加利福尼亞附近的海溫強迫及其與北太平洋年代際振蕩的可能聯系

張海燕 陶麗 徐川

1 南京信息工程大學大氣科學學院, 南京 210044

2 平潭綜合實驗區氣象局，福建平潭綜合實驗區 350400

3 南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室, 南京 210044

4 福建省災害天氣重點實驗室，福州 350001

1 引言

自20 世紀90年代中期以來，年代際尺度氣候研究已成為氣候變化研究領域的熱門話題。作為北太平洋上最重要的年代際信號——太平洋年代際振蕩（PDO），它強烈影響著北太平洋及其周邊地區的氣候和生態系統（Mantua et al., 1997; Cayan et al., 2001; Zhang et al., 2010）。有研究表明中國東部地區的降水與PDO 有著緊密聯系（朱益民和楊修群, 2003; 呂俊梅等, 2014）。也有學者指出PDO通過對厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）的調控能影響北半球冬季太平洋蒸發量和夏季風（韓子軒等,2017; 張雯等, 2020）。同時，PDO 也能調控北太平洋周邊幾個國家的溫度變化（Mantua and Hare,2002; 梁蘇潔等, 2014）。還有些學者討論了PDO與東北太平洋暖斑之間的聯系（Wang et al., 2019;Zhi et al., 2019）。為更好地理解中緯度地區，甚至是全球的氣候變化，探究PDO 的形成機制顯得尤為重要，如果可以準確預測這種年代際波動，將會給人類帶來巨大的社會效益。

目前，已有大量模式和觀測研究探討了PDO的形成機制，提出了不少假設。有學者認為PDO的形成與ENSO 相關的大氣遙相關強迫有關，ENSO 在暖位相期間激發了太平洋—北美型（PNA）遙相關，其范圍從北太平洋延伸至北美，且在阿留申群島附近具有明顯的活動中心——阿留申低壓（Horel and Wallace, 1981），北太平洋上增強的阿留申低壓通過引起表面熱通量、海洋垂直混合以及埃克曼流異常等過程，使得北太平洋中西部海表面溫度（SST）冷卻，形成PDO 正位相（Graham,1994; Graham et al., 1994; Miller et al., 1994;Alexander et al., 2002）。也 有 學 者 指 出，PDO 的形成主要是由于中緯度地區沿風暴軸附近的高頻隨機大氣強迫，大氣通過白噪聲的表面熱通量強迫可以使SST 變化具有紅噪聲譜特征，在合適條件下通過隨機共振機制使海洋產生年代際變化（Hasselmann, 1976; Frankignoul and Hasselmann,1977; Saravanan and McWilliams, 1997）。也 有 不少研究指出在PDO 的形成過程中海洋過程非常重要，Cessi and Louazel（2001）指出熱帶地區年代際信號以沿岸Kelvin 波形式在海盆東邊界向極地傳播，沿途可能會發射西傳的斜壓Rossby 波，從而影響整個中緯度太平洋（Liu, 2003）。同時也有研究認為北太平洋中部SST年代際變率的準10年周期和海洋副熱帶經向環流圈（STC）有關。Gu and Philander（1997）提出，熱帶SST 暖異常信號通過大氣遙相關引起北太平洋中緯度地區西風增強，從而增加向上的表面熱通量，使得北太平洋中高緯度的SST 偏冷。異常冷信號通過潛沉，經背景流又回到熱帶太平洋溫躍層，因赤道地區有上升流的存在，從而該冷異常得以上翻到表層，但Schneider et al.（1999）指出這種假說并不能在觀測資料中得到驗證，該SST 異常信號通過潛沉并不能達到熱帶地區，只能到達18°N，無法繼續向南傳播。Kleeman et al.（1999）提出類似假說，但Gu and Philander（1997）強調的是由風應力產生的副熱帶異常冷/暖信號下沉，然后沿著STC 下層支向熱帶輸送，而Kleeman et al.（1999）則強調的是SST 異常冷/暖信號由STC 中上層支從熱帶向副熱 帶 輸 送。Yu and Boer（2004）及Zhang and Yu（2011）則認為海洋經向熱輸送對PDO 的位相轉換具有重要作用。中緯度北太平洋海氣耦合也被很多學者所關注，由大氣風應力異常激發上層海洋環流的動力調整，引起黑潮—親潮延伸（KOE）區SST 變化，KOE 區SST 變化反饋給大氣，再引起大氣風應力異常，形成耦合的海氣過程（Latif and Barnett, 1994; Zhong et al., 2008; Zhong and Liu,2009; Fang and Yang, 2016; Tao et al., 2020）。前人研究也指出北太平洋年代際振蕩存在多模態特征，如還存在北太平洋渦旋振蕩（NPGO；Di Lorenzo et al., 2008, 2015; Yi et al., 2018）、北太平洋模態（NPM）和北太平洋東部模態（ENPM；Wu and Liu, 2003）、北太平洋經向模態（PMM；Chiang and Vimont, 2004; Stuecke, 2018; Amaya, 2019;Zhang et al., 2021）。Newman et al.（2016）利用北太平洋（多年代際）、熱帶中太平洋—副熱帶北太平洋（十年際）和熱帶東太平洋（年際）特征模投影時間序列很好地重建了PDO指數。

