引言

季节内振荡信号是在20世纪70年代初，由Madden and Julian^[1-2]最先发现的，他们在研究热带大气时发现风场和气压场存在40~50 d周期性的大尺度振荡现象，因此学术界也称此振荡现象为季内振荡(Madden-Julian Oscillation，MJO)。MJO是热带地区大气最强的振荡信号，它的活动及异常变化对热带气候有着重要的影响。

MJO和厄尔尼诺(El Niño)是两种不同时间尺度的变化，与这两种不同时间尺度现象相关的异常对流活动和环流在空间分布上有很大的相似性，Lau and Chan^[3]在1986年提出一种推测，即MJO通过海气耦合作用而减频增幅，可能成为El Niño的激发因素。李崇银^[4]，李崇银和廖清海^[5]从动力学理论分析和数值模拟方面研究指出：一方面，El Niño事件发生之前热带大气(尤其是赤道西太平洋地区)季节内振荡异常增强，显示了热带大气季节内振荡对El Niño的激发作用；另一方面，El Niño对MJO的强度有削弱作用，在El Niño期间热带大气季节内振荡偏弱。在El Niño之前热带大气季节内振荡比较强，而在El Niño期间热带大气季节内振荡比较弱，似乎表明伴随El Niño的发生，热带大气季节内振荡的动能有向准定常系统(包括ENSO循环)转送的特征。

与MJO相关的海表强迫在上层海洋的响应包括局地响应和遥响应^[6]。前者表现为由于海表的动量通量引起的动力响应和湍流混合，以及由于热量通量、淡水通量引起的非绝热过程的响应；后者表现为赤道Kelvin波可将西太平洋MJO的影响向东传播，越过日界线直至东太平洋，主要变化信号为海表高度的异常^[7]。1997/1998年El Niño事件被认为是与印度洋、西太平洋MJO活动有密切关系的典型个例^[8]，1997年2月生成于印度洋的MJO，东传经过西太平洋后，低层的西风产生海洋Kelvin波，最终激发了El Niño。

以往的研究试图揭示MJO与El Niño的关系，可是产生了相互矛盾的结果^[9-24]。一部分观点认为，MJO会触发El Niño事件，主要依据是MJO活动会影响西太平洋和中太平洋海表面温度(SST)，西太平洋强对流活动主要通过3个途径使SST降低^{[6, 9-10]}：对流中伴随强风的蒸发冷却效应加强；云量的增多使表面短波辐射吸收减少；加强海洋上层混合导致温跃层海水变冷，从而为中东太平洋El Niño发展前期提供条件。MJO活动在西太平洋激发沿赤道太平洋的下沉Kelvin波^[11-12]，这种波动削减了沿冷舌的上升冷水，并且输送西太平洋暖水向东流，升高了东太平洋SST。如果西太平洋变冷与中太平洋变暖同时很强从而促使对流活动向东移动，那么伴随而来的中太平洋西风异常发展将促使SST增暖向东发展^{[11, 13]}，中东太平洋SST的增加使得纬向SST梯度减小，信风减弱，信风减弱则会引起更多的暖水东移，使得信风进一步减弱，这种正反馈可以启动El Niño事件。

与以上观点相反的另一些研究指出MJO在ENSO中不起作用。Syu and Neelin研究^[14]表明，具有较短时间尺度的噪音信号与模式中的ENSO无明显的关系。Kessler and Kleeman^[15]认为MJO在El Niño的启动阶段可来放大发展中的暖事件，然而MJO自身并非是El Niño的原因。Slingo et al. ^[16]基于由全球风场和对流定义的MJO指数，指出MJO可能不是El Niño形成的本质因子，但应是决定其成长速度和振幅的关键因素。Bergman et al.^[17]对比分析了3次代表性El Niño事件和与之对应的MJO活动，得到结论：MJO可能与El Niño发生的时间和初始发展有关，而不是造成El Niño的原因。近来观测结果还表明，MJO并不能促使ENSO冷暖事件的发生，但可以调整ENSO事件发生的一些特征。

总结前人的研究可以发现，MJO与El Niño之间的关系还有很多问题没有解决，目前的一些研究结果甚至相互矛盾，从背景海洋角度来研究两者的关系还不多见。MJO事件爆发后，对背景海洋的直接影响是产生海面风应力，从而强迫海洋形成赤道Kelvin波，此赤道Kelvin波可以将热带西太平洋的各种扰动影响传到东太平洋，使热带东太平洋海洋状态发生改变，例如在表面风应力作用下，赤道Kelvin波常伴随一些异常现象，如中西太平洋的风应力正异常(向东)激发温跃层异常加深，并以赤道Kelvin波的形式向东传播，从而引发东太平洋温跃层异常，所以说，赤道Kelvin波在MJO影响El Niño事件过程中起到了非常重要的作用。本文将从热带太平洋温跃层深度异常演化入手，利用MJO相关的海洋Kelvin波指数研究热带西太平洋MJO对El Niño事件的影响。

