西风爆发事件对暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺的作用——一个概念模型得到的结果

连 涛，何海伦

（1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江杭州 310012；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012）

西风爆发事件对暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺的作用
——一个概念模型得到的结果

连 涛1，2，何海伦1，2

（1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江杭州 310012；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012）

本文通过1个概念模型讨论了西风爆发事件对暖池厄尔尼诺与冷舌厄尔尼诺两种事件的作用，并讨论了它们对应的物理机制。结果表明，由西风爆发所诱导的纬向平流异常和海洋波动对厄尔尼诺的多样性有着至关重要的作用。由于模型包含了最基本的海-洋与大气物理变量及其相互作用机制，本结果可为解释西风爆发事件对厄尔尼诺多样性影响研究提供最基本的框架。

厄尔尼诺；西风爆发；多样性

0 引言

厄尔尼诺-南方涛动（El Nin～o-Southern Oscillation，ENSO）是地球气候系统中最重要的年际振荡。其表现为海表温度（Sea Surface Temperature，SST）异常在热带东太平洋冷舌区域大范围变暖的现象［1］。近年来随着观测数据的增多和质量的提高，研究者们发现厄尔尼诺现象伴随的暖SST异常现象有时仅发生在热带中太平洋暖池附近［2-3］。为与传统的厄尔尼诺事件区分开，研究者们将这种中太平洋的变暖事件称为暖池厄尔尼诺事件，而将东太平洋的变暖事件称为冷舌厄尔尼诺事件［3］。

冷舌厄尔尼诺的动力机制可以用经典的上层海洋热含量的充电-放电过程解释［4］：当上层海洋热含量较高时（充电过程）会导致冷舌厄尔尼诺现象，而当上层海洋热含量较低时（放电过程）会导致热带东太平洋SST大范围变冷，即拉尼娜现象。对暖池厄尔尼诺现象的原因，学术界目前仍存在较大争议。YU et al［5］认为北太平洋海表气压场会通过改变海洋表层热通量的大小在副热带产生SST异常。这种异常通过季节变化的作用最终促发暖池厄尔尼诺的生成。ASHOK et al［2］认为赤道太平洋温跃层纬向梯度的减弱会利于暖池厄尔尼诺事件的发生。KUG et al［3］则认为发生在赤道日界线附近的东向流场异常是暖池厄尔尼诺形成的关键。

利用高分辨率再分析资料，LIAN et al［6］提出暖池厄尔尼诺与热带太平洋的西风爆发事件（Westerly Wind Burst Event，WWB）紧密相关。WWB是发生在热带西、中太平洋上空的一种高频事件。当WWB发生时，强烈的西风会拖拽表层海水向东流动。由于WWB基本发生在暖池东边界处，所以这些东向流很容易将暖池的水向东堆积，进而使得热带中太平洋SST变暖。当热带太平洋此时处于充电过程时，WWB所引起的下沉开尔文波动会加强赤道东太平洋SST的暖异常，加强冷舌厄尔尼诺的强度。而当WWB发生在放电过程中时，SST的变暖会仅仅局限在热带中太平洋，即诱发出暖池厄尔尼诺事件。这种过程通过数值模式在他们的研究中得到了进一步的验证。

LIAN et al［6］研究中所使用的模式为一个中等复杂程度的耦合模式。本文将使用一个更为简单，仅包含最为基本的海-气过程的概念模型来简化LIAN et al［6］关于WWB对暖池厄尔尼诺的诱导和对冷舌厄尔尼诺加强这一物理过程的解释。

1 数值模型介绍

概念模型也称盒子模型，前人已经利用它对ENSO及热带印度洋-太平洋三极子模态等现象有所研究［7-8］。本文选用的是LIAN et al［6］使用的概念模型。模型区域为热带太平洋，用3个盒子分别代表热带西太平洋（5°S～5°N，120°E～160°E）、热带中太平洋（即Nin～o 4区域，5°S～5°N，160°E～150°W）和热带东太平洋（5°S～5°N，150°W～90°W）。模式的垂向结构为一个1.5层约化重力模型［8］。

