盧姁，包赟，呂慶平

（1.中國人民解放軍61741部隊，北京 100094；2.中國人民解放軍東海艦隊海洋水文氣象中心，浙江寧波 315122）

1 引言

海洋，尤其是熱帶海洋，是大氣運動的重要能源，對氣候變化有著不可忽視的影響。大洋環(huán)流既影響海洋熱含量的分布，也影響到海洋向大氣的熱量輸送過程。低緯度海洋獲得了較多的太陽輻射能，通過大洋環(huán)流可將其中一部分輸送到中高緯度海洋，然后再提供給大氣。前人對熱帶太平洋海洋狀態(tài)的異常多集中在表層溫度異常（SSTA）上，并探討了其與東亞冬、夏季風異常和長江中下游及華北降水、溫度異常之間的關系[1]。海洋流場是重要的動力學變量，其地位不亞于海洋溫度場；為此對熱帶太平洋上層洋流異常進行統(tǒng)計動力診斷是很有必要和十分有意義的。在氣候診斷方面，EOF分解是常用的方法[2]，該方法可用個數(shù)較少的幾個模態(tài)的疊加來描寫原來的氣候變量場，且又能基本涵蓋原來變量場的信息；在此各模態(tài)是相互獨立（正交）的，并具有各自的物理意義；故而該方法已獲得普遍應用。與通常對標量場（如溫度場）EOF分解不同，因水平流場是一個二維向量場，這樣對其做統(tǒng)計動力診斷則必須采用復EOF分解，這是由于復數(shù)可描寫二維向量的緣故；然而復EOF分解要比通常的實EOF分解來得復雜；正因如此，除我們的工作外[3-5]，復EOF分解前人涉及較少。

從北太平洋海域SSTA的EOF分解知，其有兩個主要的年代際變化氣候模態(tài)，分別稱為PDO模態(tài)（第一模態(tài)，其年代際變化周期為約22年）[6]和NP?GO模態(tài)（第二模態(tài)，其年代際變化周期為約13年）[7]；它們也是北太平洋的兩個主要氣候模態(tài)，并對年代際氣候異常有重要影響。我們對熱帶外北太平洋海域的大洋環(huán)流異常做過復EOF分解[5]。并發(fā)現(xiàn)其流場異常的第一、二模態(tài)均有3—7年的年際變化，這是ENSO現(xiàn)象在該海域大洋環(huán)流異常上的反映；在年代際變化上，第一、二模態(tài)分別有明顯的約20年、約18年的周期，第二模態(tài)還有較明顯的約13年的周期，這分別是PDO和NPGO在該流場異常上的反映。眾所周知，ENSO在熱帶太平洋表現(xiàn)最顯著，其具有3-7年的年際變化周期，并與赤道海洋Kelvin波和混合Rossby-重力慣性波關系密切，是氣候變化的強信號。我們的工作[5]表明，熱帶太平洋的EN?SO能夠對熱帶外北太平洋的流場異常發(fā)生影響。

ENSO除有3—7年的年際變化周期外，還有年代際變化。Di Lorenzo等[8]通過量化太平洋年代際尺度的動力作用，建立了一個太平洋氣候變量的概念模型，該模型依賴于海洋年代際變量(PDO,NP?GO)，大氣強迫(AL,NPO)和ENSO循環(huán)以及它們之間的相互聯(lián)系。PDO和NPGO與ENSO循環(huán)的不同階段有關。春季北部的NPO使熱帶太平洋中部產(chǎn)生SSTA，并可通過季節(jié)足跡機制[9-10]來引發(fā)ENSO在下個冬季達到頂峰，然后ENSO通過大氣遙相關對AL產(chǎn)生影響，進而影響到PDO、NPO。通過該季節(jié)足跡過程，NPO不但可影響東太平洋厄爾尼諾[11]，而且也可改變中太平洋厄爾尼諾[12]。在這個過程中，北太平洋的變化在冬季通過海表面熱通量在SST上留下“足跡”，并在海洋中一直儲存到夏季；在副熱帶則可改變包括緯向風在內的大氣環(huán)流。該環(huán)流向南延伸至赤道，進而改變ENSO的年代際變化。由此可知，ENSO的年代際變化與北太平洋主要氣候模態(tài)PDO、NPGO兩者關系密切且相互影響。因此要更好理解PDO、NPGO的動力機制，特別是其年代際變化的機制，則必須要考慮到熱帶太平洋的作用以及熱帶與中緯度各大氣、海洋系統(tǒng)之間的相互耦合。

