2010, Vol. 53
2. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029
2. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
El Niño是气候系统最强的年际变化信号，对全球以及我国气候异常有显著而复杂的影响，并因此得到广泛研究[1~3].早期研究主要关注不同强度El Niño对气候影响的共性[4, 5].随着研究的深入，人们逐渐注意到El Niño的强度变化在气候影响中有着重要作用，如不同强度的El Niño不仅对东亚夏季风的影响有着本质的不同[6]，而且对东亚冬季风的影响也有着显著区别[7].不同强度El Niño的气候影响差异最可能的来源是El Niño自身，可以推断，在不同强度下El Niño自身特征也是不同的.我们第一部分的研究[8]已经支持了这一观点.
在第一部分[8]，我们利用3月平滑的Niño3.4指数(即美国气候预测中心的海洋Niño指数)，对1951~2004年12次典型El Niño事件进行研究，发现其衰减结果随着自身的强度变化具有规律性的分组，为此，我们将El Niño事件分为强(1972~1973，1982~1983，1997~1998)、中等(1957~1958，1965~1966，1991~1992，2002~2003)、较弱(1963~1964，1969~1970，1994~1995)和弱(1951~1952，1977~1978)4类，发现强和较弱El Niño衰减进入La Niñ，而中等和弱El Niño衰减进入平常态.因此，El Niño的衰减结果与自身强度之间存在非线性关系.虽然气候背景场以及ENSO的性质和大气海洋特征(如强度、位相锁定、海水增暖的方式、风场中心等)在1970年代后期气候转型前后表现出了明显的年代际变化[2, 9~11]，但以上分组大都包含这次气候转型前后的El Nino事件，所以气候背景年代际变化对上述规律影响似乎并不显著.此外，进一步的研究表明，负异常信号自西太平洋向中东太平洋的东传主导了强El Niño事件向La Niñ的转变过程，其具体动力过程与西太平洋振子类似.其中热带西北太平洋(WNP)大气异常反气旋起着核心作用.由于这种过程包含着大气对海洋变化的二次响应，有效能量从海洋向大气过渡中存在严重耗损，只有强度足够大的El Niño事件才能以这种方式进行位相转变，而强度稍弱的El Niño位相转换则有所不同.本文结果表明，中等El Niño的衰减机制与强El Niño一致，但由于强度不足未能完成位相转换而只是衰减进入平常态; 而较弱El Niño则通过另外一种机制，即海气异常信号自南美附近西传的平流模态，实现了向LaNiñ衰减.
赤道中东太平洋海表温度(SST)异常是ENSO现象的直接表现[12].在ENSO循环过程中，SST异常信号具有两种传播方式.第一种是原地发展型，即SST异常信号出现以后，于原地进行纬向扩展增强，而该过程中异常信号的主体位置基本不变. Li[13]注意到SST异常原地发展的情形，据此提出了准静止SST模态的概念，认为ENSO循环是这种模态在Walker环流和Hadley环流作用下的振荡过程.在强调Kelvin波东传的ENSO动力理论[14, 15]中，Kelvin波沿温跃层东传，热容量异常一边东传一边向海表方向移动，并在赤道中东太平洋到达洋面，波和能量的传播与SST信号在赤道中东太平洋原地发展相配合，如本文第一部分中[8]强El Niño衰减过程所示，也属于SST异常信号原地发展型.第二种是移动发展型，其中SST异常信号具有明显的空间移动特征，例如在经典El Niño事件中，海表温度异常自南美沿岸出现，并沿赤道向西传播[1].
