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“聖嬰現象”一詞的由來
什麼是聖嬰現象？這個名詞的原文是El Nino﹐意思是西班牙文的聖嬰﹐也就是年幼的基督之意(Child Jesus）﹐而El Nino這個現象是指赤道中、東太平洋海水表面溫度間歇性增暖所造成大氣以及海洋異常的現象。在正常情況下，太平洋上貿易風 (trade winds)沿赤道由東吹向西，因此，將暖海水堆積在西太平洋印尼一帶的上層海水面。此暖水區加熱其上大氣﹐使其上層大氣形成上升氣流（低壓）﹐此上升氣流帶給西太平洋大量的降水；相對的﹐東赤道太平洋的表層海水被往西帶離造成在祕魯西岸附近著名的湧升流(upswelling)﹐將下層較冰冷的海水到到表層﹐同樣的使其上層的大氣降溫﹐形成穩定的下沈氣流(高壓)﹐這個大尺度的環流﹐在大氣上層，風從西向東吹﹐此大氣環流稱為沃克(Walker)環流。它是用英國氣象學家G.T.Walker來命名，Walker在1920年代最早研究赤道太平洋的變化。El Nino的預兆為秘魯、厄瓜多爾太平洋沿岸出現海水異常增溫，特別是發生在聖誕節後幾個月內﹐當初最早是由祕魯一帶的漁夫對祕魯西岸漁場的週期性盛衰所用來代稱的名詞﹐而湧升流便是形成祕魯西岸漁場的主要原因﹐當聖嬰現象出現時﹐湧升流消失﹐表層海水溫度升高。因此科學家用El Nino表示這種在聖誕節後，海水異常增溫的現象。 聖嬰現象的間隔從3到7年都有，當聖嬰現象出現時﹐正常從東向西的赤道貿易風減弱下來﹐甚至轉向，因此位於赤道西太平洋的暖海水流向東面，及南美太平洋沿岸，這種大尺度暖水區移動，自然會影響赤道西太平洋對流活動和降水的變化。當暖水區移向東時，秘魯北部和厄瓜多爾造成比正常年更多的降水，而在西太平洋降水機制則失去，因此在El Nino期間，赤道西太平洋和澳洲一帶經常遇到乾旱。 聖嬰現象影響的範圍是如此的寬廣﹐而其涵蓋的學科更包含了海洋學以及社會經濟學等﹐所以研究聖嬰現象時﹐各領域的連結是很重要的關鍵。 El Nino (EN) 是指東和中赤道上大尺度的減弱的貿易風和溫暖的表層海水而言，EN事件發生約在2-7年的間隔，平均約3-4年一個循環，持續約12-18個月，伴隨著搖擺的南方震盪，一種年度性的東太平洋和西太平洋海面氣壓的蹺蹺板式變化，在聖嬰期間，在西太平洋及印度洋地區有較高的海平面氣壓，而在東南熱帶太平洋區則海平面氣壓較低，SO導致換日線以西為不正常的海平面低壓以東則為不正常高壓。
南方震盪指數(SOI)，是指介於大溪地島，法屬波哩尼西亞及達爾文島的海平面氣壓的差異，澳洲為測量貿易風的強度之地，其因為有氣流由高壓地區流向低壓地區。高SOI值(高氣壓差)是由於產生強烈的貿易風和反聖嬰的現象，而低SOI值則為弱貿易風和聖嬰影響。
ENSO的物理性質 熱帶太平洋低頻變異活動的大多數理論，主要著重在瞭解支持不同的大氣海洋耦合模式的條件。而有兩種完全相反的大氣耦合模式被提出，一是由Gill(1985)提出的緩慢向西傳播的"Rossby"模式，更完整的理論由Hirst(1986)闡述。另一理論是由Philander等人(1984)和Yamagata(1985)提出的就像是Kelvin形式的向東傳送。Hirst(1988)證明在年際尺度和相似的邊界條件下，這兩個模式將傳送能量和持續再發展。 對於解釋ENSO現象，這兩個完全相反的大氣海洋不穩定耦合模式是不引人注目的，有三點理由：第一、熱帶太平洋為一東西非對稱的狀態(東太平洋較冷)。