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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 4: 36 - 46

DOI: https://doi.org/10.11978/2022189

Marine Hydrology

Interdecadal modulation of ENSO asymmetry by the Pacific Decadal Oscillation and its mechanism

  • LI Chengyong ,
  • MENG Xiangfeng ,
  • XIE Ruihuang
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  • College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
MENG Xiangfeng. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-09-14

  Revised date: 2022-11-10

  Online published: 2022-12-12

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41976015)

National Natural Science Foundation of China(42176024)

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Abstract

El Niño and South Oscillation (ENSO) asymmetry between El Niño and La Niña events in the positive and negative Pacific Decadal Oscillation (PDO) phases is examined using HadISST and ORAS3 ocean reanalysis products. It is found that ENSO asymmetry in the equatorial eastern Pacific is significantly weaker in the negative PDO phase than that in the positive PDO phase. It is found that the eastern Pacific's subsurface nonlinear dynamical heating (NDH) is likewise greatly affected by the various PDO phases, and it is much stronger during the PDO positive phase than that during the PDO negative phase through heat budget analysis of the ocean subsurface layer. The subsurface NDH is largely contributed by NDHx. A larger gap between the El Niño event and the La Niña event Subsurface Temperature Anomaly (SubTA) during the positive phase of the PDO is caused by the stronger subsurface NDHx in the East Pacific, which causes the asymmetry of the SSTA, and results in a stronger ENSO asymmetry in the East Pacific during the positive phase of the PDO than that during the negative phase of the PDO.

Key words： ENSO asymmetry; PDO; heat budget; NDH

Cite this article

LI Chengyong , MENG Xiangfeng , XIE Ruihuang . Interdecadal modulation of ENSO asymmetry by the Pacific Decadal Oscillation and its mechanism[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(4) : 36 -46 . DOI: 10.11978/2022189

ENSO(El Niño and South Oscillation, 厄尔尼诺与南方涛动)是热带太平洋海洋-大气耦合系统的一种自然“振荡模式”, 它是地球上气候系统中最具活力的年际变化, ENSO暖位相(El Niño事件)和冷位相(La Niña事件) 2~7年发生一大约每次, ENSO事件的发生对人类和自然系统具有十分深远的影响(McPhaden et al, 2006; Timmermann et al, 2018)。但El Niño事件和La Niña事件不完全是彼此的镜像: 1) El Niño事件衰减后通常会伴随着La Niña事件的发展, 但相反的情况要少得多(Chen et al, 2016; An et al, 2017); 2) El Niño事件的海温异常强于La Niña事件(Burgers et al, 1999; 于毅 等, 2011), 但其持续时间往往比La Niña事件更短(DiNezio et al, 2014; An et al, 2018); 3) El Niño事件和La Niña事件海温异常的空间结构也有较大差异, La Niña事件相关的冷异常通常比El Niño事件相关的暖异常沿赤道向西延伸更远(Dommenget et al, 2013)。El Niño事件和La Niña事件在时空特征上的差别被称为ENSO非对称, 是21世纪以来ENSO研究的热点问题之一。
海洋混合层内的线性动力加热(linear dynamical heating, LDH)和非线性动力加热(nonlinear dynamical heating, NDH)是促使ENSO海温异常发展的重要的两种温度平流, 已经有许多研究证明NDH可增强ENSO的振幅非对称。例如, Jin等(2003)和An等(2004)最早指出NDH 可增强El Niño事件的振幅, 但会削弱La Niña事件的振幅, 其中主要通过NDH的垂直分量(非线性垂直温度平流)来实现。但Su等(2010)通过对多个海洋再分析资料的分析, 发现非线性平流项的水平分量是造成热带太平洋东部ENSO振幅非对称的主要因子, 而非线性平流项的垂直分量则起到了相反的作用, 并指出其与Jin等(2003)关于垂直分量的作用的差别可能来源于不同的海洋数据。董宇佳等(2014)发现NDH在ENSO事件的发展和成熟阶段都能促使冷暖位相的振幅非对称, 并在ENSO事件的发展阶段发挥了更为重要的作用。最近, Hayashi等(2017)提出海洋次表层NDH也对ENSO振幅非对称有贡献: 在强El Niño事件达到峰值后, 随着赤道太平洋温跃层的变平以及赤道潜流的停止, 次表层NDH急剧增加, 使次表层LDH引起的冷却减少了30%, 从而减弱了随后的La Niña事件, 造成了ENSO的振幅非对称。基于此, Hayashi等(2020)进一步通过诊断再分析数据和气候模式模拟结果发现, 气候模式模拟的ENSO非对称在很大程度上与赤道太平洋的次表层NDH成正比。
研究发现, ENSO振幅非对称存在明显的年代际变化(An, 2009)。Wu等(2003)指出ENSO在1981—1999年比1961—1975年的非对称更强。McPhaden等(2009)也发现了1975年前后ENSO非对称的年代际变化, 并认为这种变化是由热带太平洋气候背景态的年代际变化导致的。Duan等(2006)稍早前指出热带太平洋气候背景态的年代际变化可以通过调整NDH来导致ENSO非对称产生年代际变化。最近, Pan等(2020)指出这种ENSO非对称的年代际变化主要是由于NDH的纬向分量在不同年代的作用不同而造成的, 在气候背景态发生年代际变化之后, 纬向温度平流与经向温度平流共同增强ENSO非对称; 而在之前, 纬向温度平流则起到相反的作用。同时, Gong等(2020)发现ENSO振幅的年代际变化和大西洋多年代际振荡(Atlantic multi-decadal oscillation, AMO)有关。
太平洋年代际振荡(Pacific decadal oscillation, PDO)是北太平洋中纬度最显著的年代际信号, 可以影响全球和区域气候(Mantua et al, 1997)。ENSO和PDO在空间分布上相似, 已有许多研究表明二者具有十分密切的联系。Wang等(2008)发现, PDO能改变热带太平洋气候背景态, 从而导致ENSO的时空特征呈现出年代际变化, 而ENSO在2~7年尺度上调整PDO强度。Kravtsov(2012)也指出ENSO变率的年代际变化与PDO等年代际气候变化有关。Feng等(2014)认为PDO 可以影响ENSO的演变, El Niño事件在PDO正(负)位相缓慢(快速)衰减。最近, Lin等(2018)发现, PDO的位相可以调制ENSO的出现频率和振幅, 如PDO正位相期间El Niño强于La Niña, 也强于PDO负位相时发生的El Niño, 且出现频率远高于La Niña, 但PDO负位相期间La Niña强度则更强, 且其出现频率比El Niño更高。
综上所述, PDO可以改变热带太平洋的气候背景态, 对ENSO的振幅、演变、发生频率等产生调整。但PDO能否影响ENSO振幅非对称以及如何影响, 这仍然是尚未完全解答的问题。再者, 如Hayashi等(2017)所述, 次表层NDH被发现是产生ENSO振幅非对称的原因之一, 而对于其是否也受到PDO的影响并导致ENSO振幅非对称呈年代际变化仍不清楚。因此, 本文将通过比较PDO正负位相期间的次表层NDH对表层海温异常的贡献来剖析PDO对ENSO振幅非对称性的调整及其机制。

