冬季北太平洋海溫主模態(tài)在1990年前后調(diào)整及其成因初探

劉凱 祝從文

中國氣象科學(xué)研究院，北京100081

1 引言

太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）和北太平洋渦旋振蕩（North Pacific Gyre Oscillation，NPGO）分別表示的是北太平洋海溫（SST）和海表高度（SSH）異常的年代際振蕩現(xiàn)象（Mantua et al., 1997; Di Lorenzo et al., 2008）。其中，PDO指的是20°N以北的西太平洋與赤道東太平洋 SST在年代際時間尺度上的蹺蹺板變化，當(dāng)PDO處于正位相時，20°N以北的西太平洋海溫變冷，而赤道東太平洋的SST變暖。Di Lorenzo et al.（2008）對SSH資料進行EOF分析發(fā)現(xiàn)，東北太平洋區(qū)域（25°～62°N, 180°～110°W）SSH 場的 EOF第二模態(tài)表現(xiàn)出南北相反的變化特征，并將該模態(tài)定義為北太平洋渦旋振蕩（NPGO），其對應(yīng)的時間序列稱為NPGO指數(shù)。當(dāng)NPGO指數(shù)為正值時，南部SSH為正異常中心，對應(yīng)渦旋呈順時針環(huán)流；北部 SSH為負異常中心，對應(yīng)的渦旋呈逆時針環(huán)流，此時為 NPGO的正位相，反之則稱為 NPGO的負位相。雖然PDO和NPGO的定義分別源自北太平洋SST和SSH距平場的EOF分析，但是Di Lorenzo et al.（2008）發(fā)現(xiàn)北太平洋SST的EOF第二模態(tài)（“維多利亞”模態(tài)；Bond et al., 2003）與SSH場的EOF第二模態(tài)（NPGO）在空間分布上存在高度的相似，時間系數(shù)顯著相關(guān)。因此，PDO和NPGO可以理解為北太平洋SST或SSH場的EOF前兩個模態(tài)，它們反映的是北太平洋海溫年代際尺度主要變化特征。

研究發(fā)現(xiàn)，PDO通過影響ENSO發(fā)生的頻率和強度，進而導(dǎo)致ENSO與東亞季風(fēng)之間的關(guān)系發(fā)生變化（楊修群等，2004；呂俊梅等，2005；王會軍和范可，2013），冬季的PDO與同期的阿留申低壓和蒙古高壓存在同步的蹺蹺板變化，PDO可以通過改變中高緯度緯向?！懼g的氣壓差對東亞冬季風(fēng)的強度產(chǎn)生直接影響（Zhou et al., 2007；李崇銀等，2011；Chen and Zhai, 2011）。研究還發(fā)現(xiàn)，華南春季降水以及我國夏季降水的年代際尺度變化與PDO的位相變化存在密切聯(lián)系（李宏毅等，2010；Qian and Zhou, 2013；陳紅和薛峰，2013）以及華北和西北東部的年干濕變化與同期 PDO指數(shù)有密切的關(guān)系（馬柱國和邵麗娟，2006）。因此，一直以來 PDO被認為是影響北半球和東亞季風(fēng)年代際變化的最重要海洋因子之一。然而，Bond et al.（2003）發(fā)現(xiàn)，20世紀90年代后期，北太平洋SST的EOF第一模態(tài)與傳統(tǒng)的PDO存在顯著差異，并且Park et al. (2012) 指出1990～2005年期間東亞季風(fēng)與海洋相互作用的機制較 1990年之前存在顯著的差異。最近，Yeh et al. (2010) 對1956～2009年北太平洋冬季SST距平分階段進行EOF分析發(fā)現(xiàn)，SST的EOF第一模態(tài)在1956～1988年為PDO型，而在1977～2009年則表現(xiàn)為NPGO型，SST的EOF前兩個模態(tài)發(fā)生調(diào)整的時間大概在 1990年前后。觀測分析表明，1990年之后 NPGO的振幅明顯增加 (Bond et al., 2003)，而氣候模擬的結(jié)果顯示，未來 100年（2000～2100年）NPGO的振幅將增加38%，而 PDO的振幅將減少 58%（Cummins and Freeland, 2007）。上述結(jié)果預(yù)示未來NPGO將很有可能成為北太平洋的主導(dǎo)模態(tài)。