1 资料与方法

1) NCEP/NCAR逐日再分析资料。该资料由美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作，采用了最先进的全球资料同化系统和完善的数据库，对各种来源的观测资料进行质量控制和同化处理，获得了一套完整的再分析资料集，它不仅包含的要素多，范围广，而且延伸的时段长，是一个综合的数据集。本文采用NCEP/NCAR逐日再分析资料中的10 m风场资料，资料范围0°~357.5°E，90°N~90°S，分辨率2.5°×2.5°，经、纬向上的格点数分别为73和144，起止时间：1980年1月1日—2008年12月31日。

2) SODA海洋数据。该资料由全球简单海洋资料同化分析系统(Simple Ocean Data Assimilation)产生，该系统是美国马里兰大学(University of Maryland)于20世纪90年代初开始开发的分析系统，其目的是为气候研究提供一套与大气再分析资料相匹配的海洋再分析资料，包含的变量分别为温度(temp)、盐度(salt)、纬向海流速度(u)、经向海流速度(v)、纬向海表风应力(tanx)、经向海表风应力(tany)和海平面高度(ssh)共7个，资料为月平均数据，水平方向范围0.25°E~359.75°E，89.25°N~75.25°S，水平方向上的分辨率为0.5°×0.5°，经、纬向上的格点数分别为300和720；垂直方向上的分辨率为不等间距，共40层，深度(单位：m)分别为5 374，5 124，4 874，4 624，4 374，4 124，3 874，3 624，3 374，3 124，2 874，2 624，2 375，2 125，1 875，1 625，1 378，1 139，918，729，579，465，381，317，268，229，197，171，148，129，112，96，82，70，57，46，35，25，15，5。本文采用SODA(2.0.2)月平均温度、盐度资料，起止时间：1980年1月—2005年12月。

3) 从1980—2008年Nino3.4区海表面温度异常(SSTA)的演化(图略)及热带西太平洋MJO能量的演化(图略)中可知，强El Niño事件和强MJO事件按强度由强到弱排列如表 1所示。从时间对应上来看，每次强El Niño事件发生之前热带西太平洋都会出现强MJO事件。但在这几次El Niño事件发生发展过程中，热带西太平洋强MJO事件起到的作用不同，影响程度也有差异，以下将利用MJO相关的Kelvin波指数对四次强MJO事件影响El Niño事件的过程进行具体分析。

2 热带西太平洋MJO相关的Kelvin波指数的确定

由于MJO相关的赤道Kelvin波是通过风应力直接强迫产生，所以MJO相关的赤道Kelvin波指数可以根据季节内风应力数据来计算，具体过程如下。

首先确定并分离赤道纬向风应力中的MJO成分，采用NCEP/NCAR逐日表面(10 m)风场资料(1980年1月1日—2008年12月31日)计算赤道纬向风应力，赤道纬向风应力τ_x可以表达为${{\tau }_{x}}=u\sqrt{{{u}^{2}}+{{v}^{2}}}$，其中u、v分别为表面风场资料中的纬向风和经向风分量，经度范围取120°E~100°W，并进行2.5°S~2.5°N的经向平均。将得到的赤道纬向风应力τ_x进行二维傅立叶变换，计算其功率谱(图 1)，图 1中横坐标表示纬向波数，纵坐标表示波动频率，正频率表示向东传播，负频率表示向西传播。由图 1可以看出，除频率低于0.005(周期在200 d以上)的风应力信号非常显著外，频率在0.016~0.025(周期为40~60 d)之间的风应力信号也非常显著，即向东传播的周期在季节内、纬向波数为0.3~2波的信号。此信号无论传播方向、频率或者纬向波数都与MJO非常吻合，这足以证明，风应力τ_x中包含着MJO信号。对风应力MJO进行20~100 d滤波，即可得到MJO风应力信号τ_MJO。

根据公式^[18]：$K\left( {{x}_{0}}, {{y}_{0}} \right)=\int_{0}^{{{x}_{0}}}{{{\tau }_{x}}}\left( x, {{t}_{0}} \right.-\frac{{{x}_{0}}-x}{c})\text{d}x=K\left( {{\tau }_{x}} \right)$，可以通过纬向风应力数据计算得出指数K(x₀，y₀)，该指数可以用来衡量风应力强迫产生的赤道Kelvin波的强度。公式中的x₀和y₀分别表示经度和纬度，t₀表示时间，x=0时表示海洋西边界经度，c＝2.4 m/s表示赤道Kelvin波的相速度。当用τ_MJO代入K(x₀, y₀)时，计算所得出的K(x₀，y₀)可以看作与MJO相关的赤道Kelvin波的强度。