為揭示ENSO在熱帶太平洋流場上的表現(xiàn)，了解其年際和年代際變化的規(guī)律，并探索其與北太平洋主要氣候模態(tài)PDO和NPGO之間的關系；本文采用復EOF分解方法，對全年熱帶太平洋上層大洋環(huán)流異常做了統(tǒng)計動力診斷；給出了其第一、二模態(tài)流場異常的空間分布和時間系數(shù)，以及其年際、年代際變化的情況，并探討了這兩個模態(tài)的性質特點。

2 資料和診斷方法

本文所用的資料為美國UMD（University of Maryland）的Carton（beta 7）逐月全球海洋同化分析資料[13]，對海洋上層，其可靠性較好，有關這方面的具體分析參見文獻13和14。該資料已在國內外得到廣泛應用[3-5，15-16]。本文所用的該資料提供了海洋上層1950—2001年共52年在深度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，其水平方向采用高斯網(wǎng)格，網(wǎng)格距約為1°×1°。本文的統(tǒng)計動力診斷范圍則取熱帶太平洋范圍，其為30°S —30°N，120°E —180°E —80°W。這里采用的診斷方法為復EOF分析，其原理可參見文獻2和17。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年的平均流場，將各年各月的平均流場減去該52年的平均流場，則可得各年各月這8層上的流場異常，即偏差流場；然后將各月這8層上的流場異常作為一個整體進行復EOF分析。此時各月各EOF模態(tài)的空間場和時間系數(shù)都是復數(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EOF分析，故各月各層有相同的時間系數(shù)，這也是該復EOF分析方法的特色和優(yōu)點。本文主要討論深度為7.5 m和112.5 m的兩層，前者可作為表層的代表，后者可作為次表層的代表，為簡單下文中就直接稱呼這兩層為表層和次表層。

3 診斷結果分析

該復EOF分析的結果表明，所得到的偏差流場前3個模態(tài)都通過了顯著性檢驗[18]，各月第一、二模態(tài)的方差貢獻見表1。由該表可見，第一模態(tài)方差貢獻平均為30.5%，是最重要的模態(tài)，第二模態(tài)方差貢獻平均為11.6%，其仍較重要，第三模態(tài)方差貢獻平均為7.9%，相對較小。前3個模態(tài)累積方差貢獻為50.0%，占總方差貢獻的一半。從前三個模態(tài)方差貢獻的月變化看，第一模態(tài)在冬季的方差貢獻最大，春季次之，秋季最??；第二模態(tài)在秋季最大，春季次之，冬季最?。坏谌B(tài)在秋季最大，夏季次之，冬季最小。由上分析可知，同一模態(tài)的大洋環(huán)流異常，其在各季節(jié)的重要性是各不相同的。因第三模態(tài)方差貢獻較小，以下僅給出各季節(jié)第一、二模態(tài)的結果并進行討論。

表1 熱帶太平洋各月各模態(tài)的方差貢獻及其累計方差貢獻

3.1 第一模態(tài)

表層1、4、7、10月份的空間場分布見圖1，這4個月份在一定程度上可分別代表冬、春、夏和秋季，以下簡稱冬、春、夏、秋季。由圖1可見，明顯的流場異常均位于5°S—5°N之間，即其為赤道所俘獲，并具有赤道陷波的性質。表層流場異常除在臨近大洋東、西邊界的小范圍海域外，在整個太平洋的赤道上及臨近赤道處，均表現(xiàn)為同一方向的緯向流，而幾乎無經(jīng)向流；在1、4、7月份更是如此，10月份則經(jīng)向流稍大，但相比緯向流仍小很多。次表層則流場異常的分布與表層類似，并具有與表層相近的特點；在這8層上，該空間場的差異不大，這表明第一模態(tài)流場異常大體具有正壓性。正因如此，在此略去了次表層的圖。

從各月第一模態(tài)流場異常時間系數(shù)的輻角圖（1、4、7、10月份見圖2，其余圖略）可見，一部分月份輻角大體集中在0°和 ± 180°附近（其中1、4、7、10月份均如此）。這表明此時輻角的分布有兩個狀態(tài)，可分別稱其為態(tài)A、B。前者因輻角余弦值約為＋1，故其偏差流場的分布形勢與該模態(tài)的空間場相同，而后者為-1，故該分布形勢則與該空間場相反。另一部分月份的輻角大體集中在角α和180°+α附近，而角α則小于等于30°。這表明此時輻角的分布也有兩個狀態(tài)A、B。對這部分月份而言，相應于狀態(tài)A，其流場異常的分布則需對原空間場的流向再做角度α的旋轉；相對狀態(tài)B，則要做180°+α的旋轉；不過因這里角度α并不算太大（α≤30°），故在旋轉后，態(tài)A、B仍保持與原空間場大致相同和相反的形勢。綜上，在此可分別稱態(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（大致）相同或相反的分布。由此可知，在1、7、10月份，當時間系數(shù)的輻角位于0°附近時，除在臨近大洋東、西邊界的小范圍海域外，在整個太平洋上的赤道及臨近赤道處，流場異常均為一致的西向流，而4月份則為一致的東向流；而當該輻角位于±180°附近時，則有流動的反向。其他各層次（含次表層）的情況則與表層類似。

