張?jiān)銎?，沈柏竹，李尚鋒，龔志強(qiáng)，封國(guó)林，3

（1.揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風(fēng)研究開放實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130062；3.中國(guó)氣象局 國(guó)家氣候中心 氣候診斷預(yù)測(cè)室，北京 100081）

0 引言

北太平洋海氣耦合系統(tǒng)是北半球氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其中包含了北太平洋濤動(dòng)（North Pacific oscillation，NPO）、西太平洋遙相關(guān)型（Western Pacific teleconnection，WP）、極渦和太平洋年代際濤動(dòng)（Pacific decadal oscillation，PDO）等氣候模態(tài)［1－3］；因此，在年代際尺度上，北太平洋海氣耦合系統(tǒng)是中高緯度對(duì)亞洲和北美等區(qū)域熱動(dòng)力過程和氣候變化影響較大的信號(hào)源之一.已有研究表明，20世紀(jì)70年代中后期，北太平洋存在一次顯著的年代際變化，揭示了這一次突變?cè)跉夂蛳到y(tǒng)中均有所反映，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響［4－7］；海表溫度（sea surface temperature，SST）年代際變化的研究最初集中在北太平洋地區(qū).1976—1977年，北太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)發(fā)生了一次年代際尺度的躍變，且該地區(qū)的SST和大氣環(huán)流發(fā)生了十分明顯的年代際變化.［8－9］ZHANG等［10］指出全球海表溫度時(shí)間尺度超過6a以上的低頻變化第一模態(tài)的主要特征是1976—1992年的東太平洋變暖和北太平洋變冷.肖棟和李建平［11］研究了全球海表溫度的年代際尺度突變特征，給出主要模態(tài)，并分析其與PDO的可能聯(lián)系等.施能［12］指出亞洲地區(qū)和亞歐地區(qū)徑向環(huán)流在1983年突然減弱，進(jìn)而對(duì)北太平洋和亞歐環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響.XIAO等［13］也研究了北太平洋海氣系統(tǒng)突變的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)70年代的突變海洋可能是一個(gè)重要熱源，垂直空間上突變由低層向高層傳遞.

有關(guān)年代際尺度北太平洋海氣系統(tǒng)突變研究的意義是顯而易見的，但值得指出的是，這些工作大多是對(duì)海表溫度和高度場(chǎng)資料直接進(jìn)行分析，且側(cè)重于空間分布特征的分析；而氣候模態(tài)的存在必然是時(shí)間尺度分量和空間模態(tài)的共同作用，但以往關(guān)于時(shí)間尺度分量與突變的聯(lián)系研究則相對(duì)較少，也沒有解釋北太平洋海氣系統(tǒng)突變是何種時(shí)間尺度分量起主導(dǎo)作用.此外，廉毅［14］指出，北太平洋海氣系統(tǒng)中NPO的變化對(duì)中國(guó)東北地區(qū)溫度變化和降水等都有重要影響；劉宗秀［15］通過定義北半球極渦強(qiáng)度指數(shù)，分析了極渦與中國(guó)地區(qū)溫度變化的關(guān)系.這些研究都充分說明北太平洋海氣系統(tǒng)與中國(guó)氣候變化的重要關(guān)系，但目前對(duì)北太平洋海氣系統(tǒng)年代際尺度突變的空間模態(tài)的認(rèn)識(shí)還非常不清晰，且又面臨急需深入剖析北太平洋海氣系統(tǒng)年代際變化特征及其與中國(guó)氣候變化的聯(lián)系，進(jìn)而為年代際尺度的氣候變化研究提供背景參考.另外，在突變定義方面，符淙斌等［16］提出了均值突變，封國(guó)林、萬仕全、龔志強(qiáng)、何文平等提出了動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)突變［17－19］，李建平等［20］提出了一個(gè)完備的氣候突變定義.在突變檢測(cè)技術(shù)方面，有傳統(tǒng)的滑動(dòng)t方法和MK方法，近幾年還出現(xiàn)了啟發(fā)式分割算法（BG算法）［21］和Q指數(shù)算法［22］，其適用于氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)突變檢測(cè)等.基于上述研究，本文應(yīng)用滑動(dòng)t均值突變檢測(cè)方法、BG方法、MK方法和帶通濾波方法等，結(jié)合極渦指數(shù)、西風(fēng)漂流區(qū)海溫指數(shù)、NPO指數(shù)和東亞夏季風(fēng)指數(shù)、北太平洋海表溫度和高度場(chǎng)資料等，根據(jù)不同時(shí)間尺度分量分別檢測(cè)突變信號(hào)，進(jìn)而判斷北太平洋海氣系統(tǒng)突變是何種尺度分量起主導(dǎo)作用，討論不同突變時(shí)期前后海氣系統(tǒng)年代際突變的垂直結(jié)構(gòu)特征.

