徐華,徐建軍,范伶俐

(廣東海洋大學海洋與氣象學院，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的信號，每隔2～7年發(fā)生一次，會對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，并開創(chuàng)性地將海表溫度變化和南方濤動緊密聯(lián)系起來，后人將兩個現(xiàn)象合并稱為ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的El Ni?o發(fā)展過程中，SST與海表面風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、西部東風減弱或轉(zhuǎn)為西風；赤道東太平洋秘魯沿岸首先出現(xiàn)明顯增溫，發(fā)展過程中向西傳播，冬季達到成熟時期可擴展到中太平洋[2-3]。這些相似性都體現(xiàn)出對季節(jié)循環(huán)的一種依賴關系，這種關系也被后人稱為ENSO循環(huán)的“鎖相”特征(Phase-locking)。

事實上，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型[4]，進而發(fā)展過程也不同，一類主要在太平洋東部秘魯和厄瓜多爾沿岸增暖并向西擴展，而另一類則在熱帶太平洋中部增暖并向東擴展[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，雖然作者沒有明確指出，我們也可以得到El Ni?o有不同類型的啟示[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)，引起了學者們的廣泛關注。而El Ni?o事件發(fā)生時，不同海表溫度異常模態(tài)，會造成大氣和海洋的不同響應和反饋，從而導致對全球氣候的不同影響。因此，應將其分為兩類來研究。但是目前El Ni?o事件的發(fā)生發(fā)展機制還不完全清楚，所以沒有一個統(tǒng)一的分類標準。

2 El Ni?o 事件的分類

2.1 基于空間分布形態(tài)對El Ni?o事件的分類

Larkin等[17-18]最早對中部El Ni?o事件進行了分類和命名。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個月滑動平均的SSTA值持續(xù)5個月大于或等于0.5℃)對1950—2003年期間的El Ni?o事件進行篩選，將非傳統(tǒng)的El Ni?o事件命名為日界線El Ni?o(Dateline El Ni?o)。

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

Yu等[22]在對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，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)鼎盛時期海溫異常中心的位置對El Ni?o事件進行了分類：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)時間對El Ni?o事件的分類

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]基于模式及觀測數(shù)據(jù)對ENSO“鎖相”的研究中指出，El Ni?o的發(fā)生時間、事件的強度及持續(xù)時間都表現(xiàn)出不規(guī)律性。

Xu 等[26]根據(jù) El Ni?o 事件的爆發(fā)時間(Ni?o 3.4區(qū)SSTA值第一次超過0.5℃的月份)，將El Ni?o分成兩種類型：爆發(fā)時間為4—5月的El Ni?o事件為春季型(SP型)，爆發(fā)時間為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SU型更強，持續(xù)時間更久，且SU型事件比SP型事件的發(fā)展滯后了一個季度。

Horii等[27]采用Xu等的分類方法[26]對兩類事件進一步研究中指出，SP型El Ni?o相對SU型更強，且均是在春季爆發(fā)，發(fā)展至冬季達到成熟，但SU型El Ni?o事件的發(fā)展過程則沒有統(tǒng)一的規(guī)律。

相對空間分類方法，基于爆發(fā)時間對El Ni?o事件進行分類的標準更簡潔明了，且兩類事件也具有明顯的對比特征。一些學者對El Ni?o時間分類做了進一步研究[28-31]，但關于SP型和SU型事件中海洋和大氣的基本特征，及兩類事件的動力機制等問題尚未有相關研究成果。

3 有關ENSO多樣性的總結(jié)

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

基于爆發(fā)時間對El Ni?o事件分類的研究成果中，Xu等[26]、Horii等[27]雖然沒有在文章中提及，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)展過程中向東傳播的距離更遠、影響范圍也更廣，鼎盛時期SSTA正異常中心位于赤道東太平洋，而SU型El Ni?o的鼎盛時期SSTA的正異常中心則相對偏西。Cai等[30]對時間分類及空間分類下的El Ni?o事件進行比對后得出，SP型El Ni?o與CT型有較好的對應關系，而SU型則對應WP及混合型事件。

可見，雖然分類角度或方法不同，但分類結(jié)果都有著相似的對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)稱為中太平洋 El Ni?o。