綜上所述，可知影響PDO 的因子很多，如大氣隨機強迫（包括中緯度大氣隨機強迫及熱帶大氣遙相關強迫）、海洋Rossby 波、副熱帶海洋渦旋的調整及KOE 區的海氣耦合等等。但PDO 的形成究竟是大氣強迫占主導地位，還是海洋強迫占主導地位呢？其年代際信號的源頭究竟是什么？迄今為止還沒有明確的詮釋。大尺度海氣相互作用是海洋年代際變率產生的主要原因之一（楊修群等,2004），因此我們希望通過分析中緯度北太平洋大尺度海氣相互作用過程中是以海洋強迫大氣為主，還是以大氣強迫海洋為主，能對PDO 形成機制有新的認識。對于中緯度大尺度海氣相互作用，Bjerknes（1964）認為：大西洋在年際尺度上大氣直接驅動SST 變率，而在年代際尺度上SST 變率主要由海洋控制，進而可能影響大氣。Gulev et al.（2013）利用SST 異常（SSTA）和湍流熱通量（向上為正）異常的相關關系（正相關表明海洋強迫大氣，負相關表明大氣強迫海洋）在北大西洋上驗證了Bjerknes 猜想。那么北太平洋上的情況是否和Bjerknes 猜想一致？關于北太平洋的海氣相互作用特征，前人有過一些研究（李博等, 2011），但并未區分不同時間尺度，本文主要借鑒Gulev et al.（2013）的研究方法，從SSTA 和湍流熱通量異常的相關關系角度診斷分析了北太平洋在PDO年際和年代際尺度上的海氣相互作用特征，欲厘清年代際尺度上PDO 的形成到底是海洋強迫主導還是大氣強迫主導。

本文初步結果表明加利福尼亞附近SSTA 和湍流熱通量（向上為正）異常在年代際尺度呈顯著正相關，表現為穩定的海洋強迫大氣，因此本文后半部分重點關注加利福尼亞附近海洋過程與PDO 短周期的關系，以期對PDO 的形成機制有新的認識。這和以往研究關注ENSO 或KOE 區SST 對PDO的驅動作用不同。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用由美國伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）提 供 的1958～2018年客觀分析海氣通量（The Objectively Analyzed Air-Sea Fluxes，OAFlux）逐月數據（Yu and Weller, 2007），它是由衛星觀測的風速、SST和再分析資料中的近地面大氣溫度和濕度客觀綜合分析而成，并通過130 多個浮標點海氣數據的時間序列進行了校準和驗證。該數據集包括潛熱通量、感熱通量、10 m 全風速、SST、2 m 氣溫以及比濕。目前OAFlux 湍流熱通量數據是被人們公認為質量較高的熱通量數據。本文規定潛熱和感熱通量（湍流熱通量）向上為正，即當湍流熱通量為正時，海洋失去熱量，大氣得到熱量。同時對比分析了由美國 國 家 環 境 預 測 中 心（ National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和日本氣象廳（JRA-55）提供的再分析資料中的湍流熱通量數據，JRA-55 的湍流熱通量數據僅更新至2013年。在分析中，為估計湍流交換系數，本文使用1985～2018年OAFlux 逐日數據。

