两类厄尔尼诺现象：冷舌厄尔尼诺和暖池厄尔尼诺外文翻译资料

 2022-11-11 14:49:18

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两类厄尔尼诺现象：冷舌厄尔尼诺和暖池厄尔尼诺

摘要

在这个研究中，基于海表面温度（SST）异常的空间分布情况，将厄尔尼诺现象分为两类。一种是冷舌（CT）厄尔尼诺，也就是常规的厄尔尼诺，另一种就是暖池厄尔尼诺。冷舌厄尔尼诺与尼诺3区域的海表面温度极其相关，而暖池厄尔尼诺则是和尼诺4区域的海表面温度相关性大。当然，这两种厄尔尼诺现象的大气和海洋变量都是各不相同的。而且，两种厄尔尼诺现象的过渡机制也是显著不同的。也就是说，与暖池厄尔尼诺相关的赤道热含量的释放过程是低效的，这恰恰是海表面温度异常的空间结构所导致的，而结果就是，它不能引发冷性活动。纬向平流的反馈（也就是，异常的纬向潮流引起的平均海温的纬向平流）在与暖池厄尔尼诺相关的，而对冷舌厄尔尼诺来说，温跃层的反馈十分重要。海表面温度异常衰退过程中起关键作用

  1. 简介

在过去的二十年里，人们在对热带太平洋海气间的相互作用的理解和模型上取得很大进展，尤其是ENSO现象的突出特征。另外，热带太平洋气候存在着大量的海气耦合现象。根据观测热带海洋表面温度的谱，发现有从季节内到年代际时间尺度的结构，而不是单独的谱峰。许多研究也表明在中等的和复杂的耦合模式，以及观测数据中存在着各种耦合模型。

尤其是以前有许多关于不同类型的ENSO活动的研究，都依赖于ENSO的爆发时间和传播特征。而且，一些近期的研究都根据海表面温度的空间分布，声称存在不止一类厄尔尼诺（或ENSO）。美国海洋暨大气总署（NOAA）修改了厄尔尼诺的定义：“在赤道太平洋中，尼诺3，4区域连续三个月以上呈现出超过或等于0.5℃的正海表面温度异常的现象。”根据该定义，拉金和哈里森明确了一些厄尔尼诺现象，他们称之为“日界线厄尔尼诺”，因为与厄尔尼诺活动相关的海表面温度极大值都落在日界线附近。他们展现了日界线厄尔尼诺和常规厄尔尼诺在对美国和全球的影响上确有不同。

近年来，阿肖克等人提出异常的暖性活动发生在赤道太平洋中部，这些活动与常规厄尔尼诺活动不同。他们称这些活动为“伪厄尔尼诺（El Nintilde;o modoki）。”他们的伪厄尔尼诺模型是建立在热带太平洋海表面温度异常EOF分解的第二模态上的，这说明赤道太平洋中部在升温，沿着赤道呈现出两个冷中心夹着一个暖中心。他们指出伪厄尔尼诺活动显著影响了全球很多地区的温度和降水，但是影响方式与常规厄尔尼诺活动相差很大。而且，他们还指出这些活动在近几十年似乎出现得更频繁，存在得更持久。

尽管前文提到的研究对这些厄尔尼诺活动使用了不同名字称呼，强调了不同的方面，但他们似乎是看到了同一现象的不同方面。我们从这些研究中看到了三个共同点：（1）在太平洋中部，海表面温度的年际变化与常规厄尔尼诺有明显区别；（2）太平洋中部海表面温度异常在近几十年变化更大；（3）全球的影响是显著的，并且与常规厄尔尼诺相当不同。事实上，这些研究选择的活动年份大都是一致的。然而，他们对这种现象的定义和理解互不相同（太平洋东部海表面温度偏冷），这说明我们对其理解还不完善。尤其是动态的过程，这可能是因为这种现象的发展和衰退过程未被充分展现。事实上，这种现象是否与常规的现象在动态过程上不同还不明确。所以，在本次研究中，我们着眼于这个现象的动态过程，发现与常规的厄尔尼诺不同。第2部分简略描述了我们本次研究中使用的数据。第3部分我们描述了新现象的主要特征，并强调了与常规厄尔尼诺特征的不同之处。第4部分，我们使用同化后的海洋数据来展现主要的动态过程。第5部分我们给出了总结和讨论。

