基金项目:国家自然科学基金(41605051,41520104008); 国防科技大学科研计划重点项目(ZK17-02-010)
通信作者:lixin_atocean@sina.cn
(1.国防科技大学气象海洋学院,江苏 南京 211101; 2.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029; 3.中国人民解放军96833部队,湖南 怀化 418099)
(1.Institute of Meteorology & Oceanography,National University of Defense Technology,Nanjing211101,China; 2.State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Aca
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201911031
通过资料分析,探究了东太平洋开始型(EP-onset)和中太平洋开始型(CP-onset)厄尔尼诺发生发展过程中赤道太平洋次表层海温异常(SOTA)的变化情况及其对风场的响应,并将两者进行对比,结果发现:EP-onset型的赤道西太平洋暖池SOTA与赤道中东太平洋的海表温度异常(SSTA)有很好的负相关性,而CP-onset型在爆发前的暖池SOTA与赤道中东太平洋SSTA没有显著相关性.EP-onset型在爆发前,赤道西太平洋暖池区域有较显著的暖水积聚,且其积聚时间较长,强度较强,位置偏西,其发生发展伴随着非常显著的SOTA冷暖循环; 而CP-onset型的发生发展没有显著的循环特征,看上去更多是独立事件.分析还表明:EP-onset型和CP-onset型厄尔尼诺在SSTA模态、风应力分布及温跃层结构等方面存在差异.EP-onset型在爆发前,赤道中西太平洋会出现大范围的东风异常,这种东风异常通过密度流、温跃层反馈及海气耦合等机制对其爆发起到关键作用; 而CP-onset型在爆发前,赤道地区风异常较小,赤道外尤其是热带中太平洋的西南风异常却较强劲,通过Ekman输送及海气耦合作用等机制对其爆发起到关键作用.
Through data analysis,we investigate variation of the equatorial Pacific subsurface ocean temperature anomaly(SOTA)and its response to the wind field during outbreak and development of the Eastern-Pacific onset(EP-onset)and the Central-Pacific onset(CP-onset)El Niño,and then compare the two parameters.The results show that:during the EP-onset El Niño,the equatorial western Pacific warm pool SOTA has a significantly negative relationship with the equatorial Pacific sea surface temperature anomaly(SSTA)in the central eastern Pacific,while before the outbreak of the CP-onset El Niño,the equatorial western Pacific warm pool SOTA is not significantly associated with the equatorial central eastern Pacific SSTA.Before the outbreak of the EP-onset El Niño,warm water accumulates in the equatorial western Pacific warm pool area,and the accumulation lasts for a longer time with a stronger intensity and a relatively western location.The outbreak and development of the EP-onset El Niño are accompanied by a very significant SOTA cold-warm cycle.However,the outbreak and development of the CP-onset El Niño have no significantly cyclic characteristics and seem to be more independent.The analysis also shows that there are differences between the EP-onset and the CP-onset El Niño in SSTA modes,wind stress distribution and thermocline structure.Before the outbreak of the EP-onset El Niño,a large range of eastern wind anomaly occurs in the central and western equatorial Pacific, and plays a key role in the outbreak of the EP-onset El Niño through the mechanisms of density flow,thermocline feedback and air-sea coupling.Before the outbreak of the CP-onset El Niño burst,there is smaller wind anomaly in the equatorial region,but the southwestern wind anomaly outside the tropical central Pacific is stronger,and plays a key role in the outbreak of the CP-onset El Niño through Ekman transport and air-sea coupling.
厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是一种大尺度年际循环,被看作是全球气候年际变化的最强信号,也是赤道太平洋地区海气相互作用最集中的反映.自Bjerknes[1]在1969年提出ENSO是热带大气和海洋相互作用的产物这一观点后,关于传统厄尔尼诺形成和循环的物理机制已有较多研究.从早期的信风张弛理论[1-2]到海气相互作用的不稳定理论[3],再到时滞振子理论[4]、充放电理论[5-6],物理机制解释逐渐完善.尽管上述理论和模型所揭示的ENSO循环机制有所不同,但都体现了海洋上层热状况在其中的重要作用.
