厄尔尼诺—南方涛动（El Niño–Southern Oscillation，ENSO）是指热带太平洋海面温度与大气环流之间的时间尺度约为2~7 a的大型海气耦合振荡现象，是年际尺度上最强的海气相互作用过程。通过海洋过程和大气遥相关，它对全球的气候都有显著的影响（Alexander et al., 2002；McPhaden et al., 2006）。ENSO的暖位相（El Niño）和冷位相（La Niña）一般交替发生形成循环振荡，国内外学者已提出多种理论来解释这种循环机理，其中被广泛接受的有延迟振子理论（Suarez et al., 1988；Battisti and Hirst, 1989）、充电振荡理论（Jin，1997）和西太平洋振子理论（Wang et al., 1999）等。延迟振子理论强调海洋波动的反馈机制，该理论认为赤道地区东传的Kelvin波和赤道外地区西传的Rossby波在边界反射并交替转换，形成ENSO循环。充电振荡理论强调海洋上层热容量输送机制，在El Niño期间，海洋上层热容量向极输送，La Niña期间向赤道输送，形成ENSO循环。西太平洋振子理论强调西太平洋模态在ENSO循环中的耦合作用，西太平洋赤道外地区冷的海表温度异常和反气旋异常，会引起赤道西太平洋表面风的异常，从而影响着ENSO的循环。

虽然ENSO具有明显循环振荡的特征，但ENSO循环在多个方面表现出显著的不规律性。ENSO循环的冷暖位相在强度和持续时间上具有明显的差异（Okumura and Deser, 2010；Su et al., 2010；Chen et al., 2016），如El Niño的强度比La Niña更强；El Niño通常会在次年紧随着发生La Niña，而La Niña倾向于持续较长的时间（2~3 a），下一次El Niño的发生通常需要外部强迫（Kessler，2002），比如季节内振荡可能是El Niño发生的重要激发机制（李崇银和周亚萍，1994；董兆俊等，2002）。以往关于ENSO循环的研究多关注于暖位相，如Lee et al.（2014）利用EOF（Empirical Orthogonal Function）分析指出，El Niño具有不同的演变特征：强El Niño倾向于持续到北半球的春季，弱的El Niño倾向于快速转变为La Niña，晚出现的El Niño倾向于持续更长时间并激发另一个El Niño。强度很强的极端El Niño事件具有不同于其它事件的特征（Cai et al., 2014, 2015），如在极端El Niño期间，西太平洋暖池异常东移，相应的大气对流活动进入赤道东太平洋，而且在全球变暖背景下极端El Niño事件发生频率倾向于增高。对于极端El Niño事件产生的物理机制，也存在不同的看法。Kim and Cai（2014）通过计算混合层热收支发现纬向平流对极端El Niño事件的产生（尤其是在发展初期）起到重要的作用；Hong et al.（2014）发现极端El Niño事件发生前伴随着一个低层为向赤道流动的横截环流，此环流是从澳大利亚附近的高压异常剥离，并入中太平洋的深对流之中，加强西风异常。近年来，从海表温度（Sea Surface Temperature，SST）暖异常发生的位置，El Niño被分为东部型（EP型）和中部型（CP型），EP型El Niño的SST暖异常中心位于赤道东太平洋，CP型El Niño的位于赤道中太平洋，它们具有不同的发生频率以及气候影响（Ashok et al., 2007；Kao and Yu, 2009）；并且EP型El Niño具有明显的循环特征，通常在其后跟随着La Niña，而CP型El Niño位相转变特征不明显，它的发生更像偶然事件，而非循环（Kao and Yu, 2009）。

对ENSO循环不规律的研究不一而足，然而对El Niño到La Niña的转变过程以及转变的La Niña强度的研究却相对甚少（Ohba and Ueda, 2007；Kim et al., 2011；Kug and Ham, 2011）。但是La Niña作为ENSO循环的重要组成部分，同时也是影响中国气候的重要因子（陈文，2002；袁媛等，2014），准确地理解El Niño转变La Niña的过程对完善理解ENSO循环机理，提高ENSO预报技术有重要的科学意义。

