加利福尼亞州種植的西紅柿、西蘭花和杏仁佔美國消費量的 90% 以上，以及許多其他食物。這些作物需要大量的水。2015 年春天，在經歷了連續四年的冬季少雨後，該州正遭受嚴重的乾旱。水庫水位遠低於容量，地下蓄水層被大量開採。山區積雪是春季和夏季融水的重要來源，但在許多地區幾乎消失殆盡。
因此，當美國國家海洋和大氣管理局宣佈厄爾尼諾氣候模式正在太平洋上形成時，加利福尼亞州的農民及其鄰居們對此表示關注也就不足為奇了。傳統觀點認為，厄爾尼諾現象會給這個黃金州帶來充沛的降雨。
厄爾尼諾現象是熱帶太平洋海面水溫變暖和降溫週期中變暖的一半。該週期大約每三到七年重複一次；降溫的一半稱為拉尼娜現象。當這兩種現象中的任何一種出現時，通常會持續六個月到一年。在厄爾尼諾現象期間，溫暖的海水會加熱其上方的空氣，從而導致大氣環流發生變化，影響整個世界。我在美國國家海洋和大氣管理局進行氣候研究，我們通常可以在厄爾尼諾現象或拉尼娜現象對其全球天氣產生最強影響之前就預見到它們。
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加利福尼亞人的期望很高，然而，通常在厄爾尼諾現象期間那裡和其他地方發生的影響並非總是發生。自美國國家海洋和大氣管理局於 1950 年開始追蹤厄爾尼諾季以來，只有大約一半的厄爾尼諾季在加利福尼亞州的雨季（12 月、1 月和 2 月）帶來了高於平均水平的降水。在某些情況下，其影響與預期相反。預報員已經擅長預測正在形成的厄爾尼諾現象或拉尼娜現象，但他們仍在努力預測可能由此產生的區域天氣變化。
2015 年初，隨著加利福尼亞州進一步乾旱，預報員面臨著幾個迫切的問題：即將到來的厄爾尼諾現象會是大的嗎？它會拯救加利福尼亞州嗎？就此而言，它會加劇太平洋地區的颶風並減少大西洋地區的颶風，烘烤澳大利亞，助長印度尼西亞的森林火災，還是像過去的一些厄爾尼諾現象那樣，使即將到來的東北部冬季消失？我們能提前知道嗎？
能夠回答這些問題將極大地幫助農民、預報員、應急計劃人員和公眾為極端天氣做好準備，調查人員正在努力確定所需的資料。然而，正如最近一次極端厄爾尼諾現象的展開過程所表明的那樣，這門科學很棘手。
2015 年 3 月：厄爾尼諾現象來了
正在形成的厄爾尼諾現象的早期跡象出現在海面下。熱帶太平洋上的風通常從東向西吹——這是可靠地將帆船運過浩瀚海洋的信風。這些風使太平洋東部和中部的地表水略微涼爽，並將溫暖的海水堆積在西部，朝向印度尼西亞。有時，這些風會減弱，使緩慢的暖西水波開始沿赤道向東向南美洲傳播，持續數月。這可能會引發厄爾尼諾現象或助長已經開始的厄爾尼諾現象。
對我和其他氣象學家來說，看起來 2015 年正在形成的厄爾尼諾現象將是一個大的。在過去的幾個月裡，我們看到熱帶太平洋（包括太平洋中部的尼諾 3.4 區域）的海面溫度高於平均水平，我們將其追蹤為一個領先指標。然而，厄爾尼諾現象是海洋變化與大氣變化耦合現象（厄爾尼諾/南方濤動）的一部分，因此我們也在監測大氣，以尋找大氣正在對這些升高的海洋溫度做出反應的跡象。
即使僅僅比平時高几度的水也蘊含著巨大的熱量，這會加熱海洋上方的空氣，從而將海洋的變化與大氣耦合起來。在厄爾尼諾現象期間，較溫暖的中東太平洋取代了沃克環流這種大氣模式的引擎。隨著潮溼空氣上升的強大來源現在向東移動得更遠，地表風減弱，有時甚至完全逆轉並從西向東吹。這種大氣反應就是南方濤動，它對於厄爾尼諾現象至關重要，有助於其維持和加強自身。