圖1 第一模態(tài)表層空間場（單位/（m/s））

圖2 第一模態(tài)時間系數(shù)的輻角(橫坐標代表年份，縱坐標代表角度）

圖3 第一模態(tài)時間系數(shù)的模

圖4 第一模態(tài)時間系數(shù)序列的小波全譜

從各月第一模態(tài)流場異常時間系數(shù)模的圖上（1、4、7、10月份參見圖3，其余月份圖略）可見，各月份該模的值每年也各不相同，為此求取各月模值的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)S；小于該平均值的稱為弱模態(tài)W；而各年模的數(shù)值大小則決定了其流場異常強弱的程度，數(shù)值越大則該流場異常就越大。

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態(tài)則上述流場異常很強，而對BS態(tài)則流場異常的流動方向發(fā)生反向且強度也很強。

由第一模態(tài)流場異常時間系數(shù)輻角和模的演變可見（見圖2—3），其具有明顯的年際和年代際變化。為揭示四季時間系數(shù)的變化規(guī)律，因1、4、7、10月份輻角大體集中在0°和±180°附近，故可將這4個時間系數(shù)的模乘以其輻角的余弦值后構成一個新的實數(shù)時間序列（此時該余弦值約為±1，該新的實數(shù)時間序列的圖略），該實數(shù)序列可綜合反映輻角和模的時間演變，且便于分析?，F(xiàn)對該序列作小波分析，圖4給出了1、4、7、10月份即冬、春、夏、秋季該序列的小波全譜。由圖4可見，四季均有3—7年的年際變化周期和十分明顯的年代際變化周期；除春季外，年代際變化顯著程度均遠大于年際變化。在明顯的年代際變化上；冬季有約14、22年的周期，且后者更顯著；春季約有17年的周期，不過6年的年際變化更要顯著，這是因此季節(jié)ENSO最明顯的緣故；而夏秋兩季則均有約21年的周期，在秋季則還有約16年的周期。綜上，熱帶太平洋流場異常第一模態(tài)，其四季年際變化周期均在3—7年內，且在春季有最明顯的約6年的周期；在其他季節(jié)則以21—22年的年代際變化周期表現(xiàn)最顯著。

圖5 第二模態(tài)次表層空間場（單位/(m/s））

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，該模態(tài)的流場異常（偏差流動）仍為赤道所俘獲，其也具有赤道陷波的性質。此時在海洋上層，赤道太平洋第二模態(tài)的流場異常則與第一模態(tài)不同；在鄰近赤道的南北兩側，其緯向流異常的流動方向相反；在東、西太平洋的赤道上，緯向流異常的方向也不一致，并在某些地方還出現(xiàn)了經(jīng)向流大于緯向流的情況。在赤道中太平洋海域，從表層以下直至次表層，緯向流流向大致關于赤道呈反對稱分布形式，即在赤道北側和南側緯向流的流動方向相反，參見圖5；該圖分別給出了四季第二模態(tài)空間場在次表層上的結構。在表層以下直至次表層，第二模態(tài)空間場分布的差異也不大，即在海洋上層第二模態(tài)的流場異常仍具有正壓性。

第二模態(tài)時間系數(shù)的輻角也有兩個狀態(tài)A、B，其與第一模態(tài)類似，但第二模態(tài)在以上A、B兩個狀態(tài)的離散度要較第一模態(tài)大（圖略）?？煞抡盏谝荒B(tài)的做法，將第二模態(tài)模的值（其圖略）也劃分為強模態(tài)S和弱模態(tài)W；這樣也能得到類似第一模態(tài)的4種配置態(tài)：AS、BS、AW、BW；其意義則與第一模態(tài)相同，不再贅述。

因四季（1、4、7、10月份）第二模態(tài)輻角的分布與相應的第一模態(tài)相同，均分布在0°和±180°附近，故可仿照第一模態(tài)的做法，對第二模態(tài)亦可得到綜合反映輻角和模隨時間變化的實數(shù)時間系數(shù)序列。該第二模態(tài)實數(shù)時間系數(shù)也具有明顯的年際和年代際變化（圖略）。

