预测 ENSO（厄尔尼诺） 是大气科学中最困难的问题之一。长期悬而未决的问题是什么导致了厄尔尼诺和拉尼娜之间的转变。在过去的 30 年里，ENSO 的预报在 ENSO 海面温度异常已经出现后，一直被限制在 6-9 个月的较短提前期。大多数ENSO预报模型无法预测厄尔尼诺和拉尼娜之间的转换，这需要12个月或更长的时间。不仅统计模型如此，大多数动态耦合大气环流模型（CGCM）也是如此。最先进的 CGCM 在模拟 ENSO 的正确振荡周期和振幅方面存在很大困难，这与它们在模拟热带平均状态和海洋大气反馈 方面的偏差有关。这不仅影响他们的 ENSO 预测，还影响他们对近期全球气候变化的十年到多年的预测。

现有的ENSO理论可分为六组，包括（ 1）慢耦合模式理论 、（ 2）随机强迫理论（3）补给振子理论(4) 延迟振子理论 (5) 对流反射振子理论 (6) 西太平洋振子理论。前三种理论强调海洋-大气反馈机制，但具有海洋-大气反馈的耦合气候模型在模拟ENSO方面仍然存在困难，并且对不同的物理参数化相当敏感。其他三种理论强调自由海浪，包括赤道开尔文波和罗斯贝波，并且在观测和模型中都发现了自由海波。自由开尔文波的相速一般为2~3 m/s，而自由罗斯贝波的相速为0.5~1 m/s。这些波由异常西风或东风驱动，这些风通常与季节内马登-朱利安振荡 (MJO)相关，并显示出与不同类型的厄尔尼诺现象相关的清晰的水平和垂直传播。然而，自由海浪的传播速度太快，无法解释 ENSO 3-6 年的时间尺度。

海面状态变量，包括海面温度（SST）、海平面压力（SLP）、表面风和海面高度（SSH），是统计ENSO模型通常使用的预测变量，也作为动力ENSO模型的初始场。然而，在厄尔尼诺和拉尼娜的过渡阶段，即通常所说的“中性阶段”，海温、海温、海温和地表风异常都很弱，无法为长超前ENSO预报提供良好的预报。

在这里，我们证明厄尔尼诺和拉尼娜之间的转换是由从西太平洋传播到中/东太平洋的次表层海浪引起的，然后引发那里海表温度异常的发展。这是基于使用多个长期观测数据集对过去 136 年中所有 ENSO 事件进行的分析。

图中显示了多个观测数据集沿赤道的气候平均海洋地下温度在 5N-5S 之间平均的垂直剖面：(a) TAO 浮标阵列 23 年（1993-2015），(b) UKMO 海洋分析61 年（1955-2015），以及（c）SODA 海洋再分析 133 年（1880-2012）。所有数据集都显示了西太平洋暖池和东太平洋冷舌之间明确的温度对比。白线是气候 23.5 °C 线，它很好地代表了温跃层。显示沿赤道的气候平均垂直速度。由于赤道上升流是由信风驱动的，因此日界线以东从温跃层到10 m处有较强的上升流。日界线以西的上升流要弱得多。

图显示了 61 年来所有 ENSO 事件中 UKMO 海洋分析次表层温度与 Nino3.4 SST 从 (a) -24 个月（拉尼娜）到 (h) -3 个月（厄尔尼诺前 3 个月）的滞后相关性从 1955 年到 2015 年。图 1展示了三个关键点。首先，有明显的地下海浪沿着温跃层从西太平洋向东太平洋传播。暖温异常已在拉尼娜峰值时从西太平洋开始，并在3个月内迅速越过日界线，此时中、东太平洋地表温度仍呈现明显的拉尼娜冷异常。其次，海浪一越过日界线进入东太平洋，东太平洋强烈的平均态上升流就开始平流从温跃层（东太平洋30~120米深度）带来的暖温异常。东太平洋）向地面移动，垂直速度为每月 2-10 米。

