厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是热带太平洋气候系统中最显著的年际变化信号。ENSO的暖事件称为厄尔尼诺现象(El Niño), 冷事件称为拉尼娜现象(La Niña)。ENSO冷暖事件发生时, 热带太平洋海洋表面温度(sea surface temperature, SST)出现显著异常, 海洋环流发生异常变化, 这对环太平洋乃至全球气候都产生重要的影响(McPhaden, 2006; Guan et al, 2013, 2016, 2019)。

热带太平洋海洋环流对ENSO循环的响应是一个重要的话题, 已有很多相关的研究。热带太平洋西边界流主要流系的年际异常与ENSO循环有着密切联系(Qu et al, 2003; Kim et al, 2004; Yaremchuk et al, 2004; Wang et al, 2006; Hu et al, 2017), 在El Niño年, 热带西太平洋北赤道流显著加强, 其分叉位置偏北, 棉兰老流比正常年份强劲, 菲律宾以东黑潮减弱。Ueki等(2003)研究指出, 新几内亚沿岸潜流在El Niño成熟期显著增强。关于北赤道逆流年际变率与ENSO事件的联系, 多数研究(Meyers et al, 1984; Kessler et al, 1987; Taft et al, 1991; Delcroix et al, 1992; Johnson et al, 2002)认为在El Niño年, 北赤道逆流较强且输送量增多。Johnston等(2000)分析了160°E至日界线海区的潮汐资料, 指出北赤道逆流在El Niño成熟期前6个月加强, 后6个月减弱, 而在El Niño成熟期其强度则接近正常状态。同样, Johnson等(2004)根据1991—2001年170°—110°W的流场观测资料分析指出, 在El Niño年的8—12月期间北赤道逆流减弱。Hu等(2014)基于长期船载声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler, ADCP)数据发现北赤道流流量的年际变化与ENSO循环密切相关, 且不同年代对ENSO的响应不一致。Hu等(2016)则使用锚定潜标ADCP观测数据发现在ENSO正常年份棉兰老流的年际变化和ENSO没有显著的相关性。而有关次表层的赤道潜流的观测发现, 在某些强El Niño期间出现过赤道潜流减弱消失、甚至反向现象。Firing等(1983)发现在1982/83年El Niño事件期间, 在159°W处, 赤道潜流在1982年8月减弱, 9月部分反向, 1983年1月再次出现。McPhaden等(1990)也发现1986/87年El Niño期间赤道潜流的减弱现象, 但并未发生反向。Hu等(2015)对热带西太平洋海洋环流与ENSO的相互关系进行了系统的总结和综述。

大尺度海洋环流主要是风驱动或者密度分布不均匀所产生的, 而海洋环流的变化则主要是由风应力异常引起的。海表风应力异常引起海洋内部水平压强梯度的变化, 造成流场的辐聚、辐散、涡旋及垂直方向的运动。因此, 前人在研究热带太平洋海洋环流变化的物理过程时也多从大气强迫作用入手。以往的研究指出, ENSO期间上述海洋环流的变化与其上空的异常海面风应力场有密切关系(Hu et al, 2015)。

然而, 当发生ENSO事件等重大海洋事件时, 海洋温跃层深度会出现大幅度显著变化, 进而引起海洋内部水平压强梯度的变化, 导致海洋环流异常。比如, Wyrtki (1989)指出北赤道逆流的形成也被认为与温跃层变化相关密切, 并认为北赤道逆流的强度变化与ENSO事件有密切关系, 表现为El Niño期间加强, La Niña期间减弱。此外, 赤道潜流的形成也被认为与热带太平洋温跃层密切相关(Firing et al, 1983; Lukas, 1986; Pedlosky, 1987; McPhaden et al, 1990)。在太平洋赤道附近(科里奥利力接近于0), 信风应力驱使海水向西流动, 在遇到大陆阻遏时堆积使水位升高, 温跃层加深并形成海面向东倾斜, 从而出现一个向东的水平压强梯度力形成赤道潜流。陈永利等(2013)揭示赤道海洋温跃层深度变化是赤道潜流异常变化的主要原因, 认为赤道潜流实际上是ENSO事件的伴生现象。