3.1 兩類ENSO事件的特點

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

(1)東太平洋El Ni?o鼎盛時期，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附近[17-18,21,23-24,26]；而中太平洋El Ni?o鼎盛時期，SSTA中心均位于赤道太平洋中部，太平洋東部為相對弱的正異?；驗樨摦惓＃胁康恼惓Ｔ诔嗟劳獾貐^(qū)隨著緯度增加有向東擴展的趨勢呈“馬蹄形”結(jié)構(北半球向東擴展更多)[21,23-24]。

(2)相對中太平洋El Ni?o來說，東太平洋El Ni?o在發(fā)展的過程中，低層西風異常更強，向東傳輸?shù)木嚯x更遠，影響范圍也更大[23-24,26]。

(3)兩類El Ni?o事件對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)時間更長，強度也更強[23,26-27]。需要說明的是，雖然中太平洋El Ni?o強度相對弱(盛期時中太平洋El Ni?o的SSTA及海面西風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流，所以中太平洋El Ni?o對全球氣候的影響與東太平洋El Ni?o的影響量級相當[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)為負異常的分布特征，它與其它中部型事件的形成機制是否一致還有待進一步研究，本文暫且將它們歸為一類進行討論。

3.2 兩類ENSO事件的定量指標及分類結(jié)果對比

為了更好地理解ENSO多樣性問題，很多學者定義了不同的指標去分類并對比兩類事件。

(1)TNI指數(shù)：Trenberth 等[8]將 TNI定義為標準化的 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]對熱帶太平洋SSTA進行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，構建出EMI指數(shù)。該指數(shù)與TNI、PC2之間均有較好的相關性，且考慮了EOF2模態(tài)空間分布型中的三個關鍵區(qū)域，故不管從數(shù)學角度還是動力學角度來看，EMI指數(shù)都是反映該模態(tài)的一個較好的選擇。

在此基礎上，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的方法分離兩類事件，即從原始的SSTA中除去Ni?o1+2指數(shù)的回歸值后再進行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)的回歸值后再進行EOF分析得到的第一模態(tài)代表EP-ENSO。將兩個EOF第一模態(tài)對應的時間序列分別定義為CPI和EPI，并且定義CPI(EPI)超過一倍標準差時為CP-ENSO(EP-ENSO)事件。

有學者進一步設計了ICP和IEP兩指數(shù)，反映海溫異常變化時在空間上正交而時間上獨立，故可更好地刻畫兩類事件的特征[37-38]。曹璐等[39]提出了同時以Ni?o 3和Ni?o 4指數(shù)構建指數(shù)組的形式來監(jiān)測CP和EP兩類事件。

(4)NCT/NWP指數(shù)[24,40]：若 Ni?o4 區(qū)的 SSTA 超過一倍標準差，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超過一倍標準差，且該區(qū)域的SSTA比Ni?o4區(qū)大，則定義為CT型El Ni?o事件。事實上，Ni?o3指數(shù)和Ni?o4指數(shù)之間本身有著很強的相關性[21,41]，雖然在大于0.5℃的標準下兩類暖事件可以被很好地區(qū)分，但對于兩類冷事件(La Ni?a)卻不能很好區(qū)分[24,41]。

(5)還有很多學者從其他角度定義了不同的指標，如：Takahashi等[42]構建了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]構建了向外長波輻射指數(shù)。

有關ENSO的定量工作已有很多成果，而分類結(jié)果也會因指標選取不同而有差異。

表1顯示，不同分類標準所選出的El Ni?o事件列表稍有差異，如使用EP/CP方法就沒有選出1990/1991年的事件，使用SP/SU方法沒有選出1977/1978年、1990/1991年的事件，這可能與事件弱且持續(xù)時間短有關。另外，El Ni?o事件的分類結(jié)果也并不完全對應，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)分類的 3 個方法(Modoki、EP/CP、CT/WP)的結(jié)果則較為統(tǒng)一。雖然不同指標得到的分類結(jié)果有所差異，但這并不影響學者們得到兩類事件發(fā)展過程中諸多相似的特征。

