ENSO多样性研究进展

徐华,徐建军,范伶俐

(广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江524088)

1 引 言

El Niño是指热带中东太平洋异常偏暖的现象，它是热带太平洋年际变化最强的信号，每隔2～7年发生一次，会对全球气候造成显著影响。Bjerknes[1]最早指出赤道中东太平洋海表温度异常偏暖是海气相互作用的产物，并开创性地将海表温度变化和南方涛动紧密联系起来，后人将两个现象合并称为ENSO(El Niño-Southern Oscillation)。

研究发现，传统的El Niño发展过程中，SST与海表面风变化的位相都有一定的相似性，如：El Niño发生前期，热带太平洋中、西部东风减弱或转为西风；赤道东太平洋秘鲁沿岸首先出现明显增温，发展过程中向西传播，冬季达到成熟时期可扩展到中太平洋[2-3]。这些相似性都体现出对季节循环的一种依赖关系，这种关系也被后人称为ENSO循环的“锁相”特征(Phase-locking)。

事实上，并不是每次El Niño事件都遵循这样的典型特征。早期研究指出El Niño事件有两种不同的增暖类型[4]，进而发展过程也不同，一类主要在太平洋东部秘鲁和厄瓜多尔沿岸增暖并向西扩展，而另一类则在热带太平洋中部增暖并向东扩展[5-10]。有研究指出，1950—1976 年期间的 El Niño事件，正异常海温起初在北半球的春季出现在南美秘鲁沿岸[2]，而1976—1996年期间发生的El Niño事件，正异常起初出现在赤道太平洋西到中部，或同时出现在赤道中太平洋和南美西岸[11-13]。而在一些工作中，虽然作者没有明确指出，我们也可以得到El Niño有不同类型的启示[14-16]。2000年以后，最大海温异常位于中太平洋的El Niño事件更频繁出现，引起了学者们的广泛关注。而El Niño事件发生时，不同海表温度异常模态，会造成大气和海洋的不同响应和反馈，从而导致对全球气候的不同影响。因此，应将其分为两类来研究。但是目前El Niño事件的发生发展机制还不完全清楚，所以没有一个统一的分类标准。

2 El Niño 事件的分类

2.1 基于空间分布形态对El Niño事件的分类

Larkin等[17-18]最早对中部El Niño事件进行了分类和命名。他们使用CPC(NOAA)给出的El Niño官方定义 (赤道太平洋Niño3.4区3个月滑动平均的SSTA值持续5个月大于或等于0.5℃)对1950—2003年期间的El Niño事件进行筛选，将非传统的El Niño事件命名为日界线El Niño(Dateline El Niño)。

部分学者注意到，一些El Niño事件在发展过程中，海表温度呈现赤道中太平洋为正异常，其两侧为负异常的分布形态[19-20]。Ashok等[21]使用EOF方法，将这个模态提取出来，定义为El Niño Modoki，该模态的特点为赤道太平洋SSTA呈纬向三极子结构，且正异常在南北两半球赤道外地区向东扩展，呈马蹄形分布。他们强调，El Niño Modoki是气候变化很重要的一个模态，与ENSO信号相互独立。

Yu等[22]在对ENSO春季障碍年代际变化的研究中指出，赤道太平洋SSTA有两种不同的表现。使用联合回归EOF的方法，Kao等[23]将两种模态提取出来，东部型El Niño(EP型)SST正异常自南美沿岸延伸至赤道中太平洋，而中部型El Niño(CP型)正异常大部分局限于中太平洋区域。

Kug等[24]根据鼎盛时期海温异常中心的位置对El Niño事件进行了分类：将SSTA中心位于赤道东太平洋的事件命名为冷舌型El Niño(CT型)，位于中太平洋的事件为暖池型El Niño(WP型)，SSTA中心位于两者之间，为混合型El Niño。

2.2 基于爆发时间对El Niño事件的分类

早在 1980年代 Rasmusson等[2]就提出了ENSO循环的季节“锁相”特征，而Neelin等[25]基于模式及观测数据对ENSO“锁相”的研究中指出，El Niño的发生时间、事件的强度及持续时间都表现出不规律性。