采用與第一模態(tài)同樣的處理方法，對該實數(shù)時間系數(shù)序列做了小波分析（見圖6）。結果表明，四季第二模態(tài)年代際變化周期均比年際變化周期要顯著，而年際變化周期則均在3—7年內。年代際變化周期在冬季為12—13年、約18年和約24年，且以約18年的最顯著；在春季為約15年和19—21年，且以19—21年的最顯著；在夏季為約12年、約17年和約24年，且以約17年的最顯著；在秋季為約17年和約24年，且以約17年的最顯著。綜上，四季第二模態(tài)的年際變化周期均在3—7年內，而最明顯的年代際變化周期均在18年左右，此外冬、夏、秋還有約24年的周期，春季該周期縮短為19—21年。

圖6 第二模態(tài)時間系數(shù)序列的小波全譜

4 各模態(tài)的特點性質

4.1 第一模態(tài)

由第一模態(tài)空間場的性質知，其具有赤道海洋Kelvin波的特點；該特點為，其流場的緯向流的最大值出現(xiàn)在赤道，且關于赤道呈對稱分布，并隨緯度的增高其呈指數(shù)迅速衰減，而經(jīng)向流則幾乎為0；故而該第一模態(tài)的性質為赤道海洋Kelvin波的異常。

海洋次表層的垂直運動異常與海溫的動力異常有著密切的關系，當該層某處垂直運動為正，即有上升流時，則會造成該處的動力降溫；反之亦然。由本文的復EOF分析得到的各模態(tài)流場異?？芍苯佑嬎闫涓鲗拥纳⒍葓霎惓?，對該散度場異常在垂直方向積分則可算得相應的垂直速度異常（計算時取海氣界面處的海洋垂直運動w≈0）；這樣w＞0（w＜0）則對應于上升（下沉）運動異常[15]；而由近表層（在此為22.5 m處）的垂直速度異常則可方便地決定SST異常的動力變化。

圖7給出了該第一模態(tài)由各季近表層（22.5 m處）流場異常計算得到的相應垂直運動的異常。由該圖可見：1月份，在赤道西太平洋至赤道中太平洋上垂直運動有下沉帶，而赤道中太平洋到秘魯沿岸則有上升帶(見圖7a)；這表明，前者處SST的動力異常為暖異常，后者處為冷異常。4月份垂直運動異常和SST動力異常的分布則與1月份大致相反，即原下沉運動處現(xiàn)為上升運動，暖異常處現(xiàn)為冷異常(見圖7b)，注意，此時空間場的流動異常也大致相反。7、10月份，因流動異常與1月份類似，故垂直運動異常(見圖7c、d)和SST動力異常的分布也與1月份類似。

圖8 第二模態(tài)垂直運動場分布（單位/kg ms2）

以上是該模態(tài)時間系數(shù)為正時的情況，當該系數(shù)為負時，則SST的動力異常發(fā)生反相，偏高轉為偏低，反之亦然。這樣當時間系數(shù)作3—7年（年際）正負間的交替變化時，赤道上的SST動力異常則在西太平洋和東太平洋作相應東西向的蹺蹺板式變化。而這與ENSO主要的SSTA變化一致。為此可稱第一模態(tài)為ENSO的主要模態(tài)，并可見ENSO與Kelvin波的異常關系很密切。

4.2 第二模態(tài)

海洋混合Rossby-重力慣性波也是一種重要的赤道陷波，經(jīng)典的該混合波的特點為：波動關于赤道呈反對稱分布，在赤道兩側流向相反，其最大振幅也出現(xiàn)在該處；在赤道上有最大的經(jīng)向流。在東、西邊界海域之外，由第二模態(tài)的空間場知（見圖5），其分布與上述經(jīng)典的該混合波大體類似。經(jīng)典的該波是無背景流（基本流）的，而該第二模態(tài)空間場則由實際海洋資料診斷而得，應包含背景流等其他因素的影響，故兩者有一定差異也是正常的；不過從總體上來看，在第二模態(tài)空間場上該經(jīng)典混合波的特點還是表現(xiàn)明顯的；這樣第二模態(tài)的性質應為海洋混合Rossby-重力慣性波的異常。

