赤道外北太平洋上層洋流異常分析

路凱程，盧姁，張銘

（1.中國人民解放軍39506部隊82分隊，北京 100076； 2.中國人民解放軍61741部隊，北京100081；3.中國人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院大氣環(huán)流與短期氣候預(yù)測研究室，江蘇 南京211101）

赤道外北太平洋上層洋流異常分析

路凱程1,3，盧姁2,3，張銘3

（1.中國人民解放軍39506部隊82分隊，北京 100076； 2.中國人民解放軍61741部隊，北京100081；3.中國人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院大氣環(huán)流與短期氣候預(yù)測研究室，江蘇 南京211101）

采用復(fù)EOF分析方法，對全年各月份除赤道太平洋外的北太平洋海域的上層洋流異常做了統(tǒng)計動力診斷，并與赤道太平洋洋流異常做了比較；得到的主要結(jié)論有：北太平洋海域上層洋流的明顯異常發(fā)生在日本本州島以東、以南范圍不大的海域（關(guān)鍵區(qū)）內(nèi)，此關(guān)鍵區(qū)僅占整個北太平洋海域很小的一部分；而在該海域之外，洋流異常均非常小。雖該洋流異常的第一模態(tài)與第二模態(tài)對整個異常的方差明顯小于赤道太平洋；但其對以上關(guān)鍵區(qū)內(nèi)洋流異常的貢獻仍是不小的。在上述海域內(nèi)，第一模態(tài)表現(xiàn)為東東北至西西南走向的渦旋偶，即一個反氣旋渦旋和一個氣旋渦旋的組合；第二模態(tài)也主要表現(xiàn)為渦旋形式。第一、二模態(tài)的時間系數(shù)均有兩個狀態(tài)， 第一、二模態(tài)其模的數(shù)值大小則決定了其偏差流場的強弱，模值越大則異常越大。第一、二模態(tài)的時間系數(shù)均有年際變化和明顯的年代際變化。以上兩模態(tài)是異常風(fēng)應(yīng)力造成海洋西邊界附近海水流動的異常所致，其性質(zhì)是海洋Rossby波的異常，這與赤道太平洋洋流異常是Kelvin波的異常不同，但兩者共同之處在于其均與風(fēng)應(yīng)力異常密切相關(guān)。

復(fù)EOF分析；北太平洋；洋流異常

Abstract: In this paper, using the combining complex empirical orthogonal function (CEOF) analysis, the dynamic statistic diagnosis about the upper abnormal circulation of the months of the year in North Pacific without equatorial area is carried out.It is done to compare with abnormal circulation in equatorial Pacific.Main results are discussed as follows: the upper abnormal circulation of North Pacific mainly occurs in the sea area (the key area)to the east and south of Japan Honshu, and only very small part of the North Pacific area is covered by the key area; with the exception of the key area is carried out, the abnormal circulation is not obvious.Although the squares of the first mode and the second mode to the whole anomaly in the key area are smaller than those in equatorial Pacific, their contribution are not small to the abnormal circulation in the key area above.In the sea area above, the first mode represents a pair of vortices in the trend of east northeast to west southwest with reverse rotation direction, that is a couple of anticyclone and cyclone; the form of the second mode also mainly represents some vortices.Both of the first and the second modes’ time coefficients have two states, and the two modes’ numeric values determine the strength of their deviation flow fields.The bigger the modes’ numeric values are, the greater deviations’ degrees are.The wavelet analysis shows that both of the two modes’ time coefficients have interannual variations and interdecadal variations, clearly.The two modes above are caused by wind stress anomalies driving seawater near the western boundary, whose nature is ocean Rossby wave, which is different from Kelvin wave in equatorial Pacific, but the two waves have a close relation with the abnormal wind stress.

Keyword : CEOF; North Pacific; abnormal circulation

1 引 言

海洋環(huán)境的異常直接關(guān)系到氣候異常和減災(zāi)防災(zāi)，其已引起海洋和氣象學(xué)者的高度關(guān)注。海洋狀態(tài)的異常主要表現(xiàn)以下兩方面：海溫的異常與洋流的異常，也可稱之為熱力學(xué)異常和動力學(xué)異常。在表層由于輻射和蒸發(fā)對水溫影響較大，故海溫變化主要受非絕熱加熱影響，而在次表層以下，因太陽輻射難以到達且又無蒸發(fā)，海溫的變化是絕熱的，故其與洋流的異常關(guān)系密切。由此可見這兩者的異常雖有關(guān)聯(lián)，但因其形成原因的不同，故有必要分別研究。前人對北太平洋海區(qū)海洋狀態(tài)的異常多集中在表層溫度異常（SSTA）上，并探討其與東亞冬、夏季風(fēng)異常和長江中下游及華北降水、溫度異常之間的關(guān)系[1-3]。

