太平洋年代际涛动对南海夏季季节内振荡的调制作用

张 戈，龙景超，严 厉，薛宇峰，徐建军，刘春雷，张树钦

（1.广东海洋大学海洋与气象学院//2.广东海洋大学南海海洋气象研究院，广东 湛江 524088；3.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225）

大气季节内振荡（Intraseasonal oscillation,ISO），也称为MJO，是Madden 和Julian 于20 世纪70 年代发现的热带大气中30～ 60 d的低频振荡，是季节尺度上大气变化的强信号，具有很强预报意义[1]。同时，其作为重要的热带大气环流系统之一，对区域天气和气候产生显著影响[2-3]。

对于北半球夏季季节内振荡（Boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO）而言，其活动特征与冬季的ISO 明显不同。冬季热带大气ISO 起源于热带印度洋和西太平洋，以纬向东传为主，而BSISO 活动则更加复杂[4]。BSISO 存在3 种传播形式，第一为向东传播；第二为印度、西北太平洋季风区独立北向传播；第三为赤道外的向西传播[5-7]。Lee 等[8]利用多变量EOF 提取了亚洲夏季风区BSISO 的两个主要活动模态，模态一为较为经典的、可与东传MJO 相联系且呈现北传或东北传的模态，时间尺度为30～ 60 d。另一个模态为准双周的西北传模态。其中，在印度和西太平洋地区BSISO 向北传播的事件中，独立北向传播的事件约占50%，其余的似乎与沿赤道东向传播的对流活动有关[9]。在时间上，BSISO 主要分为两种类型：高频振荡和低频振荡。高频BSISO 通常是从热带西太平洋向西或者向西北传播[10]，其频率也有所不同，可分为10～ 25 d、10～ 20 d、准双周振荡和20～ 40 d[10-13]。低频BSISO 则主要是向北传播，其频率有30～ 50 d、40～ 70 d[12-13]。此类BSISO 与向东传播的MJO 有关[14]。

年际尺度背景环境的变化对BSISO 的活动有很强调制作用。研究表明在年际尺度上，东太平洋出现偏暖的SSTA 异常时，西北太平洋7 至10 月向西和向北传播的BSISO 明显加强[15]。在ENSO 发展及衰减阶段BSISO 的异常变化有不对称性，且二者关系在ENSO 衰减阶段较发展阶段更加显著[16]。Liu 等[13]指出El Nino 背景下BSISO 的对流主体移动速度相比La Nina 背景下的移动得更快，且以西北向为主。除此之外，毗邻的印度洋不同海温模态对BSISO 活动也有重要影响。林爱兰等[17]研究指出印度洋海温年际变化或海温模态的变化可引起大气环流背景场和BSISO 结构的变化，进而调制BSISO 不同传播模态强度的年际变化。如在印度洋正(负)偶极子模态的变化，会导致中东印度洋BSISO 北传减弱(加强)，而正(负)海盆模态出现时印度洋至西太平洋的赤道地区BSISO 的向东传播将得到加强(减弱)。

年代际尺度上，Kajikawa 等[18]指出南海区域ISO 在1979－1993 年间周期为64 d 左右，其传播途径兼具北向和西向特征；而在1994－2007 年间周期变为约42 d，没有了明显传播途径，但展现出显著的从北印度洋向南海的倾斜结构，这可能与东传的MJO 有关。南海区域ISO 的这一年代际变化在南海夏季风年代际尺度的提前爆发有所体现[19]。此外，Yamaura 等[20]认为BSISO 强度存在显著的年代际变化，即1999－2008 年期间BSISO 活动强度强于1984－1998 年，并指出这一年代际变化与热带亚洲季风区海温相联系。由此推知与西太平洋毗邻的北太平洋和印度洋海温的年代际变化也可能对BSISO 活动造成影响，然而其影响是什么，贡献如何还需进一步探究。本研究从北太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）为切入点，剖析PDO 不同位相下其对BSISO 时空特征、强度等产生的影响。通过观测数据分析，探究PDO 冷暖位相下BSISO 的周期性和强度变化及BSISO 传播轨迹特征，揭示PDO 冷暖位相下西太平洋BSISO活动的时空演化特点和强度变化。通过垂直剪切异常、比湿场异常及位势高度场的差异分析PDO 冷暖位相下BSISO 活动特征差异的可能影响机制，为年代际振荡信号对南海夏季季节内振荡的影响提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

