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热带太平洋ENSO相关气候变化的结构与演化分析:来自TOGA的经验

J. M. Wallace,^[1] E. M. Rasmusson,^[2] T. P. Mitchell,¹ V. E. Kousky,^[3] E. S. Sarachik,¹ and H. von Storch^[4]

环境与海洋研究联合研究所，华盛顿大学，西雅图。

2马里兰大学气象系，帕克学院。

3 NOAA/NCEP气候预测中心，华盛顿特区。

4水物理研究所，GKSS, Geesthacht，德国。.

摘要：在“热带海洋-全球大气”(TOGA)计划期间，对热带太平洋进行了改进的观测，证实了先前关于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)现象中海面温度、海平面压力、风应力、降雨、对流层上层环流和海洋热结构异常之间的季节性依赖关系的概念。然而，准周期“ENSO循环”的范式，即锁定在每年三月份的相位，并没有捕捉到异常演化的复杂性。该模型的不足之处在TOGA的第二个半周期非常明显，当时的变化是高度非周期的。此外，单一的模态结构或经验正交函数似乎并不能代表热带太平洋海洋-大气相互作用的空间格局的范围。这些结果表明，有必要对ENSO进行更全面的现象学描述。TOGA期间收集的数据证实了热带大西洋海面温度异常对巴西东北部降水的影

引言

热带海洋-全球大气(TOGA)项目的一个显著特征是其现象。该项目的灵感和塑造来自科学界的看法，即（1）厄尔尼诺-南方涛动现象(ENSO)是全球年际气候变化的主要来源.（2）ENSO的存在是由于热带太平洋海洋-大气相互耦合作用的结果。（3）耦合系统在季节到年际的时间尺度上显示出一定程度的可预测性。这篇文章首先回顾了引起这些看法的观察、科学调查和气候事件，重点是热带太平洋的现象。在这一历史背景之后，在第3节中，记录了热带太平洋在TOGA十年中ENSO相关的变化。第4节调查热带大西洋和印度洋的大规模、耦合的海洋-大气相互作用。最后一部分反映了在TOGA十年中所进行的观测如何修正了关于ENSO现象的结构和进化的现有概念，特别是热带海洋-全球大气变化的耦合概念。

历史背景

认识到ENSO是一种海-气耦合现象以及它在季节-年际气候变化中的重要作用并不是一个值得关注的科学“突破”结果；恰恰相反，值得关注的正是他们开发出的一系列研究跨越六十多年时期的研究过程。

早前研究结果

第一个对ENSO的识别和理解迈出重大一步是Brooks和Braby[1921]的研究，他们注意到长期处于干旱和湿润的西部和中部赤道太平洋岛站往往与宽经度带和表面风场的内在变化联系相关。现在很清楚，赤道太平洋东风带和降雨量之间的这种关系是ENSO变化的一个基本特征。

三年后，Walker[1924]发表了他对全球连续性变化研究的里程碑式的总结，其中他通过海平面压力(SLP)的角度描述了南方涛动广泛的尺度特征，地表温度和降雨量的变化。Brooks和Braby (1921)发现的赤道太平洋变化与南方涛动(SO)之间的联系，是在10年后 Leighly (1933)的一篇题为《Marquesan气象学》的论文中建立起来的，这在当时是非常了不起的。它包括年降雨量变化之间的关系讨论的Marquesas群岛(中心位于10°S, 140°W)和气候异常的赤道槽区（即，分隔南北半球亚热带反气旋的低SLP带）。早在Darwin之前，Leighly就通过简单的两站SLP差值推导出了海面温度(SST)梯度、海面风和降雨量之间的基本关系，澳大利亚(12°S,131°E)和塔希提岛(17°S,150°W)数据开始经常用于监控SO（南方涛动）。事实上，Leighly没有获得SST数据，这使得他的推论更加令人印象深刻。他的见解通过以下引文[Leighly,1933,p . 164]进行了很好地说明:

“如果可以合理地得出结论，海洋的温度，地面的变化与东风成反比，赤道带、向西的陡坡(地面压力)时期也应是水温较低的时期，因此对太平洋中部岛屿的降雨不利。这种考虑为低温和干旱之间的联系提供了一种解释，相反的，高温和充沛的雨水。如果没有关于海洋温度的进一步观测数据，就不能把大气环流和水面温度作为确定Marquesas群岛降雨量波动的因素的相对重要性。由于这两个因素是同时起作用的，并且是由同样的根本原因造成的，因此很难将它们的影响分开。”

