杜金博，李春，劉征宇

(1. 北京大學(xué)，北京100871；2. 中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；3. 俄亥俄州立大學(xué)地理系，俄亥俄 哥倫布 43210)

0 引言

0.1 北太平洋冬季氣候態(tài)流場(chǎng)分布

根據(jù)SODA(Simple Ocean Data Assimilation)數(shù)據(jù)集中的水平流速u和垂直速度v繪制了北太平洋冬季氣候態(tài)的表層流場(chǎng)圖，流場(chǎng)分布如圖1所示，流速最大的區(qū)域出現(xiàn)在赤道附近，流速為1～2 m·s-1，并且自東向西逐漸增大。表層流場(chǎng)基本符合風(fēng)生環(huán)流理論，南北赤道流是由赤道上的信風(fēng)驅(qū)動(dòng)的，所以也稱作信風(fēng)流。在北半球副熱帶海區(qū)有對(duì)應(yīng)副熱帶高壓的反氣旋(順時(shí)針)大環(huán)流，該大環(huán)流的南側(cè)即為北赤道流。值得注意的是，由于赤道無(wú)風(fēng)帶在3°～10°N范圍內(nèi)，所以赤道流系并不關(guān)于赤道對(duì)稱，SODA冬季流場(chǎng)圖顯示，赤道附近0°～3°N范圍內(nèi)存在向西的南赤道流，3°～10°N范圍內(nèi)存在向東的赤道逆流，10°～18°N為向西的北赤道流。

根據(jù)STOMMEL的西向強(qiáng)化理論，由于科氏參量隨緯度升高而增大，北太平洋西部有較強(qiáng)的北向西邊界流，即黑潮，大洋西部的流線比較密集，流速較大，為1～2 m·s-1，而大洋東部的流線比較稀疏，流速基本小于1 m·s-1。黑潮是北赤道流的延續(xù)，具有北赤道流高溫的特征，不斷向高緯度地區(qū)輸送熱量，影響著海況和氣候。黑潮進(jìn)入黃海的分支即為黃海暖流，進(jìn)入日本海的分支稱為對(duì)馬暖流。黑潮在35°N分出黑潮延伸體，另一支向北流動(dòng)直至與南向的寒流親潮交匯。

圖1 北太平洋表層冬季氣候態(tài)流場(chǎng)Fig.1 Surface current of winter climatology in the North Pacific

0.2 太平洋年代際振蕩

太平洋年代際振蕩(Pacific decadal oscillation , PDO)模態(tài)由MANTUA et al.[1]于1997年首次提出，人們注意到PDO這一現(xiàn)象的契機(jī)是1976—1977年的年代際尺度突變對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了明顯的影響：在之前的二十年，阿拉斯加海域的大馬哈魚(yú)產(chǎn)量多于西北太平洋海域的大馬哈魚(yú)產(chǎn)量，但是在20世紀(jì)六七十年代阿拉斯加海域的大馬哈魚(yú)產(chǎn)量突然開(kāi)始減少，而西北太平洋海域的大馬哈魚(yú)產(chǎn)量開(kāi)始增加?？茖W(xué)家意識(shí)到這可能與太平洋的氣候變化緊密相關(guān)。

北太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)于1976—1977年、20世紀(jì)20年代和40年代均發(fā)生了年代際尺度的突變，北太平洋海洋與大氣低頻的波動(dòng)對(duì)北美和歐亞大陸的天氣和氣候均有顯著影響[2-4]。PDO的暖位相是指北太平洋中西部海面溫度(sea surface temperature，SST)異常偏冷，而北美西部沿岸和熱帶中東太平洋異常偏暖的位相；PDO的冷位相則與之相反，通過(guò)對(duì)20世紀(jì)的觀測(cè)，PDO暖位相與全球變暖加速同期出現(xiàn)，而PDO冷位相時(shí)全球變暖減緩甚至“停滯”[5]。PDO模態(tài)與ENSO類似，但與ENSO的區(qū)別主要在于：1)PDO的周期更長(zhǎng)，通常為20～30 a，而ENSO的周期為2～7 a；2)ENSO的主信號(hào)在熱帶，而PDO的主信號(hào)位于北太平洋[6]。