本研究采用美国海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA）气候预测中心提供的太平洋年代际振荡指数（PDO）和Nino3.4 指数（https://psl.noaa.gov/data/climate indices/list/），时间范围为1948－2018 年，以及NOAA 提供的大气顶向外长波辐射（Outgoing longwave radiation,OLR）日平均数据，水平分辨率为2.5°×2.5°，数据为1974 年6 月－2019 年12 月。海表温度资料采用NOAA 提供的ERSST_V5 月平均资料，水平分辨率为2° × 2°，时间范围是1854年1 月－2020 年2 月。风场、比湿场和位势高度场采用了NCEP-DOE II 日平均再分析资料，水平分辨率为2.5° × 2.5°，垂直分层17 层（1 000,925,850,700,600,500,400,300,250,200,150,100,70,50,30,20,10 hPa）时间为1979 年1 月－2020 年2 月。为便于资料处理和分析，本研究选取统一的时间范围为1979－2018 年。

1.2 方法

为探究PDO 不同位相下大气和海洋环境对BSISO 的调制作用，本研究选取PDO 冷暖位相的典型年进行合成分析。ENSO 是气候系统中强的年际信号，其对BSISO活动有十分显著的影响[13,15-17]。为消除ENSO 的影响，进一步聚焦PDO 这一海温模态对 BSISO 的调制作用。本研究将标准化Nino3.4 指数中绝对值小于0.5 的年份定义为ENSO事件不显著的年份[16]。同时，定义标准化年平均PDO 指数大于0.5 的年份为PDO 典型暖位相念，小于0.5 为PDO 典型冷位相念。如图1 所示，剔除ENSO 事件后，选取暖位相典型年为1981、1983、1986、1992、1995、2014、2016 年，冷位相典型年为2000、2001、2008、2011、2012、2013 年。

图1 1950－2018 年PDO 指数和Nino3.4 指数Fig.1 Nino3.4 index and PDO index in 1950－2018

冷暖典型年合成结果表明，太平洋海温结构为典型PDO 正负位相下的空间分布，且赤道中东太平洋ENSO 信号不甚明显（图2）。暖位相典型年，北太平洋中部呈现纬向带状的海温负异常，在北太平洋北部和东部的北美沿岸海温为暖异常。相应地，赤道西太平洋海温异常梯度区低层（850 hPa）大气异常东风，体现了热带地区海洋强迫大气；而在北太平洋气旋式异常环流加强阿留申低压，从而使黑潮延伸体区海温异常偏低，体现中纬度地区大气强迫海洋（图2_a）[21]。反之，在PDO 负位相下，北太平洋东部呈现马蹄形的冷异常围绕着黑潮延伸体及其以东海域的暖异常。同理，海气相互作用在热带和热带外区域不同，在赤道西太平洋从异常冷海温到异常暖海温呈现低层异常东风；北太平洋异常反气旋环流减弱阿留申低压，使黑潮延伸体区海温异常升高，而北美沿岸海域由异常反气旋加强了偏北风，海温呈现冷异常（图2_b）。通过剔除强ENSO 年份使结果尽可能降低ENSO 信号对本研究分析影响[17]。

图2 PDO 冷暖位相典型年海表面温度距平合成图及对应850 hPa 风场Fig.2 Composite sea surface temperature anomaly of typical years in PDO warm and cold phase,and corresponding 850 hPa wind fields anomaly

此外，本研究对1979 年－2018 年5－10 月日平均OLR 资料在南海及菲律宾以东海域（15°N－25°N，110°E－140°E，如图4a 黑框所示）做区域平均，并进行10～ 90 d 带通滤波获得季节内信号，定义为BSISO 指数。超前滞后的一元线性回归分析方法也在对BSISO 对流活动和环流场演变过程的分析中用到。

2 PDO 冷暖典型年BSISO 活动强度和周期特点

大气顶向外长波辐射（OLR）的大小表征大气对流活动的深度和强度。如图3 所示的OLR 夏季气候态分布来看，OLR 的小值区为对流旺盛的暖池区和赤道辐合带（ITCZ）。对夏季（5－10 月）日平均全球OLR 进行10～ 90 d 带通滤波计算其标准差可评估季节内尺度的对流活动强度，即BSISO 强度。由如图3 填色区域分布可知，全球BSISO 最活跃的区域为北印度洋、南海及其以东海域。

图3 夏季OLR 气候态空间分布和ISO 强度分布Fig.3 Climatological-mean OLR and ISO intensity in boreal summer

