国家自然基金重点项目《影响ENSO强度和不对称演变的机理研究》研究成果

南京信息工程大学李天明教授主持的国家自然科学基金重点项目《影响ENSO强度和不对称演变的机理研究》（项目编号41630423），围绕当前气候状态和未来气候变暖背景下，控制ENSO振幅、结构和演变的物理机制这一主题，开展了深入系统的研究工作，经过项目组成员的努力，在相关领域取得了一些创新性成果，项目第一资助发表论文27篇，其中SCI论文24篇。项目成果对深入理解当前气候以及全球变暖背景下的 ENSO 动力学和海气相互作用具有重要意义，可做为国内与国际上各模式 ENSO 模拟改进的基础，有助于提高季节气候预测水平。

主要成果如下：

主要成果-1

揭示 2015/16 超级厄尔尼诺形成机制

从东太平洋海温异常增暖的角度出发，根据增温幅度的不同，可以简单地将厄尔尼诺事件划分为超级厄尔尼诺事件与常规厄尔尼诺事件，前者对全球天气和气候的影响更加显著。然而，时至今日多数气候模式仍然无法准确的预测超级厄尔尼诺事件的发生，这严重地制约着季节预测水平。通过细致的诊断分析工作，研究成果揭示了2015年超级厄尔尼诺的形成机制，并指出此次事件与以往的超级厄尔尼诺相比存在明显的区别：以往的超级厄尔尼诺事件中前期海气信号均有利于厄尔尼诺事件形成，而2015年超级厄尔尼诺事件中恰好相反，前期海气信号不利于厄尔尼诺事件的形成。有趣的是，在2015年上半年期间，赤道中西太平洋地区出现了持续而强劲的“西风爆发”事件，这彻底扭转了前期不利的海气条件，使得东太平洋海温迅速重燃。截至2015年8月，赤道东太平洋暖海温异常强度已接近过往超级厄尔尼诺事件，Bjerknes正反馈机制使得暖信号进一步放大，最终在2015年底时出现超级厄尔尼诺事件。该研究工作为提高厄尔尼诺预测技巧提供了新的理论依据。

图1（a）使用ERSST资料计算得到的Nino-3指数序列；（b）2015/16超级厄尔尼诺时期（紫色）、传统超级厄尔尼诺时期（红色，包括1982/83和1997/98厄尔尼诺），和常规厄尔尼诺时期（蓝色，包括1986/87、1987/88、1991/92、1994/95、2002/03、2004/05、2006/07和2009/10厄尔尼诺）Nino-3指数合成结果。（L Chen, T Li, B Wang, et al. 2017）

主要成果-2

全球变暖背景下 ENSO 振幅变化的预测

ENSO是年际时间尺度上最显著的气候变率，但在全球变暖（GW）背景下，控制ENSO振幅变化的因子尚不确定。在CMIP5的20余个耦合大气环流模式中，研究成果表明控制ENSO振幅变化不同预测的基本因素是太平洋副热带环流（STC）气候平均态的变化，其强度决定了ENSO扰动的经向结构，从而影响了温跃层异常对风强迫的响应。温跃层响应的变化是调节Bjerknes温跃层和纬向平流反馈强度的一个关键因素，这最终导致ENSO振幅的不同变化。此外，使用简单的理论模型估算的纬向平均的纬向风应力的变化强迫海洋环流模式，从而知道未来的STC将会减弱。这种变化表明：在全球变暖背景下，ENSO变率可能会加强，这可能会产生深远的社会经济影响。

图2 （a）从20个CMIP5模式结果得到的历史实验（PD）到全球变暖背景下RCP 8.5实验（GW）中Nino-3区SSTA标准差变化情况。红色（蓝色）标注代表增强（减弱）的模式；（b）影响ENSO振幅变化最重要的四项诊断结果。（L Chen, T Li, Y Yu, et al. 2017）