1 数据和方法

1.1 数据

次表层海温数据和洋流的月平均数据来源于ECMWF(the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)海洋再分析系统3(ORAS3) (Balmaseda et al, 2008), 时间长度为1959—2011年, 本文选取整个时间范围进行分析。海表面温度使用的是英国气象局哈德利中心的1.1版海冰和SST数据集(HadISST1.1)(Rayner et al, 2003), 时间长度为1870—2021年, 本文选取1950—2021年的数据进行分析。对每个数据所选取的时间段计算其多年月平均, 得到相应的气候态。

1.2 研究方法

1.2.1 偏度

本文采用海温异常的偏度这一统计量来量化ENSO振幅的不对称性, 偏度计算公式为:
skewness = m 3 ( m 2 ) 3 / 2
m k = ∑ i = 1 N ( x i − X ¯ ) k N
式中: m为阶矩, 下标k代表阶数; N为数据长度; xi表示第i个数据; X ¯为数据长度的数据平均值。热带东太平洋海温异常的正偏度表示El Niño事件强于La Niña事件, 负偏度则反之(Deser et al, 1987; Burgers et al, 1999)。

1.2.2 海洋热收支分析

为方便比较NDH在不同的PDO位相下对ENSO海温异常发展的贡献, 本文使用Jin等(2003)提出的热收支方程加以诊断。该方程表达式如下:
$$\frac{\partial T^{\prime}}{\partial t}=\underbrace{-u^{\prime} \frac{\partial \bar{T}}{\partial x}-v^{\prime} \frac{\partial \bar{T}}{\partial y}-w^{\prime} \frac{\partial \bar{T}}{\partial z}-\bar{u} \frac{\partial T^{\prime}}{\partial x}-\bar{v} \frac{\partial T^{\prime}}{\partial y}-\bar{w} \frac{\partial T^{\prime}}{\partial z}}_{\text {LDH }} \underbrace{-u^{\prime} \frac{\partial T^{\prime}}{\partial x}-v^{\prime} \frac{\partial T^{\prime}}{\partial y}-w^{\prime} \frac{\partial T^{\prime}}{\partial z}}_{\mathrm{NDH}}+R$$
式中: T ′代表海水温度异常; T ¯代表平均海水温度; u ¯ 、 v ¯ 、 w ¯分别代表纬向、经向、垂向的平均流速; u ′ 、 v ′ 、 w ′分别代表纬向、经向、垂向的流速异常; x、y、z分别代表纬向、经向、垂向上的距离; t代表时间。方程等号左侧项为海温异常时间导数, 右侧前6项为海温异常的线性动力加热(LDH), 7至9项为海温异常的非线性动力加热(NDH), R代表残余项, 包括海气界面热通量、次网格过程及耗散作用等。

