譯自美國海洋大氣總署 PMEL 中心專文
http://www.pmel.noaa.gov/toga-tao/el-nino/el-nino-story.htm
壹、海洋對氣候的重要性
海洋對地球氣候和人類生存環境非常重要，因為地球有三分之二表面為海洋所覆蓋。由於海水的密度與熱容量較空氣為大，且有良好的流動性與極低的透光率，所以海洋是地球上巨大的太陽能「吸熱器」、「分配器」以及地球外殼溫度的「調節器」。海洋調節了全球氣候，並對全球熱量重新分配，海洋對二氧化碳的吸收作用，減緩了全球二氧化碳的增加速率及溫室效應的影響，如果沒有海洋對熱量及二氧化碳的調節作用，地球將只有酷熱和嚴寒的兩極化天氣型態。海洋中的蒸發與海氣交互作用過程的任何異常，都會影響陸地上的降雨，造成洪水氾濫或乾旱，人們也開始注意到海洋對全球長期氣候造成的演變，如果要使全球性氣象預報得到進一步改善，人類就需要多增進對海洋的了解。
貳、什麼是聖嬰(El Nino)現象
El Nino(西班牙文意為聖嬰)這個名詞是源自於南美厄瓜多爾與祕魯海洋的漁民用來稱呼通常發生在聖誕節前後一個可持續數月之久的溫暖海流,在這段期間漁獲量大幅減少，因此漁民通常利用這個時候整修他們的漁具，並與家人共享天倫之樂。奇怪的是在某些年海水會特別的溫暖，而且休魚期一直持續到五月甚至到六月,久而久之，”聖嬰”這個名詞就被用來代表這些特別溫暖的海流發生期間，它不但影響了當地漁民的正常作息，同時也為當地帶來豪雨。
聖嬰事件是熱帶太平洋海洋-大氣系統的一種異常現象，對全球氣候造成極重要的影響。這些影響包括南美洲祕魯及美國南部降雨量增加，引發破壞性的洪水，並造成西太平洋地區(如印尼、印度、澳洲等地)大乾旱，甚至在澳洲引發大火。故赤道太平洋海況觀測已成為預測短期(數月至一年)氣候變化的重要工作。為了提供必要的資訊，美國海洋大氣總署(NOAA)，維持了一組海況觀測浮球網（TAO），能量測赤道帶狀海域的海水溫度、海流及風場。這些浮球每天自動將資料即時傳到全球研究人員及預報人員的手上。
圖一、正常年與聖嬰年海氣互動示意圖
圖一內上圖顯示在一般正常情況時，貿易風由太平洋東岸沿著赤道太平洋吹向西岸，這些風帶來的溫暖表層水在西岸堆積，因而使印尼的海面平均比厄瓜多爾高50公分，西岸的海水表面溫度比東岸高8℃。由於東岸南美的低溫水是來自深層海水的湧升流，這些冷水團含豐富的營養鹽，孕育著高度的主要生產者、豐饒的海洋生態和主要漁場。降雨只見於暖水團蒸發上升的外海海域，而太平洋東岸則相對地極為乾燥。在西經110°處的海水溫度剖面可見17℃左右的冷水(圖二中黑色帶狀)在冬天時上移至50公尺左右深度位置。
圖二、赤道海域(西經110度)的風場與溫度時序圖
在聖嬰事件發生期間，太平洋中部及西岸貿易風減弱造成海水斜溫層東岸下降西岸則上升，圖二顯示17℃的等溫線降至150公尺，使湧升流上升的效率降低並切斷了極富營養鹽的斜溫層水上升至海表的機會，造成海水表面溫度的上升以及食物鏈主要生產者突然枯竭，對較上層食物鏈營養來源產生不利影響，當然也包括人類在此區域的漁獲量。從圖一內下圖也可以清楚地看到在聖嬰事件時貿易西風減弱，降雨也隨著溫暖的海水向東岸移動，造成前述的祕魯洪水及印尼、澳洲的乾旱，這個大氣熱源與溫暖的海水就是造成全球氣候變遷的主要原因。
圖三、NOAA的TAO海洋觀測網的海象觀測浮球所測得1991年(正常年)元月份溫度與溫度異常值