模型中SST异常的控制方程为：

式中：t为时间；h为混合层深度；T，u和w分别代表SST异常，纬向海表流场异常和混合层底部垂向速度异常；λ和ε分别表示线性项和非线性项耗散系数；Te代表温跃层深度异常在混合层底部引起的卷携，大小与对应盒子的温跃层深度异常相关；M（x）为一个取非负值的函数；上标（x）与（z）分别表示纬向与垂向，（-）表示取气候态平均。方程右侧的第1项表示海-气耦合过程中的线性负反馈；第2项和第3项代表纬向平流引起的SST异常变化；第4项和第5项是垂向对流引起的SST异常变化；最后1项为SST异常的非线性衰减。

方程（1）中的Te表示由温跃层异常而引起的混合层温度变化，在模型中它表示为温跃层深度异常的函数：式中：γ表示跃层的异常对次表层水温的影响系数，η表示温跃层深度异常，ξ为刻画温跃层深度异常导致的次表层温度异常的无量纲参数。

模型的海表风场异常设置在相邻两个盒子之间，幅度正比于相邻两盒子SST之差。此外，热带西太平洋异常海表通量也会影响到热带西太平洋与热带中太平洋之间的海表风场异常。海表风场的异常通过转化为风应力的过程直接决定纬向海表流场异常的大小，并进一步通过连续方程决定垂向速度的大小。此外，风场引起的海洋开尔文波动和罗斯贝波动也被简化为海表风场的延时函数。模型的具体控制方程在文献［8］中有详尽的介绍和讨论，本文中将不再赘述。模型的参数根据观测资料计算的范围确定［8］，由于模型区域仅限于热带太平洋，LIAN et al［8］中使用的一些参数在这里稍作调整（表1），以使得模型能够在WWB加入后保持稳定。

表1 模型中调整的参数[8]Tab.1 Adjusted parameters in model［8］

在模型中，WWB的发生位置设定在热带西太平洋与热带中太平洋盒子的交界处。每一次WWB事件风场强度在时间上呈正态分布。尽管WWB的频率、发生强度等属性被部分学者认为与SST的强度相关［6］。但为简单起见，本文采用的WWB参数化过程中，WWB的发生频率、发生时间、持续时间和强度均为与观测大小相比较的随机量。模型共进行2组实验：一组为无WWB加入时的情景，一组为加入WWB时的情景。WWB从模型第101年加入至第200年。

2 模型的计算结果

2.1 无WWB时的结果

模型的初始值设为西太平洋SST异常TWP=0.5℃，其余盒子SST异常（TCP和TEP）为零。图1a为模型在无外力作用下从第31年到第60年SST异常的时间序列，从图中可以看到模型能很快调整而进入稳定状态。东太平洋SST异常振荡的极大值为0.4℃，出现在厄尔尼诺年的10月；振荡的最小值为-0.6℃，出现在拉尼娜年的9月。TCP振幅约为TEP的1/2。在相位关系上，厄尔尼诺事件中TCP的极大值落后于TEP大约2个月，而TWP的极小值领先TEP极大值3个月左右；拉尼娜事件中TCP的极小值落后TEP1个月，TWP的极大值落后TEP最大负相位3个月。总体来说，模型的结果在太平洋部分当厄尔尼诺发生时与观测结果相比［1］尽管振幅偏小，但在简单模型的范围内基本反映出了ENSO事件的主要特征。需要指出，由于在厄尔尼诺年热带东太平洋的增暖远大于热带中太平洋的增暖，模拟的厄尔尼诺皆为冷舌厄尔尼诺。图1b给出了由小波分析得到的东太平洋SST异常的周期，可以看到，模型的主要震荡周期为3～4 a，这也与观测的ENSO周期吻合。

