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摘要
[1] 在早期将厄尔尼诺现象视为孤立事件之后，耦合模型的出现带来了ENSO作为一个循环的概念，在这个周期中，每个阶段都会导致下一个阶段出现自我持续的振荡。代表厄尔尼诺和拉尼娜峰(东太平洋海温)和该系统的记忆(纬向平均温水体积)的22年观测表明，循环中出现了明显的间断，在这种周期中，耦合系统能够在弱拉尼娜状态停留长达两年之久，因此将失去对以前影响的记忆。同样，虽然异常的幅度从暖事件开始一直持续到结束，但在拉尼娜断裂没有这样的持续存在。这些观测结果表明，厄尔尼诺实际上是一种稳定的基本状态的类似事件的扰动，需要一个不包含在周期本身的动力学中的启动脉冲。
1。背景
[2] 当厄尔尼诺最初被认为是盆地尺度的事件时，人们认为它是对正常条件的一种干扰，持续了一段时间，然后就结束了。Bjerknes认识到赤道太平洋的温暖和凉爽状态都可以通过积极的反馈来维持，例如东部的冷海温促进了一个强大的Walker环流，通过上升流和表面通量加强了海温模式，但他不知道如何逆转这些状态。Wyrtki表明厄尔尼诺事件发生之前，西部的海平面较高，并假设这一“积累”是在向东排水，然后沿着美国海岸的极大值结束的。在Wyrtki的方案中，下一个事件在另一个事件发生之前是不可能发生的，但除此之外，在一个事件和下一个事件之间没有必要的联系。
[3] 20世纪80年代，随着简单和中间耦合模型的出现，人们认识到有可能出现一种循环现象，由在周期的一个阶段沿赤道返回的Rossby波的反射提供滞后的负反馈，从而启动相位的反转。这些想法被称为“延迟振荡器”。这些模型获得了可信度，因为它们展示了与更复杂的模型相媲美的预测技巧。由于太平洋耦合气候的特性可以很容易地在这些动力系统的参数空间中被探索。以中间模型为代表的循环范式已经成为ENSO被广泛接受的描述。各种观察和GCM的耦合研究试图证实延迟振子范式的成功，特别是一些观测研究指出，虽然厄尔尼诺现象的终止与延迟振子物理的循环性质一致，但它们的起始不那么明显。这种不对称还表现在最近的厄尔尼诺现象似乎是从不知道的地方冒出来的，直到异常现象变得明显之前不久才作出预测，但随后演变成一个相当可重复的序列，其中温暖的东太平洋SSTs持续到一年后才消退。
[4] 最近的一个简单的模式把前面的许多想法结合起来，提出相变机制是赤道太平洋上层的暖水的补给和排放。厄尔尼诺和拉尼娜期间反常的温跃层倾斜会产生异常的经向地转运输：在厄尔尼诺的平温跃层期间产生极移，在拉尼娜的增强坡度期间产生赤道倾斜。这些传输浅层或加深赤道温跃层作为一个整体，这种缓慢的垂直运动克服了Bjerknes正反馈，否则将维持异常。例如，厄尔尼诺期间的经向辐散升高了温跃层，从而冷却了海温，从而导致东风异常。因此，Wyrtki的积累和排泄假说被扩大到不仅仅是一个符号的孤立事件，而是明确地导致相反的阶段，系统的记忆在纬向平均温跃层深度。此外，这一机制在从拉尼娜向补给向厄尔尼诺过渡的过程中(在金的简单模式背景下)被认为同样有效。在不明显依赖赤道波传播(实际上，金提出纬向温跃层斜率可被认为与纬向风处于平衡)方面，金的范式比延迟振子更普遍，但其机制基本相同，在任何一种情况下，代表缓慢(相对于2-3个月的开尔文波的盆交叉时间)调整赤道海洋到风异常。在延迟振荡器中，Rossby波及其反射是将质量加到赤道上层或从赤道上层移除的方法。金公式的一个优点是它指向了一组方便的变量，这些变量可以通过观察来评估。纬向平均暖水量(本质上是Wyrtki的积温)应与东太平洋海温或中太平洋纬向风呈正交关系，并有正、负温水量异常峰，产生厄尔尼诺向拉尼娜和后向的过渡。这些变量也用于评估延迟振荡器，这将产生相同的相位关系。Meinen和 McPhaden检查了18年的地表和地下温度数据，发现相序预测了。Jin实际上是被观察到的。然而，他们指出，从周期的一个阶段移动到另一个阶段的振幅是不对称的，一个给定的充电幅度与随后发生的较大的厄尔尼诺海温异常联系在一起，而不是循环中的拉尼娜相。本工作的目的是考虑这种不对称意味着ENSO现象的循环性质。
2。数据和处理
