ENSO事件非对称性成因研究

宋迅殊

（卫星海洋环境动力学国家重点实验室，国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

ENSO（El Ni~no－Southern Oscillation）是地球海气耦合系统中最强的年际信号，对全球和区域性海洋环境和天气气候产生巨大影响［1－2］。在过去的几十年里，ENSO现象一直都是海洋和大气科学家们所关注的焦点，在ENSO观测、理论研究和模拟计算方面均取得了巨大的进步。为了了解ENSO事件发生发展的原因，科学家们提出了不同的理论观点，例如信风张弛理论［3］、延迟振子理论［4－5］、充放电理论［6－7］、以及西太平 洋振子 理论［8－9］等。尽管如 此，ENSO 现象中依然有很多难以被解释和模拟的现象，ENSO的非对称性就是其中之一。

ENSO事件的非对称性主要指El Ni~no事件的强度要明显大于La Ni~na事件的强度。前人已经通过各种统计学方法得到ENSO事件非对称的特征［10－14］，同时也发现现有的模式对 ENSO 事件非对称性的模拟效果很差［11，15］。因此，了解ENSO事件非对称性的成因并改进模式模拟结果是现今研究ENSO的热点。目前，对ENSO非对称性产生的原因主要有以下几点猜想：（1）非线性温度平流作用。文献［16—17］的作者提出非线性温度平流是产生ENSO事件非对称性的主要原因，且在20世纪70年代之后表现得更加明显，存在年代际的变化规律。（2）大气的非线性作用。KESSLER et al［18］提出 MJO（Madden－Julian Oscillation）通过大气与海洋的调整使El Ni~no事件增强；KANG et al［19］基于热带太平洋海面风应力分析，给出ENSO冷、暖事件SSTA非对称特性的解释，指出风应力异常导致了El Ni~no与La Ni~na时SSTA的非对称，它不仅影响海表面温度异常的振幅，还影响其振荡周期；CLAUDIA et al［20］以及PHILIP et al［21］提出大气对海洋的非线性响应与ENSO事件的非对称性相关联。（3）TIMMERMANN et al［22］认为La Ni~na期间浮游生物的增长会起到负反馈作用，减弱La Ni~na事件，增强ENSO事件的非对称性。

本文利用NCEP、SODA等再分析资料，诊断上层海洋的热量收支情况，试图找出影响ENSO事件非对称性的主要因子，为以后利用模式分析ENSO非对称性和对模式进行改进提供科学依据。

1 资料与方法

本文采用的海表温度资料为英国Hadley中心的全球海冰和海表温度分析资料（HadISST）。HadISST的时间分辨率为1个月，空间分辨率为1°×1°，资料起始时间为1870年1月。表面热通量资料采用NCEP／NCAR的再分析资料。其时间跨度为1948年1月—2010年12月，空间分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为1个月。热通量资料包括海表净短波辐射通量、海表净长波辐射通量、感热通量和潜热通量。同时，本文还使用了简单海洋数据同化资料2.0.2－4（SODA 2.0.2－4）三维的海水温度、流速以及海表面风应力资料。所用资料的时间跨度为1958年1月—2007年12月，时间分辨率为1个月，水平空间分辨率为0.5°×0.5°。

偏度系数是表征样本序列偏离平均值的统计量之一，其定义为：skewness＝m3／m23／2，其中为mk为k阶中心距，N为样本总数，xi为第i个样本为序列的平均值。若序列是正态分布的，则skewness＝0。当独立事件的数量N被确定之后，偏度系数的显著性就可以根据WHITE［23］计算得出。但是SSTA的变化并不是相互独立的，笔者采用HONG et al［24］提出的范围估计方法，当偏度系数超过±0.67时，即认为偏度系数的置信率高于95%。