  1. 数据

我们使用的是月平均海气环流，降水，海表面温度，海洋温度等数据。我们用气候预报中心（CPC）降水的混合分析（CMAP）数据来验证1981-2001的气候模型。这些数据是混合降水的估测资料，五种卫星的预估资料和一种数值模式的预测资料的组合数据。大气环流数据是美国国家环境预报中心-国家大气研究中心（NCEP–NCAR）的再分析资料，水平分辨率为2.5°times;2.5°。尽管再分析数据有着不确定性，但是我们发现现在的结果和使用其他再分析数据（即，NCEP–DOE的再分析数据）的有着相当的一致性。我们的主要结果对再分析数据并不敏感。

海表面温度数据是来自美国国家气候资料中心（NCDC）的改良的第二版海表面温度扩展重建数据（ERSSTV2）。这个数据分析使用了空间2°分辨率的细网格月观测资料，就是单个观测资料平均至2°的网格上。选取的海表面温度和大气环流数据是1970-2005这36年。应当注意目前研究的主要结论并不受数据年限选取的影响，因为大多的暖池厄尔尼诺活动发生在1990年后。海洋温度和海洋环流数据是来自NCEP的全球海洋数据同化系统的产品，在热带分辨率为1/3°times;1/3°，在近海表面有40个10米分辨率的垂直分层。而降水和海洋环流数据，我们使用了1980-2005这26年的。本研究所展现的气候异常数据在不考虑月平均气候学后进行去趋势化操作。

  1. 暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺

图1展现了1970-2005年间所有的厄尔尼诺活动，选取标准是如果尼诺3区海表面温度（5°S-5°N，90°-150°W的平均海表面温度）或者尼诺4区海表面温度（5°S-5°N，160°E-150°W的平均海表面温度）高于其相应的标准偏差则被选取。由于每次厄尔尼诺活动的顶峰时期有所不同，所以我们选取较宽的时间长度来平均，从九月到次年的二月。结果是在选取年份中有12次厄尔尼诺的活动。尽管每次厄尔尼诺的活动都有独特的空间分布型，我们可以根据赤道海表面温度的纬向分布将其分为三组。首先，一些厄尔尼诺活动在东太平洋显现出强烈的海表面温度异常，并且可以扩展到太平洋中部地区（图1的中间一列）。1972-73，1976-77，1982-83以及1997-98的厄尔尼诺事件就属于第一组。对于这些活动，尼诺3区的海表面温度是一个合适的指标来衡量其强度。以下我们将会把这种厄尔尼诺事件称为冷舌（CT）厄尔尼诺。值得注意的是，正如很多研究表明，冷舌厄尔尼诺的海表面温度分布型与常规厄尔尼诺相当相似。有趣的是，自1950年以来，三次强厄尔尼诺事件都在该组中。

与冷舌厄尔尼诺不同的是，一些厄尔尼诺事件尽管在东太平洋海表面温度异常是小的正值，但是在中太平洋的海表面温度异常更大。1977-78，1990-91，1994-95，2002-03以及2004-05的事件都属于这一组。对于这些事件，尼诺4区的海表面温度适合于衡量其强度。我们把他们称为暖池厄尔尼诺，因为一些大气变量和海表面温度异常的活动中心都位于暖池区域，并且这种厄尔尼诺与暖池区域的扩张有关，这一点我们之后会展示。有趣的是，大多暖池厄尔尼诺事件发生在1990年及1990年之后，也就是说这种厄尔尼诺在近数十年十分活跃。除了这两组厄尔尼诺事件，还剩余三次厄尔尼诺事件：1986-88以及1991-92的厄尔尼诺事件，它们的特征处于两组厄尔尼诺事件之间，最大的海表面温度异常位于120°W和150°W之间。

