认识大气/海洋变率耦合动力学 100 年进步

　　作者：David S. Battisti（华盛顿大学 大气科学系）；Daniel J. Vimont（威斯康星大学麦迪逊

　　分校 大气和海洋科学院）；Benjamin P. Kirtman（Rosenstiel 海洋和大气学院 大气科学系）

　　编译：贾朋群 田晓阳

　　摘要：大气和上层海洋状态的实地观测网和再分析产品，显示了明确的从季节到年代际耦合气候变率的大尺度特征。我们通过观测分析、用各种复杂度的非耦合和耦合大气和海洋模式进行试验和用理论发展视角，总结了这些现象及其物理含义。我们从讨论赤道热带太平洋和大西洋季节循环开始，它无疑受到了大气和海洋之间耦合的影响。之后，我们讨论仅仅因为大气和海洋之间耦合而存在的热带现象：太平洋和大西洋经向模态，太平洋上的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)，以及大西洋类似ENSO的现象。对于ENSO，我们进一步讨论 ENSO 冷暖阶段之间的不规则和不对称的来源，以及ENSO对强迫的响应。北半球中纬度所有尺度变率的基础，首先是不依赖于海洋、陆地或海冰分布状态的任何变化而存在的非耦合大气变率。这些特征包括北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)和太平样北美/阿留申低压(PNA)分布；它们大多在冬季最活跃，时间谱近似于白噪声。NPO、PNA和NAO的随机变率通过湍流交换和Ekman传输在从天到年际时间尺度上驱动海洋，在年代际和更长时间尺度上通过风应力驱动。PNA是导致太平洋年代际涛动的部分原因；NAO是北大西洋类似副极地海洋涡旋现象的成因。模式方面，NAO的随机强迫还使得大西洋经向翻转环流(AMOC)强度变率的提高，它是被称为大西洋多年代涛动（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）的北大西洋气候多年代际距平的部分原因；充分确定AMO物理机制的观测尚不存在。我们评述过去 50 年里我们在认识这些现象中每一个取得的进步，以及惠及的短期（季节到年际）气候预测。最后，简单讨论将要实现的进展暂时性措施和期盼中的进展。

　　1. 引言

　　20世纪的前2/3时间里，耦合大气/海洋变率极少被讨论。在早期的研究里，Gilbert Walker爵士分析了世界台站数据，并用术语“南方涛动”表示海洋大陆海平面气压和降水一致的大尺度振荡(Walker 1924) 1。数十年后，Berlage (1966)将南方涛动与秘鲁和厄瓜多尔周围海洋的周期性局地变暖联系起来：这种变暖是近75年前记载的厄尔尼诺现象(Carranza 1892;Carrillo1893;Pezet 1895, 1896)。Bjerknes (1969)指出，太平洋沿赤道贸易风变化通过沃克环流与南方涛动联系在一起。Bjerknes 给出了贸易风强度变化与跨太平洋海洋表面温度（SST）2大尺度东-西梯度有联系的证据，今天这种紧密联系被称为Bjerknes反馈，是大尺度ENSO现象两个核心组成之一（另一个是风应力变化海洋绝热调整，见4节）。尽管或许还存在更早的必须双向耦合的例子，然而，Bjerknes(1969)的描述开启了对此处定义的耦合海洋/大气现象的认识，现在已经广泛传播。

　　在1960年代和1970年代，热带太平洋大气和海洋观测研究的主流ENSO认识是作为泛太平洋现象，暖厄尔尼诺事件持续12-18个月左右，通常发生于幅度较小、持续几年的冷拉尼娜事件后 (Rasmusson andCarpenter 1982)。厄尔尼诺事件每4-7 发生一次，一般在日历年年末达到峰值。同样在 960年代和1970年代，理论进步带来对热带海洋对风应力驱动反应的认识，以及大气对 SST 变化的响应的理解(见4b节)。

