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海洋科學與技術:最熱的海洋–西太平洋暖池

海水溫度與人類活動息息相關,但溫度在全球海域中的分布變化很大。西太平洋暖池是全球海域中溫度最高、範圍最大且熱量累積最多的區域,對於天氣及氣候系統的發展、變化與平衡有舉足輕重的影響。
 
 
 
什麼是暖池

海水的溫度與人類活動息息相關,且水溫是最容易量測的海洋特性。水溫的變化對於天氣及氣候系統有重大的影響,例如每年夏秋時分嚴重影響臺灣的颱風,也深受海水溫度的作用。但溫度在全球海域中的分布變化很大,可以從南北極區的零度之下,到熱帶區域超過30度的高溫。

暖池,又稱大洋暖池、熱庫、暖堆等,一般是指熱帶海域海水表面溫度年平均高於攝氏28度的暖水區。從全球海域溫度分布來看,稱這些區域為熱水區也不為過。位於熱帶海域上的大洋暖池,總面積約占熱帶海洋面積的三分之一,占全球海洋面積約十分之一,東西橫跨約150個經度,南北伸展約40個緯度。全球海洋中分布著3團熱熱的暖水,這3團高溫的暖池區分別稱為西半球暖池、印度洋暖池及西太平洋暖池。

西半球暖池被美洲大陸分隔成兩部分,其南方位於祕魯附近的海域,每隔幾年會有溫暖的海水入侵,這就是大家熟知的聖嬰現象。印度洋的地理位置較特殊,三面被陸地所圍繞,受陸地影響較大。而印度洋暖池主要位於印度洋的東半部,冬季期間易形成帶狀分布,夏季分布較廣,東邊可與西太平洋暖池連接,但受到蘇門答臘群島、婆羅洲群島等陸地隔開。

在全球3大暖池中,西太平洋暖池溫度最高、範圍最大,是全球海域中熱量累積最多的區域。也許讀者認為28度的水並不特別熱,因為我們平日接觸的事物有太多是高於28度,甚至臺灣夏天氣溫往往高於28度。

但海水具有特殊的物理特性,海水比熱比大氣及土壤約高4至5倍(比熱指單位質量的物體上升1度所需的熱量,假設1公斤的空氣上升1度所需要的能量是1,000焦耳,則使1公斤的海水上升1度就需要超過4,000焦耳的能量),海水密度又約為空氣的800倍,海水溫度只要有些微的變化,大氣就要吸收或釋放數倍的熱能。

舉例來說,當100公尺深的海水升高了0.1度,其表面上方空氣的溫度則可能產生5度以上的改變,因此暖池對於天氣及氣候系統的發展、變化與平衡有著舉足輕重的影響。臺灣位於太平洋熱帶、亞熱帶上,當然天氣系統也深受西太平洋暖池的影響。

如何觀測暖池

暖池的範圍這麼大,要如何監測海水溫度的變化呢?傳統上,大量船舶每天會行經這區域,就可以記錄軌跡路徑上的溫度資料,科學家也會施放浮標、浮球等儀器來記錄海溫。例如因為1982至1983年嚴重的聖嬰現象,造成人民生命、財產的重大損失,使得之後科學家在熱帶海域布放了許多的錨錠串,用以量測各種大氣、海洋的狀況。

雖然海洋的面積如此遼闊,而這些觀測資料只能量測到海洋很小的範圍,但量測的結果仍可以讓我們大致了解大洋溫度的變化。另由於現代科技的進步,衛星遙測溫度已經可以達到非常高的精準度,且遙測技術有綜觀性、即時性、連續性等優點,因此現在多以衛星遙測表面溫度來研究大洋的變化,本文呈現的資料就是來自衛星的觀測。

西太平洋暖池的範圍與溫度

衛星遙測水溫的技術約從1980年代廣泛應用,本文使用自1982年1月至2014年8月的資料來探討西太平洋暖池的空間及時間變化。由於西太平洋暖池的位置會受到太陽輻射、聖嬰現象等因素影響,因此其北界在夏季可延伸至北緯30度,在冬季則很難達到北緯10度,南界一般是介於南緯10度至20度之間。而新幾內亞東側是西太平洋暖池中溫度最高的區域,其表面溫度高於29度,約比赤道其他水團高2度至5度,是全球大洋中水溫最高的暖水團,這個區域也稱為西太平洋暖核或西太平洋暖心。