目前對北太平洋洋流的研究工作已有不少[4-6]。Kelly等[7]認(rèn)為黑潮延伸體和它南部的回流渦旋有密切聯(lián)系，這表明在黑潮延伸體觀測到的低頻振蕩很可能是由于區(qū)域的表面強迫引起的；他們做了一個相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在黑潮延伸體區(qū)域的風(fēng)應(yīng)力的第2模態(tài)和該區(qū)域的水體運輸有明顯相關(guān)；大的風(fēng)應(yīng)力異常區(qū)域通常與大的水體運輸異常區(qū)域相一致。Chen和Qiu等[8]對2004年5月到11月的觀測資料進行分析，指出在海洋上層1500 m內(nèi)，不同高度上的反氣旋流通常都是相互平行的，海表面的速度(35 cm/s) 為1500 m處海流速度(10 cm/s)的3.5倍。Qiu等猜測黑潮延伸體南部的回流渦旋是由該區(qū)域強的風(fēng)異常所引起的，黑潮延伸體強度增強的同時也向北部伸展。但是，這些工作大多集中在對氣候平均狀態(tài)和日常觀測的研究上，而對北太平洋流場異常的研究工作比起對SSTA來說則要少得多。為此本文利用復(fù) EOF分析方法對全年北太平洋上層洋流異常做了分析，給出了異常明顯的關(guān)鍵海區(qū)以及其空間模態(tài)，探討了異常的年際變化和年代際變化。

2 資料和診斷方法

本文所用的資料為美國UMD的Carton（beta 7）逐 月 全 球 海 洋 同 化 分 析 資 料（http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCE/.UMD/.Car ton/.goa/.beta7[9]），該資料提供了海洋上層從 1950年至2001年共52 a在深度112.5、97.5、82.5、67.5、52.5、37.5、22.5、7.5 m上的各月平均洋流，其為高斯網(wǎng)格，網(wǎng)格距約為1°。本文的統(tǒng)計動力診斷范圍則取除赤道太平洋外的北太平洋，即取19.5-50.8oN，120oE -180oE -80 oW（如圖1所示）。為揭示上述范圍內(nèi)上層洋流的全年異常，本文對各月該洋流異常做了復(fù)EOF分析，其原理可參見文獻[10], [11]，這里不再贅述。具體操作步驟是：首先將各年各月份在上述8個深度上的各月平均流場分別求其52 a的平均值，將各年各月的平均流場減去該平均值，則可得各年各月這8層上的偏差流場；然后將各月這8層上的偏差流場作為一個整體進行復(fù)EOF分析。此時各月各EOF模態(tài)的空間場和時間系數(shù)場都是復(fù)數(shù)；各月空間場的模表示各月各模態(tài)流場異常的流速大小，輻角則表示其流向；而時間系數(shù)則表示這 52年中各月流速、流向隨年份的變化。由于這里將各月各層上的偏差流場看作一個整體來做復(fù)EOF分析，故各月各層有相同的時間系數(shù)，這也是本復(fù)EOF分析方法的特色和優(yōu)點。本文主要討論深度為22.5m和112.5m的兩層，前者可代表近表層，后者則可代表次表層；為方便，以下就直接稱這兩層為近表層和次表層。

3 診斷結(jié)果分析

各月第一、二模態(tài)的方差貢獻見表1。由表1可見，這兩個模態(tài)方差貢獻均不很大，這是因為明顯異常的區(qū)域僅占整個北太平洋范圍的很小一部分。為驗證這一點，在其他條件不變的情況下，我們對27.5-39.6oN，134.5-154.5 oE的范圍，即赤道外北太平洋上層洋流出現(xiàn)明顯異常的海域（關(guān)鍵區(qū)）也作了復(fù)EOF分析，此時得到的其相應(yīng)月份第一、二模態(tài)的方差貢獻見表2。由該表可見，在關(guān)鍵區(qū)內(nèi)，其第一、二模態(tài)對洋流異常的貢獻有明顯增大。

表1 北太平洋各月各模態(tài)的方差貢獻Tab.1 Variance contribution of each month of two modes in North Pacific