图1 控制实验中3个盒子的SST异常（a），热带东太平洋SST异常的小波谱（b）以及模型在第31年到36年间的海表风场异常（矢量）与温跃层深度异常（等值线）的变化（c）Eig.1 Evolution of SST anomaly in 3 boxes of controlled experiment（a），wavelet analysis of SST anomaly in tropical eastern Pacific（b）and time-longitude evolution of sea surface wind anomaly（vector）and thermocline depth anomaly（contours）from year 31 to year 36图a中蓝色线表示热带西太平洋，绿色线表示热带中太平洋，红色线表示热带东太平洋；图b中黑色实线代表95%置信区间In fig.a，blue line represents tropical western Pacific，green line represents tropical central Pacific and red line represents tropical eastern Pacific.In fig.b，the heavy black line denotes 95%confident level

图1 c给出了模型温跃层深度异常与海表风场异常随时间增长的空间变化规律。在冷舌厄尔尼诺年份（第34年），热带东太平洋的温跃层深度下降，而热带西太平洋温跃层深度上升。这种温跃层深度异常的分布与经典的ENSO理论［4］吻合，说明模型的ENSO主要由上层海洋的充电-放电过程控制。伴随着冷舌厄尔尼诺在东太平洋的变暖，赤道的风场出现西风异常。这种西风异常由SST异常在东、西太平洋的差异导致，反过来又会通过诱导东向的海表流场异常和下沉开尔文波动加强东太平洋的变暖。在拉尼娜年份（第32年），结构相同、符号相反的温跃层深度异常和海表风场异常的分布也能明显看出。

图2给出了模型3个盒子SST异常在第31年到第35年各主导项随时间的变化。在热带西太平洋，最大的变化来自于温跃层深度异常而引起的卷携项（图2a）。这一项在冷舌厄尔尼诺年为负值，而在拉尼娜年为正值，表明西太平洋SST异常的变化主要由温跃层深度异常所控制。而热带中太平洋在冷舌厄尔尼诺年变暖主要是由于东向流场异常带来的暖水和向下的垂向流场异常对气候态上升流的削弱（图2b）。对于热带东太平洋，主要的控制项为温跃层深度异常引起的卷携项。这从另一个角度说明了模型的ENSO主要由上层海洋的充电-放电过程控制。总体来说，模型在各个区域得到的控制项的变化与前人利用复杂模式得到的结果相似［9］。

图2 模型热带西太平洋（a），热带中太平洋（b）和热带东太平洋（c）在无WWB加入时从第31到第35年SST异常变化率Eig.2 Evolution of components of SST anomaly tendency in tropical western Pacific（a），tropical central Pacific（b）and tropical eastern Pacific（c）without WWB added from year 31 to year 35图中蓝线表示线性衰减项-λT；棕色实线和虚线分别表示东向的异常平流引起的对流项-u T（x）和气候态平流引起的对流项-uT（x）；黄色实线和虚线分别表示西向的异常平流引起的对流项-u T（x）和气候态平流引起的对流项-uT（x）；绿线表示异常垂向对流项-{M（w+w）-M（w）}T（z）；黑线表示由SST异常引起的对流衰减项-wT/h；红线表示跃层变化的影响wγη/h；紫线表示非线性衰减项-εT3Blue lines are for linear damping term-λT；brown solid and dashed lines are for anomalous eastward current advection term-u T（x）and climatological eastward advection term-uT（x）；yellow solid and dashed lines are for anomalous westward current advection term-u T（x）and climatological westward advection term-uT（x）；green lines are for anomalous vertical advection term-{M（w+w）-M（w）}T（z）；black lines are for vertical advection due to SST anomaly term-w T/h；read lines are for thermocline variation induced term wγη/h；purple lines are for nonlinear damping term-εT3