根据指数K(x_0，y₀)可以确定MJO爆发时海洋的反应情况，即MJO相关的赤道Kelvin波可以将赤道西太平洋的温跃层异常信号以波动的形式向东太平洋传播，进而对东太平洋海表面温度造成影响。该指数的大小代表了MJO相关的赤道Kelvin波的强度，指数越大说明MJO强迫产生的赤道Kelvin波越强，越能更好地将赤道西太平洋温跃层异常信号东传，对东太平洋海表面温度产生更大影响。

利用该指数对El Niño事件发生过程中温跃层深度异常进行研究，从温跃层角度分析MJO相关的海洋Kelvin波对El Niño事件的影响。在热带海洋，温跃层核心的深度可以近似用1 025.5 kg·m^-3等密度面深度来表示^[25-27]，而不采用20 ℃等温线来表示，因为与ENSO相关的波动信号主要是沿着密度跃层传播，所以用等密度面来表示更加准确。本文中用到的1 025.5 kg·m^-3等密度面深度是用SODA月平均数据中的40层温度和盐度资料计算所得。

3 MJO对El Niño事件影响的个例分析 3.1 1997/1998年El Niño事件

在多次El Niño事件中，1997/1998年El Niño事件是被认为与热带西太平洋MJO活动关系最密切的一次，所以首先对1997/1998年El Niño事件的发生过程进行分析，考察热带西太平洋MJO事件对该次El Niño事件的影响。

在此次El Niño事件中，由赤道处温跃层深度异常(图 2a)及MJO相关的赤道Kelvin波能量(图 2b)演化过程对比来看，热带西太平洋强MJO事件与该次El Niño事件基本上是同时发生的，MJO事件的爆发时刻处于El Niño事件成熟期之前8~9个月。由Kelvin波指数演化(图 2b)可知，在El Niño事件发生之前，MJO相关的Kelvin波强度不强，赤道西太平洋的暖信号很少部分是因为MJO相关的赤道Kelvin波而向东传，由此可见其对El Niño事件的发生无明显影响。从1997年1—10月热带太平洋温跃层深度异常变化(图 3)来看，在El Niño事件发生之前北太平洋有温跃层异常上升信号沿西边界传向西太平洋，当热带西太平洋MJO事件发生时，热带西太平洋温跃层已经变浅，并且热带西太平洋暖池已经开始向中太平洋扩展，随着强MJO事件的爆发，1997年4月和9月出现两次很强的东传MJO相关的赤道Kelvin波，此Kelvin波使中西太平洋温跃层下沉信号持续向东太平洋传播，最终使东太平洋海表面温度持续增高，对El Niño事件起到推动作用，增大了El Niño事件的振幅。

综上，热带西太平洋MJO事件在1997/1998年El Niño事件过程中，并没有起到诱发El Niño事件的决定性作用，但是，当El Niño事件开始发展后，MJO相关的赤道Kelvin波异常强大，对El Niño事件起到了重要的促进作用，使El Niño事件的强度显著加强。

3.2 1982/1983年El Niño事件

1982/1983年El Niño事件的强度仅次于1997/1998年El Niño事件。从图 4a中可看出，1981年10月El Niño事件尚未开始发生，但此月份出现的MJO相关Kelvin波强度较强(图 4b)，从图 5中可知，在该时间段Kelvin波东传的赤道温跃层信号是温跃层异常上升信号，使赤道东太平洋温跃层深度异常变浅，表明东太平洋海表面温度异常变冷，不利于El Niño事件的发生。而在El Niño事件发生过程中，1982年12月出现一次强度比较弱的MJO相关Kelvin波，故对El Niño事件的影响并不是太大。

从1982年4月开始赤道西太平洋出现温跃层异常升高现象，并且赤道中东太平洋出现大面积温跃层异常下沉现象，东太平洋海表面温度持续升高，El Niño事件开始发生。而1982年4月热带西太平洋MJO强度非常弱，激发的MJO相关Kelvin波强度更弱，对温跃层信号传播产生的影响非常小，温跃层下沉信号的持续东传可以认为是其他因素的影响。1982年是赤道印度洋地区西风加强偏早的年份，在4月下旬赤道印度洋地区西风就已经持续加强并向东扩展，所以很可能是因为4月份的西风爆发迫使中西太平洋温跃层异常下沉信号持续东传，为El Niño事件的发生做了准备。在1982/1983年El Niño事件发展的过程中，热带西太平洋MJO强度很弱，相关的海洋Kelvin波强度同样很弱，对El Niño事件的发展并没有太多的影响。