聖嬰事件可以從赤道太平洋的海水表面溫度的量測來觀察。圖三是NOAA的TAO海洋觀測網的海象觀測浮球所測得1991年(正常年)元月份溫度與溫度異常值，圖四則是1992年(聖嬰年)相同月份的結果。從圖三中可以很明顯地看到太平洋西岸溫暖的海水及東岸所謂的”冷水舌”的冷水構造(圖三上)，西太平洋的風非常弱，東岸則可見強勁的貿易風(圖三上箭頭)吹向印尼。圖三下是1991年元月溫度異常值(與所有正常年元月平均值的差值)，沒有看到任何溫度異常現象。
圖四、NOAA的TAO海洋觀測網的海象觀測浮球所測得1992年(聖嬰年)元月份溫度與溫度異常值
1992年元月也是聖嬰事件高峰期，溫暖的海水由太平洋西岸向東岸流竄，”冷水舌”的構造不明顯，西岸原本微弱的風突然增強吹向東岸，將溫暖的海水推擠到東岸，從溫度異常值可以清楚看到太平洋中部的海表溫度較正常年升高了約2℃左右。
圖五： 清楚顯示 1986-87、1991-92 等聖嬰年份，東太平洋（右側）海水溫度的顯著升高。
第一件值得注意的是在太平洋東岸藍色的干貝狀水團這就是圖三中的”冷水舌”，每年冬天在該水域出現，”冷水舌”是隨季節變化而變，北半球春天時最溫暖、秋天時最冷。圖左的紅色區域是太平洋西岸常見的暖水團。聖嬰事件在圖中被誇大了，這種季節變化例如1986-87的聖嬰事件可以看到溫暖海水在1987年春天存在於東岸，同樣地在1992年春也可以觀察到1991-1992的聖嬰事件。
從圖五右圖溫度異常圖更可以清楚地看到聖嬰事件的發生。溫度異常圖顯示海水表面溫度與平常年每個月溫度差值有多大，深色(實線)部分顯示海水溫度明顯較平常溫度為高，深色(虛線)部分則表示較平常溫度為低，圖的右邊(太平洋東岸)可以非常清楚看到在聖嬰事件發生時(1986-1887、1991-1992、1993及1994年)海水溫度較平常為高。
參、聖嬰事件的影響
在過去的40年間，九次的聖嬰事件影響了南美洲的海岸，其中大部分的聖嬰事件期不但讓南美海岸的海水溫度升高，還包括加拉巴哥(Galapagos)群島及橫跨赤色太平洋一條綿延5000哩的帶狀海域。海水溫度如果只有升高華氏1-2度，對南美漁民的影響就很小，但像1982-83年最大的一次聖嬰事件甚至造成全球氣候變遷。
1982-83的聖嬰事件是本世紀以來最強烈的一次，在當時不但未被預測，甚至發生初期也未被科學家們發現。這次事件之開始可以回溯到1982年5月，當由東向西的信風(通常由加拉巴哥群島一直延伸至印尼)開始變弱時，國際換日線以西地區風向轉為由西向東，在南美沿岸如暴風雨般的天氣期開始形成。
接下來的數個星期，海洋開始對風速風向的改變有所回應，位於太平洋中的聖誕島(Christmas island)的海平面上昇了好幾吋。到了10月份，上升的海水一直綿延6000哩到厄瓜多爾海岸，使得海平面上升約達30公分，在此同時西太平洋地區的水位遽降，造成許多島嶼的珊瑚礁上層露出水面，厄瓜多爾海岸的海水表面溫度由原來的21℃增高至26℃。
這些巨大的赤道太平洋變化立即影響到海洋生態，如聖誕島上的海鳥因海平面上升，放棄了它們的幼鳥，重新在茫茫大海上找尋新的食物來源，等到1983年中聖嬰事件過後，祕魯海岸25%成年海瀨、海獅及所有的幼獅全數死亡。許多魚類也受到幾乎滅種的傷害。從智利到英屬哥倫比亞的海岸，也因為海水溫度的增高可以見到原本只在赤道或亞熱帶出沒魚類的蹤影。
陸地上也產生了相同程度的影響。厄瓜多爾及祕魯北部6個月間降雨量達254公分，把原本海岸沙漠變成湖泊密佈的草原，清蔥的草原吸引了大批昆蟲，昆蟲則使得蟾蜍及鳥類的數量暴增，這些新的湖泊也居住了一些因暴雨時逆流而上的魚類，這些魚在湖泊乾涸時，則成了當地居民意外的收入。在某些暴雨河口，蝦子捕獲量與以蚊子為媒介引發的瘧疾也創下紀錄，這些例子顯示1982-83的聖嬰事件其影響至深且鉅。