PDO不只是一個(gè)現(xiàn)象，更是一系列的物理過(guò)程[7]，PDO也可以通過(guò)海表面高度異常[8]或者北太平洋不同的生物要素的主要模態(tài)表現(xiàn)[9-11]。盡管PDO解釋了北太平洋低頻變化的最主要部分，但北太平洋的年代際動(dòng)力過(guò)程的體現(xiàn)還包括NPGO(North Pacific Gyre oscillation)氣候模態(tài)。NPGO定義為180°～110°W，25°～62°N范圍內(nèi)海表面高度異常EOF的第二模態(tài)，它驅(qū)動(dòng)著跨太平洋的物理和生物要素的變化，如溫度、鹽度、海平面高度、營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素等[12-13]。PDO和NPGO都有其對(duì)應(yīng)的大氣模態(tài)來(lái)源，分別為AL(Aleutian Low)和NPO(North Pacific oscillation)[8，12，14]。AL定義為北太平洋海面氣壓的第一模態(tài)[15-16]，NPO定義為北太平洋海面氣壓異常的第二模態(tài)[17-18]，NPO影響著歐亞大陸和北美的氣候，尤其改變著臺(tái)風(fēng)路徑、溫度和降水[19-20]。

海氣相互作用和溫鹽環(huán)流都可能導(dǎo)致海洋的年代際變率，由于太平洋的溫鹽環(huán)流相比于大西洋很弱，所以海氣相互作用更可能是PDO的形成機(jī)制。目前對(duì)于PDO產(chǎn)生來(lái)源的討論主要有以下3種觀點(diǎn)：熱帶海氣耦合系統(tǒng)、中緯度海氣耦合系統(tǒng)、熱帶與中緯度的相互作用。但這3類觀點(diǎn)均存在爭(zhēng)議，如認(rèn)為PDO起源于熱帶海氣耦合系統(tǒng)的理論無(wú)法解釋PDO在中緯度更強(qiáng)這一現(xiàn)象，中緯度海氣耦合系統(tǒng)理論中用到的Latif-Barnett假說(shuō)與觀測(cè)事實(shí)不符等問(wèn)題。此外，副極地海洋渦旋對(duì)北太平洋的貢獻(xiàn)、中緯度地區(qū)海氣之間的正反饋機(jī)制、中緯度和熱帶之間的相互作用等問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究[6]。

氣候模式為PDO的研究提供了一些補(bǔ)充方法，近期GFDL氣候模式揭示，PDO的多年代際時(shí)間尺度更可能來(lái)源于北太平洋熱帶外的海氣耦合作用，然后被熱帶的氣候變化增強(qiáng)[21]。也就是說(shuō)，雖然熱帶在統(tǒng)計(jì)和觀測(cè)意義上與PDO關(guān)系更密切，但它并不是PDO的來(lái)源。利用“區(qū)域鎖定”的方法，模式的結(jié)果表明，在北太平洋副極地地區(qū)，PDO的多年代際變化是由西向的海洋Rossby(羅斯貝)波導(dǎo)致的[21-22]。與現(xiàn)實(shí)海洋情況相比，模式有一些不符之處，比如模式中熱帶對(duì)北太平洋的影響比現(xiàn)實(shí)更弱[23-24]。未來(lái)應(yīng)對(duì)模式進(jìn)一步優(yōu)化，并發(fā)展高級(jí)的診斷分析方法來(lái)研究PDO。

