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造成厄尔尼诺和拉尼娜之间演化不对称的动力和热力学相关作用

摘要

观测到的在赤道东太平洋的海表面温度异常（SSTA）显示了厄尔尼诺和拉尼娜之间不对称的演化特征。厄尔尼诺现象的特点是峰后迅速衰减，并在随后的冬季里迅速向冷阶段过渡，而拉尼娜现象的特点是峰后衰减较弱，第二年冷海温异常重新增强。通过混合层热量收支分析，研究了动力学（风场）和热力学（热通量）过程在非对称演化中的相关作用。结果表明，动力过程和热力学过程共同导致了演化不对称。前者与西太平洋的不对称风响应有关，而后者与不对称云辐射-SST和蒸发-SST反馈有关。在厄尔尼诺衰减阶段，SSTA呈显著的负向趋势，而在拉尼娜衰减阶段，SSTA呈较弱的的正向趋势。这样的差异导致厄尔尼诺的SSTA符号发生变化，但第二年夏末拉尼娜的SSTA符号没有变化。在北半球的秋季，季节相关的耦合不稳定性开始出现，导致厄尔尼诺现象在第二年年底出现拉尼娜现象，但在第二年年底，拉尼娜现象再次出现。在整个ENSO演化过程中的总热量收支分析表明，引起厄尔尼诺-拉尼娜演化不对称的过程中，热力学过程与动力学过程同样重要。更进一步的讨论了当前结果与以往理论的重要区别。

1.介绍

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是热带地区最大的年际变化，也是其基本动力（包括其结构和演化）在过去的几十年中，人们对其特征进行了大量的研究（如Rasmusson and Carpenter 1982; Cane and Zebiak 1985; Philander 1990; Neelin et al. 1998; Chang et al. 2006）。目前普遍认为ENSO扩增是海洋-大气耦合不稳定的结果（Bjerknes 1969; Philander et al1984; Hirst 1986， 1988）。它的振荡特征来自于波浪起关键作用的延迟振荡动力学（如， Suarez and Schopf 1988; Battisti and Hirst 1989），或以纬向平均温跃层深度变化为关键的充电-放电理论（Jin 1997; Li 1997）。

与ENSO相关的一个重要动力学问题是，是什么导致了厄尔尼诺和拉尼娜现象之间的振幅不对称。赤道东太平洋海温异常呈正偏态（EP; Burgers and Stephenson 1999;An and Jin 2004）。Su et al（2010）最近利用三组海洋再分析资料进行的观测研究表明，赤道EP中ENSO-related SSTA的正偏态来自于纬向和经向的非线性平流，而非线性垂直平流起着相反的作用。这一结果与An and Jin（2004）强调非线性垂直平流的作用相反。 上述两项工作之间的差异归因于所使用的海洋再分析数据。An and Jin（2004）使用了在垂直速度场中存在偏差的简单海洋数据同化（SODA）数据的测试（beta）版本（Su et al. 2010）。

与振幅不对称相比，厄尔尼诺和拉尼娜之间的时间演化不对称受到的关注较少（Kessler 2002; Larkin and Harrison 2002;McPhaden and Zhang 2009;Kim et al.2011）。Kessler （2002） 注意到从拉尼娜到厄尔尼诺的转变通常比从厄尔尼诺到拉尼娜的转变要慢。图1为1980-2013年Nino-3.4区域（5°N – 5°S， 170°-120°W）观测到的平均海温异常时间序列。注意，几乎所有的厄尔尼诺现象（1986/87年除外）在北半球冬季达到高峰后都迅速终止，而几乎所有的拉尼娜现象（1988年和2005年除外）在随后的北半球冬季又重新发展为另一个拉尼娜现象。

各种各样的研究致力于理解这种厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称的机制。通过指定热带印度洋（IO） SSTAs在全球大气环流模式（GCM）耦合，Ohba and Ueda（2007）指出，在冬季厄尔尼诺峰值，IO盆地气候变暖可以引起异常地面东风加速了厄尔尼诺向拉尼娜的转变。基于此建模结果，Okumura and Deser（2010）假设厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称是厄尔尼诺和拉尼娜相关的IO强迫和太平洋加热异常下引起的经向移动的结果; 而IO盆地气候变暖引起的东风异常在赤道WP抵消了西风异常引起的厄尔尼诺加热，IO盆地冷却引起的西风异常只是部分抵消拉尼娜加热引起的风异常，因为与厄尔尼诺相比，与拉尼娜有关的SSTA中心向西移动得更远。在大气GCM模式中运行指定的SSTA强迫，Okumura et al（2011）认为IO和WP SSTA强迫在远赤道WP产生不对称纬向风响应中起着重要作用。

