对厄尔尼诺事件分类结果不一致原因的初步分析❋

周一博， 方明强

(中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100)

1 厄尔尼诺分类简介

对于两类厄尔尼诺事件类型的判定，一般分为定性和定量两个角度。

1.1 定性角度

1.2 定量角度

本文认为，在当前厄尔尼诺分类及其相互独立性研究结果中存在差异(后文有分析)，原因可能是多方面的，其中之一便是以往大部分研究建立的CP和EP指数是分离的，两者之间的动态联系难以观察。本文在Fang 等[26]研究的基础上，分析了统一尼诺区域(详见后文图1)的热中心变化情况。由于热中心的变化直接反映了海表温度高异常区位置的变动情况，可以帮助动态地观察到高温异常区在厄尔尼诺事件中的变动，从而更好地分析厄尔尼诺事件的动态特征。

图1 统一尼诺区域与传统尼诺区域范围示意图。统一尼诺区域即指海表温度异常时间序列标准差0.7度等值线所包含的区域Fig.1 Coverage of the unified regions and the traditional regions

2 数据简介

NOAA最优插值海表温度分析资料(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Analysis)融合了现场实测数据和卫星数据再分析得到，并且在得到分析数据之前，使用了Reynolds[30]的数据分析方法对卫星数据进行了偏差调整。此数据集包含周平均海温资料和月平均的海温资料，本文将采用此数据集月平均的海温资料将前面数据延长到2014年，并用其来计算显示沿赤道方向的海表温度异常随时间变化的分布图。数据的时间序列是从1982年1月到2014年 12月，空间分辨率为1°(纬向)×1°(经向)，数据的有效范围为 90°N～90°S, 180°W～180°E。

3 结果及其分析

3.1 以往主要研究中的厄尔尼诺分类的差异性

EMI=[SSTA[A-0．5×[SSTA[B-
0.5×[SSTA[C 。

(1)

其中：A(165°E～140°W，10°S～10°N)；B(110°W～70°W，15°S～5°N)；C(125°E～145°E，10°S～20°N)内的平均SSTA。区域A、B、C分别为EOF第二模态空间分布型的3个关键区域，即暖异常区域和左右两侧的冷异常区域。当EMI指数振幅大于等于0．7倍季节标准偏差定义为CP型厄尔尼诺事件。

(2)

上式旨在为制造两个相关性较低的指数来区分两种厄尔尼诺事件。当暖池型厄尔尼诺发生，WP指数迅速增大并达到峰值，CT指数在大部分事件中小于0.5 ℃。值得指出的是，CT和WP指数之间的相关系数仅为0.14，两者接近独立。

在8次公认的EP型厄尔尼诺事件中，除了，1881年之外，所有事件发生的同时，热中心都有向东移动的趋势。1918—1919年厄尔尼诺事件被定义为EP型，当事件发生时，纬向热中心异常为正值并增大，在SSTA达到峰值之前开始减小，直至SSTA小于0.5 ℃时，纬向热中心异常处于0附近。1982—1983年厄尔尼诺事件为EP型，当SSTA达到事件开始阈值时，纬向热中心异常从负值开始增大超过0并持续增大，在事件结束之前，纬向热中心异常开始减小。1997—1998年的厄尔尼诺事件为较为明显的强EP型厄尔尼诺事件，当事件开始时，纬向热中心异常从0附近开始增大，几乎和SSTA峰值同时达到峰值并一同减小。这表明，EP型厄尔尼诺事件发生时热中心都有向东移动的趋势，并在事件达到高潮的前后向东移动的趋势开始减弱。

表1 四种分类方法对1870—2010年发生过的厄尔尼诺事件的分类结果(该表引用自Yu和Kim[25])Table 1 Comparisons between the results by the four classification methods for El events that occurred within 1870—2010(from Yu and Kim,2013)

