按照美国国家海洋与大气管理局的定义，通常使用Niño3.4区（南纬5°～北纬5°，西经120°～西经170°）的平均海温异常作为监测厄尔尼诺和拉尼娜的指数，若Niño3.4指数连续6个月高于0.5℃（低于-0.5℃），则定义为一次厄尔尼诺（拉尼娜）事件的发生。南方涛动强度的衡量方法是塔希提岛与达尔文岛海平面气压之差，称为南方涛动指数。正因为厄尔尼诺和南方涛动是紧密联系的，Niño3.4指数与南方涛动指数之间存在很好的负相关关系（见图）。

ENSO示意图。图（a）中填色部分为海温异常的EOF第一模态的空间分布（等值线间隔：0.2℃），表征厄尔尼诺，黑色曲线为海面气压异常与南方涛动指数的相关系数分布（等值线间隔：0.2），表征南方涛动。绿色方框代表Niño3.4区域，紫色点分别代表塔希提岛（Tahiti，T）和达尔文岛（Darwin，D）。图（b）为相应的标准化时间序列（1980～2017）

南美洲西岸的渔民在19世纪末就注意到每隔几年的冬季海水温度升高，捕鱼收获减少，因该现象在圣诞节前后最为明显，渔民就称之为厄尔尼诺（El Niño，西班牙语“圣婴”的意思）。20世纪20年代英国气象学家G.沃克（Gilbert Walker，1868～1958）爵士发现赤道东西太平洋的海平面气压呈现反相关性的变化，具体表现为热带大气上升区（降水多的区域，如印度尼西亚）的海平面气压的变化总是伴随着热带大气下沉区（降水少的区域，如东南太平洋）的海平面气压的反位相变化，他将这一现象称为南方涛动。在50年代伯尔拉赫（Berlage）绘制了热带海平面气压与印度尼西亚首都雅加达的气压的相关图，才让大家第一次较完整地看到南方涛动的全貌。60年代，著名的气象学家J.比约克尼斯（Jacob Bjerknes，1897～1975）利用沃克爵士多年的海平面气压观测数据指出：与南方涛动相关的长期连续的气候异常其实与赤道中东太平洋海面温度的缓慢变化是紧密地联系在一起的，后人的工作才逐渐将厄尔尼诺和南方涛动当作一个完整的耦合现象加以研究，并将二者合称为ENSO。后来，菲兰德（Philander）提出用一个新词“拉尼娜”（La Niña，含义为“小女孩”），来命名与厄尔尼诺现象相反的热带中东太平洋海水异常降温的现象。

无论是厄尔尼诺还是拉尼娜，都倾向于在春末夏初发展并于冬季达到最强状态，这种与季节有关的现象称为ENSO的季节锁相现象。研究认为该现象与热带太平洋海洋大气本身的季节循环及其衍生的海洋大气之间的耦合不稳定性有关：在春季时，太阳直射赤道，热带东太平洋海水和大气温度最高，大气层结最不稳定，海洋大气之间的耦合不稳定性最强，有利于初始的小扰动发展，进而改变局地的海洋大气环流并激发更强的海洋大气异常响应，导致厄尔尼诺或拉尼娜的爆发；在夏季（秋季）由于太阳直射点越过赤道并位于北（南）半球，东（北）南信风加强，赤道东太平洋冷舌逐渐发展，受温度降低且大气层结逐渐增强的影响，海洋大气之间的耦合不稳定性逐渐减弱，局地异常海温的上升趋势逐渐减弱；冬季时，海洋大气之间的耦合不稳定性达到最弱，不再支持异常海温的进一步升高，于是厄尔尼诺或拉尼娜达到最强。

比约克尼斯最先系统地解释了热带中东太平洋的初始小扰动为何能发展成ENSO。在有限的观测资料中，他观察到：赤道东太平洋海温升高将会减小东西太平洋的海温梯度，进而减弱西向的信风和海流，赤道东太平洋上升流随之减弱、温跃层变深，又加剧了赤道东太平洋海面温度的升高，因此他提出了海温、信风、上升流和温跃层的变化之间存在一种永不休止的相互促进的关系，但他并不清楚厄尔尼诺如何转变为拉尼娜。后人不断地验证和丰富了比约克尼斯猜想，并称之为“比约克尼斯正反馈”，并使之成为了ENSO的重要基础理论。