对SST异常信号的移动发展已有一系列的研究，人们发现有向东传和向西传两种信号传播模态[16, 17].东传的模态为延迟振子模，又称不稳定耦合模[18].这种模态特征为强西风出现在海温正异常西侧，通过温跃层反馈实现东传.具体而言，温跃层的倾斜倾向于平衡风应力，西风的存在使得位于海温异常下面及其东侧的温跃层变厚，产生暖次表层温度异常，这种机制在深次表层和强西风情况下显著.西传信号为平流模态，又称局地模，通过海洋表层正反馈机制实现西传[17].该模态特征为异常海温东侧为东风异常，西侧为西风异常.这样，西风引起向东流的表层洋流和暖水下翻，加强了原有的海温异常并使之西扩，而东风异常倾向于产生低温异常并削弱原有海温异常，从而造成海温异常向西的传播.这两种模态都可以实现正异常或负异常温度信号的连续传播[17].虽然物理机制和时间尺度有所差异，它们在ENSO的位相转变和发展过程中都具有重要作用[19~22].因此，我们分析不同强度El Niño的衰减，则需要关注这两种物理过程的表现.
在第二部分，我们将分析中等和较弱El Niño的衰减过程，来探讨中等El Niño衰减为平常态的原因，以及较弱El Niño位相转变的物理过程，从而充分理解El Niño衰减结果与自身强度之间的非线性关系.研究数据和方法详见第一部分[8].第2节和第3节分别从海洋角度和大气角度分析中等和较弱El Niño的衰减过程，第4节讨论这两种强度不同El Niño的衰减机制，最后一节是结论.
2 海表温度、赤道温跃层温度和上层海洋热容量分析在这一节，我们从海洋的角度，通过分析海表温度、赤道温跃层温度和上层海洋热容量的变化来理解中等和较弱El Niño的衰减过程.我们分别在图 1和图 2给出了中等和较弱El Niño衰减过程中海表温度和上层海洋热容量信号的变化，而略去了赤道温跃层温度的变化过程图.
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图 1 中等(a)和较弱(b) El Niño中海表温度异常随时间的变化 (单位:℃，浅灰色箭头表示温度异常的传播) Fig. 1 The evolution of seasurface temperature anomalies along the equatorial Pacific for the moderate (a) and relatively-weak (b) El Niño (Unit:℃, the light grey arrow denotes the propagation of sea surface temperature anomalies) |
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图 2 中等(a)和较弱(b) El Niño中热带太平洋上层海水热容量异常的演变过程 (单位:109 W·m-2，异常强度大于0.6×109 W·m-2的正值、负值区分别用浅灰和深灰色标记) Fig. 2 The evolution of upper-ocean heat storage over the tropical Pacific for the moderate (a) and relatively-weak (b) El Niño (Unit:109 W·m-2, the regions above 0.6×109 W·m-2 and below -0.6×109 W·m-2 are shaded by light and dark grey, respectively) |
在盛期及其前期，中等El Niño的特征与强El Niño基本一致[8].在El Niño发展过程中，即0年9月，热容量负异常在WNP开始出现，但位置比较靠近赤道(图 2a).此后，随El Niño的进一步发展，负异常逐渐增强并向南扩展，在El Niño盛期主体位于赤道.与热容量信号相对应，在次表层温度场上，温度负异常自0年9月开始出现在西太平洋次表层，并随着El Niño进入盛期，逐渐增强和扩展(图略).以上两个信号同时也是强El Niño进行位相转变的重要信息.但与强El Niño相比，其出现时间明显偏晚，而且强度显著偏弱.
在达到盛期之后，中等El Niño和强El Niño的区别却很明显.此时，在强El Niño中，热容量负异常和次表层温度负异常继续沿赤道向中东太平洋移动; 而对中等El Niño而言，两个负异常信号却是原地衰减，并于+1年夏季缓慢消失.表现在SST场上(图 1a)，中等El Niño中赤道中东太平洋SST正异常在其衰减年春季迅速衰亡，并导致赤道中东太平洋进入正常状态，而不像强El Niño那样迅速转变为负异常状态.因此从海洋信号来看，中等El Niño的衰减过程前期与强El Niño相同，但这种衰减过程由于强度不足未能完成位相转变，而是发生了夭折.
