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两类厄尔尼诺事件的研究进展：观测，动力机制及未来变化

Sang-Wook Yeh¹, Jong-Seong Kug², and Soon-Il An³

1韩国安山市汉阳大学海洋科学与融合技术学院

2韩国安山市韩国海洋科学技术研究院

3韩国首尔市延世大学大气科学学院

(2013年11月26日投稿；2014年01月08日接收)

copy;韩国气象协会和斯普林格出版社2014

摘要：在过去30年里，气候学家们已经在观测、理解和预测厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）上取得重大进展。尽管如此，依然存在未解决的问题，包括ENSO多样性和极端事件，年代际调制，可预测性，遥相关和ENSO与其他气候现象之间的相互作用。特别是，已经从传统的厄尔尼诺中提出存在不同类型的厄尔尼诺现象。这种类型的厄尔尼诺现象在近几十年来频频出现，并引起了气候界极大的关注。本文随着对两类厄尔尼诺现象关注，总结了最近的进展动态，年代际变化和厄尔尼诺的未来预测。

关键词：ENSO 两类厄尔尼诺 传统厄尔尼诺 ENSO多样性

1引言

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是一种热带太平洋地区海表面温度（SST）在年际时间尺度上波动的自然现象（Ropelewski and Halpert，1987）。虽然ENSO现象开始于热带太平洋地区，但它可能会对农业和水文循环产生影响，并通过海洋和大气遥相关造成全球尺度的恶劣天气事件(Alexander et al.2002; McPhaden et al., 2006; Spencer and Braswell,2013; Ham et al., 2014)。此外，随着全球大气中的碳浓度年际变化，ENSO能够通过改变营养供给从而影响太平洋地区的海洋生态系统(Chavez et al., 1999;Murtugudde et al., 1999; Picaut et al., 2001; McPhaden et al.,2006; Park et al., 2011)。因此，ENSO现象，包括它的气候影响和社会经济影响，一直是了解自然气候变率甚至气候变化的一个重要科学课题（McPhaden et al.,2006）。

由于1982/83年的强厄尔尼诺事件，气候学家们已经在观测，理解和预测ENSO上取得巨大进展，特别是在一个实时观测系统，热带海洋—全球大气/热带大气海洋（TOGA / TAO）计划实施后，得到进一步发展。这些研究加深了我们对海洋—大气耦合反馈过程的理解，这一过程对于ENSO发展至关重要(Zebiak and Cane, 1987; Jin, 1997a, b; Latif et al.,1998; Kirtman and Schopf, 1998; An and Wang, 2000;Fedorov and Philander, 2000; Kug et al., 2003; An et al.,2005; Dewitte et al., 2012)

Corresponding Author: Jong-Seong Kug, Korean Institute of Ocean Science and Technology, 787 Haean-ro, Sangnok-gu, Ansan 426-744, Korea.

E-mail : jskug1@gmail.com

Corresponding Author: Soon-Il An, Department of Atmospheric Sciences, Yonsei University, 50 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul 120-749, Korea.

E-mail: sian@yonsei.ac.kr

此外，目前第三和第五耦合模式对比计划(CMIP3和CMIP5)中的气候系统模式提供了一个重要的数据集来探讨ENSO过程，特别是那些与平均状态长期变化的敏感性有关的过程(van Oldenborgh et al., 2005; Guilyardi et al., 2009; Collins et al., 2010; Ham and Kug, 2012; Kug et al., 2012; Yeh et al., 2012)。

尽管ENSO多样性和极端事件，年代际调整，可预测性，遥相关以及ENSO与其他气候现象之间的相互作用等方面已经有所进步，但问题依然存在。此外，Bellenger等(2013)认为，CMIP5多模式集合相比于CMIP3在ENSO的表现上没有显示出量化的飞跃，表明仍存在很大的空间去提高CMIP模式模拟耦合反馈过程的能力。例如，前沿的气候模式在模拟热带太平洋观测海表面温度的概率密度函数上仍存在困难，这与厄尔尼诺观测到的多样性在模式中模拟不足有关(Yu and Kim, 2010; Ham and Kug, 2012; Kug et al., 2012; Jang et al., 2013)。

