一种新的厄尔尼诺指数

弓 泓，王彰贵，赵传湖，冯立成

（1.中国海洋大学，山东青岛 266100；2.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

一种新的厄尔尼诺指数

弓 泓1,2，王彰贵2，赵传湖1，冯立成2

（1.中国海洋大学，山东青岛 266100；2.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

利用1950—2016年NOAA月平均扩展重构海表温度（ERSST）资料，计算了目前业务常用的El Niño指数，并比较了它们对El Niño事件的监测能力。结果表明：单一指标对不同类型的El Niño事件不能全面监测，且其对于事件强度的判定也具有局限性。据此提出了一种新的El Niño指数，新指数不仅能够较为全面的监测历史上所发生的不同类型的El Niño事件，而且可以合理划分El Niño事件的强度，解决了对El Niño事件强度定义的争议，为El Niño事件的监测提供了一个新的工具。同时，分析了各El Niño指数气候平均值的变化对指数判定El Niño事件的影响，结果表明气候平均值的升高将导致指数判定的弱El Niño事件次数减少。

El Niño事件；指数；强度

1 引言

El Niño一词是西班牙语中的“圣婴”之意，即“耶稣之子”。现在更广泛的被人们理解为“小男孩”的意思[1]。南美洲的秘鲁和厄瓜多尔渔民用其来描述在圣诞节前后，南美沿岸海域每隔几年出现的季节性增暖的现象。后来El Niño被气象和海洋学家定义为赤道东太平洋海温异常升高的气候现象[2]。随着研究的深入，科学家发现南方涛动和El Niño之间存在着极为密切的关系，遂将两者合并称为“ENSO”现象。如今，ENSO不仅是太平洋上大尺度海-气相互作用显著特征，更是成为全球气候系统中最强的年际气候信号之一，它的发生会导致全球性的气候异常和极端天气现象的出现。我国虽然不能列为El Niño事件影响最严重的国家之一，但其对我国气候的影响和造成的自然灾害也是非常严重的[3]。而El Niño事件作为ENSO循环中的暖相位，其监测和预测引起世界各国学者的普遍重视，以期为气候灾害预警提供可靠的理论依旧，提高对El Niño事件的预测性[4]。

为了对ENSO进行有效的监测，各国业务单位和研究机构采用和提出了多种不同的ENSO监测指数，如美国国家环境预测中心利用Niño 3.4区对ENSO事件进行监测，日本气象厅采用JMA指数[5]。我国国家气候中心采用Niño 3.4指数以及Niño 1+2、Niño 3和Niño 4区面积加权平均的海温距平所定义的Niño Z指数来监测ENSO事件[6]，国家海洋环境预报中心采用Niño 3指数来开展相关的业务。除了上述业务常用的指数之外，许多学者还提出了一些新的指数来描述ENSO事件[7-10]。由此可见，目前国际上对于ENSO事件的监测尚未形成统一的监测标准。同时，由于监测ENSO事件的指标之间存在着明显的差别，因而对ENSO事件的起始时间、强度等特征的判定结果也存在着很大的差异[11]。

对于El Niño事件本身而言，20世纪80年代以前，El Niño事件多出现在赤道东太平洋冷舌区（即Niño 3区），其异常增暖中心在赤道东太平洋，并向西扩展。但80年代中期以后，人们发现El Niño事件开始频繁出现于赤道中太平洋附近海域，其异常增暖中心位于赤道中太平洋，增暖区域由西向东延伸，而在Niño 1+2区，海表温度无明显增暖现象[12-13]。Larkin等通过对多次El Niño事件的分析，发现这一类El Niño发生时，海表温度异常都集中分布在国际日期变更线附近，故将其命名为“日界线”型El Niño（Dateline El Niño）[14]，而Ashok等将这种与传统El Niño事件不同的现象，称为“El Niño Modoki”[15]。Kao等通过进一步的研究，把这两种El Niño分别命名为“东太平洋（Eastern Pacific）”型El Niño和“中太平洋（Central Pacific）”型El Niño，简称“EP”型和“CP”型El Niño[16]。Kug等根据El Niño发生时，海表温度距平最大值的空间分布的不同，提出了“冷舌（Cold Tongue）”型El Niño和“暖池（Warm Pool）”型El Niño，简称“CT”型和“WP”型El Niño[17]。Kug等研究发现，20世纪90年代以后发生的8次El Niño事件中，有5次是中部型，而另外3次则兼有中部型和东部型的共同特征，并将其称之为混合型El Niño[18]。尽管El Niño的名称各不相同，但无论是“CP”型El Niño、“日界线”型El Niño、"El Niño Modoki”以及“WP”型El Niño，还是“EP”型El Niño、“CT”型El Niño都属于ENSO现象。

