张海燕 陶丽 徐川

1 南京信息工程大学大气科学学院, 南京 210044

2 平潭综合实验区气象局，福建平潭综合实验区 350400

3 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 南京 210044

4 福建省灾害天气重点实验室，福州 350001

1 引言

自20 世纪90年代中期以来，年代际尺度气候研究已成为气候变化研究领域的热门话题。作为北太平洋上最重要的年代际信号——太平洋年代际振荡（PDO），它强烈影响着北太平洋及其周边地区的气候和生态系统（Mantua et al., 1997; Cayan et al., 2001; Zhang et al., 2010）。有研究表明中国东部地区的降水与PDO 有着紧密联系（朱益民和杨修群, 2003; 吕俊梅等, 2014）。也有学者指出PDO通过对厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）的调控能影响北半球冬季太平洋蒸发量和夏季风（韩子轩等,2017; 张雯等, 2020）。同时，PDO 也能调控北太平洋周边几个国家的温度变化（Mantua and Hare,2002; 梁苏洁等, 2014）。还有些学者讨论了PDO与东北太平洋暖斑之间的联系（Wang et al., 2019;Zhi et al., 2019）。为更好地理解中纬度地区，甚至是全球的气候变化，探究PDO 的形成机制显得尤为重要，如果可以准确预测这种年代际波动，将会给人类带来巨大的社会效益。

目前，已有大量模式和观测研究探讨了PDO的形成机制，提出了不少假设。有学者认为PDO的形成与ENSO 相关的大气遥相关强迫有关，ENSO 在暖位相期间激发了太平洋—北美型（PNA）遥相关，其范围从北太平洋延伸至北美，且在阿留申群岛附近具有明显的活动中心——阿留申低压（Horel and Wallace, 1981），北太平洋上增强的阿留申低压通过引起表面热通量、海洋垂直混合以及埃克曼流异常等过程，使得北太平洋中西部海表面温度（SST）冷却，形成PDO 正位相（Graham,1994; Graham et al., 1994; Miller et al., 1994;Alexander et al., 2002）。也 有 学 者 指 出，PDO 的形成主要是由于中纬度地区沿风暴轴附近的高频随机大气强迫，大气通过白噪声的表面热通量强迫可以使SST 变化具有红噪声谱特征，在合适条件下通过随机共振机制使海洋产生年代际变化（Hasselmann, 1976; Frankignoul and Hasselmann,1977; Saravanan and McWilliams, 1997）。也 有 不少研究指出在PDO 的形成过程中海洋过程非常重要，Cessi and Louazel（2001）指出热带地区年代际信号以沿岸Kelvin 波形式在海盆东边界向极地传播，沿途可能会发射西传的斜压Rossby 波，从而影响整个中纬度太平洋（Liu, 2003）。同时也有研究认为北太平洋中部SST年代际变率的准10年周期和海洋副热带经向环流圈（STC）有关。Gu and Philander（1997）提出，热带SST 暖异常信号通过大气遥相关引起北太平洋中纬度地区西风增强，从而增加向上的表面热通量，使得北太平洋中高纬度的SST 偏冷。异常冷信号通过潜沉，经背景流又回到热带太平洋温跃层，因赤道地区有上升流的存在，从而该冷异常得以上翻到表层，但Schneider et al.（1999）指出这种假说并不能在观测资料中得到验证，该SST 异常信号通过潜沉并不能达到热带地区，只能到达18°N，无法继续向南传播。Kleeman et al.（1999）提出类似假说，但Gu and Philander（1997）强调的是由风应力产生的副热带异常冷/暖信号下沉，然后沿着STC 下层支向热带输送，而Kleeman et al.（1999）则强调的是SST 异常冷/暖信号由STC 中上层支从热带向副热 带 输 送。Yu and Boer（2004）及Zhang and Yu（2011）则认为海洋经向热输送对PDO 的位相转换具有重要作用。中纬度北太平洋海气耦合也被很多学者所关注，由大气风应力异常激发上层海洋环流的动力调整，引起黑潮—亲潮延伸（KOE）区SST 变化，KOE 区SST 变化反馈给大气，再引起大气风应力异常，形成耦合的海气过程（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际振荡存在多模态特征，如还存在北太平洋涡旋振荡（NPGO；Di Lorenzo et al., 2008, 2015; Yi et al., 2018）、北太平洋模态（NPM）和北太平洋东部模态（ENPM；Wu and Liu, 2003）、北太平洋经向模态（PMM；Chiang and Vimont, 2004; Stuecke, 2018; Amaya, 2019;Zhang et al., 2021）。Newman et al.（2016）利用北太平洋（多年代际）、热带中太平洋—副热带北太平洋（十年际）和热带东太平洋（年际）特征模投影时间序列很好地重建了PDO指数。