　　1982/83年厄尔尼诺事件（ENSO暖期）以其幅度和持续时间闻名。事件启发气象学家和海洋学者走到一起制定10年TOGA计划，在 1985-1994年研究“热带海洋对全球大气（TropicalOceans on the GlobalAtmosphere ）” 的影响 。TOGA极大强化了热带太平洋观测系统 [评述见McPhaden et al. (1998)，附图1]，并开创了中等复杂度的耦合大气/海洋系统，推进了对典型ENSO循环基本特征的认识，包括空间结构和暖、冷（厄尔尼诺和拉尼娜）事件的幅度、暖事件之间的周期和不同ENSO季节性的认识。反过来，这些模式的分 析 认 为ENSO的本质是发生在热带太平洋上的大气/海洋动力耦合，那里热带海洋动力，通过海洋动力和地表通量丰富的混合，是SST演化的基础。TOGA项目和世界海洋气候试验（World OceanClimateExperiment，WOCE）之后，世界气候研究计划勾画了推进因耦合的海洋-大气相互作用产生变率的可预报性的科学计划(USCLIVAR ScientificSteering Committee2013，附图2) 。CLIVAR计划(包括1995年国际，和1997年美国CLIVAR)持续推进更加全球化视野的耦合海洋-大气变化的认识，包括热带大西洋和印度洋和中高维度的耦合海洋-大气现象。

　　今天，TOGA之后过去了四分之一世纪，进一步的观测和模拟研究已经验证了这一ENSO视角（但是，还有重要问题等待解决，见8节）。此外，气候变率的其他模态也被观测和用气候模式模拟确认，这些模态若没有大气和海洋间耦合则不会存在。例如，热带大西洋和太平洋沿赤道的季节循环，现在认为是因日照季节循环导致大气和海洋耦合生成的（2节）。经向模态（meridional modes，MM）描述了热带太平洋和大西洋海域季节内和年际变率，后者本质上由（随机）大气变率驱动，但是包括了北半球温带大气和海洋之间重要的反馈（3节）。不断增加的证据表明，北半球热带以外大气和海洋耦合，是十年到年代际时间尺度气候变率的部分原因。

　　这篇综述文章包括本质上是热带大气和海洋耦合的气候变率的观测和模拟证据的简要总结。评述按照现象（如，纬向模态，ENSO）进行组织，从2节季节循环（因为其本身就是耦合的大气/海洋现象，也是产生ENSO的背景态）和3节经向模态开始。在4a节我们给出 ENSO观测，并在4b中简要介绍与ENSO有关的基本耦合大气和海洋动力学。在4c和4d节，我们分别阐述支持ENSO是真正耦合大气/海洋模态的理论和进一步的观测，同时在4e节讨论ENSO暖位相和冷位相之间不对称的原因。ENSO不规则的原因在4f节进行讨论，ENSO对外部强迫的响应的讨论在4g节给出。在5节讨论印度洋变率。

　　我们在6a节概述了中纬度中尺度季节内到年际气候变率的观测和理论证据，这些变率源自中纬度大气可变性本质，又被与海洋混合层的热力耦合放大。在6b节中随后给出中纬度十年和年代际时间尺度上变率的观测和模拟证据，尤其是太平洋年代振荡（Pacific DecadalOscillation，PDO）和大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）——二者均是过去30年内被发现的 3。我们最后基于这些变率的耦合模态总结了气候预测（7节），简单讨论需要解决的问题（8节）。

