冬季北太平洋海温主模态在1990年前后调整及其成因初探

刘凯 祝从文

中国气象科学研究院，北京100081

1 引言

太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，PDO）和北太平洋涡旋振荡（North Pacific Gyre Oscillation，NPGO）分别表示的是北太平洋海温（SST）和海表高度（SSH）异常的年代际振荡现象（Mantua et al., 1997; Di Lorenzo et al., 2008）。其中，PDO指的是20°N以北的西太平洋与赤道东太平洋 SST在年代际时间尺度上的跷跷板变化，当PDO处于正位相时，20°N以北的西太平洋海温变冷，而赤道东太平洋的SST变暖。Di Lorenzo et al.（2008）对SSH资料进行EOF分析发现，东北太平洋区域（25°～62°N, 180°～110°W）SSH 场的 EOF第二模态表现出南北相反的变化特征，并将该模态定义为北太平洋涡旋振荡（NPGO），其对应的时间序列称为NPGO指数。当NPGO指数为正值时，南部SSH为正异常中心，对应涡旋呈顺时针环流；北部 SSH为负异常中心，对应的涡旋呈逆时针环流，此时为 NPGO的正位相，反之则称为 NPGO的负位相。虽然PDO和NPGO的定义分别源自北太平洋SST和SSH距平场的EOF分析，但是Di Lorenzo et al.（2008）发现北太平洋SST的EOF第二模态（“维多利亚”模态；Bond et al., 2003）与SSH场的EOF第二模态（NPGO）在空间分布上存在高度的相似，时间系数显著相关。因此，PDO和NPGO可以理解为北太平洋SST或SSH场的EOF前两个模态，它们反映的是北太平洋海温年代际尺度主要变化特征。

研究发现，PDO通过影响ENSO发生的频率和强度，进而导致ENSO与东亚季风之间的关系发生变化（杨修群等，2004；吕俊梅等，2005；王会军和范可，2013），冬季的PDO与同期的阿留申低压和蒙古高压存在同步的跷跷板变化，PDO可以通过改变中高纬度纬向海—陆之间的气压差对东亚冬季风的强度产生直接影响（Zhou et al., 2007；李崇银等，2011；Chen and Zhai, 2011）。研究还发现，华南春季降水以及我国夏季降水的年代际尺度变化与PDO的位相变化存在密切联系（李宏毅等，2010；Qian and Zhou, 2013；陈红和薛峰，2013）以及华北和西北东部的年干湿变化与同期 PDO指数有密切的关系（马柱国和邵丽娟，2006）。因此，一直以来 PDO被认为是影响北半球和东亚季风年代际变化的最重要海洋因子之一。然而，Bond et al.（2003）发现，20世纪90年代后期，北太平洋SST的EOF第一模态与传统的PDO存在显著差异，并且Park et al. (2012) 指出1990～2005年期间东亚季风与海洋相互作用的机制较 1990年之前存在显著的差异。最近，Yeh et al. (2010) 对1956～2009年北太平洋冬季SST距平分阶段进行EOF分析发现，SST的EOF第一模态在1956～1988年为PDO型，而在1977～2009年则表现为NPGO型，SST的EOF前两个模态发生调整的时间大概在 1990年前后。观测分析表明，1990年之后 NPGO的振幅明显增加 (Bond et al., 2003)，而气候模拟的结果显示，未来 100年（2000～2100年）NPGO的振幅将增加38%，而 PDO的振幅将减少 58%（Cummins and Freeland, 2007）。上述结果预示未来NPGO将很有可能成为北太平洋的主导模态。

Di Lorenzo et al.（2010a，2010b）认为北太平洋这种海温模态的改变与赤道太平洋中部型ENSO事件频率的增加有密切的关系。由于传统的东部型ENSO和中部型ENSO分别体现在热带SST EOF前两个模态中（Ashok et al., 2007; Kao and Yu, 2009;Furtado et al., 2012），因此，很容易理解 PDO和NPGO与东部型和中部型ENSO之间的同步变化关系。而Yeh et al. (2010) 认为北极涛动（AO）的变化可能是导致NPGO在1990年之后发生改变的重要原因。我们注意到，PDO模态的 SST最大变化中心位于中东太平洋30°～40°N之间，而NPGO模态则表现为副热带西太平洋（20°～30°N）和40°～50°N东北太平洋地区的SST之间的偶极子变化，因此热带海温的变化无法直接解释PDO和NPGO模态的调整。为此，本文试图在以往研究的基础上，从影响PDO和NPGO的关键区海温，以及它们之间的变化关系角度揭示PDO和NPGO在1990年前后发生转换的海温场内部变化原因。在此基础上，通过对北太平洋涛动（NPO），赤道太平洋中部变暖（CPW）和北极涛动AO的影响分析，揭示北太平洋海温主模态在1990年之后调整的可能外部成因。