不幸的是，这篇杰出的论文没有被引用说明它在当时对该领域几乎没有影响。似乎直到Julian和Chervin[1978]在他们对SO和Walker循环现象的回顾中认识到它的重要性之后，Leighly的论文才第一次被引用。

在经历了几十年相对弱的和不规则的变化之后，ENSO相关的气候变化在20世纪50年代变得更加强烈和循环，重新引起了人们的兴趣。1957-1958年的主要变暖是由Ichiye和Peterson[1963]研究的，他们是第一个假设海洋-大气相互作用决定了赤道太平洋的风、海温和降雨场的演化的人。Berlage[1966]认识到SO与厄瓜多尔南部和秘鲁北部海岸海温间歇性变暖之间的联系，当地称之为厄尔尼诺[Eguiguren, 1894] Murphy,1926; Lob ell,1942]。这一时期另一个显著的贡献是Doberitz[1968]的研究，他利用跨谱分析量化了赤道太平洋中部和东部赤道干带岛屿站海温、地面风和降雨之间的关系。

Bjerknes的[1969]合成理论

来自1960年代发射的气象卫星提供的可视图片给季节平均云和降水领域提供了一个更全面的视图。在赤道太平洋在持续的大的振幅波动序列和相关的厄尔尼诺现象,为Bjerknes的ENSO合成理论[1969]建立了平台。在Walker [1924]早期研究的背景下，将来自卫星的新信息与来自坎顿岛的常规地面和高空观测结合起来，Bjerknes认为赤道太平洋的海-气耦合作用是ENSO相关气候变化的根源。在他对这些相互作用的全面描述中，中心气候特征是在赤道东太平洋冷水上的显著干燥带和向西较温暖水域上的强对流降水之间的东西海温梯度。Bjerknes也认为赤道东风带连接着下沉和上升的空气区域，是由盆地尺度海温梯度驱动的东西赤道“Walker环流”的较低分支。他提出Walker环流的变化将Walker SO环流场与赤道太平洋海温的纬向梯度耦合起来。虽然赤道东太平洋的区域厄尔尼诺现象在他的解释中仍是部分现象，但其中心特征是海温的盆地尺度振荡，它则迫使与SO有关的行星尺度环流异常。

Bjerknes [1969, p. 170]将海洋与大气之间的反馈过程描述如下:

“Walker环流底部向更陡的压力坡的变化与赤道东风的增加有关，同时也与上升流的增加和赤道东太平洋和西太平洋表面温度对比的加剧有关。这一连锁反应表明，强化的Walker环流还导致了东西温差的增加，这是Walker环流的首要原因。另一方面，我们也可以看到Walker循环速度的下降趋势。”

虽然海温和大气环流之间正反馈的概念似乎得到了证据的充分支持，但耦合系统如何从暖态演化到冷态，反之亦然的基本问题仍有待回答。用Bjerknes(1969，第170页)的话来说:“因此，有充分的理由解释海气相互作用在赤道带不断交替的趋势，但趋势之间的转变是如何发生的还不十分清楚。” 回答这个问题需要克服两大障碍。第一个是对当时存在的赤道海洋动力学的原始理解，这导致了第二个，耦合建模能力的缺乏。除了McWilliams和Gent[1978]等少数例外，TOGA之前的理论和建模研究主要集中在两个更简单的“非耦合”问题上:(1)赤道太平洋对异常风力的响应是什么? (2)全球大气对赤道太平洋海温异常的响应如何?为什么耦合系统振荡的问题仍然需要TOGA来解决。

典型厄尔尼诺现象

Bjerknes[1969]的合成激发了大量的观察性研究，到20世纪80年代早期，这些研究对ENSO的结构和演化提供了更完善的描述。其中一些研究有助于更好地描述其结构和空间范围; 例如，Trenberth [1976],Weave 等人[1976],Wright [1977], Quinn等人[1978], van Loon和Madden [1981],Pazan 和Meyers[1982]。另一些则更侧重于热带太平洋暖相异常场的演化，例如, Wooster和 Guillen [1974], Ramage 和Hon [1981],和Weave [1982]. 这些研究对暖相异常场的典型演化过程进行了描述，Cane[1983]将其称为“规范的厄尔尼诺”。尤其影响这一发展的是Wyrtki[1975]和Rasmusson 和 Carpenter[1982]的论文。

