氣候研究十步曲（四）：蝴蝶效應續(xù)集從太平洋水溫到沃克環(huán)流

1、報告正文1、厄爾尼諾導致海洋和大氣異常變化位于南美洲的秘魯漁場是世界四大漁場之一，水產(chǎn)資源豐富。因秘魯沿岸盛行東南信風，從南美大陸吹向太平洋，使得表層海水離岸而去，海洋深層的冷水上翻，形成秘魯寒流，帶來海底豐富的營養(yǎng)鹽類，為魚蝦提供了充足的餌料。圖 1、東南信風下生成秘魯寒流資料來源：互聯(lián)網(wǎng)， 整理而在個別年份，東南信風異常減弱，秘魯沿岸冷海水上翻偏少，海水溫度升高，魚類因為環(huán)境的突然變化而大量死亡。此時發(fā)生的正是厄爾尼諾現(xiàn)象。因此，厄爾尼諾的顯著影響就是造成秘魯寒流的減弱。除了影響海洋，厄爾尼諾的出現(xiàn)還同時伴隨著大氣異?；顒印＿@是因為厄爾尼諾是海洋和大氣相互作用的結(jié)果。氣象上，將二者合稱為“

2、厄爾尼諾-南方濤動”（El Nio -Southern Oscillation, ENSO）。ENSO 的前半部分“厄爾尼諾”，代表赤道地區(qū)海洋溫度的變化。即，赤道西太平洋表層海溫的降低，和中東太平洋表層海溫的升高。后半部分“南方濤動”則是與之相對應的大氣活動。厄爾尼諾氣候下，中國南方夏季降雨偏多。1998 厄爾尼諾年夏季，長江流域、嫩江和松花江流域發(fā)生了特大洪水。2015 厄爾尼諾年夏季，江淮和江南東北部等地降雨偏多 2 成至 1 倍。ENSO 通過干擾大氣活動實現(xiàn)對全球氣候的影響。所以有必要了解正常氣候和厄爾尼諾發(fā)生時的大氣活動，以幫助我們?nèi)娣治霎斍皻夂蚯闆r、判斷氣候趨勢。2、南方濤動：

3、赤道太平洋東西兩岸氣壓一高一低首先，我們需要了解赤道地區(qū)常年存在的南方濤動現(xiàn)象。這是掌握熱帶大氣活動的前提。南方濤動是一個氣壓蹺蹺板現(xiàn)象。這個大型蹺蹺板的一端在印度尼西亞的大塊區(qū)域，另一端則位于赤道地區(qū)的中東部太平洋。英國科學家 Sir Gilbert Walker 發(fā)現(xiàn)太平洋東岸的氣壓高時，西岸的氣壓低，像是蹺蹺板效應。即，赤道太平洋西岸和東岸的氣壓總是一高一低。如圖 2 所示，在上側(cè)圖片，赤道太平洋東岸的氣壓高（深紅色），高于左側(cè)西岸（白色）。東西岸氣壓差使得風從東岸吹向西岸，如長箭頭所示，這是正常氣候下的低空風向表現(xiàn)。而在下側(cè)圖片，赤道左側(cè)太平洋西岸的氣壓高（紅色），高于右側(cè)東岸（白色）

4、，東風力度減弱，這通常伴隨著厄爾尼諾現(xiàn)象。圖 2、太平洋兩側(cè)氣壓變化的蹺蹺板效應資料來源：NOAA， 整理南方濤動和厄爾尼諾之間存在著密切聯(lián)系。科學家發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾下，赤道中東部太平洋海溫變暖時，南方濤動現(xiàn)象會出現(xiàn)相應改變，即赤道西部氣壓升高，東部氣壓降低。因此有必要掌握南方濤動的具體變化。3、厄爾尼諾下沃克環(huán)流逆轉(zhuǎn)，目前沃克環(huán)流與正常氣候一致、正常情況下，大氣表現(xiàn)為沃克環(huán)流的正常運轉(zhuǎn)正常情況下，赤道低空常年盛行偏東風。赤道東太平洋的信風（赤道信風，Trade Winds）把東部赤道太平洋的表層暖水吹向西太平洋。于是，西部太平洋的熱水越來越多，熱量不斷積蓄，海溫上升，空氣因此受熱膨脹上升，氣壓

5、降低。東部太平洋的表層海水被吹走，下部的冷海水因此抬升。在東部太平洋形成了巨大的冷水區(qū)域，秘魯漁場正是由此產(chǎn)生。此處空氣受冷下沉，氣壓升高。在低空，赤道地區(qū)太平洋東岸這端的氣壓“蹺蹺板”高高翹起，空氣便由此向西移動。高空風向則正與之相反，體現(xiàn)了大氣環(huán)流的循環(huán)特征。因此，正常情況下，如圖 3 所示，赤道太平洋地區(qū)的大氣環(huán)流表現(xiàn)為：低空盛行偏東風，赤道西太平洋盛行上升氣流，高空盛行偏西風，赤道東太平洋氣流盛行下沉氣流。這也是我們常說的沃克環(huán)流。圖 3、正常氣候下的大氣活動資料來源：NOAA， 整理圖 4、正常氣候下，赤道地區(qū)大氣活動過程赤道太平洋低空盛行偏東風 暖水西移 西部太平洋海溫升高，氣壓降

