一種新的厄爾尼諾指數

弓 泓，王彰貴，趙傳湖，馮立成

（1.中國海洋大學，山東青島 266100；2.國家海洋環境預報中心，北京 100081）

一種新的厄爾尼諾指數

弓 泓1,2，王彰貴2，趙傳湖1，馮立成2

（1.中國海洋大學，山東青島 266100；2.國家海洋環境預報中心，北京 100081）

利用1950—2016年NOAA月平均擴展重構海表溫度（ERSST）資料，計算了目前業務常用的El Ni?o指數，并比較了它們對El Ni?o事件的監測能力。結果表明：單一指標對不同類型的El Ni?o事件不能全面監測，且其對于事件強度的判定也具有局限性。據此提出了一種新的El Ni?o指數，新指數不僅能夠較為全面的監測歷史上所發生的不同類型的El Ni?o事件，而且可以合理劃分El Ni?o事件的強度，解決了對El Ni?o事件強度定義的爭議，為El Ni?o事件的監測提供了一個新的工具。同時，分析了各El Ni?o指數氣候平均值的變化對指數判定El Ni?o事件的影響，結果表明氣候平均值的升高將導致指數判定的弱El Ni?o事件次數減少。

El Ni?o事件；指數；強度

1 引言

El Ni?o一詞是西班牙語中的“圣嬰”之意，即“耶穌之子”。現在更廣泛的被人們理解為“小男孩”的意思[1]。南美洲的秘魯和厄瓜多爾漁民用其來描述在圣誕節前后，南美沿岸海域每隔幾年出現的季節性增暖的現象。后來El Ni?o被氣象和海洋學家定義為赤道東太平洋海溫異常升高的氣候現象[2]。隨著研究的深入，科學家發現南方濤動和El Ni?o之間存在著極為密切的關系，遂將兩者合并稱為“ENSO”現象。如今，ENSO不僅是太平洋上大尺度海-氣相互作用顯著特征，更是成為全球氣候系統中最強的年際氣候信號之一，它的發生會導致全球性的氣候異常和極端天氣現象的出現。我國雖然不能列為El Ni?o事件影響最嚴重的國家之一，但其對我國氣候的影響和造成的自然災害也是非常嚴重的[3]。而El Ni?o事件作為ENSO循環中的暖相位，其監測和預測引起世界各國學者的普遍重視，以期為氣候災害預警提供可靠的理論依舊，提高對El Ni?o事件的預測性[4]。

為了對ENSO進行有效的監測，各國業務單位和研究機構采用和提出了多種不同的ENSO監測指數，如美國國家環境預測中心利用Ni?o 3.4區對ENSO事件進行監測，日本氣象廳采用JMA指數[5]。我國國家氣候中心采用Ni?o 3.4指數以及Ni?o 1+2、Ni?o 3和Ni?o 4區面積加權平均的海溫距平所定義的Ni?o Z指數來監測ENSO事件[6]，國家海洋環境預報中心采用Ni?o 3指數來開展相關的業務。除了上述業務常用的指數之外，許多學者還提出了一些新的指數來描述ENSO事件[7-10]。由此可見，目前國際上對于ENSO事件的監測尚未形成統一的監測標準。同時，由于監測ENSO事件的指標之間存在著明顯的差別，因而對ENSO事件的起始時間、強度等特征的判定結果也存在著很大的差異[11]。

對于El Ni?o事件本身而言，20世紀80年代以前，El Ni?o事件多出現在赤道東太平洋冷舌區（即Ni?o 3區），其異常增暖中心在赤道東太平洋，并向西擴展。但80年代中期以后，人們發現El Ni?o事件開始頻繁出現于赤道中太平洋附近海域，其異常增暖中心位于赤道中太平洋，增暖區域由西向東延伸，而在Ni?o 1+2區，海表溫度無明顯增暖現象[12-13]。Larkin等通過對多次El Ni?o事件的分析，發現這一類El Ni?o發生時，海表溫度異常都集中分布在國際日期變更線附近，故將其命名為“日界線”型El Ni?o（Dateline El Ni?o）[14]，而Ashok等將這種與傳統El Ni?o事件不同的現象，稱為“El Ni?o Modoki”[15]。Kao等通過進一步的研究，把這兩種El Ni?o分別命名為“東太平洋（Eastern Pacific）”型El Ni?o和“中太平洋（Central Pacific）”型El Ni?o，簡稱“EP”型和“CP”型El Ni?o[16]。Kug等根據El Ni?o發生時，海表溫度距平最大值的空間分布的不同，提出了“冷舌（Cold Tongue）”型El Ni?o和“暖池（Warm Pool）”型El Ni?o，簡稱“CT”型和“WP”型El Ni?o[17]。Kug等研究發現，20世紀90年代以后發生的8次El Ni?o事件中，有5次是中部型，而另外3次則兼有中部型和東部型的共同特征，并將其稱之為混合型El Ni?o[18]。盡管El Ni?o的名稱各不相同，但無論是“CP”型El Ni?o、“日界線”型El Ni?o、"El Ni?o Modoki”以及“WP”型El Ni?o，還是“EP”型El Ni?o、“CT”型El Ni?o都屬于ENSO現象。