随着海洋深层观测资料的增多,越来越多学者对ENSO的关注从海表面转到海洋次表层.Zhang等[7]的研究表明,热带海洋在受到风应力强迫时,会通过海洋不稳定过程激发海洋Kelvin波和Rossby波,这些波动在海洋温跃层的表现最明显,在ENSO的形成和发展过程中起重要作用.李崇银[8]通过分析指出赤道太平洋次表层海温异常(SOTA)的年际变化与厄尔尼诺的发生关系密切,进一步分析表明ENSO实际上是在异常东亚季风引起的赤道西太平洋异常纬向风驱动下热带太平洋次表层海温距平的循环; 并且有研究进一步指出了SOTA在赤道和赤道外的传播通道[9-11].然而上述研究主要关注的是传统型ENSO,直到20世纪90年代,随着一种新型厄尔尼诺,即中太平洋型厄尔尼诺的增多增强[12],关于ENSO本质和预报的研究面临新的困难和挑战.一些研究者开始对非传统型ENSO是否仍有类似关系进行关注和探讨,发现两类厄尔尼诺事件生消演变过程中SOTA的循环路径和传播速度存在明显不同[12-13]; 但由于对ENSO事件的定义和分类不同,所以当前结论还存在较大争议[14-16].由此可见,分类结果的不同不仅会影响ENSO多样性特征的提取,而且可能对ENSO循环的本质产生重要影响.
海温增暖的起源分类对于探讨ENSO发生的本质或前兆因子显得尤为重要.Li等[17]在总结前人研究结果的基础上,提出利用自组织神经网络(SOM)的方法来对ENSO的开始、峰值和结束3个阶段的海表温度异常(SSTA)形态进行分类.该方法基于无监督人工神经网络的聚类分析,主要用于模态识别和分类,在某种程度上类似于K-mean聚类方法,而且也符合聚类分析的基本法则,例如:针对厄尔尼诺开始位相的SSTA场,假设其场数为T,那么通过SOM方法将会得到M(MT)个能够抓住SSTA场空间分布特征的主要模态.结合假发现率(false discovery rate, FDR)这种场检验方法得出M=2时最优,于是得到开始位相的两种形态,分别表现为增暖区域首先出现在东太平洋和中太平洋,从而分别定义为东太平洋开始型(EP-onset)和中太平洋开始型(CP-onset)厄尔尼诺.通过该方法可得到ENSO事件较为细致清楚的空间结构:这一方面说明采用SOM方法并分阶段对ENSO进行分类是可行且必要的; 另一方面也指出进一步对ENSO的动态演变过程进行分类和研究,可能会得到一些新的发现和认识.本文在利用SOM方法对厄尔尼诺分类的基础上,对EP-onset型和CP-onset型两类厄尔尼诺进行研究,探究两者与SOTA的关系及其形成机制.
海表温度资料采用美国国家海洋大气管理局(NOAA)的扩展重建海表温度数据集(ERSST v3b),该资料空间分辨率为2.0°×2.0°,网格点数为180×90[18].次表层海温、海表高度、风应力资料来自美国马里兰大学提供的全球简单海洋资料同化分析系统(SODA)的40层月平均海洋要素资料,水平分辨率为0.5°×0.5°[19].风场数据为美国国家环境预测中心(NCEP)的月平均再分析资料,空间分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向分为17层[20].所有资料统一选取1950—2010年进行分析.
厄尔尼诺事件可以定义为太平洋中部或东部海温高于长期气候态的时期,其中对于气候态通常是以最近3个完整的10年平均值来计算.然而,有研究表明在过去的100年里海洋温度有显著上升[21-24],这意味着用于判断厄尔尼诺和拉尼娜事件的气候学海表温度也发生了变化[25].因此,利用1981—2010年的气候态来确定历史厄尔尼诺事件,可能会降低发现厄尔尼诺和拉尼娜事件的准确性.针对这一问题,NOAA和NCEP制定了一项新方法来去除海温升高趋势的影响,变量异常值通过每5年更新一次的中心30年气候态获得[21-24],例如1951—1955年的海温异常通过去除1936—1965年的气候态来计算.该方法能有效地消除气候变暖趋势和年代际变化,从而更好地反映ENSO的年际变化,因此本文中的其他变量异常采用该方法来计算.