Di Lorenzo et al.（2010a，2010b）認為北太平洋這種海溫模態(tài)的改變與赤道太平洋中部型ENSO事件頻率的增加有密切的關(guān)系。由于傳統(tǒng)的東部型ENSO和中部型ENSO分別體現(xiàn)在熱帶SST EOF前兩個模態(tài)中（Ashok et al., 2007; Kao and Yu, 2009;Furtado et al., 2012），因此，很容易理解 PDO和NPGO與東部型和中部型ENSO之間的同步變化關(guān)系。而Yeh et al. (2010) 認為北極濤動（AO）的變化可能是導(dǎo)致NPGO在1990年之后發(fā)生改變的重要原因。我們注意到，PDO模態(tài)的 SST最大變化中心位于中東太平洋30°～40°N之間，而NPGO模態(tài)則表現(xiàn)為副熱帶西太平洋（20°～30°N）和40°～50°N東北太平洋地區(qū)的SST之間的偶極子變化，因此熱帶海溫的變化無法直接解釋PDO和NPGO模態(tài)的調(diào)整。為此，本文試圖在以往研究的基礎(chǔ)上，從影響PDO和NPGO的關(guān)鍵區(qū)海溫，以及它們之間的變化關(guān)系角度揭示PDO和NPGO在1990年前后發(fā)生轉(zhuǎn)換的海溫場內(nèi)部變化原因。在此基礎(chǔ)上，通過對北太平洋濤動（NPO），赤道太平洋中部變暖（CPW）和北極濤動AO的影響分析，揭示北太平洋海溫主模態(tài)在1990年之后調(diào)整的可能外部成因。

2 資料與方法

本文分析所用的資料：1950～2014年期間的美國 NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的月平均海溫資料（ERSST.V3b），水平分辨率為 2°×2°（Smith et al., 2008）；1950～2013年期間的英國Hadley環(huán)流中心的月平均海溫資料（HadISST1），水平分辨率為 1°×1°（Smith et al., 1998）；月平均海平面氣壓（SLP）和風(fēng)場資料均取自美國的 NECP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°（Kalnay et al., 1996）。本文采用的 NPO指數(shù)為北太平洋冬季海表面氣壓異常5年低通濾波EOF分析第二模態(tài)對應(yīng)的時間序列。PDO指數(shù)定義為20°N以北太平洋海溫異常（SSTA）EOF第一模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)（Mantua et al., 1997），NPGO指數(shù)為東北太平洋區(qū)域（25°～62°N，180°～110°W）海表高度異常（SSHA）的EOF第二模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)（Di Lorenzo et al., 2008）。PDO和NPGO指數(shù)的資料分別取自 http://jisao.washington.edu/pdo/PDO. latest [2014-04-01]和http://www.ocean3d.org/npgo [2014-04-01]。AO指數(shù)為北半球1000 hPa位勢高度異常EOF分析第一模態(tài)的時間序列，資料取自 http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list [2014-10-01]。

在對關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)之間的變化關(guān)系分析中，我們采用了時間序列EOF（T-EOF）方法，該方法類似于主成分分析（PCA），但EOF模態(tài)表示的是各關(guān)鍵區(qū)SST異常之間的時間位相關(guān)系，而對應(yīng)的PC表示的是時間位相關(guān)系隨時間變化。本文中所采用的統(tǒng)計信度的檢驗方法為t檢驗。

3 冬季北太平洋海溫主模態(tài)變化及其內(nèi)部成因

圖1表示的是1950年1月到2014年2月PDO和NPGO指數(shù)時間序列及其10年滑動相關(guān)系數(shù)的變化（計算 1950～1959期間的相關(guān)系數(shù)，我們將相關(guān)系數(shù)記在中間點1955年，當(dāng)計算1951～1960期間的相關(guān)系數(shù)時，我們將相關(guān)系數(shù)記在1956年以此類推）。如圖所示，PDO與NPGO指數(shù)表現(xiàn)出明顯的年代際變化，且兩者的周期基本一致。NPGO振幅自上世紀90年代表現(xiàn)出顯著的增強趨勢，這與Bond et al.（2003）的研究結(jié)果一致。分析兩指數(shù)之間 10年滑動相關(guān)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，PDO和NPGO指數(shù)自上世紀 90年代后由正相關(guān)轉(zhuǎn)化成負相關(guān)，并且伴隨NPGO指數(shù)振幅增強，兩者之間的負相關(guān)系數(shù)明顯增強，在1990年之后兩者呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，最大相關(guān)系數(shù)的絕對值超過了0.50，通過了95%的信度檢驗。

Di Lorenzo et al. (2008) 發(fā)現(xiàn)，冬季SST的EOF第二模態(tài)與NPGO的空間結(jié)構(gòu)基本一致，并且PDO和NPGO的振幅在冬季達到最大。為此，本文選取冬季（December, January, and February; DJF）的 PDO與NPGO指數(shù)超過（低于）一個標(biāo)準差的年份定義為PDO和NPGO的強正（負）位相年。選取的PDO正位相年份為1983、1984、1985、1986、1987年，負位相年份為1955、1956、1962、1971、1975年。NPGO的正位相年份為1999、2000、2001、2002、2009年，負位相的年份則選為1992、1993、1994、1995、1996年。由于NPGO在1990年之后的振幅變強，按照上述標(biāo)準所選取的NPGO的極端正負位相年份均發(fā)生在1990年之后。

