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动力与热力过程在厄尔尼诺与拉尼娜非对称性

演化过程中的相对作用

陈明诚¹，李天明²，沈新勇¹，吴武³

1. 南京信息工程大学国际气候与环境变化实验室，南京信息工程大学气象灾害重点实验室
2. 夏威夷大学大气科学系，夏威夷大学国际太平洋研究中心/大气-海洋研究中心
3. 中国科学院大气物理研究所

（2015年8月3日收到手稿，2015年12月13日）

摘要

赤道东太平洋海表温度异常在厄尔尼诺和拉尼娜之间呈现非对称演化特征。厄尔尼诺在高峰之后迅速衰减，并在接下来的冬季发生快速的相变过程转化为拉尼娜过程，而拉尼娜的特征是峰值衰减较弱，并在第二年冷海温异常重新加强。通过混合层热量收支分析研究了动力学（风场）和热力学（热流）过程在引起非对称演化中的相对作用。结果表明，动力学和热力学过程都会导致演化的不对称性。前者与西太平洋风力不对称性反应有关，后者则与非对称性云辐射-海表温度和蒸发-海表温度反馈有关。在厄尔尼诺衰减阶段出现强烈的负海温异常趋势，而在拉尼娜衰减阶段，这种海温异常较弱。这样的差异导致了厄尔尼诺事件的海表温度变化，但到第二年夏末的拉尼娜事件没有明显变化。周期性的耦合不稳定性在北部秋季开始，导致厄尔尼诺第二年结束时拉尼娜发展，但拉尼娜第二年结束时又出现了拉尼娜事件。整个厄尔尼诺-南方涛动演变过程中的整体热量收支分析表明热力过程与导致厄尔尼诺-拉尼娜演化非对称性的动力过程同样重要。本文就目前的结果与以前的理论的根本区别做进一步讨论。

1.介绍

厄尔尼诺-南方涛动是热带地区最大的年际变率，其基本动力学（包括其结构和演化特征）在过去几十年中已经被研究了很多（如Rasmusson和Carpenter，1982;Cane和Zebiak，1985;Philander 1990;Neelin等1998;Chang等2006）。现在人们普遍认为，ENS放大是由海气耦合不稳定引起的（Bjerknes，1969;Philande等，1984;Hirst，1986,1988），其振荡特征来自延迟振荡动力学，其中海浪起着至关重要的作用（如Suarez和Schopf，1988;Battisti和Hirst，1989），或者一个排水补给的情况，其中纬向平均温跃层深度变化是一个关键（Jin 1997;Li 1997）。

与厄尔尼诺事件有关的一个重要动力学问题是厄尔尼诺和拉尼娜之间振幅不对称的原因。 太平洋赤道东太平洋海温异常的正偏度（EP; Burgers and Stephenson 1999; An and Jin 2004）。Su等人（2010）的近期观测研究表明，采用三组海洋再分析资料，显示正偏度厄尔尼诺-南方涛动相关的赤道极地海温异常由非线性纬向对流引起，而非线性垂直对流起相反作用。这一结果与An和Jin（2004）相反，他强调了非线性垂直对流的作用。上述两项工作之间的差异归因于所使用的海洋再分析资料。An和Jin（2004）使用了在垂直速度场中存在偏差的简单海洋资料同化（SODA）数据的测试版（Su等，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性受到较少的关注（Kessler 2002;Larkin and Harrison 2002;McPhaden and Zhang 2009;Kim等 2011）。 凯斯勒（Kessler，2002）注意到从拉尼娜到厄尔尼诺的过渡通常比从厄尔尼诺到拉尼娜的过渡要慢。图1显示1980-2013年Nintilde;o-3.4地区（5°N-5°S，170°-120°W）平均观测到的海温异常时间序列。 请注意，几乎所有的厄尔尼诺现象（除1986/87厄尔尼诺现象之外）都在北半球冬季高峰期后迅速终止，而几乎所有的拉尼娜事件（1988年和2005年的拉尼娜事件除外）都在随后的寒冬中重新发生了拉尼娜事件。

各种研究一直致力于理解厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称的机制。Ohba和Ueda（2007）通过在全球耦合大气环流模式（GCM）中指定热带印度洋（IO）海温异常，表明在厄尔尼诺高峰期冬季印度洋盆地升温会导致赤道西太平洋（WP），这加速了从厄尔尼诺到拉尼娜的过渡。根据这一模拟结果，Okumura和Deser（2010）假设厄尔尼诺和拉尼娜演变的不对称性来自厄尔尼诺和拉尼娜相关的太平洋热力异常的印度洋强迫和纵向变化的综合作用;即厄尔尼诺盆地变暖导致的赤道可湿性变化的东风异常被厄尔尼诺加热引起的西风异常所抵消，而由印度洋盆地降温引起的西风异常仅部分被拉尼娜加热诱发的东风异常所抵消，因为海温异常中心相关与厄尔尼诺相比，拉尼娜转移到西部更远。强迫大气环流模式与指定的海温异常，Okumura等（2011）认为印度洋和西太平洋 海温异常强迫对于在赤道太平洋地区形成不对称的纬向风反应非常重要。

