加利福尼亚州种植的西红柿、西兰花和杏仁占美国消费量的 90% 以上，以及许多其他食物。这些作物需要大量的水。2015 年春天，在经历了连续四年的冬季少雨后，该州正遭受严重的干旱。水库水位远低于容量，地下蓄水层被大量开采。山区积雪是春季和夏季融水的重要来源，但在许多地区几乎消失殆尽。
因此，当美国国家海洋和大气管理局宣布厄尔尼诺气候模式正在太平洋上形成时，加利福尼亚州的农民及其邻居们对此表示关注也就不足为奇了。传统观点认为，厄尔尼诺现象会给这个黄金州带来充沛的降雨。
厄尔尼诺现象是热带太平洋海面水温变暖和降温周期中变暖的一半。该周期大约每三到七年重复一次；降温的一半称为拉尼娜现象。当这两种现象中的任何一种出现时，通常会持续六个月到一年。在厄尔尼诺现象期间，温暖的海水会加热其上方的空气，从而导致大气环流发生变化，影响整个世界。我在美国国家海洋和大气管理局进行气候研究，我们通常可以在厄尔尼诺现象或拉尼娜现象对其全球天气产生最强影响之前就预见到它们。
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加利福尼亚人的期望很高，然而，通常在厄尔尼诺现象期间那里和其他地方发生的影响并非总是发生。自美国国家海洋和大气管理局于 1950 年开始追踪厄尔尼诺季以来，只有大约一半的厄尔尼诺季在加利福尼亚州的雨季（12 月、1 月和 2 月）带来了高于平均水平的降水。在某些情况下，其影响与预期相反。预报员已经擅长预测正在形成的厄尔尼诺现象或拉尼娜现象，但他们仍在努力预测可能由此产生的区域天气变化。
2015 年初，随着加利福尼亚州进一步干旱，预报员面临着几个迫切的问题：即将到来的厄尔尼诺现象会是大的吗？它会拯救加利福尼亚州吗？就此而言，它会加剧太平洋地区的飓风并减少大西洋地区的飓风，烘烤澳大利亚，助长印度尼西亚的森林火灾，还是像过去的一些厄尔尼诺现象那样，使即将到来的东北部冬季消失？我们能提前知道吗？
能够回答这些问题将极大地帮助农民、预报员、应急计划人员和公众为极端天气做好准备，调查人员正在努力确定所需的数据。然而，正如最近一次极端厄尔尼诺现象的展开过程所表明的那样，这门科学很棘手。
2015 年 3 月：厄尔尼诺现象来了
正在形成的厄尔尼诺现象的早期迹象出现在海面下。热带太平洋上的风通常从东向西吹——这是可靠地将帆船运过浩瀚海洋的信风。这些风使太平洋东部和中部的地表水略微凉爽，并将温暖的海水堆积在西部，朝向印度尼西亚。有时，这些风会减弱，使缓慢的暖西水波开始沿赤道向东向南美洲传播，持续数月。这可能会引发厄尔尼诺现象或助长已经开始的厄尔尼诺现象。
对我和其他气象学家来说，看起来 2015 年正在形成的厄尔尼诺现象将是一个大的。在过去的几个月里，我们看到热带太平洋（包括太平洋中部的尼诺 3.4 区域）的海面温度高于平均水平，我们将其追踪为一个领先指标。然而，厄尔尼诺现象是海洋变化与大气变化耦合现象（厄尔尼诺/南方涛动）的一部分，因此我们也在监测大气，以寻找大气正在对这些升高的海洋温度做出反应的迹象。
即使仅仅比平时高几度的水也蕴含着巨大的热量，这会加热海洋上方的空气，从而将海洋的变化与大气耦合起来。在厄尔尼诺现象期间，较温暖的中东太平洋取代了沃克环流这种大气模式的引擎。随着潮湿空气上升的强大来源现在向东移动得更远，地表风减弱，有时甚至完全逆转并从西向东吹。这种大气反应就是南方涛动，它对于厄尔尼诺现象至关重要，有助于其维持和加强自身。
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图片来源：乔治·雷斯泰克（插图），珍·克里斯蒂安森（地图）；来源：美国国家海洋和大气管理局（地图）
3 月，较温暖的热带太平洋的影响已经显现。沃克环流正在减弱。我们还看到热带太平洋上空出现西风爆发，这可以鼓励较温暖的地表水向东移动。太平洋深处的热量也很高，这可能有助于延长大气耦合。在观察了 12 个月后，美国国家海洋和大气管理局发布了厄尔尼诺现象咨询报告。游戏开始了。
2015 年 5 月：概率上升