参照文献［25］，混合层温度倾向方程可以写作：

2 海温的非对称性

采用偏度系数来表征海温的非对称性。图1给出了海表温度异常（SSTA，sea surface temperature anomaly）偏度系数的空间分布。从图1中可以看出，较大的正值区出现在120°W以东、5°N以南的地区，说明这个区域SSTA的非对称性较为显著。因此，本文选取110°～80°W，5°N～5°S的区域作为研究海温异常变化非对称性的重点区域。同时对这一区域的混合层温度异常（MLTA，mixed layer temperature anomaly）做区域平均，得到MLTA随时间的变化图（图2）。从图2中可以看到，MLTA和Ni~no3指数变化趋势基本相同，1958—2007年间主要的ENSO事件基本可以在MLTA变化中体现出来，两者的相关系数达0.87。

对每个El Ni~no和La Ni~na事件的发展阶段做合成。定义ENSO事件发展阶段为每次El Ni~no（La Ni~na）事件的MLTA从0发展到最大（小）值的这段时间［26］。在选取发展阶段之前，对MLTA做7个月的滑动平均，以除去高频的变化。共选取11个El Ni~no事件和9个La Ni~na事件。11个El Ni~no事件的发展阶段分别为：1963年3—8月、1965年3—8月、1968年8月—1969年4月、1972年1月—1972年9月、1976年3—9月、1981年12月—1982年12月、1986年7月—1987年4月、1990年9月—1992年2月、1997年1—11月、2002年2—9月和2006年5—10月；9个La Ni~na事件的发展阶段分别为：1964年1—7月、1966年2月—1967年11月、1970年1—11月、1973年4—9月、1975年2—10月、1983年11月—1985年2月、1988年1—7月、1995年4月—1996年4月和1998年8月—1999年11月（图2）。合成时先将每个事件的发展阶段做合成，然后再将这11个El Ni~no事件和9个La Ni~na事件做合成。

将MLTA的趋势及相关热量收支项依照El Ni~no和La Ni~na事件的发展阶段进行合成，然后对赤道东太平洋区域做区域平均后得到图3。混合层温度倾向项在El Ni~no的发展阶段为0.139℃／月，而在La Ni~na的发展阶段为－0.102℃／月。因此，在El Ni~no和La Ni~na的成熟阶段，MLTA的幅度之比大约为7∶5，体现出El Ni~no和La Ni~na在强度上的非对称性。

3 混合层热量收支分析

为了了解产生ENSO非对称性的机制，按照（1）式对混合层的热量收支作分析（图3）。从图3可以看到，热通量项的贡献基本是对称的，并且抑制El Ni~no和La Ni~na的发展，在El Ni~no期间热通量为－0.077℃／月，在La Ni~na期间热通量为0.094℃／月；而三维的温度平流项对MLTA的非对称性影响较大，在El Ni~no期间温度平流为0.274℃／月，在La Ni~na期间温度平流为－0.151℃／月。由此可见，三维温度平流是造成MLTA非对称的主因。

根据（1）式，三维温度平流一共分为9项（图4）。从图4中可以看出温度平流各项在合成的El Ni~no和La Ni~na事件发展阶段中的大小，它们对MLTA非对称的贡献可以用其在El Nin~o事件和La Nin~a事件发展阶段中大小之和来表示。水平线性温度平流（－、－、－和－T′y）对 MLTA非对称性的贡献较小，而贡献较大的有两类过程：一是非线性温度平流（－u′T′x、－v′T′y和－w′T′z），这3项的大小在El Nin~o事件中分别为0.011、0.021和－0.034℃／月，在 La Nin~a事件中分别为0.035、0.015和－0.024℃／月，因此它们对 MLTA非对称性的贡献分别为0.046、0.036和－0.058℃／月，这3项分别占温度平流项所造成非线性的37.4%、29.2%和－47.1%，这说明水平温度平流项和垂直温度平流项对ENSO事件非线性的作用并不一致，但总体上加强El Nin~o事件而减弱La Nin~a事件，这一结论与SU et al［26］的研究结论相符；二是线性垂直温度平流（－），这项在El Nin~o事件和La Nin~a事件中的大小分别为0.104和－0.072℃／月，因此对MLTA非对称性的贡献为0.032℃／月，占温度平流项所造成非线性的26.0%，说明线性垂直温度平流同时促进El Nin~o事件和La Nin~a事件的发展，但是对El Nin~o的促进作用大于La Nin~a，造成了MLTA的非对称性。