　　读者需注意：本文中，我们关注于本质上因大气和海洋耦合产生的现象——这就是说现象的存在、空间分布和时间谱依赖于大气和海洋两方面的过程。数学上，这一耦合海洋/大气现象被 Hirst (1986)进行了描述，他美妙地用图表示了只有当大气和海洋耦合时才出现的动力“模态”。这里，我们用“动力耦合”表示海洋动力是耦合响应的基础，用“热力耦合”表示现象的本质无需借助海洋动力就能理解；ENSO 是前者的例子，而经向模态是后者的例子。耦合大气/海洋现象具有季节和更长的时间尺度。在一些个案中，耦合现象相互作用：如 ENSO 影响全球热带气候，通过遥相关影响西半球。简化起见，我们不关注于这些遥相关。只有当相互联系是核心时，我们才讨论耦合现象之间的相互作用（如，太平洋经向模态对 ENSO 的影响）。还有一些现象，本质上属于大气但与海洋相互作用而变化，或者反过来，这没有包含在本文中：海洋对大气对流和 MJ（Madden Julian）现象的影响——两种本质上是大气现象——的评述论文可分别见 Hirons et al. (2018)和 DeMott et al. (2016)。最后，要注意到本领域随着观测和模拟能力的扩展和我们理论认识的推进正在快速扩充。

　　2. 季节循环

　　本节，我们介绍热带海洋和大气的气候并简要回顾带来年度平均和季节循环的核心机制。对于太平洋，必要物理过程源自大气和海洋间的耦合，对大西洋来说程度较小。

　　a 年平均气候

　　季节循环主要源自与地球旋转轨道相对于其轨道倾斜导致的日照变化，每年在赤道出现两个日照极大值和两个日照极小值。因此，热带太平洋和大西洋沿赤道 SST、风和涌升流的季节循环以年度谐波为主而非半年谐波，这就值得关注。确实，热带太平洋和大西洋季节循环的极值接近两分点(图 1 和图 2)。8-10 月(ASO)是热带冷季，特征是贸易风和热带深处涌升流最强，出现发展完善的极低SST冷舌；暖季为 2-4 月(FMA)，特征是极大 SST，赤道带最弱贸易风和涌升流，以及相对弱的水平 SST 梯度(图 )。

　　b 太平洋和大西洋 ITCZ 季节循环：海洋季风

　　赤道向极大约6°，日照谐波总体上是年波。因此，在没有其他复杂因子（如陆地）时，可以认为海洋ITCZ从北半球到南半球季节性反复迁徙，因海洋混合层的热惯性在二至点落后于局地日照极大值约3个月，ITCZ向极的界限决定于对称不稳定(如Emanuel1995; Prive′ andPlumb 2007a)。如果年平均SST没有因为安第斯山脉（或西洋可能因为撒哈拉）出现半球不对称，ITCZ 的季节迁移将与沿赤道经向风应力符号的变化相伴，可以被认为是海洋版的季风。太平洋和大西洋的 ITCZ 确实南北迁移，落后于北半球日射大约3个月(图 3)。但是，东太平洋ITCZ最南位置依然位于赤道以北大约5N，这是因为安第斯山无所不在的强迫，这也确保了全年除3月以外的月，太平洋东半部分赤道以南较赤道以北更冷。

　　纬向风–SST梯度(Bjerknes)反馈增加沿赤道的纬向贸易风，使得沿赤道冷舌加深并向西扩展(图4；Chang and Philander1994;Li and Philander 1996)。形成对比的是，赤道以北辐射在11月-1月（NDJ）最弱，赤道以北海水在FMA温度最低。因此，ITCZ在FMA最接近赤道，因而经向气压梯度和跨赤道气流(及其强迫的涌升流)在FMA最弱。类似的过程在大西洋沿赤道建立年度主要循环。

　　3. 经向模态

　　我们对经向模态变率的认识，源自早期对巴西东北部和萨赫勒的水文气候变化的研究。早期对巴西东北地区水文气候变化的调查关注南方涛动的影响，那时还没有意识到后者是ENSO的耦合组成部分。的确，早在1928年，Gilbert Walker爵士就记录到“[季节预报方法]的最新目标已经指向与塞阿腊州的联系，这一位于巴西东北的州易于遭受严重干旱”(Walker1928)。后来，1968-1974 年萨赫勒的严重干旱引发对该地区水文气候本质的新调查[见Lamb(1978b,a)，以及该文的参考文献]。尽管这些早期研究确定了大尺度环境中的一致变化，但这些研究受到数据局限，尤其是在热带和亚热带大西洋区域(Landsberg1975)。