主要成果-3

厄尔尼诺和拉尼娜的生命史不对称：正常事件与特殊事件的对比

1986年的厄尔尼诺和2005年的拉尼娜与典型的厄尔尼诺和拉尼娜事件相比，呈现出独特的演变特征。1986年厄尔尼诺持续两年多，而2005年拉尼娜则在第二年冬季转变为暖事件。通过海洋混合层热量收支分析了造成这种独特演变特征的物理机制。特殊事件与典型的厄尔尼诺和拉尼娜事件的主要不同之处在于风引起的纬向平流项和温跃层反馈项。1986年末，在西北太平洋出现异常的气旋，与典型的厄尔尼诺在发展成熟的冬季的西北太平洋反气旋形成对比。1986年末，异常对流加热中心从热带印度洋向东移，对1986/1987年厄尔尼诺成熟期冬季的异常WNPC的产生起到关键的作用。在WNPC南侧赤道的西风异常触发下沉Kelvin波，将正的海表温度异常维持到1987年。2005年拉尼娜与典型拉尼娜相比，负的海表温度异常中心向东移动至少20个经度，因此，异常的WNPC，以及赤道上的西风异常，在2005年拉尼娜的成熟位相期间发展。这导致了2005年拉尼娜的快速衰亡，在次年的夏季，正的海表温度异常形成。依赖于季节的海气反馈过程进一步加强了秋季海表温度的增暖，导致在接下来的冬季，拉尼娜向厄尔尼诺转换。

图3 典型和特殊的（a）厄尔尼诺和（b）拉尼娜事件中，SSTA随时间变化情况。（M Chen, T Li 2018）

主要成果-4

ENSO生命史不对称：EP厄尔尼诺对比CP厄尔尼诺

通过海洋混合层热量收支诊断分析，探讨了EP厄尔尼诺、CP厄尔尼诺和拉尼娜事件衰减时期速率的差异及其形成的物理机制。诊断结果表明，EP厄尔尼诺衰减最快，CP厄尔尼诺次之，拉尼娜最弱。动力过程（风场强迫激发的赤道太平洋波动以及温跃层深度变化）和热力过程（海表面净短波辐射和潜热释放通量）都对其具有重要贡献。对于CP厄尔尼诺和拉尼娜事件而言，西北太平洋近海表面风场的差异对两者生命史的不同演变特征起关键性作用。相比于CP厄尔尼诺事件而言，拉尼娜事件中西北太平洋异常气旋中心更加偏西移至中国南海上空，因此异常气旋南侧西风距平难以影响到赤道西太平洋，对拉尼娜事件的衰减过程帮助较小。综上所述，EP与CP厄尔尼诺事件可以迅速完成正位相向负位相的转变，而拉尼娜事件则维持负位相直至第二年末再次发展。

图4 CP厄尔尼诺对比拉尼娜事件中，合成的冬季标准化SSTA、850hPa风场距平、降水和流函数的（a、b）对称和（c、d）非对称分量场。（M Chen, T Li 2021）

主要成果-5

厄尔尼诺期间西北太平洋异常反气旋形成的理论：综述（Tim Li，et al.，Journal of Meteorological Research，2017）

西北太平洋异常反气旋（WNPAC）是厄尔尼诺影响东亚-西北太平洋气候的主要环流系统。夏威夷大学和南京信息工程大学的李天明教授与夏威夷大学的王斌教授，中科院大气物理所的吴波博士，周天军研究员，美国海军研究生院的C-P Chang教授以及复旦大学的张人禾教授合作发表了一篇题为《厄尔尼诺期间西北太平洋异常反气旋形成的理论：综述》的综述性文章。文章总结和讨论了过去20年关于该方向的研究进展和各种理论成果，以及过往研究理论的局限性。与西北太平洋反气旋形成相关的理论包括：暖池区大气-海洋相互作用，印度洋电容器效应，ENSO和年循环非线性相互作用所导致的combination mode， 风-湿焓平流，以及中太平洋海温强迫效应。分析表明，局地海-气相互作用以及风-湿焓平流机制是厄尔尼诺成熟冬季WNPAC发展和形成的最主要过程。它们对WNPAC在次年春天的维持也很重要。印度洋电容器机制在厄尔尼诺衰减年夏季有助于WNPAC维持。同时西北太平洋的局地海温异常也起一定作用。跨越印度洋-西太平洋暖池的大气-海洋耦合模态是一个新的可能机制，常常发生在一个强的厄尔尼诺的衰减年夏季。中太平洋冷SST异常强迫是北半球夏季的另一个重要影响机制，经常发生于厄尔尼诺快速衰减位相或拉尼娜发展/维持位相。文章在最后提出了一个新的热带大西洋电容器机制。