太平洋中部暖平流开始较早，但温跃层更深，暖异常到达地表需要更多时间。在靠近南美洲海岸的远东太平洋，暖平流的开始要晚得多，但那里的温跃层要浅得多，温暖的异常现象可以很快到达地表。这种温暖的平流可能导致拉尼娜从-21个月衰减到-12个月，然后启动温暖的海温异常并触发比耶克内斯反馈，导致-6个月时厄尔尼诺的发展至-3个月。温度变化的相应幅度高于1℃，这类似于延迟振荡器模型中的幅度，并且因此足以引起切换。第三，在-12个月和-9个月的中性过渡阶段，没有显著的地表温度异常，但次表层海浪异常非常显著，为 ENSO 预报提供了极好的预报器。

海浪分为三种类型：自由海浪、自由海气耦合波和强迫海浪。首先，我们通过计算传播的相速度来确定观测到的波是否是自由海波。图总结了所有三个观测数据集的波沿温跃层传播的情况。所有三个数据集一致证明向东传播的相速度为 0.2-0.3 m/s，这比自由海浪的相速度慢得多。由于 MJO 相关的西风爆发驱动的自由开尔文波通常具有 2-3 m/s 的相速度，它比此处发现的波的相速度大一个数量级。因此，观测到的波浪不是自由海浪。

次表层海波不太可能是自由海洋-大气耦合慢模，因为在中性过渡阶段，不存在明显的海温异常，并且强次表层海波与大气完全解耦 。在此期间，波仍然保持0.2~0.3 m/s的慢相速度，因此不是从源区发出的自由波。

第三种可能性是强迫海浪。海洋的主要外强迫是潮汐引力。温跃层与最强的垂直温度梯度相关，因此在潮汐垂直运动的驱动下往往会表现出最大的温度异常，这与地下海浪的深度一致。月球绕地球公转是自西向东，与地球自转方向相同，这与地下海洋波的向东传播一致。与ENSO生命周期相关的纬向平均海洋温度的演变也支持了观测到的次表层波与潮汐之间的联系，这可以与沿赤道的次表层波传播进行比较。当次表层暖波从西太平洋传播到中太平洋时，波深100-300 m处纬向平均温度显示出明显的暖异常。

三个观测数据集中与 ENSO 生命周期相关的海洋地下波沿温跃层向东传播。( A ) TAO 浮标阵列 23 年 (1993-2015)，( B ) UKMO 海洋分析 61 年 (1955-2015)，( C ) SODA 海洋再分析 133 年 (1880-2012)。阴影显示沿温跃层（气候深度 23.5 °C）平均海洋温度在 5N-5S 之间与 Nino3.4 SST 的滞后相关性。黑星表示滞后相关性高于 95% 置信水平的网格。白色虚线是 0.26 m/s 相速度线。

当次表层波在东太平洋上升并引发厄尔尼诺现象时，纬向平均气温呈现明显的过程，即次表层波冲破拉尼娜的冷温异常，将其推离赤道。SODA 海洋再分析显示 133 年来所有 ENSO 事件的结果相似。纬向平均结构与海洋中的月球半日潮汐相似和气氛。由于赤道处的潮汐力是极地的两倍，因此最大的振幅出现在热带地区。对于垂直传播的重力波，向上（向下）的相位传播意味着向下（向上）的能量分散。对于月球大气潮汐，地球表面的强迫力最强，海平面上升对大气施加力，因此潮汐能向上分散，相位向下传播。相反，对于月球海洋潮汐，海洋表面的强迫最强，因为潮汐力随着距地球中心距离的增加而增加，并且潮汐隆起顶部的垂直位移最大 ，因此潮汐能向下分散并相位向上传播。

月球潮汐强迫的6年和9年峰值是年际时间尺度的关键月球潮汐成分，尽管6年成分在研究中并未引起太多关注。三个不同的农历月：龙月（交点通过：27.212208 天）、恒星月（惯性空间周期：27.321661 天）和近地点（近地点到近地点：27.554551 天）结合起来给出了 6.00 年、8.85 年和 18.6 年的周期。全球平均表面温度表现出 6 年和 9 年的振荡，有人认为这是由月球潮汐强迫驱动的。ENSO的3年分量可能是由6年潮汐强迫的分谐波产生的，或者是6年和9年强迫与季节周期和其他高频振荡的相互作用产生的。

