從傳統聖嬰現象到新型聖嬰現象-聖嬰現象專家:加州大學余進義教授專訪

文詠萱/本刊主編




傳統聖嬰現象為東太平洋在隔幾年海水異常升溫的現象,早在數百年前南美洲祕魯地區漁民就已發現此現象。他們發現,在正常時期,會因海底深層湧升流上升,其中富含大量營養鹽,帶來大量漁獲;而在每隔2~5年,會有某一年因海水升溫,導致漁獲量大減。

而到了1960年代,加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles, UCLA)氣象學家畢雅尼(Jacob Bjerknes)在大量氣象與海洋資料中,觀察出聖嬰現象為大氣與海洋交互作用,不單只是海洋現象。科學家開始深入對聖嬰現象有興趣,而從對於聖嬰現象一無所知,到研究出整套物理理論、並能將物理理論以電腦模擬,共花了2、30年的時間。

自21世紀起,科學家發現太平洋上聖嬰現象的模式有些改變,過去海水從東太平洋開始升溫的現象,自1990年代出現了從中太平洋、國際換日線附近開始升溫的聖嬰現象。美國加州大學爾灣分校(University of California, Irvine)教授余進義與其研究團隊在2009年提出此種中太平洋海水溫度異常上升的特殊氣候變化,稱之為「中太平洋聖嬰現象(Central-Pacific El Niño)」,又稱為「非典型聖嬰現象」。

《科學月刊》本月專訪全球聖嬰現象研究具領先地位的余進義教授,請他分享非典型聖嬰現象研究心得與過程。

氣象學家畢雅尼。(Hedvig Bjerknes)


21世紀的非典型聖嬰現象

相對非典型聖嬰,20世紀的傳統聖嬰現象又稱為「東太平洋聖嬰現象」,或稱「典型聖嬰現象」。「這兩種聖嬰都是聖嬰,都是自然界本來就存在的,只是我們20世紀不知道聖嬰現象有兩種,直到21世紀我們才觀察到。」余進義說。

「到了21世紀,發現我們的聖嬰預報沒有以前準了。我們發現聖嬰改變了,不是我們20世紀所認識的傳統聖嬰。」余進義說。

21世紀發現新型聖嬰現象後,開啟了科學家對聖嬰研究的新章節。氣候學家了解聖嬰現象具多種樣子後,著手進行研究,並討論為什麼地球上有如此多的聖嬰現象,探討每種聖嬰現象背後形成的原因,以及不同聖嬰現象對全球(包含臺灣)氣候有什麼影響。「最近聖嬰現象相關研究主要針對聖嬰多樣性的動力原因,以及不同聖嬰在全球影響的研究。」余進義說。


東太平洋聖嬰現象
又稱典型聖嬰現象。在聖嬰現象發生的期間,東太平洋氣壓變弱,西太平洋氣壓變高,導致東風帶轉為西風帶,因此原向西的表面洋流反向向東流,導致太平洋東邊溫度較高的現象,抑制東太平洋深層湧升流上升。


中太平洋聖嬰現象

又稱非典型聖嬰現象。但從1990年代初,科學家觀察到有別於傳統聖嬰現象、從太平洋中間、國際換日線開始升溫的聖嬰現象。




科學家對於非典型聖嬰現象成因提出不同看法

對於21世紀中太平洋聖嬰現象出現的原因,科學家提出了三種不同的解釋方式。第一種最普遍的解釋方式為「全球暖化」,因全球暖化導致地球大氣環流模式改變。熱帶地區溫度較熱,熱空氣會上升,而極區冷空氣會下降,冷空氣會往熱帶地區移動,熱空氣會往極區移動,這就是是地球的大氣環流。

「就像一輛在開動的車子,把熱空氣往北運、冷空氣往南運。但全球暖化改變了南北氣溫的分佈,大氣循環就必須改變,像汽車換檔一樣,改變車子的速度,進而改變了全球氣候狀態,以應付全球暖化。」余進義用汽車換檔做比喻全球暖化對大氣環流的影響。當環流改變了,所伴隨的大氣–海洋交互作用也跟着改變,就產生了新的非典型聖嬰。

而第二種解釋方式是由余進義與合作科學家共同提出,太平洋上的聖嬰現象之所以改變是因為大西洋變暖, 與太平洋形成交互作用, 影響太平洋聖嬰現象發生形式,稱為「跨洋盆交互作用」。「大西洋每60~80年會冷暖交替,稱為『大西洋多年代震盪(the Atlantic multidecadal oscillation, AMO)』。而我們發現1995年大西洋變暖之後,他不但使太平洋聖嬰從典型變成非典型,也就是聖嬰從南北州外海到國際換日線出來的,更影響了整個亞洲地區的氣候型態。」

「跨洋盆交互作用與第一種解釋方法不同的是,全球暖化是因為人類排放二氧化碳造成聖嬰現象轉變,然而非典型聖嬰現象在人類還沒大量排放溫室氣體前,太平洋上的聖嬰現象就存在從典型變成非典型、從非典型變成典型的現象,是自然界自己變化的一部分,這是兩種解釋意義上最大的不同。」余進義強調。「而近期跨洋盆交互作用越來越強,與全球暖化造成北極海冰及陸冰大量融化有關。」另外還有科學家利用電腦模擬,認為聖嬰現象從典型變成非典型是隨機過程,與全球暖化、大西洋變溫無關。