6、低 東部太平洋海溫下降，氣壓升高 氣壓蹺蹺板東端翹起，偏東風增強 資料來源： 整理西風爆發(fā)現(xiàn)象出現(xiàn) 赤道偏東信風減弱 暖水東移，厄爾尼諾形成 中東部海溫升高，氣壓降低 西部海溫下降，氣壓升高 氣壓蹺蹺板西端翹起，偏西風增強 赤道偏東信風進一步被削弱 、厄爾尼諾下，大氣活動表現(xiàn)為沃克環(huán)流逆轉(zhuǎn)厄爾尼諾的成因目前尚未形成定論，不過普遍認為厄爾尼諾的前兆是西風爆發(fā)現(xiàn)象的出現(xiàn)。西風爆發(fā)現(xiàn)象是在熱帶印度洋-太平洋上空存在的一種劇烈的風場異?，F(xiàn)象，這種異常現(xiàn)象以西風為主，即赤道表面西風突然增大。西風爆發(fā)后，會使得赤道信風減弱。之后，西太平洋原先堆積的大量暖海水迅速向東擴展，導致西太平洋海溫降低，赤道東太平洋

7、海溫上升，厄爾尼諾現(xiàn)象由此形成。西部的暖水向東跑路，移動至中東部太平洋。導致熱帶中東部太平洋空氣受熱膨脹上升，氣壓降低。赤道西太平洋的水溫下降，空氣受冷下沉，氣壓升高。原來氣壓“蹺蹺板”下落的西端突然上升，風向因此改變。低空的西風逐漸發(fā)力，偏東的赤道信風也就由此進一步被削弱，有時甚至還會被偏西風完全抵消。因此，厄爾尼諾時期，如圖 5 所示，赤道太平洋地區(qū)的大氣環(huán)流表現(xiàn)為沃克環(huán)流的逆轉(zhuǎn)：赤道西太平洋地區(qū)的空氣反常下沉，東太平洋地區(qū)的空氣反常上升，赤道地區(qū)太平洋低空盛行偏西風，高空為偏東風。圖 5、厄爾尼諾下的大氣活動，沃克環(huán)流逆轉(zhuǎn)資料來源：NOAA， 整理圖 6、厄爾尼諾下的赤道信風削弱進程資料

8、來源：NOAA， 整理、2020 年 5 月，沃克環(huán)流正常，SOI 指數(shù)表明目前為中性氣候2020 年 5 月，高空盛行西風，低空盛行東風，沃克環(huán)流運轉(zhuǎn)正常根據(jù)赤道地區(qū)的高低空風向圖，當下沃克環(huán)流表現(xiàn)為：赤道地區(qū)高空盛行偏西風（圖 7），低空盛行偏東風（圖 8）。與正常情況時的大氣活動表現(xiàn)一致。圖 7、5 月，赤道地區(qū)高空盛行西風（2020 年 4 月 24 日-5 月 23 日）資料來源：NOAA， 整理圖 8、5 月，赤道地區(qū)低空盛行東風（2020 年 4 月 24 日-5 月 23 日）資料來源：NOAA， 整理2020 年 4 月，SOI 指數(shù)扭負為正，氣壓指數(shù)與正常氣候一致目前主要以

9、南方濤動指數(shù)（Southern Oscillation Index, SOI）對大氣狀況進行量化分析。SOI 指數(shù)衡量的是希提站和達爾文站的氣壓差，以希提站代表東南太平洋，以達爾文站代表印度洋和西太平洋（圖 9）。圖 9、南方濤動指數(shù)的氣壓站分布資料來源：NOAA， 整理若 SOI 持續(xù)為負，說明赤道地區(qū)太平洋西部氣壓升高，太平洋東部氣壓降低，對應于厄爾尼諾時的大氣異常表現(xiàn)。不過，SOI 是基于兩個單獨的站點的氣壓值，這意味著它可能受到短期（如每日或每周）的波動因素的影響，而這些波動可能與ENSO 事件無關。此外，目前對于 SOI 的閾值尚未有明確界定。因此，SOI 為負的持續(xù)時間對于判斷厄爾

