本文是一篇综述（review），发表于 *Nature Reviews Earth & Environment*，于2021年8月17日在线发表，题为《Changing El Niño–Southern Oscillation in a warming climate》。文章由 Wenju Cai 等来自中国海洋大学、CSIRO、新南威尔士大学、夏威夷大学、普林斯顿大学等多家科研机构的学者共同撰写。
本文综述了近几十年来关于厄尔尼诺–南方涛动（El Niño–Southern Oscillation，ENSO）在人类活动引起的气候变暖背景下如何响应与变化的研究进展，重点总结了自2015年以来在该领域取得的观测、模式模拟和古气候证据等方面的新认识。ENSO是地球上最重要的年际气候变率模态，通过赤道中东太平洋海表温度（sea surface temperature，SST）和大气环流的耦合变化，对全球气候产生深远影响。文章的目的是评估在温室气体增加背景下 ENSO 的海表温度变率、极端事件频率、降水响应和大气遥相关等关键特征可能发生的变化，并探讨其中的物理机制与不确定性。
文章首先系统回顾了 ENSO 的多样性和不对称性。ENSO 事件并非单一模态，而是可以根据海表温度异常中心的位置分为东太平洋型（Eastern Pacific，EP）和中太平洋型（Central Pacific，CP）两类。极端 El Niño 事件往往以东太平洋增暖为中心，而强 La Niña 和中度 El Niño 事件则更多集中在中太平洋。文章指出，这种多样性与赤道东太平洋的非线性 Bjerknes 反馈过程密切相关，只有当局地海表温度增暖超过一定阈值并触发深对流时，纬向风才会对增暖产生强烈响应，从而进一步增强增暖。为了区分不同类型 ENSO 的变化，研究者使用 Niño3、Niño4 等指数以及基于经验正交函数（EOF）构建的 E-index 和 C-index 来刻画 EP 和 CP 型事件的变率。
在观测证据方面，文章指出自1950年代末以来，无论是 EP 型还是 CP 型 ENSO 的变率均有所增强。与1960年代之前相比，1960年代之后的 EP 和 CP 海表温度异常标准差增加了约20%。古气候代用记录也显示，20世纪后期 ENSO 变率比工业化前时期增强了约25%。这些观测和古气候证据共同提示，ENSO 对温室气体强迫可能已经表现出响应。然而，由于早期观测资料稀疏且存在采样误差，这种变化幅度的解释仍然存在不确定性。
文章进一步讨论了平均态变化对 ENSO 反馈的影响。自1980年代以来，观测资料显示赤道太平洋的信风和东西向海表温度梯度有所增强，而多数气候模式预测未来在温室气体增加背景下会呈现相反的变化，即信风减弱、东西向海表温度梯度减小、赤道东太平洋增暖更快。观测与模式预测之间的这种差异可能受到内部变率、海洋恒温机制、西太平洋与东太平洋之间热力阻尼差异以及热带印度洋和大西洋与太平洋之间的海盆间相互作用的影响。模式中普遍存在的赤道东太平洋冷舌偏冷且过于偏西的偏差，也会影响对未来平均态和 ENSO 变化的模拟。
在 ENSO 未来变化的预估方面，文章指出，早期基于固定海区指数的 CMIP5 模式对 ENSO 海表温度变率变化缺乏一致性。但后续研究表明，当考虑每个模式自身的 EP 和 CP 型事件的空间分布差异，并选定能较好模拟 ENSO 非线性的模式后，模式间一致性显著增强。在 CMIP6 模式中，几乎所有选定模式都预估 EP 型 ENSO 变率将增强，CP 型变率在约三分之二的模式中也表现为增强。与变率增强相伴随的是极端 El Niño 和极端 La Niña 事件频率的增加，以及从极端 El Niño 次年迅速转为极端 La Niña 的事件频率上升。文章强调，ENSO 海表温度变率的增强主要由赤道太平洋上层海洋层结增强所驱动。温室气体引起的表层增暖比次表层更强烈，加上降水增加引起的表层淡水化，使得上层海洋层结加强，从而增强了海洋对风应力强迫的响应，放大 ENSO 变率。这一机制并不依赖于东太平洋比西太平洋增暖更快的平均态变化。
文章还总结了 ENSO 降雨响应和大气遥相关的变化。由于赤道东太平洋海表温度增暖较快，即使较弱的 El Niño 事件也可能触发强对流，导致 ENSO 相关降雨在赤道太平洋地区增强并向东移动。相应地，太平洋–北美型和太平洋–南美型遥相关也表现出东移和增强的趋势。这种变化会导致北美西海岸、南美以及许多受ENSO影响的地区经历更强的降水变率和极端天气事件。
在古气候背景方面，文章讨论了古气候模拟和代用记录对 ENSO 对外强迫敏感性的启示。古气候模拟结果显示，末次冰盛期、中全新世和上新世等时期 ENSO 变率总体低于现代，但 ENSO 变率与赤道太平洋东西向海表温度梯度或平均海表温度之间并无一致关系。相反，多数证据表明 ENSO 强度与赤道东太平洋温跃层深度和垂直温度梯度密切相关。垂直温度梯度越大，ENSO 变率往往越强。这一关系与未来温室气体增暖导致的层结增强相一致，为预估 ENSO 增强提供了古气候支持。
文章最后指出，尽管 CMIP6 模式对 ENSO 海表温度变率增强的一致性有所提高，但 ENSO 未来变化的量化和检测仍面临重大挑战。内部变率对 ENSO 未来变化的影响显著，同一个模式不同集合成员之间可以表现出明显差异。研究还发现 ENSO 具有自调节行为，即过去较强的 ENSO 变率会导致赤道太平洋上层海洋热量损失，抵消温室气体引起的层结增强，从而削弱随后的 ENSO 响应，反之亦然。这种“蝴蝶效应”式的行为使得在真实世界的单一实现中准确量化未来 ENSO 变化变得更加困难。此外，模式中热带太平洋冷舌偏差、过弱的海盆间相互作用以及赤道太平洋海洋涡旋过程未能被充分解析等问题，也限制了预估的可靠性。
在检测时间方面，文章引用“出现时间”（time of emergence）的概念指出，在 Niño3.4 区域，年平均海表温度的人为信号在21世纪初应已超过内部变率噪声，但模式间差异和观测与模式的不一致使得实际检测仍很困难。相反，ENSO 降雨变率的变化信号可能比海表温度变率更早显现，这与极端 El Niño 事件以降雨阈值为标准时未来频率增加的稳健预估相一致。
本文的价值在于系统整合了观测、古气候和气候模式三方面的证据，阐明了 ENSO 在温室气体增暖背景下变率增强的物理基础和不确定性来源。文章强调，尽管仍有诸多未解问题，但多种证据共同指向 ENSO 海表温度变率和极端事件频率可能继续增加，且其大气遥相关将东移增强，这将加剧受影响地区的极端气候灾害风险。文章还提出了未来需要通过大集合模拟、长时间控制试验和高分辨率模式来改进对 ENSO 变化的理解与预估。总体而言，该综述为气候科学界和政策制定者理解 ENSO 对人为变暖的响应提供了重要的科学依据。