2.2 较弱El Niño与强El Niño和中等El Niño相比，较弱El Niño衰减过程的主体负异常信号特征是显著不同的.其一，负异常信号的物理承载不同，前两者显著负异常信号体现在热容量和次表层温度上，而较弱El Niño在SST上最显著.其二，负异常信号出现的位置和时间不同，在强和中等El Niño中，负异常信号首先出现在西太平洋，出现时间为El Niño达到盛期之前，而在较弱El Niño中，负异常信号首先出现在南美沿岸附近，时间为+1年3月，即紧邻盛期之后.其三，衰减信号的传播方向不同，中等El Niño中负异常信号在西太平洋原地消亡，强El Niño中负异常信号在其衰减期后自西太平洋沿赤道向东传，而在较弱El Niño中，负异常信号却是自南美沿岸向西传.
需要指出的是，从上层海洋热容量看(图 2b)，在较弱El Niño发展过程中，在西太平洋赤道外的两侧，包括WNP地区，也有范围较大的热容量负异常出现，但该异常并没有移入赤道并东传，而是在原地维持至衰减年夏季并消失，因此这种负异常信号只是对赤道中东太平洋海水增暖的被动响应，对较弱El Niño的位相转变不起明显作用.较弱El Niño中这种负异常信号的特征以及作用与强El Niño明显不同.
SST负异常信号自南美沿岸向赤道中太平洋的扩展持续进行，几乎占据了较弱El Niño整个衰减年，是较弱El Niño位相向LaNiñ转变的主要海洋特征(图 1b).在较弱El Niño中，衰减信号在海洋表面最显著，次表层温度场异常支持了这一点(图略).上层海洋热容量信号虽然也表现出了这种特征，但不如SST有组织性(图 2b).由于较弱El Niño的衰减信号最主要体现在海洋表面层次，本文采用的上层海洋热容量覆盖0~400 m厚度，又由于赤道东太平洋温跃层仅约50 m深，只占上层海洋的很小一部分，使得热容量异常不如SST信号有组织性.
3 海平面气压场和850hPa风场分析南方涛动形态和Walker环流的异常是ENSO过程中大气环流的主要表现[10].在本节，我们分析海平面气压场(图 3)和850hPa赤道纬向风(图 4)，来探讨南方涛动和赤道纬向风等大气信号在中等和较弱El Niño衰减过程的表现.
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图 3 中等(a)和较弱(b) El Niño中海平面气压异常随时间的变化 (单位:hPa，强度大于0.5hPa的正异常区域用浅灰色标记) Fig. 3 The evolution of sea level pressure anomalies for the moderate (a) and relatively-weak (b) El Niño (Unit:hPa, regions above 0.5 hPa are shaded with light grey) |
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图 4 中等(a)和较弱(b) El Niño中850 hPa赤道太平洋纬向风异常的经度-时间剖面 (单位:m·s-1，浅灰色箭头表示异常的传播方向) Fig. 4 The longitude-vertical cross-section of 850 hPa meridional wind anomalies along the equatorial Pacific for the moderate (a) and relatively-weak (b) El Niño (Unit:m·s-1, the light grey arrow denotes the propagation of the anomalous easterlies) |
与SST、次表层温度和上层海洋热容量等海洋变量场相同，在海平面气压场(图 3a)和850hPa纬向风场(图 4a)上，中等El Niño的衰减与强El Niño类似，在发展期和盛期具有强El Niño的大部分衰减特征，而在盛期之后，这些衰减信号在中等El Niño并没有持续发展，而是原地衰亡.
中等El Niño在其暖位相盛期出现了东负西正的南方涛动负位相和WNP高压异常(即WNP异常反气旋，图 3a)，这与强El Niño相同，只是异常强度明显偏弱，大约为强El Niño的一半，而且出现时间也迟于后者.但是，中等El Niño并没有强El Niño异常环流信号东移的特征，而表现出南方涛动负位相在盛期之后迅速消亡的特征，WNP高压异常也迅速减弱，却仍然在局地海气相互作用下维持至+1年夏季[23].从850hPa纬向风来看(图 4a)，赤道西风异常自西太平洋向中太平洋的传播贯穿了中等El Niño整个发展过程，并且在其盛期，赤道东风异常出现在海洋大陆和西太平洋西部，但后者并未如强El Niño那样，在整个衰减年规律性地向赤道中东太平洋扩展，而是强度很弱，并在原地于+1年春季迅速消亡.