[5] NNO 3区(5°N至5°S，150°W至90°W)的海温异常(相对于1971~2000年平均年周期)的月值来自NOAA气候预报中心的网站。温水量(WWV)是澳大利亚气象局(BMRC)网格化地下温度5°N-5°S，130°E-80°W区域20°C等温线(Z20)的平均深度。该数据集是以热带大气-海洋浮标阵列的XBT和水文剖面以及时间序列为基础，在1°纬度2°经度网格上进行的最优插值，有14层深度。它跨越1980年1月至2002年8月的期间。在目前感兴趣的赤道地区，大部分数据来自TAO浮标。对Z20进行了深度线性插值，去除了1980年至2001年的平均年周期。SST和Z20异常均被过滤，平均时间为7个月，因此从1980年4月到2002年5月可以得到类似的时间序列。此后，“SST”指的是NNO 3区域平均值，“WWV”指的是纬向和经向平均Z20，这两个量都是如上所述的过滤异常。
3。观测时间序列
[6] 在所研究的22年中发生了6次厄尔尼诺现象，其中1982年12月、1987年8月、1992年2月、1993年5月、1994年12月和1997年11月的海温异常达到峰值。1993和1994-95年的事件在WWV和SST异常方面都很弱，而且寿命短得多。在这里使用了连续7个月的均值过滤器，这两个短事件几乎无法解决。然而，在整个时间序列中，SST和WWV大致呈正交，顺序为：补给、厄尔尼诺、放电、拉尼娜。它们具有高度的滞后相关性，在延迟约为plusmn;9个月时，最大相关系数在plusmn;0.7以上.绘制两个时间序列的相图，显示近圆形轨道上的正交关系。很明显，这一周期的一部分具有明显的持续性：一次大的补给预测了随后的大厄尔尼诺海温异常，然后是一次大流量。将每个时间的振幅与随后的第一个季度周期进行比较，表明在95%的水平上有显著的相关性(六个周期的相关系数约为0.7)。从通过厄尔尼诺再充电到排放,我们可以推测，预报模型所显示的一些预测技巧是由于厄尔尼诺的起始和高峰阶段相对稳定的轨道运动和持续8至12个月的振幅所致。另一方面，从放电阶段到拉尼娜的持续时间很少，拉尼娜异常的振幅与随后的补给或厄尔尼诺的振幅之间几乎没有联系。举例来说，在一九八二年四月、一九八六年八月、一九九一年五月(以及二零零二年五月)，海温及WWV的价值及先前的发展大致相同，但随后几个月出现的厄尔尼诺现象则大不相同。Meinen 和McPhaden在发现正异常时WWV对SST的回归斜率远大于负的差异时，注意到了类似的差异。
年平均周期的Ni O3 SST(固体，°C，左侧标度)和纬向平均20°C深度(骤然，米，右尺度)异常的时间序列，经过7个月的连续平均滤除。对轴进行缩放，使每个时间序列具有相等的方差。
两个时间序列的相位轨道。SST(°C)沿横坐标绘制，纬向平均20°C深度(M)沿纵坐标，选择标度，使任意方向的给定距离代表方差的等份。每个月的中心都会画一些小圆点。线的颜色变化在每个厄尔尼诺海温最大值的峰值，这也显示为一个大的点，其日期被标记。最后一点是2002年5月，注意到有一个大的黑点。
[7] 从相位轨道上看也很清楚循环通过循环的四分之三，从充电阶段的后期通过厄尔尼诺到排放到拉尼娜，然后停在左上象限。在弱拉尼娜状态，弱充电。轨道在这个象限里徘徊了好几个月。几乎40%的周期时间是在不到25%的周期中度过的。除了这个象限(非常轻微地进入右上象限)之外，所有地方的轨道运动都是严格顺时针方向的。从峰值补给到峰值放电(在Wyrtki情况下称为“厄尔尼诺事件”)的平均时间平均为12.8个月，除1994-95年的短暂厄尔尼诺事件(6个厄尔尼诺事件中的均方根值为3.3个月)外，6个事件之间的平均时间相当一致。另一方面，从拉尼娜排放到补给之间的时间一般要长得多，而且变化也很大，从6至42个月不等(从1998年的高峰到2002年5月，这段时间已经是46个月)。Clarke and Li根据南方涛动指数，在较长时间内发现了类似的区别。