氣候系統(tǒng)中的非線性和隨機(jī)因素使得PDO的預(yù)測(cè)非常困難，不同區(qū)域?qū)τ诓煌臍夂蜃兓?，PDO的可預(yù)測(cè)性尚不明確?；谀Ｊ降目深A(yù)測(cè)性研究表明，預(yù)測(cè)年際到年代際類似PDO變化的平均溫度是有可能的，但是預(yù)測(cè)降水等具有社會(huì)意義的變量長(zhǎng)于年際尺度的變化則是幾乎不可能的[25]。目前的研究[26]主要有以下幾種結(jié)論：第一，最先進(jìn)的耦合氣候模式中PDO的可預(yù)測(cè)性可以通過(guò)海洋中初始幾年更精確的初始場(chǎng)而得到提高，但是在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上由溫室氣體和氣溶膠等輻射強(qiáng)迫所主導(dǎo)；第二，PDO在北太平洋的可預(yù)測(cè)性低于它的類似模態(tài)在北大西洋的可預(yù)測(cè)性，這種預(yù)測(cè)性差異產(chǎn)生的原因尚不明確。最近的研究提出，SST等氣候變量的年代際預(yù)測(cè)可以放在線性統(tǒng)計(jì)模型和最先進(jìn)的動(dòng)力氣候模型中進(jìn)行比較[15，23]。

包括PDO在內(nèi)的年代際氣候變率的研究對(duì)于預(yù)測(cè)近期的氣候變化非常重要，并且對(duì)人類活動(dòng)造成的全球變暖也有重要的調(diào)節(jié)作用，能夠吸收溫室氣體增加產(chǎn)生的熱量，將其帶進(jìn)深海[27]。年代際氣候變率的研究已經(jīng)有了重要進(jìn)展，但是仍有一些尚未解決的問(wèn)題。其中一個(gè)重要的問(wèn)題是，年代際的氣候變率是如何對(duì)全球變暖進(jìn)行響應(yīng)的，陳幸榮等[28]研究表明，海洋次表層也存在顯著的年代際變率，即PDO具有三維結(jié)構(gòu)，對(duì)PDO三維結(jié)構(gòu)的研究有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)北太平洋的年代際變率及其對(duì)全球變暖的響應(yīng)，對(duì)氣候的年代際變化的預(yù)測(cè)也具有重要作用。為了更準(zhǔn)確地反映海洋的年代際變化，剔除由于海氣相互作用對(duì)海表面溫度帶來(lái)的影響[29]，采用SODA資料垂直積分的上層海洋熱含量來(lái)表征上層海洋的變化。內(nèi)容具體安排如下：第1節(jié)對(duì)研究所使用的SODA數(shù)據(jù)和EOF分解、功率譜分析等方法進(jìn)行介紹；第2、3、4節(jié)是對(duì)空間模態(tài)和時(shí)間序列的分析；第5節(jié)是研究的總結(jié)與討論。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 SODA數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介及分析方法

SODA數(shù)據(jù)的水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直分層有40層，SODA數(shù)據(jù)是由美國(guó)馬里蘭大學(xué)在20世紀(jì)90年代研發(fā)的海洋再分析資料，與大氣再分析資料相匹配，同化了觀測(cè)數(shù)據(jù)，使結(jié)果更加準(zhǔn)確[30]。本研究選取了時(shí)間序列為1815—2013年共199 a不同深度的溫度、流速及鹽度資料，主要使用了EOF分解和功率譜分析的方法。

1.2 Rossby波相速度的計(jì)算

以科氏力隨緯度的變化率，即?f/?y，為恢復(fù)力的Rossby波也叫作行星波，它的頻率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于慣性頻率f。Rossby波的推導(dǎo)基于以下假設(shè)：

1)海水無(wú)輻散；

2)水平流動(dòng)，并且三個(gè)方向的速度滿足u>>v>>w；

3)初始流動(dòng)滿足地轉(zhuǎn)平衡且不隨x軸變化，并且?u/?y=0。

Rossby波相速度計(jì)算公式為：

(1)

1.3 數(shù)據(jù)處理步驟

首先進(jìn)行熱含量的計(jì)算，由于熱含量的值與深度和溫度成比例，用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

圖2 各層海溫EOF分解的第一模態(tài)(a. 5.01 m，b. 25.28 m，c. 46.61 m，d. 70.02 m，e. 96.92 m，f. 129.49 m，g. 171.40 m，h. 229.48 m，i. 317.65 m，j. 381.39 m)Fig.2 The first EOF modes of oceanic temperature at different depths (a. 5.01 m, b. 25.28 m, c. 46.61 m, d. 70.02 m, e. 96.92 m, f. 129.49 m, g. 171.40 m, h. 229.48 m, i. 317.65 m, j. 381.39 m)

