1 引言

ENSO(El Niño-Southern Oscillation)是热带太平洋大尺度海-气相互作用在年际尺度上的最强信号(Bjerknes，1969；Rasmusson, et al，1982；Philander，1983；Wallace，et al，1998)，其发生往往伴随全球范围的大气环流和天气气候异常(Van Loon, et al，1981；Ropelewski, et al，1987；Trenberth, et al，2000；Alexander，et al，2002)。中国东临太平洋，其气候异常与ENSO密切相关，许多研究(Huang, et al，1989；Zhang，et al, 1996, 2016；刘永强等，1995；陶诗言等，1998；金祖辉等，1999；黄荣辉等，2003；李海燕等，2016)表明，不同位相的ENSO对中国气候的影响存在显著差异，且对中国不同地区的影响也不尽相同，在厄尔尼诺发展年的夏季，江淮流域降水偏多；而在衰减年，长江流域和江南地区雨量偏多，江淮流域雨量偏少。另外，不同类型的ENSO对中国气候的影响也有显著差别(Feng et al，2011, 2016；Karori，et al，2013)，研究表明，传统型厄尔尼诺通常造成华南春季降水偏多、夏季降水偏少，而中部型厄尔尼诺由于其不同的海-气耦合过程则会使华南春季和夏季降水均偏少；中部型拉尼娜会造成长江流域夏季降水偏多，而东部型拉尼娜对其影响较小。正是东亚乃至全球气候对ENSO的显著响应引发了人们对这一现象的高度关注，正确认识ENSO现象的发生、发展过程，对于短期气候预测具有重要的科学价值和指导意义。

过去几十年里，科学家们对ENSO循环的基本特征及动力过程进行了深入研究，提出并逐步完善了ENSO动力学理论(Bjerknes，1969；Wyrtki，1975；Suarez, et al，1988；Battisti, et al，1989；Zhang, et al，1993；Jin, 1997a, 1997b；Picaut，et al，1997；Weisberg, et al，1997；张人禾等，1998；严邦良等，2002；陈锦年等, 2003a, 2003b；李崇银等，2008)，深化了对ENSO现象的理解和认识。其中，Suarez等(1988)和Battisti等(1989)提出的延迟振子理论和Jin(1997a, 1997b)提出的“充放电”理论，分别着重考虑了热带海洋波动和斯维尔德鲁普平衡理论在ENSO循环过程中的重要作用，被广泛用于解释ENSO冷暖位相的循环过程。然而，由于ENSO具有难以捉摸的复杂性和多变性，与此相关的很多科学问题仍需要更深入的研究。Philander(1990)提出ENSO是一种复杂的不规则非线性振荡；众多学者研究也发现ENSO具有年际尺度和年代际尺度的双重变化特征，其年际尺度上的变化主要由热带海-气相互作用造成，而年代际变率则很大程度上受热带外海-气过程或扰动的影响(Jin，et al，1994；Tziperman，et al，1994；Chang，et al，1996)。Timmermann等(2002)首次将热带地区自身的非线性作用与ENSO的年代际变化联系起来，指出温度方程中的非线性平流项可能发挥关键作用。此外，ENSO的复杂性还体现在冷暖事件强度、纬向位置、经向范围和持续时间等多方面的不对称性(Zhang，et al, 2009, 2012, 2013；Okumura, et al，2010；Dommenget，et al，2013；Yeh，et al，2014)。早在20世纪末就有观测结果表明，厄尔尼诺成熟期的赤道东太平洋海表温度异常(SSTA)远强于拉尼娜同期(Burgers, et al，1999)，这就造成Nino3区海表温度指数较正常态会强烈地偏向暖值(Trenberth，1997)。起初，并不清楚这种强度不对称性的原因，因为如果海-气耦合系统是一个由气候噪音引起的线性系统，ENSO的振幅应当是正态分布的(Thompson et al，2000, 2001)。直到21世纪初，Jin等(2003)首次计算了赤道太平洋混合层热量收支后发现，厄尔尼诺和拉尼娜期间非线性加热项符号均为正，这意味着非线性项只有利于厄尔尼诺强度的增长而不利于拉尼娜的增长，进而指出非线性加热的不对称是厄尔尼诺和拉尼娜的振幅非对称性的重要原因。Su等(2010)在An等(2004)的基础上进行了进一步研究，并且不再使用统一的ENSO发展时期，而是根据海表温度异常的强度对各次ENSO事件的发展阶段进行单独定义，即各次事件的发展阶段不尽相同，由此考察了热带太平洋非线性加热在ENSO发展时期的作用，得到了与An等(2004)类似的结论，同时指出非线性项中水平方向上的温度平流项起最为关键的作用。

