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全球变暖对热带太平洋和厄尔尼诺的影响

厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）是一种自然发生的波动，其起源于热带太平洋地区，影响着全球的生态系统，农业、淡水供应，飓风和其他恶劣天气事件。在全球变暖的影响下，太平洋地区的平均气候可能会发生重大变化。热带东风信风将减弱；表面海洋温度在赤道附近变暖最快，并且越远越慢；风力混合的上层海洋和较深层海床之间过渡的赤道温跃层将会变浅；温跃层上的温度梯度将增加。年复一年的ENSO变化由放大和阻尼反馈的微妙平衡控制，气候变化可能会影响决定ENSO特征的一个或多个物理过程。因此，尽管我们对气候变化导致厄尔尼诺变化的影响的理解取得了相当大的进展，但还无法确定ENSO活动是否会得到增强或抑制，或者ENSO的频率是否会发生变化。

人为气候变化现已成为一个具有科学和政治性的全球重要问题。人为气候变暖主要影响之一来自于先前存在的自然变异性的转变或夸大。例如，如果降水的平均分布变得更高或更低，意味着更频繁地发生洪水或干旱。ENSO是自然气候变率最重要的来源之一。在两到七年的时间尺度上，赤道东太平洋气候在异常寒冷（拉尼娜）和温暖（厄尔尼诺）条件之间变化。这些温度波动伴随着地下海洋结构的变化，赤道东风强度的变化，大气对流位置的变化。这些变化导致世界许多地区的降雨和天气模式发生变化。

在最简单的情况下，当前的天气和气候变化如ENSO将继续像以前一样，叠加到全球背景气候上，逐渐变暖。但是，目前尚不清楚气候系统是否会以这种简单的方式发展。随着热带太平洋地区大气和海洋的平均状态演变，ENSO的幅度，频率，季节时间或空间格局可以改变。此外，即使ENSO本身没有改变，ENSO影响热带太平洋以外偏远地区的方式也可能改变。

经过近几十年的深入研究，我们对ENSO循环中涉及的基本物理特征和过程有了很好的理解（表1）。利用数学模型的层次结构来解释ENSO的动力学、能量学、线性稳定性和非线性。复杂耦合的全球循环模型（CGCMs）已成为检查ENSO动力学和全球变暖与ENSO之间相互作用的有力工具。ENSO现在是许多CGCM模式自发形成的，也就是说，它是由于耦合的大气-海洋系统中热和动力成分的复杂相互作用而自发产生的。然而，由于计算机资源的局限性，使用CGCMS模拟ENSO仍然具有挑战性：（1）计算机资源，气候模型分辨率不足以充分解决相关小规模物理过程。(2)我们能够创建参数化方案或包含一些相关的物理和生物过程，这些过程并没有被气候模型明确地解决;（3）相关高质量观测数据的可用性；（4）我们对ENSO的理论认识，也在不断发展。尽管如此，CGCM试验协调和模拟结果导致了对平均热带太平洋条件下的系统偏差以及CGCM中ENSO演化的特征，物理过程和反馈的前所未有的评估。

表1 热带太平洋气候与ENSO特征

Bjerknes反馈:一个正反馈循环，有助于控制热带太平洋的状态，并放大初期厄尔尼诺事件。热带太平洋的偏东信风引起地表纬向流和上升流，维持东西冷暖海温梯度。海温梯度又将大气对流向西集中，带动Walker环流，增强了信风。这些元素中的任何一个的变化都会被这个反馈循环放大。

温跃层：热带太平洋上部几百米处垂直温度梯度很强的区域。赤道温跃层的关键是其纬向或东西向的坡度（通常西面的温跃层比东面更深）；纬向平均深度（表示上层海洋的热含量）；强度（测量表面和深海之间的温度对比强度）。温跃层在ENSO循环中是动态活动的，是其演化的关键。

上升流：冷海水从深度向上运动，在赤道太平洋，这是由偏东（来自东方）信风驱动的。上升流的作用是冷却地表，并向地表生态系统提供营养。

地表纬向流：平均东风信风驱动一股地表东风，将温暖的地表水推送到西太平洋。在厄尔尼诺（El Nintilde;o）期间，当信风减弱时，温暖的西太平洋海水向东流动，削弱了整个太平洋的纬向海温对比，从而进一步削弱了信风——这是ENSO周期的正反馈。

沃克环流：热带太平洋大气环流的纬向分量。在正常情况下，在西太平洋上升，向东流动，在东太平洋下降，然后在海面上以信风的形式向西流动。

延迟海洋调整：在厄尔尼诺期间，热带太平洋向极地信风梯度的增加增强了从赤道向亚热带的上层海洋的极地输送。这逐渐将温暖的地表水从赤道带排出，最终形成较浅的温跃层，较冷的上升流，并恢复了东太平洋冷水的向西流动。这种缓慢的海洋调整有助于将厄尔尼诺现象转变为正常或拉尼娜现象。