2 资料与方法

本文分析所用的资料：1950～2014年期间的美国 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的月平均海温资料（ERSST.V3b），水平分辨率为 2°×2°（Smith et al., 2008）；1950～2013年期间的英国Hadley环流中心的月平均海温资料（HadISST1），水平分辨率为 1°×1°（Smith et al., 1998）；月平均海平面气压（SLP）和风场资料均取自美国的 NECP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°（Kalnay et al., 1996）。本文采用的 NPO指数为北太平洋冬季海表面气压异常5年低通滤波EOF分析第二模态对应的时间序列。PDO指数定义为20°N以北太平洋海温异常（SSTA）EOF第一模态对应的时间系数（Mantua et al., 1997），NPGO指数为东北太平洋区域（25°～62°N，180°～110°W）海表高度异常（SSHA）的EOF第二模态对应的时间系数（Di Lorenzo et al., 2008）。PDO和NPGO指数的资料分别取自 http://jisao.washington.edu/pdo/PDO. latest [2014-04-01]和http://www.ocean3d.org/npgo [2014-04-01]。AO指数为北半球1000 hPa位势高度异常EOF分析第一模态的时间序列，资料取自 http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list [2014-10-01]。

在对关键区海温指数之间的变化关系分析中，我们采用了时间序列EOF（T-EOF）方法，该方法类似于主成分分析（PCA），但EOF模态表示的是各关键区SST异常之间的时间位相关系，而对应的PC表示的是时间位相关系随时间变化。本文中所采用的统计信度的检验方法为t检验。

3 冬季北太平洋海温主模态变化及其内部成因

图1表示的是1950年1月到2014年2月PDO和NPGO指数时间序列及其10年滑动相关系数的变化（计算 1950～1959期间的相关系数，我们将相关系数记在中间点1955年，当计算1951～1960期间的相关系数时，我们将相关系数记在1956年以此类推）。如图所示，PDO与NPGO指数表现出明显的年代际变化，且两者的周期基本一致。NPGO振幅自上世纪90年代表现出显著的增强趋势，这与Bond et al.（2003）的研究结果一致。分析两指数之间 10年滑动相关系数可以发现，PDO和NPGO指数自上世纪 90年代后由正相关转化成负相关，并且伴随NPGO指数振幅增强，两者之间的负相关系数明显增强，在1990年之后两者呈现显著负相关，最大相关系数的绝对值超过了0.50，通过了95%的信度检验。

Di Lorenzo et al. (2008) 发现，冬季SST的EOF第二模态与NPGO的空间结构基本一致，并且PDO和NPGO的振幅在冬季达到最大。为此，本文选取冬季（December, January, and February; DJF）的 PDO与NPGO指数超过（低于）一个标准差的年份定义为PDO和NPGO的强正（负）位相年。选取的PDO正位相年份为1983、1984、1985、1986、1987年，负位相年份为1955、1956、1962、1971、1975年。NPGO的正位相年份为1999、2000、2001、2002、2009年，负位相的年份则选为1992、1993、1994、1995、1996年。由于NPGO在1990年之后的振幅变强，按照上述标准所选取的NPGO的极端正负位相年份均发生在1990年之后。

图2表示的是 1950～2013年冬季 PDO和NPGO强正负位相年份分别对应的海温，气压和850 hPa风场异常合成图。在PDO正位相年份（图2a），SST异常分布表现为北太平洋副热带SST负异常与赤道中东太平洋 SST正异常之间的跷跷板变化，并且伴随阿留申低压的加强，以及 850 hPa风场气旋性环流异常和北太平洋 30°N附近的显著西风异常。PDO负位相时的分布特征与之相反（图2b）。当NPGO处于正位相时（图2c），东北太平洋

为负的 SST异常，副热带西北太平洋表现为正的SST异常，并且一直延伸到西太平洋副热带地区，此时赤道中东太平洋SST表现为负距平，海温最大经向梯度位于北太平洋40°N附近。与PDO模态存在显著的差异，NPGO模态的SLP的正负异常中心分别位于夏威夷以北和阿拉斯加地区，对应冬季的北太平洋涛动NPO的正位相（Walker and Bliss，1932）。其中，850 hPa风场在阿拉斯加上空表现为气旋性环流异常，而夏威夷地区为反气旋性的环流异常，风场最显著的特征是北太平洋 40°N表现为显著的西风异常，对比 PDO模态，西风异常的位置向北移动了近 10个纬度。NPGO负位相时的分布特征与之相反，但是海温的变化幅度明显减弱（图2d）。

图1 1950～2014年PDO与NPGO指数及其10年滑动相关系数变化。其中，黑色和红色实线分别表示的是PDO和NPGO指数，蓝色虚线表示PDO与NPGO指数之间的十年滑动相关系数变化Fig. 1 Normalized time series of monthly PDO (Pacific Decadal Oscillation; black line) and NPGO (North Pacific Gyre Oscillation; red line) indicesduring 1950-2014. The blue dashed line indicates the 10-year running correlation coefficients between PDO and NPGO indices