注:红色表示公认为EP型厄尔尼诺，蓝色表示公认为CP型厄尔尼诺。

在发生的5次公认的CP型厄尔尼诺事件中，热中心都有向西移动的趋势。1994—1995年、2004—2005年厄尔尼诺事件为CP型，当SSTA达到阈值事件开始时，纬向热中心异常为负值，随SSTA增大纬向热中心异常也开始增大，当SSTA达到峰值前后，纬向热中心仍处于负值并开始减小直至事件结束。2009—2010年厄尔尼诺事件为CP型，SSTA达到阈值时，纬向热中心异常处于正值并开始减小至负值，SSTA增大达到峰值时，纬向热中心异常达到极小值开始增大。直至事件结束，纬向热中心仍为负值。这表明，在CP型厄尔尼诺事件发生时，热中心都有向西移动的趋势，并在事件达到高潮的前后向西移动的趋势开始减弱。

两种厄尔尼诺事件纬向热中心的不同表现能够清楚地反映出两种事件动态变化的差异性，也证明纬向热中心在两种厄尔尼诺的分类方面可以提供参考。

但是除了上述比较公认的分类外(约占三分之一)，其余的厄尔尼诺事件目前还无法定量归类(约占三分之二)，目前现有的分类方法存在许多矛盾和不确定性。从赤道太平洋海表温度异常随时间的演变图(见图3，限于本文篇幅及数据来源、质量等方面考虑，仅用NOAA最优差值数据进行分析)可以看到，在分类结果不一致的年份中，在赤道太平洋的中部和东部均有不同程度的海温异常增高现象，没有哪一次厄尔尼诺现象中的海温异常增暖仅仅发生在赤道太平洋中部(或仅起源于该处)或者仅仅发生在赤道太平洋东部(或仅起源于该处)。甚至在分类结果一致的情况中，也并不是单一海域的海表温度异常升高。这些情况给分类带来一定障碍。

实际上，Trenberth和Stepaniak、Ren 和Jin、Yu和Kim，Ashok 等、Li等、Yeh等、Kug等均给出了有关两类厄尔尼诺事件的有关独立性或者关联性的不同结论[7，10，17，19-20，24-25]，目前要完全对所有事件进行分类似乎还不现实。事实上，从图2中，我们也可以看到，即使在确定的分类中，尼诺区域的热中心位置的变化范围、位置的变化速度，穿过零点的月份也不尽相同。结合图2、3等可见，每个厄尔尼诺都有自己的特征，仅仅CP、EP分类不能提供完整信息，热中心位置异常这一动态特征量的提出一定程度上丰富了厄尔尼诺的特征指数系统[26]。

3.2 厄尔尼诺事件初始阶段的CP区域的增温现象

图4显示了1982—1983年和1997—1998年两次极典型的强EP厄尔尼诺事件。从图4中可以发现，事件开始阶段，170°附近的海水出现增暖的趋势。这与图2中SSTA开始增暖的同时纬向热中心异常为负值相吻合，随着时间的推移，在3月份东部附近开始增暖随即发展成为EP型厄尔尼诺事件。可见，此类强EP类型厄尔尼诺事件似乎也与CP地区的增暖不无关系。

图5显示的是1994—1995年和2004—2005年的两次较典型的CP型厄尔尼诺，从图中明显可以看到事件的开始阶段，首先增暖的区域都位于170°附近。随着事件的发展，逐渐形成CP型厄尔尼诺事件。对比图2，在SSTA开始增大的同时，纬向热中心异常处于负值或者处于零值附近，表明热中心完全不像类似于1997—1998，或者1982—1983的典型EP型厄尔尼诺，那时的热中心中具有高的正异常值(处于东部)。

图6显示了2002—2003年和1991—1992年的厄尔尼诺事件分类不明确基本原因。从图中可见事件最初开始变暖的区域为180°附近，逐渐形成一次厄尔尼诺事件，在事件的鼎盛时期同时在中太平洋和东太平洋出现2个SSTA的极值点，因此可能导致对该事件的分类不明确。