到 5 月，美国国家海洋和大气管理局已确定，当前的厄尔尼诺现象有 90% 的可能性会持续到夏季，有 80% 的可能性会持续到 2015 年年底。该机构对其预测充满信心，因为赤道太平洋的海面温度在 4 月份仍然明显高于平均水平。海洋上层 300 米以下的水也是如此。大气反应也得到了加强。
但是我们会看到什么样的天气影响呢？加利福尼亚州会发生什么？厄尔尼诺现象通常在初冬对其温度和降雨产生最强的影响，而当时离初冬还有六个月的时间。一些迹象表明，这次厄尔尼诺现象将像过去的其他强厄尔尼诺现象一样。澳大利亚的干旱和热浪正在抬头（秋季正在让位于那里的冬季）。西太平洋的飓风季开局强劲，到 5 月份已有七个被命名的风暴；平均为两个。
2015 年 7 月：全面展开
7 月开始时，几乎所有的计算机模型都达成了一致，海洋和大气继续按计划运行。厄尔尼诺现象已经确立，预报员确信它将变得非常强烈。尼诺 3.4 区域的三个月平均海面温度预计将达到接近历史最高水平，与之前两次最强的厄尔尼诺现象（1997-1998 年和 1982-1983 年）持平。
记得 1997-1998 年冬季的南加州人预计会迎来猛烈的风暴和巨浪。在 1982-1983 年和 1997-1998 年的厄尔尼诺现象期间，冬季条件使太平洋副热带急流（美国上空大气高层中一股自西向东流动的气流，通常会影响天气）向南移向南加州。强大的风暴从温暖的海水中获得水分，带来了充沛的、足以填满水库的降雨——以及沿海潮湿地区的山体滑坡。
农民和居民希望新的厄尔尼诺现象能在 12 月带来充沛的降水。预报员给出了 60% 的可能性，即在即将到来的 2015-2016 年冬季，南加州地区以及墨西哥湾沿岸各州将看到降雨量达到历史记录的后三分之一。这一预测部分是通过监测包括厄尔尼诺现象在内的几种不同信号，并将它们与过去的趋势进行比较，以查看某种结果的几率是否可能正在发生变化而得出的。
2015 年 10 月：意想不到的风
10 月，加利福尼亚州的希望很高。我们正接近 2015-2016 年厄尔尼诺现象的顶峰，它仍然在我们记录的最强之列。然而，我们看到了一些意想不到的事情。维持高海面温度非常重要的太平洋赤道沿线的地表风，其减弱程度不如过去强厄尔尼诺现象期间那么大。在 1997-1998 年，风减弱得非常厉害，以至于在 10 月和 11 月期间逆转，从西向东吹，将更多的温暖海水从远西太平洋移入中太平洋，从而助长了厄尔尼诺现象。
我们人类倾向于期望在一定情况下结果总是相同的，但变异性在自然界中一直存在。在加利福尼亚州北部沿海地区，强厄尔尼诺年平均每个冬季有大约 40 个雨天，而非厄尔尼诺年平均每个冬季有大约 26 个雨天。然而，1965 年冬季是六次最强厄尔尼诺现象之一，其雨天少于非厄尔尼诺年平均水平。在全球变暖的时代，我们也不禁要问，这是否也在其中发挥了作用。如果是这样，那么厄尔尼诺现象影响的预测将变得更加困难。
2016 年 1 月：情况复杂
到 1 月，厄尔尼诺现象已经取得了一些令人印象深刻的数字。12 月，尼诺 3.4 指数突破了当月纪录，比平均水平高出 2.32 摄氏度，超过了 1997 年 12 月的 2.24 摄氏度。然而，厄尔尼诺现象最终是在季节性时间尺度上衡量的，因此我们真正关注的是三个月海面温度异常（偏离长期平均水平）的平均值。从 2015 年 10 月到 12 月，异常值为 2.3 摄氏度，与 1997 年并列第一。
在加利福尼亚州以外，厄尔尼诺现象的影响大多如预期般发生。东非在“短雨”季节（10 月至 12 月）的降雨量比平时多得多。南部非洲持续干旱。乌拉圭、巴西南部和巴拉圭经历了大量降雨，南美洲北部一直干旱。
澳大利亚典型的厄尔尼诺现象影响是 7 月至 12 月期间大陆大部分地区干旱，但在 2015 年，除了澳大利亚东部部分地区外，降雨量没有明显的减少。可能是创纪录的温暖印度洋产生了强烈的抵消作用——提醒人们气候系统有许多运动部件，因此厄尔尼诺现象的预期影响并不能得到保证。
离家较近的东北部地区非常温暖，正如预期的那样。我在美国国家海洋和大气管理局的同事米歇尔·莱勒厄ux在她的博客中写道：“我的大家庭有史以来第一次在华盛顿特区地区我姑姑的露台上进行了圣诞礼物交换……我们放弃了热苹果酒，转而选择了热带饮料。我们中的一些人穿着 T 恤和凉鞋。我们和狗一起玩耍。”