本文還使用了由NCEP 提供的1958～2018年的大氣風應力和10 m 水平風、英國Hadley 中心提供的1958～2018年期間的SST 和EN4.2.1次表層海溫（5～1000 m 上層海洋不等間距分布共有27 層）的月平均數據。除此之外，本文也使用了1958～2018年德國海洋環流和海洋氣候常規估算第三版本（General Estimating the Circulation & Climate of the Ocean version 3.0，GECCO3；5～1000 m 上層海洋不等間距分布共有24 層）月平均海洋再分析數據集，包括洋流緯向流速和垂直速度。PDO指數從http://research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest.txt [2021-3-25] 網站下載。本文中，所有數據水平分辨率均被插值成2°×2°，GECCO3 數據其在垂直方向上被線性插值成和EN4.2.1 數據垂直層次一致。

2.2 分析方法

2.2.1 PDO年際和年代際指數

在本研究中，我們主要關注北太平洋在年際和年代際尺度的SSTA 和湍流熱通量異常相關關系，因此所分析的變量均通過最小二乘法去掉線性趨勢。回歸分析中對回歸系數的顯著性檢驗采用t檢驗。利用逐月PDO指數序列經過96月（8年）Lanczos 高通/低通濾波得到年際/年代際PDO指數序列（圖1a），并將其回歸到SSTA 和湍流熱通量異常場，用以分析北太平洋SSTA 和湍流熱通量異常在PDO年際/年代際時間尺度上的分布及其相關關系。圖1b 是1958～2018年期間PDO 逐月指數的功率譜，由圖可以看出PDO 的年代際振蕩短周期大約為10～12年，10年左右的功率譜峰值通過了90%的置信水平。

圖1 1958～2018年（a）標準化PDO指數逐月時間序列（柱狀）以及經過96 個月Lanczos 高通/低通濾波后的PDO指數的逐月時間序列，（b）PDO 逐月時間序列的功率譜分析，紅色虛線、黑色點線、黑色點虛線分別表示通過紅噪音檢驗、90%、95%的置信水平檢驗，黑點及數字表示周期在10年以上的顯著周期Fig. 1 (a) Monthly standardized PDO (Pacific Decadal Oscillation) index (bars) and PDO index with the 96-month Lanczos high-pass/low-pass filtering, (b) power spectrum of the monthly PDO index from 1958 to 2018. In Fig. b, the red dashed, black-dotted, and dot-dashed lines are the red noise test line, statistically at 90%, and 95% confidence levels, respectively. The black dot and number indicate the significant period over a decade

2.2.2 湍流熱通量

本文主要從SSTA 和湍流熱通量異常相關關系角度揭示北太平洋在年際和年代際尺度上的海氣相互作用特征，同時分析湍流熱通量異常的驅動因子來進一步驗證說明。湍流熱通量包括潛熱通量和感熱通量，參數化公式為

其中，Qe、Qs表示潛熱通量、感熱通量，Ua表示大氣低層全風速（通常在10 m），qs表示海表面的飽和比濕，ts表示SST，qa和ta分別表示大氣近表層比濕和溫度（通常在2 m），Le表示凝結潛熱系數，cp表示定壓比熱， ρa表示低層空氣密度，Ce和Ch分別表示潛熱和感熱通量的湍流交換系數。

從公式（1）、（2）可以看出，湍流熱通量主要依賴于Ua、qa、ts（qs由ts計算得到）、ta，因此我們依據Tanimoto et al.（2003）所提供的方法，將潛熱和感熱通量參數化公式線性化來評估驅動湍流熱通量異常的主導因子。將公式（1）、（2）中物理量分解成時間平均量（）和擾動量（X′），則湍流熱通量擾動量為

其中，時間平均量使用各月的氣候場，擾動量是相對于各月氣候場的偏差。這里僅考慮等式右邊前兩項對于湍流熱通量異常的貢獻，最后兩項屬于二階小量可以忽略不計。在分析各因子的貢獻之前，需估計Ce和Ch（除兩系數未知外，其他量已知）。我 們 根 據Small et al.（2019）所 提 方 法，利 用1985～2018年OAFlux 逐日數據，根據公式（1）、（2）計算得到湍流交換系數Ce和Ch，取該時段系數的氣候場作為Ce和Ch的估計值，且估計值范圍在5×10?4～2×10?3之間，超出該范圍剔除。所估計的Ce和Ch分布如圖2 所示。

圖2 1985～2018年（a）潛熱通量湍流交換系數（Ce）、（b）感熱通量湍流交換系數（Ch）估計值分布（×10?3）Fig. 2 Estimate of turbulent exchange coefficients (×10?3) of (a) latent heat flux (Ce), (b) sensible heat flux (Ch) during 1985–2018

