:
拉尼娜事件及其带来的极端天气对脆弱人群的健康影响尤为严重。
- 老年人、儿童和慢性病患者:这些群体通常对温度变化和疾病的抵抗力较弱。例如,高温可能导致老年人中暑和脱水,儿童更容易感染肠道疾病。
- 低收入和边缘化社区:这些社区往往居住在更容易受到洪水、干旱和污染影响的区域,并且获得清洁水、卫生设施和医疗保健服务的机会有限。他们的住房条件可能较差,抵御极端天气的能力不足,在灾害发生时面临更高的健康风险。例如,图瓦卢的干旱和腹泻爆发对当地社区,特别是儿童的饮食和健康造成了显著影响。
- 粮食不安全人口:拉尼娜导致的农业歉收和水资源短缺,直接威胁到粮食安全,使得本就食物不足的人口面临更严重的营养不良问题,从而降低其对疾病的抵抗力。
综上所述,拉尼娜事件通过引发复杂的极端天气模式,对全球公共健康构成多方面挑战。其对传染病传播的促进作用,以及对脆弱人群健康风险的放大效应,凸显了在气候变化背景下,加强疾病监测、预警系统建设以及制定适应性公共卫生策略的紧迫性。
6. 拉尼娜的未来变化趋势与预测挑战
6.1 全球变暖下的趋势预估
在全球变暖背景下,拉尼娜事件的未来变化趋势,特别是连续拉尼娜事件的频率和强度,是气候科学界关注的焦点。气候模型预估显示,21世纪连续拉尼娜事件的发生频率可能显著增加,这将对全球气候、生态系统和人类社会产生深远影响。
连续拉尼娜事件频率的增加:
基于气候模型的模拟结果,有研究指出,在全球温室气体排放情景下,连续拉尼娜事件的发生频率将呈上升趋势。具体而言,在低排放情景下,连续拉尼娜事件的频率可能增加19%±11%;而在高排放情景下,这一增幅可能达到33%±13% 3。这种增幅在更高排放情景下,模型间的一致性更强。这意味着,随着全球变暖的加剧,我们可能会更频繁地经历持续两年或更长时间的拉尼娜事件,从而导致与拉尼娜相关的气候极端事件(如干旱、洪涝)发生频率和持续时间的增加 3。
副热带海温增温极值对拉尼娜持续性的强化作用:
全球变暖不仅仅是全球平均温度的升高,它还在区域尺度上改变着海洋的温度分布,特别是副热带海域的增温极值对拉尼娜的持续性发挥着关键的调制作用。
- 副热带东北太平洋(SNP)的增温效应:研究发现,在全球变暖背景下,副热带东北太平洋(Subtropical Northeast Pacific, SNP)的平均态增暖最大值会增强该区域对扰动的热力学响应 3。这种增强的响应会生成比20世纪更偏北的异常东风,以响应厄尔尼诺的暖异常。这种向北扩展的异常东风模式,会导致赤道太平洋的热量再充电过程减缓 3。这意味着,在厄尔尼诺事件之后,赤道太平洋的冷水异常能够更长时间地维持,从而促使第一年的拉尼娜事件更容易持续到第二年,甚至形成“三重拉尼娜”现象 3。
- 赤道东太平洋的增温效应:除了SNP,赤道东太平洋的增温极值也进一步增强了这种向北扩展的异常模式的敏感性,为连续拉尼娜事件的发生提供了有利条件 3。
- 深层海洋热量积累:有证据表明,在过去十年(2005-2014年),南太平洋副热带海域观测到了显著的深海增温现象,其热量积累占全球海洋热量增加的四分之一。这种深海增温可能与持续的拉尼娜类状态相关联 63。这表明全球变暖可能通过影响深层海洋热量传输和积累,间接影响拉尼娜的持续性。
模型与观测的差异:
值得注意的是,当前大多数气候模型在模拟热带太平洋海表温度趋势方面存在一定的偏差。过去50年的观测数据显示,热带太平洋正在朝着一个更像拉尼娜的状态演变,即经向海表温度梯度减小和沃克环流减弱的趋势。然而,大多数气候模型预测,在温室气体导致的变暖下,赤道太平洋将演变为更像厄尔尼诺的状态 6465。这种模型与观测之间的差异可能源于模型未能准确模拟赤道太平洋对温室气体变暖的响应,甚至可能涉及到人为气溶胶对21世纪早期持续拉尼娜类条件的贡献 66。这种差异对于预测区域热带气旋活动、干旱等灾害的未来变化趋势具有重要影响 64。
综上所述,全球变暖背景下,连续拉尼娜事件频率的增加似乎是未来的一个重要趋势。副热带海温增温极值在其中扮演了关键角色,通过改变大气环流模式和海洋热量再充电过程,强化了拉尼娜的持续性。然而,气候模型在准确捕捉热带太平洋对全球变暖的响应方面仍面临挑战,这提醒我们在解读未来气候预估时需持谨慎态度,并持续改进气候模型。
