厄尔尼诺(ENSO)及热带海－气相互作用动力学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第535页（4992字）

在赤道太平洋地区，一般是西太平洋的海表水温高，而东太平洋的海表水温低，故一般在赤道东太平洋的海平面气压偏高，而赤道西太平洋地区的海平面气压偏低，从而造成气流在赤道西太平洋地区上升，而在赤道东太平洋地区下沉，在赤道太平洋的海表面附近，气流从东向西流，这就是所谓的沃克环流。

1966年Bjerkns首先提出了关于ENSO现象产生机制的假设，根据他所提出的理论，一旦在秘鲁沿岸的赤道东太平洋海表温度(SST)升高，则赤道东太平洋的气压下降，于是造成赤道东西太平洋的气压梯度变弱，使得自东向西流的赤道信风减弱，赤道东太平洋到中太平洋的海水上翻减弱，最终造成从赤道东太平洋到赤道中太平洋的海表温度异常升高，于是ENSO现象产生相反。如果秘鲁沿岸的赤道东太平洋海表温度一旦降低，则赤道东西太平洋的气压梯度就变大，这样就使得从赤道东太平洋到赤道中太平洋的海水上翻加强，从而造成赤道东太平洋到赤道中太平洋的海表温度下降。

Bjerknes在国际上首先提出ENSO现象是海－气相互作用的结果，他的假设无论对海洋科学或大气科学的发展都起到很重要的作用。以后，许多气象学家及海洋学家都是引用或证实Bjerknes的假设。Rasmusson和Carpenter(1982)综合了历史上所发生的ENSO事件海表温度的演变过程，给出了ENSO事件在不同阶段的海温异常距平分布情况。他指出，一般ENSO现象开始于春季，这时在秘鲁沿岸的赤道东太平洋海面温度升高；到了晚夏与初秋，暖水渐渐从赤道东太平洋延伸到赤道中太平洋，ENSO现象处于发展时期；到了晚秋与早冬，从赤道东太平洋到赤道中太平洋海表温度增暖到了顶点，这是ENSO现象的成熟期；到了第2年的春季，从赤道东太平洋到赤道中太平洋的海表温度渐渐下降，恢复正常，即从赤道东太平洋到赤道中太平洋的海水又渐渐变成冷水。

但是，Bjerknes的假设中也有缺陷：(1)没有考虑西太平洋在ENSO产生中的作用，而西太平洋海表温度一般较高，它是全球大气最大的热量来源，这里的海－气热交换最剧烈，可以说是全球海－气系统中一部大热机。显然，不考虑西太平洋对ENSO事件爆发的作用是不行的；(2)在Bjerknes的假设中没有考虑赤道波动的作用，由于赤道波动是Matsuno于1966年所发现，所以在Bjerknes的假设中还不可能考虑到；(3)在Bjerknes假设中没有考虑赤道东太平洋海水的冷水期与暖水期的关系，许多观测事实表明；ENSO现象不仅仅是一事件，更重要的是一种循环，在赤道东太平洋的海水是冷水与暖水交替出现、周而复始的现象，ENSO现象仅仅是海水异常增暖的时期，而当冷水期时意味着下一循环的ENSO现象正在孕育着。

关于这种循环的动力学最近已有不少研究，尤其是McCreay(1983)、McCreay和Anderson(1984)、Anderson和McCresy(1985)较系统地研究了ENSO循环的物理机制。他们从观测事实及理论上提出一种关于ENSO循环的物理机制，根据他们的理论，一旦有暖的Kelvin波在赤道太平洋的西岸产生，它就会沿赤道附近向东传播，当此暖的Kelvin波传播到东太平洋，就会在东太平洋引起ENSO现象。

在这之后，暖的Rossby波从赤道太平洋东岸向西反射，由于暖的Rossby波的作用，海表面上升，并且由于Hadley环流的作用，使得东太平洋混合层变薄。而混合层变薄，又会产生Walker环流加强，Walker环流的作用使得赤道东太平洋的海温变冷，从而ENSO现象消失。