2015/2016年El Niño的强度与1997/1998年El Niño的相当，但是1998年事件转变为强La Niña，而2016年并没有，这也在一定程度上表明ENSO冷暖位相转变的复杂的关系。本文通过对比这两次极端El Niño事件，揭示其产生不同强度La Niña事件的物理机制，并试图找寻一般情况下影响El Niño向强、弱La Niña转变物理因子。

本文所采用的数据集有：海表温度数据为Hadley中心海冰海表温度（Hadley centre sea Ice and Sea Surface Temperature，HadISST）月平均数据集（Rayner et al., 2003），该数据基于历史上现场船只和浮标的观测，并融合了卫星观测的数据，具有1°×1°经纬度网格分辨率，时间跨度为1870~2016年。海表温度数据还使用到最优插值海表温（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，OISST v2）日平均数据集（Reynolds et al., 2002），此再分析数据结合了不同的观测平台（卫星、船只、浮标）的观测资料，是一个全球范围的数据集，水平分辨率为1/4°（纬度）×1/4°（经度），其中观测的空隙通过插值进行填补。次表层温度、海流数据使用全球海洋数据同化系统数据集（Global Ocean Data Assimilation System，GODAS）（Saha et al., 2006）。该数据集是再分析数据，其水平方向为高斯网格分辨率，在赤道附近分辨率更高，垂直方向上具有40个不等距层，时间跨度为1981~2016年。海表面风和辐射通量数据使用美国国家环境预报中心—国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction–National Center for Atmospheric Research，NCEP-NCAR）再分析数据集（Kalnay et al., 1996），此数据集的水平分辨率为2°（纬度）×2°（经度），时间跨度为1948~2016年。所有数据异常值的计算都基于1981~2010年平均态。

文本应用了混合层热收支方程来诊断这两次极端El Niño事件转变成不同强度La Niña事件的原因。本文诊断Niño 3.4区域（5°S~5°N，170°W~120°W），该地区混合层厚度在50~70 m，通过计算发现选取55 m时，热收支方程的闭合性最好，因此在计算过程中混合层深度为固定值H_HB=55 m。根据Qu（2003），混合层的热收支方程可以写为如下形式：

其中，$ \partial T/\partial t $为混合层内平均的位温倾向。等式右边第一项代表净辐射通量，Q_q结合了表面的短波、长波、感热和潜热，并忽略了穿透混合层底部的短波；ρ=1035 kg m^-3为海水密度，c_p=3989.24 J kg^-1 ℃^-1为海水的比热。等式右边第二项代表热量的水平平流，其中u为二维垂直积分的水平速度向量。等式右边第三项表示进入混合层的热量垂直输送，其中w_H为混合层底部的垂向速度。等式右边第四项为余项。

根据Graham et al.（2014）的方法，将上面的方程分解为平均态（以上横线表示）和扰动态（以一撇表示），Huang et al.（2010）指出非线性过程在海洋过程中特别复杂，涉及扩散、赤道不稳定波等现象，需要独立出来分析，而本文主要通过混合层热收支来定量研究ENSO循环中的线性稳定部分，也即温跃层、平流输送、Ekman反馈等作用，因此忽略非线性项及小项，得到如下的混合层异常热收支方程：

其中，$ {\left\langle {~~} \right\rangle _{\rm{E}}} $表示区域平均，$ {\left\langle {\partial T'/\partial z} \right\rangle _{\rm{E}}} = {\left\langle { - \left({T' - {{T'}_{\rm{H}}}} \right)/{H_{{\rm{HB}}}}} \right\rangle _{\rm{E}}} $。由于只有从底下进入到混合层的平均平流才影响到混合层温度，在此引入阶跃函数$ H(\bar w) $：

公式（2）等式右边各项分别称为平均纬向和经向海流引起的平流（advection due to mean zonal and meridional current）、热力衰减（thermodynamic damping）、温跃层反馈（thermocline feedback）、平流反馈（zonal advective feedback）、Ekman反馈（Ekman feedback）和余项（residue）（Jin et al., 2006；Graham et al., 2014）。