与澳大利亚一样，厄尔尼诺现象并不是华盛顿异常天气的唯一原因。被称为北极涛动（以环绕北极的风“极地涡旋”为代表）的大气模式已进入强状态。与最近的一些冬季（当时涡旋较弱，导致冷空气涌入美国）不同，在 2015 年 12 月，涡旋一直很强，将寒冷的空气困在遥远的北方，并允许来自美国南部的暖空气向北漂移。
其他几种非厄尔尼诺现象的海洋和大气现象也可能影响了全球某个地区的天气。其中之一是马登-朱利安涛动（MJO），这是一个风暴区，它围绕赤道环绕，向东移动并持续数周。它可以暂时增强厄尔尼诺现象的影响，但也可能减弱其影响。正如我在 1 月份写道，“显然，MJO 和厄尔尼诺现象如何相互作用以增强或减弱对方的问题仍在争论之中。”
还有太平洋年代际涛动，它是指北太平洋东部和西部海面温度之间的一种关系，通常持续 15 年或更长时间，然后切换到不同的状态。所有这些模式都相互影响。当然，气候变化是一个不确定因素，它可能会以仍然不可预测的方式影响所有这些模式。
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图片来源：珍·克里斯蒂安森；来源：美国国家海洋和大气管理局（温度和降水数据）；菲利普·克洛茨巴赫（飓风数据）
莱勒厄ux温暖的圣诞节，以及整个北美东部地区异常温暖的 11 月和 12 月，似乎源于厄尔尼诺现象、北极附近被封锁的冷空气和活跃的马登-朱利安涛动的结合，以及很大一部分甚至无法用这些因素来解释的因素。尽管每日报纸上的耸人听闻的头条新闻和电视天气预报员的大胆声明都说厄尔尼诺现象是造成极端天气的原因，但不可能指着一场单独的风暴、一次寒潮或一次热浪并说：“那是厄尔尼诺现象。”厄尔尼诺现象会影响背景状态，因此一系列天气事件可以部分归因于厄尔尼诺现象，但不能归因于单独的事件。
在加利福尼亚州，人们迅速失去了厄尔尼诺现象将有助于缓解干旱的希望。12 月和 1 月初加利福尼亚州北部的降雨量高于平均水平，但该州南部一半地区的降雨量却在平均水平左右。一连串来自太平洋的风暴终于在一月份的最后三天到来，这是由所谓的“大气河流”带来的，这条“大气河流”的水汽直接从热带地区流向美国西海岸。它给内华达山脉带来了相当大的降雪，人们认为这可能会在春季晚些时候融化时带来好处。
“当然，一个月的潮湿天气不会消除加利福尼亚州的干旱，”我的另一位美国国家海洋和大气管理局的同事汤姆·迪·利伯托在他自己的气候博客中写道。“虽然加利福尼亚州的一些内陆地区以及加利福尼亚州北部记录了高于平均水平的降水量，但包括从圣巴巴拉到圣地亚哥的沿海走廊在内的南部地区，降水量却不到正常水平的 75%。”他总结说，暴雨将“需要更频繁地发生才能使今年的降水量恢复正常”，更不用说克服自 2011 年以来累积的水库和蓄水层短缺了。
即使是强厄尔尼诺现象也不能保证加利福尼亚州有充足的降雨。它只是增加了那里冬季降雨量高于平均水平的几率。
在大西洋中部度过温暖的圣诞节之后，1 月份那里下起了雪，导致国会山关闭了两天。天气再次变得怪异。公众很容易对厄尔尼诺现象大肆宣传，但同样，将一场单独的风暴归因于一种气候影响，尤其是像东北风暴这样复杂的风暴，是根本不可能的。尽管华盛顿特区有记录的前 10 大暴风雪中至少有 6 次发生在厄尔尼诺现象期间，但要形成 2016 年的暴风雪，必须有许多因素共同作用。它们包括寒潮、为风暴提供水汽的温暖大西洋水域和强大的锋面系统。厄尔尼诺现象的指纹可能存在于其中一些因素中，但很难区分出来。在厄尔尼诺现象期间，副热带急流确实倾向于引导风暴穿过墨西哥湾沿岸各州，以及佐治亚州和卡罗来纳州，但它们通常在马里兰州和弗吉尼亚州以南离开大西洋。然而，在某些风暴期间，急流会向北弯曲到华盛顿特区，这对于厄尔尼诺现象条件来说有些不寻常，但并非闻所未闻。
2016 年 3 月：三巨头
到 3 月，我们已经看到了足够多的情况来回应大众媒体中关于美国和世界正在经历有史以来最强厄尔尼诺现象的广泛说法。我们拥有 2015-2016 年的完整数据集，可以将其与另外两次最大的厄尔尼诺现象（1982-1983 年和 1997-1998 年）的数据进行比较。它绝对是自 1950 年以来最强的三次厄尔尼诺现象之一，但对厄尔尼诺现象进行排名很困难，因为强度可以用不同的方式来衡量。