图2 PDO和NPGO极端正、负位相年份对应的冬季（DJF）海温异常（单位：K）、气压异常（SLPA）（单位：hPa）、850 hPa风场异常（单位：m s-1）合成图：（a）PDO正位相年份；（b）PDO的负位相年份；（c）NPGO的正位相年份；（d）NPGO的负位相年份。其中，填色图表示的是海温异常；紫色等值实（虚）线为海平面气压正（负）异常；箭头表示850 hPa风场异常；字母A和C分别表示反气旋和气旋中心Fig. 2 Composite fields of SST anomalies (shaded; units: K), sea level pressure anomaly (SLPA) (hPa) (purple dashed contours: negative anomaly; purple solid contours: positive anomaly), and 850 hPa wind anomaly (arrows; units: m s-1) for the positive and negativePDO and NPGO years in DJF (December,January, and February): (a) Positive phase of PDO; (b) negative phase of PDO; (c) positive phase of NPGO; (d) negative phase of NPGO. Marks of ‘A’ and ‘C’indicate the centers of anti-cyclone and cyclone in the wind anomalies at 850 hPa, respectively

比较可以发现，PDO正负位相所对应的是赤道东太平洋海温异常，而NPGO正负位相对应的赤道中东太平洋的海温异常，相比PDO而言NPGO对应的赤道太平洋海温异常的大值中心偏西，两者分别对应赤道东部型和中部型海温变暖。在北太平洋地区两者在SST场和环流异常场存在较大的差异。由于PDO和NPGO对应的SST和环流异常明显不同，意味着它们对北半球大气环流的影响存在差异。

图3表示的是1950～2013年冬季北太平洋SST异常场EOF前两个模态（EOF1和EOF2）及其对应的主分量（PC1和PC2）。如图所示，SST的EOF1模态在北太平洋表现为椭圆形分布的 SST负异常，北界位于50°N附近，其中SST的负值范围几乎控制了北太平洋 50°N以南的大部分地区，最大荷载位于东北太平洋副热带地区（28°～36°N,178°～152°W），在EOF2模态中SST异常则表现为沿东北西南走向的负、正偶极子异常分布，其中海温最大的负（正）荷载中心分别位于东北太平洋（44°～49°N, 151°～177°W）和副热带西北太平洋（22°～28°N, 145°～170°E），并且在 40°N 附近存在一个很强的 SST经向梯度。计算表明，PC1和PC2与 PDO指数之间的相关系数分别为 0.83和-0.40，而它们与 NPGO指数之间的相关系数分别为-0.17和0.59，因此，SST的EOF前两个模态和时间系数分别反映的是PDO和NPGO的时空演变特征。

为了揭示PDO和NPGO在1990年前后的变化及其差异，我们分别对 1990年前后两个阶段的冬季SST场进行了EOF分析（图4）。1950～1990年间，冬季北太平洋SST的EOF1模态表现出明显的PDO结构，最大荷载位于北太平洋中部，这期间的PC1与PDO指数之间的相关系数0.91（PC2与PDO的相关系数仅为0.10），而SST的EOF2模态则表现出NPGO模态，PC2与NPGO指数之间的相关系数为0.46（PC1与NPGO的相关系数仅为0.17）。比较可以发现，SST的EOF前两个模态与图3的结果非常相似，并且前两个模态的时间系数与 PDO和NPGO指数之间存在显著的正相关。但是，我们注意到在1990～2013年，冬季北太平洋SST的EOF前两个模态与之前的模态存在明显的差异，第一模态的负值海温分布由原来的近似西北—东南向的椭圆结构沿 30°N纬向轴逆时针旋转转变成东北—西南向椭圆结构，负值最大荷载中心向日界线倾斜，40°N以北地区被正的SST异常控制，这期间的EOF1与1990年之前的EOF2模态的负位相存在明显的相似性。正因为上述变化，Yeh et al. (2010)认为1990年之后北太平洋PDO和NPGO模态发生了反转。

图3 1950～2013年冬季北太平洋（20°～60°N, 120°E～120°W）海表温度EOF前两个模态（EOF1和EOF2）及其对应的主分量（PC1和PC2）时间变化：（a）EOF1；（b）PC1；（c）EOF2；（d）PC2。其中，黑色方框分别表示的是EOF1和EOF2的海温场最大荷载范围Fig. 3 The first two EOF modes (EOF1 and EOF2) of winter SST and their two principal components (PC1 and PC2) in the North Pacific (20°-60°N,120°E-120°W) during 1950-2013: (a) EOF1; (b) PC1; (c) EOF2; (d) PC2. The black square frames indicate regions of the largest loadings of EOF1 and EOF2