最近许多研究表明，在空间分布上存在一种不同于传统厄尔尼诺的厄尔尼诺现象，包括温跃层深度，纬向流，以及对流的位置(Larkin and Harrison,2005; Ashok et al., 2007; Kao and Yu, 2009; Kug et al.,2009a; Takahashi et al., 2011)。例如，2009/10年的厄尔尼诺，是记录中最强的厄尔尼诺事件之一，表现为最大海表面温度（SST）异常位于赤道中太平洋。2009/10年的厄尔尼诺不同于传统厄尔尼诺事件，体现在它的空间结构和从热带到热带外的遥相关型，它与和降水相关的热带非绝热强迫有关。这种类型的厄尔尼诺现象在最近几十年发生更加频繁(Yeh et al., 2009;Lee and McPhaden, 2010; Na et al., 2011)。经过一系列研究(Yeh et al., 2009; Lee and McPhaden, 2010; McPhaden et al., 2011)，这种类型的厄尔尼诺，即所谓的“暖池厄尔尼诺”受到了气候界极大关注。在本文中，我们重点回顾两种类型厄尔尼诺现象的观测事实，动力学机制，及其变化的近期研究进展。

2观测

a.两类厄尔尼诺事件的海表面温度分布

由于一种不同类型的厄尔尼诺事件频繁出现，厄尔尼诺事件的多样性在过去十年中日益受到重视，人们将其命名为“日界线厄尔尼诺事件”，“厄尔尼诺Modoki事件”，“暖池厄尔尼诺事件”和“中太平洋型厄尔尼诺事件”(Larkin and Harrison, 2005; Ashok et al., 2007; Kao

and Yu, 2009; Kug et al., 2009a)。这些厄尔尼诺事件相比于“传统”厄尔尼诺事件有不同的特征。尤其是，其最大海表面温度（SST）异常在出现在太平洋中部，而不是东太平洋。参照Kug 等 (2009a)，我们今后将把这种类型的厄尔尼诺称为暖池（WP）厄尔尼诺事件，并称传统的厄尔尼诺事件为冷舌(CT)厄尔尼诺事件。

利用1970-2013年ERSST.v3和HadISST资料，我们对CT和WP厄尔尼诺事件进行分类，分类方法与Kug等 (2009a）采用的一致。以北半球冬季（12- 2月，或DJF）NINO3 SST指数或NINO4 SST指数大于相应的一个标准偏差，挑选出CT和WP El Nino事件。随后，若NINO3（NINO4）SST指数大于标准化的NINO4（NINO3）SST指数, 则定义为CT（WP）厄尔尼诺年。值得注意的是，NINO3和NINO4 SST指数分别为5°S~5°N,90°W~150°W和5°S~5°N,160°E~150°W的SST异常平均。

当采用这两个SST数据集定义时，CT和WP厄尔尼诺年存在一些不同，但它们均能明显表现出WP厄尔尼诺的发生频率多于CT厄尔尼诺。例如，采用HadISST计算，WP和CT厄尔尼诺事件在1970-2013年间的发生频率分别是0.27 /年和0.11 /年，也就是说在过去的40年里WP厄尔尼诺事件的发生频率是CT厄尔尼诺事件的两倍。特别是，除了2003年的厄尔尼诺事件以外，2000年以来所有的厄尔尼诺事件均属于WP厄尔尼诺事件，这一结论可以从HadISST和ERSST.v3中得到。这与前人的研究一致(Kug et al., 2009a; Yeh et al., 2009; Lee and McPhaden, 2010)，表明自上世纪九十年代后期WP厄尔尼诺发生率有所增加。

图1所示为在HadISST计算下CT厄尔尼诺（图1a-f）和WP厄尔尼诺（图1g-l）的季节变化。可以注意到，相同的合成分析应用于ERSST.v3，其空间结构存在差异可以忽略不计（不出示）。以往的研究指出，CT和WP厄尔尼诺事件之间最明显的区别在于它们成熟阶段最大SST异常沿赤道的纵向位移。CT厄尔尼诺事件的特征在于冬季最大SST异常位于赤道东太平洋（图1d），而WP厄尔尼诺事件（图1j）冬季最大SST异常位于赤道中太平洋的日界线附近。CT厄尔尼诺事件的空间结构是纬向上沿赤道东太平洋延伸至赤道中太平洋，而WP厄尔尼诺的空间结构是在纬向上局限在赤道中太平洋。