然而，傳統的Ni?o 3指數并不能有效監測到發生在赤道中太平洋的El Ni?o事件。李曉燕等研究指出，直接使用Nino 3區的海面溫度（SST）距平達到0.5℃來定義El Ni?o事件是一個簡單易行的方法，因為在大多數事件中，Ni?o 3區都有較好的代表性，但在一些事件中，Ni?o 4區或者Ni?o 1+2區升溫較強，而Ni?o 3區升溫較弱，僅以Ni?o 3區定義El Ni?o事件會因洋面覆蓋范圍有限而將一些過程排除在外。如1993年，1994/1995年的El Ni?o事件，Ni?o 4區增溫較強，海表溫度距平大于等于0.5℃的時間持續長達1 a，是兩次明顯的、國際上公認的El Ni?o過程，而El Ni?o 3區僅維持了4—5個月，未能達到El Ni?o事件標準，說明這一區域仍然不能充分反映整個中、東太平洋海域的特征[6]。然而，目前業務中常用的尼諾指數中，Ni?o 3指數對東部型El Ni?o事件的監測能力較好，Ni?o 4指數又對中部型El Ni?o事件具有監測能力。為了避免遺漏赤道中太平洋型的El Ni?o事件，美國氣候預測中心（Climate Prediction Center，CPC）提出使用新的ENSO監測業務指標，即采用Ni?o 4區和Ni?o 3區相結合的Ni?o 3.4區海溫指數作為ENSO監測指數，以此來實現全面監測發生在赤道中太平洋和東太平洋地區的El Ni?o事件。然而，無論是東部型El Ni?o還是中部型El Ni?o，其發生到結束往往幾乎覆蓋整個中東太平洋，而且，公眾對于El Ni?o事件的關注通常集中在事件的強度而非空間分布上。此外，Ni?o 3.4區（5°N～5°S，120°～170°W）范圍較小，仍然不能覆蓋整個El Ni?o事件發生的區域，不能及時發現El Ni?o事件發生和結束的準確時間，不利于監測El Ni?o事件整體的強度特征。那么，能否構建一個新的指標，將El Ni?o事件看做一個整體，從整體的角度來綜合監測El Ni?o事件的過程及強度，以期減少人們對于事件是與否的爭議。

2 資料

利用CPC所提供的1950—2016年月平均的擴展重構海表溫度（Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，ERSST）資料和月平均南方濤動指數（Southern Oscillation Index，SOI），計算了赤道中、東太平洋的4個海區海表溫度的指數即尼諾（Ni?o）指數。各海區劃分如下：Ni?o 1+2區（0°～10°S，85°～90°W）、Ni?o 3區（5°S～5°N，150°～90°W）、Ni?o 4區（5°S～5°N，160°E～150°W）和Ni?o 3.4區（5°S～5°N，170°～120°W）（見圖1）。Ni?o 1+2指數、Ni?o 3指數、Ni?o 4指數和Ni?o 3.4指數即為上述海區區域平均的月海表溫度距平（Sea Surface TemperatureAnomaly，SSTA）。

3 Ni?o指數的比較

圖1 尼諾指數表征區域示意圖

對于判別El Ni?o事件的標準，國際上并不統一。例如，美國NOAA以Ni?o 3.4區3個月滑動平均的海表溫度距平值連續5個月≥0.5℃定義為一次El Ni?o事件；歐洲中期天氣預報中心將Ni?o 3區海表溫度距平值至少連續6個月≥0.5℃定義為一次El Ni?o事件；日本氣象廳采用5個月滑動平均月JMA指數連續6個月（其中必須包含10月、11月和12月）≥0.5℃定義為一次El Ni?o事件；澳大利亞氣象局則使用Ni?o 3.4區5個月滑動平均的海表溫度距平值連續6個月≥0.8℃定義為一次El Ni?o事件；而在中國，中國氣象局國家氣候中心依據Ni?o Z指數≥0.5℃至少持續6個月（過程中間可有一個月未達標準）定義為一次El Ni?o事件；若Ni?o Z指數≥0.5℃持續5個月，且5個月的指數之和≥4.0℃時也定義為一次El Ni?o事件；國家海洋環境預報中心以Ni?o 3指數連續6個月≥0.5℃（過程中允許有一個月的中斷）來判定El Ni?o事件。