表2 關(guān)鍵區(qū)內(nèi)各月各模態(tài)的方差貢獻Tab.2 Variance contribution of each month of two modes in key area

3.1 第一模態(tài)

在北太平洋上層，從診斷得到的各月第一模態(tài)空間場的分布可知：在上述8層上，明顯的偏差流場均僅出現(xiàn)在日本本州島以東以南海域，并表現(xiàn)為渦旋偶的形式，即一個反氣旋渦旋和一個氣旋渦旋的組合；該渦旋偶軸心呈東東北至西西南走向，并在上述 8層上均表現(xiàn)得十分明顯；在這 8層上該空間場的差異很小，這也表海洋上層流場具有正壓性（近表層1、4、7、10月和次表層1、7月的空間場分別參見圖1、2，其余月份和層次的圖均略）。

圖1 近表層第一模態(tài)的空間場；單位：ms-1，（a）、(b)、(c)、(d)、分別表示1、4、7、10月Fig.1 Space field of the first mode in near-surface; unit: ms-1，(a), (b), (c), (d) showing January, April, July, October, respectively

圖2 次表層第一模態(tài)的空間場；單位：ms-1，（a）、(b)分別表示1、7月份Fig.2 Space field of the first mode in sub-surface; unit: ms-1(a),(b)showing January, July, respectively

從各月第一模態(tài)偏差流場時間系數(shù)的輻角圖（1, 7月參見圖3，其余圖略）可見，一部分月份其輻角大體集中在0°和±180°附近。前者因其余弦值約為＋1，故其偏差流場的分布形勢與該模態(tài)的空間場基本相同，而后者約為-1，其分布形勢則相反。另一部分月份其輻角大體集中在角α和180°+α附近，而α角則小于等于30°（如10月份，此時α為-30°）。這表明輻角的分布均有兩個狀態(tài)，其分別可稱為態(tài) A、B。對另一部分月份而言，其相應(yīng)于這兩個狀態(tài)的偏差流場的空間結(jié)構(gòu)分布（即態(tài) A、B）則需對原空間場以及其反向場的風(fēng)向做角α的旋轉(zhuǎn)。不過因這里轉(zhuǎn)角α并不算太大（α≤30°），旋轉(zhuǎn)后與旋轉(zhuǎn)前的流場差異也不算太大。在旋轉(zhuǎn)后態(tài)A、B其仍有渦旋偶的形式。這樣可分別稱態(tài)A、B為相似態(tài)和相反態(tài)，因這時的偏差流場與該模態(tài)的空間場呈基本相同或相反的分布。

從各月第一模態(tài)偏差流場時間系數(shù)的模圖上（1, 7月參見圖4，其余圖略）可見，各月份該模的值每年也均不同，為此求各月模值的 52年平均值。各月以該平均值為界，也可將其劃分為兩個態(tài)：大于等于該平均值的稱為強模態(tài)，并用S表示；小于該平均值的稱為弱模態(tài)，并用 W 表示；而各年模的數(shù)值（大?。﹦t決定了其偏差流場強弱的程度，數(shù)值越大則偏差流場越強，也即異常越大。

根據(jù)各月第一模態(tài)時間系數(shù)模和輻角的分類，可得以下4種配置組合：AS、BS、AW、BW，即相似強模、相反強模、相似弱模、相反弱模，這里相似與相反均對第一模態(tài)空間場而言。在此AS和BS是兩個強異常的態(tài)，對于AS則上述渦旋偶很強，而對BS則渦旋偶的流動方向發(fā)生反轉(zhuǎn)且強度也很大。

圖3 第一模態(tài)時間系數(shù)的輻角，（a）、(b)分別表示1、7月份Fig.3 Amplitudes of the first mode time coefficient, (a), (b) showing January, July, respectively

圖4 第一模態(tài)時間系數(shù)的模，（a）、(b)分別表示1、7月份Fig.4 Model values of the first mode time coefficient, (a), (b) showing January, July, respectively

圖5 冬、夏季（1、7月）第一模態(tài)時間系數(shù)序列的小波全譜, (a)1月，(b) 7月Fig.5 First mode time coefficient’s wavelets power spectrum in winter and summer (January, July), (a) January, (b) July