第二、觀測到的海水表面溫度距平值似乎不是有系統的傳送。最後，經由觀測，局地的海氣交互作用時間尺度和熱帶海洋動力調節的時間是相似的。經由浮標站的資料和後面的模擬分析發現，在ENSO期間，使用海洋大環流模式，次表面溫度距平和湧升距平對於海水表面溫度的改變是一重要的過程。這對於向東傳送的Kelvin模式是有利的，水平的海水表面溫度平流必定不重要，並且海洋的調節時間尺度與局地海水表面溫度改變的時間尺度相較是較長的。 ENSO期間熱帶的重要特徵有：1.在東、中太平洋准靜止的海水表面溫度距平；2.ENSO肇始時，和正的海水表面溫度距值相關的信風減弱的了；3.沿著赤道，東太平洋斜溫層(thermocline)加深，西太平洋斜溫層變淺。4.在ENSO事件達到最強之前，東、中太平洋深斜溫層開始回到正常氣候值。 目前，對於上述特徵最好的詮釋為ENSO的延遲振盪理論，由Suarez和Schopf(1988)及Battisti和Hirst(1989)提出。ENSO的延遲振盪機制包含與局地海氣交互作用的時間尺度相似的海洋調節時間尺度。此外，延遲振盪機制假設：海洋東半部的動力調節影響海水表面溫度，相對的改變隨後輸送至表面混合層的水溫。Suarez和Schopf(1988)及Battisti和Hirst(1989) 的延遲振盪模式均假設大氣海洋模式是駐留且陷在東半洋。後來的理論也提出了ENSO期間，海洋記憶扮演的角色，然而，預期熱帶太平洋氣候系統應為可預測的，前後約一年時間。 ENSO的延遲振盪理論顯然與ENSO事件一致，且與GFDL(Geophysical Dynamics Laboratory)的結果一致。但也有許多問題存在。那麼，觀測的結果支持延遲振盪理論到什麼程度呢？Kessler(1990)檢驗風應力資料、海水表面溫度距平值、及由VOS XBT資料分析上層海洋熱力結構的變異，他指出，斜溫層的變異與延遲振盪理論預期一致(Wakata和Sarachik(1991)也得到相同結論)。Mantua和Battisti贊同Li和Clarke(1994)的結論，他們證明以"延遲振盪理論"來解釋海溫增暖的結束，但是海溫減低的終止通常不是由海洋調節過程來達成。然而由延遲振盪理論來看"觀測"的Kelvin振幅和風應力的關係是減小：事實上，ENSO並非接近週期性。相同的結果由Nagai等人(1992)提出，他們是以大氣海洋大環流耦合模式，對熱帶太平洋變異進行診斷分析所得。 聖嬰暖流所蘊藏的能量是極巨大的，甚至超過了這個世紀以來美國所消耗的石化燃料總量：包括氣所用的汽油、發電廠所燃燒的煤和天然氣等；或是等於一百萬個發電廠各以1000兆瓦特全力發電一整年所產生的能量。 科學界對於這種的觸發機制尚不明確，一些主張當強烈的西風靠近赤道時，貿易風將推動海水，使得受太陽加溫的表水在印尼和澳洲附近生成，就像浮木被吹進港灣中。 另一匹則持相反立場，表示風是結果、而不是原因；在西太平洋的暖空氣塊，受熱帶海域海水的加溫而在其下形成低壓區，像是上升中巨大的熱氣球，這個低壓區域吸引著貿易風向其吹去，使上升作用增強，當然，這些風吹向海表面時會堆聚更多的暖水，如此造成更多溫暖的上升氣流，低壓也更強烈、更強的貿易風。一些觀點認為，風無法一直使海水在高水平中，並且將向下回流，原本高水平將為低水平區，而低水平區將變為高水平區；海水層確實在澳洲附近向下延伸，通過太平洋，在美國南部升起。 