计算表明，1990年之后PC1与PDO指数相关系数为 0.55，与 NPGO指数之间的相关系数为-0.61。虽然1990年之后的PC1与PDO指数依然相关，但是EOF1更接近于NPGO的负位相模态。同样，EOF2在1990年之后也发生了显著变化，SST异常的最大荷载中心向西南方向移动，EOF2由偶极子结构演变成了东北—西南向的三极子结构。计算表明，PC2与PDO指数之间的相关系数为0.71，而与NPGO之间的相关系数仅为0.36。由此可见，1990年之后冬季北太平洋海温的EOF前两个模态的确发生了调整，EOF1更接近于 1990年之前的NPGO负位相模态，而EOF2则由原来的偶极子演变成了三极子结构。上述海温EOF前两个模态的调整不能简单地认为是PDO和NPGO模态的互换，虽然前两个PC系数依然与PDO和NPGO指数之间存在显著地相关，但是海温EOF前两个模态与传统的PDO和NPGO模态表现出明显的变异。

图4 同图3，但表示的是1950～1990年和1990～2013年的结果Fig. 4 Same as Fig. 3, but for the time periods of 1950-1990 and 1990-2013, respectively

根据1950～2013年冬季海温EOF前两个模态的空间荷载最大中心（图3）我们定义了3个海温关键区（图中黑色方框区域），分别是北太平洋中部（28°～36°N, 152°～178°W），北太平洋北部（44°～49°N, 151°～177°W）和西北太平洋副热带地区（22°～28°N, 145°～170°E），将上述 3 个区域平均的冬季海温距平分别定义为Index1、Index2、Index3，之后将上述三个海温指数分别对同期的北太平洋的海温进行回归分析（图略）。结果表明，SST对Index1的回归系数场主要表现为PDO海温模态特征，而SST场对Index2和Index3的回归系数场则对应NPGO的空间模态特征，表明上述三个关键区的海温变化与PDO和NPGO的空间模态的演变可能存在密切联系。此外，三个关键区海温指数与PDO和NPGO的相关系数显示，Index1与PDO为显著的负相关关系（相关系数高达-0.74），Index2与PDO和NPGO为显著的负相关的关系（相关系数分别为-0.53和-0.63），而Index3与NPGO有显著的正相关关系（相关系数为0.55）。

北太平洋关键区海温的时间变化反映了 PDO和NPGO的时间演变特征。利用傅里叶谐波分析，我们获得了三个关键区海温指数5年低通滤波之后的时间序列（图5），并且分别计算了 1950～1990和 1990～2013年两个阶段滤波前后三个指数之间的相关系数（表1）。分析发现，在1950～2013年期间，Index1与Index2之间显著正相关（相关系数为0.28），1990年之前正相关关系比较明显（相关系数为0.55），但是在1990年之后Index1和Index2之间则表现为显著的负相关（相关系数为-0.24）。Index1与Index3之间在整个阶段几乎不存在相关，但是1990年之后两者之间表现出显著的正相关（相关系数为0.50）。相对而言，Index2和Index3之间的负相关关系比较稳定。上述三个关键区海温指数之间的变化关系在5年低通滤波的中的表现更为明显，而 1990年之后上述三个关键区海温指数之间的相关系数的变化可能与北太平洋冬季海温模态的调整存在密切的关系。

表1 Index1、Index2、Index3之间的相关系数，括号中的数值表示5年低通谐波分量之间的相关系数。Table 1 The correlation coefficients between Index1,Index2, and Index3 and the values in the brackets represent the correlation coefficients between the 5-year low pass harmonic components of the three indices. Value with ‘*’represents pass the Student t test at 95% confidence level,R12 represents the correlation between Index1 and Index2,and definitions for R13 and R23 are similar

北太平洋海温的PDO和NPGO模态主要源于对1950～2013年SST场的协方差或相关系数矩阵的EOF分析结果，由于1990年前后两个阶段SST EOF的前两个模态发生了变化，由此可推测，其方差或相关系数矩阵一定发生了变化。我们注意到在1990年后，北太平洋中部和北部的SST之间的相关关系发生了显著调整。接下来我们试图从关键区海温之间的协同变化关系对PDO和NPGO模态的影响来揭示PDO和NPGO模态发生变化的内部原因。由于图3中的三个关键区的海温与 PDO和NPGO指数之间的变化密切相关，因此 PDO和NPGO模态随时间的变化可以简化为上述三个关键区海温指数 EOF位相关系随时间的变化。其中，EOF模态表示的是海温指数之间时间位相关系，而对应的PC系数表示时间位相关系随时间的变化。图6表示的是1950～2013年冬季三个关键区海温指数的EOF前两个模态及其对应的PC系数。如图所示，EOF1主要表现为Index1与Index2同位相模态，解释方差为58.7%，EOF2主要表现为 Index2与Index3和Index1之间的反位相模态，其中Index3的振幅明显大于 Index1，该模态的解释方差为34.5%。PC1与 PDO指数之间的相关系数为 0.78（PC2与 PDO指数之间的相关系数为-0.15）PC2与NPGO之间的相关系数为0.68（PC1与NPGO之间的相关系数仅为-0.17），均超过了95%的信度检验。

