ENSO

一、ENSO环流与NINO分区，SOI、MEI指数简介

长期气候数据分析表明赤道太平洋海温在年际尺度上具有显著的2~7年周期，赤道西太平洋和中东太平洋的表层海温距平（SSTA）往往呈现反相关的状态，相关系数极高。由于巨大的海水热容量，太平洋海温的异常往往会对全球气候都产生至关重要的影响，这种过程主要是通过海温与赤道太平洋的Walker环流交互完成。

赤道Walker环流一般意义上是指赤道太平洋对流层内的纬向环流，由于一般来说赤道西太平洋总是暖区而东太平洋相对较冷，所以Walker环流一般在赤道西太平洋地区存在上升支，而中东太平洋区为下沉支，对应的纬向低空有东风，高空有西风，这样就构成了一个完整的正环流圈，这里所谓的正指从南极向北极看的话，环流为顺时针。而更宽泛意义上的Walker 环流还应该包括中东太平洋下沉与墨西哥湾区上升构成的逆环流、北大西洋上的正环流，以及印度洋上的季风环流，这种更宽泛意义上的Walker也叫对流层赤道纬向环流。在本文中，Walker环流仅指代对流层赤道太平洋环流，而赤道纬向环流指对流层赤道纬向环流。

需要指出的是，赤道纬向环流只是由于年平均赤道地区局地加热率的不同而产生的垂直环流，并不是说赤道太平洋高空就一定是西风，而赤道中东太平洋就一定有下沉气流——虽然常常如此。

在赤道太平洋上，对应于Walker的西升东降，西太平洋地区近地面具有一个显著的低压，而中东太平洋下沉区则是高压，西侧的低压一般常用澳大利亚达尔文市的海平面气压代表（Pd），而东侧的高压则用塔西提岛或复活节岛的海平面气压代表（Pt），两者的差就定义为南方涛动指数（SOI=Pt-Pb），或者是其中一个关键步骤（譬如再把它转换为标准化距平）。

在某些年份，赤道太平洋海温场的暖水急剧向东堆积，造成中东太平洋地区表层水温异常偏暖而西太平洋则偏冷。随着东太平洋地区的海平面变暖，海面附近的空气受热抬升减弱这里

原来的下沉气流，对应的西太平洋地区则出现异常的下沉气流减弱Walker上升支，这个过程就叫做Elnino（圣婴）事件，反过来当西太平洋偏暖而东太平洋偏冷时就是Lanina（反圣婴/圣女）事件。Elnino和Lanina统称ENSO事件，不过更多的用来指代Elnino事件（ENSO 暖事件）,气候统计指出冬季ENSO事件总要强一些。

ENSO事件如何爆发仍然没有一个统一的认识，但笔者比较认可赤道太平洋垂直环流的周期性波动这个解释：当某个未知的因子触发了一次初始的扰动以后（譬如说赤道西太平洋地区异常增暖）异常的扰动改变海气耦合条件，并进而引起大气底层温压场的调整（赤道西太平洋地区出现异常低压与上升气流），大气中改变了的温压场诱发出调整的风场（太平洋上出现正环流圈），然后引起风应力的变化进一步加强扰动产生的异常（赤道太平洋海水受到异常向西的风应力）。当扰动产生的异常到一定程度时（由西太暖水堆积导致的东西太平洋间异常小的海表面高度梯度产生重力作用），限制因素使得其突然减弱并激发波向外传递（重力作用使海水开始向东回流，并激发重力波东传），当波到达另一侧岸边时作为一个新的初始扰动产生一轮相反的过程。

ENSO暖事件爆发时显著的特点是赤道东太平洋地区SSTA强正值而西太平洋有负值出现，同时中东太平洋下沉区的海平面气压下降而Walker抬升支处上升，另外就是赤道中太平洋纬向风出现异常西风，东太平洋表面空气异常升温。

ENSO这些直观的表现都可以被监测到，前面所说的SOI是最常用的指标之一，它的思想主要基于Walker环流的强弱，而另外一种方式通过海洋特征来表示ENSO——考虑到赤道东西太平洋通常反向的SSTA变化中赤道中东太平洋的变化要更显著，可以将赤道中东太平洋地区的SSTA作为一个ENSO的参考指标。学术上一般把这块地区又划分为4片，其中NINO3+4的加权平均与ENSO事件的相关性更好也更常用，NINO1+2区则对于提前预测ENSO或监测洋流条件（智利寒流）有较好的作用。

Climate Diagnostics Center（CDC，气候诊断中心），在近几十年中新建立了一种指标MEI （Multivariate ENSO Index，混合ENSO指数），它将海温、经向风、纬向风、海平面气压、海平面附近温度以及天空量这六个参数通过一套计算方式换算以得到MEI，和NINO3+4SSTA一样，MEI正事件表示Elnino事件。按照1950年以来的观测，MEI具有比SOI和NINO3+4SSTA更好的与ENSO事件相关性，某种可能的原因是它参考的变量更多。