肆、聖嬰事件與海洋氣象之間的關係
這些發生在全球各地的氣候突變與聖嬰事件之間的關聯性目前已臻完備。科學家曾花費了許多時間去了解如何把這些如同拼圖般一片片的事件─從海流到風及豪雨─逐步拼湊在一起。10年前，英國科學家吉爾伯渥克爵士提供了第一個線索。
圖六、赤道太平洋地區氣壓圖
1920年代，當南美的科學家正忙於研究聖嬰事件的區域性影響，渥克正在印度從事亞洲季風預測的研究，當他整理全球天氣紀錄時，他發現太平洋東西兩岸的氣壓計讀數有著極大的關連性。當東岸的氣壓上升時，西岸的下降，反之亦然。於是他提出”南太平洋振盪(Southern Oscillation)”一詞,戲劇化地說明在南太平洋氣象站氣壓計讀數像蹺蹺板的上下振盪現象。當這蹺蹺板在”高檔(high-index)”(傾斜的很厲害)時，東太平洋氣壓高、西岸則低(如圖六上圖所示)，這個東西向的壓力差主導著這個由東向西的赤道信風，當這個蹺蹺板在”低檔”狀態時赤道信風變弱(如圖六下圖)，國際換日線以西，西向的信風則完全消失，以東則明顯減弱。
渥克注意到低檔(Low Index)發生在季風強盛季節時，經常造成澳洲、印尼、印度及非洲部份地區乾旱，他同時斷言在低檔時，加拿大西部的冬天氣候通常較溫和。他的一位英國同事告訴他，從印出的天氣圖中可以看出整個地球的天氣是相互關連的，在渥克的回覆中預言，只要再有多一些陸上觀測的風場資料就能對這種現象作更進一步的解釋，但陸上觀測資料在當時並非例行性的而且也不夠充分。
在接下來的10年中，研究人員為這幅南大洋振盪的拼圖加入了更多更完整的小塊，例如世界衛星遙感探測資料為渥克在中太平洋赤道上沒有資訊的區域加入了重要的一片。根據正常的氣候統計，這些沙漠小島的年雨量應該與其他蒼鬱的小島相同，為什麼它們會如此荒瘠呢？當仔細核對每年各季的降雨量紀錄，答案就非常清楚了。因為事實上在正常年的時候，這些小島的雨量少得可憐，甚至沒有。當太平洋氣壓在低檔時，這些小島的雨量就十分驚人，因此，渥克的壓力蹺蹺板與赤道雨量分佈的巨量變化就發生密切的聯繫。
1960年代末期，加州大學教授Jacob Bjerknes又加入了另一塊重要的拼圖。當他在挪威還是個年輕的科學家時，曾發表他第一篇清楚且易懂的有關暴風在赤道的生命週期，現在，50年後的今天，他是第一位看出海水表面溫度升高，貿易風轉弱及暴雨與伴隨的低檔現象之間的關連性，他的重大發現讓人們了解到聖嬰年的溫暖海水與渥克南大洋振盪的氣壓蹺蹺板是同一現象的一部份，於是人們就簡稱這兩件事為ENSO。
聖嬰事件的發生並不像季節的變換那樣的具有規律性，它發面的間隔是不規則的(從2年到10年)，而且沒有任何一次的聖嬰事件是完全相同的。例如前面所提的1982-1983的聖嬰事件讓科學家們吃驚的是它不像過去30年間發生的聖嬰事件一樣，在赤道會先有一段時間的貿易風增強，而且它發生的時間也較平常為晚，所以讓科學家們以為那一年是正常年。
為了避免重蹈覆轍，科學家開始從下列管道持續蒐集過去任何與此有關的線索:
- 海水表面溫度記錄，許多經過赤道的商船其對海水溫度量測的記錄已超過一個世紀。在祕魯海岸的研究船也從1930年代起開始例行性的海溫報告。
- 每日氣壓及降雨量的紀錄。
- 有些測站如達爾文、澳洲的紀錄也超過了100年。
- 南美洲漁獲量紀錄。
- 西班牙人15世紀在祕魯及厄瓜多爾殖民統治期間的文獻。
一、風、湧升流及食物鏈
要了解聖嬰事件對海洋的影響，首先必須先了解在正常年時海表的風是如何讓海水流動，以及這種海水運動對海水溫度的作用及帶來大量極高營養物以供養食物鏈。有關湧升流的討論我們分為赤道湧升流及沿岸湧升流(祕魯及厄瓜多爾海岸)兩部分來討論。