图5 1950～2013年冬季三个最大荷载区平均SST距平指数（Index1、Index2、Index3）的5年低通谐波分量随时间的变化。其中，海温场为北太平洋SST EOF前两个模态重建场Fig. 5 Variations of averaged SST anomaly indices (the 5-year low pass harmonic components) in the three largest loading-regions (Index1, Index2, and Index3). North Pacific SST is reconstructed by the first two EOF modes

图6 1950～2013年 Index1、Index2、Index3 时间序列EOF 分析：（a）EOF1；（b）PC1；（c）EOF2；（d）PC2Fig. 6 The EOF analysis of Index1, Index2, and Index3 during 1950-2013 in winter: (a) EOF1; (b) PC1; (c) EOF2; (d) PC2

我们同样以1990年为分界，将1950～2013年分为两个阶段并分别计算了三个关键区海温指数的EOF前两个模态和PC系数（图7），以及两个阶段的PC1和PC2与PDO和NPGO指数之间的相关系数。比较可以看出，1990年之前的EOF前两个模态（图7a和7b）与图6a和6b的EOF模态基本一致，解释方差分别占 67.1%和 28.4%，EOF1和EOF2分别反映的是PDO和NPGO最大荷载区的海温的时间位相关系。其中，PC1和PC2与PDO和NPGO指数之间的相关系数分别为0.81和0.55。但是，1990年之后EOF前两个模态解释方差分别占68.5%和26.8%，对比可以发现，1990年之后的EOF1和EOF2与1990年之前的EOF2和EOF1负位相模态存在明显的相似性，PC1与PDO和NPGO指数之间的相关系数分别为0.57和-0.56，PC2与PDO和NPGO指数相关系数分别为-0.59和-0.51。由于PDO和NPGO指数在1990年之后呈现显著的负相关，因此很容易理解PC指数与PDO和NPGO同时存在显著相关。但是，关键区海温（Index1和Index2）在1990年之后由同步变化转化成了反向变化。

图7 与图6相同，但分别为1950～1990年和1990～2013年的结果Fig.7 Same as Fig.6, but for the time periods of 1950-1990 and 1990-2013, respectively

为进一步验证Index1与Index2之间相关关系的调整对北太平洋海温主模态调整的重要影响，我们对1950～2013年冬季Index1与Index2进行EOF分析（图略），EOF1空间模态表现为Index1与Index2同位相变化，所对应的时间序列PC1与PDO的相关系数高达-0.80，EOF2空间模态表现为 Index1与Index2反位相变化，所对应的时间序列PC2与NPGO的相关系数为-0.59。将PC1和PC2分别对850 hPa风场以及海温场进行回归，分别可以得到 PDO和NPGO风场和海温场的空间分布特征。

关键区海温之间的关系调整有可能与北太平洋SST的主模态调整存在伴随关系，为了进一步确认对冬季北太平洋海温模态调整的影响，我们对本文定义的三个关键区SST指数进行了10年滑动相关分析（图8）。如图所示，Index1和Index2之间的相关系数在 1980年之前一直表现出显著的正相关关系，但是在 1983年左右两者的正相关系数开始减弱，并在 1990年之后转化为显著的负相关。由此可见，Index1和Index2之间的正负关系调整明显偏早，是冬季北太平洋海温模态调整的先兆特征，当上述2个关键区海温变化调整为显著的负相关时，随后冬季北太平洋海温主模态发生了改变。因此，北太平洋关键区海温之间的关系变化可认为是北太平洋海温主模态调整的内部成因。

4 外部因子对冬季北太平洋海温主模态调整的影响

NPO是北太平洋SLP距平场的EOF第二模态，表现为夏威夷和阿拉斯加地区的 SLP异常随时间反位相变化，被证明是 NPGO的重要大气强迫（Furtado et al., 2012）。是否是NPO在1990年之后的增强导致了北太平洋海温NPGO的加强？为此，我们分别对 1990年前后两个阶段五年低通滤波的北太平洋冬季SLP距平场进行了EOF分析，并比较了EOF第一模态之间的差异（图9）。如图所示，在 1990年之前，SLP的最大荷载中心位于日界线以东和 40°N附近，为气压负异常，并且在副热带西太平洋为气压正异常，这种气压异常的分布就导致在整个北太平洋西北部为西北风异常。1990年之后最大中心向西南移动，并在夏威夷群岛附近形成了变化中心，另一个中心位于阿拉斯加群岛以北地区，EOF模态表现为明显的NPO特征。上述SLP异常导致了 45°N附近气压梯度增强，进而加强了45°N纬向风异常幅度。

图8 1950～2013年Index1、Index2、Index3的10年滑动相关系数分布。其中，红色实线表示Index1与Index2之间10年滑动相关系数；蓝色实线表示Index1与Index3之间10年滑动相关系数；黑色实线表示Index2与Index3之间10年滑动相关系数；黑色虚线表示95%信度t检验阈值Fig. 8 The 10-year running correlation coefficients of Index1, Index2, and Index3 during 1950-2013. The red, blue, and black lines indicate the correlation between Index1 and Index2, Index1 and Index3, and Index2 and Index3, respectively. The dashed black line indicates above 95% confidence level according to the t test