3 北太平洋年際、年代際尺度海氣相互作用特征

3.1 與PDO 相關的SSTA 和湍流熱通量異常之間相關關系

熱通量是很難直接觀測得到的物理量，其時間長度較長、范圍較廣，可用于科學研究的熱通量數據集更是少之又少。OAFlux 湍流熱通量數據是被人們公認為質量較高的熱通量數據。在北大西洋，Gulev et al.（2013）驗證了Bjerknes 猜想：在年際尺度上，SSTA 和湍流熱通量（向上為正）異常表現為顯著負相關，表明大氣強迫海洋；在年代際尺度上，兩者表現為顯著正相關，表明海洋強迫大氣。我們利用OAFlux 數據在北大西洋進行同樣分析，得到了類似結論（圖略）。

對于廣闊的北太平洋來說，SSTA 和湍流熱通量異常相關關系較為復雜，信號較為雜亂。北太平洋上SST 最主要的年代際信號是PDO，其呈現出“馬蹄形”分布，即在北太平洋中西部SST 呈現出一個明顯異常中心，東部相反符號的SSTA 向西北延伸至北美沿岸，向西南延伸至中部熱帶太平洋（Mantua et al., 1997）。因此，對于北太平洋海氣相互作用特征的分析，我們重點關注北太平洋中西部（即PDO 北中心：25°～53°N，147°E～143°W）、赤道中東太平洋地區、以及北美西海岸。圖3a、c和圖3b、d 分別給出了年際和年代際PDO指數序列對SSTA 和湍流熱通量異常場的回歸，代表了年際和年代際尺度PDO 正位相期間，SSTA 和湍流熱通量異常場的空間分布，用以分析北太平洋SSTA 和湍流熱通量異常在年際和年代際尺度上的相關關系。

從圖3a、c 可以看出，在年際尺度PDO 正位相時，赤道中東太平洋地區SSTA 和湍流熱通量（向上為正）異常均呈現出顯著正異常，兩者表現為正相關，即SST 增加，湍流熱通量增加，反之亦然，表明赤道中東太平洋地區主要表現為海洋強迫大氣。我們將PDO 北中心劃分為北太平洋中部和西部兩個區域來分析，北太平洋西部即在黑潮—親潮延伸（KOE）區附近。在北太平洋中部，湍流熱通量呈現出微弱的負異常（圖3c），SST 呈現出顯著負異常（圖3a），兩者呈現出一定的正相關，此處表現出一定海洋強迫大氣，這可能與El Ni?o 發生時，赤道地區平均斜溫層加深，為補充這種熱量的增加，熱帶外地區的平均斜溫層變淺，即有熱帶外向熱帶的經向熱量輸送，則在北太平洋中部表現為海溫降低，洋面湍流熱通量異常減小，即湍流熱通量異常由海洋驅動；另一方面，由El Ni?o 激發出的PNA 型強迫阿留申低壓異常，從而引起中緯度地區西風增強，引起北太平洋中部地區表面熱通量、海洋垂直混合以及埃克曼輸送異常，也會引起該區域SST 冷異常（Graham et al., 1994;Alexander et al., 2002; Wu et al., 2003），即從局地海氣相互作用角度來說，表現為大氣強迫海洋，所以此處的湍流熱通量異常表現比較弱。北太平洋的湍流熱通量異常信號主要在KOE 區附近，在年際尺度PDO 正位相時KOE 區呈現出顯著正異常（圖3c），而SST 呈現出顯著負異常（圖3a），兩者表現為負相關，即湍流熱通量增加，SST 減小，反之亦然，此處主要表現為大氣強迫海洋。

圖3 1958～2018年（a）SSTA（單位：°C）和（c、e、g）湍流熱通量異常（HF，單位：W m?2）對年際PDO指數的回歸分布，打點區域表示通過95%的置信水平檢驗，SST 來自于HadISST 數據集，圖c、e、g 的湍流熱通量分別來自于1958～2018年OAFlux 數據集、1958～2018年NCEP 數據集和1958～2013年JRA-55 數據集。（b、d、f、h）同（a、c、e、g），但為對年代際PDO指數的回歸分布，打點區域表示通過90%的置信水平Fig. 3 Distribution of the regressed (a) SSTA (units: °C) and (c, e, g) turbulent heat flux anomalies (HF; units: W m?2) upon the interannual PDO index from 1958 to 2018, the areas with dots are statistically above the 95% confidence level. SST is from HadISST data, and turbulent heat fluxes in Figs. c, e, g from OAFlux data during 1958–2018, NCEP data during 1958–2018, JRA-55 data during 1958–2013, respectively. (b, d, f, h) As in (a, c,e, g), but upon the decadal PDO index, the areas with dots are statistically above the 90% confidence level