1.2.3 PDO位相和ENSO事件的判定

本文采用NOAA CPC对ENSO的定义来挑选ENSO事件, 即3个月滑动平均的Nino3.4指数[170°—120°W, 5°S—5°N区域内的海面温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)的空间平均], 以连续5个月Nino3.4指数大于0.5℃(小于-0.5℃)来判定为ENSO El Niño(La Niña)事件。
PDO是通过对北太平洋(20°—70°N, 110°E—100°W)区域的SSTA进行经验正交分解得到第一模态, 对其时间系数进行11年的滑动平均后, 大于0的年代即为PDO的正位相, 小于0的年代即为PDO的负位相(Mantua et al, 1997)。
从图1的Nino3.4指数和PDO指数所示, 1950—1975年和2002—2021年为PDO的负位相, 而1976—2001年为PDO的正位相。在PDO的正位相期间发生了7次El Niño事件和6次La Niña事件, 在PDO的负位相期间发生了13次El Niño事件和11次La Niña事件, 事件个例如表1所示。
图1 1950—2021年Nino3.4指数和PDO指数的时间序列

图中虚线为判定ENSO事件的±0.5℃阈值

Fig. 1 Time series of Nino3.4 index and the PDO index. Dashed lines indicate the ±0.5℃ thresholds for ENSO events

表1 PDO正负位相发生的El Niño和La Niña事件

Tab. 1 El Niño and La Niña events in the different PDO phases

PDO正位相 PDO负位相
El Niño 1976/77, 1977/78, 1982/83, 1986/88, 1991/92, 1994/95, 1997/98 1951/52, 1957/58, 1963/64, 1965/66, 1968/69, 1969/70, 1972/73, 2002/03, 2004/05, 2006/07, 2009/10, 2015/16, 2018/19
La Niña 1983/84, 1984/85, 1988/89, 1995/96, 1998/2000, 2000/01 1950/51, 1954/56, 1964/65, 1970/71, 1973/74, 1975/76, 2007/08, 2010/11, 2011/12, 2017/18, 2020/21

2 PDO不同位相下的ENSO非对称性

El Niño事件和La Niña事件的振幅呈现出明显的非对称现象(图1), El Niño事件的强度可以达到2℃以上, 而La Niña事件的强度往往都是小于2℃的。然而, 这种不对称性也呈现出明显的年代际变化, 且和PDO位相有紧密的联系, 如1976—2001年PDO的正位相期间, El Niño事件的强度明显强于La Niña事件, 而在1950—1975年PDO的负位相期间这种不对称不太明显。为定量刻画ENSO振幅的不对称性与PDO位相的联系, 本文计算了不同PDO位相下海表面温度异常(SSTA)的偏度。如图2所示, 在PDO正位相期间, 赤道东太平洋SSTA出现显著的正偏度, 且从东部向西呈舌状逐渐降低, 至赤道西太平洋转为较弱的负偏度, 说明El Niño事件明显强于La Niña事件。和PDO正位相相比, 虽然PDO负位相期间赤道东太平洋的SSTA也呈现正偏度, 但明显弱于PDO正位相期间的SSTA。由此可以说明, PDO确实能导致ENSO非对称呈现出年代际差异。
图2 PDO正位相(a)和PDO负位相(b)下SSTA偏度分布

图中白色区域为数据缺失区域

Fig. 2 Skewness of SSTA in (a) positive and (b) negative phases of the PDO. The white area is the missing data area

为了进一步了解PDO对赤道东太平洋SSTA的偏度的影响, 本文对PDO正负位相期间发生的El Niño事件和La Niña事件成熟阶段(12月—次年2月)的赤道太平洋SSTA进行合成分析(图3)。结果显示, 在PDO正位相期间, El Niño事件成熟阶段的170°E以东的海温显著升高, 升温极值位于120°E附近, 可以达到2℃以上(图3a); 而La Niña成熟阶段赤道中东太平洋海温降低, 降温极值位于160°W附近且小于2℃(图3c)。值得注意的是, 100°E至太平洋东边界海区在La Niña成熟阶段的降温小于0.5℃, 这与该海区在El Niño成熟期的1.5℃以上的升温构成明显的差别。因而, El Niño事件和La Niña事件的海温强度的残差在170°W以东表现为正值, 并且向东逐渐递增, 最大强度差达到了1.2℃(图3e)。海温异常的偏度以及El Niño和La Niña的海温变化的残差均说明PDO正位相期间的ENSO振幅非对称性十分明显。
图3 PDO正位相的El Niño(a)、La Niña(c)、El Niño+La Niña(e)和PDO负位相的El Niño(b) 、La Niña(d)、El Niño+La Niña(f)成熟阶段赤道太平洋SSTA分布