6.2 预测不确定性与适应启示
尽管气候模型在预估拉尼娜事件的未来趋势方面提供了宝贵线索,但其预测仍存在显著不确定性。理解这些不确定性并提出相应的适应性策略,对于有效应对拉尼娜带来的气候风险至关重要。
气候模型对拉尼娜模拟的偏差:
当前气候模型在模拟和预测拉尼娜事件时面临多重挑战。其中一个核心问题是赤道太平洋增温趋势的争议:尽管观测数据显示热带太平洋在过去50年正朝着类似拉尼娜的状态演变(即经向海表温度梯度减小和沃克环流减弱),但大多数气候模型却预测在温室气体增暖下,赤道太平洋将演变为更像厄尔尼诺的状态 67。这种模型与观测之间的显著偏差,反映了气候模型在准确捕捉复杂海气耦合过程,特别是与ENSO相关的非线性动力学过程方面的局限性。例如,大多数模型对厄尔尼诺和拉尼娜之间不对称性的模拟仍然很差,这主要归因于对赤道太平洋温跃层沿次表层非线性动力加热(NDH)的模拟不足 67。NDH过弱以及线性动力海气耦合过弱是导致模型偏差的重要原因 67。此外,气候模型在模拟ENSO对流层水汽响应方面也存在挑战,这将影响对气候变化背景下拉尼娜对水循环影响的评估。
提升多时间尺度预测技巧的关键:
为提高拉尼娜事件的预测准确性,需要从多个方面进行改进:
- ENSO初始状态的精确利用:ENSO事件的演变高度依赖于海洋和大气系统的初始状态。例如,在ENSO的经典理论中,海洋热力结构的次表层异常是ENSO事件的先兆,其初始条件的准确指定对于ENSO的熟练预测至关重要 68。海洋盐度变异性在ENSO演变中可能发挥积极作用,特别是在西太平洋暖池区域 68。研究表明,通过包含初始海洋状态中盐度的年际变异性,可以更准确地预测拉尼娜事件,如2007/08年的拉尼娜事件 68。因此,加强对海洋次表层温度、盐度等关键物理量的观测,并将其更有效地整合到初始化方案中,是提高预测能力的关键。
- 改进海气耦合模型:模型需要更好地捕捉ENSO循环中的非线性过程和不对称性,特别是提升对赤道太平洋NDH和海气耦合强度、温跃层动力学的模拟精度 67。这包括提高模型的空间分辨率、改进次网格参数化方案,以及更准确地表示云、降水和辐射过程。
- 多尺度相互作用的理解:ENSO与其他气候变率模式(如太平洋年代际振荡PDO、大西洋多年代际振荡AMO)之间的相互作用会调制ENSO事件的强度和持续时间。深入理解这些多尺度相互作用,有助于提高ENSO的长期预测能力。
适应性政策的方向:
面对拉尼娜带来的不确定性及其潜在的全球影响,制定具有前瞻性的适应性政策至关重要:
- 气候韧性卫生系统:拉尼娜导致的极端天气(如高温、洪涝、干旱)会增加虫媒传染病(如疟疾、登革热)、水传播疾病(如腹泻、霍乱)以及心血管和呼吸道疾病的风险 4。因此,建立气候韧性的卫生系统是当务之急,包括加强疾病监测和早期预警机制 69、提升医疗基础设施应对极端事件的能力、储备必要医疗物资、培训医护人员应对气候相关健康风险等 7071。尤其要关注老年人、儿童和低收入群体等脆弱人群的健康防护 72。
- 早期预警机制:整合气象、气候、农业和公共卫生等多源数据,开发和完善多时间尺度的早期预警系统。例如,针对拉尼娜可能带来的极端降水和干旱风险,建立基于气象预测的农业干旱或洪涝预警系统,指导农户调整种植结构和水资源管理策略。对传染病,特别是蚊媒和水传播疾病,应建立基于气候预测和环境敏感度的风险预警,及时采取预防措施 7374。
- 农业和水资源管理策略:推广气候适应型农业技术,如发展耐旱/耐涝作物品种、优化灌溉方式、推广节水技术。加强水资源基础设施建设,如水库调蓄、雨水收集和非常规水资源利用,以应对干旱和洪涝双重挑战。
- 国际合作与能力建设:鉴于拉尼娜的全球性影响,加强国际间的科学研究合作,共享观测数据和预测模型,共同开发应对策略。同时,帮助发展中国家提升其气候预测能力和适应气候变化的能力。
通过不断改进科学预测能力并实施有效的适应性政策,人类社会可以更好地应对拉尼娜事件带来的挑战,最大限度地减少其对生态系统和人类福祉的负面影响。