图3 混合层热收支项Fig.3 The mixed－layer heat budget自左往右：混合层温度倾向项、温度平流项、热通量项以及温度平流项和热通量项之和

3.1 非线性温度平流作用

图5给出了合成的El Ni~no和La Ni~na事件中非线性水平温度平流和非线性垂直温度平流的分布。从图5中可以看到，在El Ni~no和La Ni~na事件中，非线性水平温度平流的正值区主要集中在南美沿岸和赤道北部，而非线性垂直温度平流在整个东太平洋基本均是负值。与非线性水平温度平流相比，非线性垂直温度平流较弱，因此总体来说，在东太平洋非线性温度平流增强El Ni~no而减弱La Ni~na。

图6给出了El Ni~no事件和La Ni~na事件发展阶段的合成图。从图6可以看到，在El Ni~no事件中温度异常中心位于110°～100°W 之间，在100°W 以西∂T′／∂x＜0，同时在这一区域中u′＞0，因此在 El Ni~no发展期间，非线性纬向温度平流－u′∂T′／∂x＞0。同样，在La Ni~na事件中，在100°W 以西∂T′／∂x＞0，并且u′＜0，因此在La Ni~na发展期间，非线性纬向温度平流－u′∂T′／∂x＞0。由此可见，非线性纬向温度平流增强El Ni~no事件，抑制La Ni~na事件，从而造成ENSO的非对称性。

对于非线性经向温度平流，在El Ni~no事件中由于温度异常中心位于赤道偏南，所以在赤道上∂T′／∂y＜0，同时在赤道上v′＞0，因此在El Ni~no发展期间，非线性经向温度平流－v′∂T′／∂y＞0。同样，在La Ni~na事件中，赤道上∂T′／∂y＞0，并且v′＜0，因此在La Ni~na发展期间，非线性经向温度平流－v′∂T′／∂y＞0。可见非线性经向温度平流在El Ni~no和La Ni~na事件中的作用与非线性纬向温度平流相同，增强El Ni~no事件，而抑制La Ni~na事件。

非线性垂直温度平流所起的作用与非线性水平温度平流不同。从图7中可以看到，在El Ni~no事件中，温度暖中心位于60～80m之间，因此，混合层的垂直温度梯度∂T′／∂z＜0；同时在东太平洋大部分地区，混合层底（30～50m）垂直速度异常，w′＜0，所以在El Ni~no发展期间，非线性垂直温度平流－w′∂T′／∂z＜0。在La Ni~na事件中，东太平洋的温度冷中心也位于50m以下，混合层的垂直温度梯度∂T′／∂z＞0；同时在东太平洋大部分地区，垂直速度异常，w′＞0，所以在La Ni~na发展期间，非线性垂直温度平流－w′∂T′／∂z＜0。在El Ni~no和La Ni~na期间非线性垂直温度平流均为负值，与非线性水平温度平流的作用相反，它抑制El Ni~no事件而增强La Ni~na事件。

3.2 次表层温度非对称的作用

下面讨论次表层温度非对称对表层海温的作用。图8给出了合成的垂直平流项－的水平分布。从图8中可以看到，－项主要起作用的区域在赤道东太平洋及美洲沿岸，且La Nin~a事件期间的区域幅度要小于El Nin~o。将El Nin~o和La Nin~a事件合成相加，得到－项在ENSO冷暖事件中的非对称部分（图8c），可以看到这一非对称在120°W以东的赤道区域最为明显，与SSTA偏度值最大的区域一致。这说明－项的非对称作用对SSTA的非对称性有一定的影响。

图8 El Nin~o（a）和La Nin~a（b）发展阶段合成的线性垂直温度平流项（－T′z）以及该项的非对称部分（c）Fig.8 Composite linear vertical advection（－T′z）during the developing phase of El Nin~o（a）and La Nin~a（b），