我们在美国国家海洋和大气管理局使用的主要数字是海洋尼诺指数，它显示了尼诺 3.4 区域的三个月平均海面温度偏离长期平均温度的程度。2015 年 11 月至 2016 年 1 月的该值为 2.3 摄氏度，与 1997-1998 年持平。我们还会关注海洋的其他区域，包括东太平洋（1997-1998 年较温暖）和西太平洋（2015-2016 年较温暖）。我们还会考虑厄尔尼诺/南方涛动的第二部分，即对海洋温度至关重要的大气反应。总体而言，1997-1998 年期间的大气反应强于 2015-2016 年期间。
至于冬季天气和气候，所有三个案例都出现了一些类似的结果，但也存在一些值得注意的例外情况。其中包括：加利福尼亚州北部获得了该州大部分的降雨，而不是南加州。确定这种模式为何与过去强厄尔尼诺冬季不同，将使气候研究人员在未来几年内忙碌起来。许多潜在的组成部分在起作用，包括今天世界海洋比过去两次强厄尔尼诺现象期间温暖得多。短期混沌效应始终存在于天气系统中，这确保了即使一个厄尔尼诺现象看起来与另一个厄尔尼诺现象完全相同，但其对天气的影响也未必相同。
进入拉尼娜现象？
在美国国家海洋和大气管理局首次宣布厄尔尼诺现象一年后，该事件正在结束。2016 年 2 月，整个赤道太平洋大部分地区的海面温度异常值有所下降，而且地下大量高于平均水平的温暖海水也有所减少。
3 月，情况也看起来很可能在初夏过渡到中性状态，大约有 50% 的可能性拉尼娜现象会在秋季开始。自 1950 年以来，拉尼娜现象在 10 次中等和强厄尔尼诺现象中的 6 次之后出现，但该样本量太小，无法做出有信心的预测。
我们的计算机气候模型也很难在春季（特别是 3 月至 5 月）做出准确的预测，因为厄尔尼诺现象和拉尼娜现象通常在春季减弱，转变为中性状态。北美洲在这一过渡季节的天气变化很大，这通常会淹没来自这两种现象的信号。
然而，大多数模型都认为拉尼娜现象将在今年秋季发展。4 月，美国国家海洋和大气管理局发布了拉尼娜现象观察预警，到 8 月，我们已确定拉尼娜现象有 50% 的可能性会在秋季发生。计算机在处理最新数据后发现，太平洋的海面温度将继续下降，可能会超过拉尼娜现象的阈值（低于平均水平 0.5 摄氏度）。此外，低于平均水平的冷水正在整个太平洋沿赤道线下方积聚。有趣的是，尼诺 3.4 区域的地下水在 1998 年达到了创纪录的低温——紧随 1997-1998 年的强厄尔尼诺现象之后。
在美国，拉尼娜现象的影响大致与厄尔尼诺现象相反，但并非完全如此。拉尼娜现象以其自身的方式改变了西风带和急流。除其他外，它倾向于为大西洋飓风的发展创造有利的环境。美国国家海洋和大气管理局于 8 月发布的官方飓风季展望更新预测，由于其他因素也在起作用，北大西洋飓风季将为典型或高于平均水平。加利福尼亚州的拉尼娜冬季往往是干燥的。
涛动
尽管厄尔尼诺现象声名狼藉，但与其他年份相比，它通常不会引发更多的与天气相关的全球灾害，但这些灾害更具可预测性。如果政府和应急计划人员注意与厄尔尼诺现象相关的季节性预报，则有可能在灾害发生之前将资源转移到某些地方，以减少人为影响，如果给定的厄尔尼诺现象产生其典型影响的话。
研究人员仍然不清楚全球变暖将如何与厄尔尼诺/拉尼娜周期相互作用。一些研究表明，全球海洋变暖将导致更强大的厄尔尼诺现象，但其他研究表明，全球变暖实际上可能会降低其强度。由于整个全球系统包括在不同状态之间自然翻转的大型大气和海洋现象，例如太平洋年代际涛动，因此弄清楚厄尔尼诺现象迄今为止受到全球变暖的影响程度，以及未来可能受到的影响程度，一直是一项挑战。研究人员将继续努力解读可能的联系。
我们可以近乎肯定地说一件事是，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象将继续发生，有些比其他现象更强烈。来自化石珊瑚的证据告诉我们，该周期已经重复了数千年。随着我们更好地了解气候系统动力学，我们可以更好地预测这种重要模式对全球天气和世界各地人民的影响。