然而，传统的Niño 3指数并不能有效监测到发生在赤道中太平洋的El Niño事件。李晓燕等研究指出，直接使用Nino 3区的海面温度（SST）距平达到0.5℃来定义El Niño事件是一个简单易行的方法，因为在大多数事件中，Niño 3区都有较好的代表性，但在一些事件中，Niño 4区或者Niño 1+2区升温较强，而Niño 3区升温较弱，仅以Niño 3区定义El Niño事件会因洋面覆盖范围有限而将一些过程排除在外。如1993年，1994/1995年的El Niño事件，Niño 4区增温较强，海表温度距平大于等于0.5℃的时间持续长达1 a，是两次明显的、国际上公认的El Niño过程，而El Niño 3区仅维持了4—5个月，未能达到El Niño事件标准，说明这一区域仍然不能充分反映整个中、东太平洋海域的特征[6]。然而，目前业务中常用的尼诺指数中，Niño 3指数对东部型El Niño事件的监测能力较好，Niño 4指数又对中部型El Niño事件具有监测能力。为了避免遗漏赤道中太平洋型的El Niño事件，美国气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）提出使用新的ENSO监测业务指标，即采用Niño 4区和Niño 3区相结合的Niño 3.4区海温指数作为ENSO监测指数，以此来实现全面监测发生在赤道中太平洋和东太平洋地区的El Niño事件。然而，无论是东部型El Niño还是中部型El Niño，其发生到结束往往几乎覆盖整个中东太平洋，而且，公众对于El Niño事件的关注通常集中在事件的强度而非空间分布上。此外，Niño 3.4区（5°N～5°S，120°～170°W）范围较小，仍然不能覆盖整个El Niño事件发生的区域，不能及时发现El Niño事件发生和结束的准确时间，不利于监测El Niño事件整体的强度特征。那么，能否构建一个新的指标，将El Niño事件看做一个整体，从整体的角度来综合监测El Niño事件的过程及强度，以期减少人们对于事件是与否的争议。

2 资料

利用CPC所提供的1950—2016年月平均的扩展重构海表温度（Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，ERSST）资料和月平均南方涛动指数（Southern Oscillation Index，SOI），计算了赤道中、东太平洋的4个海区海表温度的指数即尼诺（Niño）指数。各海区划分如下：Niño 1+2区（0°～10°S，85°～90°W）、Niño 3区（5°S～5°N，150°～90°W）、Niño 4区（5°S～5°N，160°E～150°W）和Niño 3.4区（5°S～5°N，170°～120°W）（见图1）。Niño 1+2指数、Niño 3指数、Niño 4指数和Niño 3.4指数即为上述海区区域平均的月海表温度距平（Sea Surface TemperatureAnomaly，SSTA）。

3 Niño指数的比较

图1 尼诺指数表征区域示意图

对于判别El Niño事件的标准，国际上并不统一。例如，美国NOAA以Niño 3.4区3个月滑动平均的海表温度距平值连续5个月≥0.5℃定义为一次El Niño事件；欧洲中期天气预报中心将Niño 3区海表温度距平值至少连续6个月≥0.5℃定义为一次El Niño事件；日本气象厅采用5个月滑动平均月JMA指数连续6个月（其中必须包含10月、11月和12月）≥0.5℃定义为一次El Niño事件；澳大利亚气象局则使用Niño 3.4区5个月滑动平均的海表温度距平值连续6个月≥0.8℃定义为一次El Niño事件；而在中国，中国气象局国家气候中心依据Niño Z指数≥0.5℃至少持续6个月（过程中间可有一个月未达标准）定义为一次El Niño事件；若Niño Z指数≥0.5℃持续5个月，且5个月的指数之和≥4.0℃时也定义为一次El Niño事件；国家海洋环境预报中心以Niño 3指数连续6个月≥0.5℃（过程中允许有一个月的中断）来判定El Niño事件。