Wyrtki[1975]在1957-1958年、1965年和1972-1973年暖期赤道风和海平面场演变研究的基础上，得出结论认为，南美洲海岸的厄尔尼诺变暖不是表面风强迫(即(即上升流减少)，正如先前所认为的那样，而是反映了赤道中太平洋东部快速减少所带来的遥远的海温变化。他描述了一系列最终导致海岸变暖的事件。它始于异常强烈的赤道东风带的“积聚阶段”，在此期间，随着温暖的水在盆地西侧积聚，横跨赤道太平洋的海平面和温跃层的坡度增加。这一过程的结束标志着东风带的迅速崩溃，自Wyrtki[1975]没有解决耦合问题以来，这一现象一直无法解释。东风应力的迅速降低激发了赤道开尔文波，其特征是温暖的地表水东涌。随着开尔文波在东太平洋的到来，温跃层减弱，迅速变暖。后来的研究(如。，Barber和Chavez，1983年;McPhaden和Picaut, 1990]的研究表明，变暖过程中上升流的强度变化不大，但上升流的水变暖，因为它现在来自于更深层的温跃层之上，而不是之下。

WyrtkVs[1975]情景从纬向风应力的突然变化对海洋的作用力的角度，而不是Bjerknes[1969]所设想的耦合系统中发展较慢的盆地尺度变暖的角度，解决了海岸厄尔尼诺变暖开始的问题。他的研究对预测沿海变暖具有重要意义;也就是说，它会遵循一个前体积累阶段，在东风的崩溃和开尔文波到达海岸之间会有大约2个月的延迟。简单海洋模型模拟[Hurlburt等人, 1976;McCreary,1976;Busalacchi和O Brien(1981)以及随后对1976年全球变暖的分析[Wyrtki, 1979]为这一假设提供了进一步的证据。

由于沿海的厄尔尼诺变暖，甚至用西班牙语来说，都与某个特定的季节有关，因此有理由相信，与厄尔尼诺有关的异常的一般模式可能受到每年三月变化的限制。为此，Rasmusson和Carpenter[1982，以下简称RC]根据1950年至1976年发生的6次主要暖期，以季节组合的方式描述了暖期风、海温和降雨异常场的平均季节模式。

暖期组合显示了一个相当系统的进化过程，这意味着一旦暖期开始，进化模式可能是可以预测的。与Wyrtki[1975]的研究一致，RC复合暖期在暖期开始前的几个月表现出比正常赤道东风带更强的活动。在变暖前一年的10 - 11月期间，西太平洋的偏东异常被偏西异常所取代，并在日期线附近出现正赤道海温异常。次年年初，赤道东太平洋出现较大的正海温异常，在4 - 6月左右达到最大值。海温正距平在随后几个月由海岸向西扩展至赤道中太平洋，赤道中太平洋西风异常增强，8 - 12月最为强烈。在接下来的北部冬天(型号),RC称为“成熟阶段”的变暖,海温和降水异常主要集中在中央赤道太平洋和赤道对称的较低的分支“Hadley环流”在这个领域愈演愈烈,导致增加低级融合在赤道地带。一个季节后，在成熟阶段之后，异常模式出现衰减，并被冷期异常的发展模式所取代。Barnett [1983]分析海事在太平洋和印度洋表面观察,基于复经验正交函数分析,证实了上述序列的进化。

到1982年，典型的厄尔尼诺现象被广泛接受，被认为是与“ENSO循环”的暖期有关的一系列事件的可靠描述。

对这个概念模型的信心产生了一种乐观的气氛，即对暖期的开始和进化的预测，如果不是对暖期的幅度的预测的话。这种乐观情绪在1982年至1983年的温暖时期被粗暴地击碎了

1982-1983年暖期的教训

由于对典型规范前兆的强烈依赖，以及后来的演变都被锁定在每年3月的阶段，因此科学家们在认识到1982-1983年这段插曲的本来面貌方面出现了重大的拖延。当时的观测结果，即， SLP、原位海温、海平面高度、地表和高空风分析，以及向外的长波辐射(OLR，深部对流云量的一个指标)，足以确定发育异常场的大规模特征。到1982年8月，ENSO循环暖期的许多特征已经显露出来。然而，由于缺乏一个重要的集结阶段，而且由于暖信号从太平洋中部向东传播，而不是从南美洲海岸向西，研究人员措手不及。El Chichon火山爆发使卫星获得的错误的海表温度，也导致了对热带气候状态的描述失败[McPhaden 等人'对这个问题]。回顾过去，似乎可以清楚地看到，认识到1982-1983年发展中的暖期的延迟主要是由于有缺陷的概念框架，而不是由于观察的不足。

根据对过去六次主要暖期的分析，1982-1983年暖期与RC规范演化的显著背离提出了一些新问题。随后的建模和诊断研究为TOGA项

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