跨洋盆交互作用未來研究著力點

除了余進義研究團隊之外,全球還有許多研究人員也致力於利用電腦模擬跨洋盆交互作用,目前此領域研究正處於初始狀態,還有許多問題需解決。余進義說:「目前的問題包含要如何定義跨洋盆交互作用、電腦模擬的氣候模式仍有誤差、不是百分之百真實,我們要如何調整誤差,並在知道有誤差的情況下最大程度的利用電腦模擬來進一步增加我們對跨洋盆交互作用的了解及預報能力。」

氣候成因研究對於一般民眾感覺較有距離,大眾比較在意的是自己周遭的氣候狀況,例如明年雨下得多下得少等。「我們發現在中國靠海的地方,從海南島到東北,在過去,當長江以南發大水,長江以北就會乾旱;長江以南乾旱,長江以北就發大水。但從1990年代初這個現象突然不見了,我們也發現這是被大西洋所影響,所以不只是聖嬰位置改變,包含中國的乾旱,西太平洋高壓,以及印度季風,跟亞洲季風的年季變率,忽然在21世紀變得不一樣,在21世紀之後,太平洋的氣候,開始深深受到大西洋的影響。」余進義說。

針對臺灣未來氣候研究,余進義建議:「如果你要研究臺灣的氣候與天氣,有人會說那你應該要去觀察聖嬰現象,而大部分的人都會同意,因為聖嬰發生在臺灣所在的太平洋旁邊,如果跟你說要關心大西洋,可能會覺得離臺灣很遙遠,但很多看起來很遙遠的事,其實對我們是有影響的。當你在做科學研究時,眼界跟想法要開闊,不要只看馬上跟你有關係的事物,要看更遠的。」

「過去新聞裡面現在提到大西洋變暖變冷,不太會去理會它,但活在21世紀裡面,大西洋海水變冷變暖時,會影響到我們住在亞洲的人明年雨多或雨少。即使只關心臺的氣候跟極端天氣未來會怎麼樣,我們的氣候研究也必須關心大西洋、極區,雖然都離我們很遠,當全世界在討論這些地方天氣與氣候的時候,我們也必須要參與。因為它們終究最後會影響我們。」余進義強調。

踏入科學研究領域

余進義的研究跨越大氣與海洋領域,研究領域更觸及中高緯度議題,亦橫跨熱帶地區,可謂「跨領域」研究人員,對於當初是如何訓練,余進義表示:「當時我在華盛頓大學讀了8年博士,當年做的題目主要是發展電腦大氣環流模式、中高緯度噴射氣流相關研究,後來博士後研究到加州大學洛杉磯分校在那邊主要是做熱帶地區海氣交互作用研究。」

由於當時博士班畢業後,余進義希望能做不一樣的題目,因他在華盛頓大學中做了8年,希望能更換領域研究。「在全球暖化議題下,每個人每個科學家,他要知道的領域要越廣越好,所以對於目前做氣候研究的人來講,是有必要想辦法擴充到其他領域裡面。」

至於為什麼博士班讀了8年,余進義則說:「當時的指導老師建議我發展一套全新的大氣電腦模式,我一直對成果不太滿意,這8年一直在想我要怎麼讓這個模式更完整,另外也在思考接下來要做什麼樣的題目。」

而對於博士讀了8年這件事情,余進義則表示這算是他研究生涯中較大的挫折:「我在華盛頓大學念書時,我發現大部分同年進研究所的同學,都已經唸博士離開了,我卻還在思考,我的論文題目要怎麼做、做到這個地步好不好。但是我自己唸完博士後,以及我來唸完博士當教授,我發現我在華盛頓大學這8年,對於我學習歷程的幫助是相當巨大的。」

余進義比較臺灣教育與在華盛頓大學受的訓練,他認為在華盛頓大學與臺灣教育差異大,在臺灣回答問題總已有預期的標準答案。「在臺灣唸書的時候,上課回答問題、寫出標準答案,這對我來說是很容易的事情,但對我而言最困難的是我的研究接下來要做什麼、自己提出問題、獨立思考解決方案,以及判斷我做的東西有沒有用處,這些能力我是在8年華盛頓大學念博士裡面獲得的。」

給學生們的話

對於學生要如何增加自己的競爭力,余進義說這是個大問題,並提出了大方向的建議:「我們臺灣是一個人口數較少的社會,對科學界來說我們要多接觸別人的想法,透過各種途徑參與全世界正在關注的學術研究議題,不要只關注跟自己有關的科學議題。國際關注的題目,一定有它們被關注的原因,學術競爭程度與標準也比較高,有助於鞭策及提升我們自己的能力。學生應想辦法參與高競爭性的活動,唯有把自己放到高競爭性的環境、活動中,才能挑戰、激發、及提升自己。」

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