综上所述，可知影响PDO 的因子很多，如大气随机强迫（包括中纬度大气随机强迫及热带大气遥相关强迫）、海洋Rossby 波、副热带海洋涡旋的调整及KOE 区的海气耦合等等。但PDO 的形成究竟是大气强迫占主导地位，还是海洋强迫占主导地位呢？其年代际信号的源头究竟是什么？迄今为止还没有明确的诠释。大尺度海气相互作用是海洋年代际变率产生的主要原因之一（杨修群等,2004），因此我们希望通过分析中纬度北太平洋大尺度海气相互作用过程中是以海洋强迫大气为主，还是以大气强迫海洋为主，能对PDO 形成机制有新的认识。对于中纬度大尺度海气相互作用，Bjerknes（1964）认为：大西洋在年际尺度上大气直接驱动SST 变率，而在年代际尺度上SST 变率主要由海洋控制，进而可能影响大气。Gulev et al.（2013）利用SST 异常（SSTA）和湍流热通量（向上为正）异常的相关关系（正相关表明海洋强迫大气，负相关表明大气强迫海洋）在北大西洋上验证了Bjerknes 猜想。那么北太平洋上的情况是否和Bjerknes 猜想一致？关于北太平洋的海气相互作用特征，前人有过一些研究（李博等, 2011），但并未区分不同时间尺度，本文主要借鉴Gulev et al.（2013）的研究方法，从SSTA 和湍流热通量异常的相关关系角度诊断分析了北太平洋在PDO年际和年代际尺度上的海气相互作用特征，欲厘清年代际尺度上PDO 的形成到底是海洋强迫主导还是大气强迫主导。

本文初步结果表明加利福尼亚附近SSTA 和湍流热通量（向上为正）异常在年代际尺度呈显著正相关，表现为稳定的海洋强迫大气，因此本文后半部分重点关注加利福尼亚附近海洋过程与PDO 短周期的关系，以期对PDO 的形成机制有新的认识。这和以往研究关注ENSO 或KOE 区SST 对PDO的驱动作用不同。

2 资料与方法

2.1 资料

本文使用由美国伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）提 供 的1958～2018年客观分析海气通量（The Objectively Analyzed Air-Sea Fluxes，OAFlux）逐月数据（Yu and Weller, 2007），它是由卫星观测的风速、SST和再分析资料中的近地面大气温度和湿度客观综合分析而成，并通过130 多个浮标点海气数据的时间序列进行了校准和验证。该数据集包括潜热通量、感热通量、10 m 全风速、SST、2 m 气温以及比湿。目前OAFlux 湍流热通量数据是被人们公认为质量较高的热通量数据。本文规定潜热和感热通量（湍流热通量）向上为正，即当湍流热通量为正时，海洋失去热量，大气得到热量。同时对比分析了由美国 国 家 环 境 预 测 中 心（ National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和日本气象厅（JRA-55）提供的再分析资料中的湍流热通量数据，JRA-55 的湍流热通量数据仅更新至2013年。在分析中，为估计湍流交换系数，本文使用1985～2018年OAFlux 逐日数据。