通过风生流机制，我们将NPO和NPGO大气和海洋两个模态有机地联系在一起，其中，北太平洋中纬度西风异常是驱动北太平洋西风漂流异常的关键环节（李春，2010）。对中纬度大尺度天气系统，纬向风场u与气压场p满足准地转关系（朱乾根等，2007）：

式中，ug表示地转风，g代表重力加速度，ρ表示大气密度，f表示地转参数。（1）式表明地面西风异常正比于海表气压异常在y方向的经向梯度，所以 NPO不仅反映了海表面气压异常的分布，其经向梯度还反映了地面西风异常。同样对于中纬度海洋大尺度系统，纬向海流uo与压力场po也满足地转关系和静力平衡（冯士筰等，1999）：

式中，oρ代表海水密度，ugo代表海洋中的地转流。考虑海水状态方程（冯士筰等，1999）：

式中，T为海水的温度，S为海水的盐度，其中tρ，Tt，St为海水密度、温度、盐度的典型值，可取为常数，α，γ为温度和盐度的函数与纬度的变化无关；将纬向流uo对垂直方向z求导，将状态方程 （3）带入方程（2）中的静力平衡方程可以得到

（4）式的结果未考虑盐度的影响，这在海温（异常）经向梯度远大于盐度（异常）经向梯度时是合适的。由（4）式可知，海洋纬向流（异常）的垂直梯度正比于海温（异常）的经向梯度。对（4）式在垂直方向取差分近似后则有

其中，uob为表层流，uos为深层流，Δz表示水深，表层流要大于深层流，略去深层流后则有

上式表明海表纬向流（异常）正比于海温（异常）经向梯度。

当 NPO模态处于正位相时，北部海平面气压负异常，南部为气压正异常。海平面气压的梯度大值区位于北太平洋45°N，根据公式（1），此时低层的西风增强，从而导致西风漂流增强，即黑潮延伸流（KEO）和北太平洋流（NPC）增强。由（6）式可知，当西风漂流增强，必然造成SST的经向梯度的增大，这样就会增强SST的北负南正的模态，从而SST场表现出NPGO正位相模态。我们对NPO指数（定义为SLP场EOF第二模态的主分量）进行了10年滑动t检验（图10）。比较发现，NPO在1980年开始出现增强趋势，其调整的时间与北太平洋关键区海温相关关系开始调整的时间吻合，并且在 1990年前期显著增强。因此，NPO的增强早于NPGO，意味着对它对 NPGO的增强具有显著的影响。

图10 1950～2013年冬季NPGO指数与NPO指数10年滑动t检验。红色和蓝色实线分别表示的是NPGO和NPO指数滑动t检验值的t值，黑色虚线表示超过95%信度水平的t检验值Fig. 10 The 10-year moving t test of NPGO Index and NPO Index during 1950-2013 in winter. The red and blue solid lines represent the value of the ttest of NPGO and NPO, respectively. The dashed black line indicates above 95% confidence level according to the t test

Furtado et al.（2012）认为太平洋中部变暖（Central Pacific Warming，CPW）主要影响NPO的南支（夏威夷气压异常），进而影响北太平洋海温异常的空间分布模态，而Yeh et al.（2010）认为，1990年之后 AO的增强对 NPGO具有重要的影响。为此，我们采用Niño4区海温指数表示CPW，并比较了Niño4区海温和AO指数与NPGO之间的关系。图11和 12分别表示的是 1950～1990和1990～2013年两个阶段 AO和 Niño4区海温指数对SST、SLP和850 hPa风场的超前和同期回归分析。如图所示，1990年之前，北部 SLP异常的中心主要位于阿留申群岛以南地区，这样就导致了当Niño4区海温超前一年时，北太平洋西风异常的纬度主要位于 30°N 附近，而同期的北太平洋地区几乎为西北风异常，这样风场异常的分布就导致在北太平洋海温异常为椭圆形一致的 PDO模态；1990年之后北支异常中心主要位于阿拉斯加半岛附近，这样气压异常的分布型就导致在 40°～50°N为显著的西风异常（或东风异常）。受纬向风异常的影响，北太平洋海温北部和北太平洋中部呈反向分布，从而有利于 NPGO型空间分布模态。因此，中部太平洋变暖与 NPGO之间的相关并不稳定。除此之外，我们分析了1990～2013年AO指数回归的SLP场，发现SLP的大值中心位于阿拉斯加半岛附近，这正是影响40°～50°N纬向风异常的北部气压关键区。当AO超前两年时，气压异常位于阿拉斯加半岛附近以及夏威夷半岛，导致中高纬度的纬向风异常。此时北太平洋东北部为海温的负异常，而中部地区为海温的正异常，海温经向梯度最大地区位于北太平洋40°N附近，与NPGO模态高度相似。因此，NPGO在 1990年之后的加强的确与CPW和AO存在一定的关联。但是，相对NPO而言，它们与NPGO之间的物理关系在1990年之前并不显著。

