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本研究由Zixiang Yan、Bo Wu、Tim Li、Mat Collins、Robin Clark、Tianjun Zhou、James Murphy和Guirong Tan共同完成，第一作者和通讯作者分别来自中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, LASG）及南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室等机构。该论文发表于Science Advances，题为“Eastward shift and extension of ENSO-induced tropical precipitation anomalies under global warming”，于2020年1月8日正式发表。

这项研究属于气候学领域，聚焦于全球变暖背景下厄尔尼诺—南方涛动（El Niño–Southern Oscillation, ENSO）引起的热带降水异常的空间变化及其物理机制。ENSO是地球气候系统中最强的年际变率信号，由热带太平洋海气相互作用产生。ENSO通过对流加热异常激发大气遥相关，进而影响全球气候、极端天气事件、农业和生态系统。已有研究表明，虽然不同全球气候模式（Global Climate Model, GCM）对未来ENSO强度变化的预估存在较大不确定性，但对ENSO驱动的热带降水异常变化的预估却表现出惊人的一致性：赤道中东太平洋的正降水异常和热带西太平洋的负降水异常均将增强。此外，赤道中东太平洋的正降水异常中心还将向东移动并延伸。然而，这一东移和延伸现象的成因一直未被解释清楚。该研究的核心目标就是揭示全球变暖下ENSO引起的热带降水异常东移和延伸的物理机制。

研究基于一个包含57个成员的地球系统参数扰动集合模拟（Earth System Parameter-Perturbed Ensemble, ESPPE），该集合由HadCM3C模式生成。HadCM3C是一个先进的耦合全球气候模式，其大气和海洋分量分辨率分别为2.5°×3.75°和1.25°×1.25°。ESPPE的57个成员通过同时扰动大气、海洋、硫循环和陆地生态系统等多个分量中的参数而产生。研究使用了历史模拟（Historical）和RCP8.5情景下的未来预估模拟。在分析过程中，首先对模式变量进行去趋势处理；然后通过将去趋势后的变量回归到Niño3.4指数上，获得ENSO相关的异常场；最后计算RCP8.5与历史模拟之间ENSO相关异常的差值，以表征全球变暖引起的变化。研究还采用水分收支方程和湿静力能（Moist Static Energy, MSE）收支方程进行诊断分析，并将热带垂直运动分解为深模态和浅模态两种垂直结构。为了理解边界层辐合异常的形成，研究构建了一个类似Lindzen-Nigam模型的理论模型，输入仅为海表温度（Sea Surface Temperature, SST）异常，用以诊断边界层气压梯度和边界层辐合。

研究结果显示，在历史模拟中，厄尔尼诺成熟期冬季赤道中东太平洋出现正降水异常，热带西太平洋出现负降水异常，这一偶极子型态在ESPPE中得到了很好的再现。在RCP8.5情景下，ENSO驱动的正降水异常中心向东移动约10°，且其尾部向东延伸。同时，赤道中东太平洋的ENSO相关暖海温异常的经向宽度显著变窄，呈现出向赤道收缩的特征。相应地，RCP8.5与历史模拟的海温差值在赤道中东太平洋表现为“三明治”结构：赤道附近为狭窄的正异常带，两侧为负异常。水分收支诊断表明，降水异常的变化主要由异常垂直运动引起的平均水汽垂直平流项变化所主导。该项可进一步分解为与ENSO相关垂直运动异常变化有关的分量和与背景平均水汽变化有关的分量。结果显示，赤道中东太平洋正降水异常的东移和延伸主要由ENSO驱动的上升运动异常变化引起，而背景水汽增加仅对局地降水增强有中等贡献，对东移和延伸几乎没有贡献。将垂直运动变化进一步分解为深模态和浅模态后发现，浅模态振幅的变化主导了正降水异常的东移和延伸，而深模态振幅的变化对增强降水异常有贡献但不会改变其空间型态。浅模态垂直运动与边界层辐合密切相关。通过理论模型和数值模拟结果的分析，研究发现，ENSO相关暖海温异常的经向变窄导致赤道中东太平洋经向海温梯度增强，进而加强边界层水汽辐合，增强局地浅模态上升运动，最终造成正降水异常的东移和延伸。此外，海洋经向宽度变窄与平均经向翻转环流即副热带环流（Subtropical Cell, STC）的减弱有关。全球变暖背景下赤道中东太平洋平均东风信风减弱，导致STC减弱约30%，从而减少了从赤道向极地的异常暖水输送，使ENSO暖海温异常向赤道收缩。在热带西太平洋负降水异常方面，该变化主要由赤道中东太平洋增强的正降水异常通过Gill型响应在其西侧激发出气旋性低层环流异常变化所致。该气旋西侧的偏北风异常将低平均湿焓空气向热带西北太平洋输送，从而增强了负的异常风—湿焓平流项，加强了ENSO驱动的下沉异常和负降水异常。研究还发现，增强的热带西北太平洋负降水异常会加强西太平洋异常反气旋（Western North Pacific Anomalous Anticyclone, WNPAC），其南侧的东风异常增强，向东传播的海洋上升Kelvin波也增强，从而加快厄尔尼诺事件的衰减，缩短其持续时间。

文章的结论是，全球变暖下ENSO相关海温异常的经向变窄是导致ENSO驱动的赤道中东太平洋降水异常东移和延伸的关键因素。这一发现通过57个成员的ESPPE集合模拟以及31个CMIP5模式的结果得到验证。在CMIP5多模式集合中，赤道中东太平洋ENSO正降水异常的变化与下垫面海温异常经向梯度散度变化之间的相关系数达到−0.85，支持了ESPPE中提出的物理机制。研究还指出，未来需要进一步探讨ENSO降水异常变化是否反过来影响海温异常的经向宽度，这一反馈过程值得深入研究。

该研究的科学价值在于首次明确揭示了全球变暖下ENSO降水异常东移和延伸的物理机制，将ENSO降水响应的变化与海洋经向宽度变化、副热带环流减弱以及边界层动力过程联系起来。这一发现不仅深化了对ENSO对全球变暖响应机制的理解，也为解释其它相关现象提供了理论基础。例如，ENSO驱动的北太平洋—北美遥相关型将随降水异常东移而东移，从而改变ENSO对北美冬季温度的影响；ENSO异常的Walker环流也将东移；热带西北太平洋负降水异常的加强会增强WNPAC，使中国东南部在厄尔尼诺冬季变得更加湿润，并通过增强赤道东风异常加速厄尔尼诺衰减、缩短其持续时间。这些结果对理解未来区域气候和极端事件的变化具有重要的参考价值。研究的亮点在于利用大规模参数扰动集合模拟和理论模型相结合的方法，将大尺度海洋环流变化、海温异常经向结构变化、边界层辐合变化和热带深对流变化有机地联系起来，从多尺度过程的角度解释了ENSO降水响应东移的成因。同时，该研究也展示了在ENSO强度变化不确定性较大的背景下，从ENSO驱动的降水异常角度来研究全球变暖影响的重要性和可行性。