主要成果-6

厄尔尼诺冬季西北太平洋异常反气旋对全球变暖的响应

在发展位相，厄尔尼诺总会在北太平洋激发一异常气旋。利用CMIP5的30个耦合模式和11个大气模式的输出结果，发现在未来增暖的情形下，多耦合模式预估北太平洋异常气旋将会略微增强，同时存在较大的模式间不确定性。通过加入理想的海温模态，大气模式预估的变化与耦合模式相似，但是北太平洋异常气旋增幅更强。基于一个简单的理论模型，证实异常非绝热加热，平均态静力稳定度和相对涡度经向梯度是调控该异常气旋变化的关键因子。进一步诊断CMIP5多模式的结果，发现北太平洋异常气旋的变化主要由异常非绝热加热和平均态静力稳定度的竞争作用决定。北太平洋异常气旋的变化幅度很大程度上由赤道中东太平洋异常降水的增幅调控，同时赤道中东太平洋局地异常降水的增幅受到平均态海温和厄尔尼诺异常海温共同影响。相比于均一增暖，类厄尔尼诺增暖模态会使得赤道中东太平洋局地平均态降水增幅更强，从而增强北太平洋异常气旋。赤道中东太平洋局地的海气相互作用，削弱了与厄尔尼诺相关的异常海温，从而削弱了北太平洋异常气旋的增幅。

图5 秋季厄尔尼诺事件发展时期，在（a、b）观测、（c、d）历史实验，和（e、f）AMIP实验中，850hPa涡动位势高度、风场、流函数和降水场对同期Nino-3指数回归得到的结果。（Y Wang, C He, and T Li 2020）

主要成果-7

提前 17 个月预报厄尔尼诺

厄尔尼诺对全球的气候和天气有深远的影响。最先进的气候模式已经在厄尔尼诺的预报上取得了很大的进步。然而，基于观测事实的预报技巧仍不够高，主要局限于提前6-12个月的预报上。基于观测分析，在2018年提出一种海盆间相互作用的遥相关机制，这种机制可以提前17个月预报厄尔尼诺。它描述了西半球暖池（WHWP）作为世界第二大暖池，在厄尔尼诺的形成过程中扮演着重要角色。WHWP在夏末（7-8月）的海表面温度（SST）异常可以通过副热带北太平洋的海气相互作用为后续冬季和来年春季太平洋经向模（PMM）的出现重要贡献，和PMM相关的近赤道表面风异常可以通过赤道波动动力学作用进一步触发厄尔尼诺。因此，观测分析结果揭示了WHWP提前17个月对厄尔尼诺发展的逐步影响。综上所述，将WHWP的影响与赤道太平洋以及印度洋偶极子（IOD）的热容量作为前兆信号相结合，使用简单的多元回归统计模型，就可以极大地增强并提高提前一年对厄尔尼诺的预报技巧。

图6 WHWP-SST对太平洋地区的时滞影响。根据WHWP（JAS0）指数，得到(a) JAS(0), (b) SON(0), (c) ND(0)J(1), (d) JFM(1), (e) MAM(1) 时期SST、SLP、风场，和降水场的时滞相关图。(f) D(1)JF(2)时期对标准化WHWP指数的回归结果。（J-H Park, J-S Kug, T Li, et al 2018）