另一方面，由于偏离赤道暖的Rossby波继续向西传播，并且由于Walker环流风系，使得大量的海水从东往西运输，在这两者共同作用下，使赤道西太平洋海温变暖，这将产生暖的Kelvin波，为下一个ENSO事件的产生作准备。

McCreay虽然利用赤道波动说明了ENSO循环形成的物理机制，并且也说明了东西太平洋海温的关系，但是他的理论还是重视东太平洋的作用，他认为西太平洋水位高是东太平洋ENSO衰亡的结果。可以看到，McCreay所提出的ENSO循环动力机制也存在着缺陷。

Schopf和Suarez(1988)提出了一个令人信服的机制，认为一般热带西太平洋的海表温度比较高，在这里产生传暖的Kelvin，当这个暖的Kelvin波移到赤道中太平洋时就会产生剧烈的海一气相互作用。

Phiander等(1984)、Philander(1985)、巢纪平等(1988)都提出这种海一气相互作用可以产生不稳定波动。因此，由于海－气相互作用的结果就会产生大气西风的异常，从而激起冷的Rossby波，上面所说的Kelvin波继续向东传播，当它移到赤道东太平洋就会产生ENSO现象。

而由海－气相互作用产生的冷的Rossby波向西传播，当它传到赤道太平洋的西岸，会被反射产生冷的Kevin波，这种冷的Kevin波边增幅边向东传，当它传到东太平洋就会产生冷的海水，使ENSO现象消失，甚至会出现反ELNino现象。另一方面，这种冷的Kelvin波又会在赤道中太平洋产生剧烈的海－气相互作用，因而产生暖的Rossby波，这种暖的Rossby波在赤道太平洋的西岸反射又产生暖的Kelvin波，从而为下一次ENSO事件的爆发提供条件。

他们的观点不是注意赤道东太平洋地区，而是注意赤道西太平洋以东的赤道中太平洋地区，其理论从根本上打破了Bierknes的观点。

1987年，Takeuchi也从观测事实说明了Schopf和Suarez机制的正确性。

从上面可以看到由于赤道波动及赤道中太平洋海－气相互作用产生了ENSO循环，使得赤道东太平洋冷暖海水交替出现。

由于在ENSO循环动力学的机制方面搞清楚了一些，因此许多海洋学家与气象学家开始讨论ENSO的可预报性。

Cane等(1986)利用海－气耦合模式讨论了1986／1987年ENSO事件的预报问题。Philander和Seigei(1985)、刘雅章(1987)利用一个比较复杂的海－气耦合模式讨论了ENSO循环的可预报性问题。

刘雅章利用一个9层大气环流及一个27层的海洋模式耦合计算了21a太平洋海温的循环情况。

在大气中存在着30～50d周期的低频振荡，刘家铭(1987)提出这种振荡可以激发ENSO事件的爆发。

Nitta和Motoki(1987)、Nitta(1987)、Nakawa(1987)分析了1986／1987年ENSO事件的对流活动情况。他们发现在1986年ENSO事件爆发时有大型云团(Supper cluster)向东移动。在1986年11月初在印度洋发现有超大型云团出现；而到11月10日起，这种超大型云团在西太平洋猛烈发展并且东移；到了11月下旬，这超大型云团移到日期变更线附近，以后一直停留在那里，从而引起ENSO事件的爆发，他们指出这种30～50d周期振荡的超大型云团活动可以诱导出西风爆发。这种西风爆发对于ENSO事件的爆发起了触发作用。Harrison(1987)的分析结果也说明了Nitta与Nakaawa分析的正确性。引人注意的是从超大型云团的整体来看是自西向东运动，但从每个大型云团的移动来看却是从东向西运动。这些云团的水平尺度为几十万米，其生命史为2d左右，说明这里存在着一种30～50d周期的低频振荡与天气尺度系统的相互作用。因此，这种超大型云团活动不仅对于30～50d周期的低频振荡起着重要作用，而且对于ENSO的触发也起着重要作用。