图11 1950～1990年AO和Niño4区海温指数对SSTA（单位：K）、SLPA（单位：hPa）和850 hPa（单位：m s-1）风场异常回归的超前和同期分析。紫色等值线表示的是SLP回归系数（单位：hPa；虚线表示负值，实线表示正值）；彩色阴影表示海温回归系数（单位：K）Fig. 11 The leading and simultaneous regression coefficients of SSTAs (units: K; shaded), SLPAs(units: hPa; purple contours, the dashed lines represent negative regression coefficients and the solid lines are positive regression coefficients) and the wind anomalies at 850 hPa (arrows; units: m s-1) on AO (Artic Oscillation) index and Niño4 SST index during 1950-1990 in winter

图12 同图11，但为1990～2013年的结果Fig. 12 Same as Fig. 11, but for the period of 1990-2013

5 结论与讨论

PDO和NPGO代表的是北太平洋海温年代际尺度振荡的主要模态，本文通过对 1950～2013年冬季海温，以及1990年前后两个阶段海温的EOF前两个模态的差异、关键区海温之间的关系变化对EOF前两个模态影响的研究，揭示了 1950～1990年和1990～2013年两个阶段冬季北太平洋SST场EOF前两个模态的差异，并从关键区海温之间的关系变化、NPO、CPW和AO的影响，讨论了1990年前后PDO和NPGO模态的调整的可能成因。

本文分析发现，1990年前后两个阶段的 SST EOF第一模态存在明显的差异，前期表现为 PDO结构，后期则表现为NPGO模态，表明北太平洋冬季海温主模态在1990年之后发生了调整。PDO模态的SST负值区在1990年后由原来近似于西北—东南向的椭圆结构沿30°N纬向轴逆时针旋转，演变成了东北—西南向椭圆结构，SST的负值最大荷载中心向日界线倾斜，40°N以北的太平洋被SST的正异常控制，表现出与NPGO模态的负位相SST异常场相似的结构特征。1990年前后SST场对应的EOF第二模态由偶极子分布演变成了三极子结构。因此，冬季北太平洋海温模态在 1990年之后的调整不能简单认为是PDO和NPGO模态之间的顺序互换。

通过比较，我们认为北太平洋中部（28°～36°N,152°～178°W）和北太平洋北部（44°～49°N, 151°～177°W）海温之间的正负相关演变是北太平洋海温主模态在1990年前后发生调整的海温场内部原因，而冬季北太平洋涛动（NPO）在 1990年之后的显著增强是导致北太平洋海温主模态调整的重要外部原因。本文发现，NPO振幅在1980开始表现出增强趋势，时间早于 NPGO的变化，NPO通过风生流机制增强北太平洋 40°N附近的气压梯度和西风异常幅度，从而导致了NPGO海温模态的加强。虽然中太平洋增暖（CPW）和北极涛动（AO）对NPO的南支（夏威夷群岛）和北支（阿拉斯加）的海平面气压异常中心加强有贡献，但是上述两个因子与NPGO之间的关系在1990年之前并不明显。因此，CPW和AO与NPGO之间的物理关系并不稳定。

（References）

Ashok K, Behera S K, Rao S A, et al. 2007. El Niño Modoki and its possible teleconnection [J]. J. Geophys. Res., 112 (C11), doi:10.1029/2006JC003798.

Bond N A, Overland J E, Spillane M, et al. 2003. Recent shifts in the state of the North Pacific [J]. Geophys. Res. Lett., 30 (23): 2183, doi:10.1029/2003GL018597.

Chen Yang, Zhai Panmao. 2011. Interannual to decadal variability of the winter Aleutian low intensity during 1900-2004 [J]. Acta Meteorologica Sinica, 25 (6): 710-724.

陈红, 薛峰. 2013. 东亚夏季风和中国东部夏季降水年代际变化的模拟[J]. 大气科学, 37 (5): 1144-1153. Chen Hong, Xue Feng. 2013.Numerical simulation of decadal variations in the East Asian summer monsoon and summer rainfall in eastern China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 37 (5): 1144-1153.

Cummins P F, Freeland H J. 2007. Variability of the North Pacific current and its bifurcation [J]. Progress in Oceanography, 75: 253-265.

Di Lorenzo E, Schneider N, Cobb K M, et al. 2008. North Pacific Gyre Oscillation links ocean climate and ecosystem change [J]. Geophys. Res.Lett., 35 (8): L08607, doi:10.1029/2007GL032838.

Di Lorenzo E, Cohh K M, Eurtado J C, et al. 2010a. Central Pacific El Niño and decadal climate change in the North Pacific Ocean [J]. Nature Geoscieuce, 3 (11): 762-765.

Di Lorenzo E, Shneider N, Cobb K M, et al. 2010b. ENSO and the North Pacific Gyre Oscillation: An integrated view of Pacific decadal dynamics[R]. Atlanta GA: The 90th American Meteorological Society Annual Meeting.

