Extreme El Niño events cause global disruption of weather patterns and affect ecosystems and agriculture through changes in rainfall. Model projections show that a doubling in the occurrence of such extreme episodes is caused by increased surface warming of the eastern equatorial Pacific Ocean, which results in the atmospheric conditions required for these event to occur. El Niño events are a prominent feature of climate variability with global climatic impacts. The 1997/98 episode, often referred to as ‘the climate event of the twentieth century’1,2, and the 1982/83 extreme El Niño3, featured a pronounced eastward extension of the west Pacific warm pool and development of atmospheric convection, and hence a huge rainfall increase, in the usually cold and dry equatorial eastern Pacific. Such a massive reorganization of atmospheric convection, which we define as an extreme El Niño, severely disrupted global weather patterns, affecting ecosystems4,5, agriculture6, tropical cyclones, drought, bushfires, floods and other extreme weather events worldwide3,7,8,9. Potential future changes in such extreme El Niño occurrences could have profound socio-economic consequences. Here we present climate modelling evidence for a doubling in the occurrences in the future in response to greenhouse warming. We estimate the change by aggregating results from climate models in the Coupled Model Intercomparison Project phases 3 (CMIP3; ref. 10) and 5 (CMIP5; ref. 11) multi-model databases, and a perturbed physics ensemble12. The increased frequency arises from a projected surface warming over the eastern equatorial Pacific that occurs faster than in the surrounding ocean waters13,14, facilitating more occurrences of atmospheric convection in the eastern equatorial region.

The 1997–98 El Niño was, by some measures, the strongest on record, with major climatic impacts felt around the world. A newly completed tropical Pacific atmosphere-ocean observing system documented this El Niño from its rapid onset to its sudden demise in greater detail than was ever before possible. The unprecedented measurements challenge existing theories about El Niño–related climate swings and suggest why climate forecast models underpredicted the strength of the El Niño before its onset.

A major accomplishment of the recently completed Tropical Ocean‐Global Atmosphere (TOGA) Program was the development of an ocean observing system to support seasonal‐to‐interannual climate studies. This paper reviews the scientific motivations for the development of that observing system, the technological advances that made it possible, and the scientific advances that resulted from the availability of a significantly expanded observational database. A primary phenomenological focus of TOGA was interannual variability of the coupled ocean‐atmosphere system associated with El Niño and the Southern Oscillation (ENSO).Prior to the start of TOGA, our understanding of the physical processes responsible for the ENSO cycle was limited, our ability to monitor variability in the tropical oceans was primitive, and the capability to predict ENSO was nonexistent. TOGA therefore initiated and/or supported efforts to provide real‐time measurements of the following key oceanographic variables: surface winds, sea surface temperature, subsurface temperature, sea level and ocean velocity. Specific in situ observational programs developed to provide these data sets included the Tropical Atmosphere‐Ocean (TAO) array of moored buoys in the Pacific, a surface drifting buoy program, an island and coastal tide gauge network, and a volunteer observing ship network of expendable bathythermograph measurements. Complementing these in situ efforts were satellite missions which provided near‐global coverage of surface winds, sea surface temperature, and sea level. These new TOGA data sets led to fundamental progress in our understanding of the physical processes responsible for ENSO and to the development of coupled ocean‐atmosphere models for ENSO prediction.

This Review looks at the state of knowledge on the El Niño/Southern Oscillation (ENSO), a natural climate phenomenon. It discusses recent advances and insights into how climate change will affect this natural climate varibility cycle. The El Niño/Southern Oscillation (ENSO) is the dominant climate phenomenon affecting extreme weather conditions worldwide. Its response to greenhouse warming has challenged scientists for decades, despite model agreement on projected changes in mean state. Recent studies have provided new insights into the elusive links between changes in ENSO and in the mean state of the Pacific climate. The projected slow-down in Walker circulation is expected to weaken equatorial Pacific Ocean currents, boosting the occurrences of eastward-propagating warm surface anomalies that characterize observed extreme El Niño events. Accelerated equatorial Pacific warming, particularly in the east, is expected to induce extreme rainfall in the eastern equatorial Pacific and extreme equatorward swings of the Pacific convergence zones, both of which are features of extreme El Niño. The frequency of extreme La Niña is also expected to increase in response to more extreme El Niños, an accelerated maritime continent warming and surface-intensified ocean warming. ENSO-related catastrophic weather events are thus likely to occur more frequently with unabated greenhouse-gas emissions. But model biases and recent observed strengthening of the Walker circulation highlight the need for further testing as new models, observations and insights become available.