圖2表示的是 1950～2013年冬季 PDO和NPGO強正負位相年份分別對應(yīng)的海溫，氣壓和850 hPa風(fēng)場異常合成圖。在PDO正位相年份（圖2a），SST異常分布表現(xiàn)為北太平洋副熱帶SST負異常與赤道中東太平洋 SST正異常之間的蹺蹺板變化，并且伴隨阿留申低壓的加強，以及 850 hPa風(fēng)場氣旋性環(huán)流異常和北太平洋 30°N附近的顯著西風(fēng)異常。PDO負位相時的分布特征與之相反（圖2b）。當(dāng)NPGO處于正位相時（圖2c），東北太平洋

為負的 SST異常，副熱帶西北太平洋表現(xiàn)為正的SST異常，并且一直延伸到西太平洋副熱帶地區(qū)，此時赤道中東太平洋SST表現(xiàn)為負距平，海溫最大經(jīng)向梯度位于北太平洋40°N附近。與PDO模態(tài)存在顯著的差異，NPGO模態(tài)的SLP的正負異常中心分別位于夏威夷以北和阿拉斯加地區(qū)，對應(yīng)冬季的北太平洋濤動NPO的正位相（Walker and Bliss，1932）。其中，850 hPa風(fēng)場在阿拉斯加上空表現(xiàn)為氣旋性環(huán)流異常，而夏威夷地區(qū)為反氣旋性的環(huán)流異常，風(fēng)場最顯著的特征是北太平洋 40°N表現(xiàn)為顯著的西風(fēng)異常，對比 PDO模態(tài)，西風(fēng)異常的位置向北移動了近 10個緯度。NPGO負位相時的分布特征與之相反，但是海溫的變化幅度明顯減弱（圖2d）。

圖1 1950～2014年P(guān)DO與NPGO指數(shù)及其10年滑動相關(guān)系數(shù)變化。其中，黑色和紅色實線分別表示的是PDO和NPGO指數(shù)，藍色虛線表示PDO與NPGO指數(shù)之間的十年滑動相關(guān)系數(shù)變化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

圖2 PDO和NPGO極端正、負位相年份對應(yīng)的冬季（DJF）海溫異常（單位：K）、氣壓異常（SLPA）（單位：hPa）、850 hPa風(fēng)場異常（單位：m s-1）合成圖：（a）PDO正位相年份；（b）PDO的負位相年份；（c）NPGO的正位相年份；（d）NPGO的負位相年份。其中，填色圖表示的是海溫異常；紫色等值實（虛）線為海平面氣壓正（負）異常；箭頭表示850 hPa風(fēng)場異常；字母A和C分別表示反氣旋和氣旋中心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

比較可以發(fā)現(xiàn)，PDO正負位相所對應(yīng)的是赤道東太平洋海溫異常，而NPGO正負位相對應(yīng)的赤道中東太平洋的海溫異常，相比PDO而言NPGO對應(yīng)的赤道太平洋海溫異常的大值中心偏西，兩者分別對應(yīng)赤道東部型和中部型海溫變暖。在北太平洋地區(qū)兩者在SST場和環(huán)流異常場存在較大的差異。由于PDO和NPGO對應(yīng)的SST和環(huán)流異常明顯不同，意味著它們對北半球大氣環(huán)流的影響存在差異。

圖3表示的是1950～2013年冬季北太平洋SST異常場EOF前兩個模態(tài)（EOF1和EOF2）及其對應(yīng)的主分量（PC1和PC2）。如圖所示，SST的EOF1模態(tài)在北太平洋表現(xiàn)為橢圓形分布的 SST負異常，北界位于50°N附近，其中SST的負值范圍幾乎控制了北太平洋 50°N以南的大部分地區(qū)，最大荷載位于東北太平洋副熱帶地區(qū)（28°～36°N,178°～152°W），在EOF2模態(tài)中SST異常則表現(xiàn)為沿東北西南走向的負、正偶極子異常分布，其中海溫最大的負（正）荷載中心分別位于東北太平洋（44°～49°N, 151°～177°W）和副熱帶西北太平洋（22°～28°N, 145°～170°E），并且在 40°N 附近存在一個很強的 SST經(jīng)向梯度。計算表明，PC1和PC2與 PDO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為 0.83和-0.40，而它們與 NPGO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.17和0.59，因此，SST的EOF前兩個模態(tài)和時間系數(shù)分別反映的是PDO和NPGO的時空演變特征。