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圖片來源：喬治·雷斯泰克（插圖），珍·克里斯蒂安森（地圖）；來源：美國國家海洋和大氣管理局（地圖）
3 月，較溫暖的熱帶太平洋的影響已經顯現。沃克環流正在減弱。我們還看到熱帶太平洋上空出現西風爆發，這可以鼓勵較溫暖的地表水向東移動。太平洋深處的熱量也很高，這可能有助於延長大氣耦合。在觀察了 12 個月後，美國國家海洋和大氣管理局釋出了厄爾尼諾現象諮詢報告。遊戲開始了。
2015 年 5 月：機率上升
到 5 月，美國國家海洋和大氣管理局已確定，當前的厄爾尼諾現象有 90% 的可能性會持續到夏季，有 80% 的可能性會持續到 2015 年年底。該機構對其預測充滿信心，因為赤道太平洋的海面溫度在 4 月份仍然明顯高於平均水平。海洋上層 300 米以下的水也是如此。大氣反應也得到了加強。
但是我們會看到什麼樣的天氣影響呢？加利福尼亞州會發生什麼？厄爾尼諾現象通常在初冬對其溫度和降雨產生最強的影響，而當時離初冬還有六個月的時間。一些跡象表明，這次厄爾尼諾現象將像過去的其他強厄爾尼諾現象一樣。澳大利亞的乾旱和熱浪正在抬頭（秋季正在讓位於那裡的冬季）。西太平洋的颶風季開局強勁，到 5 月份已有七個被命名的風暴；平均為兩個。
2015 年 7 月：全面展開
7 月開始時，幾乎所有的計算機模型都達成了一致，海洋和大氣繼續按計劃執行。厄爾尼諾現象已經確立，預報員確信它將變得非常強烈。尼諾 3.4 區域的三個月平均海面溫度預計將達到接近歷史最高水平，與之前兩次最強的厄爾尼諾現象（1997-1998 年和 1982-1983 年）持平。
記得 1997-1998 年冬季的南加州人預計會迎來猛烈的風暴和巨浪。在 1982-1983 年和 1997-1998 年的厄爾尼諾現象期間，冬季條件使太平洋副熱帶急流（美國上空大氣高層中一股自西向東流動的氣流，通常會影響天氣）向南移向南加州。強大的風暴從溫暖的海水中獲得水分，帶來了充沛的、足以填滿水庫的降雨——以及沿海潮溼地區的山體滑坡。
農民和居民希望新的厄爾尼諾現象能在 12 月帶來充沛的降水。預報員給出了 60% 的可能性，即在即將到來的 2015-2016 年冬季，南加州地區以及墨西哥灣沿岸各州將看到降雨量達到歷史記錄的後三分之一。這一預測部分是透過監測包括厄爾尼諾現象在內的幾種不同訊號，並將它們與過去的趨勢進行比較，以檢視某種結果的機率是否可能正在發生變化而得出的。
2015 年 10 月：意想不到的風
10 月，加利福尼亞州的希望很高。我們正接近 2015-2016 年厄爾尼諾現象的頂峰，它仍然在我們記錄的最強之列。然而，我們看到了一些意想不到的事情。維持高海面溫度非常重要的太平洋赤道沿線的地表風，其減弱程度不如過去強厄爾尼諾現象期間那麼大。在 1997-1998 年，風減弱得非常厲害，以至於在 10 月和 11 月期間逆轉，從西向東吹，將更多的溫暖海水從遠西太平洋移入中太平洋，從而助長了厄爾尼諾現象。