图中白色区域为数据缺失区域

Fig. 3 Composites of mature phase mean SST anomaly (units: °C) over the tropical Pacific during (a) El Niño event and (c) La Niña event and (e) El Niño event+La Niña event in positive PDO phase and (b) El Niño event and (d) La Niña event and (e) El Niño event+La Niña event in negative PDO phase. The white area is the missing data area

虽然PDO负位相期间El Niño事件成熟阶段的东太平洋也表现为海温升高, 但其升温幅度明显比PDO正位相期间更低, 最大升温幅度仅为1.5℃左右(图3b)。同期的La Niña事件成熟阶段的东太平洋海温降低幅度也低于PDO正位相期间, 最大降温幅度低于1.5°C (图3d)。需要注意的是, 虽然PDO负位相期间ENSO海温振幅较弱, 但El Niño与La Niña的海温异常的空间分布非常相似, 且El Niño的升温幅度与La Niña的降温幅度较为接近。这导致170°W以东海温残差表现为较弱的正值, 且强度明显小于PDO正位相期间, 范围也局限在赤道附近(5°S—5°N)(图3f)。综上所述, PDO负位相期间的El Niño事件和La Niña事件在强度和空间分布上都十分相似, ENSO振幅非对称性明显弱于PDO正位相期间。

3 PDO不同位相下次表层NDH对次表层温度的作用

前人研究指出, 中东太平洋次表层NDH可以抑制次表层的降温速率, 引起ENSO事件在振幅和空间上的非对称(Hayashi et al, 2017)。图4展示了1959年1月到2011年12月3个月滑动平均的Nino3.4指数和赤道中东太平洋次表层(50~150m, 180°—80°W, 1°S—1°N)NDH指数。从图中可以看出次表层NDH通常是正值, 且与El Niño事件的发展几乎同步, 但与La Niña事件的发展反向, 这说明次表层NDH有利于加快El Niño期间的升温速率, 但减慢La Niña期间的降温速率。鉴于El Niño与La Niña几乎相同的发展时间, 这种NDH引发的海温发展速率差能引起最终海温振幅的差异, 即ENSO振幅非对称。同时, 次表层NDH在PDO不同位相下有明显的变化, 次表层NDH在PDO的正位相期间整体较强(0.18℃·月-1), 而在PDO负位相期间整体较弱(0.11℃·月-1)。由此可见, 次表层NDH的强弱和PDO位相存在密切联系, PDO正位相期间的次表层NDH更强。
图4 1959—2011年次表层NDH和Nino3.4指数的时间序列

Fig. 4 Time series of the subsurface NDH and Nino3.4 SSTA for 1959—2011

图5为PDO不同位相下NDH和NDH三维分量的年代际平均值的经度-深度图。从图中可以看出, 次表层的NDH在PDO正负位相期间均对次表层海温的发展有正贡献作用, 这有利于加快次表层海洋的升温速率, 且这种升温速率主要由非线性纬向温度平流(NDHx)主导。而非线性经向温度平流(NDHy)的正值主要集中在东太平洋的混合层(0~50m), 非线性垂直平流(NDHz)则使赤道西太平洋温跃层上方(50~100m)的海水增温。在PDO的负位相期间, 中东太平洋次表层NDH的贡献很明显弱于PDO正位相期间, 这种减弱主要是由于NDHx的减弱引起的。同时, 赤道东太平洋温跃层也在PDO负位相时期变浅, 温跃层的年代际变化似乎与次表层NDH的变化有关。
图5 PDO正位相期间的NDH(a)、NDHx(b)、NDHy(c)、NDHz(d)、和PDO负位相期间的NDH(e)、NDHx(f)、NDHy(g)、NDHz(h)在1°S—1°N之间的长期平均值

图中黑线为气候态20°C等温线

Fig. 5 (a) The Long-term mean of the NDH averaged over 1°S—1°N in the positive PDO phase and its (b) zonal, (c) meridional, and (d) vertical components, (e) the long-term mean of the NDH averaged over 1°S—1°N in the negative PDO phase and its (f) zonal, (g) meridional, and (h) vertical components. The thick black line are the climatological 20℃ isotherm