然而，近年来热带太平洋观测到了一类新型厄尔尼诺事件。不同于传统型厄尔尼诺，这类厄尔尼诺的海表温度异常暖中心不再位于热带东太平洋，而是向西移到了赤道中太平洋区域，因而通常被称为中部型厄尔尼诺(CP El Niño)(Kao, et al，2009)，也有将其命名为日界线厄尔尼诺(Larkin, et al，2005)、Modoki厄尔尼诺(Ashok，et al，2007)和暖池(Warm Pool)厄尔尼诺(Kug，et al，2009；Ren, et al，2011)等，尽管不同研究所用的名字和定义略有差异，但是所指的现象本质却是一致的。为了描述方便，文中将传统型厄尔尼诺称为东部型厄尔尼诺(EP El Niño)。不少研究指出两类厄尔尼诺对于全球气候异常的影响有着明显的不同(Feng，et al，2010；Zhang，et al, 2011, 2014, 2015；Yu, et al，2011；Kim，et al，2012；Xu，et al，2013)，其发生、发展机制也存在着显著差异(Kao, et al，2009；Kug，et al，2009；Yeh，et al，2009)，但不同类型厄尔尼诺对ENSO强度非对称性的贡献以及非线性加热作用对不同类型厄尔尼诺的影响目前尚无深入的研究；此外，以往大多关注ENSO的发展阶段，对衰亡阶段非线性加热作用的研究较少。因此，本研究在前人工作的基础上进一步探讨了非线性项在ENSO的不同阶段对其强度非对称性所起到的作用，重点关注了两类厄尔尼诺期间的不同特征。从而更全面系统地认识非线性加热对ENSO发展演变的影响。

2 资料和方法

资料主要包括美国马里兰大学提供的1979年1月—2008年12月的月平均海洋同化数据(Simple Ocean Data Assimilation, SODA 2.2.4)(Carton，et al，2000；Giese, et al，2011)，水平分辨率为0.5°×0.5°，垂直方向上共9层；英国哈得来中心提供的1979年1月—2016年5月的月平均海表温度(HadISST)资料(Rayner，et al，2003)。文中主要采用合成分析方法对两类厄尔尼诺及拉尼娜时期非线性项的作用进行分析，并利用t检验对合成结果进行显著性检验。

采用Nino3.4指数(即5°N—5°S，120°—170°W区域平均的海表温度距平序列)作为ENSO事件的监测指标。考虑到ENSO事件的成熟期不尽相同，即可能在秋季达到顶峰、也可能到冬季达到峰值，因此，根据秋冬季(SONDJF)平均Nino3.4指数选取ENSO事件，若该指数大于0.5℃(小于-0.5℃)，则将当年定义为厄尔尼诺(拉尼娜)年。由此定义出11次厄尔尼诺事件：1982/1983、1986/1987、1987/1988、1991/1992、1994/1995、1997/1998、2002/2003、2004/2005、2006/2007、2009/2010和2015/2016年；以及12次拉尼娜事件：1983/1984、1984/1985、1985/1986、1988/1989、1995/1996、1998/1999、1999/2000、2000/2001、2007/2008、2008/2009、2010/2011和2011/2012年。此外，采用Kug等(2009)的定义方法区分两类厄尔尼诺事件，即通过比较秋冬(SONDJF)Nino3指数和Nino4指数的大小来选定东部型和中部型厄尔尼诺：若Nino3指数大于(小于)Nino4指数，则将该事件定义为东部型厄尔尼诺(中部型厄尔尼诺)。由此定义出3次东部型厄尔尼诺：1982/1983、1997/1998和2015/2016年；以及8次中部型厄尔尼诺：1986/1987、1987/1988、1991/1992、1994/1995、2002/2003、2004/2005、2006/2007和2009/2010年。受SODA资料长度所限，2008年后发生的5次ENSO事件在热量收支分析中不予考虑。

为了量化ENSO的强度非对称性，采用偏度来表征海表温度异常相对于平均状态的偏差程度。若偏度为0，则表示海表温度异常呈正态分布；而如果偏度>0则表示海表温度异常呈正偏态，偏度 < 0表示呈负偏态(White，1980)。偏度算式为

(1)

式中，，X表示气候平均态，x_i表示第i次观测值，N为观测次数。

非线性作用通过计算海洋混合层热量收支的非线性部分得到，热量收支平衡方程参照Jin等(2003)定义

(2)