1 資料和方法

本文采用李小泉等［23］計(jì)算的春季逐月太平洋極渦面積指數(shù)（1948—2007年）、亞洲極渦面積指數(shù)（1948—2007年）、北半球極渦面積指數(shù)（1948—2007年），廉毅等［24－25］計(jì)算的西風(fēng)漂流區(qū)海表溫度指數(shù)（1951—2002年）、東亞夏季風(fēng)指數(shù)（1948—2002年）以及NPO指數(shù)（1948—1998年）.海表溫度突變研究所用資料為美國(guó)NCEP網(wǎng)站1948—2007年春季逐月海表溫度數(shù)據(jù)，環(huán)流系統(tǒng)突變特征研究所用高度場(chǎng)資料為NCEP網(wǎng)站1948—2007年春季逐月再分析格點(diǎn)數(shù)據(jù).

研究方法主要包括相關(guān)分析、突變檢測(cè)和濾波方法等，其中相關(guān)分析方法是Pearson相關(guān)系數(shù)法；突變檢測(cè)方法有滑動(dòng)t方法（MTT）、啟發(fā)式分割算法（BG）、MK方法等；濾波方法采用傳統(tǒng)的帶通濾波.

2 北太平洋各種指數(shù)的年代際突變特征

由表1可知，東亞夏季風(fēng)、亞洲、太平洋、北半球極渦面積指數(shù)、NPO、西風(fēng)漂流區(qū)溫度等兩兩之間存在較好的相關(guān)性，極渦面積指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)均在0.3以上，通過了0.05的信度檢驗(yàn).此外，東亞夏季風(fēng)與太平洋極渦面積指數(shù)、亞洲極渦面積指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為－0.36和0.27，均通過了0.05的信度檢驗(yàn).東亞夏季風(fēng)與西風(fēng)漂流區(qū)海溫指數(shù)之間也存在一定的關(guān)聯(lián)性.顯然，這些指數(shù)作為一個(gè)整體，在一定程度上共同表征了北太平洋海氣耦合系統(tǒng)的氣候變化特征；因此，本文應(yīng)用多種檢測(cè)方法，結(jié)合各種指數(shù)進(jìn)一步研究北太平洋的年代際突變特征.

表1 多種春季指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Coefficients between multi－indices in spring

表2給出了各種指數(shù)的突變時(shí)段.極渦面積指數(shù)、NPO、西風(fēng)漂流區(qū)海溫和東亞夏季風(fēng)突變主要發(fā)生在1957，1967，1976和1988年前后.1966—1968年，極渦指數(shù)、NPO、西風(fēng)漂流區(qū)溫度和東亞夏季風(fēng)等指數(shù)均存在顯著突變；1967年前后發(fā)生的均值和趨勢(shì)的突變是一次異常顯著的氣候變化信號(hào)，其發(fā)生機(jī)制可能是氣候系統(tǒng)內(nèi)部多變量的調(diào)整.1967年前后北太平洋區(qū)域的氣壓指數(shù)由下降轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?shì)，西風(fēng)漂流區(qū)的溫度由平穩(wěn)波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?shì)，極渦由上升趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)波動(dòng)，夏季風(fēng)則主要表現(xiàn)為變化幅度的突變，即大幅波動(dòng)向小幅變化轉(zhuǎn)變.

表2 多種指數(shù)的突變時(shí)段Tab.2 Abrupt change scope of multi－indices 年份

對(duì)各種指數(shù)應(yīng)用帶通濾波器進(jìn)行濾波，分別濾為1～8，8～12，20～30a 3種特征尺度.應(yīng)用BG算法分別檢測(cè)，表3給出了突變檢測(cè)結(jié)果.由表3可以看出，太平洋極渦60年代的突變主要是1～8a尺度分量的貢獻(xiàn)；亞洲極渦60年代的突變主要是1～8a尺度分量的貢獻(xiàn)；西風(fēng)漂流區(qū)60年代的海溫突變則主要是1～8a尺度分量的貢獻(xiàn)；夏季風(fēng)60年代的突變也是1～8a尺度分量的貢獻(xiàn)；NPO 60年代的突變是由何種尺度分量的貢獻(xiàn)則不太明顯.此外，各種指數(shù)70年代和90年代的突變主要是由1～8a尺度和20～30a尺度分量作用的結(jié)果，8～12a尺度分量對(duì)氣候突變的貢獻(xiàn)相對(duì)較小.