式中Q為熱含量，h為深度，T為溫度。由于PDO在冬季最為顯著，所以選用了每年1—3月的熱含量進(jìn)行平均，得到時(shí)間序列長(zhǎng)度為199 a的北太平洋熱含量數(shù)據(jù)。為了剔除全球變暖的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去趨勢(shì)處理，并針對(duì)不同的場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行了緯度加權(quán)，即每個(gè)場(chǎng)點(diǎn)乘以其對(duì)應(yīng)緯度的余弦值，以此來(lái)消除地球形狀帶來(lái)的影響。

2 PDO的基本特征

對(duì)20°～60°N范圍內(nèi)不同深度的熱含量異常場(chǎng)進(jìn)行EOF分解，各層第一模態(tài)的空間分布如圖2所示。從圖2中可以看出，PDO呈現(xiàn)“馬蹄形”的空間特征，即北太平洋中西部的海溫異常與周邊海域的海溫異常相反，當(dāng)北太平洋中西部為正的溫度異常，北美沿岸和副熱帶東部海域?yàn)樨?fù)溫度異常時(shí)，稱為PDO的冷位相，反之稱為PDO的暖位相。PDO不僅僅存在于表層，而是具有三維結(jié)構(gòu)，在70 m深度左右最顯著，“馬蹄形”的范圍也更大。PDO最深可達(dá)300 m。這種表層與次表層不一致的情況也導(dǎo)致了PDO預(yù)測(cè)的困難[31]，同時(shí)導(dǎo)致了和北太平洋不同大氣變率之間相互作用有關(guān)的間斷性過(guò)程[32]。盡管有了以上研究，但究竟是什么機(jī)制導(dǎo)致了北太平洋的這種低預(yù)測(cè)性尚不明確，甚至PDO在自然界中是否真是低預(yù)測(cè)性的也無(wú)定論[25]。PDO指數(shù)定義為表層EOF分解第一模態(tài)的時(shí)間序列，如圖3所示，為了濾掉高頻的年際信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行了7 a滑動(dòng)平均。圖3顯示，PDO具有明顯的年代際變化特征，1947—1976年為PDO冷位相，1925—1946年、1977年—20世紀(jì)90年代中期為PDO的暖位相，其中1976、1977年北美洲西部海區(qū)從負(fù)溫度異常到正溫度異常的轉(zhuǎn)相即為北太平洋大馬哈魚(yú)產(chǎn)量分布發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因。

圖3 PDO指數(shù)(藍(lán)線)及其7 a滑動(dòng)平均(黃線)圖Fig.3 PDO index (blue line) and its 7-a moving average (yellow line)

在32°N處取一個(gè)斷面，并對(duì)其進(jìn)行EOF分解，第一模態(tài)圖(圖4)中可以看出，北太平洋中部和東部具有反相變化的特征，并且這種反相特征存在于300 m以淺的海洋中。

圖4 EOF分解第一模態(tài)沿32°N深度剖面圖Fig.4 Cross section of the first mode of EOF decomposition along 32°N

值得注意的是，北太平洋西部的PDO信號(hào)比東部的PDO信號(hào)傳遞的深度更深，尤其是在日本東部黑潮與親潮交匯的地方。在40°N取一個(gè)東西向的溫度斷面(圖5)可以看出，溫度等值線自西向東傾斜，北太平洋西部的溫躍層相比于東部較深，這意味著北太平洋西部的混合層更厚，有利于信號(hào)傳遞到更深的深度。北太平洋東部溫躍層的抬升是因?yàn)槌嗟郎戏匠Ｄ晔⑿袞|風(fēng)，使得海洋上層的海水向西輸送，于是東部形成上升流補(bǔ)償這部分水體，溫躍層也相應(yīng)上升，研究表明，在東太平洋秘魯沿岸海域溫躍層最淺，大約為40 m[33]。