由于气候态垂直流速－在El Nin~o和La Nin~a事件中不变，主要影响－项大小的是表层和次表层之间的温度异常梯度。从图7中可以看到，在ENSO事件中，次表层（50～100m）温度异常的变化大于表层温度的变化；La Nin~a与El Nin~o期间表层温度的变化相差不多，而次表层温度的变化差别较大。El Nin~o期间的垂直温度异常梯度的幅度要比La Nin~a期间的大，导致－项在El Nin~o和La Nin~a事件中的非对称。

在ENSO事件中，影响次表层温度的主要因素是温跃层所在的位置［27］。定义20℃等温线所在的深度为温跃层深度，同时定义50～100m温度异常的平均值为次表层温度异常，两者间的关系见图9。从图9中可以看到，温跃层深度异常与次表层温度异常有着很好的对应关系，两者的相关系数达到0.88，但两者的关系并不是线性的。当温跃层深度变化在±20m之间时，次表层温度异常变化基本是线性的，即当温跃层抬升（温跃层深度异常＜0）或加深（温跃层深度异常＞0）相同深度时，次表层温度下降或升高几乎相同的温度。但当温跃层抬升大于20m时，次表层温度异常的变化变得很小，基本保持在－2、－3℃左右；而当温跃层加深大于20m时，次表层温度异常一直在增加，最大可以达到8℃左右。由此看来，与La Nin~a期间负的温跃层深度异常相比，次表层温度异常对El Nin~o期间正的温跃层深度异常更为敏感，造成了El Nin~o和La Nin~a次表层温度异常的非对称。

图9 东太平洋温跃层异常与次表层温度异常的散点图Fig.9 Scatter plot of the thermocline depth anomaly and the subsurface temperature anomaly over the eastern equatorial Pacific

产生次表层温度异常这一非对称性的原因在于东太平洋温度呈垂直剖面的结构。由于东太平洋的平均温跃层较浅，约为40～50m，因此次表层处在平均温跃层之下（图10）。取50～100m间的一点A作为次表层温度，红线和蓝线分别表示温度剖面垂直下降A′B′距离和抬升A″B″距离后的情形，代表El Ni~no和La Ni~na期间的温度剖面。当温度剖面下降A′B′距离时，原剖面的B′点下降到A′点，此时的次表层温度异常大小为AA′；当温度剖面抬升A″B″距离时，原剖面的B″点抬升到A″点，此时的次表层温度异常大小为AA″。图10中可以很明显的看到，当温度剖面抬升和下降相同距离时，即当 A′B′＝A″B″时，次表层温度异常的大小并不一致，明显地｜AA′｜＞｜AA″｜。这就解释了为何次表层温度异常对El Ni~no期间温跃层深度的加深更为敏感。

图10 东太平洋平均温度剖面（黑线）以及温跃层抬升（蓝线）和下降（红线）后的剖面Fig.10 Eastern equatorial Pacific mean temperature profile（black line）and the temperature profiles when the thermocline is up（blue line）and down（red line）

除了东太平洋海温的垂直结构影响次表层温度异常的非对称性之外，温跃层深度异常自身的非对称也会影响次表层温度的非对称。从图9中看到，温跃层深度异常自身也存在较大的非对称性，存在明显的正偏，其偏度系数达到1.37。这种正偏的温跃层深度异常也是导致次表层温度异常正偏的原因之一。