在Ohba和Ueda（2007）以及Okumura等（2011）中，印度洋中的海温异常都被指定。为响应盆地范围的印度洋海温异常强迫，会产生一个盆地上升运动或降水（对流加热）异常[见Ohba和Ueda（2007），图2c和Okumura等（2011），图3，左]，这与观测到的降水异常模式印度洋相矛盾。观测显示了一个纬向偶极子，而不是一个统一的印度洋模式（Wu等2012;也见该部分的详细讨论5）。这意味着Ohba和Ueda（2007），Okumura和Deser（2010）以及Okumura等（2011）说明的印度洋海温异常强迫效应在物理上是不正确的。这种失败归因于模型试验设计，因为在强迫大气模式试验中，特定的海温异常，海温异常起着积极的作用。但实际上，在厄尔尼诺成熟的冬季，只有西部海域的海温异常活跃（正海温异常与降水异常正相位），而东部异常海温异常则呈现被动作用，正海温异常与负降水异常同相位）。因此，由于降水减少（或异常下沉），从而增加了地面短波辐射强迫（Wu等.2012），所以东部印度洋的升温是大气强迫的结果。

McGregor等人（2013）认为厄尔尼诺-南方涛动成熟期西风异常向南偏移，在强厄尔尼诺过程中更为明显，而在厄尔尼诺和拉尼娜弱的情况下更为显着。1.1980-2013年期间Nintilde;o-3.4地区海温异常（8C）（彩条）和赤道东太平洋地区混合层温度异常（5°N-5°S，180°-80°W;实曲线）的时间序列。厄尔尼诺和拉尼娜演变的不对称性导致了这一结果。 Harrison和Vecchi（1999）发现了这种纬向风的变化，他发现在早期的发展阶段，纬向风异常从赤道对称态转变为厄尔尼诺成熟阶段的不对称态。据推测，中太平洋纬向风异常南移可能通过增强的延迟振荡器海浪效应加速了厄尔尼诺-拉尼娜过渡（Harrison and Vecchi，1999）。风向的变化可能与平均状态的季节变化有关（Harrison和Vecchi，1999），或者由于边界层摩擦系数降低引起的纬向风加速度（McGregor等，2012）。

McGregor等人（2013）的假设存在一个问题的观点是从温暖到冷的过渡不仅发生在超级厄尔尼诺现象，而且也发生在厄尔尼诺现象。另外，在McGregor等人的浅水模型实验中， （2013）不仅包括中太平洋中不对称风的作用，而且包括厄尔尼诺现象中异常菲律宾海反气旋（PSAC）在内的西太平洋中的不对称环流，后者在厄尔尼诺转折中的作用被以前的文献所强调如Wang等.2000）和厄尔尼诺-拉尼娜演化不对称（Wu等.2010a）。因此，目前尚不清楚厄尔尼诺与拉尼娜之间的不对称纬向风转换是如何引起生命演变的不对称。

在几乎所有以前的厄尔尼诺-拉尼娜演化不对称研究中，都强调了地面风不对称的动态效应。如大气建模研究（如Kang和Kug，2002;Ohba和Ueda，2009;Takahashi等，2011; Dommenge等，2013），在流域范围内对厄尔尼诺和拉尼娜的循环响应具有明显的不对称性（或非线性）强迫。这种风不对称不仅影响海洋动力过程（如温跃层演化和温度平流），还影响地表热通量场。本研究的目的是揭示动力学（风场）和热力学（热通量）强迫效应在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，需要对每个动态和热力学术语进行定量分析。在这项研究中，混合层热量收支分析被用来研究引起厄尔尼诺和拉尼娜不对称演变的具体动力和热力过程。特别是，我们打算解决以下科学问题：为什么厄尔尼诺在成熟阶段后的北方春夏季节比拉尼娜衰落更快？在厄尔尼诺和拉尼娜衰减阶段，负责不对称阻尼率的基本动力学和热力学过程是什么？是什么原因导致厄尔尼诺在第二年晚些时候迅速转变为拉尼娜？而拉尼娜往往会重新发展？

图1 198当年至2013年期间，Nintilde;o-3.4地区（彩条）的海温异常（8C）和赤道东太平洋地区的混合层温度异常（5°N-5°S，180°-80°W;实曲线）的时间序列