西太平洋暖池是全球範圍最大、溫度最高的海域,它的範圍有多大呢?據估計其面積夏季約為3.5 × 107平方公里,冬季則是3.3 × 107平方公里,平均是3.4 × 107平方公里。而美國本土不含阿拉斯加只有8 × 106平方公里,因此西太平洋暖池約為4個美國大。西太平洋暖池最大面積發生在1998年初,面積達到4.2 × 107平方公里,約為5個美國本土大,最小面積則在1989年,小於2.8 × 107平方公里,在2008年及2010年這個暖池也縮的很小。

那西太平洋暖池溫度的變化呢?由於位在熱帶海域,終年高溫,因此它的溫度變化較不明顯,但還是會呈現跨年變化的趨勢。西太平洋暖池最低溫發生在1985年,約為28.8度,最高溫發生在2014年的8月,高達29.3度。暖池內溫度從最低的28.8度至最高的29.3度,雖僅有0.5度的差異,但由前面提及的原因,這一變化就對附近的天氣系統產生很大的影響。

紀錄顯示,去年夏天西太平洋暖池的溫度恰巧是破紀錄的高點。但這破紀錄的高溫是否是全球暖化所造成,仍須近一步討論。因為造成高溫的原因很多,全球暖化只是其中之一。對於各種現象必須理性思考,不可把這破紀錄的高溫或其他不好的現象完全歸咎於全球暖化。試舉另一個觀點,假設歷史資料只到2012年,那結論可能完全不同,因為西太平洋暖池的溫度在2007~2008年及2010~2011年有兩個很明顯的溫度降低趨勢。

綜觀這30年的變化,可以發現從1980年至2000年,西太平洋暖池的溫度有逐漸增高的趨勢,2000年之後則呈現持平或微幅的下降。據此我們得到全球暖化的印象,可能不像之前預估的這麼強烈,因為資料顯示部分時間甚至有溫降的現象。

地球系統實在是太奧妙了,我們對它的了解只是冰山一角罷了。近百年來,人類對於地球的破壞又是如此的劇烈,不管是全球暖化或冷化,人類都已經遭受氣候變遷、自然災害的苦果。我們必須多加研究大自然,否則都只是以管窺天,更無法提早預防。

西太平洋暖池是一個盤據在熱帶太平洋上的龐然大物,又橫跨南北半球,如果想了解其發展軌跡或移動方向,要如何做呢?可以使用平常日常生活上常聽到的「重心」這個觀念。

重心就是物體的質量或重量中心,當要描述一個不規則物體的運動軌跡時,可以使用重心來簡化這個物體。相同的道理,要知道西太平洋暖池如何發展,也可以用西太平洋暖池的熱重心來代表。計算熱重心的方法與計算重心的方法類似,把重量換成溫度,把物體的各個位置替換成暖池內每點的經度及緯度,溫度與經度緯度加權平均就可算出熱重心的位置。

根據西太平洋暖池移動的軌跡,可以清楚地看出,西太平洋暖池熱重心在夏季會移動到北半球,冬季則退回南半球,呈現非常明顯的年周期變化。此外,夏季、冬季西太平洋暖池移動的北界、南界相當對襯,其熱重心最北可達北緯10度,最南則退至南緯8度。

西太平洋暖池東西向移動的軌跡則與南北向截然不同,高高低低有時往東邊移動,幾個月後又一路向西邊移動,有時又固定在中、東太平洋上,似乎沒有規律。西太平洋暖池的熱重心最東約可達國際換日線(東經180度),有時卻退至東經145度左右,兩者差距約4,000公里遠,移動距離約為10個臺灣南北的長度。

熱重心在東西方向的移動表現不像南北方向那麼的規律,夏季一定往北半球跑,冬季則退回南半球,是什麼原因造成這種現象呢?其中一個主因就是聖嬰現象。要探討西太平洋暖池與聖嬰的關係前,先了解如何知道聖嬰年及反聖嬰年的到來。

聖嬰指數的算法

要如何知道是聖嬰年或反聖嬰年呢?學術界有複雜的定義去計算,但一般可以簡單使用海面氣壓或海面溫度的變化來定義聖嬰現象。在雜誌新聞上可能會看到南方振盪指數(Southern Oscillation Index)這個名詞,其計算是選定大溪地與澳洲達爾文兩地做為東、西太平洋的代表地,再以這兩地的氣壓差稱為南方振盪指數。