选取经过3个月滑动平均的Niño3、Niño3.4和Niño4指数在每一时刻数值最大的那个,构成一个新的海洋尼诺指数(new ONI),如果至少连续5个月该指数高于0.5 ℃,那么就可以定义为一次厄尔尼诺事件,且将厄尔尼诺事件爆发的第一个月定义为开始位相[17].
根据Li等[17]的SOM方法对厄尔尼诺进行分类,1951—2010年的19次厄尔尼诺事件中,有8次为EP-onset型(1951年、1957年、1965年、1972年、1976年、1997年、2006年、2009年),有11次为CP-onset型(1953年、1963年、1968年、1977年、1982年、1986年、1990年、1991年、1994年、2002年、2004年).
关于温跃层的特征,根据海洋学中的定义,采用垂直梯度法[26]计算得到.
前人研究发现传统厄尔尼诺与西太平洋暖池SOTA存在紧密联系:李崇银等[27]指出近50年来,历次厄尔尼诺事件的爆发都与西太平洋暖池次表层海温的持续正异常有关,暖池次表层的增暖比厄尔尼诺早6~12个月时间,当暖池次表层海温正异常沿温跃层东传时,正异常会逐渐向表层扩展,进而发生厄尔尼诺事件; 事件发生后,西太平洋暖池的SOTA转为负值,而且暖池SOTA与Niño3.4海温距平呈明显负相关[28].Kao等[12]认为CP型厄尔尼诺更多与局地SOTA的演变相关,而Ramesh等[15]的研究表明在所有厄尔尼诺事件的盛期前18个月,赤道西南太平洋次表层海温均有正异常出现.
上述研究在分析影响不同厄尔尼诺发生发展的因素时往往仅从成熟位相来分类,却忽略了厄尔尼诺的开始位相.本文主要研究导致不同厄尔尼诺发生发展的因素,侧重于厄尔尼诺事件爆发前的海气状况,并选取EP-onset型和CP-onset型两类开始型这一新的角度分析其与暖池SOTA之间的关系.
取西太平洋暖池区域(10° S~10° N,145°~175° E)温跃层海温异常的平均值作为暖池次表层海温指数(warm pool subsurface temperature index,WPTI)[16],对1951—2010年的8次EP-onset型和11次CP-onset型厄尔尼诺事件的WPTI和Niño指数进行合成分析,结果如图1所示.
横坐标0代表开始位相出现时刻,
正值和负值分别代表超前和滞后的时间.
图1 合成的EP-onset型(a)和CP-onset型(b)厄尔尼诺事件中WPTI与Niño指数随时间的演变
Fig.1 Evolution of WPTI and Niño indexes with time in the composite EP-onset(a)and CP-onset(b)El Niño events
从总体上看,两类开始型厄尔尼诺的暖池SOTA与各Niño指数呈负相关,但在事件爆发前与爆发后相关性又有所不同.EP-onset型厄尔尼诺在爆发前18个月至其达到成熟位相时都与暖池SOTA有很好的负相关性,而在其消亡期却表现出一定程度的滞后相关,其中Niño3指数发生位相转换的时间比WPTI早1~2个月,而Niño4指数与WPTI几乎同时转换位相,表明EP-onset型厄尔尼诺多为由东向西衰减(图1(a)).这一结果与Li等[16]的结果相符,从侧面证明了从SOTA和SSTA定义的厄尔尼诺所得结果一致,即西太平洋暖池SOTA对EP型和EP-onset型厄尔尼诺的爆发起到非常重要的作用.CP-onset型厄尔尼诺爆发前各Niño指数变化幅度很小,总体在0~0.5之间,强度差异很小,且WPTI和各Niño指数的值都很小,相关性较差; 而其爆发后WPTI和各Niño指数呈显著负相关,且WPTI相对于各Niño指数的变化有延迟(图1(b)).
