ENSO多樣性研究進(jìn)展

徐華,徐建軍,范伶俐

(廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088)

1 引 言

El Ni?o是指熱帶中東太平洋異常偏暖的現(xiàn)象，它是熱帶太平洋年際變化最強(qiáng)的信號(hào)，每隔2～7年發(fā)生一次，會(huì)對(duì)全球氣候造成顯著影響。Bjerknes[1]最早指出赤道中東太平洋海表溫度異常偏暖是海氣相互作用的產(chǎn)物，并開(kāi)創(chuàng)性地將海表溫度變化和南方濤動(dòng)緊密聯(lián)系起來(lái)，后人將兩個(gè)現(xiàn)象合并稱(chēng)為ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的El Ni?o發(fā)展過(guò)程中，SST與海表面風(fēng)變化的位相都有一定的相似性，如：El Ni?o發(fā)生前期，熱帶太平洋中、西部東風(fēng)減弱或轉(zhuǎn)為西風(fēng)；赤道東太平洋秘魯沿岸首先出現(xiàn)明顯增溫，發(fā)展過(guò)程中向西傳播，冬季達(dá)到成熟時(shí)期可擴(kuò)展到中太平洋[2-3]。這些相似性都體現(xiàn)出對(duì)季節(jié)循環(huán)的一種依賴(lài)關(guān)系，這種關(guān)系也被后人稱(chēng)為ENSO循環(huán)的“鎖相”特征(Phase-locking)。

事實(shí)上，并不是每次El Ni?o事件都遵循這樣的典型特征。早期研究指出El Ni?o事件有兩種不同的增暖類(lèi)型[4]，進(jìn)而發(fā)展過(guò)程也不同，一類(lèi)主要在太平洋東部秘魯和厄瓜多爾沿岸增暖并向西擴(kuò)展，而另一類(lèi)則在熱帶太平洋中部增暖并向東擴(kuò)展[5-10]。有研究指出，1950—1976 年期間的 El Ni?o事件，正異常海溫起初在北半球的春季出現(xiàn)在南美秘魯沿岸[2]，而1976—1996年期間發(fā)生的El Ni?o事件，正異常起初出現(xiàn)在赤道太平洋西到中部，或同時(shí)出現(xiàn)在赤道中太平洋和南美西岸[11-13]。而在一些工作中，雖然作者沒(méi)有明確指出，我們也可以得到El Ni?o有不同類(lèi)型的啟示[14-16]。2000年以后，最大海溫異常位于中太平洋的El Ni?o事件更頻繁出現(xiàn)，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。而El Ni?o事件發(fā)生時(shí)，不同海表溫度異常模態(tài)，會(huì)造成大氣和海洋的不同響應(yīng)和反饋，從而導(dǎo)致對(duì)全球氣候的不同影響。因此，應(yīng)將其分為兩類(lèi)來(lái)研究。但是目前El Ni?o事件的發(fā)生發(fā)展機(jī)制還不完全清楚，所以沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2 El Ni?o 事件的分類(lèi)

2.1 基于空間分布形態(tài)對(duì)El Ni?o事件的分類(lèi)

Larkin等[17-18]最早對(duì)中部El Ni?o事件進(jìn)行了分類(lèi)和命名。他們使用CPC(NOAA)給出的El Ni?o官方定義 (赤道太平洋Ni?o3.4區(qū)3個(gè)月滑動(dòng)平均的SSTA值持續(xù)5個(gè)月大于或等于0.5℃)對(duì)1950—2003年期間的El Ni?o事件進(jìn)行篩選，將非傳統(tǒng)的El Ni?o事件命名為日界線(xiàn)El Ni?o(Dateline El Ni?o)。

部分學(xué)者注意到，一些El Ni?o事件在發(fā)展過(guò)程中，海表溫度呈現(xiàn)赤道中太平洋為正異常，其兩側(cè)為負(fù)異常的分布形態(tài)[19-20]。Ashok等[21]使用EOF方法，將這個(gè)模態(tài)提取出來(lái)，定義為El Ni?o Modoki，該模態(tài)的特點(diǎn)為赤道太平洋SSTA呈緯向三極子結(jié)構(gòu)，且正異常在南北兩半球赤道外地區(qū)向東擴(kuò)展，呈馬蹄形分布。他們強(qiáng)調(diào)，El Ni?o Modoki是氣候變化很重要的一個(gè)模態(tài)，與ENSO信號(hào)相互獨(dú)立。