尚有其他更複雜的理論探討何種因素造成聖嬰暖流，但只有一種原因在各種說法中皆出現：我們更進一步的發現，就像一隻狗追著他的尾巴一樣，事實上，沒有人知道真正造成聖嬰暖流的原因。學界及官方所稱呼的El Nino，ENSO (El Nino-Southern Oscillation) ，反應出了對自然反反覆覆的種種不了解，振盪表示了兩種不同的狀況，聖嬰是其中在整個太平洋海盆和大氣中持續最長的。 科學家將時間往後挪，發現聖嬰在一些鮮為人知的地方留下其出現的蹤跡，在亞力桑那州的數目年輪裡、喜馬拉亞的冰核層裡、和新幾內亞的珊瑚、內華達州的湖底皆有證據顯示聖嬰的出現。雖然這個尋並不像季節一樣規律，但大約可知聖嬰暖流在一個世紀內會出現30次左右，和2∼10年不等的影響時期。
El Nino 對全球的影響
在太平洋上某處大氣和海洋的交換循環過程可能在全球氣候條件上造成“漣漪”的效應，這樣全世界性的訊息是由熱帶地區降水的變化所傳達，且影響了全球絕大部風場的狀態。以急流和溪石為比喻，將時時維持在河床中固定的位置石，溪水碰撞岩石所產生的波紋都維持在固定形狀，若其中一塊岩石改變了位置，則整個原來的狀態將完全改觀。 在熱帶厚層雨雲的形成（海平面上5-10哩）將改變氣流上升的狀態，降如同風吹向島嶼高地或是溪石影響溪水的流動的道理是相同的，此時的尺度將延伸為平面上數千哩之廣。氣流的流動狀態，依次決定了季風的形成與位置、暴風的路徑和上升的強烈風帶（一般指噴射氣流：Jet-stream） 的狀況，並且區隔出地表上的偏冷區和偏熱區；集中在印尼的降雨區若往東移至中太平洋（如下圖所示），則聖嬰年的氣候將顯現出來，而上升的氣流受影響以致造成在各地區不合常理的天候狀況。
El Nino對地域性的影響(美國)
El Nino對氣候的衝擊在冬天時的溫度表示的非常明顯，例如在聖嬰年的冬季，加拿大和部份美國北部地區會較為暖和，且從德州一直到佛羅里達半島則變為潮濕多雨的天氣，聖嬰在其他季節也同樣影響氣候溫度，但只有在冬季時，聖嬰是唯一影響氣候溫度的因素；因此在部分熱帶地區聖嬰年並不完全只表現出聖嬰年的天氣狀況。 聖嬰對美國颶風登陸的影響
一般已可接受在大西洋海盆颶風受聖嬰影響而減小其能量，Gray (1984)使用物理方法在聖嬰現象上，以解釋減小活力的颶風；Gray亦發現從1900-83年侵襲美的54個主要颶風中，只有4個發生在16年的聖嬰年，相較於50個發生在68個非聖嬰年為弱，在聖嬰年只有0.25個大型颶風會產生，而非聖英年則有0.74個，約為1：3的比率，Richards和O'Brien (1996)指出在聖嬰年一或多個颶風登陸的機率為21%，而在正常年為46%。 Table 1.
我們分析從1900 – 1997年在聖嬰年美國登陸的颶風的頻率，從新分析得到的結果為：當在聖嬰年時，2個或以上的颶風登陸美國的機率為28%，正常年為48%，而反聖嬰年為66%，均較聖嬰期為高。
1.所有美國發生的颶風 22個聖嬰年和22個反聖嬰年，再加54個正常年，以如此的數目要測量北大西洋的颶風數和聖嬰的影響仍顯少數，近幾年，再聖嬰年所發生的颶風皆被紀錄下來，熱帶的風暴，如颶風，至少都會有一次的登陸，在美國，有些颶風還會多次的登陸，在此我們只考慮發生颶風的次數，在此條件之下，在聖嬰年的颶風約為1.04個，在正常年為1.61個，在反聖嬰年為2.23個（Table 2表示各年美國的颶風數）。 Table 2.