对历次厄尔尼诺事件的WPTI与Niño指数进行对比,发现WPTI与各Niño指数的关系与合成分析结果基本一致(图略).1976年(EP-onset)、2006年(EP-onset)和1977年(CP-onset)厄尔尼诺事件中,这种关系表现较弱; 而1997年(EP-onset)和1982年(CP-onset)厄尔尼诺事件中这种关系表现最强.总体上几乎每次厄尔尼诺事件的WPTI与各Niño指数都呈负相关.由此可知,两类开始型厄尔尼诺既有相同之处又有不同之处.事件爆发前,EP-onset型的WPTI和各Niño指数强度较大,且WPTI与各Niño指数几乎同时呈负相关; 但CP-onset型的WPTI与各Niño指数无显著相关性,说明CP-onset型厄尔尼诺的发生与暖池SOTA关联不大.事件爆发后,WPTI与各Niño指数都呈负相关,且WPTI滞后于各Niño指数; 但EP-onset型的WPTI滞后效应更明显,说明两类开始型厄尔尼诺的变化超前于赤道西太平洋暖池.
Ramesh等[15]的研究表明不同的厄尔尼诺事件均存在“放电”现象及赤道太平洋温跃层变平趋势,虽然2001—2011年期间的厄尔尼诺演变过程中,温跃层变平过程维持时间较短,但是仍不可忽略.Ren等[14]分析了两类ENSO循环中的热含量变化,进一步指出无论冷舌型ENSO还是暖池型ENSO循环中,赤道太平洋上层热含量变化都表现出充电和放电过程,并且温跃层反馈机制在两类ENSO的成长和相位转换中都起到了重要作用.Li等[16]的初步研究也表明,尽管两类厄尔尼诺的发生都与温跃层的振荡有关,但在暖SOTA的强度、持续时间、相位转换尤其是传播通道等方面存在较大差异.因此,关于不同类型厄尔尼诺爆发前后赤道温跃层的结构及其海温异常的研究对提高ENSO的认识水平非常有必要.
两类开始型厄尔尼诺赤道太平洋温跃层深度距平变化情况如图2所示.对于EP-onset型:在事件爆发前9~6个月,赤道西太平洋(120° E~180°)温跃层深度距平较气候态大,且随时间增加而增加; 赤道中太平洋(180°~120° W)温跃层深度距平小于气候态,也随时间增加而增加; 赤道东太平洋(120° W~80° W)温跃层深度距平相较于气候态变化不大.由此可知温跃层东西向梯度在增大,暖水在赤道西太平洋积聚.事件爆发前4个月到事件爆发,赤道西太平洋(120° E~180°)温跃层有明显抬升,深度距平从约40 m抬升至约10 m; 爆发前4~3个月赤道中太平洋温跃层深度距平变化不大,从爆发前2个月开始温跃层再次抬升; 而赤道东太平洋(95° W~80° W)温跃层从事件爆发前1个月开始深度距平显著加大,但其以西(120° W~100° W)区域内温跃层深度距平变化却不明显,整体比气候态小.对于CP-onset型:在爆发前9个月到事件爆发,赤道西太平洋120° E~130° E区域内,温跃层深度距平基本较气候态小10 m左右,而140° E~150° E区域内较气候态大10 m左右; 赤道太平洋其他区域的温跃层深度距平和气候态基本持平.
各图左上角的数字代表厄尔尼诺爆发前(负值)和爆发后(正值)的时间(单位:月),下同.
图2 EP-onset型和CP-onset型厄尔尼诺爆发前赤道(5° S~5° N)太平洋海区(120° E~80° W)的温跃层深度距平变化合成图
Fig.2 Composite diagram of changes in the thermocline depth anomaly of the equatorial(5° S -5° N)Pacific Sea area(120° E-80° W)before the outbreak of EP-onset and CP-onset El Niño
通过分析发现:在EP-onset型厄尔尼诺爆发前9个月,赤道西太平洋(120° E~180°)温跃层深度距平为较大的正值,而赤道中太平洋(180°~120° W)温跃层深度距平为明显的负值,且东西向有明显的深度距平梯度,这表明EP-onset型在赤道西太平洋有较强暖水积聚,在赤道中太平洋有冷水积聚,且EP-onset型温跃层深度距平有由赤道西太平洋向赤道东太平洋(120° W~80° W)传播的趋势; 在CP-onset型厄尔尼诺爆发前9个月到事件爆发,赤道西太平洋(140° E~180°)温跃层深度距平变化虽然为正值,但是强度小于EP-onset型,整个赤道太平洋温跃层深度距平变化幅度不大,东西向梯度也较小,深度距平向东传播的趋势较弱.