　　a. 动力

　　经向模态变率的一个关键组成是WES反馈，它沿跨赤道 SST 梯度（cross-equatorial SSTgradient，CESG）变化区边缘发生作用。在Xie and Carton(2004)的精彩评述中，对热带大西洋变率作总结：“一个CESG异常正在大气边界层中带来异常向南的气压梯度...... 包括从南跨越赤道的风，因科氏作用它减弱了赤道以北的贸易东风......[这些]赤道以北的贸易风弱化减少了表面蒸发，因而使得初始 CESG加强。赤道以南，东南贸易风加速，增强了地表蒸发冷却和向北的CESG”。WES反馈是否存在一直是各种模式和观测研究的主题(Chang et al.2000;Suttonet al.2000;Okumura et al.2001;Czaja et al.2002;Chiang and Vimont2004;Frankignoul and Kestenare 2005; Smirnov and Vimont 2011; Amaya et al. 2017)，一般认为在热带(赤道南北15度以内；Chang et al.2000; Lin et al.2008)存在中反馈，但在亚热带并不存在。还有一些过程表明对大西洋经向模态产生影响，包括Ekman洋流(Xie 1999; Kushnir et al.2002b)、平均海洋洋流(Chang et al.1997, 2001; Seager et al.2001; Kushnir et al.2002b)和短波云反馈(Okumura et al.2001; Tanimoto and Xie 2002; Evan et al.2013)等。

　　b. 影响

　　除了巴西东北部和萨赫勒的水文气候变化，经向模态还影响太平洋和大西洋的天气和气候。在太平洋，经向模态在季节足迹机制（Seasonal Footprinting Mechanism）中起关键作用（4f(1)节），由此建立了中纬和高纬大气变化与热带太平洋 ENSO 之间的联系(Vimont et al. 2001, 2003a,b; Chang et al. 2007;Alexander et al. 2010; Larsonand Kirtman 2013)。该机制对于太平洋中部 ENSO 事件尤其有效(Vimont et al. 2014;Lin et al. 2015)。类似的影响在南半球也有(Zhang et al.2014; You and Furtado 2017)，尽管南太平洋经向模态被解释为对 ENSO 的潜在影响还被质疑(Larson et al. 2018)。Vimont (2005)指出，太平洋经向模态通过影响 ENSO，成为太平洋年代变率空间结构的决定因素(Zhang et al.1997)，这一结果与后来的模拟研究吻合(Di Lorenzo et al.2015)。

　　4. ENSO

　　根据Web of Science的统计，过去20年发表了4800多篇题目中包括了ENSO或厄尔尼诺科学论文(作为对比，同期包括了“天气”文章不到1900篇)。这里我们的讨论聚焦到ENSO的基本方面，强调过去20年我们对ENSO认识的进步——这些进展完善和提炼了更早（依然相关）从模式和观测总结我们对ENSO的认识的论文。除了引用文献，一些关于ENSO的专著给出了有用材料，包括Philander(1990)、Clarke (2008)和Sarachik and Cane(2010)等。

　　a. 观测描述的 ENSO

　　正如图7上部3个框中给出的评述文章，Rasmusson and Carpenter(1982), Wallace et al.(1998), Larkin and Harrison (2002)和Chen and Wallace(2015)所描述的那样，ENSO的关键信号出现在SST、地表风、SLP和降水中。暖（厄尔尼诺）事件的特征是赤道太平洋东部和中部较正常 SST 更高，赤道太平洋中西部较弱贸易风以及气候平均降水从海洋大陆向中部太平洋的移动。注意到极大纬向风（应力）距平与异常SST极大纬向梯度和极大降水距平并列——尽管后者产生的原因是与经向风距平有关的异常湿度平流辐合（见4b1 节）。ENSO冷期的空间结构性质上与暖期情形下类似，尽管在SST和降水的地点上存在量的不同(见，例如 Hoerlinget al. 1997)。