本文还使用了由NCEP 提供的1958～2018年的大气风应力和10 m 水平风、英国Hadley 中心提供的1958～2018年期间的SST 和EN4.2.1次表层海温（5～1000 m 上层海洋不等间距分布共有27 层）的月平均数据。除此之外，本文也使用了1958～2018年德国海洋环流和海洋气候常规估算第三版本（General Estimating the Circulation & Climate of the Ocean version 3.0，GECCO3；5～1000 m 上层海洋不等间距分布共有24 层）月平均海洋再分析数据集，包括洋流纬向流速和垂直速度。PDO指数从http://research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest.txt [2021-3-25] 网站下载。本文中，所有数据水平分辨率均被插值成2°×2°，GECCO3 数据其在垂直方向上被线性插值成和EN4.2.1 数据垂直层次一致。

2.2 分析方法

2.2.1 PDO年际和年代际指数

在本研究中，我们主要关注北太平洋在年际和年代际尺度的SSTA 和湍流热通量异常相关关系，因此所分析的变量均通过最小二乘法去掉线性趋势。回归分析中对回归系数的显著性检验采用t检验。利用逐月PDO指数序列经过96月（8年）Lanczos 高通/低通滤波得到年际/年代际PDO指数序列（图1a），并将其回归到SSTA 和湍流热通量异常场，用以分析北太平洋SSTA 和湍流热通量异常在PDO年际/年代际时间尺度上的分布及其相关关系。图1b 是1958～2018年期间PDO 逐月指数的功率谱，由图可以看出PDO 的年代际振荡短周期大约为10～12年，10年左右的功率谱峰值通过了90%的置信水平。

图1 1958～2018年（a）标准化PDO指数逐月时间序列（柱状）以及经过96 个月Lanczos 高通/低通滤波后的PDO指数的逐月时间序列，（b）PDO 逐月时间序列的功率谱分析，红色虚线、黑色点线、黑色点虚线分别表示通过红噪音检验、90%、95%的置信水平检验，黑点及数字表示周期在10年以上的显著周期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 湍流热通量

本文主要从SSTA 和湍流热通量异常相关关系角度揭示北太平洋在年际和年代际尺度上的海气相互作用特征，同时分析湍流热通量异常的驱动因子来进一步验证说明。湍流热通量包括潜热通量和感热通量，参数化公式为

其中，Qe、Qs表示潜热通量、感热通量，Ua表示大气低层全风速（通常在10 m），qs表示海表面的饱和比湿，ts表示SST，qa和ta分别表示大气近表层比湿和温度（通常在2 m），Le表示凝结潜热系数，cp表示定压比热， ρa表示低层空气密度，Ce和Ch分别表示潜热和感热通量的湍流交换系数。

从公式（1）、（2）可以看出，湍流热通量主要依赖于Ua、qa、ts（qs由ts计算得到）、ta，因此我们依据Tanimoto et al.（2003）所提供的方法，将潜热和感热通量参数化公式线性化来评估驱动湍流热通量异常的主导因子。将公式（1）、（2）中物理量分解成时间平均量（）和扰动量（X′），则湍流热通量扰动量为

其中，时间平均量使用各月的气候场，扰动量是相对于各月气候场的偏差。这里仅考虑等式右边前两项对于湍流热通量异常的贡献，最后两项属于二阶小量可以忽略不计。在分析各因子的贡献之前，需估计Ce和Ch（除两系数未知外，其他量已知）。我 们 根 据Small et al.（2019）所 提 方 法，利 用1985～2018年OAFlux 逐日数据，根据公式（1）、（2）计算得到湍流交换系数Ce和Ch，取该时段系数的气候场作为Ce和Ch的估计值，且估计值范围在5×10−4～2×10−3之间，超出该范围剔除。所估计的Ce和Ch分布如图2 所示。