对两类开始型厄尔尼诺事件中沿赤道(5° S~5° N)的经度-深度剖面进行合成分析,可以直观地看到SOTA沿赤道温跃层的传播情况.
对于EP-onset型(图3):事件爆发前9~6个月,暖SOTA在赤道西太平洋温跃层附近积聚,赤道中、东太平洋次表层海温均为负异常; 事件爆发前5个月,暖SOTA中心基本沿着温跃层向东传播; 事件爆发时,暖SOTA中心到达赤道东太平洋(90° W~80° W),赤道中、东太平洋次表层海温均为正异常.
阴影区域表示通过95%置信度检验,下同.
图3 EP-onset型厄尔尼诺爆发前赤道(5° S~5° N)太平洋海温(等值线,单位:℃)及其异常(填色)的经度-深度剖面合成图
Fig.3 Composite diagram of the longitude-depth profile of the equatorial(5° S -5° N)Pacific Sea temperature (isoline,unit:℃)and its anomaly(colorimetric)before the outbreak of EP-onset El Niño
图4 CP-onset型厄尔尼诺爆发前赤道(5° S~5° N)太平洋海温(等值线,单位:℃)及其异常(填色)的经度-深度剖面合成图
Fig.4 Composite diagram of the longitude-depth profile of the equatorial(5° S -5° N)Pacific Sea temperature (isoline,unit:℃)and its anomaly(colorimetric)before the outbreak of CP-onset El Niño
对于CP-onset型(图4):事件爆发前6个月,暖SOTA在赤道中太平洋积聚,暖SOTA中心在赤道温跃层上; 随后暖SOTA中心慢慢沿温跃层向东、向西发展,到事件爆发时,除东、西太平洋的小部分区域,赤道太平洋大部分区域的SOTA均为正值.
由以上结果可知,两类开始型厄尔尼诺都有暖SOTA在温跃层的积聚东移,但暖SOTA积聚的时间、位置和强度有所差异:暖SOTA积聚的开始时间,EP-onset型在爆发前9个月,而CP-onset型在爆发前6个月; EP-onset型暖SOTA最先在赤道西太平洋积聚加强,CP-onset型则最先在赤道中、西太平洋积聚加强; EP-onset型暖SOTA的强度大于CP-onset型.爆发时,EP-onset型的SOTA的强度也明显大于CP-onset型,并且还可以看出EP-onset型的SOTA东西向循环特征比CP-onset明显.
对历次厄尔尼诺事件分析发现也有个别事件不符合上述规律:1977年8月爆发的CP-onset型厄尔尼诺是在1976年6月爆发的EP-onset型厄尔尼诺基础上演化而来,因此赤道1977年的厄尔尼诺事件在爆发前,暖SOTA由赤道东太平洋温跃层向赤道中太平洋海表扩展; 1994年7月爆发的CP-onset型厄尔尼诺,在爆发前赤道太平洋温跃层上基本受冷SOTA控制,说明此次厄尔尼诺的形成与赤道太平洋温跃层关联不大,这与其他CP-onset型厄尔尼诺有很大差别.
值得注意的是,在EP-onset型厄尔尼诺的暖SOTA向东传播过程中,105° W~90° W区域内出现了“断层”,即暖SOTA在传播到该区域时强度突然减弱,而到90° W以东又加强,这其中的原因有待探究.
关于暖池次表层暖异(a,f)沿赤道(5° S~5° N)向东,(b,g)沿100° W~90° W北上,(c,h)沿8° N~13° N向西,(d,i)沿120° E~160° E南下,(e)同(a),
(j)同(f); 阴影区域表示通过95%置信度检验,纵坐标0代表开始位相出现时刻,正值和负值分别代表超前和滞后的时间(下同).
