宋迅殊

（衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

ENSO（El Ni~no－Southern Oscillation）是地球海氣耦合系統(tǒng)中最強的年際信號，對全球和區(qū)域性海洋環(huán)境和天氣氣候產(chǎn)生巨大影響［1－2］。在過去的幾十年里，ENSO現(xiàn)象一直都是海洋和大氣科學(xué)家們所關(guān)注的焦點，在ENSO觀測、理論研究和模擬計算方面均取得了巨大的進(jìn)步。為了了解ENSO事件發(fā)生發(fā)展的原因，科學(xué)家們提出了不同的理論觀點，例如信風(fēng)張弛理論［3］、延遲振子理論［4－5］、充放電理論［6－7］、以及西太平 洋振子 理論［8－9］等。盡管如 此，ENSO 現(xiàn)象中依然有很多難以被解釋和模擬的現(xiàn)象，ENSO的非對稱性就是其中之一。

ENSO事件的非對稱性主要指El Ni~no事件的強度要明顯大于La Ni~na事件的強度。前人已經(jīng)通過各種統(tǒng)計學(xué)方法得到ENSO事件非對稱的特征［10－14］，同時也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的模式對 ENSO 事件非對稱性的模擬效果很差［11，15］。因此，了解ENSO事件非對稱性的成因并改進(jìn)模式模擬結(jié)果是現(xiàn)今研究ENSO的熱點。目前，對ENSO非對稱性產(chǎn)生的原因主要有以下幾點猜想：（1）非線性溫度平流作用。文獻(xiàn)［16—17］的作者提出非線性溫度平流是產(chǎn)生ENSO事件非對稱性的主要原因，且在20世紀(jì)70年代之后表現(xiàn)得更加明顯，存在年代際的變化規(guī)律。（2）大氣的非線性作用。KESSLER et al［18］提出 MJO（Madden－Julian Oscillation）通過大氣與海洋的調(diào)整使El Ni~no事件增強；KANG et al［19］基于熱帶太平洋海面風(fēng)應(yīng)力分析，給出ENSO冷、暖事件SSTA非對稱特性的解釋，指出風(fēng)應(yīng)力異常導(dǎo)致了El Ni~no與La Ni~na時SSTA的非對稱，它不僅影響海表面溫度異常的振幅，還影響其振蕩周期；CLAUDIA et al［20］以及PHILIP et al［21］提出大氣對海洋的非線性響應(yīng)與ENSO事件的非對稱性相關(guān)聯(lián)。（3）TIMMERMANN et al［22］認(rèn)為La Ni~na期間浮游生物的增長會起到負(fù)反饋作用，減弱La Ni~na事件，增強ENSO事件的非對稱性。

本文利用NCEP、SODA等再分析資料，診斷上層海洋的熱量收支情況，試圖找出影響ENSO事件非對稱性的主要因子，為以后利用模式分析ENSO非對稱性和對模式進(jìn)行改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

本文采用的海表溫度資料為英國Hadley中心的全球海冰和海表溫度分析資料（HadISST）。HadISST的時間分辨率為1個月，空間分辨率為1°×1°，資料起始時間為1870年1月。表面熱通量資料采用NCEP／NCAR的再分析資料。其時間跨度為1948年1月—2010年12月，空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為1個月。熱通量資料包括海表凈短波輻射通量、海表凈長波輻射通量、感熱通量和潛熱通量。同時，本文還使用了簡單海洋數(shù)據(jù)同化資料2.0.2－4（SODA 2.0.2－4）三維的海水溫度、流速以及海表面風(fēng)應(yīng)力資料。所用資料的時間跨度為1958年1月—2007年12月，時間分辨率為1個月，水平空間分辨率為0.5°×0.5°。