Yu等[22]在對(duì)ENSO春季障礙年代際變化的研究中指出，赤道太平洋SSTA有兩種不同的表現(xiàn)。使用聯(lián)合回歸EOF的方法，Kao等[23]將兩種模態(tài)提取出來(lái)，東部型El Ni?o(EP型)SST正異常自南美沿岸延伸至赤道中太平洋，而中部型El Ni?o(CP型)正異常大部分局限于中太平洋區(qū)域。

Kug等[24]根據(jù)鼎盛時(shí)期海溫異常中心的位置對(duì)El Ni?o事件進(jìn)行了分類(lèi)：將SSTA中心位于赤道東太平洋的事件命名為冷舌型El Ni?o(CT型)，位于中太平洋的事件為暖池型El Ni?o(WP型)，SSTA中心位于兩者之間，為混合型El Ni?o。

2.2 基于爆發(fā)時(shí)間對(duì)El Ni?o事件的分類(lèi)

早在 1980年代 Rasmusson等[2]就提出了ENSO循環(huán)的季節(jié)“鎖相”特征，而Neelin等[25]基于模式及觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)ENSO“鎖相”的研究中指出，El Ni?o的發(fā)生時(shí)間、事件的強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間都表現(xiàn)出不規(guī)律性。

Xu 等[26]根據(jù) El Ni?o 事件的爆發(fā)時(shí)間(Ni?o 3.4區(qū)SSTA值第一次超過(guò)0.5℃的月份)，將El Ni?o分成兩種類(lèi)型：爆發(fā)時(shí)間為4—5月的El Ni?o事件為春季型(SP型)，爆發(fā)時(shí)間為7—8月的El Ni?o事件為夏季型 (SU型)。他們指出，SP型El Ni?o事件相對(duì)SU型更強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間更久，且SU型事件比SP型事件的發(fā)展滯后了一個(gè)季度。

Horii等[27]采用Xu等的分類(lèi)方法[26]對(duì)兩類(lèi)事件進(jìn)一步研究中指出，SP型El Ni?o相對(duì)SU型更強(qiáng)，且均是在春季爆發(fā)，發(fā)展至冬季達(dá)到成熟，但SU型El Ni?o事件的發(fā)展過(guò)程則沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律。

相對(duì)空間分類(lèi)方法，基于爆發(fā)時(shí)間對(duì)El Ni?o事件進(jìn)行分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)更簡(jiǎn)潔明了，且兩類(lèi)事件也具有明顯的對(duì)比特征。一些學(xué)者對(duì)El Ni?o時(shí)間分類(lèi)做了進(jìn)一步研究[28-31]，但關(guān)于SP型和SU型事件中海洋和大氣的基本特征，及兩類(lèi)事件的動(dòng)力機(jī)制等問(wèn)題尚未有相關(guān)研究成果。

3 有關(guān)ENSO多樣性的總結(jié)

ENSO多樣性應(yīng)如何體現(xiàn)？較為常見(jiàn)的方式就是比較不同ENSO事件中SSTA的模態(tài)[32]。

基于爆發(fā)時(shí)間對(duì)El Ni?o事件分類(lèi)的研究成果中，Xu等[26]、Horii等[27]雖然沒(méi)有在文章中提及，但從他們的合成結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，SSTA、表層西風(fēng)及400 m以上的海洋熱容量等要素的正異常在SP型El Ni?o事件發(fā)展過(guò)程中向東傳播的距離更遠(yuǎn)、影響范圍也更廣，鼎盛時(shí)期SSTA正異常中心位于赤道東太平洋，而SU型El Ni?o的鼎盛時(shí)期SSTA的正異常中心則相對(duì)偏西。Cai等[30]對(duì)時(shí)間分類(lèi)及空間分類(lèi)下的El Ni?o事件進(jìn)行比對(duì)后得出，SP型El Ni?o與CT型有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而SU型則對(duì)應(yīng)WP及混合型事件。

可見(jiàn)，雖然分類(lèi)角度或方法不同，但分類(lèi)結(jié)果都有著相似的對(duì)比特征和一定程度上的聯(lián)系。為了方便闡述，后文中將SSTA中心位于赤道太平洋東部的傳統(tǒng) El Ni?o、EP、CT 及 SP 型 El Ni?o事件統(tǒng)稱(chēng)為東太平洋El Ni?o，而將SSTA中心位于赤道太平洋中部的 Dateline El Ni?o、El Ni?o Modoki、CP、WP 及 SU 型 El Ni?o 事件統(tǒng)稱(chēng)為中太平洋 El Ni?o。

3.1 兩類(lèi)ENSO事件的特點(diǎn)

總結(jié)前人的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，兩類(lèi)事件的特征有以下幾個(gè)共同點(diǎn)。

