冬季北太平洋流场异常主要模态与PDO及NPGO的关系

吕庆平，卢 姁，朱 娟，戴文灏，张 铭

（1.解放军东海舰队司令部 海洋水文气象中心，浙江 宁波315122；2.解放军理工大学 气象海洋学院大气环流与短期气候预测实验室，江苏 南京211101；3.解放军61741部队，北京100094）

0 引言

太平洋年代际振荡（PDO）是年代际时间尺度上的气候变化强信号，其为北太平洋海域海表面温度异常（SSTA）经验正交函数（EOF）分析的第一模态，具有准20a的年代际变化周期［1－4］。然而PDO不能解释东北太平洋的盐度、营养物质和鱼储量等的年代际变化，为此2008年DI LORENZO定义了一个新的气候模态——北太平洋环流振荡（NPGO）［5］。NPGO是东北太平洋海表面高度异常（SSHA）EOF分解的第二模态，因该模态与SSTA EOF分解的第二模态（Victoria mode）有很好相关性［6］，故其也能用 SSTA EOF分解的第二模态来表示，其具有准13a的年代际变化周期［7］。

阿留申低压（AL）［8］是北太平洋上空永久性大气活动中心，北太平洋海平面气压异常（SLPA）EOF分解的第一模态就反映了AL模态；而SLPA EOF分解的第二模态则表现为北太平洋涛动（NPO）的异常［9］。研究认为，海洋中的PDO模态与大气中的AL异常强迫有关［10］，而NPGO模态则相应于大气中的NPO模态［11］。对于气候问题来说，中高纬度海平面气压场和海面风场存在准地转关系，SLPA的异常显然会引起海面风场（风应力）的异常；同时，海洋上层流场是风生流，故海面的风场异常会造成上层海洋的流场异常［12］。那么，北太平洋海洋上层流场异常的主要模态空间结构和时间演变又如何？该流场异常如何造成相应上层海温场的异常？其具体物理机制是什么，该流场异常模态与PDO和NPGO又有何种联系？这些都是亟待解决的重要问题。虽然目前对北太平洋的流场气候平均状态和日常观测的研究有不少［13－15］，然而对以上这些问题的明确回答至今尚未见到。

本文用2月份代表冬季，对冬季北太平洋上层流场异常进行联合复EOF分解（以下简称CEOF分解），给出了该流场异常第一和第二模态的空间结构和时间系数，通过小波分析和回归分析，揭示了其年代际变化周期，及其与PDO和NPGO模态的联系，并初步探讨了海洋上层流场异常造成上层海温场异常的途径，以试图回答以上提出的问题。

1 资料和方法

本文所用的资料为美国UMD的Carton（beta7）逐月全球海洋同化 分析资 料［16］（http：／／iridl.ldeo.columbia.edu／SOURCE／.UMD／.Carton／.goa／.beta7），简称Carton资料。资料覆盖南北纬60°的全球海洋，为高斯网格，分辨率约为1°×1°。本文研究时段为1950—2001年，共52a，且取其中的2月份资料；研究海洋深度分别为112.5、97.5、82.5、67.5、52.5、37.5、22.5和7.5m，共8层；研究范围为赤道外太平洋，即（19.5°N ～50.8°N，120°E ～180°E ～100°W）。

本文的统计动力诊断主要采用复EOF分解方法，其原理可参见文献［17］，这里不再赘述。由于本文将8层的偏差流场看作一个整体来做CEOF分解，故各层有相同的时间系数。本文主要对表层（7.5 m）、近表层（22.5m）和次表层（112.5m）的结果进行分析讨论。CEOF第一和第二模态的方差贡献分别为9.9%和7.3%，均通过了 North检验［18］。由于明显异常区域仅占北太平洋海域面积的很小一部分，且CEOF分解中海洋层数取得较多（共取了8层），这样造成前两个模态方差贡献都不很大；然而，前两个模态分别是整个流场异常方差贡献的最大和次大者，揭示和讨论其与冬季北太平洋主要气候模态PDO和NPGO的关系，并初步探讨海洋上层流场异常造成上层海温场异常的途径无疑是很有意义的工作。