为了验证我们的分类，在图2给出了标准化的尼诺3区和尼诺4区的海表面温度。对于暖池厄尔尼诺来说，尼诺4区（尼诺3区）海表面温度总是高于（低于）它的标准偏差。然而，冷舌厄尔尼诺的尼诺3区的海表面温度比尼诺4区的大的多。这种海表面温度分布型的巨大对比与我们对热带太平洋ENSO的理解相契合。

为了展现暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺的独特特征，我们进行了合成分析。图3展现了两种厄尔尼诺事件从发展期到衰退期的海表面温度合成分析的结果。对于冷舌厄尔尼诺来说，东太平洋会在盛夏（六月至八月，JJA）出现大的海表面温度异常发展。暖海表面温度的最大值出现在东边界的沿岸地区。随着厄尔尼诺的发展，尽管海表面温度的最大值有轻微地向西转移，海表面温度分布型大体上是不变的，而在西太平洋存在一个冷的海表面温度异常，也在缓慢地向东移动。

在北半球的夏季，暖池厄尔尼诺事件的海表面温度异常往往局限于中太平洋。在东部边界也会存在一个不是很显著的冷海表面温度异常。大体的特征与伪厄尔尼诺相像，但是与冷舌厄尔尼诺不同。正如图3d所示，暖海表面温度异常渐渐发展直到北半球冬季，中途没有显著移动，然后这个暖海表面温度异常又会在一个季节里迅速衰退。东太平洋的冷海表面温度异常在北半球冬季消失，在次年春季会再次出现。当然，在西太平洋也会出现一个与冷舌厄尔尼诺相似的冷海表面温度异常。然而与冷舌厄尔尼诺不同的是，它的位置会向西移动，这有可能是菲律宾海上的反气旋导致的。我们稍后讨论它。

正如图3所示，暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺的海表面温度分布型显著不同。为了衡量这两种厄尔尼诺的不同程度，我们在中太平洋区域（20°S-20°N，120°E-80°W）根据3个月平均的海表面温度异常，计算了两者分布型的相关度。分布型相关度在两类厄尔尼诺都处于顶峰期时达到最高（大概0.7），然而在发展期该值很小，甚至在顶峰期后的季节里变为负值。这就说明两类厄尔尼诺事件有不同的海表面温度分布型和演变过程。

由于两类厄尔尼诺是以独特的海表面温度分布型为特征，那么与之联系的大气反应也应当是不同的。图4展现了两类厄尔尼诺降水合成分析结果。由于降水数据的限制，冷舌和暖池厄尔尼诺分别只有两到四个事件进行合成。两者的合成结果显示降水演变是相当不同的，降水分布型相关度总是低于0.5。主要的分布型差异如下：第一，暖池厄尔尼诺的正降水异常中心向西移动，这与海表面温度异常一致。第二，在冷舌厄尔尼诺合成结果中，异常降水沿着赤道，纬向延伸至东太平洋，而在暖池厄尔尼诺合成结果中，异常降水局限于国际日界线附近。第三，在冷舌厄尔尼诺合成结果中，降水南-北（非赤道-赤道）偶极子型十分明显，而暖池厄尔尼诺不然，它在非赤道地区没有负的降水，在赤道北部有弱的正降水。在衰退期（三月-五月，MAM（1））显著不同：冷舌厄尔尼诺合成结果显示在赤道地区有正异常，在北半球的非赤道地区有负异常。然而，在热带太平洋上，两类厄尔尼诺的降水信号正好相反：降水分布型的相关系数在三至五月大约为-0.8，这表明两者的降水异常是相反的。

因为数据并不完全，降水的合成分析并没有囊括全部12次厄尔尼诺事件，我们又使用了可以囊括全部12次厄尔尼诺事件的NCEP-NCAR再分析资料来研究垂直运动。图5展现了500hPa垂直速度（omega;）的合成结果，证实了两种厄尔尼诺的大部分不同之处，它们的特征有相当的鲁棒性（稳定性）。总的来说，两类厄尔尼诺在降水和垂直运动上的不同要比海表面温度明显。所以，它们的分布型相关系数总是低于0.5，是要比海表面温度分布型相关系数低的。