2015/2016年和1997/1998年都出现了超强El Niño事件，它们在成熟位相（发展年11月至衰减年1月）的Niño 3.4海表温度异常（Sea Surface Temperature Anomalies，SSTA）超过2.4 ℃，并且它们具有相似的SSTA时间演变特征（见图 1）。由图 1可见，它们从发展年（以0表示）的5月至衰减年（以+1表示）的4月的SSTA时间演变相近。但是在5月（0）以前，以及衰减年的后半年，它们具有明显的差别。在11月（+1）的时候，它们差值已达0.5 ℃，这时2016年Niño 3.4 SSTA为－0.74 ℃，转变为弱La Niña（强度在0.5~1.0 ℃）；而1998年为－1.24 ℃，转变为强La Niña（强度大于1.0 ℃）。此外，还可以看到，在11月（+1）以后，2015/2016年事件的Niño 3.4 SSTA有回升的趋势，而1997/1998事件保持衰减。

图 1

Fig. 1

图 1 2015/2016年和1997/1998年El Niño事件Niño 3.4（5°S~5°N，130°E~170°W）区域平均海表温度异常（SSTA）时间曲线。其中，0表示El Niño的发展年，+1表示El Niño的衰减年 Fig. 1 Monthly mean sea surface temperature anomalies (SSTA) in Niño 3.4 region (5°S-5°N, 170°W-120°W) during the 2015/2016 and 1997/1998 El Niño events. The El Niño developing and decaying years are denoted by 0 and +1, respectively

由图 2赤道太平洋地区的SSTA经度—时间剖面图还可以看到，除了La Niña强度上的差别，它们的SST负异常出现的位置也存在差别。2015/2016年El Niño事件冷异常的位置最西位置在日界线附近，而1997/1998年事件冷异常的位置则偏西，达到160°E。

图 2

Fig. 2

图 2 El Niño事件发展年1月至衰减年12月5°S~5°N平均的日平均SSTA：（a）1997/1998年El Niño事件；（b）2015/2016年El Niño事件 Fig. 2 Daily mean SSTA within 5°S-5°N for (a) the 1997-1998 El Niño event and (b) the 2015-2016 El Niño event

为揭示2015/2016年和1997/1998年这两次极端El Niño事件转变为不同强度La Niña的原因，利用第2.2节的混合层热收支方程对Niño 3.4区域ENSO位相转换期进行诊断。由于它们在转变La Niña过程中，差别出现在4月（+1）以后，因此，分析的位相转换期为衰减年的4~11月。图 3给出了Niño 3.4区域混合层热收支的各项。由图 3可见，贡献最大的项为平流反馈、温跃层反馈和热力衰减三项。其中平流反馈和温跃层反馈的贡献为正，热力衰减的贡献为负。平均的经向和纬向流引起的平流和Ekman反馈两项的贡献相对很小，在此忽略它们的影响。

图 3

Fig. 3

图 3 El Niño衰减年（4~11月平均）Niño 3.4（5°S~5°N，170°W~120°W）区域混合层内的热收支各项分布。其中Tendency项表示温度倾向，MA项表示平均的经向和纬向流引起的平流，HF项表示热力衰减，Ther项表示温跃层反馈，Zon项表示纬向平流反馈，Ekm项表示Ekman反馈，Res项表示余项 Fig. 3 Mean mixed layer heat budget in Niño 3.4 region (5°S-5°N, 170°W- 120°W) averaged from April to November of the El Niño decaying year. Tendency represents the temperature tendency, MA represents the advection due to mean zonal and meridional currents, HF represents the thermodynamic damping, Ther represents the thermocline feedback, Zon represents zonal advective feedback, Ekm represents the Ekman feedback, Res represents the residue