热带太平洋温跃层变化是ENSO循环中的一个重要过程, ENSO事件发生时的次表层温度异常甚至要高于表层海温, 使用温跃层海温异常为指标能更好地反映ENSO循环过程中的海洋变化(赵永平等, 2007)。在前人研究基础上, 本文将聚焦200m以浅的上层海洋, 重点分析ENSO期间热带太平洋温跃层深度变化演变, 用联合经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析方法, 解析与ENSO相联系的海洋异常环流, 并通过ENSO期间热带太平洋温跃层深度变化变化规律探索海洋环流异常新的物理机制。

1 资料和方法

本文采用简单海洋同化模式SODA(simple ocean data assimilation)数据(CARTON-GIESE SODA2.0.2-4, 源于http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.ARTON-GIESE/.SODA/.v2p0p2-4)海温和三维海流资料(水平网格0.5°×0.5°)。资料起讫时间为1958年1月—2007年12月。由于次表层海温距平的最大值一般都出现在温跃层附近, 本文用温跃层曲面上海温距平表示次表层海温异常, 并作为温跃层深度变化指数(thermocline depth anomaly, TCA)。次表层海温异常为负值时, 次表层海温下降, 温跃层上抬变浅; 次表层海温异常为正值时, 次表层海温上升, 温跃层下降加深。对其进行1年低通滤波以去除年变化和线性趋势, 以获得次表层海温异常年际变率。

热带太平洋上层海流用200m以浅的垂向平均海流表示。在资料分析中, 首先对热带太平洋TCA指数次表层海温异常进行EOF分析, 得到ENSO事件相关的两个模态, 然后与上层海洋流场作联合EOF分析。在进行联合EOF分析时, 通过控制相关物理量的量级, 始终保持次表层海温异常主导场地位, 以确保计算得到的相关物理量与ENSO呈同步变化。通过上述处理, 获得了与ENSO事件两个模态相联系的热带太平洋上层海洋流场。

2 ENSO循环过程中热带太平洋跃层深度变化特征

基于热带太平洋次表层海温场资料, Zhao等(2007)对1—8年带通滤波后的热带太平洋温跃层深度异常TCA指数进行EOF分解, 得到两个主模态:分别为出现在冬季的以160°W为纵轴的东西向偶极子分布模态和主要出现在夏季的以6°—8°N为横轴的南北向跷跷板分布模态。第一模态确定了ENSO事件的振幅, 第二模态表征了循环过程的相变, 二者共同构成了ENSO循环, 其实质是信风异常和海气耦合过程共同作用下产生的热带太平洋海洋混合层水体在赤道与12°N之间海盆内的惯性振荡。