圖5 溫度等值線(單位：℃)沿40°N深度剖面圖Fig.5 Cross section of isotherm (units: ℃) along 40°N

使用功率譜分析方法來(lái)分析PDO的周期性特征，并進(jìn)行了紅噪聲顯著性檢驗(yàn)(圖6)，從圖6中可以看出，PDO通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的年際周期為5～6 a，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的年代際周期大約為18 a，相比于年代際周期，年際周期可達(dá)到的深度較淺，只在100 m深度以淺存在年際信號(hào)，而代際信號(hào)可以傳至350 m的深度。28 a左右的周期在表層沒(méi)有通過(guò)檢驗(yàn)，但是在表層以下至350 m的深度內(nèi)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。值得注意的是，年際信號(hào)的強(qiáng)度隨深度的增加而減小，而年代際信號(hào)則是在97 m左右的次表層最強(qiáng)，這與陳幸榮等[28]研究中PDO在次表層最強(qiáng)的結(jié)論一致。

圖6 表層(a)、97 m(b)、381 m(c)的功率譜分析(藍(lán)實(shí)線為譜值，紅虛線為紅噪聲)和各周期的譜值隨深度的變化(d)Fig.6 Power spectrum analysis (blue solid line for spectral value, red dashed line for red noise) at surface (a), 97 m (b), and 381 m (c) and change of spectrum value of different periods with depth (d)

為了探究不同深度與PDO指數(shù)的關(guān)系，對(duì)各層的熱含量時(shí)間序列和PDO指數(shù)均進(jìn)行了7 a滑動(dòng)平均的處理，過(guò)濾掉年際信號(hào)，然后進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7所示。北太平洋中西部的熱含量時(shí)間序列和PDO指數(shù)的相關(guān)性與其周邊海域熱含量時(shí)間序列和PDO指數(shù)的相關(guān)性相反，北太平洋中西部的熱含量與PDO指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，北美沿岸海區(qū)熱含量與PDO指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從圖7中可以看出，PDO的“馬蹄形”結(jié)構(gòu)在次表層范圍最大，該形態(tài)可以保持到300 m左右的深度。

圖7 各層熱含量時(shí)間序列與PDO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分布(a.5.01 m，b.25.28 m，c.46.61 m，d.70.02 m，e.96.92 m，f.129.49 m，g.171.40 m，h. 229.48 m，i. 317.65 m，j. 381.39 m)Fig.7 Correlation coefficients between heat content time series and PDO index at different depths (a. 5.01 m, b. 25.28 m, c. 46.61 m, d. 70.02 m, e. 96.92 m, f. 129.49 m, g. 171.40 m, h. 229.48 m, i. 317.65 m, j. 381.39 m)

3 超前滯后分析

對(duì)300 m以淺水體的熱含量時(shí)間序列與PDO指數(shù)進(jìn)行了7 a滑動(dòng)平均，然后將處理好的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行超前滯后相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8a-j所示。從同期相關(guān)圖中可以看出，赤道西部附近海域的熱含量與PDO指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，赤道東部附近海域熱含量與PDO指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；北太平洋中西部熱含量與PDO指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，北美沿岸熱含量與PDO指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在50°～60°N、140°W附近較大。由于譜分析結(jié)果顯示PDO的主要年代際周期為18 a，所以當(dāng)300 m以淺水體的熱含量時(shí)間序列滯后PDO指數(shù)9 a左右時(shí)，相關(guān)系數(shù)的分布與同期相關(guān)系數(shù)的分布呈現(xiàn)反相的狀態(tài)，即北太平洋中西部海域相關(guān)系數(shù)為負(fù)，北美沿岸海域相關(guān)系數(shù)為負(fù)。