為了揭示PDO和NPGO在1990年前后的變化及其差異，我們分別對 1990年前后兩個階段的冬季SST場進行了EOF分析（圖4）。1950～1990年間，冬季北太平洋SST的EOF1模態(tài)表現(xiàn)出明顯的PDO結(jié)構(gòu)，最大荷載位于北太平洋中部，這期間的PC1與PDO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)0.91（PC2與PDO的相關(guān)系數(shù)僅為0.10），而SST的EOF2模態(tài)則表現(xiàn)出NPGO模態(tài)，PC2與NPGO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.46（PC1與NPGO的相關(guān)系數(shù)僅為0.17）。比較可以發(fā)現(xiàn)，SST的EOF前兩個模態(tài)與圖3的結(jié)果非常相似，并且前兩個模態(tài)的時間系數(shù)與 PDO和NPGO指數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)。但是，我們注意到在1990～2013年，冬季北太平洋SST的EOF前兩個模態(tài)與之前的模態(tài)存在明顯的差異，第一模態(tài)的負值海溫分布由原來的近似西北—東南向的橢圓結(jié)構(gòu)沿 30°N緯向軸逆時針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成東北—西南向橢圓結(jié)構(gòu)，負值最大荷載中心向日界線傾斜，40°N以北地區(qū)被正的SST異?？刂?，這期間的EOF1與1990年之前的EOF2模態(tài)的負位相存在明顯的相似性。正因為上述變化，Yeh et al. (2010)認為1990年之后北太平洋PDO和NPGO模態(tài)發(fā)生了反轉(zhuǎn)。

圖3 1950～2013年冬季北太平洋（20°～60°N, 120°E～120°W）海表溫度EOF前兩個模態(tài)（EOF1和EOF2）及其對應(yīng)的主分量（PC1和PC2）時間變化：（a）EOF1；（b）PC1；（c）EOF2；（d）PC2。其中，黑色方框分別表示的是EOF1和EOF2的海溫場最大荷載范圍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

計算表明，1990年之后PC1與PDO指數(shù)相關(guān)系數(shù)為 0.55，與 NPGO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為-0.61。雖然1990年之后的PC1與PDO指數(shù)依然相關(guān)，但是EOF1更接近于NPGO的負位相模態(tài)。同樣，EOF2在1990年之后也發(fā)生了顯著變化，SST異常的最大荷載中心向西南方向移動，EOF2由偶極子結(jié)構(gòu)演變成了東北—西南向的三極子結(jié)構(gòu)。計算表明，PC2與PDO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.71，而與NPGO之間的相關(guān)系數(shù)僅為0.36。由此可見，1990年之后冬季北太平洋海溫的EOF前兩個模態(tài)的確發(fā)生了調(diào)整，EOF1更接近于 1990年之前的NPGO負位相模態(tài)，而EOF2則由原來的偶極子演變成了三極子結(jié)構(gòu)。上述海溫EOF前兩個模態(tài)的調(diào)整不能簡單地認為是PDO和NPGO模態(tài)的互換，雖然前兩個PC系數(shù)依然與PDO和NPGO指數(shù)之間存在顯著地相關(guān)，但是海溫EOF前兩個模態(tài)與傳統(tǒng)的PDO和NPGO模態(tài)表現(xiàn)出明顯的變異。

圖4 同圖3，但表示的是1950～1990年和1990～2013年的結(jié)果Fig. 4 Same as Fig. 3, but for the time periods of 1950-1990 and 1990-2013, respectively

根據(jù)1950～2013年冬季海溫EOF前兩個模態(tài)的空間荷載最大中心（圖3）我們定義了3個海溫關(guān)鍵區(qū)（圖中黑色方框區(qū)域），分別是北太平洋中部（28°～36°N, 152°～178°W），北太平洋北部（44°～49°N, 151°～177°W）和西北太平洋副熱帶地區(qū)（22°～28°N, 145°～170°E），將上述 3 個區(qū)域平均的冬季海溫距平分別定義為Index1、Index2、Index3，之后將上述三個海溫指數(shù)分別對同期的北太平洋的海溫進行回歸分析（圖略）。結(jié)果表明，SST對Index1的回歸系數(shù)場主要表現(xiàn)為PDO海溫模態(tài)特征，而SST場對Index2和Index3的回歸系數(shù)場則對應(yīng)NPGO的空間模態(tài)特征，表明上述三個關(guān)鍵區(qū)的海溫變化與PDO和NPGO的空間模態(tài)的演變可能存在密切聯(lián)系。此外，三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)與PDO和NPGO的相關(guān)系數(shù)顯示，Index1與PDO為顯著的負相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)高達-0.74），Index2與PDO和NPGO為顯著的負相關(guān)的關(guān)系（相關(guān)系數(shù)分別為-0.53和-0.63），而Index3與NPGO有顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.55）。