(1)東太平洋El Ni?o鼎盛時(shí)期，SSTA中心均位于赤道太平洋東部，且正異常分布寬廣，從赤道太平洋南美沿岸一直延伸至日界線(xiàn)附近[17-18,21,23-24,26]；而中太平洋El Ni?o鼎盛時(shí)期，SSTA中心均位于赤道太平洋中部，太平洋東部為相對(duì)弱的正異?；?yàn)樨?fù)異常，中部的正異常在赤道外地區(qū)隨著緯度增加有向東擴(kuò)展的趨勢(shì)呈“馬蹄形”結(jié)構(gòu)(北半球向東擴(kuò)展更多)[21,23-24]。

(2)相對(duì)中太平洋El Ni?o來(lái)說(shuō)，東太平洋El Ni?o在發(fā)展的過(guò)程中，低層西風(fēng)異常更強(qiáng)，向東傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，影響范圍也更大[23-24,26]。

(3)兩類(lèi)El Ni?o事件對(duì)全球氣溫和降水的影響模式有很大的差異[17-18,21,23-24]。

(4)東太平洋 El Ni?o比中太平洋 El Ni?o的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，強(qiáng)度也更強(qiáng)[23,26-27]。需要說(shuō)明的是，雖然中太平洋El Ni?o強(qiáng)度相對(duì)弱(盛期時(shí)中太平洋El Ni?o的SSTA及海面西風(fēng)異常值約為東太平洋El Ni?o的一半)，但其異常中心處于更暖的環(huán)境背景下，這里的海表溫度正異常更容易引起異常的垂直對(duì)流，所以中太平洋El Ni?o對(duì)全球氣候的影響與東太平洋El Ni?o的影響量級(jí)相當(dāng)[24]。

(5)近幾十年，中太平洋El Ni?o出現(xiàn)的頻率有所增加，但其原因尚未有統(tǒng)一的答案[21,23-24,33]。

需要說(shuō)明的是，與其它中部型El Ni?o事件不同，Modoki事件顯示為熱帶中太平洋SST為正異常而東西兩側(cè)為負(fù)異常的分布特征，它與其它中部型事件的形成機(jī)制是否一致還有待進(jìn)一步研究，本文暫且將它們歸為一類(lèi)進(jìn)行討論。

3.2 兩類(lèi)ENSO事件的定量指標(biāo)及分類(lèi)結(jié)果對(duì)比

為了更好地理解ENSO多樣性問(wèn)題，很多學(xué)者定義了不同的指標(biāo)去分類(lèi)并對(duì)比兩類(lèi)事件。

(1)TNI指數(shù)：Trenberth 等[8]將 TNI定義為標(biāo)準(zhǔn)化的 Ni?o1+2區(qū) SSTA 和 Ni?o4區(qū) SSTA 之差，用于表征El Ni?o事件期間中、東太平洋SSTA的梯度。

(2)EMI指數(shù)：Ashok等[21]對(duì)熱帶太平洋SSTA進(jìn)行EOF得到El Ni?o Modoki模態(tài)，并根據(jù)該模態(tài)的空間分布特點(diǎn)，構(gòu)建出EMI指數(shù)。該指數(shù)與TNI、PC2之間均有較好的相關(guān)性，且考慮了EOF2模態(tài)空間分布型中的三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，故不管從數(shù)學(xué)角度還是動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，EMI指數(shù)都是反映該模態(tài)的一個(gè)較好的選擇。

在此基礎(chǔ)上，Li等[34]提出了能更好捕捉EOF2模態(tài)空間分布型的IEMI指數(shù)。汪婉婷等[35]定義了東太平洋型海表溫度異常指數(shù)EPNI，并指出EMI與EPNI兩指數(shù)相應(yīng)的海表溫度異常及其影響存在顯著差異。

(3)EPI/CPI指數(shù)[23,36]：使用聯(lián)合回歸EOF的方法分離兩類(lèi)事件，即從原始的SSTA中除去Ni?o1+2指數(shù)的回歸值后再進(jìn)行EOF分析得到的第一模態(tài)代表CP-ENSO，同理從原始的SSTA中除去Ni?o4指數(shù)的回歸值后再進(jìn)行EOF分析得到的第一模態(tài)代表EP-ENSO。將兩個(gè)EOF第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列分別定義為CPI和EPI，并且定義CPI(EPI)超過(guò)一倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)為CP-ENSO(EP-ENSO)事件。

有學(xué)者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了ICP和IEP兩指數(shù)，反映海溫異常變化時(shí)在空間上正交而時(shí)間上獨(dú)立，故可更好地刻畫(huà)兩類(lèi)事件的特征[37-38]。曹璐等[39]提出了同時(shí)以Ni?o 3和Ni?o 4指數(shù)構(gòu)建指數(shù)組的形式來(lái)監(jiān)測(cè)CP和EP兩類(lèi)事件。