观测到的 ENSO 振荡周期是不规则的，已知其受到与较长周期振荡和海洋大气反馈相关的背景状态的影响。现实世界中的潮汐强迫也是“不规则的”，因为它是由许多潮汐成分造成的。例如，为了预测沿海海平面的日常变化，全球潮汐模型中至少需要日、半日和四分之一日带中的 10 个主要潮汐成分。又如，1920年代至1940年代年际潮汐强迫以6年分量为主，但在其他时间段以9年分量为主，这与观测到的全球平均地表温度的类似振荡非常吻合。因此，潮汐强迫也可能导致观测到的 ENSO 不规则性。此外，厄尔尼诺现象发展后，潮汐强迫驱动的赤道上升流可能会影响厄尔尼诺现象的振幅。

我们已经证明，厄尔尼诺和拉尼娜之间的转换是由海洋地下波沿着温跃层从西太平洋传播到中太平洋和东太平洋，然后引发那里的海温异常的发展引起的。我们的研究结果提出了两种可能的方法来改进当前的 ENSO 预报：（1）将地下海浪添加到统计 ENSO 预报模型中并改进其在 CGCM 中的表示，这可能会导致 12 个月 ENSO 预报的改进。目前，没有任何统计模型考虑地下海浪。事实上，只有两个 ENSO 预测模型可以做出良好的 12 个月预测，即 NASA GMAO 模型和 GFDL FLOR 模型，正在仔细同化地下温度。(2) 将月球潮汐力添加到统计模型和CGCM中可能会提供重要的长期可预测性。

目前，气候模型的海洋-大气耦合运行，例如 IPCC 模型的历史运行和预测运行，被称为“自由运行”，预计不会捕获现实世界中 ENSO 事件的时间。除了改善模拟的 ENSO 振荡周期和振幅之外，添加月球潮汐力可能有助于模拟 ENSO 事件的正确时间。最近，海洋模拟界对月球潮汐强迫表现出了浓厚的兴趣，因为越来越多的证据表明潮汐混合在全球海洋环流中发挥着关键作用。日间和半日潮汐混合的参数化已在多个 OGCM 中实现，例如 GFDL MOM、HYCOM和 MIROC 。

然而，为了模拟与 ENSO 相关的年际潮汐分量，需要对时变引力场进行显式建模。一个令人兴奋的新进展是，MPI OM 小组开发了一种潮汐强迫选项，其中包括来自太阳和月球的明确的时变引力强迫，包括季节、年度、年际和年代际潮汐周期。

对于模拟的每个时间步长，使用半解析行星理论计算太阳和月球的实际位置参见图，并且确定相关联的重力。MPI 模型的气候预测或 IPCC 运行中尚未使用该潮汐强迫选项。尽管如此，MPI 模型已经证明，可以向 GCM 添加来自太阳和月球的显式时变引力。我们希望气候建模界能够将其安装到气候模型中并进行长期的海洋-大气耦合实验，这可能会为我们的观测研究所建议的潮汐强迫和 ENSO 之间的关系提供见解。如果模型实验证实月球潮汐强迫驱动观测到的地下海浪导致厄尔尼诺和拉尼娜之间的转换，这种新物理学将提供有价值的长期可预测性，并有助于改善ENSO的预测和十年到多十年的预测全球气候变化预测。

使用的数据集列于表中。使用的主要 ENSO 指数是来自 ERSST 数据集的 Nino3.4 SST。首先从所有数据集中删除线性趋势和复合季节性周期。最大熵谱按照 Press 和 Flannery 81计算。然后用 3-6 年巴特沃斯过滤器过滤异常。滞后相关性是通过 ENSO 指数计算的。根据 Oort 和 Yienger 评估统计显著性。

这些异常现象还使用 6 年巴特沃斯滤波器进行过滤，并使用月球潮汐引力计算滞后相关性。月球潮汐引力是通过两个来源计算的。第一个是根据美国宇航局阿波罗着陆镜实验通过阿波罗 11 号和其他人在月球上部署的 5 个镜子测量的月地距离直接计算。第二种是通过计算整个地球系统的角动量，它与月球潮汐摩擦力反相关。我们根据 Weickmann 和 Berry 计算了 69 年来（1948-2016）全球各个层面的 6 小时 NCEP 再分析高空风的整个大气角动量，以及来自地球自转速度（一天长度）的固体地球角动量。