大气反馈：海表温度和大气环流的变化导致云层和地面风的变化，从而影响大气圈和海洋之间的热量和动量的流动。通量一般分为地表辐射通量、感热通量和潜热通量。降水、对流和层云的性质在平均气候和ENSO循环的热平衡中都很重要。

季节内变率：季节内的大气变率，通常与MJO和其他有组织的变率模式有关，可引起西太平洋表面风的异常，从而引起向东传播并加深温跃层的开尔文波。这些可能引发或放大厄尔尼诺事件的发展。

小尺度特征：赤道海洋由于流体动力不稳定而产生热带不稳定波。尽管人们认为它们在ENSO动力学中的作用相对较小，但大多数用于长期气候预测的CGCMs并不能很好地模拟热带不稳定波。

平均气候变化

为了评估和了解热带太平洋平均状态的变化，我们将季节变化的时间平均气候与ENSO相关的异常分开。此外，我们还讨论了平均值如何影响变异性，以及变异性如何纠正平均值。当系统适应不断变化的边界条件时（例如，当表层海洋以比深海更快的速度升温时），区分ENSO的变化也是很重要的，一旦系统平衡到一个更温暖的气候，ENSO的状态就会改变。在这里，我们通常考虑前者，因为瞬态模拟构成了CGCM气候变化的大部分实验档案：尽管存在具有平衡辐射强迫的模拟，但很少有CGCM运行到气候平衡。

全球气候变化的某些方面在不同的CGCM中是平稳的，并且易于进行简单的理论解释。在最基本的层面上，所有模型都显示全球表面气温和海面温度（SST）随着温室气体浓度的增加而变暖。在全球水文循环中，反应也很明显。随着全球平均温度上升，全球平均饱和水汽压也以接近7％每开氏温度的速率上升，因为如果相对湿度保持恒定，克劳修斯-克拉珀龙关系在温度变化上是线性的。这种效应可以在不同的CGCM中观察到（图1a）。在这里分析的实验中，CGCMs的全球平均降水率以小于1.2％的升温率开始上升（图1b）。与较快的湿度变化速率相比，全球降水变化速率较慢，这意味着湿边界层空气与上面的干燥空气的交换速率必须降低。伴随质量通量的减少，热带主要对流区的垂直运动减少，导致大气垂直运动减弱。

热带太平洋的平均气候受垂直大气环流的强烈影响，该环流由经向哈德莱环流和纬向的太平洋沃克环流组成（如图2所示）。由于全球温度的升高，垂直环流的两个分支都将减弱，地表信风也将减弱，这与沃克环流变弱有关（图1d）。由热带太平洋东部和西部的平均海平面压力梯度（图1c）的减小所测量的信风减弱，已经在观测和模式中记录下来。在CGCM中，赤道信风的减弱导致赤道海洋环流减缓，包括赤道太平洋上升流。

在年际时间尺度上，信风减弱将导致温跃层变平，东部冷水上涌减少，东太平洋海温与西部相比变暖，信风进一步减弱。这是皮叶克尼斯描述的经典反馈（方框1）。尽管在气候变迁下，CGCMs中的温跃层总体上趋于平缓，也就是说，东西向的倾斜度减小，在过去50年的所有预测和观测重建中，赤道温跃层趋于平缓（上升）。这是由于对赤道风减弱进行了动态调整，以及地表水升温快于深海造成的。因此，Bjerknes反馈不适用于时间尺度气候变化，其他过程可能会影响海温异常的分布。尽管赤道太平洋的平均海平面压力梯度有所降低，但观测到的东西海温梯度的变化趋势是模糊的。

不同耦合模型比对项目（CMIP3）模型的平均结果表明，在未来100年内，在温室气体浓度增加的推动下，海表温度沿赤道上升的速度比在非赤道地区快（图2）。CGCM表明，这是因为沃克环流减弱导致水平海洋环流减缓，整个赤道太平洋的热通量散度减少，即热量从赤道输送的减少。在西部，云层反馈和蒸发平衡了额外的动力加热以及温室气体相关的辐射加热。在东部，海洋内的垂直热传输增加的冷却平衡了冷舌上的额外变暖。尽管与减弱的信风垂直速度降低，但近地表热分层的增加导致了冷却趋势的增加。

图1 |气候模式中全球和热带太平洋平均气候变化随全球平均温度变化的函数，红色菱形是从CMIP3多模型数据库中导出的值，黑色星号是从HADC3模型的扰动物理系综中导出的值。a，全球平均整层水蒸气百分比变化b，全球降水量变化百分比。c，热带太平洋盆地平均海平面气压（MSLP）梯度的变化。 d，中太平洋NINO4区平均风应力的变化。正值表明东风信风强度下降。