參照以上定義，我們選定Ni?o 3、Ni?o 3.4指數這兩個常用指數，并規定Ni?o 3指數≥0.5℃至少持續6個月（過程中間允許一個月的中斷）為一次El Ni?o事件；Ni?o 3.4指數3個月滑動平均連續5個月≥0.5℃為一次El Ni?o事件，并由以上定義分別給出Ni?o 3指數和Ni?o 3.4指數對El Ni?o事件判定的結果。

表1為1950—2016年Ni?o 3和Ni?o 3.4指數定義的El Ni?o事件次數的統計，從中可以發現，Ni?o 3指數雖然可以較好的監測El Ni?o事件，但由于計算區域偏東，其對東部型事件監測效果較好，而對于發生在中太平洋海區的中部型El Ni?o事件，Ni?o 3指數的監測能力下降，表現為對于中部型事件的漏測，如1968/1969年、1994/1995年和2004/ 2005年3次El Ni?o事件；而Ni?o 3.4指數的建立雖然兼顧了東部型和中部型兩種形態的El Ni?o事件，但是仍然會漏測一些強度較弱的東部型事件，如1951年的El Ni?o事件，且對于強度較大的東部型El Ni?o事件，Ni?o 3.4指數存在不能抓取到事件強度中心的問題。同樣，Ni?o 3指數所在區域也會將一些中部型事件的增暖中心排除在外，由于兩個指數對El Ni?o事件只抓取了部分特征，因而Ni?o 3和Ni?o 3.4指數對于El Ni?o事件強度的判定存在局限性繼而引發對于事件強度的爭議。而El Ni?o事件從開始至其結束是一個動態的過程，對其強度的描述不應局限在部分區域，應視為一個整體來進行判定，Ni?o 3和Ni?o 3.4指數不能監測到El Ni?o事件從發生到結束的整體強度特征。因此，要將El Ni?o事件的強度從一個整體的角度出發，就必須要擴大海區的監測范圍，該范圍可以將El Ni?o事件整體包括其中。

表1 Ni?o 3和Ni?o 3.4指數定的El Ni?o事件次數

為了解決單一指數對El Ni?o事件特征刻畫的局限性，我們從事件分布的形態出發，來確定一個合理的海區監測范圍。圖2給出了1950—2016年赤道中、東太平洋區域（5°S～5°N，160°E～80°W）海表溫度距平時間-經度的分布圖。從圖中可以看出，1950年以來，赤道太平洋的海溫異常從南美沿岸可以一直延伸至180°經線附近。而從海溫異常暖中心的位置分布來看，有些El Ni?o事件的最大暖異常中心位置偏西，位于日界線附近；有些El Ni?o事件的最大暖異常中心位置偏東，在150°W以東。此外，有的El Ni?o事件還存在暖中心位置的變動。

因此，我們基于上述對海表溫度異常分布形態的分析，取Ni?o 3海區向西延伸至180°經線所覆蓋的區域為監測El Ni?o事件的海區，該區域包含了兩種類型的El Ni?o事件發生、發展所在范圍，從而可以較好的監測兩種類型的El Ni?o事件的整體特征，有利于表征El Ni?o事件的整體強度。

4 一種新的El Ni?o諾指數

4.1 新指數的定義

將新的El Ni?o指數命名為Ni?o T指數，并給出如下定義。

Ni?o T指數定義：

Ni?o T區（5°S～5°N，180°～90°W）區域平均的SSTA。

El Ni?o事件的定義：

當Ni?o T指數≥0.4℃的值持續6個月以上時（允許有一個月中斷）為一次El Ni?o事件過程。

El Ni?o事件強度的定義：

圖2 1950—2016年赤道海表溫度距平時間-經度剖面圖

Ni?o T指數在一次El Ni?o事件中的最大值。當最大值≥0.4且＜0.9時為一次弱的El Ni?o事件；當最大值≥0.9且＜1.8時為一次中等強度的El Ni?o事件；當最大值≥1.8時為一次強的El Ni?o事件。