主要成果-8

AMO在年代际尺度对ENSO振幅的影响

利用观测资料研究了AMO对ENSO振幅的影响。在之前的90年里，ENSO强度和AMO有显著的负相关关系。AMO负（正）位相时，ENSO强度偏强（弱）。海洋温跃层温度诊断结果表示，温跃层反馈项是AMO调制ENSO最重要的一项。进一步工作表示，AMO负位相时ENSO温跃层反馈增强由三个响应的增强导致：纬向风对单位SSTA的响应，温跃层对单位纬向风的响应，次表层温度对单位温跃层变化的响应。这些变化是和AMO负位相时，背景水汽的增加、海洋次表层环流的减弱、海洋垂直温度梯度增加有关。

图7 (a) AMO-和AMO+位相时期，背景态纬向风垂直切变（u200-u850）差异；(b) 10-90天带通滤波后，5S-5N间850hPa纬向风标准差，虚线代表AMO-减去AMO+的结果；(c) 与b结果相似，为去除厄尔尼诺年后的结果。（Y Gong, T Li, and L Chen, 2020）

主要成果-9

大西洋近期增暖在ENSO与大西洋关系中的效应

大西洋暖池（AWP）代表了中夏到早秋季节西半球最高的海表温度（SST），对其周围地区的气候有着重要的影响。研究发现，AWP正在逐渐增暖。因此20世纪以来AWP的SST在最近几十年里较之前任何时间段更高。由于AWP增暖，大气对AWP异常的SST的响应增强，更容易产生深对流。通过深对流产生的Rossby波的传播，AWP的信号可以进一步西传至中北太平洋。北太平洋出现异常的北风，将干的湿静力能（MSE）输送到副热带北太平洋，通过与平均态偏北信风的相互作用，造成SST变冷。由于Gill模型对此异常冷SST以及干MSE平流引起的负加热的响应，副热带北太平洋的异常北风进一步加强。这样一个海气正反馈过程从秋季维持到冬季，导致次年春季太平洋经向模（PMM）的变率增加。紧接着，增强的PMM变率可以增强ENSO事件的发生。Park等人2018年进行的耦合模式实验结果，证实了AWP的增暖增强了大西洋-太平洋海盆间在年际尺度上的遥相关。

图8 (a) 在1960-1985年，大气环流对AWP-SST响应较弱，因此对太平洋地区影响有限。此外，平均涡度的经向正梯度通过与异常偏北风相互作用阻碍正SLP发展。(b) 在1990-2015年，大气对AWP-SST的响应加剧。这意味着其影响力可进一步延伸至北太平洋中部。因此，在北太平洋中部至东部地区出现偏北风异常。异常北风与气候背景态东北信风相互作用，导致SST冷却，并向赤道地区平流较干的湿静力能，导致北太平洋降水减少。此时，负经向涡度梯度使得异常北风向赤道地区平流负涡度，这也有助于SLP的升高。（J-H Park, T Li, S-W Yeh, et al. 2019）

李天明教授简介

李天明，男，美国夏威夷大学终身教授、南京信息工程大学气候动力学研究中心主任。1983年获北京大学学士；1993年获夏威夷大学气象学博士学位。担任世界气象组织（WMO）世界天气研究计划（WWRP）季风工作组成员、气候变化与可预报性（CLIVAR）/大气环流模式比较计划（AMIP）东亚气候工作组成员、亚太经济合作组织韩国釜山气候中心（APCC）科学家咨询组成员，以及《Journal of Climate》、《Bulletin of the American Meteorological Society》编辑 和《Journal of Meteorological Research》副主编。荣获夏威夷大学杰出研究金奖，承担多项国家级科研项目，主要从事气候动力学、热带气象、季风及台风等方面的研究。发表SCI论文370余篇，Google Scholar引用16500余次，H指数：70，34篇论文单篇引用率超过100次。

个人主页网址：

1.https://faculty.nuist.edu.cn/litianming/zh_CN/index.htm

2.http://iprc.soest.hawaii.edu/people/li.php