3.2 较弱El Niño较弱El Niño的大气信号与强和中等El Niño都有本质的区别(图 3b和图 4b).第一，在较弱El Niño盛期，WNP高压异常基本不存在，而这是强El Niño向LaNiñ衰减的一个核心因子.此外，在较弱El Niño盛期，南方涛动负位相分布主要体现在南半球，而强和中等El Niño在赤道以北地区也明显存在.第二，明显不同于强和中等El Niño，较弱El Niño最显著的海平面气压异常特征出现在东南太平洋，自+1年3月维持至9月，高压异常在东南太平洋副热带区域维持并缓慢西移，其特征在夏季阶段更强盛.第三，有组织的850hPa赤道东风异常首先出现在东太平洋，而后规律性地向中西太平洋传播和扩展(图 4b).从气压和风的配置关系来看，后两个特征之间可能有密切关系.
4 讨论我们在第2节和第3节分别从海洋和大气的角度分析了中等和较弱El Niño的衰减过程，并比较了它们与强El Niño的相似和区别.由于中等和较弱El Niño的衰减过程有很大差别，本节对二者分别进行讨论.
4.1 中等El Niño的衰减中等El Niño的衰减信号，主要体现在WNP的海平面气压正异常和热容量负异常上，同时，赤道西太平洋有次表层温度负异常和赤道东风异常出现，这与强El Niño的主体衰减信号相同[5]，但是，以上衰减信号强度偏弱，而且热容量、次表层温度和赤道东风异常信号没有随着El Niño盛期的结束而沿赤道向东传播，而是原地迅速或缓慢消亡.
综合环流异常的表现来看，中等El Niño的衰减机制与强El Niño相同[8]，都是西太平洋振子型，但其衰减信号强度很弱，并且没有充分发展，从而使中等El Niño没有完成向LaNiñ的过渡.这是因为，在强El Niño中，赤道大气对海洋进行两次Gill型响应(赤道中太平洋的气旋对和WNP异常反气旋)，从而建立ENSO的负反馈机制并最终实现位相的反转[5]，而在中等El Niño中，赤道中东太平洋表层海水增暖的强度较弱，从而激发出的衰减信号强度和维持时间都很有限，使负反馈机制不能充分作用，导致中等El Niño衰减之后不得不进入平常态.
4.2 较弱El Niño的衰减上述分析表明，较弱El Niño向LaNiñ转变表现出了与强El Niño显著不同的结构，其主要形态是负异常信号沿赤道自东向西传播.从海洋角度看，SST负异常信号自南美沿岸向中太平洋有组织地扩展; 从大气角度看，伴随东南太平洋副热带高压的增强和西移，赤道东风异常自东太平洋向中西太平洋扩展并增强(图 5a).因此，东南太平洋副高增强和西移，引起北侧信风增强和向西扩展，信风增强能够引起海水上翻和冷水西移，使得当地海水变冷，从而使较弱El Niño转变为LaNiñ，这是一种局地动力过程，在物理机制上属于平流模态或局地模态(图 5b)[17, 18]，理论上该模态能够持续西传，而较弱El Niño中SST的合成结果也表明了这一点.在El Niño盛期，赤道中东太平洋增暖促使空气上升，导致质量辐合，引起南美沿岸附近异常东风，促使南美沿岸海水上翻，当地海温降低，从而形成平流模态配置.
