2014, Vol. 29
2. 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春 130026;
3. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026
2. Key-Lab for Evolution of Past Life and Enviroment in Northeast Asia, Ministry of Eduation China, Jilin University, Changchun 130026, China;
3. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026, China
2006-2013年北半球频遭低温暴雪袭击.从中国的情况看，最近的5个冬季更出现了3个明显的“冷冬”.我国平均气温2011年是最低值.与我国类似，欧亚大陆很多国家也正在遭遇寒冬.与近几年相比，2012年这次欧洲暴风雪和寒流造成的灾害比2007年、2008年、2009年严重得多，但还比不上2006年、2010年和2011年，其中2006年的情况基本是最严重的(杨冬红等，2011).
北极海冰覆盖面积自20世纪就开始记录，上世纪60年代，北极冬季海冰覆盖面积为1400万~1600万km2，夏季末海冰覆盖面积为700万~900万km2，此后北极海冰面积持续下降.海冰最低覆盖面积出现在2005年、2007年、2008年和2010年的9月份，最低记录是2007年428万km2，这一最低记录于2012年再次被打破.2012年11月，世界气象组织在多哈举行的联合国气候大会上发布报告称，从2012年3月至9月间，北极海冰消失了1183万km2，比整个美国还要大.因此，北极周围海冰面积“创下了历史新低”①
①综合.世界气象组织：21世纪前10年系有记录以来最热十年.2013-07-10 15:44:41 来源：infzm.com http://www.infzm.com/content/92271.
2012年秋季，北极海冰的面积与体积均降至历史最低点.但根据位于美国科罗拉多州的美国国家冰雪数据中心(NSIDC)2013年3月25日公布的卫星图像显示，最近一段时间，北极海冰的面积又逼近这一最低点，随时可能“打破纪录”.“北极海冰正在迅速融化，目前的面积甚至不足30年前的两成，导致北极变暖.”美国罗格斯大学沿海和海洋科学研究所的专家詹妮弗·弗朗西斯说，这正是全球气候变暖的“症状”，并令北极地区的冷空气南下.
②
②齐旭.北极海冰融化导致欧洲“倒春寒”.2013年03月27日15:13 来源：新民晚报.http://world.people.com.cn/n/2013/0327/c157278-20937944.html .
但是，全球变暖如何导致北半球气候变冷，专家并没有给出相关的变化机制. 2 极地冰盖融化后的海平面变化
Robert Woodward发现了一个令人困惑的现象：在冰川存在的地方，湖的海岸线就比其他的地方高.他认为，冰盖形成的引力影响吸引它周围的海水，使流体堆积在湖的侧面.当冰盖融化时，冰盖周围的“海丘”就会退却，海平面就会下降(Woodward，1888).如果在短时间内把地球看成是刚性的，而在长时期内把地球看成是粘弹性的，Woodward的理论有重大的科学价值(杨学祥，1992a).
在1976年，William Farrell和James Clark试图通过引力效应来解释末次冰期北方巨大冰盖融化引起的海平面变化，在粘弹性地球模型上，提出冰盖的吸引使其附近海平面升高的理论，建立了海平面变化的均衡模式(Farrell and Clark， 1976).James Clark和Craig Lingle应用同样的原理解释南极西部冰盖变薄或消失引起的后果.他们发现，地球上大多数地方的海平面将上升，但是，南大洋的部分地方海平面将下降(Farrell et al，1979).
根据最新的理论预测，如果格陵兰冰盖完全消失，格林兰冰盖融化可导致其附近海平面将下降100 m，北苏格兰的海平面将下降3 m，冰岛周围海平面将下降10 m，欧洲大多数海岸的海平面上升，它们远远小于全球平均7 m的水平.但是，所有的冰融水都会流向各地，所以，世界距冰盖更远的地方，海平面的上升一定会高于全球的平均水平.南美部分 地区海平面将上升10 m(见图 1)(Stephen，2013).图 1 中的箭头是本文作者添加的，表示流体在压力变化条件下的流动方向.