图 1为ENSO循环过程中的热带太平洋TCA演变, 实线表示温跃层面上温度异常偏高, 温跃层加深, 虚线表示温跃层面上温度异常偏低, 温跃层变浅。热带太平洋TCA呈西浅东深时出现El Niño事件(图 1c), 反之出现La Niña事件(图 1a)。此时, 热带太平洋温跃层的分布形势为, 热带西太平洋极值中心位于赤道北侧的150°E附近的暖池海域, 热带东太平洋极值中心位于赤道90°—120°W海域, 后者绝对值稍高于前者。TCA沿赤道海洋加深、沿12°N北太平洋变浅时为El Niño发展或La Niña衰退阶段(图 1b), 反之为La Niña发展或El Niño衰退阶段(图 1d)。此时, 热带太平洋温跃层的分布形势为, 平均以6°—8°N为横轴南北向TCA跷跷板分布, 沿6°—8°N南北两侧存在反号的TCA大值区, 南侧TCA大值区出现在沿赤道太平洋中东部海域, 北侧TCA大值区出现在10°—15°N(平均12°N)北太平洋中东部海域。根据热带太平洋平均温跃层深度和年平均SST与温跃层面上温度(约20℃)差异粗略估算表明, 在热带太平洋, 温跃层面上温度变化1℃大致相当于跃层面上抬或下降10m左右。由于上层海洋垂直温度梯度主要出现在温跃层附近, 热带西太平洋混合层深厚, 温跃层深度变化很难引起SST显著变化, 但热带东太平洋温跃层较浅, 温跃层变化常导致SST明显变化。1997年强El Niño事件时, 热带东太平洋跃层面上温度变化可达5℃左右, 此时温跃层深度较常年下降50m左右, 该海域SST显著上升; 1975年强La Niña事件时, 热带东太平洋温跃层面上温度变化达3.5℃, 温跃层深度较常年升高35m左右, 该海域气候温跃层50—60m, 意味此时温跃层已接近露头, 该海域SST显著下降。

Zelle等(2004)研究表明, 在ENSO循环过程中, TCA标志了El Niño事件的形成和结束全过程, 它是通过水体上升流和混合来实现, 而SST异常仅是El Niño事件在海洋表层的表现。Zhao等(2007)的研究表明, 在ENSO形成阶段, 海面风应力的作用造成海洋环流和海温异常及TCA不均匀分布。在ENSO事件形成后, 热带太平洋海洋混合层水体在赤道与12°N之间海盆内的惯性振荡, 造成热带太平洋大范围TCA规则变化和海洋环流及海温异常。由此可见, 在ENSO循环的全过程中, 热带太平洋海洋环流和海温异常都与TCA有重要关系。

3 ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流

ENSO事件是源于热带太平洋次表层海洋最显著的年际变化, ENSO正负位相的循环显然会影响该海域的大尺度海洋环流。图 2为ENSO的两个模态(a1, a2)及其相联系的热带太平洋上层海洋异常水平环流(b1, b2)和异常垂直环流(c1, c2)空间分布型及时间系数(d1)。ENSO事件两种模态TCA分布(图 2a)同图 1c和a, 其时间系数的谱分析结果(图 2d2)表明, 第一模和第二模具有56和44个月显著周期。相关分析表明, Niño3指数与后期一个月第一模有密切相关, 相关系数达0.89, 与后期9个月第二模相关系数达0.67。Zhao等(2007)认为正是上述二个模态组合构成了ENSO循环。当温跃层深度异常为东深西浅(图 2a1)时为El Niño成熟期, 反之为La Niña成熟期, 当温跃层深度异常为北深南浅(图 2a2)时为El Niño衰退期或La Niña发展期, 反之为El Niño发展期或La Niña衰退期。

图 2b为ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流, 它们均随ENSO事件的演变而变化。在El Niño成熟期, 热带中东太平洋赤道潜流最弱, 赤道两侧出现异常反气旋性环流; 热带西太平洋赤道外南、北热带海域出现异常气旋性环流, 导致该区北赤道流、南赤道流、棉兰老流、黑潮(指北赤道流分叉后的北分支)、新几内亚沿岸潜流及南赤道潜流显著加强; 沿北赤道逆流流区出现异常气旋性环流串, 北赤道逆流南北两部分异常流场方向相反, 其总体强度接近正常; 中东太平洋北部热带海洋出现弱异常反气旋性, 此处北赤道流有增强趋势。

在El Niño衰退期或La Niña发展期, 热带中西太平洋赤道潜流最强, 赤道两侧出现异常气旋性环流; 热带西太平洋赤道外热带海域异常气旋性环流明显减弱, 北部转为弱的反气旋性环流, 南部出现小范围的异常反气旋性环流, 这些海域主要流场的强度减弱或接近正常状态; 北赤道逆流流区为异常西向流, 哈马黑拉涡、棉兰老涡和北赤道逆流最弱; 中东太平洋北部热带海洋为强的异常反气旋性环流, 该海域北赤道流最强。La Niña事件时相反。