Xu 等[26]根据 El Niño 事件的爆发时间(Niño 3.4区SSTA值第一次超过0.5℃的月份)，将El Niño分成两种类型：爆发时间为4—5月的El Niño事件为春季型(SP型)，爆发时间为7—8月的El Niño事件为夏季型 (SU型)。他们指出，SP型El Niño事件相对SU型更强，持续时间更久，且SU型事件比SP型事件的发展滞后了一个季度。

Horii等[27]采用Xu等的分类方法[26]对两类事件进一步研究中指出，SP型El Niño相对SU型更强，且均是在春季爆发，发展至冬季达到成熟，但SU型El Niño事件的发展过程则没有统一的规律。

相对空间分类方法，基于爆发时间对El Niño事件进行分类的标准更简洁明了，且两类事件也具有明显的对比特征。一些学者对El Niño时间分类做了进一步研究[28-31]，但关于SP型和SU型事件中海洋和大气的基本特征，及两类事件的动力机制等问题尚未有相关研究成果。

3 有关ENSO多样性的总结

ENSO多样性应如何体现？较为常见的方式就是比较不同ENSO事件中SSTA的模态[32]。

基于爆发时间对El Niño事件分类的研究成果中，Xu等[26]、Horii等[27]虽然没有在文章中提及，但从他们的合成结果中不难发现，SSTA、表层西风及400 m以上的海洋热容量等要素的正异常在SP型El Niño事件发展过程中向东传播的距离更远、影响范围也更广，鼎盛时期SSTA正异常中心位于赤道东太平洋，而SU型El Niño的鼎盛时期SSTA的正异常中心则相对偏西。Cai等[30]对时间分类及空间分类下的El Niño事件进行比对后得出，SP型El Niño与CT型有较好的对应关系，而SU型则对应WP及混合型事件。

可见，虽然分类角度或方法不同，但分类结果都有着相似的对比特征和一定程度上的联系。为了方便阐述，后文中将SSTA中心位于赤道太平洋东部的传统 El Niño、EP、CT 及 SP 型 El Niño事件统称为东太平洋El Niño，而将SSTA中心位于赤道太平洋中部的 Dateline El Niño、El Niño Modoki、CP、WP 及 SU 型 El Niño 事件统称为中太平洋 El Niño。

3.1 两类ENSO事件的特点

总结前人的研究成果可以发现，两类事件的特征有以下几个共同点。

(1)东太平洋El Niño鼎盛时期，SSTA中心均位于赤道太平洋东部，且正异常分布宽广，从赤道太平洋南美沿岸一直延伸至日界线附近[17-18,21,23-24,26]；而中太平洋El Niño鼎盛时期，SSTA中心均位于赤道太平洋中部，太平洋东部为相对弱的正异常或为负异常，中部的正异常在赤道外地区随着纬度增加有向东扩展的趋势呈“马蹄形”结构(北半球向东扩展更多)[21,23-24]。

(2)相对中太平洋El Niño来说，东太平洋El Niño在发展的过程中，低层西风异常更强，向东传输的距离更远，影响范围也更大[23-24,26]。

(3)两类El Niño事件对全球气温和降水的影响模式有很大的差异[17-18,21,23-24]。

(4)东太平洋 El Niño比中太平洋 El Niño的持续时间更长，强度也更强[23,26-27]。需要说明的是，虽然中太平洋El Niño强度相对弱(盛期时中太平洋El Niño的SSTA及海面西风异常值约为东太平洋El Niño的一半)，但其异常中心处于更暖的环境背景下，这里的海表温度正异常更容易引起异常的垂直对流，所以中太平洋El Niño对全球气候的影响与东太平洋El Niño的影响量级相当[24]。

(5)近几十年，中太平洋El Niño出现的频率有所增加，但其原因尚未有统一的答案[21,23-24,33]。

需要说明的是，与其它中部型El Niño事件不同，Modoki事件显示为热带中太平洋SST为正异常而东西两侧为负异常的分布特征，它与其它中部型事件的形成机制是否一致还有待进一步研究，本文暂且将它们归为一类进行讨论。