前人研究发现, La Niña发展阶段次表层NDH的加热效果可将LDH引发的次表层冷却效果减少30% (Hayashi et al, 2017)。为了确定次表层NDH在不同PDO位相下对次表层温度变化的贡献, 图6展示了东太平洋次表层(50~150m, 180°—80°W, 1°S—1°N)LDH和NDH之间的线性关系拟合图。为了区分El Niño事件和La Niña事件, 本文选择对LDH正值和负值分别进行拟合。如前文所述及图6所示, 次表层NDH在ENSO发展阶段几乎为正值, 而LDH在El Niño发展阶段为正值, 在La Niña发展阶段为负值, 即LDH促进ENSO事件的发展。在PDO正位相期间(图6a), 当负LDH增加的时候, 正NDH也随之增加; 当正LDH增加时, NDH很小, NDH对于负LDH的线性回归系数β=-0.303, 也就是说NDH减少了30%的由LDH引起的次表层冷却, 导致La Niña事件减弱, 这与Hayashi等(2017)指出的NDH将LDH引起的次表层冷却减小30%的观点一致。而在PDO负位相期间, NDH对于负LDH的线性回归系数β=-0.058, 这表明次表层NDH阻碍La Niña发展阶段次表层降温的效果仅有PDO正位相期间的19%左右[-0.058/(-0.303)=19.1%], NDH对LDH引起的次表层冷却的抑制作用明显弱于PDO正位相期间。
图6 PDO正位相(a)和PDO负位相(b)期间的LDH与NDH线性拟合图

图中洋红色实线为LDH与NDH的拟合直线; β为线性回归系数

Fig. 6 Scatter plots of LDH and NDH in the (a) positive PDO phase and in the (b) negative PDO phase

4 PDO不同位相下的ENSO非对称变化机制分析

前面两节探讨了PDO不同位相下的ENSO非对称以及次表层NDH对次表层温度的影响, 结果表明PDO正位相下的ENSO非对称以及次表层NDH都强于PDO负位相。下面就PDO不同位相下ENSO非对称和次表层NDH之间的关系进行分析。
从赤道太平洋(1°S—1°N)温度异常的偏度的经度-深度图(图7)中可以看到, 无论PDO正位相还是负位相, 赤道东太平洋温跃层下方的海温异常均呈现正偏度, 且明显强于海面温度异常的正偏度。次表层海温异常的正偏度沿着温跃层从东向西逐渐减小, 至西太平洋转为负偏度, 同时温跃层以上的海温异常在赤道中西太平洋呈现负偏度。需要指出的是, PDO正位相期间赤道东太平洋次表层海温异常的正偏度明显强于PDO负位相期间, 次表层温度异常(SubTA)的偏度与SSTA的偏度有很明显的对应关系(图7b)。
图7 1°S—1°N之间PDO正位相(a)和负位相(b)期间温度异常偏度的经度-深度分布

Fig. 7 Longitude-depth sections of the skewness of the temperature anomaly averaged over 1°S—1°N in (a) positive PDO phase and (b) negative PDO phase

图8为不同PDO位相下El Niño事件和La Niña事件在赤道太平洋地区的SSTA和SubTA经向-时间分布。从图中可以看出, SubTA的演变过程和SSTA十分相似, 但超前于SSTA出现, 为ENSO冷暖事件的发展起正贡献作用。因此, 可以通过分析SubTA的演变来分析不同PDO位相下的ENSO非对称。在PDO正位相期间, El Niño事件和La Niña事件的正负SubTA都起源于赤道太平洋西部并向东扩展, El Niño事件的正SubTA较强且极值位于100°W左右(图8b), 而La Niña事件的负SubTA较弱且极值位于130°W左右(图8f)。El Niño事件和La Niña事件正负SubTA强度和位置的差异使PDO正位相期间东太平洋次表层区域呈现如图7所示的正偏度。而在PDO负位相期间, 虽然ENSO事件的正负SubTA也起源于太平洋西部并也向东扩展, 但El Niño事件的正SubTA比PDO正位相期间更弱, 和La Niña事件的负SubTA相当, 而且正负SubTA的极值均位于120°W左右(图8d、8h)。因此, PDO负位相期间, El Niño事件中SubTA的减弱以及La Niña事件中更偏东的负SubTA, 使PDO负位相期间东太平洋的海温偏度弱于PDO正位相期间。
图8 PDO正位相El Niño(a)、PDO负位相El Niño(c)、PDO正位相La Niña(e)、PDO负位相La Niña(g)期间的SSTA (5°S—5°N)和PDO正位相El Niño(b)、PDO负位相El Niño(d)、PDO正位相La Niña(f)、PDO负位相La Niña(h)期间的SubTA(1°S—1°N, 50~150m)的经度-时间分布

Fig. 8 Time-longitude composite of SSTA (5°S—5°N) of El Niño in (a) positive PDO phase and (c) negative PDO phase, SSTA (5°S—5°N) of La Niña over in (e) positive PDO phase and (g) negative PDO phase, SubTA (1°S—1°N and 50~150 m depth) of El Niño in (b) positive PDO phase and (d) negative PDO phase and SubTA (1°S—1°N and 50~150 m depth) of La Niña in (f) positive PDO phase and (h) negative PDO phase