(4)NCT/NWP指數(shù)[24,40]：若 Ni?o4 區(qū)的 SSTA 超過(guò)一倍標(biāo)準(zhǔn)差，且該區(qū)域的SSTA比Ni?o3區(qū)大，則定義為 WP型 El Ni?o事件；若 Ni?o3區(qū)的SSTA超過(guò)一倍標(biāo)準(zhǔn)差，且該區(qū)域的SSTA比Ni?o4區(qū)大，則定義為CT型El Ni?o事件。事實(shí)上，Ni?o3指數(shù)和Ni?o4指數(shù)之間本身有著很強(qiáng)的相關(guān)性[21,41]，雖然在大于0.5℃的標(biāo)準(zhǔn)下兩類(lèi)暖事件可以被很好地區(qū)分，但對(duì)于兩類(lèi)冷事件(La Ni?a)卻不能很好區(qū)分[24,41]。

(5)還有很多學(xué)者從其他角度定義了不同的指標(biāo)，如：Takahashi等[42]構(gòu)建了E/C指數(shù)；Yu等[43]、Xu等[44]根據(jù)次表層海溫特征定義了EP/CP、EPSI/CPSI指數(shù)；Singh 等[45]、Qu 等[46]定義了海表鹽度指數(shù)；Chiodi等[47]構(gòu)建了向外長(zhǎng)波輻射指數(shù)。

有關(guān)ENSO的定量工作已有很多成果，而分類(lèi)結(jié)果也會(huì)因指標(biāo)選取不同而有差異。

表1顯示，不同分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)所選出的El Ni?o事件列表稍有差異，如使用EP/CP方法就沒(méi)有選出1990/1991年的事件，使用SP/SU方法沒(méi)有選出1977/1978年、1990/1991年的事件，這可能與事件弱且持續(xù)時(shí)間短有關(guān)。另外，El Ni?o事件的分類(lèi)結(jié)果也并不完全對(duì)應(yīng)，在1967年之前差異較大，而1968年往后差異較小，只有1976/1977年、1991/1992年、2002/2003年這三次事件稍有不同，且差異出現(xiàn)在兩個(gè)使用Ni?o3.4指數(shù)定義的方法中(Dateline和SP/SU)，而根據(jù)SSTA空間分布形態(tài)分類(lèi)的 3 個(gè)方法(Modoki、EP/CP、CT/WP)的結(jié)果則較為統(tǒng)一。雖然不同指標(biāo)得到的分類(lèi)結(jié)果有所差異，但這并不影響學(xué)者們得到兩類(lèi)事件發(fā)展過(guò)程中諸多相似的特征。

表1 1950—2005年El Ni?o事件的分類(lèi)結(jié)果對(duì)比

3.3 有關(guān)ENSO多樣性的爭(zhēng)議

關(guān)于ENSO多樣性，仍存在很多問(wèn)題尚未清楚，如兩類(lèi)事件生成發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換的動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題。目前有關(guān)ENSO的機(jī)制已有很多研究成果[48-49]，而兩類(lèi)事件發(fā)生發(fā)展和消亡的過(guò)程有著不同的特征，它們的動(dòng)力機(jī)制理論上是不同的。學(xué)者們從不同的角度，如：Kao等[23]采用延遲振子理論[50-52]、Kug等[24]采用充電振子理論[53-55]去解釋東太平洋El Ni?o生成發(fā)展及位相轉(zhuǎn)換的動(dòng)力原因。不論從哪個(gè)角度解釋?zhuān)蠹叶加幸粋€(gè)共識(shí)，即東太平洋El Ni?o是一個(gè)海盆尺度的海氣耦合過(guò)程，它的生消過(guò)程與溫躍層的變化有著緊密的聯(lián)系。但關(guān)于中太平洋El Ni?o的動(dòng)力機(jī)制問(wèn)題，科學(xué)界尚未有統(tǒng)一的答案。Ashok等[21]認(rèn)為赤道中太平洋的異常偏暖與西太平洋異常西風(fēng)激發(fā)東傳的暖Kelvin波及東太平洋異常東風(fēng)激發(fā)的西傳Rossby波有關(guān)；Kao等[23]指出中太平洋El Ni?o的動(dòng)力機(jī)制不涉及溫躍層的變化，它是一個(gè)局地的海氣耦合過(guò)程，其發(fā)展演變更多基于大氣外強(qiáng)迫；Kug等[24]、Xie 等[56]認(rèn)為中太平洋 El Ni?o 的發(fā)展與溫度的緯向平流有關(guān)；另外還有學(xué)者從季風(fēng)[26]、ENSO前期熱帶太平洋海溫距平場(chǎng)[57]及赤道太平洋次表層海溫異常[58-59]等角度進(jìn)行解釋。