2.2 加入WWB时的结果

图3给出了模型在加入WWB后各个区域SST异常的变化。明显的，在WWB加入后，ENSO的震荡变得不规则，且幅度有所增加。譬如东太平洋在第119年的厄尔尼诺年份SST异常能达到1.0℃，而在第153年的拉尼娜年能到-1.0℃。更为重要的是，WWB的加入能引起中太平洋单独增暖，即诱发暖池厄尔尼诺事件（如第127年）。在模型最后的100 a里，一共出现了10次增强的冷舌厄尔尼诺事件，而有11次暖事件主要发生在热带中太平洋，即暖池厄尔尼诺事件。此外，有19次暖事件热带东太平洋和中太平洋SST异常可以相比较，这类厄尔尼诺现象位置介于冷舌厄尔尼诺和暖池厄尔尼诺之间，被有些学者称之为混合型厄尔尼诺［3］。

图4给出了模型冷舌厄尔尼诺和暖池厄尔尼诺SST异常和海表风场异常的合成。明显的，冷舌厄尔尼诺的SST异常最大在热带东太平洋，而暖池厄尔尼诺只在热带中太平洋有正SST异常。此外从海表风场异常来看，2种厄尔尼诺事件都伴随着赤道的西风异常，尽管冷舌厄尔尼诺事件对应的风场异常强度要远大于暖池厄尔尼诺事件。

为了考察是什么因素导致了冷舌厄尔尼诺的加强和暖池厄尔尼诺的发生，我们分别分析了热带中太平洋和热带东太平洋SST异常各分量在冷舌厄尔尼诺年份和在暖池厄尔尼诺年份的变化。对于冷舌厄尔尼诺来说，控制SST异常在热带东太平洋增长的为由温跃层深度变深而引起的卷携项，其次为垂向平流异常（图5b）。由于在我们的模型中，卷携项的符号和局地温跃层深度一致，且在此时均为正值，说明热带太平洋此时正处在充电过程中。而在热带中太平洋，主要的增暖来自于东向的平流异常，再次为垂向平流异常（图5a）。

图3 模型在加入WWB后从第101年到第200年3个区域的SST异常Eig.3 Evolution of SST anomaly in three boxes when WWBs are added from year 101 to year 200蓝线，绿线和红线分别表示热带西太平洋，热带中太平洋和热带东太平洋；红色，绿色和蓝色柱条分别表示冷舌厄尔尼诺年份，暖池厄尔尼诺年份和混合厄尔尼诺年份Blue，green and red lines denote tropical western Pacific，tropical central Pacific and tropical eastern Pacific，respectively.Red，green and blue bars stand for Cold-Tongue El Nin～o years，Warm-Pool El Nin～o years and mixed El Nin～o years，respectively

图4 SST异常（等值线）与海表风场异常（矢量）在冷舌厄尔尼诺年份（a）和暖池厄尔尼诺年份（b）的合成Eig.4 Composite of SST anomaly（contour）and sea surface wind anomaly（vector）in Cold-Tongue El Nin～o year（a）and Warm-Pool El Nin～o year（b）纵坐标中年（0）表示厄尔尼诺当年，年（1）表示厄尔尼诺下一年。图5同此Year（0）and year（1）denote the year of El Nin～o and the following year，respectively.The fig.5 is same with this

对于暖池厄尔尼诺来说，在热带中太平洋，对其SST异常增长最大的贡献项来自于东向的海表流场异常带来的暖平流（图5c）。值得注意的是，由于是合成分析的结果，且WWB的加入时间为随机，所以在不同的时间都可以看到随机WWB引起的开尔文波造成的垂向卷携异常。然而，东向的海表平流异常在合成分析中一致地在暖池厄尔尼诺达到峰值前（次年1月）为主导项，说明该项对暖池厄尔尼诺起着决定性的作用。此外，在暖池厄尔尼诺的年份，温跃层深度异常在热带东太平洋均为负值（图5d），说明此时热带东太平洋正处于放电过程。这时WWB所引发的开尔文波动对热带东太平洋没有加热作用。