图4_a、4_b 所示，PDO 冷暖位相下BSISO 的活动基本集中在南海和菲律宾以东洋面。但相对于冷位相而言（4_c），PDO 暖位相下在南海和菲律宾以东洋面BSISO 活动强度相对更弱，对流活动范围更集中。基于此特征，本研究定义南海及其菲律宾以东海域（15°N－25°N，110°E－140°E）区域平均带通滤波OLR 序列为BSISO 指数，进行其空间演变的分析[13]。

图4 PDO 冷暖位相典型年BSISO 的强度分布Fig.4 The BSISO intensity in typical years of PDO cold and warm phases

为探究PDO 冷暖位相下BSISO 活动的周期特征，本研究分别对PDO 冷暖位相下BSISO 指数进行功率谱分析。结果显示，暖位相典型年主要周期为10～ 50 d，冷位相典型年主要周期为10～ 40 d和60～ 70 d。为探究PDO 不同位相对BSISO 影响，选取冷暖位相差异较大周期。本研究主要讨论PDO暖位相典型年周期为40～ 50 d 的振荡，PDO 冷位相典型年周期为60～ 70 d 的振荡（图5）。

图5 PDO 冷暖位相典型年BSISO 指数功率谱Fig.5 BSISO index power spectrum of PDO in typical years

3 冷暖位相下典型年BSISO 的时空演变特征

PDO 作为年代际尺度有全球影响的海温模态，其不同位相下BSISO 强度和周期确实存在明显差异。另一方面，其空间传播轨迹意味着其信号的可预测性和影响区域，因而成为关注焦点。为清晰展示PDO冷暖位相下对流传播的特征以及与BSISO相关的环流演变特征，本研究通过超前的标准化OLR场（位势高度场、风场）回归到BSISO 指数，获得不同位相下BSISO 空间演化特征。图6（a-d）所示，在PDO暖位相下，BSISO对流信号起源于西太平洋，呈东南-西北向传播特征，周期大约为42 d。当标准化OLR 场超前21 d 时，较弱的对流异常出现西太平洋（180°E，0°N）附近；超前14 d 时，对流有所加强并西移至（160°E，5°N）附近；超前7 d 时，对流持续增强，移动到150°E 附近；同期回归显示对流信号进一步加强西移至南海和菲律宾海以东。

PDO 冷位相下 [图6（e-h）]，BSISO 对流信号起始于北印度洋，呈向东南-向西北传播特征，其周期约为66 d。标准化OLR 场超前33 d 回归到标准化BSISO 指数时，对流异常出现在孟加拉湾以南；随着时间推进，在超前22 d 时，对流异常信号增强（图6_f 红色虚线所示）；超前11 d 时，对流活动迅速聚集、增强，并移至孟加拉湾、南海和菲律宾海以东海域；超前0 d 时，对流信号传播似乎减缓，但仍持续加强并向西北移至南海以及菲律宾以东海域。

图6 PDO 暖冷位相下BSISO 信号时空演变Fig.6 Evolution patterns of BSISO in PDO warm and cold phase

3.1 对流活动纬向演变特征

为更清晰地展现BSISO 对流信号纬向传播特征，同时对比季节内其它周期信号的强弱，图7展示了PDO 冷暖位相下10～ 90 d、40～ 50 d 和60～ 70 d 周期对流活动经向平均的时间-经度分布图。由图7（a、c、e）可见，PDO 暖位相下不同周期的对流活动总体呈东南-西北向传播路径，而图7（b、d、f），PDO 冷位相下，对流开始在90°E 的印度洋海域并向东传播，并且此时西太平洋对流信号向西的传播，这与图6（f-h）一致。相比之下40～ 50 d 周期的BSISO 活动，暖位相信号更强，而在60～ 70 d 的周期中，冷位相的对流信号更强。

图7 BSISO 经向平均的演变模式Fig.7 Evolution patterns of BSISO meridional average

3.2 位势和风场演变特征

图8 展示的位势高度场和风场异常对BSISO 指数的超前回归结果。由此，可以进一步明确BSISO活动对大气环流的影响。图8（a-d）是PDO 暖位相下850 hPa 位势高度场和风场的时空演变图，时间选取与图6 中OLR 所示的对流异常相对应。从图8_a 可见，西太平洋（约170°E，0°N）附近为位势高度负异常和风场的气旋式环流异常。图8（a-d）的时空演变体现了环流异常场的移动轨迹呈东南-西北向，逐步加强，这与对流发展和移动向匹配。PDO 冷位相下，超前33 d 时，位势高度负异常信号率先出现于中西印度洋，此时南海和华南地区受反气旋环流异常影响（图8_e）；超前11 d 时，位势高度负异常信号东传至赤道西太平洋。随着时间的推进，位势高度负异常和气旋式环流异常的信号向西北方向移动直至南海及周边区域 [图8（g-h）]。