北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫的時間變化反映了 PDO和NPGO的時間演變特征。利用傅里葉諧波分析，我們獲得了三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)5年低通濾波之后的時間序列（圖5），并且分別計算了 1950～1990和 1990～2013年兩個階段濾波前后三個指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)（表1）。分析發(fā)現(xiàn)，在1950～2013年期間，Index1與Index2之間顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.28），1990年之前正相關(guān)關(guān)系比較明顯（相關(guān)系數(shù)為0.55），但是在1990年之后Index1和Index2之間則表現(xiàn)為顯著的負相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為-0.24）。Index1與Index3之間在整個階段幾乎不存在相關(guān)，但是1990年之后兩者之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.50）。相對而言，Index2和Index3之間的負相關(guān)關(guān)系比較穩(wěn)定。上述三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)之間的變化關(guān)系在5年低通濾波的中的表現(xiàn)更為明顯，而 1990年之后上述三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)的變化可能與北太平洋冬季海溫模態(tài)的調(diào)整存在密切的關(guān)系。

表1 Index1、Index2、Index3之間的相關(guān)系數(shù)，括號中的數(shù)值表示5年低通諧波分量之間的相關(guān)系數(shù)。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

北太平洋海溫的PDO和NPGO模態(tài)主要源于對1950～2013年SST場的協(xié)方差或相關(guān)系數(shù)矩陣的EOF分析結(jié)果，由于1990年前后兩個階段SST EOF的前兩個模態(tài)發(fā)生了變化，由此可推測，其方差或相關(guān)系數(shù)矩陣一定發(fā)生了變化。我們注意到在1990年后，北太平洋中部和北部的SST之間的相關(guān)關(guān)系發(fā)生了顯著調(diào)整。接下來我們試圖從關(guān)鍵區(qū)海溫之間的協(xié)同變化關(guān)系對PDO和NPGO模態(tài)的影響來揭示PDO和NPGO模態(tài)發(fā)生變化的內(nèi)部原因。由于圖3中的三個關(guān)鍵區(qū)的海溫與 PDO和NPGO指數(shù)之間的變化密切相關(guān)，因此 PDO和NPGO模態(tài)隨時間的變化可以簡化為上述三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù) EOF位相關(guān)系隨時間的變化。其中，EOF模態(tài)表示的是海溫指數(shù)之間時間位相關(guān)系，而對應(yīng)的PC系數(shù)表示時間位相關(guān)系隨時間的變化。圖6表示的是1950～2013年冬季三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)的EOF前兩個模態(tài)及其對應(yīng)的PC系數(shù)。如圖所示，EOF1主要表現(xiàn)為Index1與Index2同位相模態(tài)，解釋方差為58.7%，EOF2主要表現(xiàn)為 Index2與Index3和Index1之間的反位相模態(tài)，其中Index3的振幅明顯大于 Index1，該模態(tài)的解釋方差為34.5%。PC1與 PDO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為 0.78（PC2與 PDO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為-0.15）PC2與NPGO之間的相關(guān)系數(shù)為0.68（PC1與NPGO之間的相關(guān)系數(shù)僅為-0.17），均超過了95%的信度檢驗。

圖5 1950～2013年冬季三個最大荷載區(qū)平均SST距平指數(shù)（Index1、Index2、Index3）的5年低通諧波分量隨時間的變化。其中，海溫場為北太平洋SST EOF前兩個模態(tài)重建場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

圖6 1950～2013年 Index1、Index2、Index3 時間序列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

我們同樣以1990年為分界，將1950～2013年分為兩個階段并分別計算了三個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)的EOF前兩個模態(tài)和PC系數(shù)（圖7），以及兩個階段的PC1和PC2與PDO和NPGO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)。比較可以看出，1990年之前的EOF前兩個模態(tài)（圖7a和7b）與圖6a和6b的EOF模態(tài)基本一致，解釋方差分別占 67.1%和 28.4%，EOF1和EOF2分別反映的是PDO和NPGO最大荷載區(qū)的海溫的時間位相關(guān)系。其中，PC1和PC2與PDO和NPGO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.55。但是，1990年之后EOF前兩個模態(tài)解釋方差分別占68.5%和26.8%，對比可以發(fā)現(xiàn)，1990年之后的EOF1和EOF2與1990年之前的EOF2和EOF1負位相模態(tài)存在明顯的相似性，PC1與PDO和NPGO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.57和-0.56，PC2與PDO和NPGO指數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為-0.59和-0.51。由于PDO和NPGO指數(shù)在1990年之后呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)，因此很容易理解PC指數(shù)與PDO和NPGO同時存在顯著相關(guān)。但是，關(guān)鍵區(qū)海溫（Index1和Index2）在1990年之后由同步變化轉(zhuǎn)化成了反向變化。