偏度系數(shù)是表征樣本序列偏離平均值的統(tǒng)計量之一，其定義為：skewness＝m3／m23／2，其中為mk為k階中心距，N為樣本總數(shù)，xi為第i個樣本為序列的平均值。若序列是正態(tài)分布的，則skewness＝0。當(dāng)獨立事件的數(shù)量N被確定之后，偏度系數(shù)的顯著性就可以根據(jù)WHITE［23］計算得出。但是SSTA的變化并不是相互獨立的，筆者采用HONG et al［24］提出的范圍估計方法，當(dāng)偏度系數(shù)超過±0.67時，即認(rèn)為偏度系數(shù)的置信率高于95%。

參照文獻(xiàn)［25］，混合層溫度傾向方程可以寫作：

2 海溫的非對稱性

采用偏度系數(shù)來表征海溫的非對稱性。圖1給出了海表溫度異常（SSTA，sea surface temperature anomaly）偏度系數(shù)的空間分布。從圖1中可以看出，較大的正值區(qū)出現(xiàn)在120°W以東、5°N以南的地區(qū)，說明這個區(qū)域SSTA的非對稱性較為顯著。因此，本文選取110°～80°W，5°N～5°S的區(qū)域作為研究海溫異常變化非對稱性的重點區(qū)域。同時對這一區(qū)域的混合層溫度異常（MLTA，mixed layer temperature anomaly）做區(qū)域平均，得到MLTA隨時間的變化圖（圖2）。從圖2中可以看到，MLTA和Ni~no3指數(shù)變化趨勢基本相同，1958—2007年間主要的ENSO事件基本可以在MLTA變化中體現(xiàn)出來，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.87。

對每個El Ni~no和La Ni~na事件的發(fā)展階段做合成。定義ENSO事件發(fā)展階段為每次El Ni~no（La Ni~na）事件的MLTA從0發(fā)展到最大（?。┲档倪@段時間［26］。在選取發(fā)展階段之前，對MLTA做7個月的滑動平均，以除去高頻的變化。共選取11個El Ni~no事件和9個La Ni~na事件。11個El Ni~no事件的發(fā)展階段分別為：1963年3—8月、1965年3—8月、1968年8月—1969年4月、1972年1月—1972年9月、1976年3—9月、1981年12月—1982年12月、1986年7月—1987年4月、1990年9月—1992年2月、1997年1—11月、2002年2—9月和2006年5—10月；9個La Ni~na事件的發(fā)展階段分別為：1964年1—7月、1966年2月—1967年11月、1970年1—11月、1973年4—9月、1975年2—10月、1983年11月—1985年2月、1988年1—7月、1995年4月—1996年4月和1998年8月—1999年11月（圖2）。合成時先將每個事件的發(fā)展階段做合成，然后再將這11個El Ni~no事件和9個La Ni~na事件做合成。

將MLTA的趨勢及相關(guān)熱量收支項依照El Ni~no和La Ni~na事件的發(fā)展階段進(jìn)行合成，然后對赤道東太平洋區(qū)域做區(qū)域平均后得到圖3。混合層溫度傾向項在El Ni~no的發(fā)展階段為0.139℃／月，而在La Ni~na的發(fā)展階段為－0.102℃／月。因此，在El Ni~no和La Ni~na的成熟階段，MLTA的幅度之比大約為7∶5，體現(xiàn)出El Ni~no和La Ni~na在強度上的非對稱性。

3 混合層熱量收支分析

為了了解產(chǎn)生ENSO非對稱性的機制，按照（1）式對混合層的熱量收支作分析（圖3）。從圖3可以看到，熱通量項的貢獻(xiàn)基本是對稱的，并且抑制El Ni~no和La Ni~na的發(fā)展，在El Ni~no期間熱通量為－0.077℃／月，在La Ni~na期間熱通量為0.094℃／月；而三維的溫度平流項對MLTA的非對稱性影響較大，在El Ni~no期間溫度平流為0.274℃／月，在La Ni~na期間溫度平流為－0.151℃／月。由此可見，三維溫度平流是造成MLTA非對稱的主因。