对比位相转变期的混合层热收支可以看到，2015/2016年与1997/1998年El Niño的混合层温度倾向的差别明显，2016年为－0.18 ℃/month，1998年为－0.35 ℃/month。这与图 1中Niño 3.4 SSTA的变化特征相符，1998年比2016年衰减更快。强的温度倾向主要由于强的平流反馈和温跃层反馈正贡献项引起，对于1997/1998年El Niño，这两项都很强（分别为－0.28 ℃/month和－0.36 ℃/month），从而温度倾向的值较大，所以转变的La Niña强度强；而对于2015/2016年El Niño，由于这两项较弱（分别为－0.08 ℃/month和－0.15 ℃/month），所以转变的La Niña强度弱。同时2015/2016年El Niño热力衰减（0.13 ℃/month）的负贡献不太强（相对于1997/1998年El Niño的0.23 ℃/month），也有利于其转变为弱La Niña事件。

由此可见，2015/2016年El Niño转变为弱La Niña，主要是由于平流反馈和温跃层反馈的作用相对较弱。平流反馈作用表示的是由异常纬向海流引起平均海表温度梯度的纬向平流，从而引起温度的变化。由于平均纬向温度梯度只与平均态的计算方法有关，平流反馈的变化取决于异常纬向海流的变化。异常的纬向平流可以分解为与温跃层经向梯度关联的异常地转流和局地风引起的异常Ekman流，并且异常地转流是主要的分量（Su et al., 2010）。温跃层反馈表示的是由于风应力强迫温跃层的斜率，引起次表层的温度异常，通过平均上升流的垂向输运影响表层温度的变化。平流反馈和温跃层反馈相互关联（Jin and An, 1999），两者都主要取决于温跃层的变化。温跃层的变化受风异常的强迫，东西温跃层的倾斜总是与纬向风应力平衡（Jin，1997；Jin and An, 1999）。因此，平流反馈和温跃层反馈都与赤道中西太平洋的纬向东风异常有关。图 4给出了2016年和1998年赤道中—西太平洋（5°S~5°N，130°E~170°W）平均的纬向风异常。可以看到，在ENSO位相转换期，2016年的东风异常比1998年弱，从而相应的平流反馈和温跃层反馈也弱。

图 4

Fig. 4

图 4 El Niño衰减年赤道中-西太平洋（5°S~5°N，130°E~170°W）区域平均纬向风异常 Fig. 4 Zonal wind anomalies averaged over central-western equatorial Pacific (5°S-5°N, 130°E-170°W) in the El Niño decaying year

进一步地，为了解释在位相转变期2016年的西太纬向风异常比1998年弱的原因。图 5给出了ENSO位相转换期春季—秋季各季节的SSTA及海表面风异常，图 6为1998年与2016年之差。在春季，热带东太平洋依然为暖海温异常，但此时2016年和1998年副热带东北太平洋的SSTA具有差别：2016年为暖异常，1998年为冷异常。对于风场，在这两年热带西太平洋都出现东风异常，而在热带中东太平洋有西风异常，但是2016年的较弱。在副热带东北太平洋，这两年都有明显的较强的偏北风异常。热带东太平洋的这种海温—风场的分布，与Gill响应类似，说明此时热带—副热带风场的变化是受热带中东太平洋暖海温的影响。但是到了次年的夏季和秋季，伴随着热带东太平洋暖海温异常逐渐减弱，此时副热带北太平洋的海温—风场都出现了显著的差异。在1998年的夏季，副热带北太平洋的冷海温异常继续维持并且在秋季进一步加强，海温的这种变化与其上的风场发生耦合，令副热带的风场加强，即偏北风加强，这异常增加的偏北风，在科氏力的作用下向右偏转，增强了热带的东风异常，从而利于热带东太平洋海温冷异常的出现和强度增加。而对于2016年的夏、秋季，副热带东北太平洋暖异常一致维持，通过WES（Wind- Evaporation-SST）反馈机制，副热带地区出现异常的偏南风，减弱了热带信风，不利于热带东太平洋冷海温异常的发展。