从发展阶段（即，春季（三月至五月，MAM(0)），夏季（6- 8月，JJA(0)）和秋季（九月至十一月，SON(0))）到衰减阶段（即，MAM( 1)和JJA( 1)）的季节演变中CT和WP厄尔尼诺之间也存在差异。对于CT厄尔尼诺事件，夏季SST暖异常出现在赤道远东太平洋（图1b）。从夏季到秋季，SST暖异常在赤道东太平洋迅速发展，然后在冬季缓慢增长到最大值（图1c-d）。从夏季到冬季，最大SST异常的西移十分明显（图1b-d）。对于衰减阶段，SST异常在赤道中东太平洋迅速减小（图1e），JJA（ 1）时SST赤道中太平洋出现负异常（图1f）。

相比之下，WP厄尔尼诺事件的季节变化与CT厄尔尼诺（图1g-l）完全不同。在春季(MAM(0))和夏季(JJA(0))，尽管其强度较弱，但从副热带东部到赤道中太平洋开始出现SST异常（图1h-i）。随着WP厄尔尼诺从夏季到秋季的进一步发展，在赤道中太平洋的SST暖异常变得更强，并且最大SST异常中心持续位于赤道中太平洋。WP厄尔尼诺事件最明显的特征为秋季纬向上局限在赤道中太平洋的SST异常（图1i）。SST暖异常从秋季到冬季逐渐增强，并在冬季达到最大强度（图1j）。对于衰减阶段，SST暖异常从MAM( 1)持续到JJA( 1)（图1k-l），热带远东太平洋出现SST冷异常。整体上，WP厄尔尼诺事件比CT厄尔尼诺事件在过去的30年中发生更频繁。此外，WP厄尔尼诺事件在空间结构，强度和季节变化等方面与CT厄尔尼诺事件均不相同。

图 1. CT厄尔尼诺事件期间的合成SST变化图 春季（3-5月， MAM(0)），夏季（ 6-8月，JJA(0)），秋季（9-11月，SON(0)）, 冬季 （12-2月，D(0)JF( 1)）, 以及次年春季（MAM( 1)） 以及夏季（JJA(1)）（模板(a)-(f)）。图 (g)-(l)和(a)-(f)的模板相同，为WP 厄尔尼诺事件的演变。1970-2013年月平均SST数据来自哈德来中心海冰以及SST资料集（HadISST），分辨率为1.0 （Rayner等，2003）。本文中SST在分析之前已去掉线性趋势。

b.两类厄尔尼诺事件的影响

为什么需要研究两类厄尔尼诺事件？这主要因为暖中心的位置，会导致从热带到热带外地区相应遥相关出现显著差异。(Larking and Harrison, 2005; Kumar et al., 2006; Ashok et al., 2007; Kug et al., 2010a; Wang and Wang, 2013)。换句话说，最大SST异常的位置决定了与两类厄尔尼诺事件有关的降水空间分布，显著影响热带激发的大气遥相关。根据Kug 等(2009a)和Yeh 等(2009)，CT厄尔尼诺事件和WP厄尔尼诺事件所对应的合成降水分布十分不同。例如，对于CT厄尔尼诺事件，最大降水异常中心在日界线附近。对于WP厄尔尼诺事件，则西移到了165°E左右。因此，在WP厄尔尼诺事件期间，相比于CT厄尔尼诺事件，降水异常在赤道西太平洋上增强很多而在赤道中东太平洋上减少。

在两类厄尔尼诺事件在热带对流空间分布上的差异通过大气遥相关使得二者从区域到全球对天气和气候的影响不同(Cai and Cowan, 2009; Kim et al.,2009; Lee et al., 2010; Kug et al., 2010a; Graf and Zanchettin,2011; Song et al., 2011; Yoon et al., 2012; Yu et al., 2012;Wang and Wang, 2013)。这两类厄尔尼诺事件通过在北大西洋气旋主要发展地区调节垂直切变对它们的出现频率和轨迹产生不同的影响(Kim et al., 2009)。此外，热带气旋的出现频率与WP厄尔尼诺事件呈显著正相关，而北太平洋西北部热带气旋的出现频率与CT厄尔尼诺呈显著负相关(Chen and Tam,2010)。此外，北美地表温度和降雨异常的空间分布和符号在两类厄尔尼诺事件中也大不相同(Larkin and Harrison, 2005; Mo et al, 2010; Yu et al;2012)。一些研究认为，WP厄尔尼诺事件相比于CT厄尔尼诺事件，在澳大利亚、欧亚大陆以及印度引起了不同的降水变化(Kumar et al., 2006;Hendon et al.,

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