我們人類傾向於期望在一定情況下結果總是相同的，但變異性在自然界中一直存在。在加利福尼亞州北部沿海地區，強厄爾尼諾年平均每個冬季有大約 40 個雨天，而非厄爾尼諾年平均每個冬季有大約 26 個雨天。然而，1965 年冬季是六次最強厄爾尼諾現象之一，其雨天少於非厄爾尼諾年平均水平。在全球變暖的時代，我們也不禁要問，這是否也在其中發揮了作用。如果是這樣，那麼厄爾尼諾現象影響的預測將變得更加困難。
2016 年 1 月：情況複雜
到 1 月，厄爾尼諾現象已經取得了一些令人印象深刻的數字。12 月，尼諾 3.4 指數突破了當月紀錄，比平均水平高出 2.32 攝氏度，超過了 1997 年 12 月的 2.24 攝氏度。然而，厄爾尼諾現象最終是在季節性時間尺度上衡量的，因此我們真正關注的是三個月海面溫度異常（偏離長期平均水平）的平均值。從 2015 年 10 月到 12 月，異常值為 2.3 攝氏度，與 1997 年並列第一。
在加利福尼亞州以外，厄爾尼諾現象的影響大多如預期般發生。東非在“短雨”季節（10 月至 12 月）的降雨量比平時多得多。南部非洲持續乾旱。烏拉圭、巴西南部和巴拉圭經歷了大量降雨，南美洲北部一直乾旱。
澳大利亞典型的厄爾尼諾現象影響是 7 月至 12 月期間大陸大部分地區乾旱，但在 2015 年，除了澳大利亞東部部分地區外，降雨量沒有明顯的減少。可能是創紀錄的溫暖印度洋產生了強烈的抵消作用——提醒人們氣候系統有許多運動部件，因此厄爾尼諾現象的預期影響並不能得到保證。
離家較近的東北部地區非常溫暖，正如預期的那樣。我在美國國家海洋和大氣管理局的同事米歇爾·萊勒厄ux在她的部落格中寫道：“我的大家庭有史以來第一次在華盛頓特區地區我姑姑的露臺上進行了聖誕禮物交換……我們放棄了熱蘋果酒，轉而選擇了熱帶飲料。我們中的一些人穿著 T 恤和涼鞋。我們和狗一起玩耍。”
與澳大利亞一樣，厄爾尼諾現象並不是華盛頓異常天氣的唯一原因。被稱為北極濤動（以環繞北極的風“極地渦旋”為代表）的大氣模式已進入強狀態。與最近的一些冬季（當時渦旋較弱，導致冷空氣湧入美國）不同，在 2015 年 12 月，渦旋一直很強，將寒冷的空氣困在遙遠的北方，並允許來自美國南部的暖空氣向北漂移。
其他幾種非厄爾尼諾現象的海洋和大氣現象也可能影響了全球某個地區的天氣。其中之一是馬登-朱利安濤動（MJO），這是一個風暴區，它圍繞赤道環繞，向東移動並持續數週。它可以暫時增強厄爾尼諾現象的影響，但也可能減弱其影響。正如我在 1 月份寫道，“顯然，MJO 和厄爾尼諾現象如何相互作用以增強或減弱對方的問題仍在爭論之中。”
還有太平洋年代際濤動，它是指北太平洋東部和西部海面溫度之間的一種關係，通常持續 15 年或更長時間，然後切換到不同的狀態。所有這些模式都相互影響。當然，氣候變化是一個不確定因素，它可能會以仍然不可預測的方式影響所有這些模式。
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圖片來源：珍·克里斯蒂安森；來源：美國國家海洋和大氣管理局（溫度和降水資料）；菲利普·克洛茨巴赫（颶風資料）