根據(jù)（1）式，三維溫度平流一共分為9項（圖4）。從圖4中可以看出溫度平流各項在合成的El Ni~no和La Ni~na事件發(fā)展階段中的大小，它們對MLTA非對稱的貢獻(xiàn)可以用其在El Nin~o事件和La Nin~a事件發(fā)展階段中大小之和來表示。水平線性溫度平流（－、－、－和－T′y）對 MLTA非對稱性的貢獻(xiàn)較小，而貢獻(xiàn)較大的有兩類過程：一是非線性溫度平流（－u′T′x、－v′T′y和－w′T′z），這3項的大小在El Nin~o事件中分別為0.011、0.021和－0.034℃／月，在 La Nin~a事件中分別為0.035、0.015和－0.024℃／月，因此它們對 MLTA非對稱性的貢獻(xiàn)分別為0.046、0.036和－0.058℃／月，這3項分別占溫度平流項所造成非線性的37.4%、29.2%和－47.1%，這說明水平溫度平流項和垂直溫度平流項對ENSO事件非線性的作用并不一致，但總體上加強El Nin~o事件而減弱La Nin~a事件，這一結(jié)論與SU et al［26］的研究結(jié)論相符；二是線性垂直溫度平流（－），這項在El Nin~o事件和La Nin~a事件中的大小分別為0.104和－0.072℃／月，因此對MLTA非對稱性的貢獻(xiàn)為0.032℃／月，占溫度平流項所造成非線性的26.0%，說明線性垂直溫度平流同時促進(jìn)El Nin~o事件和La Nin~a事件的發(fā)展，但是對El Nin~o的促進(jìn)作用大于La Nin~a，造成了MLTA的非對稱性。

圖3 混合層熱收支項Fig.3 The mixed－layer heat budget自左往右：混合層溫度傾向項、溫度平流項、熱通量項以及溫度平流項和熱通量項之和

3.1 非線性溫度平流作用

圖5給出了合成的El Ni~no和La Ni~na事件中非線性水平溫度平流和非線性垂直溫度平流的分布。從圖5中可以看到，在El Ni~no和La Ni~na事件中，非線性水平溫度平流的正值區(qū)主要集中在南美沿岸和赤道北部，而非線性垂直溫度平流在整個東太平洋基本均是負(fù)值。與非線性水平溫度平流相比，非線性垂直溫度平流較弱，因此總體來說，在東太平洋非線性溫度平流增強El Ni~no而減弱La Ni~na。

圖6給出了El Ni~no事件和La Ni~na事件發(fā)展階段的合成圖。從圖6可以看到，在El Ni~no事件中溫度異常中心位于110°～100°W 之間，在100°W 以西?T′／?x＜0，同時在這一區(qū)域中u′＞0，因此在 El Ni~no發(fā)展期間，非線性緯向溫度平流－u′?T′／?x＞0。同樣，在La Ni~na事件中，在100°W 以西?T′／?x＞0，并且u′＜0，因此在La Ni~na發(fā)展期間，非線性緯向溫度平流－u′?T′／?x＞0。由此可見，非線性緯向溫度平流增強El Ni~no事件，抑制La Ni~na事件，從而造成ENSO的非對稱性。

對于非線性經(jīng)向溫度平流，在El Ni~no事件中由于溫度異常中心位于赤道偏南，所以在赤道上?T′／?y＜0，同時在赤道上v′＞0，因此在El Ni~no發(fā)展期間，非線性經(jīng)向溫度平流－v′?T′／?y＞0。同樣，在La Ni~na事件中，赤道上?T′／?y＞0，并且v′＜0，因此在La Ni~na發(fā)展期間，非線性經(jīng)向溫度平流－v′?T′／?y＞0?？梢姺蔷€性經(jīng)向溫度平流在El Ni~no和La Ni~na事件中的作用與非線性緯向溫度平流相同，增強El Ni~no事件，而抑制La Ni~na事件。