 | 图 1 格林兰冰盖和南极西部冰盖融化导致的全球海平面变化 Fig. 1 Global change of sea level due to Greenl and melting or West Antarctica melting |
南极西部冰盖的命运更难于预测，许多冰盖位于海平面之下数百米的岩石上，使其非常脆弱.暖水融化海冰比暖空气更快，假若暖流在下边开始掏空海冰，不稳定的南极冰盖就会比格林兰冰盖更快瓦解.假若海水退却，暴露在暖流中的海冰将减少，这是一种消极的反馈，将减慢冰盖的退却(Stephen，2013).事实上，格陵兰冰盖融化导致南极周围海域相对较暖的海水上升和格林兰冰盖附近海平面海退，这有利于南极西部海冰融化和减慢格陵兰冰盖的融化速度，形成北冷南热的气候新格局；同样，南极西部冰盖的融化导致北极冰盖周围相对较暖的海水上升和南极冰盖西部附近海平面下降，这有利于北极冰盖的融化和减慢南极冰盖的融化速度，形成北热南冷的气候新格局.由此导致的全球南北冷热反向的周期变化，对全球近期气候变化有重大影响.这是对全球气候南北震荡的最好解释. 3 北极大气和海洋等位面下降导致北半球低温暴雪频发
两极冰盖的形成和消失不仅与气候变化有关，而且对局部气候产生重大影响.海洋学的长期研究表明，格陵兰冰盖的融化，在使地球大多数地方的海平面上升的同时，也使冰盖周围2000 km之内的海平面下降，导致全球海平面南升北降(融化冰盖周围)的格局.大气等位面也有同趋势的变化，它们都是冰盖融化后地球重力场在地球质量重新分布后的重力等位面，在大气等位面和海平面接近的地方，两者的变化幅度也非常接近.
格陵兰冰盖的融化后，在融化的冰盖周围海平面下降的同时，北极地区大气等位面也同时下降，迫使北极冷水和冷空气向北半球中低纬度流动(见图 1箭头方向)，这是北极冰盖大面积融化后，北半球遭遇大规模冰雪严寒袭击的原因.欧洲距离格陵兰最近，压力梯度也最大，遭受严寒暴雪的强度也最大.这表明，大自然对冷暖变化有自我调节机制.
值得一提的是，北极流出的空气和海水是最冷的，导致北半球中低纬度地区气候变冷；经过半球之间的运移和热带地区的加热，涌入南极的空气和海水是相对温暖的，它将导致南极海冰的快速融化，重复北极的类似过程.2005年以来北极地区海冰和冰盖的大量融化仅仅是一个规模小得多的缩影.国内外研究显示，北极海冰的减少与极地区域高压产生有关，冰盖融化后产生的北极大气等位面大幅下降，是极地区域高压产生的主要原因. 4 相关证据 最新观测发现，对海平面升高而言，格陵兰岛和南极冰盖融化、其他冰川的融化和海水受热膨胀各贡献约三分之一.利用卫星遥感数据结合现场考察，研究全球陆地冰融化情况.结果发现，2003年至2009年间，除格陵兰岛和南极冰盖外的陆地冰川每年向海洋倾注约2600亿吨融水，导致海平面平均每年升高超过0.7 mm.这一数字与格陵兰岛和南极的冰盖融化对海平面升高的合计影响“相当”.在陆地冰中，对海平面升高影响较大的是加拿大北极地区、阿拉斯加、格陵兰岛沿海地区、安第斯山脉南部及喜马拉雅山脉的冰川.南极冰盖融化对全球海平面的上升没有起到很大作用(Alex et al，2013).这一成果支持南北两极冰盖交替融化的理论模型.
Mrner最早发现了全新世大地水准面升降运动旋回、古地磁旋回和大气14C含量旋回之间的相关性，并指出它们都起源于地核-地幔的变化，建立了海平面变化的重力模式(Mrner，1980).杨学祥发现，相对冰盖融化后地球的等位面变化，处于液体外核中的固体内核也会快速地南北移动，它不仅影响海平面和大气等位面的变化，而且影响外核绕内核旋转的方向，引起地磁的相应变动.这在均衡模式和重力模式之间建立了桥梁.计算表明，在末次冰期北极部分冰盖融化后，地球内核向南极移动2.1 km，引起北极海平面下降1.54 m、南极海面升高1.54 m和相应的地磁波动.其后的均衡运动会引起方向相反的变化(杨学祥，1992b).