　　b. 本质上为非耦合大气和海洋动力的热带季节到年际耦合变率

　　在一篇开拓性文章里，Matsuno(1966)给出了时变、线性浅水方程在赤道 b-平面上的波形式的解，这与大气和海洋都有关。这些解构成了向东传播的半地转开尔文波、向西传播的罗斯贝波和混合罗斯贝重力波和向东及向西传播的内重力波。很多研究表明，这些结构的自由（非强迫）瞬变特征在对流层、平流层和海洋上层是普遍存在的。例如，Maruyama(1968)和 Kouskyand Wallace (1971)分别记录了平流层混合罗斯贝波和开尔文波，后来表明这些波在驱动平流层准两年振荡中起重要作用(Holton and Lindzen 1972)。在对流层，混合罗斯贝重力和开尔文波组织对流，还有被对流驱动的、在Matsuno的系统中没有干的类似系统的其他模态，比如东风波和MJO(见 Kiladis et al. 2009, 和文中参考文献)。

　　1) 大气对非绝热加热的响应

　　ENSO的大气和海洋指数表明，ENSO模态的演化缓慢——2-3个月以上时间尺度。在这些时间尺度上，大气接近统计平衡，受到非绝热加热(但是，平衡态调节是瞬变的)分布的驱动，因此，Gill(1980)探索了Matsuno方程的稳定解，假设摩擦衰减和被一种预设体例空间分布、在对流层中有一种简单垂直结构的加热驱动(正弦气压，极大值位于对流层中部)。他的解与热带环流对凝结加热反应的观测结果有很好的吻合。

　　2) 海洋对风应力强迫的响应

　　ENSO模态和ENSO理论是基于模式和热带太平洋大气/海洋耦合的特征解。这些中等耦合模式一般包括了描述洋盆对风强迫进行绝热调整的方程，并假设一个或两个垂直斜压模态（见4c节）。很多研究具有强迫海洋环流模式，用风应力观测历史对热带太平洋海洋模式进行线性化和绝热近似。这些研究发现观测和模拟的温跃层和海平面变化之间，以及观测和利用线性化、绝热赤道波理论计算得到的温跃层和海平面变化吻合得相当好(见，例如Busalacchi etal.1983;Richardson and Philander1987;Bigg and Blundell 1989;Kessler 1990)。观测的温跃层和海平面变化，只要给出向东和向西边界条件，可以用长的、非分散向西传的罗斯贝波和向东传的开尔文波之和进行很好地近似4(Moore 1968; Cane and Sarachik 1977; Clarke 1983, 1991; DuPenhoat and Cane 1991; Clarke 1992)。

　　c. ENSO 模拟和理论

　　TOGA 项目的一个核心成就是发展了经受时间考验的 ENSO 理论。这里我们给出与其本质有关的 ENSO 模态核心物理原理的概述，有兴趣的读者可参考 Neelin et al. (1998)撰写的后TOGA 时期的评述文章，该文给出了更为复杂的历史背景。过去 20 余年的研究瞄准 ENSO 的不规则性的来源，评估在 IPCC 报告中使用的气候模式中的 ENSO，以及季节到年际 ENSO 可预报性，见 4f、4g 和 7 节。

　　1) ENSO 模态

　　大尺度 ENSO 现象因为本质上是因热带太平洋大气和海洋之间耦合导致的，而具有独特性： SST 季节循环驱动的非耦合大气模式无法生成实际的南方涛动，地表风应力季节循环驱动的非耦合海洋模式无法生成泛太平洋厄尔尼诺或拉尼娜事件。实际模拟出 ENSO 循环的第一类模式是“中等耦合模式”，热带太平洋海洋上层 与一个与海洋模式得到的 SST 达到（或接近）平衡的大气模式耦合(见 4b 节)，包括 Zebiak and Cane (1987)和 Schopf and Suarez (1988)开发的耦合模式。中等耦合模式的海洋分量包含大量影响 SST 的基本过程(即，涌升流和垂直混合影响、地表通量、平流的参数化)和海洋上层数百米线性或非线性绝热动力；这些模式与成功回报 ENSO 期间 SST 和海平面变化的模式包含同样的物理机制(见 4b2 节)。中等模式的大气分量通常是 Gill 模式的某种形式，依据 SST 异常进行大气驱动参数化(见 4b1 节)。