利用CEOF分解各模态空间场中各层的流场异常，可直接计算其涡度场和散度场异常，对散度场异常在垂直方向积分则可得到相应的垂直运动异常［19］。此时取海－气界面处的海洋垂直运动异常w≈0，若w＞0（w＜0）则对应于上升（下沉）运动异常，而由近表层的垂直运动异常则可方便地决定该处海温的动力变化。该动力变化是指，在上层海洋中，因垂直上升（下沉）运动造成的冷（暖）水上翻（下沉）所导致的海温降低（升高）。该海温变化纯由动力作用（垂直运动）引起，而与辐射等热力作用无关。这样，由上层海洋垂直运动的分布则可估计出因海温动力变化所造成的海温分布态势。

2 流场异常前个两模态的特征

2.1 空间结构

图1a给出了CEOF分解第一模态的次表层空间场。由图可见：在整个北太平洋，总体上存在一个较弱的北太平洋海盆尺度（以下简称为海盆尺度）的气旋式大洋环流（见图中椭圆圈，圈上箭头表示环流的流向），其中心在（39°N，170°W）附近；同时，在大洋接近西海岸处，即在日本本州岛以东、以南海域的黑潮末端和黑潮续流上，流场异常较大洋中部强很多，主体表现为一个呈NEN—SWS走向的长椭圆气旋涡旋，其中心在（33°N，142°E）附近。表层流场异常的总体分布形态与次表层相近（图略），也具有较弱的海盆尺度气旋式旋转的大洋环流和大洋西海岸处较强的长椭圆气旋涡旋，但与次表层稍有不同的是，叠加在上述海盆尺度气旋式环流上的辐散场要较次表层更明显，并以38°N为界，在北部有弱的北向流，南部有弱的南向流。在整个海洋上层，第一模态空间场的结构差异并不大，这说明海洋上层流场的第一模态具有准正压性，这也是海洋上层海水密度可看作准不可压的体现。

图1b给出了CEOF分解的第二模态次表层空间场。由图可见：以40°N为界，在中高纬度和中纬度分别有较弱的海盆尺度的气旋式环流和反气旋环流（见图中两个椭圆圈，圈上箭头表示环流的流向），环流中心分别位于（46°N，170°W）和（33°N，168°W）附近；在大洋接近西海岸处，即在日本本州岛以东、以南海域的黑潮末端和黑潮续流上，流场异常同样比大洋中部强很多，其主体表现为一个长轴呈南北走向的反气旋涡旋，中心在（33°N，145°E）附近。第二模态表层流场异常的空间场分布与次表层的差异也很小（图略），在整个海洋上层，第二模态空间场的结构差异也不大，即该模态准正压性也明显。

图1 冬季北太平洋海流异常CEOF第一（a）和第二（b）模态次表层的空间场Fig.1 The first spatial mode（a）and the second spatial mode（b）of subsurface oceanic flow anomalies in the North Pacific during winter

2.2 时间系数

第一模态时间系数的辐角大体集中在0°和±180°附近，这表明辐角的分布有2个状态，可分别称其为A态和B态。当辐角处于A态时，流场异常的分布与该模态的空间场相同，而当辐角处于B态时，流场异常的分布则与该模态的空间场相反。因辐角处于A和B两个状态，故可用数学符号“＋”和“－”来反映该点，为此可将时间系数的模作以下处理：当辐角处于A态时，就取其模值；当辐角处于B态时，则取该模值的负数；如此处理后可得到一个新的实数序列，不妨称之为实时间系数序列。实时间系数序列能综合反映辐角和模的时间演变，且操作方便，以下均用实时间系数来进行讨论。图2a给出了第一模态实时间系数序列的折线图，由该图可见，该时间系数有明显的年际变化和年代际变化。