Poisson 分布（The Poisson distribution）是對稀少而極端的事件描述相當有用的，Poisson 分布是以正常和變動作描述，變異和正常的比率以c平方分布（chi-squared：c2）(Keim and Cruise 1998)，使比率R = s2 / mean，且N為觀測數目，R和臨界值R（Rc）（從c2N-1, a / (N - 1)得到）作比較。以a = 0.10，Table 3 指出以ENSO事件所得的結果。 Table 3.
正常和冷聖嬰事件皆接近標準，允許我們假設Poisson 程序(Elsner and Kara 1999, Elsner and Schmertmann 1993)。暖事件則不為Poisson所容許，故我們採用經驗程序，使用此兩種程序，我們發現在聖嬰年一或多個颶風在美洲登陸的或然率為28%，而正常年為48%，在冷聖嬰年為66%。(Figure 1)
bootstrapt的技術（The bootstrapt echnique (Draconis and Efron 1983)）被用來決定冷（暖）ENSO時美國颶風的可靠限值（confidence limits），對每個bootstrap來說，平均和統計頻率已可決定，並將之排序以決定5∼95％可靠限值，同樣的步驟在反聖嬰和正常年的bootstrapped平均和Poisson參數的使用一樣。 Figure 2指出美國颶風在聖嬰期間5％和95％的可靠限值（the 5 and 95 percent confidence limits），有90％的可信度沒有颶風登陸的或然率為17∼24％，一個颶風登陸的或然率為45∼58％，而兩個颶風則為25∼31％，以過去的資料顯示，在聖嬰期間美國沒有超過2個颶風登陸。 而在反聖嬰年的颶風登陸的或然率就較為多(Figure 3)，在反聖嬰年沒有颶風登陸的或然率為7∼18％，一個颶風則為18∼31％，兩個颶風為26％，約為四個冷ENSO年，，三個颶風為15∼22％，四個颶風為7∼15％。 從Figures 2和3中，可看出一個颶風登陸的或然率以在暖相ENSO較冷相ENSO為高，一個颶風登陸的或然率確實在暖相ENSO較冷相ENSO為高；或然率的分布範圍在兩者皆相同，然而，在90％可信賴度下，13％的差距，在暖相ENSO從45∼58％，冷相則從18∼31％。 在兩個颶風登陸的或然率，兩相幾乎相似，90％信賴度值在領相顯得相當窄，此時給予我們更高的可信度，即或然率集中在26％；在暖相，則或然率的範圍較大。 以反累積頻率分配（the inverse cum ulative frequency distributions）得出可信賴度的範圍，並比較ENSO兩相對美國颶風活動之間的差異(Figure 4)， 舉例來說，在暖ENSO期發生兩個或以上登陸的颶風的或然率分布在25∼31％(90%可信賴度)；而在冷ENSO期發生兩個或以上登陸的颶風的或然率分布則較為廣泛在51∼76％間。 2. 美國大型颶風 大型颶風（登陸美國的大型颶風可達96浬/小時以上）可造成無比的破壞力。聖嬰對大型颶風帶來的影響和所有的颶風皆相似，在過去98年間有63個大型颶風，5個在聖嬰年發生，37個在正常年，而在反聖嬰年則有22個，平均在聖嬰年每年有0.23個大型颶風，在正常年每年有0.68個，在反聖嬰年每年則有0.95個。每年的大型颶風數列在Table 4
Table 4.