3.2 两类ENSO事件的定量指标及分类结果对比

为了更好地理解ENSO多样性问题，很多学者定义了不同的指标去分类并对比两类事件。

(1)TNI指数：Trenberth 等[8]将 TNI定义为标准化的 Niño1+2区 SSTA 和 Niño4区 SSTA 之差，用于表征El Niño事件期间中、东太平洋SSTA的梯度。

(2)EMI指数：Ashok等[21]对热带太平洋SSTA进行EOF得到El Niño Modoki模态，并根据该模态的空间分布特点，构建出EMI指数。该指数与TNI、PC2之间均有较好的相关性，且考虑了EOF2模态空间分布型中的三个关键区域，故不管从数学角度还是动力学角度来看，EMI指数都是反映该模态的一个较好的选择。

在此基础上，Li等[34]提出了能更好捕捉EOF2模态空间分布型的IEMI指数。汪婉婷等[35]定义了东太平洋型海表温度异常指数EPNI，并指出EMI与EPNI两指数相应的海表温度异常及其影响存在显著差异。

(3)EPI/CPI指数[23,36]：使用联合回归EOF的方法分离两类事件，即从原始的SSTA中除去Niño1+2指数的回归值后再进行EOF分析得到的第一模态代表CP-ENSO，同理从原始的SSTA中除去Niño4指数的回归值后再进行EOF分析得到的第一模态代表EP-ENSO。将两个EOF第一模态对应的时间序列分别定义为CPI和EPI，并且定义CPI(EPI)超过一倍标准差时为CP-ENSO(EP-ENSO)事件。

有学者进一步设计了ICP和IEP两指数，反映海温异常变化时在空间上正交而时间上独立，故可更好地刻画两类事件的特征[37-38]。曹璐等[39]提出了同时以Niño 3和Niño 4指数构建指数组的形式来监测CP和EP两类事件。

(4)NCT/NWP指数[24,40]：若 Niño4 区的 SSTA 超过一倍标准差，且该区域的SSTA比Niño3区大，则定义为 WP型 El Niño事件；若 Niño3区的SSTA超过一倍标准差，且该区域的SSTA比Niño4区大，则定义为CT型El Niño事件。事实上，Niño3指数和Niño4指数之间本身有着很强的相关性[21,41]，虽然在大于0.5℃的标准下两类暖事件可以被很好地区分，但对于两类冷事件(La Niña)却不能很好区分[24,41]。

(5)还有很多学者从其他角度定义了不同的指标，如：Takahashi等[42]构建了E/C指数；Yu等[43]、Xu等[44]根据次表层海温特征定义了EP/CP、EPSI/CPSI指数；Singh 等[45]、Qu 等[46]定义了海表盐度指数；Chiodi等[47]构建了向外长波辐射指数。

有关ENSO的定量工作已有很多成果，而分类结果也会因指标选取不同而有差异。

表1显示，不同分类标准所选出的El Niño事件列表稍有差异，如使用EP/CP方法就没有选出1990/1991年的事件，使用SP/SU方法没有选出1977/1978年、1990/1991年的事件，这可能与事件弱且持续时间短有关。另外，El Niño事件的分类结果也并不完全对应，在1967年之前差异较大，而1968年往后差异较小，只有1976/1977年、1991/1992年、2002/2003年这三次事件稍有不同，且差异出现在两个使用Niño3.4指数定义的方法中(Dateline和SP/SU)，而根据SSTA空间分布形态分类的 3 个方法(Modoki、EP/CP、CT/WP)的结果则较为统一。虽然不同指标得到的分类结果有所差异，但这并不影响学者们得到两类事件发展过程中诸多相似的特征。