为了进一步分析PDO不同位相下ENSO非对称变化的原因, 本文选择对PDO不同位相期间El Niño事件和La Niña事件的发展阶段(4—11月), 在SubTA的偏度差别最大的区域(130°—90°W)进行热收支分析(图9a、9b)。从图中可以看出, 在PDO正位相期间, El Niño事件和La Niña事件发展阶段的次表层LDH对SubTA的时间变率都是起促进作用, 而次表层NDH在El Niño事件和La Niña事件中都是正值, 起到了增强El Niño事件中正SubTA的升温速率以及减弱La Niña事件中负SubTA的降温速率的作用, 这与图6所示结果一致, 因此次表层NDH使东太平洋次表层呈现为明显的正偏度(图9a)。虽然LDH也存在非对称性, 但是LDH对SubTA非对称的贡献量只有0.09℃·月-1, 而NDH对SubTA非对称的贡献量有0.52℃·月-1, NDH对SubTA非对称的重要性明显强于LDH。而PDO负位相期间El Niño事件和La Niña事件发展阶段的NDH明显弱于PDO正位相期间, 同时LDH对SubTA非对称的贡献量只有0.06℃·月-1, 而NDH对SubTA非对称的贡献量有0.24℃·月-1, NDH对SubTA非对称的重要性也明显强于LDH。因此, 随着次表层NDH的减弱, 其对El Niño事件正SubTA升温速率的增强效果以及对La Niña事件负SubTA降温速率的减弱效果也相应地减弱, 从而导致了PDO负位相期间东太平洋次表层偏度的降低(图9b)。
图9 PDO正位相(a)和PDO负位相(b)El Niño事件和La Niña事件中SubTA的时间变率、NDH和LDH以及PDO正位相(c)和PDO负位相(d)El Niño事件和La Niña事件中的NDHx、NDHy和NDHz

图中各项均在1°N—1°S, 130—90°W和50~150 m间计算所得

Fig. 9 The subsurface temperature tendency terms (left) - (right) along the x-axis: the temperature tendency, the subsurface NDH, and the subsurface LDH in (a) positive PDO phase and (b) negative PDO phase. The subsurface temperature tendency terms (left)-(right) along the x-axis: the subsurface NDHx, the subsurface NDHy, and the subsurface NDHz in (c) positive PDO phase and (d) negative PDO phase. All the terms are averaged over the far eastern equatorial Pacific (1°N—1°S, 130—90°W and 50~150 m depth) for the developing period of the composite ENSO events

为探究NDH的三维分量对次表层海温异常偏度的影响, 本文将NDH进一步分解为NDHx, NDHy和NDHz(图9c、9d)。从图中可以看出, 东太平洋次表层NDHx是NDH的主导分量, NDHy及 NDHz对NDH的贡献相较于NDHx小得多。NDHx倾向于使El Niño事件和La Niña事件的SubTA变暖, 这有利于增强(抑制)El Niño(La Niña)事件次表层的增温(降温)。因此, 正NDH主要由NDHx贡献, 也就是说东太平洋次表层的正偏度主要由NDHx引起。值得注意的是PDO正负位相的El Niño事件和La Niña事件中次表层NDH、NDHx的变化和图5中PDO正负位相次表层年代际平均值的变化基本一致, 因此PDO不同位相下NDHx的变化是影响东太平洋ENSO非对称变化的主要原因。
为了揭示PDO不同位相下ENSO事件东太平洋的次表层NDHx的不同, 本文对比分析了El Niño事件和La Niña事件发展阶段东太平洋次表层的海洋温度异常场(TA)和纬向流异常场(ua)(图10)。由图可知, 对于El Niño事件发展阶段来说, 负的纬向TA梯度和正的ua, 导致了正的NDHx, 从而增强了El Niño事件。由于PDO正位相期间ua和负的TA梯度强于PDO负位相期间, 所以PDO正位相期间的NDHx比PDO负位相期间强(图10c、10i)。对于La Niña事件来说, 正的纬向TA和负的ua导致了正的NDHx, 从而抑制了La Niña事件。由于PDO负位相期间的ua比正位相期间更加偏东, 强度也更弱, 因此NDHx的中心也更加偏东, 强度也更弱, 所以PDO正位相期间的NDHx更强(图10f)。而更强的NDHx会使SubTA的差距增大, 从而引起SSTA的非对称, 导致PDO正位相期间东太平洋ENSO的振幅非对称比PDO负位相期间强。
图10 PDO不同位相下ENSO事件发展阶段1°S—1°N之间的温度异常(a, d, g, j)、纬向速度(b, e, h, k)和NDHx(c, f, i, l)的经度-时间分布