圖7 與圖6相同，但分別為1950～1990年和1990～2013年的結(jié)果Fig.7 Same as Fig.6, but for the time periods of 1950-1990 and 1990-2013, respectively

為進一步驗證Index1與Index2之間相關(guān)關(guān)系的調(diào)整對北太平洋海溫主模態(tài)調(diào)整的重要影響，我們對1950～2013年冬季Index1與Index2進行EOF分析（圖略），EOF1空間模態(tài)表現(xiàn)為Index1與Index2同位相變化，所對應(yīng)的時間序列PC1與PDO的相關(guān)系數(shù)高達-0.80，EOF2空間模態(tài)表現(xiàn)為 Index1與Index2反位相變化，所對應(yīng)的時間序列PC2與NPGO的相關(guān)系數(shù)為-0.59。將PC1和PC2分別對850 hPa風(fēng)場以及海溫場進行回歸，分別可以得到 PDO和NPGO風(fēng)場和海溫場的空間分布特征。

關(guān)鍵區(qū)海溫之間的關(guān)系調(diào)整有可能與北太平洋SST的主模態(tài)調(diào)整存在伴隨關(guān)系，為了進一步確認對冬季北太平洋海溫模態(tài)調(diào)整的影響，我們對本文定義的三個關(guān)鍵區(qū)SST指數(shù)進行了10年滑動相關(guān)分析（圖8）。如圖所示，Index1和Index2之間的相關(guān)系數(shù)在 1980年之前一直表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，但是在 1983年左右兩者的正相關(guān)系數(shù)開始減弱，并在 1990年之后轉(zhuǎn)化為顯著的負相關(guān)。由此可見，Index1和Index2之間的正負關(guān)系調(diào)整明顯偏早，是冬季北太平洋海溫模態(tài)調(diào)整的先兆特征，當(dāng)上述2個關(guān)鍵區(qū)海溫變化調(diào)整為顯著的負相關(guān)時，隨后冬季北太平洋海溫主模態(tài)發(fā)生了改變。因此，北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫之間的關(guān)系變化可認為是北太平洋海溫主模態(tài)調(diào)整的內(nèi)部成因。

4 外部因子對冬季北太平洋海溫主模態(tài)調(diào)整的影響

NPO是北太平洋SLP距平場的EOF第二模態(tài)，表現(xiàn)為夏威夷和阿拉斯加地區(qū)的 SLP異常隨時間反位相變化，被證明是 NPGO的重要大氣強迫（Furtado et al., 2012）。是否是NPO在1990年之后的增強導(dǎo)致了北太平洋海溫NPGO的加強？為此，我們分別對 1990年前后兩個階段五年低通濾波的北太平洋冬季SLP距平場進行了EOF分析，并比較了EOF第一模態(tài)之間的差異（圖9）。如圖所示，在 1990年之前，SLP的最大荷載中心位于日界線以東和 40°N附近，為氣壓負異常，并且在副熱帶西太平洋為氣壓正異常，這種氣壓異常的分布就導(dǎo)致在整個北太平洋西北部為西北風(fēng)異常。1990年之后最大中心向西南移動，并在夏威夷群島附近形成了變化中心，另一個中心位于阿拉斯加群島以北地區(qū)，EOF模態(tài)表現(xiàn)為明顯的NPO特征。上述SLP異常導(dǎo)致了 45°N附近氣壓梯度增強，進而加強了45°N緯向風(fēng)異常幅度。

圖8 1950～2013年Index1、Index2、Index3的10年滑動相關(guān)系數(shù)分布。其中，紅色實線表示Index1與Index2之間10年滑動相關(guān)系數(shù)；藍色實線表示Index1與Index3之間10年滑動相關(guān)系數(shù)；黑色實線表示Index2與Index3之間10年滑動相關(guān)系數(shù)；黑色虛線表示95%信度t檢驗閾值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

通過風(fēng)生流機制，我們將NPO和NPGO大氣和海洋兩個模態(tài)有機地聯(lián)系在一起，其中，北太平洋中緯度西風(fēng)異常是驅(qū)動北太平洋西風(fēng)漂流異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（李春，2010）。對中緯度大尺度天氣系統(tǒng)，緯向風(fēng)場u與氣壓場p滿足準地轉(zhuǎn)關(guān)系（朱乾根等，2007）：