后人利用逐渐丰富的观测资料，发展了四种线性ENSO循环理论来解释厄尔尼诺与拉尼娜之间的位相转换，分别是延迟振子理论、充放电振子理论、平流反射振子理论和西太平洋振子理论。在这4种ENSO循环理论中，比约克尼斯正反馈是解释海温异常增长的共同理论，但对异常海温发展的动力细节各有侧重点（以厄尔尼诺的发展为例）：延迟振子理论和西太平洋振子理论都强调赤道中西太平洋异常西风激发的下沉性赤道开尔文（Kelvin）波向东传播引发海水辐合和温跃层加深所导致的海温上升效应，充放电理论侧重于赤道海洋次表层异常热含量随上升流向上输送对海面温度的改变过程，平流反射理论则强调赤道中西太平洋异常西风激发的赤道开尔文波及其在东边界发射而成的罗斯贝（Rossby）波所伴随的异常海流将暖池高温海水向东输送共同导致的赤道中东太平洋海温上升。对于厄尔尼诺转换为拉尼娜所需的负反馈，延迟振子理论认为赤道中太平洋异常西风激发的赤道外温跃层上升的罗斯贝波向西传播到达西边界后，反射为温跃层上升的赤道开尔文波向东传播，将减弱之前温跃层下沉的开尔文波导致赤道中东太平洋的海温升高效应，该负反馈的持续作用并最终使厄尔尼诺减弱并转换为拉尼娜，由于赤道外罗斯贝的波速比赤道开尔文波速传播速度慢，该负反馈需要延迟一段时间起效果，因而该理论被称为延迟振子理论；充放电振子理论则不关注海洋波动的效果，该理论认为赤道中太平洋的西风异常导致太平洋内区正的风应力旋度异常，产生向赤道外的斯韦尔德鲁普输运，将赤道地区的异常热含量向赤道外输送，减弱赤道地区的热含量异常供给，从而导致厄尔尼诺减弱并转变为拉尼娜；平流反射振子理论则关注赤道西风异常激发的海洋开尔文波到达东边界后反射成罗斯贝波，并伴随着向西的海流异常，叠加在向西的背景流上，增强向西的冷水输送，从而减弱并终结厄尔尼诺并诱发拉尼娜。西太平洋振子理论所提供的负反馈与延迟振子理论相似，但认为延迟振子理论所涉及的赤道外罗斯贝波在西边界的反射效率不足，热带西太平洋局地的东风异常可以直接激发温跃层上升的开尔文波向东传播，从而导致厄尔尼诺的终结。以上四种理论所描述的负反馈过程，在现今的观测中都有体现，由于它们是在观测资料相对匮乏的年代被提出来的，又因其简洁性和有效性，因此被后来的学者高度评价并沿用至今。

当厄尔尼诺发生时，赤道中东太平洋海水温度异常上升，东西太平洋海温和气压梯度减小，沃克环流减弱，信风和西向的海流随之减小，暖池区的高温海水和深厚对流及降水向东扩展，而当拉尼娜发生时，上述耦合系统的发展几乎相反。ENSO发生后将首先改变局地的海流和海水温度，从而引发大气热源位置和强度的变化，进一步致使北太平洋高压、阿留申低压和北美大气环流异常；另外，与沃克环流异常对应的西北太平洋副热带高压的强度和位置也会发生变化，从而影响中国华南、长江流域的降水以及热带西北太平洋台风的生成位置、频次和移动路径。ENSO还影响西风急流的位置和强度，并影响北美冬季的天气和气候，也可以通过改变热带大西洋大气环流来影响欧洲的气候。同时，ENSO激发的异常环流也会改变印度洋上空的大气环流，进而影响印度季风降水。可见，尽管ENSO现象是发生在热带中东太平洋的，但它对气候的影响是全球性的，实际上，ENSO是影响全球气候年际变化最主要的异常能量来源。