有學(xué)者使用Cane-Zebiak海氣耦合模式[60]，對(duì)海表溫度變化過(guò)程中溫度方程里各項(xiàng)的相對(duì)大小進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)平均上升流對(duì)異常的次表層溫度的垂向輸運(yùn)與異常流動(dòng)對(duì)平均海表溫度的緯向平流在ENSO發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換的過(guò)程中都非常重要[61-63]。這兩個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)作溫躍層反饋機(jī)制和緯向平流反饋機(jī)制[64]。Kug等[24]對(duì)兩類(lèi)El Ni?o物理過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn)這兩種機(jī)制分別在CT型和WP型El Ni?o的發(fā)展和消亡過(guò)程中起著重要的作用。Ren等使用他們定義的WPI和CTI指數(shù)[41]，對(duì)兩類(lèi)El Ni?o事件的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了更深入的研究，他們指出溫躍層反饋機(jī)制和緯向平流反饋機(jī)制對(duì)兩類(lèi)事件的發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換均有重要貢獻(xiàn)，其中前者對(duì)兩類(lèi)事件發(fā)展速率相對(duì)后者有更重要的作用[65]。WP型El Ni?o的溫躍層反饋機(jī)制在Kug等[24]的研究中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)闆](méi)有去除背景年代際振蕩信號(hào)的干擾。

關(guān)于中太平洋El Ni?o是不是熱帶太平洋變化的一個(gè)獨(dú)立模態(tài)的問(wèn)題，目前仍存在爭(zhēng)議[8,21,41-42]。事實(shí)上，很多原因會(huì)導(dǎo)致El Ni?o位相的不對(duì)稱(chēng)性和發(fā)展的不規(guī)律性，如：背景平均態(tài)的變化[7]、隨機(jī)天氣噪聲強(qiáng)迫[66]、ENSO的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特征[67-70]等。如同Wyrtki在1975年所說(shuō)，沒(méi)有哪兩個(gè)El Ni?o事件是完全相同的[71]。更清楚地分析 El Ni?o事件的相似性和相異性，更好地認(rèn)識(shí)ENSO的物理過(guò)程和機(jī)制，有助于提高和改進(jìn)對(duì)ENSO的預(yù)報(bào)。所以，關(guān)于ENSO多樣性問(wèn)題仍有待于進(jìn)一步研究。

4 總 結(jié)

學(xué)者們根據(jù)空間分布形態(tài)或爆發(fā)時(shí)間將ENSO事件分為兩類(lèi)，雖然選取標(biāo)準(zhǔn)不同，分類(lèi)結(jié)果卻有很多相似的特點(diǎn)：傳統(tǒng)的El Ni?o、EP型、CT型及SP型El Ni?o事件發(fā)展至成熟時(shí)期，正SSTA中心位于赤道太平洋東部，低層西風(fēng)異常更強(qiáng)，向東傳輸?shù)木嚯x也更遠(yuǎn)，這些事件可以統(tǒng)稱(chēng)為東太平洋 El Ni?o；Dateline El Ni?o、El Ni?o Modoki、CP型、WP型及SU型El Ni?o事件發(fā)展至成熟時(shí)期，正SSTA中心位于赤道太平洋中部，這些事件可以統(tǒng)稱(chēng)為中太平洋El Ni?o。研究結(jié)果顯示，東太平洋El Ni?o比中太平洋El Ni?o的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，強(qiáng)度也更強(qiáng)；兩類(lèi)El Ni?o事件對(duì)全球氣候的影響模式有很大差異；近幾十年，中太平洋El Ni?o出現(xiàn)的頻率有所增加，但其原因尚未清楚。

而有關(guān)兩類(lèi)事件生成發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換的動(dòng)力原因，目前科學(xué)界關(guān)于東太平洋El Ni?o有較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，普遍認(rèn)為東太平洋El Ni?o是一個(gè)海盆尺度的海氣耦合過(guò)程，它的生消過(guò)程與溫躍層的變化有著緊密的聯(lián)系，但對(duì)于中太平洋El Ni?o的動(dòng)力機(jī)制，學(xué)者們從波動(dòng)、大氣外強(qiáng)迫、緯向平流反饋等不同角度進(jìn)行了解釋?zhuān)壳翱茖W(xué)界尚未有統(tǒng)一的答案。