有趣的是，暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺的垂直运动量级是可比较的，即使冷舌厄尔尼诺的最大值是暖池厄尔尼诺的1.5倍。正如图3所示，冷舌厄尔尼诺的最大海表面温度异常是暖池厄尔尼诺的3倍。这是因为中太平洋的海表面温度异常在接收异常传输上比东太平洋更有效，导致这一现象的是中太平洋有着更暖的海表面温度异常做支撑。这就让暖池厄尔尼诺有能够与冷舌厄尔尼诺相比拟的全球影响力，尽管暖池厄尔尼诺的海表面温度异常相对较小。异常传输的不同形式导致了大气环流的不同，并且可能产生独特的大气遥相关。这是因为热带降水是热带-温带遥相关的主要源头。两类厄尔尼诺全球影响的不同之处将是未来的研究课题。

图6展现了925hPa纬向风异常的合成结果。对于冷舌厄尔尼诺，异常的纬向风是明确地从西太平洋向东传播，异常的纬向风中心是移向南方的，这一点在以前的研究有说明。在冷舌厄尔尼诺的成熟期（十二月到二月，D（0）JF（1）），中东太平洋有很强的西风带，而赤道东太平洋有显著的东风带，这与西北太平洋的冷海表面以及印度洋海表面温度有关。反之，在暖池厄尔尼诺合成结果中，异常的纬向风中心位于西部，并且它的纬向尺度更小。在西太平洋也未发现异常的东风带，这与冷舌厄尔尼诺不同。然而，异常的东风带出现在东太平洋。东风带会通过由埃克曼输送引起的上升流和由增强的信风引起的过度蒸发来抑制东太平洋的海表面温度变暖。这些不同之处是与降水的不同之处相一致的，这表明两种厄尔尼诺事件强烈且伴随这海气耦合的现象。

在热带太平洋，异常的低层风引发了异常的海洋状态。图7展示了两种厄尔尼诺事件成熟期中海平面的异常。对于冷舌厄尔尼诺的合成结果来说，海平面的跷跷板模式显而易见；即东（西）太平洋的温跃层变深（浅）。海平面的改变可以认为是温跃层深度改变的一级近似。在东太平洋变深的温跃层由于平均上升流包含着强烈的暖垂直平流。所以，东太平洋主要是暖海表面温度异常。此外，海平面陡峭的斜率，会导致极地向的地转洋流引导赤道热含量向非赤道地区强烈释放，使得厄尔尼诺逐渐转变为拉尼娜。

另一方面，对于暖池厄尔尼诺来说，中太平洋存在着正的海平面异常，最大值在150°W附近，与图6c展现的纬向风异常的最大值一致。通常，气候意义上的平均温跃层，热带中太平洋比热带东太平洋相对更深，所以，热带中太平洋混合层以下的温度对温跃层深度改变的敏感性更差。由于这一点，热带中太平洋的海平面异常可能不会很有效地引起暖的海表面温度异常。此外，在热带东太平洋上空的异常东风带引起了温跃层变浅，并在热带东太平洋起到变冷而非变暖的作用。所以，需要其他机制来了解暖池厄尔尼诺的暖海表面温度异常。此外，东太平洋上空存在异常的东风带，因此东太平洋的海平面异常较小，表明那里的温跃层不支持海表面温度变暖。

由于海平面的最大仰角位于150°W，海平面的纬向梯度远小于该最大值。通过子午线处的地转洋流辐散（辐合），向东（西）的梯度导致极地（赤道）向的热量（或者暖流）输送。因此，各要素在总热含量上互相补偿（即，温跃层深度、海平面或者垂直整合的上层海洋温度在赤道和非赤道地区互相交换）。这表明赤道热含量的释放过程效率低下，因此金提出的释放过程不能作为相变机制。请注意，对于冷舌厄尔尼诺，海平面向东的梯度很强。因此，与冷舌厄尔尼诺相关的释放过程是有效的，这引起了符合充放电震荡理论的从暖相至冷相的相变。

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