图3 1982—2014年赤道SSTA(用NOAA数据计算)随时间演变图，右侧为对应事件四种分类方法的分类结果对照(白色等值线为零异常值)Fig.3 Equatorial SSTA (derived from NOAA SST data) evolutions from 1982 to 2014(with the white lines showing the zero contours). The results of the corresponding El classification are put at the right side for comparison

图4 1982—1983与1997—1998赤道SSTA(用NOAA数据计算)随时间演变图(白色等值线为零异常值)Fig.4 Equatorial SSTA (derived from NOAA SST data) evolutions from 1982 to 1983 (a) and from 1997 to 1998 (b) with the white lines showing the zero contours

图5 1994—1995与2004—2005赤道SSTA(用NOAA数据计算) 随时间演变图(白色等值线为零异常值)Fig.5 Equatorial SSTA (derived from NOAA SST data) evolutions from 1994 to 1995 (a) and from 2004 to 2005 (b) with the white lines showing the zero contours

从前面图3也可以看到，在从1982年以来的所有厄尔尼诺事件的初始阶段中，仅有2009—2010时间段内，是较明显的EP处异常增温(CP处并非没有海表温度异常增高，只是相对较弱而已)，这和图7中的热中心位置异常仅在2009—2010时间段中略微偏东(正值)完全一致。其它的厄尔尼诺事件的初始阶段中，图3中的CP处海表温度异常的增高均比较明显，这也和图7中热中心位置异常在厄尔尼诺初始期间偏西(负值)完全一致。

通过上述例子的分析，可以比较清楚地看到，大部分厄尔尼诺事件的初始阶段，虽然从属的分类不同，但均伴随着CP区域的增温过程。事实上，最近还在发展的2015年强厄尔尼诺事件亦不例外。由此可见，虽然通过厄尔尼诺事件的鼎盛时期的特征进行分类似乎能体现出该时刻高温异常位置的分布特征，但在厄尔尼诺初期，初始的高温异常位置却均与CP区域密切相关。

厄尔尼诺初始阶段的CP区域增温现象似乎是厄尔尼诺事件的共性。但众所周知，厄尔尼诺事件特征千差万别[24]，此处CP区域在厄尔尼诺事件初始阶段共性增暖特征的提出一定程度上丰富了对厄尔尼诺事件的深入理解。CP区域的增暖对后续厄尔尼诺进一步发展的差异性影响作用值得进一步深入研究。

图7 用NOAA数据计算的1982—2014年统一尼诺区域SSTA与纬向热中心异常变化(红色阴影相当于厄尔尼诺事件)Fig.7 Unified regional SSTA and zonal thermal center anomaly for the years 1982—2014 from NOAA data(red shades represent the El events)

3.3 热中心位置异常在单一厄尔尼诺现象中的特征分析

上述分析显示，目前还没有建立完全统一的厄尔尼诺分类标准，事实上大部分的厄尔尼诺事件不能进行明确的归类；在厄尔尼诺事件的发展过程中，高温异常位置分布实际上一直在变动，形态各异，因此，当前对厄尔尼诺事件的分类还远未成熟。当前，已有研究倾向于认为CP类型厄尔尼诺可能不是一种特定的模态[21，27-28]。

还有一些研究已经明确显示了两种厄尔尼诺伴随发生的可能性[10，17，20],并且这两种厄尔尼诺事件有许多内部联系[29]。故而本研究认为，对厄尔尼诺事件的静态分类似乎值得进一步商榷。

