混合湍流混合对中太平洋厄尔尼诺-南方涛动的影响

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO) 是一种全球气候现象，由热带太平洋上空的风和海面温度变化引起，虽然变化不规则，但确实具有一定的周期性。海面温度的变暖阶段称为“厄尔尼诺”，而冷却阶段称为“拉尼娜”，南方涛动则是伴随的大气振荡，与海温变化相伴而生。

厄尔尼诺-南方涛动的一个关键机制是比耶克内斯反馈 ，由挪威气象学家雅各布·比耶克内斯在1969年提出，描述了赤道太平洋海表温度异常与大气风场之间的相互作用，如何通过正反馈放大 厄尔尼诺-南方涛动事件。这项反馈机制主要关注风场和上翻流的作用，而忽略了其他可能影响厄尔尼诺-南方涛动的过程。

在厄尔尼诺期间，赤道太平洋东部海表温度升高，导致对流增强，气压降低，削弱了赤道太平洋的东风，东风减弱导致赤道太平洋东部的上翻流减弱，温跃层加深，更多暖水堆积在东部，进一步加剧海表温度升高。简单示意如下：海温↑ → 东风↓ → 上翻流↓ → 海温↑↑。

在拉尼娜期间，赤道太平洋东部海表温度降低，导致对流减弱，气压升高，增强了赤道太平洋的东风，东风增强导致赤道太平洋东部的上翻流增强，温跃层变浅，冷水上涌，进一步加剧海表温度降低。简单示意如下：海温↓ → 东风↑ → 上翻流↑ → 海温↓↓。

图：12 月至 2 月厄尔尼诺现象期间温度和降水的变化（来源：维基百科）

图： 6 月至 8月拉尼娜现象现象期间温度和降水的变化（来源：维基百科）

混合如何影响厄尔尼诺和南方涛动

2019年，美国俄勒冈州科瓦利斯俄勒冈州立大学地球、海洋与大气科学学院引导的一项研究，基于在赤道太平洋冷舌区的χpod仪器长达11年的观测数据，测量了混合过程的变化。这项研究是次通过长期观测数据揭示了混合在厄尔尼诺和南方涛动相变中的具体作用，为湍流混合与厄尔尼诺和南方涛动研究提供了观测基础。

研究提出了混合作为厄尔尼诺和南方涛动正反馈机制的一部分，修正了传统的比耶克内斯反馈反馈理论，特别是在拉尼娜期间，混合通过冷却海表温度，增强了东风，进而增强了上层海洋的剪切力，使系统更接近不稳定状态，从而加强了混合，表明混合是厄尔尼诺和南方涛动正反馈机制的一部分。修正后的示意如下：海温↓ → 混合↑ → 东风↑ → 上翻流↑ → 海温↓↓。

研究发现，混合在从中性状态到拉尼娜峰值的过程中最为强烈，而在从中性状态到厄尔尼诺峰值的过程中最弱，混合的中等强度出现在从中性状态恢复的过程中。表明混合在拉尼娜的形成过程中起到了关键作用。

混合引起的热通量散度与海表温度的变化速率一致，表明混合是厄尔尼诺和南方涛期间海表温度变化的主要驱动力之一。混合通过影响海表温度，增强了厄尔尼诺和南方涛的正反馈机制，特别是通过加强东风和上层海洋的剪切力，进一步促进了混合过程。

该研究通过长期观测数据，揭示了混合在厄尔尼诺和南方涛相变中的关键作用，特别是在拉尼娜冷却期，混合通过冷却海表温度增强了厄尔尼诺和南方涛的正反馈机制，填补了比耶克内斯反馈机制中的一个重要空白。

图：厄尔尼诺和南方涛动观测数据

(a) 海洋尼诺指数 (ONI) 按四种情况着色：厄尔尼诺变暖（红色）、厄尔尼诺变冷（橙色）、拉尼娜变暖（浅蓝色）和拉尼娜变冷（深蓝色）。ENSO 中性期为灰色。未完全阴影的条出现在没有χ pod 数据的月份。 (b) 来自两个来源的月平均 SST：TAO 停泊在 0°、140°W 1 米深度（有时间间隙；橙色）和 TropFlux（黑色）。根据 1979-2017 年 TropFlux 计算出的 SST 年度周期，不包括 ENSO 事件（黑色虚线）。 (c) 月平均向下表面热通量和 (d) 0°、140°W 的纬向风应力，来自与 (b) 中相同的两个来源。 (e) TAO 系泊站测量的日平均温度（红色/蓝色）与χ吊舱的月平均向下湍流热通量（J q ^t，灰色）相重叠。 (f) 日平均纬向速度（红色/蓝色）与χ吊舱的月平均湍流消散率（ϵ，灰色）相重叠。 (e, f) 绘制了月平均混合层深度（h；实线）、20 °C 等温线深度（z ₂₀；虚线）和 EUC 核心深度（z _E U C；虚线）。