图 5

Fig. 5

图 5 El Niño衰减年（a、b）春季、（c、d）夏季和（e、f）秋季平均的SSTA（填色，单位：℃）和海表面风异常（矢量，单位：m/s）：（a、c、e）1998年；（b、d、f）2016年 Fig. 5 SSTA (shadings, units: ℃) and surface winds (vectors, units: m/s) in the (a, b) spring, (c, d) summer, and (c, d) autumn of the El Niño decaying year: (a, c, e) 1998; (b, d, f) 2016

图 6

Fig. 6

图 6 El Niño衰减年（a）春季、（b）夏季和（c）秋季平均的SSTA（填色，单位：℃）和海表面风异常（矢量，单位：m / s）1998年与2016年差值 Fig. 6 The difference of SSTA (shadings, units: ℃) and surface winds (vectors, units: m/s) in the (a) spring, (b) summer, and (c) autumn of the El Niño decaying year between 1998 and 2016

从上述两个极端El Niño转变为不同强度的La Niña的分析中看到，副热带北太平洋的海气耦合过程在ENSO位相转变中发挥着重要的作用。因此本文将多个个例进行合成分析，进一步讨论副热带北太平洋海洋—大气相互作用过程对ENSO冷、暖位相转换的调制作用。图 7给出了从1950~2015年期间，从El Niño转变为强或弱La Niña时Niño 3.4指数的时间演变的合成图。其中转变为强和弱La Niña事件个数分别为6个和5个，具体而言，转变强La Niña的事件个例为1969/1970年、1972/1973年、1987/1988年、1997/1998年、2006/2007年、2009/2010年，转变弱的个例为1963/1964年、1965/ 1966年、1982/1983年、1994/1995年、2004/2005年。合成的SSTA在3月（0）至3月（+1）具有相近的大小，并且其值在12月（0）达到峰值。明显的分歧开始出现于4月（+1），到了12月（+1），转变为强La Niña的事件的SSTA达到-1.5 ℃以下，弱La Niña的事件在-0.5~1.0 ℃。

图 7

Fig. 7

图 7 El Niño转变为强或弱La Niña时Niño 3.4（5°S~5°N，170°W~120°W）区域平均SSTA，单位，填色区域是它们的1个标准差范围 Fig. 7 Monthly mean SSTA in Niño 3.4 region (5°S-5°N, 170°W-120°W). Shaded area indicates the range within one standard deviation

图 8是El Niño—强La Niña、El Niño—弱La Niña分别在转变年春季—秋季各季节合成的SSTA及表面风异常，图 9是两者之差。由图 8可见，在春季，El Niño—强La Niña的情况的副热带东北太平洋海温已经出现冷异常，与之相伴随的是赤道北侧的东北风异常；而El Niño—弱La Niña的情况，没有明显冷异常出现在副热带东北太平洋，赤道北侧也无东北风异常。在夏季，由于赤道中西太平洋强的东风异常，El Niño—强La Niña的情况在中东太平洋出现显著的SST冷异常；而El Niño—弱La Niña的情况，赤道中西太平洋的东风异常较弱，相应地中东太平洋没有明显的冷异常。经过海气耦合作用，到秋季的时候，El Niño—强La Niña的情况冷异常很强，并且冷异常的范围覆盖热带中东太平洋大部分区域，而El Niño—弱La Niña的情况冷异常较弱，只局限于赤道中东太平洋。它们的差异特征在图 9表现得更为明显。由此可见，El Niño—强La Niña的情况伴随着副热带的SST冷异常，并且这冷异常在春季的时候已经明显，而El Niño—弱La Niña的情况却没有类似的明显特征。

图 8

Fig. 8

图 8 El Niño衰减年（a、b）春季、（c、d）夏季和（e、f）秋季平均的SSTA（填色，单位：℃）和海表面风异常（矢量，单位：m/s）。左列和右列分别表示为转变为强和弱La Niña事件的合成。白点区域表示合成的SSTA超过90%置信水平（t检验），只有纬向或经向风分量合成超过90%置信水平（t检验）的风矢量才给以显示 Fig. 8 Composite SSTA (shadings, units: ℃) and surface winds (vectors, units: m/s) in the (a, b) spring, (c, d) summer, and (e, f) autumn of El Niño decaying years. The left column is for the El Niño cases that transition to strong La Niña, the right is for the El Niño cases that transition to weak La Niña. Dotted areas are the regions where the composite SSTA exceeds the 90% confidence level (t-test); only those wind vectors whose zonal or meridional components exceed the 90% confidence level (t-test) are drawn