圖8 300 m以淺水體的熱含量與PDO指數(shù)的超前滯后相關(guān)系數(shù)分布(a.同期相關(guān)，b.熱含量序列滯后1 a，c.熱含量序列滯后2 a，d.熱含量序列滯后3 a，e.熱含量序列滯后4 a，f.熱含量序列滯后5 a，g.熱含量序列滯后6 a，h.熱含量序列滯后7 a，i.熱含量序列滯后8 a，j.熱含量序列滯后9 a)Fig.8 Lead-lag correlation coefficients between heat content and PDO index in the ocean shallower than 300 m (a. contemporaneous correlation; b, c, d, e, f, g, h, i, and j for heat content lags PDO index by 1 a, 2 a, 3 a, 4 a, 5 a, 6 a, 7 a, 8 a, and 9 a, respectively)

4 PDO的演變過(guò)程

為了探究PDO的演變過(guò)程，將每一層經(jīng)過(guò)7 a滑動(dòng)平均處理后的熱含量時(shí)間序列與PDO指數(shù)進(jìn)行超前滯后相關(guān)，然后找出每一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同深度不同滯后時(shí)間的絕對(duì)值最大的相關(guān)系數(shù)，繪制了圖9a，該相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后年數(shù)如圖9b所示，該相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的深度如圖9c所示。圖9a顯示，最大的正相關(guān)系數(shù)分布在北太平洋中西部，以及低緯度中西部海域，負(fù)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大的區(qū)域分布在北太平洋北部、北美沿岸以及低緯度東部。圖9b顯示最大相關(guān)系數(shù)基本出現(xiàn)在同期相關(guān)中，在低緯度西部最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后年數(shù)較大，約為10 a。圖9c顯示北太平洋東北部的最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的深度較深。

圖9 某空間位置對(duì)應(yīng)的所有深度不同滯后時(shí)間相關(guān)系數(shù)中絕對(duì)值最大的相關(guān)系數(shù)(a)及最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后年數(shù)(b；單位：a)和深度(c；單位：m)分布Fig.9 Correlation coefficient with the maximum absolute value among all the lag time correlation coefficients of different depths corresponding to a spatial position (a) and distribution of the number of lag year (b; units: a) and depth (c; units: m) corresponding to the maximum correlation coefficient

由于PDO信號(hào)的傳播與Rossby波有關(guān)，根據(jù)SODA數(shù)據(jù)集中的溫度、鹽度數(shù)據(jù)計(jì)算了Rossby波的相速度，結(jié)果如圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示，Rossby波向西傳播，速度隨著緯度的升高而減小，在10°N，Rossby波的速度大約為30 cm·s-1，在此緯度上Rossby波自東向西跨越海盆大概需要兩年時(shí)間，在40°N以北，Rossby波的速度幾乎為零?；赗ossby波的速度分布特征，推測(cè)低緯度的PDO信號(hào)的傳播主要通過(guò)Rossby波向西傳播，而由于40°N以北海域Rossby波的波速很小，PDO信號(hào)可能是通過(guò)平流作用向東傳播。在傳播的過(guò)程中，PDO信號(hào)的深度也不斷加深。對(duì)于PDO信號(hào)在中緯度的傳播通道，ZHANG and DELWORTH[21]的模式結(jié)果表明，SST異常會(huì)導(dǎo)致風(fēng)應(yīng)力異常，進(jìn)而激發(fā)Rossby波，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)加大SST的異常，是一個(gè)正反饋的過(guò)程。

圖10 沿180°E經(jīng)向Rossby波相速度Fig.10 Rossby wave phase speed along 180°E

在北太平洋取四個(gè)斷面，分別位于36°N、46°N、140°W和145°E，首先找出該經(jīng)線或緯線上的每一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)在不同深度上最大的相關(guān)系數(shù)，然后繪制最大相關(guān)系數(shù)隨滯后年數(shù)的變化，結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，36°N緯度上的PDO信號(hào)是向西傳播的(圖11a)，這符合Rossby波在低緯度速度較大并且向西傳播的特點(diǎn)；在46°N緯度上PDO信號(hào)是向東傳播的(圖11c)，這可能是平流作用的結(jié)果；在145°E經(jīng)向PDO信號(hào)向北傳播(圖11d)，這是由于北赤道流在向西遇到大陸后有一部分向北傳播；在140°W經(jīng)線上PDO信號(hào)向南傳播(圖11b)。綜上，這反映了PDO信號(hào)在北太平洋副熱帶順時(shí)針傳播的特征，與副熱帶環(huán)流的傳播方向一致。該結(jié)論與前人的研究一致，ZHANG and LEVITUS[34]于1997年基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北太平洋上層海洋年代際溫度變化的演變過(guò)程和三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，其中一個(gè)主要的模態(tài)即次表層溫度異常在副熱帶地區(qū)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與副熱帶環(huán)流一致，這個(gè)信號(hào)與中緯度海區(qū)溫度異常的潛沉有關(guān)。