10、尼諾更有效。歷史上 1997/1998 年度和 2015/2016 年度的厄爾尼諾發(fā)生期間，SOI 分別連續(xù) 11、 10 個月為負值。而 2020 年 1、2、3 和 4 月的 SOI 分別為 0.2、-0.1、-0.1 和 0.2， SOI 持續(xù)為負的時間僅有兩月，4 月 SOI 指數(shù)已經(jīng)扭轉(zhuǎn)為正，因此大氣指數(shù)說明目前為中性氣候。表 1、1997/1998 年、2015/2016 年、2019 年和 2020 年 SOI 指數(shù)對比SOI 指數(shù)1997 年1998 年2015 年2016 年2019 年2020 年1 月0.5-2.7-0.8-2.20.00.22 月1.7-2.00.2-2

11、.0-1.4-0.13 月-0.4-2.4-0.7-0.1-0.3-0.14 月-0.6-1.40.0-1.20.10.25 月-1.30.3-0.70.4-0.46 月-1.41.0-0.60.6-0.57 月-0.81.2-1.10.4-0.48 月-1.41.2-1.40.7-0.19 月-1.41.0-1.61.2-1.2資料來源：NOAA， 整理4、厄爾尼諾發(fā)生時期，中國南部地區(qū)降水增多、正常氣候?qū)袊戏窖紫?，厄爾尼諾下為涼夏厄爾尼諾對世界氣候影響最顯著的地區(qū)是熱帶，對熱帶以外地區(qū)的氣候也會產(chǎn)生不同程度的影響。下圖為 2015 年厄爾尼諾對全球天氣氣候災害的影響。圖 10、201

12、5 年的超強厄爾尼諾對世界天氣氣候的影響資料來源：中國氣象局， 整理雖然中國并不位于厄爾尼諾的中心區(qū)，而是位于它的邊緣地區(qū)，但厄爾尼諾作為影響氣候變化的強信號，是影響中國氣候變化的主要因素之一。正常氣候下，受夏季風和副熱帶高壓的影響，夏季中國南方高溫少雨，為炎夏。如下圖所示，2013 年和 2017 年的 Nino 3.4 指數(shù)位于-0.5+0.5之間，為正常氣候。2013、2017 年的 7 月，南方氣溫接近往常年份，或明顯偏高。而在厄爾尼諾年的夏季，中國南方降水偏多，為涼夏。Nino 3.4 指數(shù)連續(xù)超過閾值 0.5的年份為 2015 年和 2019 年，說明這兩年發(fā)生了厄爾尼諾現(xiàn)象。當年

13、 7月，中國南方降雨偏多，氣溫偏低。2012年1月2012年3月2012年5月2012年7月2012年9月2012年11月2013年1月2013年3月2013年5月2013年7月2013年9月2013年11月2014年1月2014年3月2014年5月2014年7月2014年9月2014年11月2015年1月2015年3月2015年5月2015年7月2015年9月2015年11月2016年1月2016年3月2016年5月2016年7月2016年9月2016年11月2017年1月2017年3月2017年5月2017年7月2017年9月2017年11月2018年1月2018年3月2018年5月201

14、8年7月2018年9月2018年11月2019年1月2019年3月2019年5月2019年7月2019年9月2019年11月2020年1月2020年3月2020年5月2020年7月2020年9月預計行業(yè)點評報告圖 11、2012 年至今 Nino 3.4 指數(shù)與中國不同年份 7 月溫度2015 年 7 月全國氣溫距平（）2019 年 7 月全國氣溫距平（）3.02.52.01.51.00.50.0-0.5-1.0厄爾尼諾正常狀態(tài)拉尼娜Nino 3.4 距平水溫（）2013 年 7 月全國氣溫距平（）2017 年 7 月全國氣溫距平（）資料來源：NOAA，中國氣象局，興業(yè)證券經(jīng)濟與金融研究院整理

15、請務必閱讀正文之后的信息披露和重要聲明- 9 -、沃克環(huán)流逆轉(zhuǎn)，干擾副高偏南，使中國夏季雨帶長期位于南方厄爾尼諾時期，中國夏季副熱帶高壓位置偏南，降雨北少南多厄爾尼諾發(fā)生后，赤道西太平洋對流活動減弱，氣壓升高。當年夏季，主要影響中國氣候的副熱帶高壓往往偏南，雨帶持續(xù)位于南方，對應降雨偏多。黃榮輝等學者（2019）發(fā)現(xiàn)，當菲律賓周圍熱帶西太平洋上空對流活動減弱時，西太平洋副熱帶高壓偏南。此時，長江流域梅雨強，經(jīng)常發(fā)生洪澇災害（圖 12 的下圖）。圖 12、厄爾尼諾下，副高偏南，中國南方?jīng)鱿馁Y料來源：從 Rossby 波能量頻散理論到準定常行星波動力學研究的發(fā)展， 整理對比正常年份和厄爾尼諾年副高