图 9

Fig. 9

图 9 （a）春季、（b）夏季和（c）秋季平均的SSTA（填色，单位：℃）和海表面风异常（箭头，单位：m/s）El Niño衰减年转变强和弱La Niña事件的合成之差。白点区域表示合成的SSTA超过90%置信水平（t检验），只有纬向或经向风分量合成超过90%置信水平（t检验）的风矢量才给以显示 Fig. 9 The difference of SSTA (shadings, units: ℃) and surface winds (vectors, units: m/s) in the (a, b) spring, (c, d) summer, and (e, f) autumn of El Niño decaying years between cases that transition to strong La Niña and cases that transition to weak La Niña. Dotted areas are the regions where the composite SSTA exceeds the 90% confidence level (t-test); only those wind vectors whose zonal or meridional components exceed the 90% confidence level (t-test) are drawn

本文通过与1997/1998年El Niño对比，分析了2015/2016年El Niño转变为弱La Niña的可能的原因。混合层热收支分析表明，由于2015/2016年El Niño主要正贡献的平流反馈和温跃层反馈两项在其ENSO位相转变期间的量值相比1997/1998年El Niño小，从而温度倾向小，所以2015/2016年El Niño转变成为弱La Niña，而1997/1998年El Niño转变为强La Niña。2015/2016年El Niño衰减期弱的平流反馈和温跃层反馈是因为中西太平洋的东风异常相对较弱，并且弱的东风异常与副热带东北太平洋的SST暖异常有关。副热带的暖异常能够引起赤道外的西南风异常，削弱信风，从而使得赤道中西太平洋的东风异常较弱。

进一步合成分析发现，对于一般的情况，副热带东北太平洋SSTA与El Niño转变La Niña的强弱有关联。如图 10的示意图所示，转变为强La Niña的事件伴随着在副热带东北太平洋显著的SST冷异常和东北风异常，并且这些异常在衰减年春季的时候已经出现，而转变为弱La Niña的事件则没有显著的SST冷异常和东北风异常。

图 10

Fig. 10

图 10 副热带北太平洋SST影响ENSO冷暖位相转变的示意图。黑色箭头表示海表面风异常，蓝色椭圆表示异常的冷海温，青色粗箭头表示海流，红色虚曲线和黑色曲线表示温跃层，红色箭头表示温跃层的变化。副热带东北太平洋冷的海温异常引起赤道太平洋东风异常，使得赤道东太平洋的温跃层抬升，转变为强La Niña事件 Fig. 10 The schematic diagram showing how the subtropical North Pacific SST affects the ENSO transition between cold and warm phases. Dark thin arrows represent wind anomalies, blue ovals denote cold temperature, thick arrows in cyan represent ocean currents, red dashed and black solid curves represent thermoclines, red arrow represents the change of thermocline. The cold SSTA over the subtropical Northeast Pacific causes easterly anomalies in the eastern equatorial Pacific, which leads to the thermocline rising in the equatorial Pacific and the formation of strong La Niña event

本文主要关注的是副热带东北太平洋的SSTA对ENSO位相转变的贡献。在El Niño衰减年，转变为强、弱La Niña事件的主要差异来自于赤道中西太平洋的风场差异，并且赤道地区SSTA和风场的差异可以通过Bjerknes反馈作用相互影响。而且赤道内的SSTA初始的差异也有可能影响转变的La Niña事件的强度，未来的工作还需要进一步来理清赤道太平洋地区海温场对风场的响应和反馈机制。

本研究仅从观测资料入手发现了副热带东北太平洋的SSTA对ENSO的位相转变有重要作用，下一步的研究还需要利用海气耦合模式验证此观测结果，并揭示其背后详细的物理机制。