圖8給出了該第二模態(tài)由各季近表層（22.5 m處）流場異常計算得到的相應垂直運動的異常，以便據(jù)此來推斷SST的動力異常。由該圖可見：各季從西太平洋到中太平洋垂直運動異常在赤道上及其臨近處均有下沉帶，在該下沉帶兩側則有上升帶；在西太平洋該下沉帶上垂直運動異常很強，但各季的強度表現(xiàn)并不一樣，在該下沉帶北面的西太平洋暖池海域，則為較強的上升區(qū)，各季則該上升區(qū)的強度表現(xiàn)也并不相同。

由赤道太平洋海域近表層的垂直速度異?？赏茢喑鯯ST的動力異常。該動力異常表現(xiàn)為，各季從西太平洋到中太平洋在赤道上和臨近赤道處，其均表現(xiàn)為一條偏高帶，在該偏高帶的南北兩側則為偏低帶；在西太平洋，該偏高帶上的異常很強，而在該該偏高帶北側的西太平洋暖池海域則有有較強的偏低區(qū)；各季在這些偏高、低帶和偏低區(qū)，其動力異常的強度也不一樣。以上是時間系數(shù)為正時的情況。當時間系數(shù)為負時，該SST動力異常則也反相。這樣當時間系數(shù)在3—7年（年際）內做正負間擺動時，在西太平洋赤道上以及其北的該暖池海域，SST動力異常則有南北向蹺蹺板式的變化，而這正與ENSO在該兩處特別是在該暖池海域上的SS?TA變化一致。然而因ENSO在赤道上SSTA的東西向變化要較南北向變化更重要和顯著，兩者相比后者則相對處于次要地位。這樣可稱該第二模態(tài)為ENSO的次要模態(tài)。由此還可見，ENSO與混合Rossby-重力慣性波異常的關系也很密切。

4.3 有關年代際變化的討論

上面已指出，從年際變化出發(fā)，本文復EOF分解的第一、二模態(tài)可分別看作ENSO的主要、次要模態(tài)。然而這兩模態(tài)還都有明顯的年代際變化，通常其比年際變化還要顯著。冬季，第一模態(tài)分別有約22年、14年的年代際變化周期，且前者表現(xiàn)更顯著；第二模態(tài)則有約24年、約18年和12—13年的該周期，且以18年的表現(xiàn)最顯著。在注意到冬季這兩個模態(tài)的年代際變化周期與引言中冬季PDO、NPGO的該周期（分別為約22年和約13年），以及冬季熱帶外北太平洋流場異常復EOF分解[5]的第一、二模態(tài)的該周期（分別為約20年和約18年、約14年）相同或相近之后（這里只給出了冬季的情況，其他季節(jié)因缺乏相應研究故未討論）；可知此情況的出現(xiàn)決不是偶然的，而是引言中所述的熱帶與中緯度各大氣、海洋系統(tǒng)之間相互耦合的結果，并值得深入研究。

5 結語

本文采用復EOF分析方法，對全年熱帶太平洋海域的上層洋流異常做了統(tǒng)計動力診斷，得到了以下主要結論：

（1）熱帶太平洋上層洋流異常復EOF分解第一、二模態(tài)的空間場均為赤道所俘獲，并均在南北方向呈迅速衰減的態(tài)勢，其表現(xiàn)為赤道陷波的形式；

（2）第一、二模態(tài)時間系數(shù)為復數(shù)，其輻角均集中在兩個狀態(tài)，其模則表示了流場異常的大??；為此可用一個實時間序列序列來表示該系數(shù)，從而使問題得到簡化；

（3）該時間系數(shù)都有年際和年代際變化；前者的周期均與ENSO相同，在冬季，后者的周期與PDO和NPGO，以及熱帶外北太平洋流場異常復EOF分解前兩模態(tài)的周期相同或相近，這反映了熱帶與中緯度各大氣、海洋系統(tǒng)之間的相互耦合；

（4）由各模態(tài)流場異?？傻孟鄳拇怪边\動異常，從而可估計SSTA的動力變化；第一模態(tài)的變化在赤道東、西太平洋處呈現(xiàn)東西向的蹺蹺板變化；第二模態(tài)的變化則在西太平洋的赤道上以及其北側的西太平洋暖池處，呈現(xiàn)南北向的蹺蹺板變化；

（5）第一模態(tài)的性質為海洋赤道Kelvin波的異常，可稱之為ENSO的主要模態(tài)；第二模態(tài)的性質為海洋混合Rossby-重力慣性波的異常，可稱之為EN?SO的次要模態(tài)。

最后要指出的是，本文主要工作是進行診斷分析，對造成熱帶太平洋大洋環(huán)流異常的原因分析得尚不夠；另外，本文也未研究熱帶太平洋大洋環(huán)流異常對我國天氣氣候的影響，這些都是我們今后所要進行的工作。

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