式中，T及u、v、w分别为月平均海温及纬向、经向、垂直海流速度，^—和′分别表示气候平均态和异常态，海表热通量、一些次网格尺度和高频信号的贡献项用残差项R′表示。其中，等式右端第2个括号中的各项即为文中所讨论的非线性项。在计算过程中，太平洋混合层粗略地定义为0—45 m深度平均，与选取其他深度得到的定性结果一致。值得注意的是，非线性项中的第3项，即非线性垂直项表示海洋下层海温对上层海温的输送作用，其结果大小受深度选取的影响较大，为了较准确地计算，图 1给出了厄尔尼诺冬季(DJF)赤道太平洋(2°S—2°N)海温异常和垂直速度异常乘积(t′w′)的经向深度剖面合成，可以看出，t′w′的最大值约在65 m深度，因此，垂直方向上非线性温度平流的计算以65 m为中心，向上、向下各取40 m。也尝试了其他深度，如60 m等，其定性结果不受影响。

3 赤道太平洋海表温度异常偏度

为了量化ENSO事件的非对称性，首先给出了1979—2015年热带太平洋冬季(DJF)海表温度异常偏度的空间分布(图 2)。可见“类东部型厄尔尼诺”的海表温度异常偏度在150°W以东、尤其是130°W以东的赤道东太平洋地区有强的正偏度中心，最大值位于赤道太平洋东南区域，强度超过2.5(图 2a)。这表明1979—2015年以来，赤道东太平洋海表温度异常容易偏向暖值，即厄尔尼诺事件的强度明显大于拉尼娜事件，这与以往的研究结果(Su，et al，2010)一致。值得注意的是，当将3次强东部型厄尔尼诺年及前两次厄尔尼诺随后的拉尼娜年份(即1982/83/84、1997/98/99和2015年)去除后，发现赤道太平洋150°W以东大部分地区的正偏度几乎消失(图 2b)。即去除强东部型厄尔尼诺的影响后该区域的海表温度异常呈一个近似的正态分布，ENSO的冷暖事件强度相当，海表温度异常不再存在向暖偏斜状态。这似乎说明ENSO的强度非对称性在很大程度上是由强东部型厄尔尼诺造成的，并不是所有的厄尔尼诺和拉尼娜事件之间都存在着强的强度非对称。

为了进一步说明上述结论，将偏度公式变为

(3)

即式(2)的分母与式(1)一致，仍为m₂的3/2次方(标准差的3次方)；但分子不再为一段时间的平均状态，而是计算每年海表温度异常对平均状态的偏差程度，以此得到每年海表温度异常的偏度。由于海表温度异常整体偏度分布呈“类东部厄尔尼诺”型(图 2a)，即在150°W以东的赤道东太平洋地区有强的正偏度，因此，主要分析150°W以东的偏度正值核心区域。图 3给出了各次ENSO事件Nino3区(5°N—5°S，90°—150°W)海表温度异常偏度的大小及各类ENSO事件偏度的平均值。可以清晰地看出，中部型厄尔尼诺(黄色柱)的偏度为弱正值，拉尼娜(蓝色柱)事件的偏度为弱负值，尽管其符号不一致，但均位于0线附近，且强度相当；但东部型厄尔尼诺(红色柱)的偏度则远大于0值。假设不考虑东部型厄尔尼诺的存在，只考虑中部型厄尔尼诺和拉尼娜，其海表温度异常偏度正负抵消，则ENSO的强度将呈现准对称性。以上结果表明ENSO强度的非对称性主要是东部型厄尔尼诺的贡献，这再次证明了图 2b中的结论。

4 ENSO年赤道太平洋混合层非线性平流演变

第3节的研究表明，厄尔尼诺事件的平均强度强于拉尼娜的主要贡献来源于东部型厄尔尼诺。以往研究指出，海洋混合层热量收支平衡方程中的非线性项是造成ENSO强度非对称性的主要原因(Jin, et al, 2003; An, et al，2004)。那么非线性项在两类厄尔尼诺及拉尼娜事件的演变过程中是否也表现出不同的特征呢？为回答这一问题，首先给出了东部型厄尔尼诺期间赤道太平洋地区(5°S—5°N)混合层非线性平流的时间演变(图 4)，重点关注非线性作用的主要加热区域，即2°S—2°N(虚线范围内)。为了与温度趋势项作比较，也对此项做了分析，但由于该项在以往的文献中已多次出现，故不再展示其演变。从图中可以看出，130°W以东的赤道太平洋地区，即前文所述的偏度正值中心区域在东部型厄尔尼诺发展年7月就已经出现了正的非线性平流；随着时间的推移，非线性平流的强度有所增强，对东部型厄尔尼诺强度的发展起到了一定的促进作用，相应海温升高趋势的范围也随之逐渐扩大且强度加强(图略)；直到发展年的11月，赤道东太平洋地区的非线性作用的强度才有所减弱，但正异常仍能一直维持至次年1月前后，此时海温升高趋势的范围相应地缩小且强度减弱，至次年1月方转为负值(图略)。从次年1月起，130°W以西的赤道中西太平洋地区出现了大范围的正非线性作用，而130°W以东地区原有的正非线性作用逐渐减弱甚至转变为负作用，对应区域混合层的海温降低趋势范围逐渐扩大且强度增强(图略)。