表 1列出了ENSO相联系的热带太平洋上层海洋主要异常环流演变特征, 表中减弱或增强表示由强到弱或由弱到强的过渡阶段, 此时环流强度接近正常状态。由表 1可见, 在热带太平洋西部边界海域, 除出现在赤道北侧的哈马黑拉涡和棉兰老涡外的主要流系, 如热带西太平洋北赤道流及分叉后的黑潮和棉兰老流, 赤道南侧的南赤道潜流和新几内亚沿岸潜流及南赤道流, 它们均随ENSO事件规律变化, 在El Niño成熟期达最强, 发展期和衰退期为过渡状态, 强度接近正常。La Niña事件时相反。南赤道流受ENSO事件期间赤道两侧与赤道潜流同步产生的异常环流的影响, 热带太平洋中东部北赤道流与南赤道流的演变规律有不同的特征, 北赤道流在La Niña发展期最强, El Niño发展期最弱, 南赤道流在La Niña成熟期最强, El Niño成熟期最弱。北赤道逆流与相联的哈马黑拉涡和棉兰老涡有相同的演变过程, 在El Niño发展期最强, 衰退期最弱。赤道潜流的演变在赤道太平洋的不同位置有不同的变化特征, El Niño发展期赤道中西太平洋最弱, 成熟期赤道中东太平洋最弱, 衰退期在赤道中西太平洋最强。

由图 3c可见, 热带太平洋上层海洋垂直流场随ENSO事件的变化主要出现在10°N—10°S范围内的热带海洋。El Niño成熟期赤道太平洋为强下沉流区, 赤道中东太平洋尤为显著, 两侧为带状上升流区; El Niño衰退期赤道中东太平洋为上升流区, 赤道太平洋东边界海域更强, 赤道西太平洋为显著下沉流区。La Niña期间相反。

为详细了解ENSO期间热带太平洋上层海洋异常环流实况, 基于SODA海洋同化资料, 本文统计了1958年以来出现的6次较强El Niño事件(1965/66, 1965/66, 1972/73, 1982/83, 1991/92, 1997/98和2002/03)和出现6次较强La Niña事件(1964/65, 1970/71, 1973/74, 1974/75, 1988/89, 1998/99)峰值前后12个月水平异常流场, 合成得到ENSO事件不同阶段热带太平洋上层海洋异常流场分布。图 3为El Niño发展期(图 3a)、成熟期(图 3b)和衰退期(图 3c)上层海洋异常环流分布。由图可见, 在El Niño发展期最显著的特征是, 西太平洋南、北赤道外热带海域出现异常气旋性环流, 该海域主要流场均呈加强趋势; 赤道中西太平洋为以赤道对称的显著异常反气旋性环流, 沿赤道为异常西向流, 赤道潜流最弱; 北赤道逆流自棉兰老涡和哈马黑拉涡交汇处向东为强异常东向流, 北赤道逆流最强。

在El Niño成熟期, 异常流场的特征更加明显, 在热带西北太平洋和西南太平洋为以赤道准对称的强异常气旋性环流, 北赤道流、棉兰老流、黑潮、南赤道潜流和新几内亚沿岸潜流达最强; 北赤道逆流的流区为异常气旋性环流串, 北赤道逆流处于由强变弱的过渡阶段, 强度接近正常; 赤道中东太平洋为异常西向流, 赤道潜流最弱, 赤道两侧为显著的异常反气旋性环流, 5°—10°S和5°N附近为较强异常东向流。