本文的其余部分组织如下。在第2节中，我们将介绍所使用的数据集和分析方法。第三部分显示了厄尔尼诺和拉尼娜之间的不对称演变特征。第四部分探讨了厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称的物理成因，基于混合层热量收支分析和相关动力学和热力学场的诊断。第五部分讨论了印度洋海温异常对西太平洋循环的影响和程度。最后，在最后一节给出结论。

2.数据与方法

本研究中使用的主要数据集是从国家环境预报中心（NCEP）全球海洋资料同化系统（GODAS; Saha等2006）和马里兰大学SODA（Carton和Giese 2008）导出的海洋再分析资料集，版本2.1.6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级，经向分辨率在10°S-10°N范围内提高到1/3°，覆盖了198当年至今的时间。虽然SODA数据集的平均水平分辨率为0.4°times;0.25°，垂直分辨率为40级，上层海洋的间距为10 m，而且从1958年到2008年可以获得（Smith等.1992）。

大气和地表热通量数据来自NCEP-DOE AMIP-II再分析（NCEP-2; Kanamitsu等2002）和Woods Hole海洋学研究所（WHOI）客观分析了海气通量（OAFlux; Yu等.2008）。 NCEP-2数据集涵盖了1979年至今的时间段，而OAFlux数据则是从1984年到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等2008）。观测到的出射长波辐射（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和Smith 1996）。

为了解海洋动力学（即三维温度平流）与地表热通量在引起厄尔尼诺与拉尼娜复合体之间海温异常演变过程中的相对作用，我们分析了海洋混合层的热量收支。 混合层温度异常（MLTA）趋势方程可写为：

其中T表示混合层温度，u、v和w代表三维（3D）洋流;part;/part;x，part;/part;y和part;/part;z表示三维梯度算子，上标表示年际异常，横线代表气候平均状态，方程右边的前9个项是3D温度平流项（Hong等.2008）。变量表示海洋表面热通量（以正号表示海洋接收热量），R表示剩余项，rho;是水的密度（=10³kgm^-3），C_P是水的比热（=4000J kg^-1K^-1），H为混合层深度，由经度相关的气候平均场（20至90m，来源于海洋再分析资料）确定。上面公式中的所有混合层项均基于混合层内的垂直平均值计算。由于上述数据集具有不同的时期，为了在同一时期进行综合，所有的综合分析都是在1980-2013年期间完成的。混合层热量收支分析本文的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）的总体平均值。

3.观察厄尔尼诺和拉尼娜之间进化不对称的特征

图 2 赤道地区（5°N-5°S，180°-80°W）中选定（条形）和全部（绿色曲线）（a）厄尔尼诺和（b）拉尼娜事件的混合层温度异常（8C）的合成时间演变。 红色条代表厄尔尼诺（拉尼娜）发展阶段，蓝色条代表厄尔尼诺（拉尼娜）衰减阶段，橙色条代表厄尔尼诺（拉尼娜）过渡阶段。

由于与厄尔尼诺和拉尼娜相关的海温异常主要局限于赤道东太平洋，所以我们考察了5°N-5°S，180°-80°W的复合混合层温度异常的演变。图1的实线表明混合层温度异常与海温异常一致。这使我们有信心进行混合层热量收支分析。在1980-2013年期间，八个有代表性的厄尔尼诺案件（1982/83,1991 /92,1994/95,1997/98,2002/03,2004/05,2006/07和2009/10）和五名代表拉尼娜病例（1983 /84,1995/96,1998/99,2007/08和2010/11）被选中进行随后的综合分析。由于SODAv2.1.6数据在2008年结束，2009/1当年度厄尔尼诺和2010/11年度拉尼娜案件仅使用了GODAS数据集。

图2显示了厄尔尼诺和拉尼娜复合体混合层温度异常的时间演变。厄尔尼诺和拉尼娜事件在发育年（当年）有很多相似之处。对于厄尔尼诺组合，正混合层温度异常在四月开始发展，并在十二月达到高峰。对于复合拉尼娜来说，负面的混合层温度异常在6月份开始发展，并在12月份达到高峰。主要演变的不对称发生在第二年。在高峰期之后，厄尔尼诺经历了一个快速衰退，7月份出现了一个负的混合层温度异常。相比之下，拉尼娜的衰减速度要慢得多，到第二年7月，它仍然保留了混合层温度异常峰值的三分之一。在第二年北部的秋天，冷混合层温度异常迅速重新加强。结果拉尼娜在接下来的冬天再度出现。

为了说明上述演变反映了厄尔尼诺-南方涛动的共同特征，我们还绘制了所有厄尔尼诺-南方涛动案例复合体的混合层温度异常演变，其中包括特殊的1986/87厄尔尼诺和1988年和2005年的拉尼娜案例（见图2中的绿线）。可以看出，两个混

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