冯士筰, 李凤岐, 李少菁. 1999. 海洋科学导论 [M]. 北京: 高等教育出版社, 154-155. Feng Shizuo, Li Fengqi, Li Shaojing. 1999. An Introduction to Marine Science (in Chinese) [M]. Beijing: Higher Education Press, 154-155.

Furtado J C, Di Lorenzo E, Anderson B T, et al. 2012. Linkages between the North Pacific Oscillation and central tropical Pacific SSTs at low frequencies [J]. Climate Dyn., 39 (12): 2833-2846.

Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al. 1996. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77: 437-472.

Kao H Y, Yu J Y. 2009. Contrasting eastern-Pacific and central-Pacific types of ENSO [J]. J. Climate, 22 (3): 615-632.

李春. 2010. 北太平洋风生环流变异及其对大气环流的反馈 [D]. 中国海洋大学博士论文, 23-28. Li Chun. 2010. Variation of wind-driven oceanic gyre in the North Pacific and its feedback to atmospheric circulation [D]. Ph. D. dissertation (in Chinese), Ocean University of China, 23-28.

李崇银, 王力群, 顾薇. 2011. 冬季蒙古高压与北太平洋海温异常的年际尺度关系 [J]. 大气科学, 35 (2): 193-200. Li Chongyin, Wang Liqun, Gu Wei. 2011. Interannual time-scale relationship between Mongolia high and SST anomaly in the North Pacific in winter [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 35 (2): 193-200.

李宏毅, 林朝晖, 陈红. 2010. 我国华南 3月份降水年代际变化的特征[J]. 气候环境与研究, 15 (3): 311-321. Li Hongyi, Lin Chaohui, Chen Hong. 2010. Interdecadal variability of precipitation in March over South China [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 15 (3):311-321.

吕俊梅, 琚建华, 张庆云, 等. 2005. 太平洋年代际振荡冷、暖背景下ENSO的循环特征 [J]. 气候与环境研究, 10 (2): 238-249. Lü Junmei,Ju Jianhua, Zhang Qingyun, et al. 2005. The characteristics of ENSOcycle in different phases of Pacific decadal oscillation [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 10 (2): 238-249.

马柱国, 邵丽娟. 2006. 中国北方近百年干湿变化与太平洋年代际振荡的关系 [J]. 大气科学, 30 (3): 464-474. Ma Zhuguo, Shao Lijuan.2006. Relationship between dry/wet variation and the Pacific Decade Oscillation (PDO) in northern China during the last 100 years [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 30 (3): 464-474.

Mantua N J, Hare S R, Zhang Y, et al. 1997. A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production [J]. Bull. Amer. Meteor.Soc., 78: 1069-1079.

Park Y H, Yoon J H, Youn Y H, et al. 2012. Recent warming in the western North Pacific in relation to rapid changes in the atmospheric circulation of the Siberian high and Aleutian low systems [J]. J. Climate, 25 (10):3476-3493.

Qian C, Zhou T J. 2014. Multidecadal variability of North China aridity and its relationship to PDO during 1900-2010 [J]. J. Climate, 27 (3): 1210-1222.

Smith T M, Livezey R E, Shen S S. 1998. An improved method for analyzing sparse and irregularly distributed SST data on a regular grid:The tropical Pacific Ocean [J]. J. Climate, 11 (7): 1717-1729.

Smith T M, Reynolds R W, Peterson T C, et al. 2008. Improvements to NOAA’s historical merged land-ocean surface temperature analysis(1880-2006) [J]. J. Climate, 21: 2283-2296.

Walker G T, Bliss E W. 1932. World weather V [J]. Memories of the Royal Meteorological Society, 4 (36): 53-84.

王会军, 范可. 2013. 东亚季风近几十年来的主要变化特征 [J]. 大气科学, 37 (2): 313-318. Wang Huijun, Fan Ke. 2013. Recent changes in the East Asian monsoon [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 37 (2): 313-318.

杨修群, 朱益民, 谢倩, 等. 2004. 太平洋年代际振荡的研究进展 [J].大气科学, 28 (6): 979-992. Yang Xiuqun, Zhu Yimin, Xie Qian. 2004.Advances in studies of pacific decadal oscillation [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 28 (6): 979-992.

Yeh S W, Kang Y J, Noh Y, et al. 2010. The North Pacific climate transitions of the winters of 1976/77 and 1988/89 [J]. J. Climate, 24 (4): 1170-1183.

Zhou W, Li C Y, Wang X. 2007. Possible connection between Pacific Oceanic interdecadal pathway and East Asian winter monsoon [J].Geophys. Res. Lett., 34 (1): L01701, doi:10.1029/2006GL027809.

朱乾根, 林锦瑞, 寿绍文, 等. 2007. 天气学原理与方法 [M]. 北京: 气象出版社, 37-38. Zhu Qiangen, Lin Jinrui, Shou Shaowen, et al. 2007.The Principles and Methods of Synoptic Meteorology (in Chinese) [M].Beijing: China Meteorological Press, 37-38.