非線性垂直溫度平流所起的作用與非線性水平溫度平流不同。從圖7中可以看到，在El Ni~no事件中，溫度暖中心位于60～80m之間，因此，混合層的垂直溫度梯度?T′／?z＜0；同時在東太平洋大部分地區(qū)，混合層底（30～50m）垂直速度異常，w′＜0，所以在El Ni~no發(fā)展期間，非線性垂直溫度平流－w′?T′／?z＜0。在La Ni~na事件中，東太平洋的溫度冷中心也位于50m以下，混合層的垂直溫度梯度?T′／?z＞0；同時在東太平洋大部分地區(qū)，垂直速度異常，w′＞0，所以在La Ni~na發(fā)展期間，非線性垂直溫度平流－w′?T′／?z＜0。在El Ni~no和La Ni~na期間非線性垂直溫度平流均為負(fù)值，與非線性水平溫度平流的作用相反，它抑制El Ni~no事件而增強La Ni~na事件。

3.2 次表層溫度非對稱的作用

下面討論次表層溫度非對稱對表層海溫的作用。圖8給出了合成的垂直平流項－的水平分布。從圖8中可以看到，－項主要起作用的區(qū)域在赤道東太平洋及美洲沿岸，且La Nin~a事件期間的區(qū)域幅度要小于El Nin~o。將El Nin~o和La Nin~a事件合成相加，得到－項在ENSO冷暖事件中的非對稱部分（圖8c），可以看到這一非對稱在120°W以東的赤道區(qū)域最為明顯，與SSTA偏度值最大的區(qū)域一致。這說明－項的非對稱作用對SSTA的非對稱性有一定的影響。

圖8 El Nin~o（a）和La Nin~a（b）發(fā)展階段合成的線性垂直溫度平流項（－T′z）以及該項的非對稱部分（c）Fig.8 Composite linear vertical advection（－T′z）during the developing phase of El Nin~o（a）and La Nin~a（b），

由于氣候態(tài)垂直流速－在El Nin~o和La Nin~a事件中不變，主要影響－項大小的是表層和次表層之間的溫度異常梯度。從圖7中可以看到，在ENSO事件中，次表層（50～100m）溫度異常的變化大于表層溫度的變化；La Nin~a與El Nin~o期間表層溫度的變化相差不多，而次表層溫度的變化差別較大。El Nin~o期間的垂直溫度異常梯度的幅度要比La Nin~a期間的大，導(dǎo)致－項在El Nin~o和La Nin~a事件中的非對稱。

在ENSO事件中，影響次表層溫度的主要因素是溫躍層所在的位置［27］。定義20℃等溫線所在的深度為溫躍層深度，同時定義50～100m溫度異常的平均值為次表層溫度異常，兩者間的關(guān)系見圖9。從圖9中可以看到，溫躍層深度異常與次表層溫度異常有著很好的對應(yīng)關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，但兩者的關(guān)系并不是線性的。當(dāng)溫躍層深度變化在±20m之間時，次表層溫度異常變化基本是線性的，即當(dāng)溫躍層抬升（溫躍層深度異常＜0）或加深（溫躍層深度異常＞0）相同深度時，次表層溫度下降或升高幾乎相同的溫度。但當(dāng)溫躍層抬升大于20m時，次表層溫度異常的變化變得很小，基本保持在－2、－3℃左右；而當(dāng)溫躍層加深大于20m時，次表層溫度異常一直在增加，最大可以達(dá)到8℃左右。由此看來，與La Nin~a期間負(fù)的溫躍層深度異常相比，次表層溫度異常對El Nin~o期間正的溫躍層深度異常更為敏感，造成了El Nin~o和La Nin~a次表層溫度異常的非對稱。