在Ohba and Ueda（2007）以及Okumura et al（2011）中，IO中的SSTA都是指定的。在盆地宽IO SSTA强迫的作用下，产生了盆地宽上升运动或降水（对流加热）异常[见Ohba和Ueda（2007），他们的图2c 和Okumura et al（2011），他们的图3，左]，这与在IO观测到的降雨异常模式相矛盾。观测显示在IO上是一个纬向偶极子，而不是一个均匀的模式（Wu et al. 2012;见第5节对此主题的详细讨论）。这意味着Ohba and Ueda（2007）、Okumura and Deser（2010）以及Okumura et al（2011）的IO SSTA强迫效应在物理上是错误的。失败的原因是模型实验设计的问题，即由于在具有特定SSTA的强迫大气模型试验中，SSTA起着积极的作用。然而，在实际厄尔尼诺成熟冬季，只有西IO的SSTA发挥了积极作用（即， 正SSTA与正降水异常相对应），而东部的海温则扮演着消极的角色（即， SSTA为正，降水异常为负）。因此，东部IO的变暖是大气强迫的结果，因为降水减少（或异常沉降），从而增加了地表短波辐射强迫（Wu et al. 2012）。

McGregor等（2013）认为ENSO成熟期西风异常向南移动，这在强厄尔尼诺时期更为明显但在弱厄尔尼诺和拉尼娜时期就不那么明显了，可能归因于厄尔尼诺和拉尼娜演变的不对称性。Harrison and Vecchi（1999）曾注意到这种纬向风移动，他们发现纬向风异常在厄尔尼诺成熟阶段由早期的赤道对称状态向非对称状态转变。有种假设是中太平洋（CP）纬向风异常的南移可能通过增强的延迟振子海洋波效应加速厄尔尼诺-拉尼娜现象的转变。风向变化的原因可能与平均状态的季节变化有关（Harrison and Vecchi 1999）或由于边界层摩擦系数减小而产生的纬向风加速度（McGregor et al. 2012）。

McGregor et al（2013）的假设存在一个问题，即从温暖到寒冷的转变不仅发生在超级厄尔尼诺现象上，也发生在正常的厄尔尼诺现象上。此外， McGregor et al（2013）的浅水模型实验包含的影响不仅在CP对称风也在不对称循环等WP中，例如厄尔尼诺现象时的菲律宾海异常反气旋（PSAC），后者已经被先前的文献强调它在厄尔尼诺转变角色（例如，Wang et al . 2000） 和厄尔尼诺-拉尼娜演化不对称（Wu et al. 2010a）中的作用。因此，目前还不清楚CP中不对称的纬向风移在造成厄尔尼诺和拉尼娜之间的生命进化不对称方面有多重要。

在以往几乎所有的厄尔尼诺-拉尼娜演化不对称研究中，都强调了地表风不对称的动力效应。如大气模拟研究（例如Kang and Kug 2002;Ohba and Ueda 2009; Takahashi et al 2011;Dommenget et al. 2013），对于厄尔尼诺和拉尼娜现象，整个盆地环流响应存在明显的不对称（或非线性）。这种风不对称不仅影响海洋动力过程（如温跃层演化和风平流），而且影响地表热通量流场。本研究旨在揭示动力（风场）和热力（热通量）强迫效应在导致厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称中的相对作用。为了实现这一目标，需要对每个动力学和热力学项进行定量分析。本研究采用混合层热量收支分析方法，研究了引起非对称厄尔尼诺和拉尼娜演化的具体动力和热力学过程。特别的，我们打算解决以下科学问题:为什么厄尔尼诺现象在其成熟阶段过后的北半球春夏季节比拉尼娜现象衰退得更快? 厄尔尼诺和拉尼娜衰减阶段不对称衰减率的基本动力和热力学过程是什么? 是什么导致厄尔尼诺现象在第二年后期迅速转变为拉尼娜现象，而拉尼娜倾向于重新发展?

本文的剩余部分结构如下。在第2节中，我们描述了使用的数据集和分析方法。第3节展示了复合厄尔尼诺和拉尼娜之间的非对称演化特征。第4节通过对混合层热收支分析和相关动、热力学场的诊断，探讨了厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称的物理原因。第5节讨论了IO SSTA如何以及在何种程度上影响WP循环。最后，在最后一部分给出了结论。

2.数据和方法

本研究使用的主要数据集是来自国家环境预测中心（NCEP）全球海洋数据同化系统（GODAS）的海洋再分析数据集;（Saha et al，2006）和马里兰大学（University of Maryland） 的简单海洋同化系统（SODA） （Carton and Giese 2008） 2.1.6版产品（SODAv2.1.6）。GODAS产品平均水平分辨率为1°times;1°，垂直分辨率为40层，经向分辨率在10°S-10°N范围内提高到1 / 3°，覆盖1980年至今。而SODA数据集平均水平分辨率为0.4°times;0.25°，垂直分辨率为40级，在上层海洋中间距为10米，覆盖1958年至2008年（Smith et al. 1992）。