图5 EP-onset型(a~e)和CP-onset型(f~j)厄尔尼诺事件合成的太平洋SOTA沿赤道(5° S~5° N)和沿8° N~13° N的时间-经度剖面以及沿100° W~90° W和120° E~160° E的时间-纬度剖面
Fig.5 Time-longitude profiles along the equator(5° S -5° N)and along 8° N -13° N as well as time-latitude profiles along 100° W-90° W and 120° E-160° E of the Pacific SOTA composited by EP-onset(a-e)and CP-onset(f-j)El Niño events
常为何向东传输并形成厄尔尼诺,已有研究指出这与前期西太平洋暖池上空稳定的西风异常有关[9,28-30]; 而厄尔尼诺初期暖池次表层会出现暖异常的积聚,可能是上一次事件暖异常到达东太平洋后通过某种机制向西传播而来[28-29,31-35].进而有研究指出,ENSO循环实际上是热带太平洋SOTA的一种循环,且这种循环的传播路径是从赤道西太平洋出发沿赤道温跃层向东,到达东太平洋后折向北(南),然后沿10° N(10° S)纬度带向西,到达西太平洋后向赤道扩展积聚,进而开始下一个循环[8,29,33,36].
针对上述情况,对两类开始型厄尔尼诺事件中的热带太平洋温跃层海温异常进行合成分析,进一步揭示两类事件生消过程与热带太平洋温跃层海温异常信号传播的联系.分析两类开始型厄尔尼诺的SOTA在赤道南北两侧传播的情况,结果如图5所示:事件爆发后,暖SOTA在赤道或赤道北侧(8° N~13° N,下同)都有向东或向西传播的趋势,EP-onset型暖SOTA的强度大于CP-onset型.然而事件爆发前,EP-onset型厄尔尼诺在赤道西太平洋有较强的暖SOTA积聚,CP-onset型则在赤道北侧存在暖SOTA从140° E向东太平洋传播的信号; 事件爆发后,赤道太平洋从140° E向东传播的EP-onset型冷SOTA的强度大于CP-onset型.总体来说,EP-onset型厄尔尼诺在赤道与赤道北侧形成的回路中循环特征更明显.
如图6所示,两类开始型厄尔尼诺的SOTA在赤道南侧的传播情况与北侧有明显区别:EP-onset型爆发后在赤道以南传播信号几乎中断,没有形成循环; 而CP-onset型则在爆发后12个月左右沿5° S~8° S纬度带向西传播到160° W附近,但也没有形成循环.值得注意的是,在EP-onset型爆发前18个月左右,赤道西太平洋南侧(5° S~8° S)都有暖SOTA积聚,并向赤道西太平洋扩展积聚,为暖SOTA的向东传播积蓄能量; 而在CP-onset型爆发前,暖SOTA在赤道南侧向东太平洋传播.
(a,f)沿赤道(5° S~5° N)向东,(b,g)沿135° W~115° W南下,(c,h)沿5° S~8° S向西,
(d,i)沿150° E~170° E北上,(e)同(a),(j)同(f).
图6 EP-onset型(a~e)和CP-onset型(f~j)厄尔尼诺事件合成的太平洋SOTA沿赤道(5° S~5° N)和沿5° S~8° S的时间-经度剖面以及沿135° W~115° W和150° E~170° E的时间-纬度剖面
Fig.6 Time-longitude profiles along the equator(5° S -5°N)and along 5° S -8° S as well as time-latitude profiles along 135° W-115° W and 150° E-170° E of the Pacific SOTA composited by EP-onset (a-e)and CP-onset(f-j)El Niño events
根据上述分析,EP-onset型和CP-onset型厄尔尼诺事件中,暖SOTA在事件爆发前都会在赤道中西太平洋积聚,然后向东传播; 在暖SOTA向赤道东太平洋传播的同时,在赤道两侧往往会有冷SOTA向西传播,到达西太平洋时向赤道积聚加强,然后冷SOTA再沿赤道向东传播,由此构成SOTA冷暖循环.不同之处在于:EP-onset型暖SOTA在赤道中西太平洋积聚的时间较长,强度较大,位置更偏西,EP-onset型的发生发展伴随着非常显著的SOTA冷暖循环; 而CP-onset型的发生发展没有显著的循环特征,尤其是CP-onset型的爆发更像是一个独立、突然的过程.
另外,1977年和1994年的CP-onset型厄尔尼诺在爆发前,赤道南侧不存在SSHA的每条等值线间隔为0.03 m,红色实线表示SSHA>0,蓝色虚线表示SSHA<0,白色实线表示SSHA=0,下同.