圖9 東太平洋溫躍層異常與次表層溫度異常的散點圖Fig.9 Scatter plot of the thermocline depth anomaly and the subsurface temperature anomaly over the eastern equatorial Pacific

產(chǎn)生次表層溫度異常這一非對稱性的原因在于東太平洋溫度呈垂直剖面的結(jié)構(gòu)。由于東太平洋的平均溫躍層較淺，約為40～50m，因此次表層處在平均溫躍層之下（圖10）。取50～100m間的一點A作為次表層溫度，紅線和藍(lán)線分別表示溫度剖面垂直下降A(chǔ)′B′距離和抬升A″B″距離后的情形，代表El Ni~no和La Ni~na期間的溫度剖面。當(dāng)溫度剖面下降A(chǔ)′B′距離時，原剖面的B′點下降到A′點，此時的次表層溫度異常大小為AA′；當(dāng)溫度剖面抬升A″B″距離時，原剖面的B″點抬升到A″點，此時的次表層溫度異常大小為AA″。圖10中可以很明顯的看到，當(dāng)溫度剖面抬升和下降相同距離時，即當(dāng) A′B′＝A″B″時，次表層溫度異常的大小并不一致，明顯地｜AA′｜＞｜AA″｜。這就解釋了為何次表層溫度異常對El Ni~no期間溫躍層深度的加深更為敏感。

圖10 東太平洋平均溫度剖面（黑線）以及溫躍層抬升（藍(lán)線）和下降（紅線）后的剖面Fig.10 Eastern equatorial Pacific mean temperature profile（black line）and the temperature profiles when the thermocline is up（blue line）and down（red line）

除了東太平洋海溫的垂直結(jié)構(gòu)影響次表層溫度異常的非對稱性之外，溫躍層深度異常自身的非對稱也會影響次表層溫度的非對稱。從圖9中看到，溫躍層深度異常自身也存在較大的非對稱性，存在明顯的正偏，其偏度系數(shù)達(dá)到1.37。這種正偏的溫躍層深度異常也是導(dǎo)致次表層溫度異常正偏的原因之一。

東太平洋溫躍層深度的變化與赤道太平洋表面緯向風(fēng)應(yīng)力的變化密切相關(guān)。通常，赤道太平洋的西風(fēng)（東風(fēng)）異常會激發(fā)向東傳的下沉（上升）式開爾文波，從而導(dǎo)致赤道東太平洋溫躍層深度的加深（變淺）［28－29］。赤道太平洋緯向風(fēng)應(yīng)力異常的大小以及結(jié)構(gòu)都會影響赤道開爾文波，從而影響赤道東太平洋溫躍層深度的變化［30］。從圖11中可以看出，在赤道中太平洋170°～130°W之間，緯向風(fēng)應(yīng)力異常呈現(xiàn)明顯正偏。將這一區(qū)域（5°S～5°N，170°～130°W）平均的緯向風(fēng)應(yīng)力異常和東太平洋（5°S～5°N，110°～80°W）平均的溫躍層深度異常做標(biāo)準(zhǔn)化，得到這兩個量隨時間的變化（圖12）。從圖12中可以看出，中太平洋緯向風(fēng)應(yīng)力異常與東太平洋溫躍層深度異常有明顯的對應(yīng)關(guān)系，并且當(dāng)緯向風(fēng)應(yīng)力異常提前溫躍層深度異常1個月時，存在最大的相關(guān)系數(shù)為0.698。這說明中太平洋緯向風(fēng)應(yīng)力異常是導(dǎo)致東太平洋溫躍層深度異常的重要原因，并且正偏的緯向風(fēng)應(yīng)力異常導(dǎo)致了正偏的溫躍層深度異常。這一過程可能是通過緯向風(fēng)應(yīng)力激發(fā)的開爾文波東傳實現(xiàn)的：正偏的緯向風(fēng)應(yīng)力異常會使其激發(fā)出的下沉式開爾文波強度大于上升式開爾文波，從而造成東太平洋溫躍層下降的幅度大于上升的幅度，導(dǎo)致溫躍層深度異常的非對稱性。