在年代際尺度PDO 正位相時，赤道中東太平洋地區湍流熱通量異常信號微弱且不單一（圖3d）。對于整個PDO 北中心，SST 呈現出顯著負異常（圖3b），圖3d 中大部分地區的湍流熱通量呈現出正異常，兩者表現為負相關，表明此處主要為大氣強迫海洋現象。而在北美西海岸卻凸顯出一個特殊的區域——加利福尼亞附近，該區域湍流熱通量呈現出顯著正異常（圖3d），同時SST 也呈現出顯著正異常（圖3b），兩者則表現為正相關，表明在年代際尺度上，北太平洋地區只有加利福尼亞附近海洋對大氣有強迫作用。

使用NCEP 資料（圖3e、f）和JRA-55 資料（圖3g、h）的湍流熱通量再分析數據進行同樣的分析。在年際尺度上，三套數據的結果幾乎一致（圖3c、e、g），熱帶中東太平洋地區，湍流熱通量有顯著正異常，在KOE 區附近，有顯著負異常。在北太平洋中部，湍流熱通量呈現出微弱的負異常。年代際尺度上，在PDO 北中心，JRA-55 資料的分析結果與其他兩套數據略有差異，PDO 正位相時正湍流熱通量異常不是那么明顯，但是在加利福尼亞附近三套數據得到的結論一致，均表現為PDO 正位相時有較明顯的正湍流熱通量異常，表現為海洋強迫大氣現象（圖3d、f、h）。

3.2 與PDO 相關的湍流熱通量異常驅動因子

為更好地理解3.1 節中所得出的結論，本文從湍流熱通量異常的驅動因子角度出發，進一步分析與PDO 相關的湍流熱通量異常到底是由海洋所驅動還是由大氣所驅動，以此來對所得到的結論加以驗證說明，本文僅關注在3.1 節中所提到湍流熱通量異常顯著的區域。根據2.2 節中湍流熱通量異常（潛熱和感熱通量異常之和）的線性化公式，可知湍流熱通量異常主要包括風速異常貢獻、以及海氣溫差和比濕差異常貢獻，對于海氣溫差和比濕差的貢獻，進一步分析SST、氣溫和大氣比濕中哪一項貢獻最大。

在年際尺度PDO 正位相時，赤道中東太平洋地區湍流熱通量表現為顯著正異常（圖3c），即海洋向大氣釋放的熱量顯著增加。對比圖4a、b 可知，該區域風速異常信號并不單一，但主要表現為負異常，即PDO 正位相時，赤道中東太平洋地區東風減弱，這會引起洋面向上湍流熱通量異常減小（圖4a），而海氣溫差和比濕差表現為異常增大，會引起洋面湍流熱通量異常增大（圖4b），因此該區域湍流熱通量正異常主要是由于海氣溫差和比濕差的異常增大所引起。對比圖4c、d 可知，該區域海氣溫差和比濕差的異常增大主要是海氣比濕差異常增大的貢獻（圖4c），而海氣溫差貢獻很小（圖4d）。進一步對比分析圖4e、f 可知，該區域海氣比濕差的異常增大則主要歸因于SST 的異常增暖，即SSTA 調控湍流熱通量異常，進而可能強迫出大氣異常。

同理，年際尺度PDO 正位相時KOE 區的湍流熱通量顯著正異常（圖3c），對比分析圖4a、b 可以發現，年際尺度PDO 正位相時該區域風速、海氣溫差和比濕差均呈現出顯著正異常，均可引起湍流熱通量的正異常。進一步分析可以確定主要是由該區域氣溫更強的異常冷卻（圖4e、f；大氣氣溫和比濕對湍流熱通量異常的貢獻與其自身異常符號相反）導致海氣溫差異常增大（圖4c、d），從而引起海氣溫差和比濕差的異常增大（圖4b），而該區域氣溫更強的異常冷卻則歸因于西北風的異常增強（圖4a），將更高緯度陸地上的干冷空氣吹過來；即該區域湍流熱通量的正異常最終是由風速的異常增強所致，進而強迫出SST 負異常。這進一步驗證了3.1 節中在年際尺度所得到的結論。