地球不同状态圈层的变化速度比较表明，在冰盖融化之后，海平面的变化响应最快，内核移动的速度其次，地壳的均衡响应最慢.由此形成不同圈层对冰盖融化的不同均衡周期、地磁变化周期和相应的气候变化周期.
极地冰盖的消长形成地表巨大的物质转移，导致地球内部和外部重力场的重大改变，海平面变化、大气等位面变化和内核在流体外核中的迁移是其必然结果，其中，流体产生的应变最快、塑性体次之，固体最慢，由此导致相关过程具有不同的变化周期.格林兰冰盖现在的体积为2.38×106 km3，末次冰期后冰盖融化量为50.72×106 km3(杨学祥，1992b).根据比例计算，格陵兰冰盖融化，内核南移100 m，北极海平面下降规模会增加7 cm.变化数值虽小，造成的地磁扰动不可忽视.二千年以来全球磁场持续减弱，而最近150多年地磁强度下降了10%~15％.南大西洋出现地磁异常区，其磁场减弱达35％，地球磁极弱化，处于“磁极翻转”的雏形阶段，这可能是地球发生许多灾变和异常现象的深层原因(杨冬红等，2011).
全球变暖自上世纪90年代末以来基本上已停止，这让公众对有关气候敏感性、影响气候变化的机制和气候模型反映十年尺度变化的能力等的认识产生顾虑.Yu Kosaka和Shang-Ping Xie发现，当将最近在东赤道太平洋观察到的变冷现象直接吸收到气候模型中时，全球变暖的上述停顿就可以得到解决.这些结果表明，来自热带太平洋的低温海水或是近年来抑制全球气候变暖的一个主要因素.这项研究有助于解答当前气候变化研究的最大难题：为什么在过去的10年至15年中，升温幅度却相较从前有所减缓？气候变化研究现已相当重视海洋在调节地球温度方面的作用，但关于洋流和温暖的海表水向下循环是如何影响天气和气候的认识还不够深入.这种热量循环可能是全球变暖“间断”背后的另一个因素.但目前尚不明确这种能量交换的全部影响，特别是对洋流的影响(Kosaka and Xie， 2013).
这篇文章证实了我们在1996年以来提出“海底藏冷效应”、“海洋锅炉效应”、2000年美国科学家季林提出的“潮汐调温效应”和2002年中国学者郭增建提出的“深海巨震调温效应”.尽管1800年潮汐周期处于最弱时期使海底冷水上翻数量减少，全球气候处于变暖高峰，但是，目前也处于200年周期的太阳黑子超长极小期、55年周期的拉马徳雷冷位相时期，后两者有充分的历史数据表明是变冷时期.今后20年气候不再变暖，即变暖已经停止，变冷变为短周期的必然趋势，现有的气候模型忽视了这些自然因素(杨学祥和陈殿友， 1996a，b，1998，1999；Keeling and Whorf， 2000；郭增建，2002；杨学祥等，2005；杨冬红等， 2006，2009，2011; 杨冬红和杨学祥， 2007a，b，2008，2011，2013a，b).
早在1996年至2006年我们就给出了海洋、特别是海洋底层冷水对全球气候的降温作用.强潮汐和强震周期性地将海底冷水翻上表面，使全球气候变冷.与此同时，海洋底层冷水也将同时升温.真正能反映气候变化的指标是海洋底层水增温的的速度，今后深海温度测量的大量数据才能证明全球气候的变化趋势，海洋底层水增温幅度是全球气候变化趋势的准确指标，仅当海洋底层水温从-2 ℃上升到15 ℃(相当于从第四纪冰川期返回到中生代温暖期)，海洋的降温作用才会停止.
最新研究表明，1998年，全球平均温度创历史新高.在此之后，全球变暖停止.“全球变暖间断”是赤道东太平洋长达十年的气候变冷所致.海水温度的波动被称作拉马德雷现象(亦称太平洋十年涛动，英文缩写PDO)，拉马德雷冷位相是“全球变暖间断”的关键(杨冬红等， 2006，2011；杨冬红和杨学祥， 2007，2008，2013a，b；杨冬红，2009；Tollefson，2014).