图7为用NOAA数据计算的统一尼诺区域的SSTA和热中心的位置异常曲线。观察图7中纬向热中心异常在厄尔尼诺事件中的变化可以发现，在单一厄尔尼诺事件中存在纬向热中心跨越0值的现象，这代表在单一事件过程中，高温异常区域的位置实际上是变化的。比如1982—1983年发生的EP型厄尔尼诺事件中，当SSTA达到厄尔尼诺发生的阈值时，纬向热中心异常处于负值并开始增大，跨越了0值并持续增大，表明热中心在事件开始时位于中太平洋并向东移动形成了EP型厄尔尼诺。比如2009—2010年发生的CP型厄尔尼诺事件中，当SSTA达到阈值时，纬向热中心异常正处于正值并开始减小，跨越0值并持续减小，表明热中心在事件开始时位于东太平洋区域并向西移动最终形成CP型厄尔尼诺。比如1986—1987年和1987—1988年的两次厄尔尼诺事件并未有明确的分类。当其SSTA达到发生的阈值时，纬向热中心先为负值并开始增大超过0并持续增大，增大到极值点后开始下降并在1988年厄尔尼诺事件结束之前下降至负值，表明热中心起初位于中太平洋区域并向西移动到达东太平洋区域又回到中太平洋区域。热中心跨越中部和东部的现象在众多厄尔尼诺事件中很常见。

对于明确类型的厄尔尼诺事件，热中心跨越两区域的现象发生于事件的开始或结束阶段，对整个厄尔尼诺事件的类型判读影响较小。但对于未能确定分类的厄尔尼诺事件，跨越现象多发生于事件的鼎盛时期，因此对于判定该事件的类型具有很大的影响。

由此引发对于厄尔尼诺事件分类中问题的思考：现有的分类方法仅能将具有典型热中心异常位置特征的厄尔尼诺事件区分开来而达成共识，但绝大多数的厄尔尼诺事件并未表现出非常明显的位置特征。

实际上，几乎所有的厄尔尼诺事件过程中，热量中心的位置情形各不相同，且是动态变动的。由于热中心的位置很大程度上反映了高温异常区域的分布变化，图7深刻揭示了静态的CP、EP类型分类，不能反映出厄尔尼诺的动态变化特征。因此本研究认为单纯地将厄尔尼诺事件划分为CP或者EP类型的分类方法仍需进一步的修正或者补充，其中热中心异常信息不失为参考之一。

4 结语

本文简单统计分析了当前厄尔尼诺事件分类研究中的差异性，指出了目前还没有建立统一的分类标准。虽然各个厄尔尼诺现象体现出不同的高温异常位置的分布特征，但几乎所有的厄尔尼诺事件均伴随着CP区域的增温现象。无论所将要发生的厄尔尼诺事件将会演变成EP型或CP型，通常会在CP区域观察到变暖的现象。这可能预示着不同类型的厄尔尼诺事件之间有着深刻的内在联系，不同类型的事件之间的独立与否需要更深入的研究。

通过对纬向热中心异常与以往各种分类结果的对比发现，纬向热中心异常与已经明确分类的厄尔尼诺事件具有很明显的一致性，纬向热中心异常的波动变化可以很好地反映厄尔尼诺事件发生的类型。通常EP型厄尔尼诺的发生都伴随着很明显的纬向热中心异常增大(东移)。相对于较弱的CP型厄尔尼诺事件，纬向热中心异常通常为负或在零值附近摆动。因此，纬向热中心异常可以作为厄尔尼诺事件的分类的一项参考指标。

由此可见，绝大多数的厄尔尼诺事件的分类尚未明确，现有的分类方法仅能将具有明显异常位置特征的厄尔尼诺事件区分。因此当前单纯地将厄尔尼诺事件划分为CP或者EP等类型的分类方法不能提供完整的厄尔尼诺动态变化特征，可能需要其他动态指数进行补充，比如本文所提到的Fang等建立的统一尼诺区域的热中心位置异常指数[26]。

本文首次主要从统一尼诺区域热中心的动态变化特征角度部分解释了厄尔尼诺分类过程中大部分事件不能明确或者不能统一归类的原因，具有一定的科学参考意义。

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