這些經驗資料用來決定大型颶風的頻率，Figure 5指出，在暖ENSO時，一個大型颶風登陸的或然率為23％，而在其他兩相的或然率則高出許多：在自然狀況為58％、在冷ENSO則為63％，在美國大型颶風登陸的或然率在冷ENSO或自然年遠較暖聖嬰年為高。
在過去98年間，美國沒有在暖ENSO事件發生過大型且登陸的颶風，相對的，在冷ENSO期卻有27％發生兩個以上的大型登陸颶風，和在正常年也有8％的或然率。也可能在ENSO循環有機會看到三個大型颶風登陸：9％在冷相、2％在正常年。沒有任何一年可在美國看到四個或以上的大型颶風登陸。
在此，我們在數量上以東部熱帶太平洋暖（冷）海水表面溫反常的衝擊和颶風在美國的登陸次數產生關聯，不管是聖嬰事件被鑒定出，在1997年，聖嬰年颶風次數明顯減少許多，但在美國的颶風侵襲的或然率仍維持一定。
預測El Nino 帶來的利益 自聖嬰的現象，不僅擾亂了太平洋中海中生物的生命週期，並且影響了全球的天氣狀況，不正常的大氣與海洋的狀態更影響了人類。 科學家們正致力去了解聖嬰所產生的種種現象，並將之整合出一套數字預測模型(numerical prediction models)，根據電腦程式的計算，預測將發生的自然事件；這樣的模型通常需供給資料，最常是以數字形示表示大氣－海洋的系統(例如：沿赤道所測出的風速、洋流、海水面、或是斜溫層：thermocline的深度)。藉由資料的更新與累積，更可由模型中推導出大氣－海洋系統在近幾個季節或幾年內將如何演變發展，這樣的理論預測結果絕非完美，但至少給了一個方向指出下一或幾個季節的氣候狀況
及條件，總比簡單的假設與猜想降雨的來臨或溫度的變化要來得“標準與正規”些。 祕魯(Peru)給了一個重要的例子說明即使是短期的聖嬰預測亦是重要可貴的；在赤道的大部分開發中國家的經濟對氣候變動是相當敏感的，在暖年（聖嬰年）漁獲量就相對減少，且在北部的西安地斯山脈的丘陵和海岸平原則受到洪水的侵害；冷年（非聖嬰年）則較漁民們喜愛，但農民則因乾旱而農作物欠收，這樣的冷年通常都伴隨在強烈聖嬰影響之後，因此，祕魯人民不僅關心聖嬰的影響，也關心著聖嬰的週期循環。 自1983年起，根據熱帶太平洋地區的風與水溫的觀測和數字預測模型的資料，雨季的預報通常在每年11月可得到證實，這些預報是根據下列四點可能性發出：（1）近標準狀況（near normal conditions）；（2）微弱的聖嬰影響伴隨較一般種植季節略濕的天氣（a weak El Nino with a slightly wetter than normal growing season）；（3）伴隨洪流的強烈聖嬰影響（a full blown El Nino with flooding）；和（4）近海面海水較一般為涼，較大的機率產生乾旱（cooler than normal waters offshore, with higher than normal chance of drought）。 自從預報系統獲得證實與肯定，農民代表和政府官員決議增大播種的面積，對雨水和時間條件較為重視作物，如米和棉花兩種主要作物，則種植在北部地區，稻米生長季需雨水的條件，至成熟期則乾季來臨，棉花則由於根較深，可適應乾季。因此，聖嬰天氣的預報可引導農民在非聖嬰年種植較多的米和較少的棉花，不失為一經濟取向的手法。 像祕魯、澳洲、巴西、依索比亞、和印度等地也採取同樣的手段，雖然熱帶國家是最需要正確的聖嬰預報的，但在非熱帶國家，如日本、美國，正確的聖嬰預報也同樣有助於農業地區的計劃與水資源或能源的利用。 受到過去幾十年來的鼓舞，在許多國家科學家和政府機關正致力合作建造出一全球觀測系統以（1）觀測熱帶海域，（2）預測聖嬰現象和其他不尋常的氣候波動，及（3）定期的氣候預測且使有計劃且需要者容易取得這些資料。在今日的天氣預報資料都可被大眾取得，預測氣候從一年到另一年改變的能力將使得農業、水資源、漁獲業，或其他方面有更好的規劃。藉由結合的氣候預測計劃決策，人們將較能適應於不規則節奏的天氣。
參考資料
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Department of Earth Sciences National Taiwan Normal
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