图2 1985～2018年（a）潜热通量湍流交换系数（Ce）、（b）感热通量湍流交换系数（Ch）估计值分布（×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 北太平洋年际、年代际尺度海气相互作用特征

3.1 与PDO 相关的SSTA 和湍流热通量异常之间相关关系

热通量是很难直接观测得到的物理量，其时间长度较长、范围较广，可用于科学研究的热通量数据集更是少之又少。OAFlux 湍流热通量数据是被人们公认为质量较高的热通量数据。在北大西洋，Gulev et al.（2013）验证了Bjerknes 猜想：在年际尺度上，SSTA 和湍流热通量（向上为正）异常表现为显著负相关，表明大气强迫海洋；在年代际尺度上，两者表现为显著正相关，表明海洋强迫大气。我们利用OAFlux 数据在北大西洋进行同样分析，得到了类似结论（图略）。

对于广阔的北太平洋来说，SSTA 和湍流热通量异常相关关系较为复杂，信号较为杂乱。北太平洋上SST 最主要的年代际信号是PDO，其呈现出“马蹄形”分布，即在北太平洋中西部SST 呈现出一个明显异常中心，东部相反符号的SSTA 向西北延伸至北美沿岸，向西南延伸至中部热带太平洋（Mantua et al., 1997）。因此，对于北太平洋海气相互作用特征的分析，我们重点关注北太平洋中西部（即PDO 北中心：25°～53°N，147°E～143°W）、赤道中东太平洋地区、以及北美西海岸。图3a、c和图3b、d 分别给出了年际和年代际PDO指数序列对SSTA 和湍流热通量异常场的回归，代表了年际和年代际尺度PDO 正位相期间，SSTA 和湍流热通量异常场的空间分布，用以分析北太平洋SSTA 和湍流热通量异常在年际和年代际尺度上的相关关系。

从图3a、c 可以看出，在年际尺度PDO 正位相时，赤道中东太平洋地区SSTA 和湍流热通量（向上为正）异常均呈现出显著正异常，两者表现为正相关，即SST 增加，湍流热通量增加，反之亦然，表明赤道中东太平洋地区主要表现为海洋强迫大气。我们将PDO 北中心划分为北太平洋中部和西部两个区域来分析，北太平洋西部即在黑潮—亲潮延伸（KOE）区附近。在北太平洋中部，湍流热通量呈现出微弱的负异常（图3c），SST 呈现出显著负异常（图3a），两者呈现出一定的正相关，此处表现出一定海洋强迫大气，这可能与El Niño 发生时，赤道地区平均斜温层加深，为补充这种热量的增加，热带外地区的平均斜温层变浅，即有热带外向热带的经向热量输送，则在北太平洋中部表现为海温降低，洋面湍流热通量异常减小，即湍流热通量异常由海洋驱动；另一方面，由El Niño 激发出的PNA 型强迫阿留申低压异常，从而引起中纬度地区西风增强，引起北太平洋中部地区表面热通量、海洋垂直混合以及埃克曼输送异常，也会引起该区域SST 冷异常（Graham et al., 1994;Alexander et al., 2002; Wu et al., 2003），即从局地海气相互作用角度来说，表现为大气强迫海洋，所以此处的湍流热通量异常表现比较弱。北太平洋的湍流热通量异常信号主要在KOE 区附近，在年际尺度PDO 正位相时KOE 区呈现出显著正异常（图3c），而SST 呈现出显著负异常（图3a），两者表现为负相关，即湍流热通量增加，SST 减小，反之亦然，此处主要表现为大气强迫海洋。

图3 1958～2018年（a）SSTA（单位：°C）和（c、e、g）湍流热通量异常（HF，单位：W m−2）对年际PDO指数的回归分布，打点区域表示通过95%的置信水平检验，SST 来自于HadISST 数据集，图c、e、g 的湍流热通量分别来自于1958～2018年OAFlux 数据集、1958～2018年NCEP 数据集和1958～2013年JRA-55 数据集。（b、d、f、h）同（a、c、e、g），但为对年代际PDO指数的回归分布，打点区域表示通过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