由第一模態(tài)偏差流場時間系數(shù)輻角和模的演變可見（參見圖3、4），其具有明顯的年際變化和年代際變化。為揭示冬季和夏季時間系數(shù)（其為復(fù)數(shù)）的變化規(guī)律，我們將1月份和7月份各年時間系數(shù)的模乘以其輻角的余弦后構(gòu)成一新的實數(shù)時間序列，不妨稱其為時間系數(shù)序列。因在冬、夏（1、7月），該余弦值有近于±1的兩個狀態(tài)（參見圖3），故該時間系數(shù)序列可綜合反映輻角和模的時間演變。將該時間系數(shù)序列標(biāo)準(zhǔn)化，即將各年的值減去該序列的最小值再除以該序列的極差（最大值與最小值之差），然后對標(biāo)準(zhǔn)化后的該序列作了小波分析。圖5中分別給出了冬、夏（1、7月）該時間系數(shù)序列的小波全譜。由圖可見，冬季其有4-5年的年際變化和19年的年代際變化，且年代際變化明顯；夏季則年際變化周期拉長，其有9-10年的年際變化和17年的年代際變化，且后者也十分明顯。綜合冬、夏可知，第一模態(tài)北太平洋流場異常的年代際變化冬、夏差異不大，以近 18年的周期為主。

3.2 第二模態(tài)

從診斷得到的第二模態(tài)各月空間場的分布可知，在上述8層上，明顯的偏差流場其出現(xiàn)位置與第一模態(tài)大體相同，也僅出現(xiàn)在上述關(guān)鍵區(qū)內(nèi)；雖然其空間場主要表現(xiàn)仍為渦旋，但形式與第一模態(tài)有所不同。春季其空間場表現(xiàn)為一對渦旋列，即表現(xiàn)為兩個緊鄰的反氣旋渦，兩者的軸心仍呈東東北至西西南走向；而在秋季則在日本本州島以東也表現(xiàn)為一對渦旋列，而在其南，則另有一氣旋渦；冬季和夏季則其表現(xiàn)形式?jīng)]有春季、秋季那樣有規(guī)律；在這8層上該空間場的差異也很小，即正壓性明顯（1、7月近表層的圖參見圖6，其余層次與月份的圖均略）。

圖6 近表層第二模態(tài)的空間場，單位：ms-1,（a）、(b)分別表示1、7月份Fig.6 Space field of the second mode in near-surface; unit: ms-1, (a), (b) showing January, July, respectively

圖7 第二模態(tài)時間系數(shù)的輻角，（a）、(b)分別表示1、7月份Fig.7 Amplitudes of the second mode time coefficient， (a), (b) showing January, July, respectively

圖8 第二模態(tài)時間系數(shù)的模,（a）、(b)分別表示1、7月份Fig.8 Model values of the second mode time coefficient, (a), (b) showing January, July, respectively

圖7、圖8分別給出了第二模態(tài)偏差流場時間系數(shù)的輻角和模，從圖7可見，其輻角值也有兩個狀態(tài)，也可稱之為態(tài)A、B。對部分月份，與第一模態(tài)類似，其偏差流場的分布形勢大體與其空間場相同或相反，即其輻角的余弦值大體集中在±1附近；另一部分月份，則輻角也集中在角α和180°+α附近，角α也并不很大。由該圖還可見，第二模態(tài)在以上兩個狀態(tài)的離散度較第一模態(tài)要大。從圖8可見，類似于第一模態(tài)，各月時間系數(shù)的模值大小各年也有明顯差別。仿照第一模態(tài)的做法，也可將模值劃分為兩個態(tài)：強模態(tài)S和弱模態(tài)W；也能得到以下4種配置組合：AS、BS、AW、BW。同樣在此AS和BS是兩個強異常的態(tài)。

由第二模態(tài)偏差流場時間系數(shù)模和輻角的時間系數(shù)可見（參見圖7、8），其模和輻角也具有明顯的年際和年代際變化。采用與第一模態(tài)同樣的處理方法，我們對處理后的標(biāo)準(zhǔn)化的時間系數(shù)序列進行了小波分析（圖略）。分析表明，在冬季（1月），其有3-4年的年際變化周期以及13 a和20 a的年代際變化周期，并以20 a的年代際變化明顯；在夏季（7月），其有3-4年的年際變化周期以及16年和21-22年的年代際變化周期，并以16年的年代際變化明顯。這表明第二模態(tài)流場異常的年代際變化冬、夏差異較大。