萊勒厄ux溫暖的聖誕節，以及整個北美東部地區異常溫暖的 11 月和 12 月，似乎源於厄爾尼諾現象、北極附近被封鎖的冷空氣和活躍的馬登-朱利安濤動的結合，以及很大一部分甚至無法用這些因素來解釋的因素。儘管每日報紙上的聳人聽聞的頭條新聞和電視天氣預報員的大膽宣告都說厄爾尼諾現象是造成極端天氣的原因，但不可能指著一場單獨的風暴、一次寒潮或一次熱浪並說：“那是厄爾尼諾現象。”厄爾尼諾現象會影響背景狀態，因此一系列天氣事件可以部分歸因於厄爾尼諾現象，但不能歸因於單獨的事件。
在加利福尼亞州，人們迅速失去了厄爾尼諾現象將有助於緩解乾旱的希望。12 月和 1 月初加利福尼亞州北部的降雨量高於平均水平，但該州南部一半地區的降雨量卻在平均水平左右。一連串來自太平洋的風暴終於在一月份的最後三天到來，這是由所謂的“大氣河流”帶來的，這條“大氣河流”的水汽直接從熱帶地區流向美國西海岸。它給內華達山脈帶來了相當大的降雪，人們認為這可能會在春季晚些時候融化時帶來好處。
“當然，一個月的潮溼天氣不會消除加利福尼亞州的乾旱，”我的另一位美國國家海洋和大氣管理局的同事湯姆·迪·利伯託在他自己的氣候部落格中寫道。“雖然加利福尼亞州的一些內陸地區以及加利福尼亞州北部記錄了高於平均水平的降水量，但包括從聖巴巴拉到聖地亞哥的沿海走廊在內的南部地區，降水量卻不到正常水平的 75%。”他總結說，暴雨將“需要更頻繁地發生才能使今年的降水量恢復正常”，更不用說克服自 2011 年以來累積的水庫和蓄水層短缺了。
即使是強厄爾尼諾現象也不能保證加利福尼亞州有充足的降雨。它只是增加了那裡冬季降雨量高於平均水平的機率。
在大西洋中部度過溫暖的聖誕節之後，1 月份那裡下起了雪，導致國會山關閉了兩天。天氣再次變得怪異。公眾很容易對厄爾尼諾現象大肆宣傳，但同樣，將一場單獨的風暴歸因於一種氣候影響，尤其是像東北風暴這樣複雜的風暴，是根本不可能的。儘管華盛頓特區有記錄的前 10 大暴風雪中至少有 6 次發生在厄爾尼諾現象期間，但要形成 2016 年的暴風雪，必須有許多因素共同作用。它們包括寒潮、為風暴提供水汽的溫暖大西洋水域和強大的鋒面系統。厄爾尼諾現象的指紋可能存在於其中一些因素中，但很難區分出來。在厄爾尼諾現象期間，副熱帶急流確實傾向於引導風暴穿過墨西哥灣沿岸各州，以及佐治亞州和卡羅來納州，但它們通常在馬里蘭州和弗吉尼亞州以南離開大西洋。然而，在某些風暴期間，急流會向北彎曲到華盛頓特區，這對於厄爾尼諾現象條件來說有些不尋常，但並非聞所未聞。
2016 年 3 月：三巨頭
到 3 月，我們已經看到了足夠多的情況來回應大眾媒體中關於美國和世界正在經歷有史以來最強厄爾尼諾現象的廣泛說法。我們擁有 2015-2016 年的完整資料集，可以將其與另外兩次最大的厄爾尼諾現象（1982-1983 年和 1997-1998 年）的資料進行比較。它絕對是自 1950 年以來最強的三次厄爾尼諾現象之一，但對厄爾尼諾現象進行排名很困難，因為強度可以用不同的方式來衡量。
我們在美國國家海洋和大氣管理局使用的主要數字是海洋尼諾指數，它顯示了尼諾 3.4 區域的三個月平均海面溫度偏離長期平均溫度的程度。2015 年 11 月至 2016 年 1 月的該值為 2.3 攝氏度，與 1997-1998 年持平。我們還會關注海洋的其他區域，包括東太平洋（1997-1998 年較溫暖）和西太平洋（2015-2016 年較溫暖）。我們還會考慮厄爾尼諾/南方濤動的第二部分，即對海洋溫度至關重要的大氣反應。總體而言，1997-1998 年期間的大氣反應強於 2015-2016 年期間。