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图 5 较弱El Niño的衰减过程(a)和物理机制(b)示意图 (虚线框表示赤道中东太平洋海气作用) Fig. 5 Schematic diagram showing the signals (a) and physical mechanism (b) for the decay progress of the relatively weak El Niño (The dotted frame denotes the air-sea interaction over the central-eastern Pacific) |
关于赤道外副高变化对ENSO位相转变的作用已经有了不少研究.An和Wang注意到ENSO过程中副高异常具有年代际变化特征[11].Chan和Xu[24]研究了El Niño在春季和夏季进入LaNiñ的情形，注意到赤道外副高变化对ENSO位相转变的作用，其结果强调南北半球副热带高压增强的核心作用.他们认为，副高增强引起信风增强，而后通过激发海洋波动在西太平洋边界反射来降低东太平洋海温，这和我们分析结果有所不同.由于他们根据El Niño进入LaNiñ的起始时间来对El Niño分组，这使得其合成结果包含了不同强度的El Niño信号，而我们的研究表明，不同强度El Niño衰减过程之间存在很大差异，需要根据El Niño的强度来分别研究.与他们强调南北半球副高的共同作用相比，我们分别强调了北太平洋副高对强El Niño和东南太平洋副高对较弱El Niño位相转换的作用，并且认为分别通过西太平洋振子和平流模态导致LaNiñ的出现.
5 结论我们在第一部分发现El Niño的衰减结果与自身强度存在规律的非线性关系，并探讨了强El Niño的衰减机制，认为在类西太平洋振子框架下负异常信号自西太平洋东传是强El Niño的位相转变过程，这是第一种ENSO位相转换机制[8].在第二部分，分析了中等和较弱El Niño的衰减过程.我们认为中等El Niño的衰减机制与强El Niño相似，但由于强度较弱，El Niño自身激发的衰减过程在其盛期之后迅速终止，并因此衰减进入平常态.而较弱El Niño的衰减机制是负异常信号自东太平洋向西传播的平流模态，以与强El Niño截然不同的方式同样实现了El Niño向LaNiñ的位相转换，这是第二种ENSO位相转换机制.
在第二种衰减机制中，平流模态作为一种正反馈机制，有长时间的自维持能力; 此外，东南太平洋副热带高压异常是主要信号之一，它的存在和缓慢西移与其北侧赤道东风异常的维持和向西扩展比较一致，这两者共同作用，最终导致Walker环流的增强和赤道中东太平洋的变冷.平流模态的出现源于El Niño盛期赤道太平洋Walker环流变化引起的质量辐合，但我们尚不清楚东南太平洋副热带高压异常产生的具体过程.鉴于东南太平洋副高异常在较弱El Niño向La Niñ规律性转变中的重要作用，可以推断，如同WNP异常反气旋是强El Niño间接激发的结果一样，东南太平洋副高增强是较弱El Niño发展的产物.
负异常信号沿赤道的东传和西传是El Niño向LaNiñ转换的两种机制，但二者对El Niño强度有不同的选择性.由于WNP异常反气旋是El Niño间接产生的，于是负信号东传仅在El Niño达到很大强度的情况下才出现.东南太平洋副高增强倾向于发生和维持在较弱El Niño的衰亡期，因此负异常信号西传倾向发生于较弱El Niño事件.对中等和弱El Niño来说，由于强度上的不匹配，这两种位相循环机制同时失效，即东传和西传同时夭折或不存在，导致它们不能进入LaNiñ状态.这样，上述两种机制对El Niño强度具有不同的选择性，并因此导致El Niño衰减结果与自身强度之间存在明显的非线性关系.以上研究也支持和扩展了Philander和Fedorov[17]关于ENSO同时具有周期性和衰减性特征的观点.
El Niño的发生和衰亡是正反馈机制和负反馈机制分别主导产生的，Bjerknes型海气反馈机制是广泛承认的El Niño发生原因，而各种理论模型和动力框架之间的差异都表现在负反馈机制假设上，并且分别给出一种负反馈机制[25].我们的研究表明，控制El Niño衰亡的负反馈机制存在两种，并且对El Niño强度有不同的选择性，这意味着已有的ENSO动力模型和数值模式需要进一步完善，从而能够同时模拟和预测出不同强度El Niño的位相变化过程.
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