中部型厄尔尼诺时期的非线性平流演变(图 5)明显不同于东部型厄尔尼诺时期。整体而言，无论是在发展阶段还是衰减阶段，中部型厄尔尼诺时期的非线性作用相对于东部型厄尔尼诺时期均要弱得多。在其发展阶段，赤道东太平洋地区从当年8月起一直维持着很弱的正非线性作用，主要集中在120°W附近，对中部型厄尔尼诺发展的促进作用较弱。在衰减阶段，130°W以东的赤道东太平洋地区从次年2月起仍然维持着较弱的正非线性作用；海温从次年1月起一直表现为降低趋势，随时间的推移范围有所扩大，但其强度与东部型厄尔尼诺衰减阶段相比要弱得多，且强度变化不大(图略)。值得注意的是，不管是东部型还是中部型厄尔尼诺，南美沿岸的非线性项在其衰减期均起较强的正作用。

拉尼娜时期非线性平流(图 6)的整体强度相较于东部型厄尔尼诺时期也弱得多，但稍强于中部型厄尔尼诺时期。在拉尼娜的发展阶段，非线性温度平流在发展年7月的赤道东太平洋130°W以东地区就有着正贡献，且随着月份推移强度逐渐增强，对拉尼娜强度的发展起到了一定的抑制作用。到了衰减阶段，赤道东太平洋地区的正非线性作用依然维持在130°W以东地区，但强度弱于发展阶段。

5 非线性加热对ENSO发展和衰亡的作用

从上述分析可以看出，发展阶段的非线性加热作用对ENSO振幅非对称性具有一定影响，这与以往研究结论一致(An, et al，2004；Su，et al，2010)，同时可以看到不同类型ENSO事件的不同阶段非线性加热作用也展现了不同的特征。为了进一步探索非线性项对ENSO增长的作用，将第4节所述的偏度正值中心相对应区域内的非线性作用进行区域平均(2°S—2°N，130°—80°W)，得到东部型厄尔尼诺、中部型厄尔尼诺以及拉尼娜时期的非线性加热作用从发展年7月至衰减年6月的变化(图 7)。可以看出，在东部型厄尔尼诺和拉尼娜的发展阶段，非线性项均显示为较强的正值，即对东部型厄尔尼诺的发展有正贡献，有利于其强度增强，而对拉尼娜的发展有负贡献，不利于其强度增强；中部型厄尔尼诺时期非线性作用的正贡献较弱。衰减阶段，非线性作用在中部型厄尔尼诺和拉尼娜时期维持弱的正贡献，而对东部型厄尔尼诺的作用由正转负，由此可见，非线性项加速了拉尼娜的衰亡，同时加速东部型厄尔尼诺的衰亡而减缓中部型厄尔尼诺的衰亡，这也部分解释了东部型厄尔尼诺比中部型厄尔尼诺衰亡快的原因。

由第2节已知，非线性项由纬向平流(uata)、经向平流(vata)、垂直平流(wata)3部分组成。为了进一步明确这3项起到的作用，图 8给出了ENSO发展和衰亡阶段赤道东太平洋地区海温趋势项(dT/dt)、非线性作用项及其3个方向上分量的大小。以1月为中心，发展阶段取当年7—12月，衰减阶段取次年2—6月。可以清晰地看出，在发展阶段，非线性作用对东部型厄尔尼诺和拉尼娜有较强的正贡献、对中部型厄尔尼诺的正贡献相对较弱，这与图 7一致。非线性加热作用会增强东部型厄尔尼诺的强度，且主要由经向温度平流项贡献；对中部型厄尔尼诺强度起到的作用较弱；对拉尼娜则会抑制其振幅的发展，3个方向的平流贡献相当(图 8a)。衰减阶段，非线性项在东部型厄尔尼诺时期为负值，而在中部型厄尔尼诺时期为正值，在拉尼娜时期也维持正贡献，但强度都大大减弱。非线性温度平流对东部型厄尔尼诺的衰亡起正作用，对中部型厄尔尼诺的衰亡起负作用，且分别主要由水平项和垂直项贡献，这有利于东部型厄尔尼诺的衰亡速度快于中部型厄尔尼诺(图 8b)。此外，拉尼娜衰减阶段的非线性项主要来自于经向平流的贡献。