5 結(jié)論

為了避免海面海氣相互作用的強(qiáng)烈調(diào)制，更準(zhǔn)確地得到PDO的特征，利用SODA數(shù)據(jù)資料基于熱含量對(duì)PDO的結(jié)構(gòu)以及傳播特征進(jìn)行了研究，研究結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：

1)PDO不僅僅存在于海洋表層，而是具有三維結(jié)構(gòu)，在海洋表層以下也存在“馬蹄形”模態(tài)的年代際變化，深度可達(dá)300 m，在70 m左右的次表層PDO的信號(hào)最強(qiáng)、“馬蹄形”范圍最大，此結(jié)論與前人的研究基本一致。

2)各層熱含量與PDO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)反映了PDO在70 m左右次表層存在最強(qiáng)的三維結(jié)構(gòu)特征，并且熱含量與PDO指數(shù)的相關(guān)性可持續(xù)至350 m深度。

3)PDO中包含的年際周期為5～6 a，年代際周期大約為18 a，年代際周期在100 m左右次表層最強(qiáng)，深度可達(dá)350 m。相比于年代際周期，年際周期的譜值隨深度的增加遞減，存在的深度也比年代際周期淺，大約為100 m深度。

4)300 m以淺水體的熱含量與PDO指數(shù)的超前滯后相關(guān)結(jié)果表明，在熱含量時(shí)間序列滯后9 a時(shí)，相關(guān)系數(shù)分布與同期相關(guān)系數(shù)分布基本反相，即同期相關(guān)系數(shù)在北太平洋中西部為正，在北美沿岸海域?yàn)樨?fù)，滯后9 a的相關(guān)系數(shù)在北太平洋中西部為負(fù)，北美沿岸海域?yàn)檎@符合譜分析結(jié)果中年代際周期為18 a的周期特征。

5)Rossby波是向西傳播的，其波速隨著緯度的升高而減小，不同緯度上Rossby波的波速差距較大，在10°N波速約為30 cm·s-1，在40°N以北波速幾乎為0。

6)PDO信號(hào)在低緯度向西傳播，在高緯度向東傳播，并且在傳播過(guò)程中信號(hào)深度不斷加深。Rossby波均為向西傳播，只是在較高緯度傳播速度過(guò)小，對(duì)于PDO的信號(hào)傳播起到的作用不大，所以在40°N附近，PDO信號(hào)的向東傳播可能是平流的作用。陳幸榮等[28]基于CCSM3模式的研究結(jié)果與本研究結(jié)果有所差異，其研究顯示最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后年數(shù)較大的區(qū)域位于中緯度海域。

7)36°N、46°N、140°W和145°E四個(gè)斷面上最大相關(guān)系數(shù)隨滯后年數(shù)的變化表明，PDO信號(hào)在副熱帶順時(shí)針傳播。

本研究工作的不足之處在于不夠深入，僅局限于北太平洋的年代際變化，沒(méi)有對(duì)PDO的形成和影響機(jī)制進(jìn)行更具體的探討，也沒(méi)有與模式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。下一步工作應(yīng)結(jié)合模式數(shù)據(jù)對(duì)比分析，并針對(duì)不同海域進(jìn)行類似的研究。

圖11 四個(gè)斷面上對(duì)應(yīng)的最大相關(guān)系數(shù)隨滯后年數(shù)的變化(a. 36°N，b. 140°W，c. 46°N，d. 145°E)Fig.11 Change of maximum correlation coefficient as lag year increases at 4 sections (a. 36°N, b. 140°W, c. 46°N, d. 145°E)