圖3給出了Ni?o 3、Ni?o 3.4和Ni?o T 3個指數隨時間的演變，圖中可以看出Ni?o T指數與Ni?o 3、Ni?o 3.4指數隨時間的變化規律基本一致，只是振幅稍小一些。這是由于Ni?o T指數相比Ni?o 3、 Ni?o 3.4指數擴大了監測海區的面積，故其數值會相對減小，因而Ni?o T指數定義El Ni?o事件標準的臨界值也相應的減小了。Ni?o T指數強度標準的臨界值參照Ni?o 3、Ni?o 3.4指數定義的El Ni?o事件強度推定。

圖3 Ni?o 3、Ni?o 3.4以及Ni?o T指數變化曲線圖

在新指數的合理性方面，Ni?o T指數與Ni?o 3、Ni?o 4、Ni?o 3.4指數的相關性很好，相關系數均超過0.85，且所有相關系數的顯著性水平檢驗均在0.01以上，表明Ni?o T指數具有較好的代表性。同時，El Ni?o事件作為赤道中、東太平洋大范圍的海-氣相互作用的事件，其所造成的異常變化不僅在海洋環境中有所體現，對大氣環流也會產生相應的影響，因此赤道中、東太平洋的海溫距平和南方濤動具有非常顯著的相關關系。本文對1951年1月—2016年6月786個月的樣本資料進行了相關統計，結果表明：Ni?o 3、Ni?o 4、Ni?o 3.4指數以及Ni?o T指數與南方濤動指數（SOI）之間的相關系數分別為-0.65、-0.67、-0.72和-0.70。除Ni?o 3.4指數以外，Ni?o T指數與南方濤動指數的負相關關系最為明顯，且通過了0.01的顯著性水平檢驗，這也進一步說明了本文關于Ni?o T指數的定義是合適的。

4.2 Ni?o T指數定義的El Ni?o事件

自1950年以來，Ni?o T指數定義的El Ni?o事件共有18次（見表2）。從事件強度上來看，弱的El Ni?o事件有5次，中等強度的El Ni?o事件有9次，強El Ni?o事件則發生了4次。其中，強度最強的El Ni?o事件是20世紀1997/1998年發生的El Ni?o事件，強度達到了2.61。而最近一次2014/2016年的El Ni?o事件不僅持續時間為1950年以來最長，在強度上也僅次于1997/1998年的事件為2.44，是1950年以來所發生的強度第二強的El Ni?o事件，而1982/1983年的發生El Ni?o事件強度為第三強。

4.3 Ni?o T指數與其他指數的比較

從表3可以看出，Ni?o T指數定義的El Ni?o事件與Ni?o 3、Ni?o 3.4指數定義的El Ni?o事件相比，事件定義的次數最多，即Ni?o 3指數定義El Ni?o事件14次、Ni?o 3.4定義El Ni?o事件16次，Ni?o T定義El Ni?o事件18次。具體而言，Ni?o T指數比Ni?o 3指數多監測到了1968/1969年、1993年、1994/ 1995年和2004/2005年的4次El Ni?o事件；同時，Ni?o T指數與Ni?o 3.4指數相比多監測了1951年和1993年兩次El Ni?o事件。在El Ni?o事件持續時間上，由于各指數間范圍和定義標準的不同，會存在些許的差異，但總體上趨近一致。

Ni?o T指數在El Ni?o事件定義的強度方面，雖然Ni?o T指數的數值偏小，但是其對事件強度性質的判定更為合理。例如，Ni?o 3和Ni?o 3.4指數在判定2014/2016年的事件的強度是否超過1997/ 1998年事件的問題上就會由于監測區域的限制產生爭議，而此次事件強度被認為應當小于1997/1998年事件的強度，因而Ni?o T指數的強度劃分較為合理。同時，隨著80年代以來中部型El Ni?o事件的增多，Ni?o T指數不僅可以表征El Ni?o事件總體強

度，還可以有效的監測中部型和東部型兩種類型的El Ni?o事件，解決了單一指標對于兩種類型的El Ni?o事件監測能力不足的問題，使事件強度的認識更為直觀，而且Ni?o T指數的計算也非常簡便，便于日常業務使用，體現了一定的優越性。

表2 Ni?o T指數定義的El Ni?o事件及強度

表3 Ni?o 3、Ni?o 3.4和Ni?o T指數定義的El Ni?o事件及強度

5 氣候平均值的改變對指數的影響

一般而言，我們將觀測資料的30 a平均稱為氣候平均值，隨著時間的推移，氣候平均值也在不斷的發生變化。那么氣候平均值的改變會對El Ni?o指數產生什么樣的影響？圖4為1951—1980年、1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年4個30 a的Ni?o 3、Ni?o 4、Ni?o 3.4以及Ni?o T指數的氣候平均值。可以發現，各指數的氣候平均值均呈現升高態勢。Ni?o 3、Ni?o 3.4、Ni?o 4和Ni?o T指數氣候平均值分別較其前一個氣候平均值升高了0.1～0.2，其中Ni?o 4指數的氣候平均值變化最大，可見氣候平均值的改變對于各個指數均存在一定的影響。