在一般正常年,熱帶東太平洋上會盤據著高氣壓,熱帶西太平洋則是低氣壓,壓力使得風場從高氣壓往低氣壓區域移動,因此赤道區域終年有東風,更精確地說,是東北風。在氣象上,由東往西吹的風稱為東風,由西吹向東邊的風則稱為西風。在臺灣,冬天常常可以聽到氣象報告說受到東北季風的侵襲,也就是說,冬天臺灣的天氣型態是從東北往西南的風向。長年在赤道上吹拂的東北風還有另外一個有趣的名稱,稱為「信風」或「貿易風」。

為什麼熱帶海域上的東北風會稱為信風或貿易風?因為東北風長年穩定地存在,猶如潮汐有信,因此稱為「信風」。而古代,船舶的動力主要靠風帆航行,信風這種定期定向穩定的風場就成了商船遠航的主要動力。由於利用信風的規律性做航海貿易,因此信風又稱做「貿易風」。

聖嬰期時,終年存在於東熱帶太平洋的高氣壓及西熱帶太平洋的低氣壓會改變,東太平洋的高氣壓開始減弱或轉為低氣壓,西太平洋的低氣壓則增強或轉為高氣壓。氣壓開始反轉,原本的東風就可能變為西風,因此聖嬰發生時往往伴隨聽到「西風爆發」。

聖嬰期時,大溪地(東太平洋)氣壓會減弱,達爾文(西太平洋)大氣壓力會增強,大溪地氣壓壓力減去澳洲達爾文氣壓壓力會是負值。當觀察到南方振盪指數是負值時,就可以推斷為是聖嬰現象,當指數是正值時,則是反聖嬰現象。

另外一個較常聽到的指數是Niño 3.4指數,這項指數計算北緯5度至南緯5度及西經120度至170度間的海域海表面溫度變化,計算的海面溫度連續5個月超過一臨界值就稱為聖嬰現象;反之,溫度連續5個月低於一臨界值則稱為反聖嬰現象。而Niño 3.4指數所計算的範圍也是西太平洋暖池活動的主要區域,西太平洋暖池與聖嬰現象的發展是互相影響、密不可分的。

從氣壓差及溫度差也可以了解聖嬰與反聖嬰現象的強弱。1982~1983年和1997~1998年這兩次聖嬰期是本世紀最強的兩次,其Niño 3.4指數高達3度;2004~2005年則是較弱的聖嬰年,其Niño 3.4指數只有0.7度。1988~1989年及2010~2011年則認為是這半世紀較強的兩個反聖嬰年,其指數差也高達2度左右。

西太平洋暖池與聖嬰現象

早期的聖嬰現象是指在冬季祕魯沿岸觀測到異常暖水的狀況,但近期的研究指出,中西太平洋的暖水東移與聖嬰現象的發展息息相關。觀看西太平洋暖池的面積變化,可以清楚地看出跨年變化,例如在1982、1987、1998和2010年,西太平洋暖池的面積明顯擴大,而這些年正好發生聖嬰現象。

通常在聖嬰年發生時,西太平洋暖池會有向東移且變暖與範圍增大的現象,暖池的形狀則像卵形或橢圓形。反之,反聖嬰年時,西太平洋暖池縮小退回西邊,暖池的東邊界會呈現明顯的V字型。同樣的,西太平洋暖池的溫度變化也和面積變化相似,會有受聖嬰影響的跨年變化。但溫度受太陽冬夏直射南北半球的影響,除了受跨年變化外,年變化對西太平洋暖池溫度的影響較面積變化大。

西太平洋暖池熱重心東西移動的軌跡則和面積變化相當類似,例如在較強的聖嬰年如1982、1987和1998年會移動至國際換日線,在強的反聖嬰年如1989及2010年則退至東經150度以西的位置。至於重心南北移動的軌跡則呈現非常明顯的年變化,在已知觀測資料的33年裡,就有33個波峰及33個波谷。

西太平洋暖池與聖嬰現象互為影響,當觀測到西太平洋暖池的溫度升高、面積增大及其熱重心往東移動時,往往是聖嬰現象發展的徵兆。這時就必須仔細觀測,提早做好強聖嬰年的災害預防。
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