此外，Keen发现位于中太平洋的赤道气旋对，对产生与保持赤道区域大气环流的异常起着重要作用，并且指出这种位于中太平洋热带气旋的年际变化与ENSO的产生有密切关系，这种热带气旋对之间的赤道西风似乎对于暖水向东传播起着重要作用。Nitta的分析再一次证明Keen的结果是正确的。

关于ENSO事件对北半球大气环流异常的作用已有不少研究，如Horel和Wallace(1981)、Rasmusson和Carpenter(1982)黄荣辉(1985)等已详细讨论了ENSO事件的产生可以引起北半球PNA型大气环流的异常。

黄荣辉(1986)不仅从观测事实，而且从理论上及数值试验方面说明了冬季赤道上空的准定常行星波可以准水平地通过对流层传播到中高纬度地区，从而形成北半球PNA型大气环流的异常。

然而，长久以来，关于热带西太平洋海一气相互作用对北半球夏季大气环流异常的作用却研究不多，而热带西太平洋是全球海洋最热的区域，这里的海－气相互作用非常剧烈，它是全球大气的最大热源之一。Nitta(1986)研究表明，热带西太平洋上空的云量存在着很大的年际变化，这种变化与热带西太平洋的海面温度有很大关系，Kurihara和Kawahara(1986)也指出同样现象。

黄荣辉首先指出当热带西太平洋海表温度增高时，由于菲律宾海域及印度尼西亚一带对流活动增强，从而造成这个区域上空的热源增强。由于准定常行星波的传播，它引起以东亚夏季副热带高压偏北；并且从理论及数值计算方面研究了热带太平洋上空，特别是菲律宾周围的对流活动所引起的热源加强，继而引起的北半球夏季大气环流异常的遥相关型。结果表明，菲律宾周围对流活动的增强不仅可以影响东亚大气环流的异常，而且也可以引起北美大气环流的异常。Nitta(1987)从卫星取得的高云量也得到类似的遥相关型，他特别指出在菲律宾周围的对流活动与日本上空的云量之间存在着“跷跷板”的效应，即“PJ振荡”。

黄荣辉和吴仪芳(1987)从30年观测资料统计得出东亚夏季的旱涝与ENSO事件的不同阶段有关。从大量的分析资料表明，当ENSO事件处于发展阶段，中国江淮及日本的本州雨量多，在夏季往往发生涝，而黄河流域及华北、江南及日本的九州一带往往雨量偏少，甚至发生旱；而在ENSO事件处于恢复阶段，中国江淮流域及日本的本州一带往往雨量偏少，往往发生旱，而黄河流域及华北、江南一带往往雨量偏多。

研究结果还表明，赤道东太平洋的海温与热带西太平洋的海温之间存在着“跷跷板”效应，即当赤道东太平洋的海温低，如ENSO事件处于恢复阶段，菲律宾周围的热带西太平洋的海温就高，在此海域就有大量的对流活动产生，从而造成西太平洋副热带高压的位置偏北，引起江淮一带、日本本州的雨量偏少。黄荣辉和卢里(1988)用数值模拟方法模拟得出当热带西太平洋的海温高时，在菲律宾周围就有大量的对流活动产生，从而引起北半球大气环流异常及降水异常的遥相关型。

这些研究不仅引起东亚其它国家的兴趣，也引起了欧美一些国家气象学家的兴趣。

目前，关于ENSO事件及热带海－气相互作用动力学的研究热点主要集中在以下几方面：(1)从观测事实来弄清热带超大型云团的结构、特征以及它对赤道西风爆发的作用，从而弄清热带超大型云团在ENSO事件发生中的作用。(2)由海－气耦合动力模式，从海－气相互作用的不稳定性来揭示ENSO循环的动力机制，并且利用数值模式来模拟ENSO循环，从而预测ENSO事件的产生。(3)不同时间尺度、空间尺度系统的相互作用对ENSO事件产生有作用，即几天的超大型云团、30～50d周期的低频振荡、准两年周期振荡(QBO)的相互作用对ENSO事件产生的作用。

(4)热带西太平洋海－气相互作用对ENSO事件产生的作用。

(中国科学院大气物理研究所黄荣辉院士撰)