[8] 这种行为可以在原始时间序列中看到，因为在每个大型厄尔尼诺序列(1993和1994-95年的弱事件和短命事件)的峰值补给之前暂停是不能测试的例外，因为连续7个月的平均时间序列已经适用于这些时间序列。典型地，在这些停顿中，海温异常是弱负的，暖水体积是弱正的(即在左上象限)。这两个时间序列保持相对不变。这种停顿出现在1980-81年，1985年，1989-90年，1996年中期，2000年至2001年。它与以前或以后各阶段的振幅没有明显的关系，而且持续时间不规则，可达两年。尽管在厄尔尼诺现象发生前几年(例如1980年、1989年和2001年)就观察到了一些充电现象，但在暖事件开始前不久就出现了WWV的激增，在海温有所升温后达到最大，此后的三个阶段相对较快。在时间序列中由于东太平洋海温开始上升，WWV突然增加。在相图中值得注意的是，轨道在左上象限暂停后出现了相对突然的现象，WWV和SST的正异常在几个月内同时增加，导致了一年内SST升温的高峰。自1980年以来，所有四大厄尔尼诺现象都可以看到这种行为。
4。讨论
[9] 暖水量与东太平洋海温的位相关系与Meinen和McPhaden观测到的ENSO序列通过由Jin与延迟振子兼容；然而，发现两个不对称作为所有四个大事件的鲁棒特征。首先，在弱充电、弱拉尼娜状态下，观测到的演化停顿了两年，而在其他阶段则相对迅速和稳定地移动。第二，虽然通过向厄尔尼诺充放电的阶段有合理的持续振幅，但导致暖事件开始的演化情况并非如此。这两种情况都表明在暖事件发生之前的循环中出现了中断。这两种观点都不符合ENSO是一个至少部分自我维持的循环的观点，在这一周期中，每个阶段都提供了向下一个阶段进化的动力(我们并不是在设想一个完全有规律的周期，而是对前一个阶段的记忆是进化的核心部分)。在延迟振荡器或金范式中，每一个峰都包含着自己消亡的种子(通过金公式中的经向传输，或通过延迟振荡器中的Rossby波产生和反射)。这种过渡机制似乎为结束暖事件提供了很好的证据，但对于寒冷的气候则不成立，因为太平洋气候系统似乎完全有能力在微弱的充电状态中坐上足够长的时间，以致于任何记忆都会丧失。拉尼娜期间经向会聚引起的补给似乎不足以自行产生向暖事件的过渡(或相当于拉尼娜期间产生的下涌Rossby波不会导致赤道上产生厄尔尼诺现象的耦合变化)。事实上，主充电发生在拉尼娜峰结束后很久，而且似乎更好地描述为与先前拉尼娜不同的启动序列的一部分。1982年、1986年和1997年，在厄尔尼诺现象开始之前，WWV突然增加。这与关于充电是拉尼娜风缓慢调整的结果的观点相冲突。
[10] 观测结果与一幅图片一致，其中一个暖事件序列使系统处于接近正常或略有增加的暖水体积的凉爽状态，这种状态可能持续数年，失去对以往条件的记忆。一个新序列的产生是随着温水体积和海温的增加而发生的。Meinen 和 McPhaden暗示这一晚来的增兵来自西方)。耦合反馈(深温跃层有助于海温变暖，助长西风异常)加强了厄尔尼诺的生长，由于海洋对西风异常的缓慢调整，厄尔尼诺现象在峰值后6-9个月被上升的温跃层所终止。这与wyrtki的设想相似，其显著差异在于排水发生在盆地中部，而不是他所认为的东部边界，这意味着这一事件可以更多地局限于热带地区。
[11] ENSO在过去20年的总体演变似乎更符合这样的观点，即基本状态是稳定的，暖事件是由周期本身以外的随机强迫产生的，而不是作为不稳定动力系统中的增长模式产生的。启动过程仍然未知，但似乎独立于以前的条件，与Jin或者延迟振荡器假设。在这方面，1993和1994-95年的简短事件意味着，只要有适当的动力，即使没有大量的补给，也可能发生微弱的暖事件。长期停顿的最初出现通常发生在一年的头几个月(1982年1月、1986年7月、1991年1月和1997年3月)，这表明此时(赤道年周期的最暖点)对扰动的敏感性有所提高，或适当的扰动增加(例如太平洋MJO活动的年最大值)
[12] Mantua 和Battisti争论过，这里所描述的一系列不相连的事件仍可视为与延迟振荡物理学相一致，因为个别厄尔尼诺现象的终止仍然是由于在暖事件高度期间产生的波的结果。在这种情况下，延迟振荡器被简化为将机械细节添加到Wyrtki的图片，并失去了它的大部分解释能力，这是一个概念的振荡器与系统的记忆持续在不同的事件。中间耦合模型提出了循环ENSO的可能性，不应回避这一问题的解决。
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