表1 1950—2005年El Ni?o事件的分類結(jié)果對比

3.3 有關ENSO多樣性的爭議

關于ENSO多樣性，仍存在很多問題尚未清楚，如兩類事件生成發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換的動力機制問題。目前有關ENSO的機制已有很多研究成果[48-49]，而兩類事件發(fā)生發(fā)展和消亡的過程有著不同的特征，它們的動力機制理論上是不同的。學者們從不同的角度，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)換的動力原因。不論從哪個角度解釋，大家都有一個共識，即東太平洋El Ni?o是一個海盆尺度的海氣耦合過程，它的生消過程與溫躍層的變化有著緊密的聯(lián)系。但關于中太平洋El Ni?o的動力機制問題，科學界尚未有統(tǒng)一的答案。Ashok等[21]認為赤道中太平洋的異常偏暖與西太平洋異常西風激發(fā)東傳的暖Kelvin波及東太平洋異常東風激發(fā)的西傳Rossby波有關；Kao等[23]指出中太平洋El Ni?o的動力機制不涉及溫躍層的變化，它是一個局地的海氣耦合過程，其發(fā)展演變更多基于大氣外強迫；Kug等[24]、Xie 等[56]認為中太平洋 El Ni?o 的發(fā)展與溫度的緯向平流有關；另外還有學者從季風[26]、ENSO前期熱帶太平洋海溫距平場[57]及赤道太平洋次表層海溫異常[58-59]等角度進行解釋。

有學者使用Cane-Zebiak海氣耦合模式[60]，對海表溫度變化過程中溫度方程里各項的相對大小進行了評估，發(fā)現(xiàn)平均上升流對異常的次表層溫度的垂向輸運與異常流動對平均海表溫度的緯向平流在ENSO發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換的過程中都非常重要[61-63]。這兩個過程也被稱作溫躍層反饋機制和緯向平流反饋機制[64]。Kug等[24]對兩類El Ni?o物理過程的研究中發(fā)現(xiàn)這兩種機制分別在CT型和WP型El Ni?o的發(fā)展和消亡過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]，對兩類El Ni?o事件的動力機制進行了更深入的研究，他們指出溫躍層反饋機制和緯向平流反饋機制對兩類事件的發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換均有重要貢獻，其中前者對兩類事件發(fā)展速率相對后者有更重要的作用[65]。WP型El Ni?o的溫躍層反饋機制在Kug等[24]的研究中沒有被發(fā)現(xiàn)，主要是因為沒有去除背景年代際振蕩信號的干擾。

關于中太平洋El Ni?o是不是熱帶太平洋變化的一個獨立模態(tài)的問題，目前仍存在爭議[8,21,41-42]。事實上，很多原因會導致El Ni?o位相的不對稱性和發(fā)展的不規(guī)律性，如：背景平均態(tài)的變化[7]、隨機天氣噪聲強迫[66]、ENSO的非線性動力學特征[67-70]等。如同Wyrtki在1975年所說，沒有哪兩個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，更好地認識ENSO的物理過程和機制，有助于提高和改進對ENSO的預報。所以，關于ENSO多樣性問題仍有待于進一步研究。

4 總 結(jié)

學者們根據(jù)空間分布形態(tài)或爆發(fā)時間將ENSO事件分為兩類，雖然選取標準不同，分類結(jié)果卻有很多相似的特點：傳統(tǒng)的El Ni?o、EP型、CT型及SP型El Ni?o事件發(fā)展至成熟時期，正SSTA中心位于赤道太平洋東部，低層西風異常更強，向東傳輸?shù)木嚯x也更遠，這些事件可以統(tǒng)稱為東太平洋 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)展至成熟時期，正SSTA中心位于赤道太平洋中部，這些事件可以統(tǒng)稱為中太平洋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)時間更長，強度也更強；兩類El Ni?o事件對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。

而有關兩類事件生成發(fā)展和位相轉(zhuǎn)換的動力原因，目前科學界關于東太平洋El Ni?o有較統(tǒng)一的認識，普遍認為東太平洋El Ni?o是一個海盆尺度的海氣耦合過程，它的生消過程與溫躍層的變化有著緊密的聯(lián)系，但對于中太平洋El Ni?o的動力機制，學者們從波動、大氣外強迫、緯向平流反饋等不同角度進行了解釋，目前科學界尚未有統(tǒng)一的答案。