J.皮葉克尼斯及海氣相互作用研究

葉鑫欣 焦艷 傅剛

J.皮葉克尼斯及海氣相互作用研究

葉鑫欣 焦艷 傅剛

J.皮葉克尼斯（Jacob Aall Bonnevie Bjerknes，1897—1975年）是著名挪威氣象學(xué)家V.皮葉克尼斯之子，是氣象學(xué)的挪威學(xué)派的重要代表人物之一。挪威學(xué)派由V.皮葉克尼斯創(chuàng)立，在20世紀(jì)大氣科學(xué)發(fā)展中貢獻(xiàn)卓著。J.皮葉克尼斯子承父業(yè)，很早就踏入學(xué)術(shù)領(lǐng)域，不僅引領(lǐng)了挪威學(xué)派的學(xué)術(shù)繁榮時(shí)期，更在平均大氣環(huán)流、海氣相互作用等領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)。

J.皮葉克尼斯出生在瑞典斯德哥爾摩，1907年遷居到挪威，1924年獲得奧斯陸大學(xué)博士學(xué)位。1914年他曾暫時(shí)放棄學(xué)業(yè)，到萊比錫協(xié)助父親工作；1917年前往挪威卑爾根，負(fù)責(zé)氣象觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)和挪威西部的天氣預(yù)報(bào)工作，在此期間提出鋒面氣旋模型的雛形，并在最終鋒面氣旋理論成型的過(guò)程中起關(guān)鍵作用。1931年，J.皮葉克尼斯受聘于卑爾根博物館的氣象系（任教授），在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的成果也逐漸為國(guó)際氣象界所關(guān)注，曾被邀請(qǐng)到新西蘭、英國(guó)、荷蘭、德國(guó)、加拿大、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家舉辦學(xué)術(shù)講座，并在1939年7月訪問(wèn)美國(guó)高校和科研機(jī)構(gòu)。然而，1939年9月第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，挪威遭受德國(guó)入侵。在羅斯貝的幫助下，J. 皮葉克尼斯決定留在美國(guó)，并順利就職于加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）物理系的天氣預(yù)報(bào)研究室。1940年，J.皮葉克尼斯成為UCLA的氣象學(xué)教授，在他的推動(dòng)下，UCLA氣象系于1945年正式成立①美國(guó)第四個(gè)大學(xué)氣象系，前三個(gè)為羅斯貝最早創(chuàng)建的麻省理工學(xué)院氣象系、加州理工學(xué)院和紐約大學(xué)氣象系，迅速發(fā)展為世界級(jí)大氣科學(xué)中心之一。二戰(zhàn)期間，J.皮葉克尼斯曾作為美國(guó)空軍顧問(wèn)前往英國(guó)、意大利和美國(guó)夏威夷、關(guān)島等地。

J.皮葉克尼斯的研究興趣十分廣泛。在卑爾根工作期間，他定義出大氣波動(dòng)發(fā)展過(guò)程中的兩類主要輻合，將其命名為“轉(zhuǎn)向線”（steering-line）和“颮線”（squall-line），也就是后來(lái)的“暖鋒”和“冷鋒”，并總結(jié)出包含初生、發(fā)展、錮囚的完整的鋒面氣旋生命周期。他還與Carl Ludvig Godske合作，研究了鋒面不穩(wěn)定問(wèn)題。隨著1928年無(wú)線電探空儀的發(fā)明和輕型氣象儀器的推廣，連續(xù)性的探空氣球觀測(cè)逐漸在技術(shù)和資金上得以實(shí)現(xiàn)，J.皮葉克尼斯結(jié)合這類數(shù)據(jù)進(jìn)行了鋒面氣旋形成機(jī)制和高空大氣波動(dòng)的研究。1926年，他還為挪威探險(xiǎn)家羅爾德·阿蒙森②羅爾德·阿蒙森（Roald Amundsen，1872—1928年），挪威極地探險(xiǎn)家，是世界西北航道的征服者，曾經(jīng)3次率探險(xiǎn)隊(duì)深入到北極地區(qū)，1911年12月14日成為歷史上第一個(gè)登上南極點(diǎn)的人的極地飛行提供了氣象支持。二戰(zhàn)結(jié)束后，J.皮葉克尼斯著重對(duì)平均態(tài)的大氣環(huán)流和西風(fēng)急流進(jìn)行了研究。