第二模态时间系数的辐角也有2个状态，即A态和B态，但与第一模态不同的是，其辐角集中在30°附近（A态）和－150°附近（B态），且第二模态在这2个状态上的离散度较第一模态大。第二模态相应于这两个状态的流场异常的空间结构，应将原空间场（图1b）以及其反向场的风向作30°逆时针的旋转。不过，因旋转角仅30°，旋转后与旋转前的流场相差不算太大，故大体还能用旋转前的空间场（图1b）来近似表示。同样，对第二模态时间系数进行如下处理：当辐角处于30°附近时，就取其相应的模值；当辐角处于－150°附近时，则取该模值的负数，这样也可得到实时间系数序列（图2b），由图2b可见，该时间系数也有明显的年际变化和年代际变化。

图2 第一（a）和第二（b）模态实时间系数序列的折线图Fig.2 Real time series of the first mode（a）and the second mode（b）

3 流场异常模态与PDO和NPGO的关系

为更客观反映第一和第二模态的年际和年代际变化，并与SSTA的PDO模态和NPGO模态进行比较，在此分别对第一和第二模态的实时间系数序列作小波分析（图3）。

由图3a可见，第一模态实时间系数序列的年代际变化呈明显单峰分布，峰尖位于20a处（通过了置信度为95%的检验）。小波分析的结果反映上层海流异常的CEOF第一模态具有非常显著的准20a周期，而这与PDO的年代际变化周期相同［3］，这表明PDO模态的年代际变化不仅反映在SSTA上，在冬季北太平洋上层流场异常第一模态上也有非常明显的反映。

由图3b可见，第二模态时间系数的年代际变化大体也呈单峰分布，峰尖位于18a处，但是在12～15 a处小波全谱的数值也较高，并在14a处有一峰尖出现（两者均通过了置信度为95%的检验）。上述分析表明，上层流场异常CEOF第二模态具有准18a和准13a的年代际变化周期，其中准13a的年代际变化周期与NPGO的相同［7］，这表明冬季北太平洋上层流场异常中也包含有NPGO的年代际变化信号。

为进一步揭示冬季北太平洋CEOF分解第一和第二模态与PDO模态和NPGO模态的联系，将第一和第二模态的实时间系数分别与PDO和NPGO指数进行了相关分析，相关系数分别为0.45和0.36（均通过了显著水平0.05的显著性检验），都具有正相关性，第一模态的相关性更高些。

图3 第一（a）和第二（b）模态实时间系数序列的小波全谱Fig.3 Wavelet spectrum of the real time series of the first mode（a）and the second mode（b）

图4 SSTA与第一（a）和第二（b）模态实时间系数的回归系数场Fig.4 Regression coefficients field of SSTA to the first（a）and the second（b）real time series

随后，本文利用多年2月份北太平洋SSTA与CEOF第一和第二模态的实时间系数求回归，得到的回归系数场如图4所示。这里为了与经典PDO模态和NPGO模态的空间结构作对比分析，将北太平洋的范围取作（24°N～62°N，110°E～110°W）。

由图4a可见，SSTA与第一模态实时间系数的回归系数场表现为：在北太平洋中部存在一个椭圆形的负值区，负值中心位于（35°N，160°W）附近，北美西岸为正值区，这类似于经典PDO模态的暖位相。由图4b可见，SSTA与第二模态实时间系数的回归系数场表现为：约以40°N为界，在其以北的北太平洋海域，从140°E附近向东一直延伸至160°W为负值带，带上有负值中心；在其以南的副热带海域，从140°E附近向东一直延伸至135°W附近均为正值带，带上有正值中心。该正、负值带构成南正北负的双带系统，且在北太平洋中部，双带上的中心呈南北向的偶极子分布，这类似于经典NPGO模态的暖位相。