研究表明，点源激发的球面大气流动在传播过程中的能量密度变化，与单位时间扩散的大圆周长C成反比.设大气流动的总能量为Q，能量密度为δ，穿过的面积为S=Cl=2πRlsin>φ，l为单位弧长，R为地球半径，则有
δ=Q/S=Q/(Cl)=Q/(2πRlsinφ)，(1)
其中，圆心角φ为点源和地心连线与大圆上任一点和地心连线的夹角.同样，在球壳中点源喷射造成的球面对流，也会有扩散、集中、返回的震荡过程(见图 2).由(1)式可知，在φ=0和φ=π时，能量密度δ为无穷大，在φ=π/2时，即经过地表最大圆时，能量密度δ最小.这就是说，假定大气流动总能量在传播中无损耗，点源及其地心对称点处的能量密度最大(杨冬红，2009).
这一模型既可以解释北极大气和海洋等位面下降导致北半球低温暴雪频发和南极大陆沿海异常变暖(通过海冰气候开关效应阻止拉尼娜的发生，使拉尼娜可能夭折)，也可以解释震洪链、旱涝链和高温暴雨链的发生原因.
 | 图 2 点源激发的大气流动在球面上的能量密度变化(杨冬红，2009) Fig. 2 The change of energy flux by point sprinkling in atmospheric circulation on spherical surface (Yang，2009) |
2003年12月23日22时左右，“重庆开县井喷”发生，历时84小时，大约17.5至21百万立方米石油天然气喷入大气中；2004年9月2至5日，开县惨遭200年一遇特大暴雨洪灾，部分地区为500年一遇.2008年5月12日四川汶川发生8 级地震；2009年7月4日地震灾区遭遇“7.14”暴雨洪涝灾害.2013年4月20日四川雅安发生7级地震；7月7日晚至10日，强降雨侵袭四川，成都、雅安、乐山、眉山、德阳、绵阳大部及广元市西部出现了区域性暴雨，都江堰气象站日降水量已超过有记录以来的最大值.2013年8月6日14时，在全国2418个国家级自动监测站中，高温排行前十名全部超过40 ℃，其中，浙江8个地区榜上有名，浙江余姚的气温更是达到了42.1 ℃；2013年10月9日)，在福建登陆的台风“菲特”，却让浙江东部的余姚受遭受了百年一遇的降雨，70%以上城区受淹，主城区城市交通瘫痪.受灾人口超过83万人.点源喷发导致的大气环流是合理的数学模型，能量在喷发点及其球对称点达到最大值(见图 2).
1998年是最热的年份，1995-1997年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡是原因之一；自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，2005-2007年月亮赤纬角最大值产生的强潮汐南北震荡是原因之一.当月亮在南(北)纬28.6度(月亮赤纬角最大值)时，高潮区在12小时后从南(北)纬28.6度向北(南)纬28.6度震荡一次，大气和海洋的南北震荡将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面降低气温.这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐东西震荡作用更显著的原因.太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动.2014-2016年月亮赤纬角最小值可能导致中国干旱和全球高温(杨冬红等，2008).
月亮赤纬角变化还会产生27.3天和13.6天的大气潮和海洋潮南北震荡幅度变化周期，对形成雾霾的静稳天气有重要影响(Li，2005).中国气象局的数据显示，2013年12月初的雾霾波及25个省份，100多个大中型城市，安徽、湖南、湖北、浙江、江苏等13地雾霾天数均创下历史纪录.权威数据显示，今年以来，全国平均雾霾日数为29.9天，较常年同期偏多10.3天，达到52年来的峰值.2014-2016年月亮赤纬角最小值导致2013年雾霾高发，并将在今后三年持续高发.52年前，1959-1960年月亮赤纬角最小值导致前一周期的雾霾高发.