20世紀(jì)50年代末，也就是J.皮葉克尼斯接近60歲時(shí)，他投入到大西洋和熱帶太平洋海氣相互作用領(lǐng)域的研究中，直到1975年在洛杉磯辭世。由他提出的ENSO循環(huán)概念所引發(fā)的海氣耦合系統(tǒng)的研究熱潮持續(xù)至今。J.皮葉克尼斯把他對(duì)海氣問(wèn)題的靈感、決心和動(dòng)力歸功于羅斯貝、斯維爾德魯普（H. U. Sverdrup）和漢森（Bj?rn Helland-Hansen）。令人遺憾的是，在這三位科學(xué)家逝世時(shí)（1957年），J.皮葉克尼斯的海氣研究剛剛開(kāi)始。

J.皮葉克尼斯最先關(guān)注的是北大西洋區(qū)域的海氣相互作用現(xiàn)象。他認(rèn)為20世紀(jì)初北大西洋偏暖現(xiàn)象可能是由風(fēng)應(yīng)力加強(qiáng)使灣流加速導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)年際、年代際時(shí)間尺度海氣之間相互作用的研究，他發(fā)現(xiàn)北大西洋海表面溫度（SST）的年際變化與西風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)：強(qiáng)西風(fēng)年，冰島格陵蘭島以南SST偏低，灣流區(qū)SST偏高，并注意到北大西洋濤動(dòng)（North Atlantic Oscillation，NAO）是北大西洋區(qū)域重要的外強(qiáng)迫。兩個(gè)多世紀(jì)前，傳教士Hans Egede在日記中也記錄了格陵蘭島和丹麥冬季氣溫年際尺度的反相變化，而NAO這一術(shù)語(yǔ)則是由G. Walker在研究全球大氣異常之間關(guān)系時(shí)提出的。J.皮葉克尼斯分析了冰島和亞速爾群島區(qū)域的海表面氣壓差異，利用1890—1940年的數(shù)據(jù)研究了北大西洋SST和海平面氣壓（SLP）相關(guān)性，指出年際尺度的SST異常主要與局地海氣界面潛熱和感熱通量變化有關(guān)；年代際尺度的SST異常主要與海洋環(huán)流和海洋熱交換有關(guān)，通過(guò)非局地、緩慢的動(dòng)力作用完成。北大西洋的氣候變率和海氣相互作用動(dòng)力過(guò)程吸引了諸多科學(xué)家進(jìn)行觀測(cè)、理論和數(shù)值模式研究。

J.皮葉克尼斯

J.皮葉克尼斯接近60歲時(shí)投入到大西洋和熱帶太平洋海氣相互作用領(lǐng)域的研究，直到1975年在洛杉磯辭世。由他提出的ENSO循環(huán)概念所引發(fā)的海氣耦合系統(tǒng)的研究熱潮持續(xù)至今。

J.皮葉克尼斯更為人矚目的工作是以厄爾尼諾（El Ni?o）現(xiàn)象為切入點(diǎn)的熱帶太平洋研究。El Ni?o（西班牙語(yǔ)“the infant”，即“圣嬰”）最初由秘魯漁民于19世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)并命名，指熱帶東太平洋秘魯、厄瓜多爾等地沿岸的海水異常偏暖，一般周期性出現(xiàn)在圣誕節(jié)附近并持續(xù)數(shù)月，給當(dāng)?shù)貪O業(yè)造成損失。El Ni?o逐漸被用來(lái)代指每3～6年赤道東太平洋海表面大尺度異常增暖事件，持續(xù)9～12個(gè)月，最長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月，影響可波及世界其他地區(qū)。人們對(duì)El Ni?o的研究興趣也經(jīng)歷了起起伏伏，從19世紀(jì)末的興起，到20世紀(jì)四五十年代的淡漠，直到50年代末豐富數(shù)據(jù)反映太平洋海溫與南方濤動(dòng)（Southern Oscillation，SO），即G. Walker于20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的赤道東西太平洋不規(guī)則的氣壓振蕩現(xiàn)象之間存在聯(lián)系，重新引發(fā)研究熱潮。1960年前后，人們注意到東太平洋的增暖是海溫振蕩變化的一部分，可以沿赤道傳播到日界線附近。J.皮葉克尼斯對(duì)哈得來(lái)環(huán)流診斷發(fā)現(xiàn)，El Ni?o年環(huán)流偏強(qiáng)、北太平洋西風(fēng)增強(qiáng)進(jìn)而影響到北美天氣，甚至能影響到歐洲。這種氣候異常被理解為暖水區(qū)和赤道整個(gè)中太平洋之間的“遙相關(guān)”。