由此可见，SSTA与CEOF第一和第二模态实时间系数的回归系数场，分别与经典PDO和NPGO模态的空间分布类似，这进一步表明，第一模态是PDO在流场异常上的反映，第二模态则包含了NPGO的明显信息。

海洋流场的分布通过辐合、辐散激发垂直运动，而垂直运动又会改变海温的分布。下面，通过计算北太平洋流场异常第一和第二模态对应的近表层垂直运动，以分析海温变化的动力原因，揭示流场异常第一和第二模态与PDO和NPGO模态的关系。本文中的近表层深度为22.5m，在该深度，辐射和热通量的影响相较海温动力变化而言已处于比较次要的地位，也即该深度的海温变化主要由海温的动力变化来决定。我们早先的工作表明，冬季北太平洋近表层海温异常的水平分布与SSTA的水平分布相一致［7］，由此可知，此时海温的动力变化的确可反映SSTA的水平分布。

图5 第一（a）和第二（b）模态近表层垂直运动场Fig.5 Vertical velocity field simulated by the first mode（a）and the second mode（b）on near－surface of ocean

图5a给出了CEOF分解第一模态对应的近表层垂直运动场。由图可见，在北太平洋中部为海盆尺度的上升运动区，最大值出现在区域的中部，在该上升运动区周边则有下沉运动。这种垂直运动分布会造成近表层海温的变化，即上升运动区有近表层海温的动力降温，最大降温区在北太平洋海盆的中心附近，而在下沉运动区则有近表层海温的动力升温。以上这种海盆尺度的垂直运动分布会造成北太平洋中部海温的负异常，而在其周边则为海温的正异常。这种近表层海温的分布与SSTA EOF第一模态（PDO模态）空间场的分布十分类似。这说明由第一模态流场异常得到的海盆尺度垂直运动异常是产生PDO模态的重要原因。

图5b给出了CEOF分解第二模态对应的近表层垂直运动场异常。总体来看，30°N～42°N的中太平洋表现为海盆尺度的下沉运动异常，在图5b上用椭圆圈出，圈内以绿色为主，该图上绿色表示垂直速度小于0m／s的区域，为下沉运动异常区域；而在该椭圆圈外的低纬和高纬海域则均以黄色为主，该图上黄色表示垂直速度大于0m／s的区域，为上升运动异常区域。在北太平洋近表层，这样的垂直运动异常所造成的海盆尺度海温异常表现为：中纬度以海温正异常为主，高纬则以负异常为主，这种海温异常的分布态势与NPGO模态空间场的分布类似［7］。这说明，由第二模态流场异常造成的海盆尺度垂直运动异常是NPGO模态形成的重要原因。

4 结语

本研究采用CEOF分解和小波分析等方法，对冬季北太平洋上层大洋环流异常进行了诊断，讨论了第一和第二模态的年代际变化，及其与PDO和NPGO模态的联系，并初步揭示了大洋环流异常影响PDO和NPGO的途径。得到的主要结论有：

（1）在CEOF分解第一和第二模态的空间场上，北太平洋海盆尺度的大洋环流异常分别表现为气旋环流的形式；以及中高纬为气旋环流，中纬为反气旋环流的形式。

（2）CEOF分解第一和第二模态的实时间系数序列分别有明显的准20a和准13a的年代际变化周期，这与PDO和NPGO模态的年代际变化周期相同。

（3）CEOF第一和第二模态实时间系数与冬季北太平洋SSTA空间场的回归分析表明，其回归系数场的空间分布分别与PDO和NPGO模态的空间结构十分接近。

（4）CEOF分解的第一模态是PDO在流场异常上的反映，第二模态则包含了NPGO的明显信息。

（5）CEOF第一和第二模态近表层流场异常所得到的海盆尺度垂直运动异常的空间分布形态，与SSTA的PDO和NPGO模态的空间结构类似，这表明，海盆尺度流场异常造成的垂直运动是形成PDO和NPGO模态的重要原因。

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