参照以上定义，我们选定Niño 3、Niño 3.4指数这两个常用指数，并规定Niño 3指数≥0.5℃至少持续6个月（过程中间允许一个月的中断）为一次El Niño事件；Niño 3.4指数3个月滑动平均连续5个月≥0.5℃为一次El Niño事件，并由以上定义分别给出Niño 3指数和Niño 3.4指数对El Niño事件判定的结果。

表1为1950—2016年Niño 3和Niño 3.4指数定义的El Niño事件次数的统计，从中可以发现，Niño 3指数虽然可以较好的监测El Niño事件，但由于计算区域偏东，其对东部型事件监测效果较好，而对于发生在中太平洋海区的中部型El Niño事件，Niño 3指数的监测能力下降，表现为对于中部型事件的漏测，如1968/1969年、1994/1995年和2004/ 2005年3次El Niño事件；而Niño 3.4指数的建立虽然兼顾了东部型和中部型两种形态的El Niño事件，但是仍然会漏测一些强度较弱的东部型事件，如1951年的El Niño事件，且对于强度较大的东部型El Niño事件，Niño 3.4指数存在不能抓取到事件强度中心的问题。同样，Niño 3指数所在区域也会将一些中部型事件的增暖中心排除在外，由于两个指数对El Niño事件只抓取了部分特征，因而Niño 3和Niño 3.4指数对于El Niño事件强度的判定存在局限性继而引发对于事件强度的争议。而El Niño事件从开始至其结束是一个动态的过程，对其强度的描述不应局限在部分区域，应视为一个整体来进行判定，Niño 3和Niño 3.4指数不能监测到El Niño事件从发生到结束的整体强度特征。因此，要将El Niño事件的强度从一个整体的角度出发，就必须要扩大海区的监测范围，该范围可以将El Niño事件整体包括其中。

表1 Niño 3和Niño 3.4指数定的El Niño事件次数

为了解决单一指数对El Niño事件特征刻画的局限性，我们从事件分布的形态出发，来确定一个合理的海区监测范围。图2给出了1950—2016年赤道中、东太平洋区域（5°S～5°N，160°E～80°W）海表温度距平时间-经度的分布图。从图中可以看出，1950年以来，赤道太平洋的海温异常从南美沿岸可以一直延伸至180°经线附近。而从海温异常暖中心的位置分布来看，有些El Niño事件的最大暖异常中心位置偏西，位于日界线附近；有些El Niño事件的最大暖异常中心位置偏东，在150°W以东。此外，有的El Niño事件还存在暖中心位置的变动。

因此，我们基于上述对海表温度异常分布形态的分析，取Niño 3海区向西延伸至180°经线所覆盖的区域为监测El Niño事件的海区，该区域包含了两种类型的El Niño事件发生、发展所在范围，从而可以较好的监测两种类型的El Niño事件的整体特征，有利于表征El Niño事件的整体强度。

4 一种新的El Niño诺指数

4.1 新指数的定义

将新的El Niño指数命名为Niño T指数，并给出如下定义。

Niño T指数定义：

Niño T区（5°S～5°N，180°～90°W）区域平均的SSTA。

El Niño事件的定义：

当Niño T指数≥0.4℃的值持续6个月以上时（允许有一个月中断）为一次El Niño事件过程。

El Niño事件强度的定义：

图2 1950—2016年赤道海表温度距平时间-经度剖面图

Niño T指数在一次El Niño事件中的最大值。当最大值≥0.4且＜0.9时为一次弱的El Niño事件；当最大值≥0.9且＜1.8时为一次中等强度的El Niño事件；当最大值≥1.8时为一次强的El Niño事件。