Fig. 10 Longitude-depth structures between 1°S and 1°N in the development period of the composite ENSO events in different PDO phases. Anomalies of the (a, d, g, j) temperature (°C), (b, e, h, k) zonal current (m·s-1) and (c, f, i, l) NDHx

5 结论与展望

本研究使用HadISST的月平均海温资料、ORAS3的深层温度以及洋流资料, 运用偏度、合成分析以及热收支分析, 研究了PDO对ENSO非对称的调整及其原因。主要研究结果如下:
1) 通过偏度分析发现, PDO正位相期间的ENSO非对称明显强于PDO负位相期间。通过对PDO不同位相的ENSO事件成熟阶段的合成分析发现, PDO正位相期间El Niño事件和La Niña事件东太平洋SSTA场的空间分布和强度相差较大, 而PDO负位相期间El Niño事件和La Niña事件东太平洋SSTA场的空间分布相似、强度相近。
2) 通过对海洋再分析数据的热收支分析发现, 次表层NDH在PDO不同位相下有着明显的变化, PDO正位相期间东太平洋次表层NDH明显强于PDO负位相期间, 这种差异主要由NDHx的差异引起, 同时次表层NDH对LDH降温的抑制作用在PDO正位相期间也强于PDO负位相期间。
3) 次表层的海温异常相比于海表面更加明显, 并且在东太平洋也有着明显的正偏度, 和SSTA的偏度一致, PDO正位相期间东太平洋次表层海温异常的偏度也比PDO负位相期间强。通过对PDO正负位相El Niño事件和La Niña事件发展阶段的次表层进行热收支分析发现, 次表层NDH是造成东太平洋次表层偏度的主要原因, 而且与年代际平均值变化一致。PDO正位相阶段的次表层NDH明显强于PDO负位相阶段, 这种差异主要是由NDHx的差异造成。PDO正位相期间ua和负的TA梯度强于PDO负位相期间, 造成了PDO正位相期间的NDHx比PDO负位相期间强。
赤道东太平洋纬向流的变化主要跟赤道潜流和南赤道流有关。根据海洋环流理论, EUC的变化与赤道太平洋东西方向的海水压力梯度有关(Blanke et al, 1997), SEC则与南太平洋副热带环流圈的风应力旋度积分有关(Kessler et al, 2003), SEC的延展范围可以到北半球5°左右, 深度可从表层到次表层数百米。因此, ENSO非对称的年代际变化与南太平洋也有密切关系。
本文的研究只讨论了PDO不同位相对ENSO非对称的调整和可能机制, PDO指数的计算范围限于热带太平洋和北太平洋。由于北赤道逆流的阻挡, 北半球的影响可能较为次要, 南半球则可能有更为重要的影响, 充分考虑南半球对ENSO非对称年代际变化的影响将是下一步工作的关注点。

References

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[1]
董宇佳, 孟祥凤, 张磊, 2012. ENSO非对称及其机制初步研究[C]//海洋科学前沿(一)首届海洋女科学家论坛论文集. 北京: 海洋出版社. 42-50 (in Chinese).

[2]
于毅, 孟祥凤, 张磊, 等, 2011. ENSO循环的非对称性及其机制初步探讨[J]. 热带海洋学报, 30(4): 31-37.

YU YI, MENG XIANGFENG, ZHANG LEI, et al, 2011. A preliminary study on the asymmetry of ENSO and its mechanism[J]. Journal of Tropical Oceanography, 30(4): 31-37 (in Chinese with English abstract).

DOI

[3]
AN S, 2009. A review of interdecadal changes in the nonlinearity of the El Niño-Southern Oscillation[J]. Theoretical and applied climatology, 97(1): 29-40.

DOI

[4]
AN S, JIN FEIFEI, 2004. Nonlinearity and Asymmetry of ENSO[J]. Journal of Climate, 17(12): 2399-2412.

DOI

[5]
AN S, KIM J, 2017. Role of nonlinear ocean dynamic response to wind on the asymmetrical transition of El Niño and La Niña[J]. Geophysical Research Letters, 44(1): 393-400.

DOI

[6]
AN S, KIM J, 2018. ENSO Transition Asymmetry: Internal and external causes and intermodel diversity[J]. Geophysical Research Letters, 45(10): 5095-5104.

DOI

[7]
BALMASEDA M A, VIDARD A, ANDERSON D L T, 2008. The ECMWF ocean analysis system: ORA-S3[J]. Monthly Weather Review, 136(8): 3018-3034.

DOI

[8]
BLANKE B, RAYNAUD S, 1997. Kinematics of the Pacific equatorial undercurrent: an eulerian and lagrangian approach from GCM results[J]. Journal of Physical Oceanography, 27(6): 1038-1053.

