现代气候学基本建立在“气候平均态—气候异常”的分析框架之上。通常利用多年平均值定义气候背景态，将偏离背景态的部分定义为气候异常，并进一步研究异常的发展、传播及其反馈过程。这一框架支撑了天气气候预测、气候变化归因以及数值模式发展，是现代气候科学的重要基础。

近年来，随着极端降水、热浪、干旱、火灾等极端气候事件研究的快速发展，越来越多的研究开始关注气候变量概率分布的变化，而不仅仅是平均值变化。大量关键气候变量都表现出明显的偏态分布特征，其统计性质与经典正态分布存在显著差异。在这种背景下，一个基础性问题逐渐受到关注：对于偏态分布的气候变量，多年平均值是否仍然能够准确代表气候背景态？

这一问题在厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）研究中表现得尤为突出。ENSO是全球极端气候事件最重要的驱动因子之一，也是气候系统中非对称性研究最深入的现象之一。长期研究表明，厄尔尼诺与拉尼娜事件在振幅、空间结构和演变过程上并不对称，这种非对称性会产生显著的整流效应，使ENSO不仅表现为背景态上的异常波动，还会影响由长期平均定义的背景态本身。

随着研究不断深入，一个更深层的问题逐渐显现：背景态能够影响ENSO的发展，而ENSO又能够通过非对称性影响背景态；但背景态本身又是由包含ENSO信息的长期平均值定义而来。这样一来，研究对象与参考系之间出现因果纠缠，使ENSO与背景态相互作用的研究面临新的挑战。因此，ENSO与背景态相互作用研究逐渐发展为ENSO研究的重要分支。

与此同时，气候系统还面临样本量有限的问题。现代观测资料通常只有百年左右，而极端事件样本更加稀少。有限的样本量难以建立起稳定的分布特征，在这种条件下，完全放弃“背景态—异常”框架转向分布框架研究并不可行。如何在保留传统分析框架优势的同时，更合理地刻画偏态气候系统中的背景态与异常，成为一个值得思考的问题。

针对这一问题，中国科学院大气物理研究所黄平研究员团队提出了“气候平常态（Climate Normal State）”的新概念及相应定义方法。该方法利用Box-Cox正态化变换，在保留传统“背景态—异常”分析框架优势的基础上，尽可能剥离偏态分布产生的整流效应，从而重新定义气候背景态及其对应的气候异常，为研究偏态气候系统中的变率与变化提供新的分析视角。

图：气候平常态定义

基于这一框架，研究首先重新审视了ENSO非对称性及其与热带太平洋背景态之间的关系。在气候平常态框架下，研究首先定量分离了ENSO非对称性产生的整流效应，重新刻画了ENSO相关异常及其非对称特征。结果表明，传统平均态中包含了显著的ENSO非对称贡献，而气候平常态能够更清晰地识别ENSO冷暖事件的不对称结构及其对背景气候的影响。在此基础上，进一步发现热带太平洋背景态对ENSO振幅具有明显的非对称调制效应：较暖的背景状态倾向于削弱厄尔尼诺事件的发展，同时增强拉尼娜事件。进一步研究表明，降水对海表温度异常的非线性响应以及海洋经向平流反馈是形成这种非对称调制的重要动力过程。

在后续研究中，团队进一步利用气候平常态框架研究全球变暖背景下热带太平洋增暖格局。长期以来，未来热带太平洋究竟趋向于呈现更类似厄尔尼诺型还是拉尼娜型增暖特征，一直是气候变化研究中的重要科学问题。传统研究通常利用多年平均海表温度变化来刻画未来增暖格局，但对于ENSO这样具有显著非对称性的气候系统而言，长期平均变化中可能同时包含背景气候变化信号和ENSO非对称整流效应的贡献。

研究发现，ENSO非对称性产生的整流效应会影响传统平均态对未来增暖模式的刻画。在剥离相关影响后，多个气候模式表现出更加明显的东太平洋相对增暖特征，表明ENSO内部气候变率与长期气候变化之间可能存在比传统认识更紧密的联系。

ENSO只是众多偏态气候现象中的一个典型案例。事实上，从东亚季风降水到极端降水、热浪和干旱，大量气候变量都具有明显的非高斯统计特征。当前国际气候研究前沿越来越关注概率分布变化及极端事件风险，但背景态与异常仍然是气候研究最基础、最广泛使用的分析语言。气候平常态概念的提出，并非试图取代传统气候平均态，而是在偏态分布条件下重新审视背景态与异常之间的关系，为连接传统气候学分析框架与极端气候研究提供一种新的思路。

未来，相关框架有望进一步应用于东亚季风降水、极端气候事件以及气候变化风险评估等研究领域，为理解偏态气候系统中的变率与变化问题提供新的分析视角。

以上相关研究发表在npj Climate and Atmospheric Science上，受到国家自然科学基金（42425504）等项目资助。

文章信息:

Huang, P., Y. Chen, J. Li, and H. Yan, 2024: Redefined background state in the tropical Pacific resolves the entanglement between the background and ENSO. npj Climate and Atmospheric Science, 7, 147, https://doi.org/10.1038/s41612-024-00695-1 

Chen, Y., P. Huang, and J. Ying, 2025: El Niño-like warming underestimated in a warmer climate due to ENSO rectification effect. npj Climate and Atmospheric Science, 8, 370, https://doi.org/10.1038/s41612-025-01250-2