表3 濾波突變檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Results of filtering abrupt change detection 年份

3 北太平洋海表溫度的年代際突變特征

在分析各種指數(shù)突變的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步討論了北太平洋海表溫度和環(huán)流系統(tǒng)的突變時(shí)空演變特征.由圖1可以看出，1968，1976和1998年前后的突變點(diǎn)數(shù)較高，因此北太平洋海溫突變主要發(fā)生在3個(gè)時(shí)段，其中以1976年前后的突變尤為顯著.

圖2顯示北太平洋海表溫度3個(gè)時(shí)期主要突變的空間分布特征.由圖2可見，1968年前后的突變主要發(fā)生在北太平洋西北部、北部和東北部地區(qū)，北太平洋東南部在1970年前后存在一些突變.1976年前后海表溫度突變的空間分布較廣，在北太平洋的西北部、北部、東北部、中部和東南部均有突變點(diǎn).從時(shí)間先后順序看，北太平洋東部地區(qū)首先在1975—1976年發(fā)生突變，北部則在1977—1978年發(fā)生突變，西北部地區(qū)突變時(shí)間為1981—1986年，總體表現(xiàn)為自東向西的傳播特征；北太平洋中部在1975—1976年發(fā)生突變，東南部則在1977—1978年發(fā)生突變，總體特征表現(xiàn)為自西向東的傳播.1998年前后的突變相對(duì)較弱，分布范圍主要在北太平洋南部地區(qū).

對(duì)北太平洋海表溫度場(chǎng)序列進(jìn)行帶通濾波，得到1～8，8～12，20～30a尺度的分量.對(duì)這3組分量分別進(jìn)行突變檢測(cè)，并統(tǒng)計(jì)突變點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化（圖3）.由圖3分析可知，在1～8a尺度和20～30a尺度分量上，突變點(diǎn)點(diǎn)數(shù)相對(duì)較多，而8～12a尺度分量?jī)H僅在70年代初期有一些突變.此外，1967，1976，1988和1998年前后的幾次突變，其1～8a尺度分量和20～30a尺度分量突變點(diǎn)數(shù)都較多，因此這些時(shí)期的突變主要是這兩種尺度共同作用的結(jié)果.比較而言，北太平洋海表溫度場(chǎng)1967年前后的突變20～30a尺度作用更強(qiáng)，1976年前后的突變1～8a尺度作用較強(qiáng)，1988，1998年前后的突變則兩種尺度作用相當(dāng).

4 北太平洋環(huán)流系統(tǒng)的年代際突變特征

由圖4可以看出，在北太平洋區(qū)域由低層到高層的垂直空間中，高度場(chǎng)的突變均存在3個(gè)比較集中的時(shí)段，分別在1968，1980，1998年前后，其中以1968年前后的突變最為顯著.顯然，這3個(gè)主要的突變時(shí)期與圖1中海表溫度突變的主要時(shí)段均有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.值得注意的是，每一層高度場(chǎng)突變點(diǎn)數(shù)均比海表溫度場(chǎng)低很多，由此可以猜測(cè)海表溫度突變可能是北太平洋海氣系統(tǒng)突變的一個(gè)外部強(qiáng)迫.

圖5給出了高度場(chǎng)不同層次突變的空間分布.由圖5可見，1968年前后的分布主要集中在北太平洋北部地區(qū).在100hPa的高層大氣中，北太平洋北部、西北部和東南部均發(fā)生了突變，且突變首先在北部東側(cè)發(fā)生，進(jìn)而向西傳遞至西北部；由高層至低層，北部和東南部的突變都逐漸減弱，中層大氣突變主要發(fā)生在北太平洋中部和東南部；低層大氣突變發(fā)生在東南部.由低層至高層，北太平洋北部地區(qū)始終存在突變，因此阿留申低壓所在區(qū)域是北太平洋環(huán)流系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域.1968年前后的突變，高層主要分布在北太平洋北部和東南部，低層則主要在北太平洋東南部.1980年前后的突變主要分布在北太平洋南部和東南部地區(qū)，100hPa的高層大氣中突變范圍較大，南部和東南部均有大量突變，且突變從南部地區(qū)開始，進(jìn)而向東傳遞；而中層和低層的大氣突變主要分布在東南部，南部地區(qū)突變信號(hào)不強(qiáng)，另外西南部也有少量突變.1998年前后的突變主要集中在北太平洋東南部地區(qū)，這一時(shí)期的突變信號(hào)較弱，且100hPa對(duì)應(yīng)的高層大氣中幾乎沒有突變，主要對(duì)應(yīng)于低層和中層大氣環(huán)流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)折，且突變區(qū)域主要分布在東南太平洋地區(qū).對(duì)比圖4（b）中1976—1986年的突變可知，海表溫度和高度場(chǎng)發(fā)生突變?cè)跂|南太平洋有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.由此可見，高度場(chǎng)的突變大致可以分成兩塊區(qū)域：北太平洋北部和北太平洋東南部.