DOI

[9]
BURGERS G, STEPHENSON D B, 1999. The “normality” of El Niño[J]. Geophysical Research Letters, 26(8): 1027-1030.

DOI

[10]
CHEN MINGCHENG, LI T, SHEN XINYONG, et al, 2016. Relative roles of dynamic and thermodynamic processes in causing evolution asymmetry between El Niño and La Niña[J]. Journal of Climate, 29(6): 2201-2220.

DOI

[11]
DESER C, WALLACE J M, 1987. El Niño events and their relation to the Southern Oscillation: 1925-1986[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 92(C13): 14189-14196.

[12]
DINEZIO P N, DESER C, 2014. Nonlinear controls on the persistence of La Niña[J]. Journal of Climate, 27(19): 7335-7355.

DOI

[13]
DOMMENGET D, BAYR T, FRAUEN C, 2013. Analysis of the non-linearity in the pattern and time evolution of El Niño southern oscillation[J]. Climate Dynamics, 40(11): 2825-2847.

DOI

[14]
DUAN WANSUO, MU MU, 2006. Investigating decadal variability of El Nino-Southern Oscillation asymmetry by conditional nonlinear optimal perturbation[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 111(C7).

[15]
FENG JUAN, WANG LIN, CHEN WEN, 2014. How does the east Asian summer monsoon behave in the decaying phase of El Niño during different PDO phases?[J]. Journal of Climate, 27(7): 2682-2698.

DOI

[16]
GONG YUHAN, LI TIM, CHEN LIN, 2020. Interdecadal modulation of ENSO amplitude by the Atlantic multi-decadal oscillation (AMO)[J]. Climate Dynamics, 55(9): 2689-2702.

DOI

[17]
HAYASHI M, JIN FEIFEI, 2017. Subsurface nonlinear dynamical heating and ENSO asymmetry[J]. Geophysical Research Letters, 44(24): 12, 427-12, 435.

[18]
HAYASHI M, JIN FEIFEI, STUECKER M F, 2020. Dynamics for El Niño-La Niña asymmetry constrain equatorial-Pacific warming pattern[J]. Nature Communications, 11(1): 4230.

DOI PMID

[19]
JIN FEIFEI, AN S, TIMMERMANN A, et al, 2003. Strong El Niño events and nonlinear dynamical heating[J]. Geophysical Research Letters, 30(3): 20-21.

[20]
KESSLER W S, JOHNSON G C, MOORE D W, 2003. Sverdrup and nonlinear dynamics of the Pacific equatorial currents[J]. Journal of Physical Oceanography, 33(5): 994-1008.

DOI

[21]
KRAVTSOV S, 2012. An empirical model of decadal ENSO variability[J]. Climate Dynamics, 39(9): 2377-2391.

DOI

[22]
LIN RENPING, ZHENG FEI, DONG XIAO, 2018. ENSO frequency asymmetry and the Pacific decadal oscillation in observations and 19 CMIP5 models[J]. Advances in atmospheric sciences, 35(5): 495-506.

DOI

[23]
MANTUA N J, HARE S R, ZHANG YUAN, et al, 1997. A pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 78(6): 1069-1080.

DOI

[24]
MCPHADEN M J, ZEBIAK S E, GLANTZ M H, 2006. ENSO as an integrating concept in earth science[J]. Science, 314(5806): 1740-1745.

DOI PMID

[25]
MCPHADEN M J, ZHANG XUEBIN, 2009. Asymmetry in zonal phase propagation of ENSO sea surface temperature anomalies[J]. Geophysical Research Letters, 36(13).

[26]
PAN XIAO, LI TIM, CHEN MINGCHENG, 2020. Change of El Niño and La Niña amplitude asymmetry around 1980[J]. Climate Dynamics, 54(3): 1351-1366.

DOI

[27]
RAYNER N A, PARKER D E, HORTON E B, et al, 2003. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 108(D14).

[28]
SU JINGZHI, ZHANG RENHE, LI TIM, et al, 2010. Causes of the El Niño and La Niña amplitude asymmetry in the equatorial eastern pacific[J]. Journal of Climate, 23(3): 605-617.

DOI

[29]
TIMMERMANN A, AN S, KUG J, et al, 2018. El Niño-Southern Oscillation complexity[J]. Nature, 559(7715): 535-545.

DOI

[30]
WANG LIN, CHEN WEN, HUANG RONGHUI, 2008. Interdecadal modulation of PDO on the impact of ENSO on the east Asian winter monsoon[J]. Geophysical Research Letters, 35(20).

[31]
WU A, HSIEH W W, 2003. Nonlinear interdecadal changes of the El Niño-Southern oscillation[J]. Climate Dynamics, 21(7): 719-730.

DOI

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