年代際尺度上湍流熱通量異常驅動因子的分析同年際尺度。在年代際尺度上，對于PDO 北中心來說，該區域湍流熱通量正異常（圖3d）主要是由PDO 正位相時西風異常增強所引起（圖5a），進而可能強迫出SST 負異常，該區域海氣溫差和比濕差并沒有明顯異常信號（圖5b）。而加利福尼亞附近湍流熱通量正異常（圖3d）主要是由于PDO 正位相時該區域SST 異常增暖（圖5e、f）而引起海氣比濕差異常增大（圖5c、d）所致，進而可能影響大氣。這進一步驗證了3.1 節中在年代際尺度所得到的結論。

圖5 同圖4，但為年代際PDO指數的回歸分布，打點區域表示通過90%的置信水平檢驗Fig. 5 As in Fig. 4, but for decadal PDO index, the areas with dots are statistically above the 90% confidence level

3.3 年代際尺度在冬季、夏季與PDO 相關的海氣相互作用特征

年代際尺度上，北太平洋海氣相互作用特征在冬季和夏季是否和全年一致呢？由圖6 可知，對于PDO 北中心來說，在冬季，SSTA 和湍流熱通量異常表現為負相關（圖6a、b），湍流熱通量正異常相較于全年（圖3d）和夏季（圖6d）來說最強，即大氣對海洋的強迫作用最明顯；而在夏季（圖6c、d），兩者表現為正相關，即表現出和冬季相反的海氣相互作用特征，但相較于冬季來說，該湍流熱通量負異常較弱。因此對于全年來說，PDO 北中心的海氣相互作用特征表現為和冬季一致，即大氣強迫海洋。而在加利福尼亞附近，不論冬季還是夏季，SSTA 和湍流熱通量異常均表現為明顯正相關，表明北太平洋僅有此處為穩定的海洋強迫大氣現象，只是冬季湍流熱通量異常中心稍偏南。

圖6 1958～2018年年代際尺度冬季（a）SSTA（單位：°C）和（b）湍流熱通量異常（單位：W m?2）對PDO指數的回歸分布。（c、d）同（a、b），但為夏季的結果。打點區域表示通過90%的置信水平檢驗。SST 來自于HadISST 數據集，湍流熱通量來自于OAFlux 數據集Fig. 6 Distributions of the regressed (a) SSTA (units: °C), (b) turbulent heat flux anomalies (units: W m?2) upon the decadal PDO index in winter(DJF-mean) from 1958 to 2018. (c, d) As in (a, b), but for results in summer (JJA-mean). The areas with dots are statistically above the 90% confidence level. SST is from HadISST data, and turbulent heat fluxes are from OAFlux data

4 加利福尼亞附近海洋過程與PDO短周期的可能聯系

通過第三部分北太平洋在年際、年代際尺度的SSTA 和湍流熱通量異常相關關系分析，可見與PDO 相關的海氣相互作用特征在年代際尺度上有這樣的表現：PDO 北中心主要表現為大氣強迫海洋；加利福尼亞附近表現為海洋強迫大氣，且年代際尺度北太平洋上僅有該區域表現為海洋強迫大氣。因此，本文想進一步探討加利福尼亞附近海洋過程如何？與PDO 的短周期振蕩（準十年周期）有著什么聯系？

圖7 表示加利福尼亞附近（20°～40°N，140°W～110°W）SSTA 區域平均（記為CaI）標準化逐月時間序列（圖7a）及其功率譜分析（圖7b）。從CaI 的功率譜分析（圖7b）可知，加利福尼亞附近SSTA 具有12年左右周期，且通過95%的置信水平。鑒于這一結果，同時也為能夠更加清晰地看出海洋中異常信號的變化，本文對下文所有分析數據都進行96～240月（8～20年）的Butterworth帶通濾波。

圖7 1958～2018年（a）加利福尼亞附近（20°～40°N，140°～110°W）SSTA 區域平均（CaI）的標準化逐月時間序列，（b）CaI 的功率譜，紅色虛線、黑色點線、黑色點虛線分別表示通過紅噪音檢驗、90%、95%的置信水平，黑點及數字表示周期在10年以上的顯著周期。SST 來自于HadISST 數據集Fig. 7 (a) Standardized monthly time series of SSTA averaged over the area off the California coast (CaI, 20°–40°N, 140°–110°W), (b) power spectrum of CaI during 1958–2018. In Fig. b, the red dashed, black-dotted, and dot-dashed lines are the red noise test line, statistically above the 90%confidence level, and 95% confidence level, respectively. The black dot and number indicate the significant period over a decade. SST is from HadISST data