式中，ug表示地轉(zhuǎn)風(fēng)，g代表重力加速度，ρ表示大氣密度，f表示地轉(zhuǎn)參數(shù)。（1）式表明地面西風(fēng)異常正比于海表氣壓異常在y方向的經(jīng)向梯度，所以 NPO不僅反映了海表面氣壓異常的分布，其經(jīng)向梯度還反映了地面西風(fēng)異常。同樣對于中緯度海洋大尺度系統(tǒng)，緯向海流uo與壓力場po也滿足地轉(zhuǎn)關(guān)系和靜力平衡（馮士筰等，1999）：

式中，oρ代表海水密度，ugo代表海洋中的地轉(zhuǎn)流?？紤]海水狀態(tài)方程（馮士筰等，1999）：

式中，T為海水的溫度，S為海水的鹽度，其中tρ，Tt，St為海水密度、溫度、鹽度的典型值，可取為常數(shù)，α，γ為溫度和鹽度的函數(shù)與緯度的變化無關(guān)；將緯向流uo對垂直方向z求導(dǎo)，將狀態(tài)方程 （3）帶入方程（2）中的靜力平衡方程可以得到

（4）式的結(jié)果未考慮鹽度的影響，這在海溫（異常）經(jīng)向梯度遠大于鹽度（異常）經(jīng)向梯度時是合適的。由（4）式可知，海洋緯向流（異常）的垂直梯度正比于海溫（異常）的經(jīng)向梯度。對（4）式在垂直方向取差分近似后則有

其中，uob為表層流，uos為深層流，Δz表示水深，表層流要大于深層流，略去深層流后則有

上式表明海表緯向流（異常）正比于海溫（異常）經(jīng)向梯度。

當(dāng) NPO模態(tài)處于正位相時，北部海平面氣壓負異常，南部為氣壓正異常。海平面氣壓的梯度大值區(qū)位于北太平洋45°N，根據(jù)公式（1），此時低層的西風(fēng)增強，從而導(dǎo)致西風(fēng)漂流增強，即黑潮延伸流（KEO）和北太平洋流（NPC）增強。由（6）式可知，當(dāng)西風(fēng)漂流增強，必然造成SST的經(jīng)向梯度的增大，這樣就會增強SST的北負南正的模態(tài)，從而SST場表現(xiàn)出NPGO正位相模態(tài)。我們對NPO指數(shù)（定義為SLP場EOF第二模態(tài)的主分量）進行了10年滑動t檢驗（圖10）。比較發(fā)現(xiàn)，NPO在1980年開始出現(xiàn)增強趨勢，其調(diào)整的時間與北太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫相關(guān)關(guān)系開始調(diào)整的時間吻合，并且在 1990年前期顯著增強。因此，NPO的增強早于NPGO，意味著對它對 NPGO的增強具有顯著的影響。

圖10 1950～2013年冬季NPGO指數(shù)與NPO指數(shù)10年滑動t檢驗。紅色和藍色實線分別表示的是NPGO和NPO指數(shù)滑動t檢驗值的t值，黑色虛線表示超過95%信度水平的t檢驗值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）認為太平洋中部變暖（Central Pacific Warming，CPW）主要影響NPO的南支（夏威夷氣壓異常），進而影響北太平洋海溫異常的空間分布模態(tài)，而Yeh et al.（2010）認為，1990年之后 AO的增強對 NPGO具有重要的影響。為此，我們采用Ni?o4區(qū)海溫指數(shù)表示CPW，并比較了Ni?o4區(qū)海溫和AO指數(shù)與NPGO之間的關(guān)系。圖11和 12分別表示的是 1950～1990和1990～2013年兩個階段 AO和 Ni?o4區(qū)海溫指數(shù)對SST、SLP和850 hPa風(fēng)場的超前和同期回歸分析。如圖所示，1990年之前，北部 SLP異常的中心主要位于阿留申群島以南地區(qū)，這樣就導(dǎo)致了當(dāng)Ni?o4區(qū)海溫超前一年時，北太平洋西風(fēng)異常的緯度主要位于 30°N 附近，而同期的北太平洋地區(qū)幾乎為西北風(fēng)異常，這樣風(fēng)場異常的分布就導(dǎo)致在北太平洋海溫異常為橢圓形一致的 PDO模態(tài)；1990年之后北支異常中心主要位于阿拉斯加半島附近，這樣氣壓異常的分布型就導(dǎo)致在 40°～50°N為顯著的西風(fēng)異常（或東風(fēng)異常）。受緯向風(fēng)異常的影響，北太平洋海溫北部和北太平洋中部呈反向分布，從而有利于 NPGO型空間分布模態(tài)。因此，中部太平洋變暖與 NPGO之間的相關(guān)并不穩(wěn)定。除此之外，我們分析了1990～2013年AO指數(shù)回歸的SLP場，發(fā)現(xiàn)SLP的大值中心位于阿拉斯加半島附近，這正是影響40°～50°N緯向風(fēng)異常的北部氣壓關(guān)鍵區(qū)。當(dāng)AO超前兩年時，氣壓異常位于阿拉斯加半島附近以及夏威夷半島，導(dǎo)致中高緯度的緯向風(fēng)異常。此時北太平洋東北部為海溫的負異常，而中部地區(qū)為海溫的正異常，海溫經(jīng)向梯度最大地區(qū)位于北太平洋40°N附近，與NPGO模態(tài)高度相似。因此，NPGO在 1990年之后的加強的確與CPW和AO存在一定的關(guān)聯(lián)。但是，相對NPO而言，它們與NPGO之間的物理關(guān)系在1990年之前并不顯著。