Satellite observations suggest that the intensity of El Niño events in the central equatorial Pacific (CP) has almost doubled in the past three decades, with the strongest warming occurring in 2009–10. This is related to the increasing intensity as well as occurrence frequency of the so‐called CP El Niño events since the 1990s. While sea surface temperature (SST) in the CP region during El Niño years has been increasing, those during neutral and La Niña years have not. Therefore, the well‐documented warming trend of the warm pool in the CP region is primarily a result of more intense El Niño events rather than a general rise of background SST.

An analysis indicates that the warm, powerful currents that flow along the western edges of ocean basins warmed more than twice as quickly than the global ocean as a whole over the past century. This enhanced warming could have important effects on climate because these currents affect the air–sea exchange of heat, moisture and carbon dioxide. Subtropical western boundary currents are warm, fast-flowing currents that form on the western side of ocean basins. They carry warm tropical water to the mid-latitudes and vent large amounts of heat and moisture to the atmosphere along their paths, affecting atmospheric jet streams and mid-latitude storms, as well as ocean carbon uptake1,2,3,4. The possibility that these highly energetic currents might change under greenhouse-gas forcing has raised significant concerns5,6,7, but detecting such changes is challenging owing to limited observations. Here, using reconstructed sea surface temperature datasets and century-long ocean and atmosphere reanalysis products, we find that the post-1900 surface ocean warming rate over the path of these currents is two to three times faster than the global mean surface ocean warming rate. The accelerated warming is associated with a synchronous poleward shift and/or intensification of global subtropical western boundary currents in conjunction with a systematic change in winds over both hemispheres. This enhanced warming may reduce the ability of the oceans to absorb anthropogenic carbon dioxide over these regions. However, uncertainties in detection and attribution of these warming trends remain, pointing to a need for a long-term monitoring network of the global western boundary currents and their extensions.

During the 1997-98 El Nino, the equatorial Pacific Ocean retained 0. 7 x 10(15) grams of carbon that normally would have been lost to the atmosphere as carbon dioxide. The surface ocean became impoverished in plant nutrients, and chlorophyll concentrations were the lowest on record. A dramatic recovery occurred in mid-1998, the system became highly productive, analogous to coastal environments, and carbon dioxide flux out of the ocean was again high. The spatial extent of the phytoplankton bloom that followed recovery from El Nino was the largest ever observed for the equatorial Pacific. These chemical and ecological perturbations were linked to changes in the upwelling of nutrient-enriched waters. The description and explanation of these dynamic changes would not have been possible without an observing system that combines biological, chemical, and physical sensors on moorings with remote sensing of chlorophyll.

This paper describes observed changes in surface winds, sea surface temperature (SST), and the volume of water warmer than 20°C (WWV) in the equatorial Pacific Ocean for the period 1980–99. The purpose is to test recent hypotheses about the relationship between variations in WWV and the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) cycle. The results confirm inferences based on theory, models, and previous empirical analyses using proxy data (namely sea level) that ENSO involves a recharge and discharge of WWV along the equator and that the cyclic nature of ENSO results from a disequilibrium between zonal winds and zonal mean thermocline depth. The authors also find that the magnitude of ENSO SST anomalies is directly related to the magnitude of zonal mean WWV anomalies. Furthermore, for a given change in equatorial WWV, the corresponding warm El Niño SST anomalies are larger than the corresponding cold La Niña anomalies. This asymmetry between the warm and cold phases of the ENSO cycle implies differences in the relative importance of physical processes controlling SST during El Niño and La Niña events.

Extreme La Niña events occur when cold sea surface temperatures across the central Pacific Ocean create a strong temperature gradient to the Maritime continent in the west. This work projects an increase in frequency of La Niña events due to faster land warming relative to the ocean, and a greater chance of them occurring following extreme El Niño events. The El Niño/Southern Oscillation is Earth’s most prominent source of interannual climate variability, alternating irregularly between El Niño and La Niña, and resulting in global disruption of weather patterns, ecosystems, fisheries and agriculture1,2,3,4,5. The 1998–1999 extreme La Niña event that followed the 1997–1998 extreme El Niño event6 switched extreme El Niño-induced severe droughts to devastating floods in western Pacific countries, and vice versa in the southwestern United States4,7. During extreme La Niña events, cold sea surface conditions develop in the central Pacific8,9, creating an enhanced temperature gradient from the Maritime continent to the central Pacific. Recent studies have revealed robust changes in El Niño characteristics in response to simulated future greenhouse warming10,11,12, but how La Niña will change remains unclear. Here we present climate modelling evidence, from simulations conducted for the Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (ref. 13), for a near doubling in the frequency of future extreme La Niña events, from one in every 23 years to one in every 13 years. This occurs because projected faster mean warming of the Maritime continent than the central Pacific, enhanced upper ocean vertical temperature gradients, and increased frequency of extreme El Niño events are conducive to development of the extreme La Niña events. Approximately 75% of the increase occurs in years following extreme El Niño events, thus projecting more frequent swings between opposite extremes from one year to the next.