圖七、赤道湧升流
赤道信風(圖中淺色箭頭)拖動表層海水沿著赤道向西流動。因地球自轉產生的科氏力效應，在北半球會在海流運動方向產生向右的分量，在南半球則向左，使得赤道的表層海水向左右兩邊離開赤道，並把下層海水帶了上來(如圖中向上箭頭)。接著，風造成溫暖的海水堆積在太平洋西岸，因溫暖的海水密度較低，且當風力強盛時西岸海平面較東岸高約50公分標示著溫冷水界面的斜溫層在整個赤道呈傾斜狀態，到太平洋東岸幾乎到達海水表面。
圖八、沿岸湧升流
強勁的東南風在祕魯海岸極為強盛(在平常或聖嬰事件時期相同)，吹動表層海水向西北方流動，極富營養鹽的底層海水(深藍色)沿著南太平洋東岸向上湧升(圖八)。
斜溫層下的冷水團極富營養鹽，當層次深度很淺時，這些營養物就會被海表的風將之與表層海水攪拌，加上日光照射時，浮游植物就能製造綠色植物物質(葉綠素)，這些浮游植物如開花般瞬間，大量成長把所有湧升的養份在一週內用完，接著它們死亡並下沉，在這麼簡短的生命週期中，它們在衛星照片上就會形成一片綠色區域的海水，正好像用綠筆標註哪裏有湧升流把營養鹽帶至海表，從衛星的紅外線影像可追蹤這些冷水團達數週之久，也可以很清楚地看到”冷水舌”的構造。
因此，風控制了湧升流的發生，湧升流控制了浮游植物的生產，接著浮游植物滋養了浮游動物，成為海洋食物鏈的上層生產者。
二、當貿易風變弱時
圖九、赤道信風減弱時對赤道太平洋的影響
在聖嬰年期間，當貿易風轉進至太平洋東岸，海洋會發生下列情形
- 沿著赤道的斜溫層漸趨平緩，西岸的斜溫層上升、東岸的下降至海面下150公尺左右，其深度足以抑制沿岸湧升流的形成。
- 赤道湧升流減緩，切斷了食物鏈營養鹽的供給
- 赤道冷水舌減弱或消失。
- 海水面變平，西岸下降東岸上升，表層海水沿赤道由西向東流動。
當這股較溫暖海水在數月之後到達東岸，受地形影響被迫向北或向南轉向，使得沙丁魚及其他魚類可隨著洋流遷移，最北可達加拿大，南可抵智利中部。
三、海洋如何影響風
海洋及大氣一直進行著永不停息的對話，彼此互相聆聽及有所回應。截至目前為止，我們都只看到風對海洋的影響，但當海水表面溫度升高後就輪到海洋來影響風了。當貿易風強盛時，沿著赤道太平洋的湧升流會將海表的空氣變冷，冷空氣由於密度大因此無法升至高空形成水蒸氣並冷凝成雲及雨珠，造成赤道帶晴空萬里大量的降雨只侷限在太平洋最西岸靠近印尼附近。
圖十、聖嬰事件重新安排了赤道太平洋的雨量分布，上圖為平常年，下圖為聖嬰年
當聖嬰事件發生初期貿易風開始變弱時，湧升流變弱、海水變溫暖、海表面空氣也隨之溫暖，因此能形成厚重的雲層，為赤道太平洋帶來豐沛的雨量，海水溫度的改變也造成主要降雨區由西太平洋地區向東移，也造成中部及東部赤道太平洋地區氣壓降低，印尼、澳洲地區氣壓升高，更造成貿易風減弱甚至轉進到東岸。
這種海氣交換的方式，會因為任何一方送出較強的訊息而讓彼此的交互作用更加密切，所以原本很小的海氣交換會因聖嬰事件的發生而被放大，很難說誰得為交談氣氛的改變負責，或精確地判定誰先改變了話題，且通常也很難判定海氣系統的巨大變化是否為引發聖嬰事件的發生原因。
圖十一、聖嬰事件重新安排赤道太平洋的雨量分布更詳細的示意圖，上圖為平常年，下圖為聖嬰年
伍、結論
從本文我們了解聖嬰事件的成因，以及它如何影響太平洋海洋生態與全球氣候型態，也了解海洋氣象的變遷對人類生活的影響。科學家們現在正進一步結合對聖嬰事件及其影響的資訊，加入數值預測模式，將現在的海洋大氣狀況輸入後，以預測聖嬰事件的發生及其可能造成的影響。