在El Niño衰退期, 热带太平洋异常环流分布形势与El Niño发展期相反, 热带西北和西南太平洋异常气旋性环流减弱, 并开始出现异常反气旋性环流, 该海域主要流场呈减弱倾向; 赤道中西太平洋为以赤道对称的显著异常气旋性环流, 赤道潜流最强; 北赤道逆流流区为强异常西向流, 北赤道逆流最弱。在El Niño发展期、成熟期和衰退期中东太平洋北部热带海域异常环流呈现从气旋性到反气旋性的转变, 导致北赤道流从弱到强的变化。La Niña期间热带太平洋异常环流分布(图略)与El Niño期间相反。对照图 2b(图 2b反号即为El Niño发展期), 二者在El Niño各阶段的异常流场分布形势非常相似。

4 ENSO期间温跃层深度变化对海洋环流异常影响的可能物理机制

温跃层深度异常TCA是大气和海洋相互作用的结果。在赤道太平洋偏东信风应力场的作用下, 暖水在热带西太平洋堆积, 热带西太平洋温跃层较深, 热带东太平洋温跃层较浅。在西风爆发或信风减弱情况下, 有利于El Niño事件的发生。无论是Schopf等(1988)提出的时滞振子理论, 还是Zhao等(2007)提出的混合层水体振荡模型, 都表明ENSO事件实质上表现为热带太平洋TCA的大范围规律变化。但温跃层深度变化怎样影响海洋环流变化的呢？

图 4为大范围不均匀TCA在北半球热带海洋(图 4a, 南半球相反)和在赤道海域(图 4c)呈圆形或椭圆形及北半球热带海洋呈纬向平直形(图 4b)分布导致热带海洋异常环流的概念模型, 图中G为水平压强梯度力, C为科里奥利力, 深黑色箭矢表示流向。在离赤道热带海洋为圆形或椭圆形(图 4a), 流体运动服从地转平衡, 当TCA > 0时, 压强在温跃层深度异常的中心最大, 在科里奥利力的作用下, 水体流向压强梯度方向右侧(北半球)或左侧(南半球), 均呈反气旋式异常环流, 温跃层深度变化区内有异常下降流, 中心处最大。当TCA < 0时, 压强在温跃层深度中心最小, 无论是在南半球还是北半球, 在压强梯度力和科里奥利力共同作用下, 水体均呈气旋式异常环流, 温跃层深度变化区内有异常上升流, 中心处最大。当TCA在离赤道热带海洋呈纬向分布(图 4b)时, 在压强梯度力和科里奥利力共同作用下, 北向压强梯度时产生异常东向流, 南向压强梯度时产生异常西向流, 在离赤道南侧海域则流向相反。在赤道海域(图 4c), 赤道上科里奥利力为零, 基于Gill理论(Gill, 1980), 当大范围TCA > 0跨越赤道出现时, 由于沿赤道压强梯度力的作用, 在TCA中心以西沿赤道为较强的异常西向流并伴有异常上升流, 赤道两侧为异常反气旋性环流, 环流中心为异常下降流, 在TCA中心以东赤道两侧则会出现异常气旋性环流(图略), 沿赤道为异常东向流和异常下降流; 当TCA < 0时, 由于沿赤道压强梯度力的作用, 在TCA中心以西沿赤道为较强的异常东向流并伴有异常下降流, 赤道两侧流场为异常气旋性环流, 环流中心为异常上升流, TCA中心以东出现异常反气旋性环流(图略)沿赤道为异常西向流和异常上升流。