已有研究(Picaut，et al，1997；Jin, et al，1999；An, et al，2001；Bejarano, et al，2008；Zhang，et al，2013)表明，海温趋势项主要受到异常纬向流对平均海温的纬向输送和平均上升流对异常海温的垂直输送的影响。为了对比非线性项与这两个影响因子对海温趋势所做的贡献，图 9给出了ENSO发展和衰亡阶段海温趋势项(dT/dt)、平均海温的异常纬向平流项(uatc)和异常海温的平均垂直输送项(wcta)的作用以及非线性项相对于海温趋势项所占的百分比。从中可以看出，平均海温的异常纬向平流项和异常海温的平均垂直输送项对东部型厄尔尼诺和拉尼娜的发展都起到了促进作用，而对中部型厄尔尼诺的发展起到了抑制作用；非线性作用在发展阶段对厄尔尼诺有30%以上的正贡献，对拉尼娜则有80%以上的负贡献(图 9a)，这与已有研究(Su，et al，2010)结论基本一致。在衰减阶段，平均海温的异常纬向平流项抑制东部型厄尔尼诺、加速中部型厄尔尼诺和拉尼娜的衰亡；异常海温的平均垂直输送项加速了厄尔尼诺的衰亡，对拉尼娜的影响很小；非线性加热项的作用虽然有所减弱，但其加速了东部型厄尔尼诺的衰亡、抑制了中部型厄尔尼诺的衰亡，其中对中部型厄尔尼诺衰亡的抑制作用尤为明显，占到海温趋势项的-19.4%(图 9b)，这可能是东部型厄尔尼诺较中部型厄尔尼诺衰减更快的重要原因之一。因此，非线性项在ENSO事件的发展演变过程中起到了不容忽视的关键作用。

6 结论

使用SODA次表层海温资料和哈得来中心海表温度(HadISST)资料对1979—2015年赤道太平洋地区海表温度异常的偏度特征进行了分析，通过计算赤道太平洋混合层热量收支方程，分析了非线性项在不同类型ENSO发展和衰亡阶段所起到的不同作用。主要得到如下结论：

(1) ENSO强度非对称性主要是由于东部型厄尔尼诺造成的；中部型厄尔尼诺和拉尼娜相关的偏度较弱，且符号相反、强度相当，海表温度异常呈现准对称特征。

(2) 在ENSO发展阶段，非线性作用项对东部型厄尔尼诺和拉尼娜都有着较强的正贡献，且随着时间推移有所加强，因此，会促进东部型厄尔尼诺强度的发展而抑制拉尼娜强度的增强；而在中部型厄尔尼诺的发展阶段，非线性作用虽然也一直维持正贡献，但强度较东部型厄尔尼诺时期弱得多。

(3) 在东部型厄尔尼诺的衰减阶段，非线性作用为负值，因而有利于东部型厄尔尼诺的快速衰亡；而在中部型厄尔尼诺的衰减阶段，非线性项为正值，对中部型厄尔尼诺的衰亡起到了抑制作用，这可能是东部型厄尔尼诺衰减速度较中部型厄尔尼诺更快的重要原因之一。另外，拉尼娜衰亡阶段的非线性项与发展阶段类似，都为正值，对拉尼娜的衰亡起到加速作用。

在经典ENSO动力学中，温跃层反馈和纬向平流反馈是ENSO发生和衰亡的主要贡献项，这已被证明(Picaut，et al，1997；Jin, et al，1999；An, et al，2001；Bejarano, et al，2008；Zhang，et al，2013)，但这些项都是线性项，并不会造成非对称性结果。ENSO非对称性主要源于非线性过程的贡献(Thompson et al，2000, 2001；Jin, et al, 2003)，本研究主要关注了不同类型ENSO期间非线性加热的不同特征以及非线性项在ENSO的不同阶段对非对称性所起到的作用，结果表明非线性项对不同类型ENSO的影响有着较大的差别，对ENSO不同阶段的影响也不尽相同。值得注意的是，非线性项所包含的内容十分复杂，其对ENSO的影响也尚未完全解释清楚。例如，研究结果显示非线性项对拉尼娜的衰亡起加速作用，但就观测而言拉尼娜的衰亡速度是相对较慢的，其具体原因仍存在争议，因此，对于其他抑制拉尼娜衰亡的因子以及ENSO事件次年持续时间长短的具体机制均待进一步研究。

致谢: 感谢金飞飞教授对本文提出的指导性的改进意见，同时感谢李智玉博士提供的资料帮助。