中太平洋区域海洋湍流混合与厄尔尼诺和南方涛动

自21世纪以来，厄尔尼诺和南方涛动在中太平洋的信号比东太平洋更明显，然而，厄尔尼诺和南方涛动的预测能力在21世纪初有所下降，现有的预测框架对厄尔尼诺和南方涛动关键动力学的理解仍存在不足。

研究指出，海洋混合层底部的湍流混合可能是一个潜在的影响因素，为了探究海洋混合层底部的湍流混合如何影响厄尔尼诺和南方涛动，中国科学院海洋研究所，海洋观测与预报重点实验室和海洋环流与波浪重点实验室研究团队，基于2005-2022年Argo浮标数据，利用湍流混合模型，计算了次表层湍流热通量，并结合表面净热通量，评估了非绝热效应对混合层温度变化的影响。

这项研究首次系统地揭示了海洋湍流混合在中太平洋厄尔尼诺和南方涛动中的正反馈作用，明确了中太平洋和东太平洋厄尔尼诺和南方涛动在非绝热效应上的差异，解释了为什么中太平洋厄尔尼诺和南方涛动的信号更加显著的问题。

研究发现，中太平洋区域的海洋湍流混合对ENSO有显著的正反馈作用。在厄尔尼诺期间，湍流混合导致的非绝热增暖效应加速了海表温度的上升，非绝热增暖对海表温度的贡献约为+0.35°C/月；而在拉尼娜期间，湍流混合导致的非绝热冷却效应则加速了海表温度的下降，非绝热冷却的贡献约为-0.29°C/月。

与中太平洋不同，东太平洋区域的非绝热效应对ENSO的发展起到了抑制作用。在厄尔尼诺期间，表面净热通量的异常冷却效应主导了海表温度的变化，表面净热通量导致的冷却效应约为-1.0°C/月；而在拉尼娜期间，表面净热通量的异常增暖效应则抑制了海表温度的下降，表面净热通量导致的增暖效应约为+1.5°C/月。

进一步研究发现，风速的变化是驱动湍流混合的关键因素。在中太平洋区域，风速的增强会通过增加垂直剪切和湍流混合，进而影响海表温度的变化。而在东太平洋区域，风速的变化较弱，湍流混合的效应也相对较弱。

在季节性和年季变化上，湍流混合在中太平洋区域表现出明显的季节性和年际变化，这与厄尔尼诺和南方涛动的周期密切相关，特别是在厄尔尼诺和拉尼娜的生成阶段，湍流混合的发生率显著增加。

这项研究通过分析Argo浮标数据，揭示了海洋湍流混合对中太平洋厄尔尼诺和南方涛动的正反馈机制，并提出了改进预测模型的新思路。研究不仅填补了现有厄尔尼诺和南方涛动理论的空白，还为未来的气候模拟和预测提供了重要的科学依据。

图：赤道太平洋混合层表面和地下热通量的可用数据

a混合层内表面净热通量和混合层底部（MLB）外表面湍流热通量示意图；阴影部分表示 2000–2022 年所有厄尔尼诺事件增长月份（9 月、10 月和 11 月，SON）的月平均温度异常；黑色粗线表示根据 Argo 剖面计算的赤道带 MLB 平均深度。标记了 Niño 3、Niño 4 和 Niño 3.4 区域。b 2005–2022 年5°（纬向）×3°（经向）方格上的Argo剖面编号（左），以及 1° 经向网格上 170°W–110°W 平均的纬向平均 Argo 剖面编号（右）。c估计的平均向内表面净热通量（考虑了穿透性短波热通量）和向外的地下湍流热通量和，在赤道带沿线 5° (纬向)×6° (3°S–3°N) 的框内平均（见正文）；虚线阴影表示 2005–2022 年期间计算的每个框上的相应标准差，实线阴影表示 95% 的自举置信区间，而误差线表示月异常的标准差。

思考题：在中太平洋区域，海洋湍流混合对厄尔尼诺和南方涛动的影响是什么？

A.加速厄尔尼诺和拉尼娜的发展
B.抑制厄尔尼诺和拉尼娜的发展
C.对ENSO没有显著影响
D.仅影响厄尔尼诺，不影响拉尼娜

厄尔尼诺和南方涛动对全球降雨和极端天气事件等密切相关，通过这项研究，我们能够更好地理解厄尔尼诺和南方涛动的动力机制，为应对气候变化和极端天气事件提供科学支持。

参考文献：Chuanyu Liu, Fan Wang, Armin Köhl, Xiaowei Wang, Chunzai Wang & Kelvin J. Richards ，Subsurface ocean turbulent mixing enhances central Pacific ENSO. Nature Communications volume 16, Article number: 2315 (2025)，doi：10.1038/s41467-025-57058-4