J.皮葉克尼斯進(jìn)一步指出，El Ni?o并不是秘魯沿岸的局地海洋事件，而是能夠影響大氣及整個(gè)熱帶太平洋的振蕩變化，是海氣相互作用的結(jié)果。他指出沿赤道東西方向的熱力差異會(huì)導(dǎo)致赤道太平洋上空形成東西向垂直空間內(nèi)的熱力直接環(huán)流圈，即“沃克環(huán)流”①J. 皮葉克尼斯（1969）提到：“...that circulation will be referred to as the ‘Walker Circulation’ since it can be shown to be an important part of the mechanism of Walker’s ‘Southern Oscillation.”（由于該環(huán)流是Walker提出的“南方濤動(dòng)”現(xiàn)象的重要部分，因此將它被命名為“沃克環(huán)流”）（the Walker Circulation），并給出在赤道上空大氣與外界沒(méi)有交換的情況下理想的環(huán)流型（圖1），這一緯向環(huán)流圈概念模型豐富了人們對(duì)大氣環(huán)流的認(rèn)識(shí)。他提出，El Ni?o和SO是同一現(xiàn)象的不同側(cè)面，將二者合在一起稱為ENSO；它們通過(guò)沃克環(huán)流相聯(lián)系，而沃克環(huán)流可視為更大尺度SO機(jī)制的一部分②J. 皮葉克尼斯（1969）提到：“... the fluctuations in the running of the Walker Circulation are therefore likely to initiate some of the major pulses of the Southern Oscillation.”（沃克環(huán)流的擾動(dòng)可能是南方濤動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)因素之一）。當(dāng)熱帶信風(fēng)減弱時(shí)，赤道東太平洋溫躍層變深、海溫增暖，使信風(fēng)進(jìn)一步減弱，構(gòu)成完整的正反饋，此即皮葉克尼斯假設(shè)（Bjerknes Hypothesis）。然而該機(jī)制只能解釋El Ni?o或La Ni?a的建立和維持，無(wú)法說(shuō)明ENSO位相之間的轉(zhuǎn)換及其準(zhǔn)周期性的成因。

基于J.皮葉克尼斯的研究成果，人們對(duì)赤道太平洋的大尺度過(guò)程的認(rèn)識(shí)逐漸清晰、深入。大約從1975年起，研究者普遍將El Ni?o和SO作為整體，如今ENSO已被公認(rèn)為最強(qiáng)而普遍的年際氣候變率，以El Ni?o為暖位相，La Ni?a為冷位相。之后提出的延遲振子理論、充放電陣子理論、西太平洋振蕩理論等對(duì)ENSO循環(huán)的形成和周期問(wèn)題給出了較為合理的解釋。

J.皮葉克尼斯活躍在大氣科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)55年之久。他熱情好客，許多朋友和同事都曾在他和妻子在洛杉磯圣莫尼卡的家中受到熱情款待。他不吝時(shí)間聽(tīng)取學(xué)生和同事們遇到的問(wèn)題并加以建議和指導(dǎo)，盡力傳授自己對(duì)復(fù)雜大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化的藝術(shù)。對(duì)感興趣的課題，他習(xí)慣于集中精力直到能清晰解釋為止。由于對(duì)地球物理學(xué)的奠基性貢獻(xiàn)以及無(wú)私的學(xué)術(shù)合作精神，1945年J.皮葉克尼斯被美國(guó)地球物理聯(lián)合會(huì)（AGU）授予堪稱最高榮譽(yù)的威廉鮑伊獎(jiǎng)，其后還獲得了美國(guó)氣象學(xué)會(huì)羅斯貝獎(jiǎng)（1960年）、國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)（1966年）等。

圖1 1949—1953年1月和7月赤道上空標(biāo)準(zhǔn)等壓面隨高度分布

（作者單位：葉鑫欣，北京大學(xué);焦艷，國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心;傅剛，中國(guó)海洋大學(xué)）

深入閱讀

Eliassen A. 1995. Jacob Aall Bonnevie Bjerknes(1897-1975). Washington D C: National Academy of Sciences.

Fiolek A. 2004. Pioneers in Modern Meteorology and Climatology: Vilhelm and Jacob Bjerknes- A Selected Bibliography. NOAA Central Library,(1): 1-20.

Wurtele M G. 1975. Selected Papers of Jacob Aall Bonnevie Bjerknes. North Hollywood, California: Western Periodicals Co.