大气和地表热通量数据来源于NCEP-DOE AMIP-II再分析（NCEP-2;Kanamitsu et al. 2002）和the Woods Hole海洋研究所（WHOI）客观分析的大气-海洋通量（OAFlux;Yu et al. 2008）。NCEP-2数据集涵盖1979年至今，OAFlux数据集涵盖1984年至2009年。SST数据来自扩展重建海面温度版本3b （ERSST.v3b），分辨率为2°times;2° （Smith et al. 2008）。观测到的输出长波辐射（OLR）数据来自国家海洋和大气管理局（NOAA），分辨率为2.5°times;2.5°（Liebmann and Smith 1996）。

为理解海洋动力学的相关作用（即三维温度平流）和地表热通量在影响厄尔尼诺和拉尼娜海温演化不对称，我们分析了海洋混合层热收支。混合层温度异常（MLTA）趋势方程可以写成:

式中T为混合层温度;u、y、w代表三维（3D）洋流;/，/，z为3维梯度算子;表示年际异常;代表气候平均状态;方程右边的前9项是三维温度平流项（Hong et al. 2008）。变量表示距海面净热通量（有一个积极的迹象表示，海洋接收热量），R表示残余项，是水的密度（= kg）， 是水的比热（=4000 ），混合层深度用H表示，为指定经度气候平均场（范围从20到90米，来自海洋的再分析数据）。以上方程中所有的混合层项都是基于混合层内的垂直平均值来计算的。由于上述数据集具有不同的时间段，为了制作同一时间段的复合数据，所有的复合分析都是在1980-2013年间完成的。本文提出的混合层热收支分析结果是两个海洋再分析数据集（GODAS和SODAv2.1.6）和两个热通量产品（NCEP-2和OAFlux）的综合平均值。

3.观察到厄尔尼诺和拉尼娜之间演化不对称的特征

由于与厄尔尼诺和拉尼娜有关的SSTAs主要局限于赤道EP，我们研究了平均在5°N-5°S、180°-80°W以上的复合MLTAs的演化。从图1的实线可以看出MLTAs与SSTAs是一致的。这给了我们进行混合层热收支分析的信心。1980-2013年期间，选取了8例具有代表性的厄尔尼诺例子（1982/83、1991/92、1994/95、1997/98、2002/03、2004/05、2006/07和2009/10）和5例具有代表性的拉尼娜例子（1983/84、1995/96、1998/99、2007/08和2010/11）进行后续综合分析。因为SODAv2.1.6数据结束于2008年，所以只有GODAS数据集用于2009/ 10年厄尔尼诺和2010/11年拉尼娜。厄尔尼诺和拉尼娜的MLTAs时间演化如图2所示。厄尔尼诺和拉尼娜在发展年份（year 0）有很多相似之处，对于复合厄尔尼诺， 正MLTA在4月开始发展，在12月达到顶峰。对于复合拉尼娜现象，负MLTA在6月份开始发展，在12月份达到峰值。进化不对称主要发生在第二年（year 1）。在厄尔尼诺达到高峰后，它会经历一个快速的衰减，而MLTA在7月出现负值。相比之下，拉尼娜衰退的速度要慢得多，到（year 1）年7月，它仍保持着MLTA峰值的三分之一。在（year 1）的北半球秋季，冷MLTA迅速加强。结果，拉尼娜现象在第二年冬天再次出现。

为说明上面的演进反映ENSO的共同特征，我们也列出了MLTA演化ENSO事件的普遍特征，其中包括特殊1986/87 厄尔尼诺和1988年和2005年拉尼娜现象的情况（参见图2中绿线）。我们可以看到，这两个MLTA时间序列具有高相似性，表明厄尔尼诺和拉尼娜现象之间的不对称进化特性相当强劲。

如图2所示，厄尔尼诺和拉尼娜演化之间的一个关键区别在于，在（year 1）早期，MLTA的衰减速率是不同的;也就是说，厄尔尼诺现象在高峰期后的衰减速度要比拉尼娜现象快得多。由于这一差异，与厄尔尼诺有关的正MLTA在第二年7月改变了其符号（成为冷异常），而与拉尼娜有关的MLTA保持相同的符号。我们将在第4节中讨论不同阻尼率的动力和热力学原因，并研究这种差异的结果。

为清楚地展示因子的动力学和热力学过程导致进化不对称，我们定义了厄尔尼诺现象的三个阶段:（0或第一年）4月- 11月为厄尔尼诺现象发展阶段，（ 1或第二年）的1月至5月为厄尔尼诺衰减阶段，（ 1或第二年）的7月- 11月为厄尔尼诺向拉尼娜过渡阶段。同样，我们也为拉尼娜定义了三个阶段:第

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