图3给出了Niño 3、Niño 3.4和Niño T 3个指数随时间的演变，图中可以看出Niño T指数与Niño 3、Niño 3.4指数随时间的变化规律基本一致，只是振幅稍小一些。这是由于Niño T指数相比Niño 3、 Niño 3.4指数扩大了监测海区的面积，故其数值会相对减小，因而Niño T指数定义El Niño事件标准的临界值也相应的减小了。Niño T指数强度标准的临界值参照Niño 3、Niño 3.4指数定义的El Niño事件强度推定。

图3 Niño 3、Niño 3.4以及Niño T指数变化曲线图

在新指数的合理性方面，Niño T指数与Niño 3、Niño 4、Niño 3.4指数的相关性很好，相关系数均超过0.85，且所有相关系数的显著性水平检验均在0.01以上，表明Niño T指数具有较好的代表性。同时，El Niño事件作为赤道中、东太平洋大范围的海-气相互作用的事件，其所造成的异常变化不仅在海洋环境中有所体现，对大气环流也会产生相应的影响，因此赤道中、东太平洋的海温距平和南方涛动具有非常显著的相关关系。本文对1951年1月—2016年6月786个月的样本资料进行了相关统计，结果表明：Niño 3、Niño 4、Niño 3.4指数以及Niño T指数与南方涛动指数（SOI）之间的相关系数分别为-0.65、-0.67、-0.72和-0.70。除Niño 3.4指数以外，Niño T指数与南方涛动指数的负相关关系最为明显，且通过了0.01的显著性水平检验，这也进一步说明了本文关于Niño T指数的定义是合适的。

4.2 Niño T指数定义的El Niño事件

自1950年以来，Niño T指数定义的El Niño事件共有18次（见表2）。从事件强度上来看，弱的El Niño事件有5次，中等强度的El Niño事件有9次，强El Niño事件则发生了4次。其中，强度最强的El Niño事件是20世纪1997/1998年发生的El Niño事件，强度达到了2.61。而最近一次2014/2016年的El Niño事件不仅持续时间为1950年以来最长，在强度上也仅次于1997/1998年的事件为2.44，是1950年以来所发生的强度第二强的El Niño事件，而1982/1983年的发生El Niño事件强度为第三强。

4.3 Niño T指数与其他指数的比较

从表3可以看出，Niño T指数定义的El Niño事件与Niño 3、Niño 3.4指数定义的El Niño事件相比，事件定义的次数最多，即Niño 3指数定义El Niño事件14次、Niño 3.4定义El Niño事件16次，Niño T定义El Niño事件18次。具体而言，Niño T指数比Niño 3指数多监测到了1968/1969年、1993年、1994/ 1995年和2004/2005年的4次El Niño事件；同时，Niño T指数与Niño 3.4指数相比多监测了1951年和1993年两次El Niño事件。在El Niño事件持续时间上，由于各指数间范围和定义标准的不同，会存在些许的差异，但总体上趋近一致。

Niño T指数在El Niño事件定义的强度方面，虽然Niño T指数的数值偏小，但是其对事件强度性质的判定更为合理。例如，Niño 3和Niño 3.4指数在判定2014/2016年的事件的强度是否超过1997/ 1998年事件的问题上就会由于监测区域的限制产生争议，而此次事件强度被认为应当小于1997/1998年事件的强度，因而Niño T指数的强度划分较为合理。同时，随着80年代以来中部型El Niño事件的增多，Niño T指数不仅可以表征El Niño事件总体强

度，还可以有效的监测中部型和东部型两种类型的El Niño事件，解决了单一指标对于两种类型的El Niño事件监测能力不足的问题，使事件强度的认识更为直观，而且Niño T指数的计算也非常简便，便于日常业务使用，体现了一定的优越性。

表2 Niño T指数定义的El Niño事件及强度

表3 Niño 3、Niño 3.4和Niño T指数定义的El Niño事件及强度

5 气候平均值的改变对指数的影响

一般而言，我们将观测资料的30 a平均称为气候平均值，随着时间的推移，气候平均值也在不断的发生变化。那么气候平均值的改变会对El Niño指数产生什么样的影响？图4为1951—1980年、1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年4个30 a的Niño 3、Niño 4、Niño 3.4以及Niño T指数的气候平均值。可以发现，各指数的气候平均值均呈现升高态势。Niño 3、Niño 3.4、Niño 4和Niño T指数气候平均值分别较其前一个气候平均值升高了0.1～0.2，其中Niño 4指数的气候平均值变化最大，可见气候平均值的改变对于各个指数均存在一定的影响。