图7 EP-onset型厄尔尼诺生消过程中通过95%置信度检验的SSTA和风应力异常
Fig.7 SSTA and wind stress anomaly that have passed 95% reliability test during the generation and elimination of EP-onset El Niñ
o暖SOTA由西太平洋向东太平洋传播的现象; 爆发后,这两次事件也不存在暖SOTA由赤道西太平洋向赤道东太平洋传播的现象,而在赤道南侧都存在暖SOTA由东太平洋向西太平洋传播的情况,这在其他CP-onset型厄尔尼诺事件中不存在.
厄尔尼诺与西太平洋暖池次表层的增暖有着密切关系,且厄尔尼诺的爆发直接与暖池次表层海温正距平区向东传播到赤道中东太平洋有关; 而暖池次表层暖水持续向东传播的动力学机制与赤道太平洋纬向风异常有很大关联[8].因此,以下着重分析两类开始型厄尔尼诺发生的动力因素.
图7所示分别是EP-onset型厄尔尼诺的SSTA、海表高度异常(SSHA)以及风应力异常的分布,其中SSTA和风应力异常仅展示通过95%置信度检验的部分; 而SSHA以等值线的形式展示,点状区域表示其通过95%置信度检验.EP-onset型厄尔尼诺在爆发前8个月(图7(a)),赤道太平洋呈现拉尼娜模态,SSTA场东低西高的分布导致赤道东风加强,暖水在西太平洋积聚,使得SSHA增大(温跃层深度增大).由于赤道西太平洋SSHA增大,产生了向赤道东太平洋的压力梯度,赤道西太平洋暖水沿着温跃层向东传播; 在赤道中太平洋,混合作用使得冷SSTA的强度减小(图7(d)),通过海气相互作用,赤道中太平洋的东风异常减弱,随后赤道西太平洋西风异常爆发.西风异常的爆发减弱了赤道东风,有利于表层暖水在赤道东太平洋积聚; 且随着次表层暖水不断向东太平洋运动,正异常在赤道太平洋南美沿岸通过垂直输送向表层释放,导致该区域出现明显的暖SSTA,于是厄尔尼诺在赤道东太平洋沿岸爆发(图7(e)).这种东高西低的海温异常配置有利于赤道西风异常的增强,进而加速赤道东太平洋的增暖,在这种正反馈机制的作用下,厄尔尼诺事件迅速发展并向赤道中太平洋扩展.
图8 CP-onset型厄尔尼诺生消过程中通过95%置信度检验的SSTA和风应力异常
Fig.8 SSTA and wind stress anomaly that have passed 95% reliability test during the generation and elimination of CP-onset El Niñ
o图8所示分别是CP-onset型厄尔尼诺的SSTA、SSHA以及风应力异常的分布.与EP-onset型不同的是,在CP-onset型厄尔尼诺爆发前,赤道中东太平洋没有显著的冷SSTA出现,在赤道太平洋也没有强烈的东西风异常出现.在事件爆发前4个月(图8(c)),中太平洋赤道两侧分别有西南风异常和西北风异常,其中热带北太平洋中部的西南风异常尤为强劲,通过Ekman效应将赤道两侧的暖水向赤道输送,从而有利于赤道中太平洋及其东北侧海温增暖.这种增暖导致大气出现Gill响应,赤道西太平洋和东太平分别出现西风异常和东风异常(图8(d)),使赤道中太平洋进一步增暖,于是CP-onset型厄尔尼诺爆发(图8(e)).在海气耦合正反馈机制作用下,暖SSTA西部的西风异常开始迅速增强(图8(f)),激发下沉的Kelvin波沿赤道温跃层向东传播,从而暖SSTA向东扩展,其中一部分在东边界反射,使得增暖范围延伸到赤道东太平洋,于是厄尔尼诺事件迅速发展(图8(g)).
前人关于EP型厄尔尼诺机制的解释有时滞振子理论[4]、充放电理论[5-6]以及暖SOTA沿温跃层的传播[29]等,总体来说都是海盆尺度的海气相互作用.本文主要也是从海盆尺度海气相互作用角度对EP-onset型厄尔尼诺的形成进行说明,而与前人研究不同的是,本文综合考虑海气相互作用与暖SOTA沿温跃层的传播,从ENSO循环的角度阐述了EP-onset型厄尔尼诺的形成机制,即在EP-onset型爆发前,赤道中西太平洋会出现大范围的东风异常,通过密度流、温跃层反馈及海气耦合等机制对EP-onset型的爆发起到了关键作用.