根据月亮赤纬角极值与日月大潮的叠加可计算得出，每年11月至次年1月的潮汐组合类型有利于雾霾的形成，每年2月-4月的潮汐组合类型不利于雾霾发生；每年5-7月潮汐组合类型有利于雾霾发生，每年8-10月潮汐组合类型不利于雾霾发生，潮汐组合类型转化的周期为6个月.这个半年周期是固定的，每年都是这样(杨冬红等，2007a).与雾霾季节性相叠加，雾霾频发期是每年的1月和12月.
吴兑等人指出，1951-2005年中国大陆霾的时空分布特征明显，就中国大陆而言，12月和1月霾天气日数明显偏多，两个月霾日数的总和达到了全年的30%；9月霾天气日数最少，约占全年的5%(吴兑等，2010).这一研究结果与潮汐类型的划分完全一致.2013年的中国雾霾首发在1月，并于12月进入高潮.预计2014年1月会仍保持高发态势.作者的理论推导在科学网上得到2014年1月实践的验证，表明大气潮对天气和雾霾影响的真实存在. 5 结 论
海平面变化的引力模型得出了可靠的计算结果：北极冰盖大量融化导致北极地区海平面和大气等位面的大幅度下降，迫使北极地区冷水和冷空气流向北半球中低纬度地区，这是北极冰盖大面积融化后，北半球中低纬度地区遭遇大规模冰雪严寒袭击和南极大陆沿海海冰减少海温增高的原因.极地冰盖融化后全球海平面都将上升，这是一个错误的观点，影响不同领域的学者深入研究自然变化的本质，特别是在气象界.细节的忽略，导致人们对已发生的现象无法做出正确的解释.向气象学家介绍海洋学和地球物理学的最新研究成果很有必要.
能使海洋温度发生改变的因素有五个：太阳辐射的变化、地球内部热能的释放、地球接受太阳热能的轨道因素、强潮汐和强震对海水的搅动和混合、冰川消长引发的地球等位面变化产生的洋流和气流的定向运动.具体表现在作者在1996年以来提出的“海底藏冷效应”、“海洋锅炉效应”、2000年Keeling提出的“强潮汐调温效应”、2002年郭增建提出的“深海巨震调温效应”、作者2008年提出的月亮赤纬角对全球气温的影响以及本文提出的北极海冰融化引发北半球严寒的等位面变化机制.
强潮汐把海洋深处的冷水带到海面，使全球气候变冷，形成的全球气候波动周期为1800、200、55、18.6年.在15-17世纪小冰期时期，潮汐强度为最大值，以后开始减弱，直到3100年潮汐强度又将达到最大值.潮汐调温效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到24世纪，而后随着潮汐的增强，地球的气候将逐渐变冷.从长期周期来看，全球变暖还能持续400年，3100年将进入变冷高峰.目前也处于200年周期的太阳黑子超长极小期、55年周期的拉马德雷冷位相时期、18.6年月亮赤纬角变化周期.16年前气候变暖间断的原因之一是月亮赤纬角由1995-1997年的最小值时期变为2005-2007年的最大值时期(1997年最强的厄尔尼诺事件，1998-2000年、2007年、2010年最强的拉尼娜事件也是重要原因)(杨冬红和杨学祥，2008)，2014-2016年月亮赤纬角最小值时期变暖增强，2023-2025年月亮赤纬角最大值时期变冷达到高潮.气候的长期趋势和短期变化都表明，气候变冷是对人类最大的威胁.
每年11月至次年1月、5-7月的潮汐组合类型有利于雾霾的形成，每年2-4月、8-10月的潮汐组合类型不利于雾霾发生；雾霾频发期是每年的1月和12月.理论推导和实践检验表明，月亮赤纬角极值和日月大潮的叠加对气候条件和雾霾发生有重要影响，潮汐导致的地球各圈层潮汐形变是地球各圈层等位面波动变化的原因，对气候变化的影响不容忽视.
本文的研究结果对全球变暖的形势发出特殊的警告：在预防夏季高温的同时，必须更多关注冬季的特殊变冷.因为高温导致的格陵兰冰盖融化能导致其周围地区在冬季急剧变冷，这是对冷暖互变、气温波动和自然自调节作用最有说服力的解释.
致谢 审稿专家和编辑提供的建设性意见，使本文的质量得到很大的提高，在此深表谢意.
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