圖8 為CaI 和海洋次表層（5～1000 m 的上層海洋）海溫異常、SSTA 及風應力異常的超前滯后回歸分布。分析可見：當CaI 滯后各要素場84 個月（7年，Lag 84 mon）時（圖8a1–d1），SSTA 回歸到CaI指數的空間模態類似于PDO 冷位相，在赤道中東太平洋至加利福尼亞附近為SST 冷異常，北太平洋中部為SST 暖異常，類似于ENPM模態冷位相階段（圖8c1）。相應地，加利福尼亞沿岸有反氣旋型環流，北太平洋東部副熱帶區域為東北風風應力異常，北太平洋中部、赤道太平洋中部為顯著的偏東風風應力異常（圖8d1），這種可能由加利福尼亞附近冷海溫導致的風應力異常疊加在風場氣候場（圖4a：赤道中東太平洋偏東風，北太平洋東部副熱帶區域為東北風，北太平洋中部為偏西風）上，根據Wind-Evaporation-SST（WES）機制（Xie and Philander, 1994），引起赤道中東太平洋至加利福尼亞沿岸SST 冷異常，北太平洋中部SST 暖異常。隨著時間變化，赤道西太平洋異常暖水沿著溫躍層東移，赤道中東太平洋約100 m 以上的次表層異常冷水上翻（圖8a1–a4），而加利福尼亞附近異常冷水隨時間下沉（圖8b1–b4）。當CaI 滯后各要素場12 個月（1年，Lag 12 mon）時（圖8a4–d4），加利福尼亞沿岸有SST 暖異常，伴隨有氣旋性風應力環流，北太平洋東部副熱帶區域為西南風異常，北太平洋中部、赤道太平洋中部為顯著的西風應力異常，根據WES 機制，引起赤道中東太平洋至加利福尼亞沿岸SST 出現暖異常，北太平洋中部出現SST 冷異常，類似于PDO 暖位相階段，基本完成半個周期振蕩，時間約為5～6年。當CaI 超前各要素場60 個月（5年，Lead 60 mon）左右（圖8a8–d8），基本完成一個周期振蕩，時間約為12～13年。

圖8 1958～2018年96～240 個月帶通濾波的CaI 與（a1–a9）5°S～5°N 平均次表層海溫異常（單位：°C）、（b1–b9）30°～40°N 平均次表層海溫異常（單位：°C）、（c1–c9）SSTA（單位：°C）、（d1–d9）風應力異常（單位：N m?2）的超前—滯后回歸分布。圖b1–b9 中，箭頭表示洋流緯向流速uo（單位：cm s?1）和垂直流速wo（單位：10?5 cm s?1）的氣候場；圖d1–d9 中，黃色陰影區域表示通過90%的置信水平檢驗。圖a1–a9、b1–b9、c1–c9 中打點區域表示通過90%的置信水平檢驗。Lag 表示CaI 滯后，Lead 表示CaI 超前。SST 來自于HadISST數據集，次表層海溫來自于EN4.2.1 數據集，風應力來自于NCEP 數據集，uo 和wo 來自于GECCO3 數據集Fig. 8 Lead–lag regression between the 96–240-month band-pass CaI and (a1–a9) subsurface ocean temperature anomalies (units: °C) averaged over 5°S–5°N, (b1–b9) subsurface ocean temperature anomalies (units: °C) averaged over 30°–40°N, (c1–c9) SSTA (units: °C), (d1–d9) wind stress anomalies (units: N m?2) during 1958–2018. In Figs. b1–b9, arrows represent the climatological ocean circulation of the zonal speed uo (units: cm s?1)and vertical speed wo (units: 10?5 cm s?1); in Figs. d1–d9, the yellow shadings indicate statistically above the 90% confidence level; in Figs. a1–a9,b1–b9, c1–c9, the dots areas indicate statistically above the 90% confidence level. Lag indicates CaI lagging, and Lead indicates CaI leading. SST, subsurface ocean temperature, wind stress, and uo, wo obtained from HadISST data, EN4.2.1 data, NCEP data, and GECCO3 data, respectively