本文中，所有的相关性时间基准都是1971年~2000年，冬季基准相同（因跨年因素而写成1972~2001）。季节则默认为北半球季节。

二、ENSO对赤道大气环流的影响

ENSO是赤道附近的纬向环流和海气耦合模式，所以ENSO事件也首先影响热带地区大气和海洋的状态。下图是5S-5N平均的位温、纬向风与MEI的相关性剖面。

从上图中，不难看出，Walker环流以及IOD环流对MEI有极好的相关性，而大西洋的正环流圈则略弱。最大正相关中心出现在赤道中太平洋地区，另外IOD环流高层和大西洋环流

高层也有相当的正相关中心，而太平洋上对流层为显著的负相关中心，印度洋底层的负相关中心则更多得集中在东部印太齿轮一带，而大西洋上则没有特别显著的负相关中心结构。由此可以看出，MEI与Walker环流的相关最好，而IOD环流次之而大西洋上的相关性相对较低。这从侧面说明赤道太平洋地区的海温异常主要影响Walker环流的强度，然后通过印太上升支和中东太平洋下沉支的变化来影响整个赤道纬圈环流。

位温与MEI的相关性则指出ENSO暖时间爆发时，冷中心主要集中在Walker异常下沉区（西太平洋暖池），在700hPa层面以上全球为强度不等的暖区，但依然能在太平洋地区看到东西偶极的影子。而位势高度与MEI的相关则指出赤道东太平洋的暖区有近地面低压，西太平洋则有下沉高压，高空则反向，显示出完整的异常逆环流形势。

小结：

1、赤道太平洋的海温异常通过影响太平洋上空的Walker环流来影响整个纬圈平均环流。

2、由于季风或者别的什么未知因素，印度洋逆环流圈与ENSO也有很好的相关性。

3、在中对流层或更高层，位势高度分布与MEI有一致的正相关，但仍然可以看出纬圈环流带来的影响。

4、ENSO事件在赤道大西洋东部到撒哈拉一带有最弱的相关

三、ENSO对北半球夏季大气的影响（JJA）

首先列出北半球夏季300hPa位势与MEI的相关性，可以看出在低纬度地区MEI与整个纬圈的中上对流层位势高度都有不错的正相关，当然中心依旧是集中于西印度洋和中东太平洋。而在北半球的中高纬度地区相关性分析则显示出纬向三波的特征，气候平均振幅大的部分与更高的同相相关所对应——譬如说，气候平均更显著的东亚、北美大槽就要比相对弱的

乌山浅槽有更好的负相关。

从纬向分布的角度来说，槽脊的波动东西异常变化都不大，但从我国华北东北一直延伸到日界限以西北太平洋的广泛负相关区表明ENSO暖年东亚大槽主体以横槽出现或者以更替槽出现的概率很大，而且槽后下沉区有偏西的趋势。

SLP的相关性分析结果与300hPa槽脊的配置基本一致。在低纬度，相关具有全球一波的特征，既ENSO暖事件时赤道中东太平洋异常低压发展，而印太区以及赤道东大西洋有高压发展。在高纬度，大西洋风暴轴有显著偏强偏南的趋势，而北太平洋上的风暴则趋向于偏东，另外巴贝湖区以及加拿大地盾地区都在ENSO暖年有异常高压发展的趋势，高纬度这些特

征与两条大槽的变化都有很好的一致性。

降水率、表面温度的相关性分析指出，在海洋上温度与SST 的变化基本上保持一致，而在

中纬度大陆上则与西风槽脊的变化一致。比较显著的负相关中心，除了北太平洋上与SST 保持一致的以外，蒙古到我国东北、北美中北部地区东部各有两个负相关中心分别对应于偏强偏西的东亚大槽以及偏强的北美大槽。

小结：

1、夏季ENSO暖事件有使气候平均槽脊都增强的趋势，既经向活动增强

2、ENSO暖事件通常在夏季导致东亚大槽显著偏西偏宽大

3、夏季有比较显著的PJ波动

四、ENSO对北半球冬季大气的影响（DJF）

在500hPa高度、250hPa纬向风冬季相关上可以看到与夏季截然不同的特征，首先冬季最大的负相关中心在东北太平洋上（构成显著PNA波列的一部分），美国南部也有一个较显著的负相关中心一直延伸到中太平洋，而且在ENSO暖年，图兰地区也有一个低值异常中心。ENSO暖模式下中高纬度的正相关中心在冬季主要集中于北美东北部，巴贝湖区和欧洲也有不怎么可信的正相关中心。显而易见，与ENSO相关性最强的地区是北太平洋到北美大陆，相信某种程度上说这和大气内部固定模式的调整有关，比如PNA，比如PJ。