由此可见，在不同PDO 位相之下BSISO 活动的周期和传播途径差异较为明显。由空间演变的分析发现，该位相下对流活动为西北向传播 [图6（a-d）和图8（a-d）]与Lee 等[8]用多变量EOF 提取的亚洲夏季风区BSISO 准双周西北传模态相似。而冷位相下对流信号具有东传特性，则体现为Lee等[8]提及的另一模态。因此，亚洲夏季风区BSISO的主要模态可能与PDO 不同位相下海温分布有关。

图8 PDO 暖冷位相下与BSISO 信号相关的850 hPa 位势高度场和风场时空演变Fig.8 Evolution patterns of 850 hPa geopotential heightand wind related to BSISO during PDO warm phase and PDO cold phase

4 原因分析

PDO 不同位相下BSISO 时空演变、强度等的差异性可由环境要素差异来理解。对流运动作为BSISO 的主要表现形式，其活动受到背景风垂直切变、低层湿度和位势高度异常等环境因素的调控[22-23]。因此，剖析PDO 冷暖位相对BSISO 活动特性的影响，本研究从上述三个方面展开讨论。

4.1 垂直风切变异常特征

夏季，南亚和东亚季风区的对流层高层受强大的南亚高压控制，亚洲大陆上空为一巨大的反气旋式环流，其南侧盛行东风，而对流层低层为夏季风环流，盛行偏西风。因此，亚洲季风区的垂直切变具有明显的东风切变特征[23]。前人研究表明，大气环流的垂直东风切变与BSISO 对流活动的相互作用有利于在对流中心北侧激发相对涡度的正压响应，进而增加正涡度的异常，从而促使对流活动向北移动[22-23]。另外，Wang 等[24]指出背景垂直东风切变有助于加强热带大气低层的罗斯贝波响应，北半球其西北向传播的气旋式环流异常为BSISO 对流发生发展和西北向移动提供了有利的环境扰动。

从PDO 暖位相和冷位相典型年对流层高低层纬向风垂直切变的合成场（图9_a 和9_b）来看，北印度洋、南亚大陆和热带西太平洋区域为垂直东风切变，因此，该区域成为大气季节内振荡和BSISO 发生和传播的主要区域。图9_c 其差值场表明，PDO 暖位相下赤道西太平洋（140°E 以东）区域具有更强的垂直东风切变，显然这一区域更有利于热带大气低层的罗斯贝波响应，为BSISO 对流发生发展和西北向传播提供条件[23]，解释了PDO 暖位相下BSISO 信号起源于热带西太平洋（160°E，0°N）附近。这可能与PDO 冷位相下热带-副热带西太平洋（120°E－180°E，0－10°N）海温纬向梯度增加有关（图2_b）。海温纬向梯度增加有利于对流层低层东风异常加强，削弱低层西风，进而造成暖位相垂直东风切变强于冷位相。孟加拉湾和南海在PDO 冷位相时则存在更强的垂直东风切变，更有利于ISO 向北移动，这与冷位相下BSISO 东向-西北向传播相匹配（图6（e-h））。该数据分析结果与Liu 等[13]数值试验研究ENSO 暖冷位相下垂直东风切变对BSISO 传播路径的调制作用相似。

图9 PDO 暖位相和冷位相典型年对流层高低层纬向风垂直切变合成场Fig.9 Difference of vertical wind shear during typical PDO warm and cold phase

4.2 低层比湿场异常特征

水汽凝结产生的潜热是对流发展和影响大气环流变化的重要热力因子，例如有水汽参与的“对流-环流-水汽”反馈机制对BSISO 对流发展和传播产生深刻的影响[25-26]。因此，在PDO 的年代际背景之下水汽分布如何，及其对BSISO 基本活动特征的影响成为本节讨论重点。