东太平洋温跃层深度的变化与赤道太平洋表面纬向风应力的变化密切相关。通常，赤道太平洋的西风（东风）异常会激发向东传的下沉（上升）式开尔文波，从而导致赤道东太平洋温跃层深度的加深（变浅）［28－29］。赤道太平洋纬向风应力异常的大小以及结构都会影响赤道开尔文波，从而影响赤道东太平洋温跃层深度的变化［30］。从图11中可以看出，在赤道中太平洋170°～130°W之间，纬向风应力异常呈现明显正偏。将这一区域（5°S～5°N，170°～130°W）平均的纬向风应力异常和东太平洋（5°S～5°N，110°～80°W）平均的温跃层深度异常做标准化，得到这两个量随时间的变化（图12）。从图12中可以看出，中太平洋纬向风应力异常与东太平洋温跃层深度异常有明显的对应关系，并且当纬向风应力异常提前温跃层深度异常1个月时，存在最大的相关系数为0.698。这说明中太平洋纬向风应力异常是导致东太平洋温跃层深度异常的重要原因，并且正偏的纬向风应力异常导致了正偏的温跃层深度异常。这一过程可能是通过纬向风应力激发的开尔文波东传实现的：正偏的纬向风应力异常会使其激发出的下沉式开尔文波强度大于上升式开尔文波，从而造成东太平洋温跃层下降的幅度大于上升的幅度，导致温跃层深度异常的非对称性。

4 讨论与结论

本文利用SODA和NCEP再分析资料分析了El Ni~no事件和La Ni~na事件中SSTA强度的非对称性。首先计算了SSTA的偏度系数，发现在东太平洋区域SSTA明显正偏，说明在平均意义上El Ni~no事件强于La Ni~na事件。同时，也发现该区域MLTA的变化与SSTA的变化相似，可以用MLTA来代替SSTA进行分析。

接着，对东太平洋上层海洋的热量收支在El Ni~no和La Ni~na事件的发展阶段做合成，发现在发展阶段MLTA的变率在El Ni~no和La Ni~na发展期间有明显的区别，从而造成MLTA在ENSO成熟阶段的非对称性。进一步分析表明，三维温度平流在产生MLTA非对称性的过程中起决定作用，而海表热通量对MLTA非对称性的贡献不大。

影响MLTA非对称性的因子主要有3个：

（1）非线性温度平流。水平非线性温度平流在ENSO冷暖事件中均为正值，因此增强El Ni~no事件而减弱La Ni~na事件；而垂直非线性温度平流在ENSO冷暖事件中均为负值，因此起的作用与水平非线性温度平流相反，减弱El Ni~no事件而增强La Ni~na事件；由于水平非线性温度平流强于垂直非线性温度平流，非线性温度平流的净作用能导致ENSO的非对称性。文献［16，17］的作者也强调非线性温度平流在ENSO事件非线性中的作用，但是他们认为非线性垂直温度平流是主要原因。这与我们得到的结论有所区别，这一区别很可能是由于合成时所选取的时间不同所造成的。在他们的研究中，合成的事件包括了ENSO事件成熟阶段，由此合成出的非线性平流项作用将作用于ENSO事件的消亡阶段，而非形成ENSO事件非线性的发展阶段。DUAN et al［31－32］研究指出，非线性温度平流是 ENSO 事件非线性的决定性因素，但是本文通过分析发现非线性温度平流在ENSO事件非线性的形成过程中的作用并不是决定性的，其它影响因子同样也有着重要的作用，在这些因子的共同作用下导致ENSO事件的非对称性。

（2）次表层温度异常对温跃层深度异常的非线性响应。由于东太平洋温度剖面的特性，使得次表层温度异常对El Nin~o期间正的温跃层深度变化更为敏感，造成次表层温度异常的幅度在El Nin~o期间比La Nin~a期间大，从而通过－项影响上层海温的非对称性。

（3）赤道太平洋的纬向风异常的正偏。赤道太平洋存在较强的纬向西风，从而导致东太平洋温跃层深度异常正偏，进而造成次表层温度异常的非对称，并通过－项影响上层海温的非对称性。

本文初步分析了ENSO事件非对称性发生的几个原因，发现造成ENSO事件非对称性的因素并不是单一的，而是海气耦合系统中多种非线性过程共同作用的结果。这些原因之间是否存在相互关联以及它们在影响ENSO事件非对称性中的具体作用仍需继续研究。未来工作之一是利用一个中等复杂程度的海气耦合模式，深入探讨这些过程在ENSO循环中的作用以及对于ENSO可预报性的意义。

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