气候平均值的升高带来的另一个影响就是指数判定的弱El Niño事件减少。以Niño T指数为例，表4给出了Niño T指数在1951—1980年、1961—1990年和1971—2000年3个气候平均值下对El Niño事件判定的结果。从El Niño事件的次数来看，1951—1980年、1961—1990年和1971—2000年3个气候平均值下对应的结果为22次、21次和18次，事件次数逐渐减少。对减少的El Niño事件的强度进行分析发现，各事件均为弱的El Niño事件。同时，随着1951—1980年、1961—1990年和1971—2000年3个气候平均值的逐渐升高，Niño T指数对El Niño事件持续时间和强度的判定也会产生一些变化，主要表现为El Niño事件持续时间缩短和El Niño事件强度的减小。在Niño 3和Niño 3.4指数中也存在这样的情况。因此，不同指数由于定义以及所用气候平均值的不同可能会对El Niño事件的判定产生一些差异。

图4 不同年代下各指数的气候平均值

表4 不同气候平均值下Niño T指数定义的El Niño事件及强度（气候平均值1、气候平均值2和气候平均值3分别为1951—1980年、1961—1990年以及1971—2000年的平均值）

6 结论

本文运用美国NOAA所提供的扩展重构海表温度（ERSST）资料，计算了国内外业务单位常用的El Niño指数，并比较了它们对El Niño事件的监测能力，发现Niño 3和Niño 3.4指数对两种类型的El Niño事件存在监测能力不足的问题，单一指数对El Niño事件均有漏测，并且由于指数监测区域的限制，对于El Niño事件强度的判定存在一定的局限性，并在分析了赤道中、东太平洋海表温度异常分布形态的基础上，提出了一种扩大了对El Niño事件监测海区范围的新的El Niño指数，并比较了气候标准值改变对El Niño指数的影响，得到以下主要结论：

（1）以Niño T区（5°S～5°N，180°～90°W）得到了表征赤道中、东太平洋海表温度异常的Niño T指数，并将此指数≥0.4℃的值持续6个月以上时定义为一次El Niño事件过程；

（2）运用Niño T指数刻画了1950—2016年所发生的18次El Niño事件，能够较为全面的监测到历史上所发生的不同分布类型的El Niño事件，同时该指数可以准确判定El Niño事件起止时间和整体强度等特征，解决了单一指标对El Niño事件特征表征的局限性，从而更有利于从整体上描述El Niño事件的特征；

（3）1951—1980年、1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年4个30 a的Niño 3、Niño 4、Niño 3.4以及Niño T指数的气候平均值分别较其前一个气候平均值升高0.1～0.2。同时，由于气候平均值的升高，各El Niño指数判定的弱El Niño事件次数均有所减少。

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A new index for El Niño

GONG Hong1,2，WANG Zhang-gui2，ZHAO Chuan-hu1，FENG Li-cheng2

（1.Ocean University of China,Qingdao 266100 China;2.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

Using the monthly mean NOAA extended reconstructed sea surface temperature(ERSST)analyses data from 1950 to 2016,the commonly used El Niño index is calculated,and the monitoring abilities of several indices are examined.The results indicate that any single index cannot comprehensive monitor different types of El Niño events.The commonly used El Niño index has limitations on monitoring El Niño events.Therefore,this paper proposes a new El Niño index which not only can comprehensive monitor what has happened in the history at the different types of El Niño events,but also can reasonably define the strength of El Niño events.The new index can resolve the dispute in defining the intensity of El Niño events,and provide a new approach to monitoring of El Niño events.The study also analyses the impact of climate reference change on El Niño index for defining El Niño events,the results show that there will be fewer weak El Niño events with the increase of climate reference.

El Niño event；index；intensity

P732

A

1003-0239（2017）03-0017-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.003

2017-01-06；

2017-02-16。

国家自然科学基金（41576029）。

弓泓（1990-），男，硕士研究生，主要从事海洋-大气相互作用研究。E-mail：189149252@qq.com