4 討論與結(jié)論

本文利用SODA和NCEP再分析資料分析了El Ni~no事件和La Ni~na事件中SSTA強度的非對稱性。首先計算了SSTA的偏度系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在東太平洋區(qū)域SSTA明顯正偏，說明在平均意義上El Ni~no事件強于La Ni~na事件。同時，也發(fā)現(xiàn)該區(qū)域MLTA的變化與SSTA的變化相似，可以用MLTA來代替SSTA進(jìn)行分析。

接著，對東太平洋上層海洋的熱量收支在El Ni~no和La Ni~na事件的發(fā)展階段做合成，發(fā)現(xiàn)在發(fā)展階段MLTA的變率在El Ni~no和La Ni~na發(fā)展期間有明顯的區(qū)別，從而造成MLTA在ENSO成熟階段的非對稱性。進(jìn)一步分析表明，三維溫度平流在產(chǎn)生MLTA非對稱性的過程中起決定作用，而海表熱通量對MLTA非對稱性的貢獻(xiàn)不大。

影響MLTA非對稱性的因子主要有3個：

（1）非線性溫度平流。水平非線性溫度平流在ENSO冷暖事件中均為正值，因此增強El Ni~no事件而減弱La Ni~na事件；而垂直非線性溫度平流在ENSO冷暖事件中均為負(fù)值，因此起的作用與水平非線性溫度平流相反，減弱El Ni~no事件而增強La Ni~na事件；由于水平非線性溫度平流強于垂直非線性溫度平流，非線性溫度平流的凈作用能導(dǎo)致ENSO的非對稱性。文獻(xiàn)［16，17］的作者也強調(diào)非線性溫度平流在ENSO事件非線性中的作用，但是他們認(rèn)為非線性垂直溫度平流是主要原因。這與我們得到的結(jié)論有所區(qū)別，這一區(qū)別很可能是由于合成時所選取的時間不同所造成的。在他們的研究中，合成的事件包括了ENSO事件成熟階段，由此合成出的非線性平流項作用將作用于ENSO事件的消亡階段，而非形成ENSO事件非線性的發(fā)展階段。DUAN et al［31－32］研究指出，非線性溫度平流是 ENSO 事件非線性的決定性因素，但是本文通過分析發(fā)現(xiàn)非線性溫度平流在ENSO事件非線性的形成過程中的作用并不是決定性的，其它影響因子同樣也有著重要的作用，在這些因子的共同作用下導(dǎo)致ENSO事件的非對稱性。

（2）次表層溫度異常對溫躍層深度異常的非線性響應(yīng)。由于東太平洋溫度剖面的特性，使得次表層溫度異常對El Nin~o期間正的溫躍層深度變化更為敏感，造成次表層溫度異常的幅度在El Nin~o期間比La Nin~a期間大，從而通過－項影響上層海溫的非對稱性。

（3）赤道太平洋的緯向風(fēng)異常的正偏。赤道太平洋存在較強的緯向西風(fēng)，從而導(dǎo)致東太平洋溫躍層深度異常正偏，進(jìn)而造成次表層溫度異常的非對稱，并通過－項影響上層海溫的非對稱性。

本文初步分析了ENSO事件非對稱性發(fā)生的幾個原因，發(fā)現(xiàn)造成ENSO事件非對稱性的因素并不是單一的，而是海氣耦合系統(tǒng)中多種非線性過程共同作用的結(jié)果。這些原因之間是否存在相互關(guān)聯(lián)以及它們在影響ENSO事件非對稱性中的具體作用仍需繼續(xù)研究。未來工作之一是利用一個中等復(fù)雜程度的海氣耦合模式，深入探討這些過程在ENSO循環(huán)中的作用以及對于ENSO可預(yù)報性的意義。

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