至於冬季天氣和氣候，所有三個案例都出現了一些類似的結果，但也存在一些值得注意的例外情況。其中包括：加利福尼亞州北部獲得了該州大部分的降雨，而不是南加州。確定這種模式為何與過去強厄爾尼諾冬季不同，將使氣候研究人員在未來幾年內忙碌起來。許多潛在的組成部分在起作用，包括今天世界海洋比過去兩次強厄爾尼諾現象期間溫暖得多。短期混沌效應始終存在於天氣系統中，這確保了即使一個厄爾尼諾現象看起來與另一個厄爾尼諾現象完全相同，但其對天氣的影響也未必相同。
進入拉尼娜現象？
在美國國家海洋和大氣管理局首次宣佈厄爾尼諾現象一年後，該事件正在結束。2016 年 2 月，整個赤道太平洋大部分地區的海面溫度異常值有所下降，而且地下大量高於平均水平的溫暖海水也有所減少。
3 月，情況也看起來很可能在初夏過渡到中性狀態，大約有 50% 的可能性拉尼娜現象會在秋季開始。自 1950 年以來，拉尼娜現象在 10 次中等和強厄爾尼諾現象中的 6 次之後出現，但該樣本量太小，無法做出有信心的預測。
我們的計算機氣候模型也很難在春季（特別是 3 月至 5 月）做出準確的預測，因為厄爾尼諾現象和拉尼娜現象通常在春季減弱，轉變為中性狀態。北美洲在這一過渡季節的天氣變化很大，這通常會淹沒來自這兩種現象的訊號。
然而，大多數模型都認為拉尼娜現象將在今年秋季發展。4 月，美國國家海洋和大氣管理局釋出了拉尼娜現象觀察預警，到 8 月，我們已確定拉尼娜現象有 50% 的可能性會在秋季發生。計算機在處理最新資料後發現，太平洋的海面溫度將繼續下降，可能會超過拉尼娜現象的閾值（低於平均水平 0.5 攝氏度）。此外，低於平均水平的冷水正在整個太平洋沿赤道線下方積聚。有趣的是，尼諾 3.4 區域的地下水在 1998 年達到了創紀錄的低溫——緊隨 1997-1998 年的強厄爾尼諾現象之後。
在美國，拉尼娜現象的影響大致與厄爾尼諾現象相反，但並非完全如此。拉尼娜現象以其自身的方式改變了西風帶和急流。除其他外，它傾向於為大西洋颶風的發展創造有利的環境。美國國家海洋和大氣管理局於 8 月釋出的官方颶風季展望更新預測，由於其他因素也在起作用，北大西洋颶風季將為典型或高於平均水平。加利福尼亞州的拉尼娜冬季往往是乾燥的。
濤動
儘管厄爾尼諾現象聲名狼藉，但與其他年份相比，它通常不會引發更多的與天氣相關的全球災害，但這些災害更具可預測性。如果政府和應急計劃人員注意與厄爾尼諾現象相關的季節性預報，則有可能在災害發生之前將資源轉移到某些地方，以減少人為影響，如果給定的厄爾尼諾現象產生其典型影響的話。
研究人員仍然不清楚全球變暖將如何與厄爾尼諾/拉尼娜週期相互作用。一些研究表明，全球海洋變暖將導致更強大的厄爾尼諾現象，但其他研究表明，全球變暖實際上可能會降低其強度。由於整個全球系統包括在不同狀態之間自然翻轉的大型大氣和海洋現象，例如太平洋年代際濤動，因此弄清楚厄爾尼諾現象迄今為止受到全球變暖的影響程度，以及未來可能受到的影響程度，一直是一項挑戰。研究人員將繼續努力解讀可能的聯絡。
我們可以近乎肯定地說一件事是，厄爾尼諾現象和拉尼娜現象將繼續發生，有些比其他現象更強烈。來自化石珊瑚的證據告訴我們，該週期已經重複了數千年。隨著我們更好地瞭解氣候系統動力學，我們可以更好地預測這種重要模式對全球天氣和世界各地人民的影響。