图2热带太平洋地区的大气和海洋条件及其分别在正常条件、厄尔尼诺条件和更温暖世界中的相互作用的理想示意图。a，热带太平洋的平均气候条件，海表温度，地面风应力和相关的Walker环流，对流的平均位置，以及温跃层的平均上升流和位置。b，厄尔尼诺事件期间的典型条件。海表温度在东部异常温暖；对流进入太平洋中部；东部的信风减弱，沃克环流受到干扰；温跃层变平，上升流减少。c，由观测、理论和CGCMs得出的气候变化可能的平均条件。信风减弱；温跃层变平变浅；尽管平均垂直温度梯度增加，但上升流减少了； 赤道上的海表温度（显示为平均热带宽暖异常）增加更多。绝对海温场图显示在左侧，海温异常图显示在右侧。对于气候变化场，异常是相对于盆地平均温度变化来表示的，因此蓝色表示比盆地平均值小的变暖，而不是冷却。

由于赤道太平洋信风强度的减弱不一定伴随着东-西海温梯度的减小，正如在年际时间尺度上所看到的典型关系所预期的那样，“厄尔尼诺样”一词在描述观测和模型中的平均热带太平洋气候变化时的使用是有限的。这也在世界上许多地方造成了混乱，因为全球变暖导致的降雨变化与通常与厄尔尼诺现象有关的降雨是不同的。

上述变化在物理上是一致的，并且描述了热带太平洋地区在大气温室气体增强的情况下我们对平均气候预期变化的理解。然而，还有更复杂情况。CGCMS有着共同的空间偏差，如冷舌西伸过远，以及热带降水的不现实模式（如“双热带辐合带”）。在一些气候模型中，赤道东太平洋冷舌区的现有偏差与人类活动产生的气候变化大小相当。此外，当前全球环流的一些方面要么没有被CGCM很好地模拟，要么根本没有表示，例如，在一些CGCMS中，以Madden–Julian振荡（MJO）形式存在的有组织的季节内变异性是不存在的，并且在存在这种变异性的地方，其特征与观测结果并不完全相同。

如果大多数CGCM的空间分辨率继续像过去那样缓慢增加，那么由于热带气旋和台风具有突显特征那么CGCM模拟还需要一段时间。这些现象是否会影响气候平均变化的细节，我们还不知道。但我们可以假设，在我们能够从CGCM中提取有关气候变化细节的有用信息之前，能够以绝对保真度模拟气候的所有这些方面并不一定是必要的。随着我们对气候系统的观察、理解和描述的不断完善，这一假设也不断得到验证。

ENSO对外部强迫的响应

ENSO对气候变化的敏感性可以研究ENSO过去的历史。CGCM对全新世中期（6000年前）和末次盛冰期（21000年前）的研究为ENSO动力学提供了更深的见解，对过去千年的综述文章的研究也是如此。然而，我们目前所经历的由温室气体引起的气候快速变化并没有直接的古代类比。

利用观测和气候变化模拟探测ENSO的外部强迫变化是很困难的，因为ENSO行为内在变化很大，即使在外部没有变化的情况下，在几十年和百年的时间尺度上它可以发生改变。在CGCMS中，通过对同一模型进行多次运行，并根据长时间的非强制控制实验得出的自然变量来测量强制变化，可以部分克服这一问题。然而，在现实世界中，这是不可能的，自然变化可能掩盖了由全球变暖导致的变化。

ENSO过程和反馈可能会受到温室气体引起的平均气候变化或某些物理反馈的直接变化的影响，这反过来又会导致ENSO事件的特征振幅或频率发生变化。如图3所示，一些CGCM显示未来ENSO变化幅度增加，其他CGCM显示减少，有些则没有统计上的显著变化。图3仅基于相同结论的许多研究中的一项。基于对当前一代CGCMs的评估，未来ENSO振幅或频率的变化并不一致。但是，通过在CGCM中单独评估个人反馈过程，我们可以了解ENSO如何受到气候变化的影响：

平均上升流和平流 赤道太平洋东部冷水的平均上升流和平均地下平流都有助于加强水平和垂直的气候温度梯度。如果在东太平洋发生正热异常，那么这些过程会减弱这种异常。由于等风力信风的普遍减弱，气候变化导致CGCM的平均上升流和平均平流减少。这将导致ENSO活动增强。

图3 |根据CMIP3模型预测的作为对全球变暖反应的ENSO变化幅度变化。该测量值由平均海平面压力指数的年际标准差（S.D.）得出，该标准差与南方涛动变化的强度有关。正变化表明ENSO增强，负变化表明ENSO减弱。统计显著性通过蓝色条的大小来评估，用粗体颜色表示的条来自CMIP3 CGCMS，这些被认为对当前ENSO特性和反馈具有最佳模拟。

温跃层反馈 赤道太平洋东部温跃层深度的变化会影响厄尔尼诺现象的特征。赤道温跃层在年际时间尺度上的变化导致东太平洋的海温异常。由于气候温跃层在温室增温作用下变浅，海温对温跃层深度异常的响应应增加。在CGCM预测中，东太平洋温跃层平均深度的变化受两个相互作用过程的影响；温跃层变浅或上升倾向于东太平洋的深度减小，但赤道温跃层坡度的减小倾向于东太平洋的深度加深。预计这些变化将增强ENSO事件

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