对于CP型厄尔尼诺机制的解释,目前学界尚有较大分歧:Ashok等[37]认为赤道中太平洋的异常偏暖,与西太平洋异常西风激发向东传播的Kelvin波及东太平洋异常东风激发向西传播的Rossby波有关; Kao等[12]指出中太平洋厄尔尼诺的动力机制不涉及温跃层的变化,是一个局地的海气耦合过程,其发展演变更多基于大气外强迫; Kug等[38]和Xie等[39]认为中太平洋厄尔尼诺的发展与温度的纬向平流有关.本文指出CP-onset型在爆发前,赤道地区风异常较小,赤道外尤其是热带中太平洋的西南风异常却较为强劲,通过Ekman输送及海气耦合作用等机制对CP-onset型的爆发起到了关键作用.
综上结果表明EP-onset型和CP-onset型两类厄尔尼诺在SSTA模态、风应力分布以及温跃层结构等方面存在差异.此外,EP-onset型较CP-onset型更易从拉尼娜过渡而来,CP-onset型则更像是自我发展的事件,这与Kao等[12]的观点基本一致.
本文主要分析了EP-onset型和CP-onset型厄尔尼诺的发生发展历程中赤道太平洋次表层海温的变化情况,并对比了两类开始型厄尔尼诺发生发展的动力因素差异,得到以下结论:
1)两类开始型厄尔尼诺都与赤道西太平洋暖池SOTA呈负相关; 事件爆发前,EP-onset型赤道西太平洋暖池SOTA与赤道中东太平洋SSTA同时呈负相关,CP-onset型赤道西太平洋暖池SOTA与赤道中东太平洋SSTA无显著相关性,并且次表层海温和表层海温基本上处于气候态附近; 事件爆发后,EP-onset型和CP-onset型的赤道西太平洋暖池SOTA和赤道中东太平洋SSTA均呈负相关,且SOTA的变化均滞后于SSTA的变化.
2)两类开始型厄尔尼诺爆发前,在西太平洋暖池次表层都有暖水积聚,但CP-onset型的暖水积聚位置较EP-onset型偏东,强度偏小,开始积聚时间偏晚; 事件爆发后,CP-onset型的暖池次表层海温较EP-onset型偏低,且两者爆发的位置不同,CP-onset型在赤道中东太平洋爆发且强度较小,EP-onset型则主要集中在赤道东太平洋95° W附近爆发且强度较大.
3)EP-onset型厄尔尼诺的发生发展伴随着显著的SOTA冷暖循环; 而CP-onset型的发生发展没有显著的循环特征,其爆发更像是一个独立、突然的过程.由此进一步说明EP-onset型往往来自循环驱动而CP-onset型更多是独立事件.
4)EP-onset型和CP-onset型两类厄尔尼诺在SSTA模态、风应力分布以及温跃层结构等方面存在差异.EP-onset型在爆发前,赤道中西太平洋会出现大范围的东风异常,其通过密度流、温跃层反馈及海气耦合等机制对EP-onset型的爆发起到了关键作用; CP-onset型在爆发前,赤道地区风异常较小,而赤道外尤其是热带中太平洋的西南风异常却较为强劲,通过Ekman输送及海气耦合作用等机制对CP-onset型的爆发起到了关键作用.
综上,本文对EP-onset型和CP-onset型厄尔尼诺的SOTA从不同角度进行对比分析,探讨了两者的异同点,进一步认识了两种开始型厄尔尼诺在次表层循环上的差异,并对其发生发展的动力因素进行了初步分析,然而对于厄尔尼诺发展成为不同类型的驱动因素还没有很好的解释.除对两类开始型厄尔尼诺进行研究外,成熟期、衰退期的不同类型厄尔尼诺发展机制以及不同类型拉尼娜事件的生消机制也需要进行探索.对于某些较特别的厄尔尼诺事件(如1977年和1994年)的产生也值得进一步研究,这将有助于深入认识ENSO多样性的过程与本质,并为ENSO预测、预报水平的提升提供理论参考.