冬季SLP的相关分布与500hPa层面也比较一致，排除掉热带地区和夏季几乎相同的结果，高纬度的分析结论和夏季也几乎差不多——Elnino年北太平洋风暴轴偏东偏南，大西洋偏南

偏强。

在大槽区偏南，槽内有显著偏低的温度，而脊的位置则显著偏高。

小结：

1、冬季ENSO事件，特别是暖事件，对PNA波列有很好的激发作用，而且对其中及其下游的各个环流因子相关性都很高。

2、冬季ENSO事件趋向于增强副热带急流，但会增强极锋上空西风带的经向活动。

五、ENSO事件对我国的气候影响

首先看冬季(DJF)，H300与MEI的相关性指出El年东亚大槽趋向于偏东偏北，而我国西北地区则容易有暖脊发展，日本一带也有较弱的正相关脊位。图兰地区的负相关中心指出中亚图兰一带在Elnino年趋向于有异常低的位势，对应的有较多的降雪以及相对频繁的南支活动；另一方面，与西北暖脊对应，我国长江以南地区，包括缅甸北部有一片相对显著的负相关中心（极值超过-0.4），或许这切断与南支槽的活动有关。

250hPa经向风场上除了与西北脊图兰涡对应的一些特征外，前述日本附近的脊也值得关注，一般来说日本附近的脊位总会有贝湖到远东一带的涡/槽位与之对应，而贝湖涡/槽往往是冬季我国大陆地区冷空气的特征。

降水率和925hPa温度的特征分析可以看出，Elnino年我国东部地区的温度往往偏暖，而偏冷区主要集中在孟加拉到青藏高原东南部地区，也包括川西滇西一带。造成这种冷暖分布的主要原因可能是西北脊、日本脊以及贝湖槽的配置容易引起偏西路、西北路冷空气过程，925hPa经向风也可以看出这个特点。而且在V925上，还能看出自越南南部向我国东南沿海地区有相当显著的正相关并且一直可以延伸到日本以南海岸，它指出高空槽前的地面有较强

的西南风暖湿输送，与PR相关中华南一带显著的正相关中心所对应。

冬季小结：

1、ENSO暖年东亚大槽偏东

2、ENSO暖年西北地区到日本为脊-槽-脊的分布

3、ENSO暖年副高有偏东偏北合并暖脊的趋势、

4、ENSO暖年，我国西南地区气温偏低，东部沿海地区偏高

5、ENSO暖年图兰地区多低涡活动，积雪偏多，南支槽偏活跃

6、ENSO暖年我国华南地区到日本南部太平洋海域有异常多的降水过程

春季(MAM)相对于冬季，H300上最显著的变化是西北脊减弱而日本的阻塞西移到朝韩半岛附近，而印缅槽西移，前者的相似度有所增强而后者显著减弱，另外图兰涡的存在、偏东东

亚大槽等年平均的特征依然存在。

925hPa 经向风指出南海中北部的正相关区继续扩大且略有北伸，而西南地区的偏北风有所减弱，另外西北地区正相关中心的增强与北伸指出存在“上游高纬度大槽切断+贝湖-日本海

阻塞”的环流趋势。

PR与T925和H300以及V925一样指出和冬季相似的形势，只是几乎所有显著因子都向西了5~10个纬距，这可能与黑潮强度、千岛寒流强度的季节变化有关。从PR上看华南、东南沿海到江南中北部有一大片正相关大于0.5的区域，另外西北地区东部也有一片正相关区，初步判断其成因为活跃南支槽作用伴随贝湖-日本阻塞和副热带高压的共同强迫。

春季小结：

1、ENSO暖年贝湖-日本海一带有阻塞，副热带高压趋向ESE-WNW向。

2、ENSO暖年春季图兰低涡继续活跃，南支槽系统依然活跃但比冬季偏西。

3、ENSO暖年的气温分布特征与冬季类似，但整体偏西，西南地区的冷中心偏弱。

4、ENSO暖年冬季位于华南地区的多降水带加强并向东北扩展至整个30N以南大陆沿海。

夏季的相关性就体现出和冬春完全不同的形式了，首先从H300上就能看出东亚大槽在ENSO暖年偏西显著，而贝湖以西的脊位也是显著的。另外这个层面上能看出一点副高低纬

度西伸偏强的影子。

V925上东北地区有与东亚大槽相对应的负相关中心，而且向南横贯东亚大陆，这可能与贝湖以西的脊位有关，后者也可以在伊朗东部到巴湖的正相关中看出。