圖11 1950～1990年AO和Ni?o4區(qū)海溫指數(shù)對SSTA（單位：K）、SLPA（單位：hPa）和850 hPa（單位：m s-1）風(fēng)場異?；貧w的超前和同期分析。紫色等值線表示的是SLP回歸系數(shù)（單位：hPa；虛線表示負值，實線表示正值）；彩色陰影表示海溫回歸系數(shù)（單位：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 Ni?o4 SST index during 1950-1990 in winter

圖12 同圖11，但為1990～2013年的結(jié)果Fig. 12 Same as Fig. 11, but for the period of 1990-2013

5 結(jié)論與討論

PDO和NPGO代表的是北太平洋海溫年代際尺度振蕩的主要模態(tài)，本文通過對 1950～2013年冬季海溫，以及1990年前后兩個階段海溫的EOF前兩個模態(tài)的差異、關(guān)鍵區(qū)海溫之間的關(guān)系變化對EOF前兩個模態(tài)影響的研究，揭示了 1950～1990年和1990～2013年兩個階段冬季北太平洋SST場EOF前兩個模態(tài)的差異，并從關(guān)鍵區(qū)海溫之間的關(guān)系變化、NPO、CPW和AO的影響，討論了1990年前后PDO和NPGO模態(tài)的調(diào)整的可能成因。

本文分析發(fā)現(xiàn)，1990年前后兩個階段的 SST EOF第一模態(tài)存在明顯的差異，前期表現(xiàn)為 PDO結(jié)構(gòu)，后期則表現(xiàn)為NPGO模態(tài)，表明北太平洋冬季海溫主模態(tài)在1990年之后發(fā)生了調(diào)整。PDO模態(tài)的SST負值區(qū)在1990年后由原來近似于西北—東南向的橢圓結(jié)構(gòu)沿30°N緯向軸逆時針旋轉(zhuǎn)，演變成了東北—西南向橢圓結(jié)構(gòu)，SST的負值最大荷載中心向日界線傾斜，40°N以北的太平洋被SST的正異?？刂?，表現(xiàn)出與NPGO模態(tài)的負位相SST異常場相似的結(jié)構(gòu)特征。1990年前后SST場對應(yīng)的EOF第二模態(tài)由偶極子分布演變成了三極子結(jié)構(gòu)。因此，冬季北太平洋海溫模態(tài)在 1990年之后的調(diào)整不能簡單認為是PDO和NPGO模態(tài)之間的順序互換。

通過比較，我們認為北太平洋中部（28°～36°N,152°～178°W）和北太平洋北部（44°～49°N, 151°～177°W）海溫之間的正負相關(guān)演變是北太平洋海溫主模態(tài)在1990年前后發(fā)生調(diào)整的海溫場內(nèi)部原因，而冬季北太平洋濤動（NPO）在 1990年之后的顯著增強是導(dǎo)致北太平洋海溫主模態(tài)調(diào)整的重要外部原因。本文發(fā)現(xiàn)，NPO振幅在1980開始表現(xiàn)出增強趨勢，時間早于 NPGO的變化，NPO通過風(fēng)生流機制增強北太平洋 40°N附近的氣壓梯度和西風(fēng)異常幅度，從而導(dǎo)致了NPGO海溫模態(tài)的加強。雖然中太平洋增暖（CPW）和北極濤動（AO）對NPO的南支（夏威夷群島）和北支（阿拉斯加）的海平面氣壓異常中心加強有貢獻，但是上述兩個因子與NPGO之間的關(guān)系在1990年之前并不明顯。因此，CPW和AO與NPGO之間的物理關(guān)系并不穩(wěn)定。

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