由此不难解释ENSO期间热带太平洋上层海洋异常水平环流的规律变化。对照图 2a—b和图 4可以清楚看到, TCA正值区往往伴随异常反气旋性环流, 而TCA负值区则伴有异常气旋性环流。ENSO期间西太平洋低纬度边界流呈显著规律性变化, 在El Niño成熟期(图 2a1, b1), 热带西太平洋温跃层显著变浅, 离赤道南、北两侧为两个TCA负值中心, 据图 4a, 在科里奥利力作用下, 离赤道南、北两侧的热带海域为两个异常气旋性环流, 它们共同造成西太平洋北赤道流、棉兰老流、黑潮、南赤道流、新几内亚沿岸潜流及南赤道潜流等主要边界流的变化; 在热带太平洋东北海域有TCA次大值中心, 该处为较弱的异常反气旋性环流; 在El Niño衰退期(图 2a2, b2), 沿12°N附近海域及热带西南太平洋为大范围较弱的正TCA, 据图 4a, 这些海域为较弱异常反气旋性环流。北赤道逆流随ENSO演变过程中TCA的不同分布有显著变化, 在El Niño成熟期(图 2a1, b1)TCA极大负值中心沿北赤道逆流轴线位置呈纬向分布, 表现为异常气旋性环流串(图 4a), 平均北赤道逆流流速变化较小, 处于正常状态。

在El Niño发展期, 赤道与12°N之间TCA呈南高北低分布, 二者之间存在北向压强梯度, 据图 4b, 地转平衡后产生东向异常流, 北赤道逆流显著加强; El Niño衰退期相反, 赤道与离赤道的北热带太平洋之间为南向压强梯度, 地转平衡后出现西向异常流, 北赤道逆流显著减弱。赤道潜流及邻近的异常环流是TCA在赤道海洋纬向不均匀分布和Gill效应共同作用结果, 在El Niño成熟期(图 2a1, b1), 日界线以东的热带东太平洋温跃层显著加深, 正TCA最大中心位于120°W附近的赤道海域, 赤道上科里奥利力为零, 基于Gill效应, 据图 4c, TCA中心以西的赤道中东太平洋海域, 沿赤道为异常西向流, 赤道潜流最弱, 赤道两侧为异常反气旋性环流; 在El Niño衰退期(图 2a2, b2), 负TCA中心以西的赤道中西太平洋为异常东向流, 赤道潜流最强, 赤道两侧为异常气旋性环流; 可能由于热带东太平洋异常TCA分布范围较小且强度较弱, Gill效应和流场变化不很明显。La Niña期间相反。由此我们获得与表 1和图 2所示的ENSO循环期间热带太平洋上层海洋异常环流和已有的多数研究基本一致的结果。

5 讨论

海洋环流是指风引起的海流和密度分布不均匀所产生的密度流、大洋环流中流旋等。有关产生海洋环流异常的原因, 人们多归因于海面风应力异常, 它改变海洋内部水平压强梯度导致海洋环流异常。诚然, 海面风应力异常在海洋环流变化有重要作用, 但在年际尺度上, ENSO循环是一种赤道Kelvin波动或海洋混合层水体振荡, 一旦振荡形成后温跃层深度随即发生大范围规律变化, 同样改变海洋内部水平压强梯度和海洋环流。ENSO期间热带太平洋出现的某些异常海洋环流很难直接用海面风应力异常来解释, 如赤道潜流及两侧的异常环流, 它是TCA分布不均匀造成沿赤道压强梯度力所致。又如北赤道逆流的异常, 据本文结果表明, 在El Niño发展期, 赤道与12°N之间为南高北低TCA分布, 存在北向压强梯度, 地转平衡后产生东向异常流, 加强了北赤道逆流, 在El Niño衰退期相反, 显然北赤道逆流异常也与热带太平洋温跃层变化密切相关。本文的结果基于热带太平洋温跃层振荡的新视角, 认为这种在西太平洋赤道外南、北热带海域出现的准对称海洋异常环流是受到ENSO期间西太平洋暖池区大范围显著温跃层抬升或下降的影响。相反, 此时上述海域海面风应力场异常则可能是热带海洋大气对ENSO导致的热带太平洋异常热力场变化的同步响应。