結(jié)合帶通濾波方法，本文分析了1～8，8～12，20～30a尺度分量對(duì)這3個(gè)時(shí)期突變的可能作用.圖6給了8個(gè)層次高度場(chǎng)濾波后不同尺度分量中突變點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化情況.顯然，在20～30a尺度，各層次1998年前后的突變點(diǎn)數(shù)明顯高于其他時(shí)期，而在1968年前后也略高于平均值；在8～12a尺度，各層次突變點(diǎn)數(shù)均較少，大部分年份突變點(diǎn)數(shù)為0；在1～8a尺度，突變點(diǎn)數(shù)集中的時(shí)期主要對(duì)應(yīng)于1968，1998年前后.由此可知，1968年前后突變的主要因素可能是1～8a尺度分量，而1998年前后的突變則是1～8a和20～30a尺度分量共同作用的結(jié)果，8～12a尺度分量對(duì)3個(gè)時(shí)期突變的貢獻(xiàn)較小.值得注意的是，在3種尺度分量中，70年代中后期突變點(diǎn)數(shù)均不是很高，因此70年代末80年代初的突變?cè)诃h(huán)流系統(tǒng)中不太顯著，其對(duì)應(yīng)的主要作用的尺度分量還有待進(jìn)一步研究.顯然，這里的結(jié)果和表3中各種指數(shù)濾波檢測(cè)結(jié)果及北太平洋海溫的濾波檢測(cè)結(jié)果是吻合的，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了近50a的3次突變是北太平洋海氣系統(tǒng)多要素配置特征變化的結(jié)果.

圖2 北太平洋海表溫度突變點(diǎn)數(shù)的空間分布Fig.2 The spatial distribution of abrupt change of SST in North Pacific

圖3 北太平洋海表溫度場(chǎng)序列濾波后突變點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 The time evolution of abrupt change of filtered SST in North Pacific

圖4 北太平洋高度場(chǎng)突變點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4 The time evolution of abrupt change of height field in North Pacific

圖5 北太平洋不同層次高度場(chǎng)突變的空間分布Fig.5 The spatial distribution of abrupt change of different level height field in North Pacific

5 北太平洋海氣系統(tǒng)的突變特征

由圖7海表溫度的合成差圖像可以看出，1968年前后北太平洋東北地區(qū)發(fā)生了降溫突變，而西北部地區(qū)則主要發(fā)生了升溫突變；1976年前后突變最顯著的區(qū)域位于北太平洋中部，發(fā)生了較強(qiáng)的降溫突變，而東北部和東南部則發(fā)生了升溫突變；1998年前后北太平洋東南部發(fā)生了降溫突變，而西南部則發(fā)生了降溫突變，突變顯著中心位于中部地區(qū).總體而言，3個(gè)時(shí)期海表溫度合成差圖像的中心分布與圖2中突變的空間分布是相對(duì)應(yīng)的.

圖8為1 000hPa高度場(chǎng)的合成差圖像.由圖8分析可知，1968年前后北太平洋東北地區(qū)高度場(chǎng)發(fā)生降低突變；1976年前后突變最顯著的區(qū)域在北太平洋北部和東南部，發(fā)生較強(qiáng)的降低突變；1998年前后北太平洋中部和東南部發(fā)生了增加突變.總體而言，3個(gè)時(shí)期海表溫度合成差圖像的中心分布與圖5中高度場(chǎng)突變的空間分布是相對(duì)應(yīng)的.

圖6 北太平洋不同層次高度場(chǎng)濾波后突變點(diǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.6 The time evolution of abrupt change of filtered different level height field in North Pacific

圖7 3個(gè)突變時(shí)期北太平洋海表溫度的合成差Fig.7 The synthetic－difference of SST mode in North Pacific in three abrupt change periods

圖8 3個(gè)突變時(shí)期北太平洋1 000hPa高度場(chǎng)的合成差Fig.8 The synthetic－difference of height field in North Pacific in three abrupt change periods

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