图5 热带中太平洋和热带东太平洋在冷舌厄尔尼诺年前后（a和b）及在暖池厄尔尼诺年前后（c和d）SST异常各分量的变化率Eig.5 Evolution of component of SST anomaly tendency in tropical central Pacific and tropical eastern Pacific during Cold-Tongue El Nin～o year（a and b）and during Warm-Pool El Nin～o year（c and d）图中各线条的含义同图2 The meanings of each line are the same as Eig.2

3 结论

在一个简化的理论模型框架下，本文讨论了WWB事件对热带太平洋厄尔尼诺现象多样性的作用。结果表明，WWB事件可以诱发热带太平洋暖池厄尔尼诺现象，同时增强冷舌厄尔尼诺现象。哪一类厄尔尼诺现象能被WWB影响取决于上层海洋的充电-放电过程。当上层海洋处于充电过程时，WWB导致的下层的开尔文波动会通过加强热带东太平洋垂向卷携而增加热带东太平洋SST暖异常。与此同时，WWB引起的东向暖平流会加热热带中太平洋SST异常，故而从整体来讲加强了冷舌厄尔尼诺事件的强度。另一方面，当上层海洋处于放电过程中时，WWB引起的波动不足以改变热含量的相位，所以热带东太平洋会保持负SST异常，但热带中太平洋会由于东向暖平流的作用而升温，表现出暖池厄尔尼诺事件。值得注意的是，这里使用的模型仅包含了热带太平洋地区最基本的海-气作用过程，所以得到的结果从最根本的角度解释了前人利用复杂模式［6，①EEDOROV A V，HU Shi-neng，LENGAIGNE M，et al.The impact of westerly wind bursts and ocean initial state on the development，and diversity of El Nin～o events［J］.Climate Dynamics，2014，in press.］关于WWB对厄尔尼诺多样性的作用。

（References）：

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［6］LIAN Tao，CHEN Da-ke，TANG You-min，et al.Effects of westerly wind bursts on El Nin～o：A new perspective［J］.Geophysical Research Letter，2014，41（10）：3 522-3 527.

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［8］LIAN Tao，CHEN Da-ke，TANG You-min，et al.A theoretical investigation of the tropical Indo-Pacific tripole mode［J］.Science China：Earth Sciences，2014，57（1）：174-188.

［9］ZEBIAK S E.Tropical atmosphere-ocean interaction and the El Ni n～o/Southern Oscillation phenomenon［D］.Massachusetts：MIT，1984.

Role of Westerly Wind Burst Event on Cold-Tongue and Warm-Pool El Nin～o：A conceptual model study

LIAN Tao1，2，HE Hai-lun1，2
（1.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Hangzhou 310012，China；2.The Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012，China）

Using a simple conceptual coupled model，this study discussed the role of Westerly Wind Burst Event（WWB）on the two types of El Nin～o events（the Cold-Tongue El Nin～o type and the Warm-Pool El Nin～o type）.The results indicate that WWB induced zonal advection and oceanic waves are very important to El Nin～o diversity.Since the model just includes fundamental oceanic and atmospheric processes and their interactions，our results provide the fundamental dynamical framework of El Nin～o diversity.

El Nin～o；WWB；diversity

P732

A

1001-909X（2014）03-0009-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.03.002

连涛，何海伦.西风爆发事件对暖池厄尔尼诺和冷舌厄尔尼诺的作用——一个概念模型得到的结果［J］.海洋学研究，2014，32（3）：9-15，

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.03.002.

LIAN Tao，HE Hai-lun.Role of Westerly Wind Burst Event on Cold-Tongue and Warm-Pool El Nin～o：A conceptual model study［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（3）：9-15，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.03.002.

2014-06-24…………

2014-07-09

国家海洋公益性行业科研专项经费项目资助（201105018）；国家自然科学基金青年科学基金项目资助（41106019，41106020）；国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项项目资助（JT1205）

连涛（1983-），甘肃兰州市人，博士，主要从事物理海洋学方面的研究。E-mail：liantao@sio.org.cn