由此可见, 海洋环流异常确是海洋内部压强梯度变化的结果, 但造成海洋内部压强梯度变化的原因有二, 一是海面风应力场异常引起的海流和密度分布不均匀所产生, 二是ENSO事件造成的热带太平洋大范围显著温跃层深度变化所致。本文从ENSO事件导致的温跃层深度异常来探索引起海洋环流变化的新机制, 用海洋内部动力过程来解释海洋环流异常现象。然而, ENSO期间热带太平洋温跃层的振荡, 与海面风应力变化相互作用、息息相关。因此, 很难对风应力和温跃层对环流异常的驱动机制进行严格的划分, 温跃层振荡机制是对以往研究的补充。本文旨在提出温跃层机制的定性概念理论, 而对ENSO期间形成的气旋/反气旋环流对各海洋环流的超前滞后关系等问题并没有展开定量的计算和分析, 这些精确的定量计算将在接下来的工作中展开, 期待进一步研究将加深对热带太平洋海洋环流异常特征及其形成机制的了解。这里值得关注的是赤道海域流场的变化, ENSO事件过程中赤道潜流及两侧对称性异常气旋性或反气旋性涡旋的出现, 大大增加了赤道海洋流场变化的复杂性。这种与ENSO同步出现的异常涡旋将对南赤道流及北赤道逆流及该海区的垂直环流有重要作用, 同时也为赤道海水与赤道外热带海洋及垂直方向上热量和物质传输提供途径。

6 结论

本文基于SODA海洋同化资料, 对ENSO循环中的热带太平洋上层海洋环流的演变规律进行了系统的分析, 并探讨了形成海洋环流异常的新机制。结果表明:

(1) ENSO循环过程中热带太平洋温跃层深度异常TCA呈大范围规则变化, 表现为冬季的以160°W为纵轴的东西向偶极子分布和夏季的以6°—8°N为横轴的南北向跷跷板分布两种主要分布型。热带太平洋TCA呈西浅东深时为El Niño成熟期, 反之出现La Niña成熟期; TCA沿赤道海域加深、沿12°N北太平洋变浅时为El Niño发展或La Niña衰退阶段, 反之为La Niña发展或El Niño衰退阶段。

(2) ENSO事件导致的热带太平洋TCA的规律分布引发了上层海洋异常环流。在El Niño成熟期, 热带中东太平洋赤道潜流最弱, 赤道两侧出现异常反气旋性环流; 热带西太平洋赤道外南、北热带海域出现异常气旋性环流, 该区北赤道流、南赤道流、棉兰老流、黑潮、新几内亚沿岸潜流及南赤道潜流达最强; 沿北赤道逆流流区出现异常气旋性环流串, 北赤道逆流接近正常。在El Niño衰退期, 热带中西太平洋赤道潜流最强, 赤道两侧出现异常气旋性环流; 热带西太平洋赤道外热带海域异常环流减弱, 该处主要流场强度减弱或处于正常状态; 北赤道逆流流区为异常西向流, 北赤道逆流反向。La Niña事件期间相反, 由此造成ENSO循环期间热带太平洋上层海洋环流的周期性变化。

(3) ENSO循环中热带太平洋TCA大范围规律演变, 导致水体内部压强梯度水平不均匀分布, 造成海洋环流场变化。在离赤道海域, 当TCA呈圆形或椭圆形分布时, TCA为正时, 压强在温跃层深度中心最大, 由于科里奥利力的作用, 水体流向压强梯度方向右侧(北半球)或左侧(南半球), 均呈反气旋式异常环流, 温跃层深度变化区内有异常下降流, 中心处最大; TCA为负时相反。当TCA呈纬向分布时, 赤道北侧热带海域TCA为北向压强梯度力时, 科里奥利力作用产生东向异常流, 北赤道逆流加强, TCA为南向压强梯度力时反之。在赤道海域科里奥利力为零, 基于Gill理论(Gill, 1980), 在沿赤道压强梯度力作用下, TCA为正时, TCA中心以西赤道上为强西向异常流并伴有异常上升流, TCA中心以东赤道海洋出现相反异常环流。