表1 1950—2005年El Niño事件的分类结果对比

3.3 有关ENSO多样性的争议

关于ENSO多样性，仍存在很多问题尚未清楚，如两类事件生成发展和位相转换的动力机制问题。目前有关ENSO的机制已有很多研究成果[48-49]，而两类事件发生发展和消亡的过程有着不同的特征，它们的动力机制理论上是不同的。学者们从不同的角度，如：Kao等[23]采用延迟振子理论[50-52]、Kug等[24]采用充电振子理论[53-55]去解释东太平洋El Niño生成发展及位相转换的动力原因。不论从哪个角度解释，大家都有一个共识，即东太平洋El Niño是一个海盆尺度的海气耦合过程，它的生消过程与温跃层的变化有着紧密的联系。但关于中太平洋El Niño的动力机制问题，科学界尚未有统一的答案。Ashok等[21]认为赤道中太平洋的异常偏暖与西太平洋异常西风激发东传的暖Kelvin波及东太平洋异常东风激发的西传Rossby波有关；Kao等[23]指出中太平洋El Niño的动力机制不涉及温跃层的变化，它是一个局地的海气耦合过程，其发展演变更多基于大气外强迫；Kug等[24]、Xie 等[56]认为中太平洋 El Niño 的发展与温度的纬向平流有关；另外还有学者从季风[26]、ENSO前期热带太平洋海温距平场[57]及赤道太平洋次表层海温异常[58-59]等角度进行解释。

有学者使用Cane-Zebiak海气耦合模式[60]，对海表温度变化过程中温度方程里各项的相对大小进行了评估，发现平均上升流对异常的次表层温度的垂向输运与异常流动对平均海表温度的纬向平流在ENSO发展和位相转换的过程中都非常重要[61-63]。这两个过程也被称作温跃层反馈机制和纬向平流反馈机制[64]。Kug等[24]对两类El Niño物理过程的研究中发现这两种机制分别在CT型和WP型El Niño的发展和消亡过程中起着重要的作用。Ren等使用他们定义的WPI和CTI指数[41]，对两类El Niño事件的动力机制进行了更深入的研究，他们指出温跃层反馈机制和纬向平流反馈机制对两类事件的发展和位相转换均有重要贡献，其中前者对两类事件发展速率相对后者有更重要的作用[65]。WP型El Niño的温跃层反馈机制在Kug等[24]的研究中没有被发现，主要是因为没有去除背景年代际振荡信号的干扰。

关于中太平洋El Niño是不是热带太平洋变化的一个独立模态的问题，目前仍存在争议[8,21,41-42]。事实上，很多原因会导致El Niño位相的不对称性和发展的不规律性，如：背景平均态的变化[7]、随机天气噪声强迫[66]、ENSO的非线性动力学特征[67-70]等。如同Wyrtki在1975年所说，没有哪两个El Niño事件是完全相同的[71]。更清楚地分析 El Niño事件的相似性和相异性，更好地认识ENSO的物理过程和机制，有助于提高和改进对ENSO的预报。所以，关于ENSO多样性问题仍有待于进一步研究。

4 总 结

学者们根据空间分布形态或爆发时间将ENSO事件分为两类，虽然选取标准不同，分类结果却有很多相似的特点：传统的El Niño、EP型、CT型及SP型El Niño事件发展至成熟时期，正SSTA中心位于赤道太平洋东部，低层西风异常更强，向东传输的距离也更远，这些事件可以统称为东太平洋 El Niño；Dateline El Niño、El Niño Modoki、CP型、WP型及SU型El Niño事件发展至成熟时期，正SSTA中心位于赤道太平洋中部，这些事件可以统称为中太平洋El Niño。研究结果显示，东太平洋El Niño比中太平洋El Niño的持续时间更长，强度也更强；两类El Niño事件对全球气候的影响模式有很大差异；近几十年，中太平洋El Niño出现的频率有所增加，但其原因尚未清楚。

而有关两类事件生成发展和位相转换的动力原因，目前科学界关于东太平洋El Niño有较统一的认识，普遍认为东太平洋El Niño是一个海盆尺度的海气耦合过程，它的生消过程与温跃层的变化有着紧密的联系，但对于中太平洋El Niño的动力机制，学者们从波动、大气外强迫、纬向平流反馈等不同角度进行了解释，目前科学界尚未有统一的答案。