氣候平均值的升高帶來的另一個影響就是指數判定的弱El Ni?o事件減少。以Ni?o T指數為例，表4給出了Ni?o T指數在1951—1980年、1961—1990年和1971—2000年3個氣候平均值下對El Ni?o事件判定的結果。從El Ni?o事件的次數來看，1951—1980年、1961—1990年和1971—2000年3個氣候平均值下對應的結果為22次、21次和18次，事件次數逐漸減少。對減少的El Ni?o事件的強度進行分析發現，各事件均為弱的El Ni?o事件。同時，隨著1951—1980年、1961—1990年和1971—2000年3個氣候平均值的逐漸升高，Ni?o T指數對El Ni?o事件持續時間和強度的判定也會產生一些變化，主要表現為El Ni?o事件持續時間縮短和El Ni?o事件強度的減小。在Ni?o 3和Ni?o 3.4指數中也存在這樣的情況。因此，不同指數由于定義以及所用氣候平均值的不同可能會對El Ni?o事件的判定產生一些差異。

圖4 不同年代下各指數的氣候平均值

表4 不同氣候平均值下Ni?o T指數定義的El Ni?o事件及強度（氣候平均值1、氣候平均值2和氣候平均值3分別為1951—1980年、1961—1990年以及1971—2000年的平均值）

6 結論

本文運用美國NOAA所提供的擴展重構海表溫度（ERSST）資料，計算了國內外業務單位常用的El Ni?o指數，并比較了它們對El Ni?o事件的監測能力，發現Ni?o 3和Ni?o 3.4指數對兩種類型的El Ni?o事件存在監測能力不足的問題，單一指數對El Ni?o事件均有漏測，并且由于指數監測區域的限制，對于El Ni?o事件強度的判定存在一定的局限性，并在分析了赤道中、東太平洋海表溫度異常分布形態的基礎上，提出了一種擴大了對El Ni?o事件監測海區范圍的新的El Ni?o指數，并比較了氣候標準值改變對El Ni?o指數的影響，得到以下主要結論：

（1）以Ni?o T區（5°S～5°N，180°～90°W）得到了表征赤道中、東太平洋海表溫度異常的Ni?o T指數，并將此指數≥0.4℃的值持續6個月以上時定義為一次El Ni?o事件過程；

（2）運用Ni?o T指數刻畫了1950—2016年所發生的18次El Ni?o事件，能夠較為全面的監測到歷史上所發生的不同分布類型的El Ni?o事件，同時該指數可以準確判定El Ni?o事件起止時間和整體強度等特征，解決了單一指標對El Ni?o事件特征表征的局限性，從而更有利于從整體上描述El Ni?o事件的特征；

（3）1951—1980年、1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年4個30 a的Ni?o 3、Ni?o 4、Ni?o 3.4以及Ni?o T指數的氣候平均值分別較其前一個氣候平均值升高0.1～0.2。同時，由于氣候平均值的升高，各El Ni?o指數判定的弱El Ni?o事件次數均有所減少。

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A new index for El Ni?o

GONG Hong1,2，WANG Zhang-gui2，ZHAO Chuan-hu1，FENG Li-cheng2

（1.Ocean University of China,Qingdao 266100 China;2.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

Using the monthly mean NOAA extended reconstructed sea surface temperature(ERSST)analyses data from 1950 to 2016,the commonly used El Ni?o index is calculated,and the monitoring abilities of several indices are examined.The results indicate that any single index cannot comprehensive monitor different types of El Ni?o events.The commonly used El Ni?o index has limitations on monitoring El Ni?o events.Therefore,this paper proposes a new El Ni?o index which not only can comprehensive monitor what has happened in the history at the different types of El Ni?o events,but also can reasonably define the strength of El Ni?o events.The new index can resolve the dispute in defining the intensity of El Ni?o events,and provide a new approach to monitoring of El Ni?o events.The study also analyses the impact of climate reference change on El Ni?o index for defining El Ni?o events,the results show that there will be fewer weak El Ni?o events with the increase of climate reference.

El Ni?o event；index；intensity

P732

A

1003-0239（2017）03-0017-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.003

2017-01-06；

2017-02-16。

國家自然科學基金（41576029）。

弓泓（1990-），男，碩士研究生，主要從事海洋-大氣相互作用研究。E-mail：189149252@qq.com