16、脊線的維度位置，厄爾尼諾年的夏季，副高普遍較往年偏南。如圖 13，2009-2019 年有三年發(fā)生了厄爾尼諾事件，分別為 2009 年、2015 年和 2019 年，這三年副高位置都偏南，緯度位置低于 2001-2019 年的副高夏季平均緯度值。圖 13、2009-2019 年的厄爾尼諾年份副高都偏南VALUEVALUEVALUE3530252015102009年2012年2013年2014年2015年2016年2017年2018年2019年6月副高脊線維度位置7月副高脊線維度位置8月副高脊線維度位置資料來源：中國氣象局， 整理注：圖中虛線為 2001-2019 年夏季副高平均緯度值夏季副高脊

17、線維度位置正常氣候下，夏季受多種因素影響，副高較少概率位置偏南不過，由于大氣系統(tǒng)非常復雜，某些正常氣候時期，夏季副高位置也會偏南。2014 年夏季為中性氣候，但受前期赤道中東太平洋海溫的升高影響，當年 7月下旬-8 月，熱帶西太平洋上升活動減弱（圖 14 右圖紅框內(nèi)），中國氣象局定義為厄爾尼諾狀態(tài)。因此中國副高偏南，當年中國南方降雨明顯偏多，氣溫降低。（崔童等，2015）圖 14、2014 年夏季為厄爾尼諾狀態(tài)，赤道西太平洋對流活動受抑制，南方降雨偏多，2014 年夏季降雨距平2014 年 7 月 21 日-8 月 31 日 OLR 距平圖資料來源：2014 年夏季我國氣候異常及成因簡析，中國

18、氣象局， 整理注：左圖為 2014 年夏季降雨距平，該值越大說明降水偏多。右圖為 2014 年 7 月 21 日-8 月 31 日 OLR 距平圖，該值越大，說明氣流上升活動受抑制，氣流盛行下沉運動，該值越小說明氣流上升運動活躍。2017 年夏季為中性氣候，副高位置偏南，汛期南方地區(qū)降雨偏多。但同時副高異常偏西（圖 15 右圖，5880 線以內(nèi)區(qū)域），面積大，長期控制南方大部。在副高區(qū)內(nèi)，天氣晴朗，因此南方各地不在汛期階段時，夏季高溫，且持續(xù)高溫時間超過雨季。（鄭志海，2018）副熱帶高壓圖 15、2017 年夏季南方降雨偏多，但當年副高異常西伸，南方多地長期位于副高區(qū)內(nèi)，高溫少雨2017 年

19、 7 月氣溫距平2017 年 7 月 500hPa 高度場資料來源：中國氣象局， 整理注：左圖為 2017 年 7 月氣溫距平圖；右圖為 2017 年 7 月 500hPa 高度場，5880 線以內(nèi)為副熱帶高壓。結(jié)論是，厄爾尼諾下，熱帶西太平洋氣流上升活動減弱，影響副高偏南，中國夏季雨帶停留在南方，降雨偏多。、厄爾尼諾對應南方?jīng)鱿模? 月空調(diào)內(nèi)銷增速下滑，零售占比下降正常氣候下，7 月空調(diào)內(nèi)銷同比正增長，厄爾尼諾下則為負增長正常氣候下，7 月中國南方“出梅”，高溫少雨，空調(diào)內(nèi)銷量往往同比增長；而在厄爾尼諾影響下，7 月中國南方?jīng)鱿?，?nèi)銷下滑明顯：厄爾尼諾：2015 年 7 月，空調(diào)內(nèi)銷 150

20、3 萬臺，同比-17%；2019 年 7 月，空調(diào)內(nèi)銷 2264 萬臺，同比-3%中性氣候：2013 年 7 月，空調(diào)內(nèi)銷 1709 萬臺，同比+16%；2017 年 7 月，空調(diào)內(nèi)銷 2668 萬臺，同比+42%圖 16、對比不同氣候類型下，空調(diào)內(nèi)銷增速1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月 11月 12月140%120%100%80%60%40%20%0%-20%-40%-60%2013年（中性氣候） 2015年（厄爾尼諾）2017年（中性氣候） 2019年（厄爾尼諾）資料來源：產(chǎn)業(yè)在線， 整理相比正常氣候時期，厄爾尼諾下 Q3 空調(diào)出貨占比少2013 年和 2017 年，夏季南方高溫，7 月空調(diào)出貨量占比最高，此外Q3 零售占比明顯高于厄爾尼諾年。圖 17、零售量月度分布，上兩圖涼夏和下兩圖炎夏的對比14.1%13.0%11.3%13.6%11.0%9.2%7.2%5.2% 5.0%4.0%4.5%1.9%Q3 占比：24%中怡康：2019年零售量出貨月度分布中怡康：2015年零售量出貨月度分布16%14%12%10%8%6%4%2%0%1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8