综上所述，虽然在1982/1983年El Niño事件发生前热带太平洋出现了强度比较强的MJO相关海洋Kelvin波，但是此波动东传的信号为温跃层深度异常上升信号，使赤道东太平洋温跃层深度异常变浅，不利于El Niño事件的发生。后来El Niño事件的发生与热带西太平洋MJO事件没有必然联系，而且在El Niño事件发展过程中，热带西太平洋MJO强度很弱，相关的海洋Kelvin波强度同样很弱，说明此次El Niño事件的发生发展与热带西太平洋MJO事件关系不大。

3.3 1986/1987年El Niño事件

1986/1987年El Niño事件强度较大(图 6a)，但1985—1986年期间热带西太平洋只发生过一次强MJO事件，并且发生的时间在1985年2月，距El Niño事件的发生相差一年半以上，可以说该次MJO事件对1986/1987年El Niño事件基本上毫无影响。由图 6b来看，在1986/1987年El Niño事件过程中MJO相关的Kelvin波强度非常弱，基本上对温跃层信号的传播毫无贡献，所以说在此次事件中，MJO对El Niño事件的发生与发展几乎没有影响，也说明在El Niño事件发生与发展过程中，不能单纯地考虑由MJO相关的海洋Kelvin波带来的影响，海洋状态及其他因素影响非常重要。

3.4 1991/1992年El Niño事件

1991/1992年El Niño事件强度与1986/1987年El Niño事件强度相差不大(图 7a)，只是持续时间相对较短。1991年4月热带西太平洋发生了一次1980—2008年间强度最强的MJO事件，但这次强MJO事件却没有推动该次El Niño事件强度达到1997/1998年El Niño事件的强度，所以从海洋Kelvin波方面进行分析，找出原因。

从MJO相关的赤道Kelvin波指数演化过程(图 7b)中可以看出，1991年1月和4月出现两次强度较强的MJO相关的海洋Kelvin波，一方面，此Kelvin波强度远不如1997/1998年间出现的MJO相关海洋Kelvin波的强度强，所以对温跃层异常信号传播的贡献远小于1997/1998年间MJO相关的Kelvin波；另一方面更重要的是，从图 8太平洋温跃层深度异常演化来看，这两次MJO相关的海洋Kelvin波传播的温跃层深度异常信号同样是温跃层异常上升信号，此信号的东传使东太平洋温跃层深度异常变浅，阻碍了El Niño事件的发展。

在此次El Niño事件发生的过程中，出现了几次MJO相关的Kelvin波，虽然它们是将西太平洋温跃层异常下沉信号东传，促使东太平洋海温增高，但是由于它们的强度很弱，所以对El Niño事件的影响明显不如1997/1998年间MJO相关的海洋Kelvin波对El Niño事件的影响。

综合上述理由，热带西太平洋MJO事件在1991/1992年El Niño事件过程中，同样没有起到诱发El Niño事件的作用，相反甚至在最初的时候起到了阻碍作用，而当El Niño事件开始发生时，热带西太平洋发生的强MJO事件只激发了强度不强的赤道Kelvin波，并参与到El Niño事件发展的过程中，为El Niño事件的发展起到一定的推动作用。

4 结论与讨论

通过SODA温盐数据和NCEP/NCAR风场数据计算得到MJO相关的海洋Kelvin波指数，通过对该指数的研究讨论了MJO事件对El Niño事件的影响。分析4次El Niño事件发生发展过程中MJO相关的海洋Kelvin波起到的不同作用。

MJO相关的Kelvin波强度越强，对温跃层信号传播的贡献越大，Kelvin波强度较弱时产生的影响很不明显；当El Niño事件发展过程中出现强MJO相关的海洋Kelvin波信号，并且该东传波动传递的是温跃层异常下沉信号时，会增大El Niño事件的振幅，对El Niño事件的发展起到重要的促进作用(1997/1998年El Niño事件)。除此之外，当MJO相关的海洋Kelvin波较弱时，对El Niño事件影响不大；当传递的是温跃层异常上升信号时反而会对El Niño事件的发生与发展起到阻碍作用。

总而言之，热带西太平洋MJO事件对El Niño事件的发生并无明显关联，在特定的情况下其对El Niño事件有重要影响，但并不能决定El Niño事件的发生或终结。

本文旨在研究MJO相关的海洋Kelvin波对El Niño事件的影响，在研究过程中发现有很多需要进一步深入的问题，如：MJO的爆发会伴随西风异常的出现，从而会形成下沉的Kelvin波，那么研究中出现MJO相关的上升Kelvin波是怎样形成的？另外，Kelvin波在El Niño事件过程中起到关键作用，MJO相关Kelvin波在总Kelvin波中的贡献多大，从定量角度进一步分析说明热带西太平洋MJO通过Kelvin波形式对于El Niño事件的影响是今后工作中将继续进行详细深入研究的问题。