4 北太平洋與熱帶太平洋洋流異常的比較

文獻[12,13]中我們研究了5月份熱帶太平洋上層洋流的異常。此處將熱帶太平洋與北太平洋兩處的上層洋流異常作一比較，結(jié)果如下：

從明顯異常的水平范圍看，前者包含了整個赤道地區(qū)，后者則僅位于日本本州島的以東、以南海域，前者異常的范圍與整個EOF分析的海域的相對比例要較后者大得多；正因如此，前者第一、二模態(tài)的方差貢獻（32.66%，9.32%）也較后者大，特別是第一模態(tài)前者較后者要大許多；后者其第一模態(tài)方差貢獻明顯偏小的原因正是因其明顯異常的范圍僅占整個北太平洋很小一部分的緣故。從異常的強度看，前者較后者明顯要強得多；我們也做過10 oS-50.8oN，120oE -180oE -80 oW范圍，即包含赤道太平洋和以上北太平洋海域的上層洋流復(fù)EOF分析；此時，由于赤道太平洋的洋流異常很強，導(dǎo)致赤道外北太平洋的洋流異常為其所掩蓋（圖略）；這也是我們要單獨分析赤道外北太平洋洋流異常的重要原因。從異常的性質(zhì)看，前者是赤道海洋Kelvin波的異常，其表現(xiàn)為v分量近于0的赤道俘獲波形式；而后者因其尺度在1000 km（10個緯距），為海洋中的大尺度系統(tǒng)；故其是中緯度海洋Rossby波的異常，并表現(xiàn)為渦旋形式，其形成原因是異常風(fēng)應(yīng)力造成海洋西邊界附近海水流動的異常所致。該兩者雖有以上不同之處，但其也有共同的地方，即這兩者異常則均與風(fēng)應(yīng)力異常密切有關(guān)。

5 結(jié) 語

本文采用復(fù)EOF分析方法，對全年各月份除赤道太平洋外的北太平洋海域的上層洋流異常做了統(tǒng)計動力診斷，并與赤道太平洋洋流異常做了比較；得到了以下主要結(jié)論

1.北太平洋海域的上層洋流的明顯異常主要發(fā)生在日本本州島以東、以南范圍不大的海域（關(guān)鍵區(qū)）內(nèi)，該關(guān)鍵區(qū)僅占整個赤道外北太平洋海域很小的一部分；而在該海域之外，洋流異常均不大。

2.雖該洋流異常的第一模態(tài)與第二模態(tài)對整個異常的方差明顯小于赤道太平洋；但其對以上關(guān)鍵區(qū)內(nèi)洋流異常的貢獻仍不小。

3.在上述關(guān)鍵區(qū)內(nèi)，第一模態(tài)表現(xiàn)為東東北至西西南走向的渦旋偶，即一個反氣旋渦和一個氣旋渦的組合；第二模態(tài)也以渦旋為主，但其表現(xiàn)形式與第一模態(tài)不同。

4.第一、二模態(tài)的時間系數(shù)均有兩個狀態(tài)，一部分月份其余弦值分別明顯集中于＋1與－1附近，前者其偏差流場的分布形勢大體與其空間場相同，而后者則相反；另一部分月份則與上有所偏差，但偏差并不太大。

5.第一、二模態(tài)其模的數(shù)值大小則決定了其偏差流場的強度，模值越大則偏差流場異常越大；其時間系數(shù)則均有年際變化和明顯的年代際變化。

6.以上兩模態(tài)的異常是異常風(fēng)應(yīng)力造成海洋西邊界附近海水流動的異常所致.其性質(zhì)是海洋Rossby波的異常這與赤道太平洋是 Kelvin波的異常不同但兩者則均與風(fēng)應(yīng)力異常密切相關(guān)。

最后要說明的是，本文主要工作是進行診斷分析，對造成異常的動力學(xué)原因涉及不多，這是本文的局限所在，也是我們今后要做的工作。另外，本文尚未研究北太平洋流場異常對我國天氣氣候的影響，這方面的工作無疑是十分重要的，這也是我們今后所要進行的工作。

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Analysis for upper abnormal current in North Pacific without equatorial area

LU Kai-cheng1,3, LU Xu2,3, Zhang Ming3

(1.Unit 39506, 82, PLA, Beijing 100076, China; 2.Unit 61741, PLA, Beijing 100081, China; 3.Laboratory of Atmospheric Circulation and Short-range Climate Forecast Meteorological College, P.L.A.University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

P732

A

1001-6932(2011)01-0029-08

2009-10-09；收修改稿日期：2010-08-21

國家“973”項目2007CB411805

路凱程 ，女（1985-），江蘇徐州人，碩士，主要從事海洋氣象方面的研究。電子郵箱：kittylu329@163.com。