　　2) ENSO 模态相关的进一步理论成果

　　所谓 ENSO 是热带太平洋耦合大气/海洋系统的真正的本征模式的说法，还得到实证推导动力 matrixM 本征分析的支持，这一估计源自对热带太平洋 SST 异常观测历史与线性反模式(LIM)的吻合。在一篇首创研究中， Penland and Sardeshmukh (1995)给出的实证推导 M 的主要本征模式中有周期为 3.8 年的 ENSO SST 痕迹。其他研究也得到相似结果(见 Newman et al.2011a, 及文中参考文献)。与 Zebiak-Cane 模式中的 ENSO 模态不同，实证推导 M 决定的 ENSO模态是渐进稳定的——当动力运算子面对的是地球物理时间序列时必然如此。Thompson andBattisti (2000)对 Zebiak-Cane 模式的算子 M 进行了本征分析，该模式的不同处在于基本态中，包含了更多真实参数和保留了季节循环(用观测更新的基本态在 1980 年代原始 Zebiak-Cane 模式构建时不可用)。更新了参数和气候季节循环基本态后，主要本征模式的空间结构的特征与观测的 ENSO 类似，也与原始方程主要本征模式得到的结构类似。ENSO 本征模式具有 3.9 年平均周期，是渐进稳定的。

　　d. 支持 ENSO 模态的更多证据

　　有关 ENSO 模态的一个关键问题在 TOGA 末期被回答：西部边界层在反射赤道 10 度内进入的罗斯贝波——这是 ENSO 模态中延时的海洋记忆的关键——的效率如何？理论研究、来自中等耦合模式的结果，以及观测分析表明，在与 ENSO 相关的时间尺度，有大量反射支持ENSO 模态(Clarke 1991; Du Penhoat and Cane 1991; Kessler 1991; Mantua and Battisti 1994)。

　　e. ENSO 暖和冷时段幅度的不对称

　　虽然用线性化的动力模式和用与观测一致的线性逆模式能够很好地揭示 ENSO 的主要物理机制，ENSO 的统计却是非高斯的。过去 20 年，在确定厄尔尼诺和拉尼娜幅度非对称来源上取得了一些进步(如，东太平洋 SST 距平正偏度)。一个可能的来源是大气对 SST 距平反应的非线性，这在耦合模式相互比较项目第 5 阶段（CMIP5）的模式中可见，这些模式倾向于出现不真实的强厄尔尼诺事件，如 GFDL CM2.1 模式的结果(Choi et al. 2013; Atwood et al. 2017)。另一个可能性是状态相关的噪音强迫——尤其是，在暖事件对抗冷事件发展期时风爆发活动强度中的不对称(如 Timmermann et al. 2003; Tziperman and Yu 2007; Jin et al. 2007;Chen et al. 2015; Levine etal. 2016; Levine and Jin 2017)。确实，纬向风应力在太平洋中部 (即，在耦合区) 正偏，但是,东太平洋 SST 也同样(图 15; 见 Choi et al. (2015) 对风应力异常不对称相关动力的讨论)。但是，太平洋中部纬向风和太平洋东部SST 异常之间的关系是非常线性的(图 15; 另见 Battistiand Hirst 1989; Lübbecke and McPhaden 2017)，这是 Bjerknes 反馈的特征。这些数据，以及 Chiang et al. (2001)和 Adames and Wallace (2017)的分析表明，ENSO 的非线性不可能存在于大气对 SST 异常的反应中。