進一步分析赤道中太平洋（5°S～5°N，180°～120°W）區域平均逐月SSTA（圖9a）和北太平洋東部副熱帶地區（20°～40°N，140°～110°W）區域平均逐月經向風應力（圖9b）的功率譜，可見它們均有12年左右周期，與加利福尼亞附近SSTA 的功率譜結果一致，但赤道中太平洋SSTA的12年周期只通過了紅噪音檢驗，未通過90%的置信水平。這說明北太平洋準12年振蕩的關鍵區域和要素場包括加利福尼亞附近SSTA、赤道中太平洋SSTA，以及北太平洋東部副熱帶區域的經向風應力，這種準12年振蕩周期與PDO 的短周期振蕩（準十年周期）類似。

圖9 1958～2018年（a）赤道中太平洋（5°S～5°N，180°～120°W）區域平均逐月SSTA、（b）北太平洋東部副熱帶地區（20°～40°N，140°～110°W）區域平均逐月經向風應力的功率譜，紅色虛線、黑色點線、黑色點虛線分別表示通過紅噪音檢驗以及通過90%、95%的置信水平檢驗，黑點及數字表示周期在10年以上的顯著周期。SST 來自于HadISST 數據集，經向風應力來自于NCEP 數據集Fig. 9 Power spectrum of (a) monthly SSTA averaged over the equatorial central Pacific (5°S–5°N, 180°–120°W) and (b) monthly meridional wind stress averaged over the subtropical eastern North Pacific (20°–40°N, 140°–110°W) during 1958–2018. The red dashed, black-dotted, and dot-dashed lines indicate the red noise test line, statistically above the 90% confidence level, and 95% confidence level, respectively. The black dot and number indicate the significant period of over a decade

5 結論與討論

本文通過分析北太平洋在年際和年代際尺度與PDO 相關的SSTA 和湍流熱通量異常的相關關系，探討了PDO 在年際和年代際尺度上的不同海域海氣相互作用特征，并進一步分析了加利福尼亞附近海洋過程與PDO 短周期（準10年周期）的可能聯系。主要結論如下：

（1）在年際尺度，赤道中東太平洋地區SSTA 和湍流熱通量（向上為正）異常表現為顯著正相關，即海洋可能通過熱通量加熱/冷卻大氣；KOE 區兩者表現為顯著負相關，即湍流熱通量異常主要受到大氣風速異常影響，SST 則表現為對熱通量異常的響應，表現為大氣強迫海洋。

（2）在年代際尺度，PDO 北中心SSTA 和湍流熱通量（向上為正）異常為負相關，表現為一定的大氣強迫海洋；加利福尼亞附近兩者表現為顯著正相關，即海洋可能通過熱通量加熱/冷卻大氣。這種海氣相互作用特征在不同季節稍有變化：PDO 北中心在冬季表現為強烈的大氣強迫海洋現象，而在夏季則表現為較弱的海洋強迫大氣現象，因此就全年而言PDO 北中心表現為大氣強迫海洋。加利福尼亞附近無論是在冬季還是夏季均表現為顯著的海洋強迫大氣現象。

（3）加利福尼亞沿岸附近是北太平洋準12年振蕩中的關鍵區域之一，與PDO 準十年的周期類似。赤道中太平洋海水上翻和北太平洋東部副熱帶區域經向風應力的變化是北太平洋準12年振蕩另外兩個重要環節。加利福尼亞沿岸附近的冷（暖）海溫異常，伴隨著反氣旋（氣旋）型風應力環流，以及北太平洋東部副熱帶為東北風（西南風）異常，北太平洋中部、赤道太平洋中部為顯著的東風（西風）異常。這種可能由加利福尼亞附近的冷（暖）海溫導致的風應力異常疊加在風場氣候場上，引起赤道中東太平洋至加利福尼亞沿岸出現SST 冷（暖）異常，北太平洋中部出現SST 暖（冷）異常。同時伴隨有赤道西太平洋暖（冷）異常海水沿著溫躍層東移上翻。

本文雖然指出了加利福尼亞附近SST 具有海洋強迫大氣的獨特性，且有準12年振蕩周期，PDO 準十年振蕩可能與此有一定聯系，但是加利福尼亞附近SSTA 的變化與什么有關，此區域是否是觸發北太平洋準12年振蕩形成的關鍵區域，還需進一步利用混合層溫度變化方程進行收支分析，對比分析Ekman 平流、表面湍流熱通量和風驅動的海洋垂直混合對局地混合層溫度變化的貢獻，并進一步利用數值試驗分析加利福尼亞附近海洋過程對北太平洋準12年振蕩模態的作用。