图10（a-b）分别为PDO 暖冷位相下典型年比湿的距平合成场。图10_a 表明，PDO 暖位相下，在热带西太平洋区域比湿距平分布总体呈现纬向差异且呈东南-西北向倾斜的特征，即南海及其周边和热带海洋性大陆东部比湿偏多，而其东侧海域比湿偏少。湿度“西部大、东部小”的分布有利于对流向西发展，而其东南-西北向分布为对流向西北方向移动提供了条件。在PDO 冷位相下（图10_b），水汽的异常在印度洋至热带西太平洋都呈正距平，但南海和菲律宾海以东的西太平洋海区水汽增加幅度显著大于北印度洋，这为PDO 冷位相下BSISO 对流信号从北印度洋向东传至西太平洋提供背景的水汽条件。同时，热带西太平洋比湿距平“西部大、东部小”的分布也有利于对流向西或西北传播。对比暖冷位相下水汽条件（图10_c），在南海及其以东的热带西太平洋海域PDO 暖位相下水汽含量小于冷位相的水汽含量，这对PDO 暖位相BSISO 强度的发展较为不利，这可能是PDO暖位相下BSISO 强度弱于冷位相下强度的原因之一（图4）。

图10 对流层低层比湿距平合成场Fig.10 The low level specific humidity anomalies against climatological mean

另一方面，本研究对比PDO 暖冷位相下典型年200 hPa 位势高度场（图11）。位势高度的差值场表明，在热带印度洋和西太平洋，尤其是南海及其以东的热带西太平洋海域，暖位相下位势高度较冷位相下偏高，这将不利于该区域对流扰动的发生和发展，因而减弱了暖位相下BSISO 的强度（图4）。

另一方面，本研究对比PDO 暖冷位相下典型年200 hPa 位势高度场（图11）。位势高度的差值场表明，在热带印度洋和西太平洋，尤其是南海及其以东的热带西太平洋海域，暖位相下位势高度较冷位相下偏高，这将不利于该区域对流扰动的发生和发展，因而减弱了暖位相下BSISO 的强度（图4）。

图11 PDO 暖位相和冷位相典型年200 hPa 位势高度差值场Fig.11 Difference of 200hPa geopotential height between PDO warm and cold phase

5 讨论与结论

BSISO 热带西太平洋主要的季节内信号，对区域天气和气候预报预测具有重要的意义。那么，PDO 作为具有海盆尺度甚至全球影响的年代际海温模态对西太平洋夏季（5－10 月）BSISO 强度、活动周期和传播轨迹的影响是不可忽视的。本研究运用合成和回归的方法对PDO 冷暖位相BSISO 的活动特征和差异进行分析，并探究了可能的影响因素，得到如下结论：

1）对PDO 冷暖位相下BSISO 指数的功率谱分析表明，PDO 暖位相时BSISO 指数以10～ 50 d 周期的振荡为主；PDO 冷位相下BSISO 活动周期更长，为10～ 40 d 和60～ 70 d 的振荡。周期在40～ 50 d 的振荡在PDO 暖位相时更加显著，而周期在60～70 d 的振荡在冷位相更加显著。

2）PDO 冷位相和暖位相下BSISO 的空间演变特征显著不同，表现为Lee 等[6]提出的两个基本模态。即PDO 暖位相下，BSISO 对流信号起源于热带西太平洋（160°E，10°N）附近，传播轨迹呈东南-西北向；而PDO 冷位相下，BSISO 对流始于印度洋，向东移动至赤道西太平洋处后转而向西北方向移动，成熟于南海及菲律宾海以东海域。与BSISO 对流活动相对应的位势高度场和风场的异常也呈相似的活动路径，充分展现了BSISO 对区域大气环流的影响。

3）BSISO 的传播路径主要受季风区垂直东风切变和水汽条件影响。PDO 暖位相下热带西太平洋海域垂直东风切变更强，且南海和海洋性大陆东部水汽含量大于其东部，因此从动力条件和水汽条件而言，都有利于BSISO 对流活动发生和西北向传播。PDO 冷位相下，孟加拉湾、南海及其南侧海洋性大陆更强的垂直东风切变，以及南海和菲律宾海以东海域更大的比湿距平则为BSISO 对流活动的向东-向西北传播创造了条件。该结果与Liu 等[13]利用数值试验研究ENSO 暖冷位相下垂直东风切变和水汽条件对BSISO 传播路径的影响相似，佐证了海洋模态的变化通过影响大气环境进而调制BSISO 活动特征的物理联系。

4）PDO 暖位相下BSISO 强度较冷位相下更弱，这可能与PDO 暖位相位势高度偏高，低层大气水汽含量偏低有关。

通过提取PDO 信号，探究PDO 海温模态不同位相下大气和海洋环境对BSISO 强度、活动周期和传播轨迹的可能影响，有利于加深对BSISO 年代际变化特征和驱动因子的理解，同时也为气候模式对BSISO 的模拟提供参考。本研究仅探讨了PDO 对BSISO 活动特性可能的调制作用，具体物理过程分析将在后面的工作中利用数值试验进一步探究。