在年代际尺度PDO 正位相时，赤道中东太平洋地区湍流热通量异常信号微弱且不单一（图3d）。对于整个PDO 北中心，SST 呈现出显著负异常（图3b），图3d 中大部分地区的湍流热通量呈现出正异常，两者表现为负相关，表明此处主要为大气强迫海洋现象。而在北美西海岸却凸显出一个特殊的区域——加利福尼亚附近，该区域湍流热通量呈现出显著正异常（图3d），同时SST 也呈现出显著正异常（图3b），两者则表现为正相关，表明在年代际尺度上，北太平洋地区只有加利福尼亚附近海洋对大气有强迫作用。

使用NCEP 资料（图3e、f）和JRA-55 资料（图3g、h）的湍流热通量再分析数据进行同样的分析。在年际尺度上，三套数据的结果几乎一致（图3c、e、g），热带中东太平洋地区，湍流热通量有显著正异常，在KOE 区附近，有显著负异常。在北太平洋中部，湍流热通量呈现出微弱的负异常。年代际尺度上，在PDO 北中心，JRA-55 资料的分析结果与其他两套数据略有差异，PDO 正位相时正湍流热通量异常不是那么明显，但是在加利福尼亚附近三套数据得到的结论一致，均表现为PDO 正位相时有较明显的正湍流热通量异常，表现为海洋强迫大气现象（图3d、f、h）。

3.2 与PDO 相关的湍流热通量异常驱动因子

为更好地理解3.1 节中所得出的结论，本文从湍流热通量异常的驱动因子角度出发，进一步分析与PDO 相关的湍流热通量异常到底是由海洋所驱动还是由大气所驱动，以此来对所得到的结论加以验证说明，本文仅关注在3.1 节中所提到湍流热通量异常显著的区域。根据2.2 节中湍流热通量异常（潜热和感热通量异常之和）的线性化公式，可知湍流热通量异常主要包括风速异常贡献、以及海气温差和比湿差异常贡献，对于海气温差和比湿差的贡献，进一步分析SST、气温和大气比湿中哪一项贡献最大。

在年际尺度PDO 正位相时，赤道中东太平洋地区湍流热通量表现为显著正异常（图3c），即海洋向大气释放的热量显著增加。对比图4a、b 可知，该区域风速异常信号并不单一，但主要表现为负异常，即PDO 正位相时，赤道中东太平洋地区东风减弱，这会引起洋面向上湍流热通量异常减小（图4a），而海气温差和比湿差表现为异常增大，会引起洋面湍流热通量异常增大（图4b），因此该区域湍流热通量正异常主要是由于海气温差和比湿差的异常增大所引起。对比图4c、d 可知，该区域海气温差和比湿差的异常增大主要是海气比湿差异常增大的贡献（图4c），而海气温差贡献很小（图4d）。进一步对比分析图4e、f 可知，该区域海气比湿差的异常增大则主要归因于SST 的异常增暖，即SSTA 调控湍流热通量异常，进而可能强迫出大气异常。

同理，年际尺度PDO 正位相时KOE 区的湍流热通量显著正异常（图3c），对比分析图4a、b 可以发现，年际尺度PDO 正位相时该区域风速、海气温差和比湿差均呈现出显著正异常，均可引起湍流热通量的正异常。进一步分析可以确定主要是由该区域气温更强的异常冷却（图4e、f；大气气温和比湿对湍流热通量异常的贡献与其自身异常符号相反）导致海气温差异常增大（图4c、d），从而引起海气温差和比湿差的异常增大（图4b），而该区域气温更强的异常冷却则归因于西北风的异常增强（图4a），将更高纬度陆地上的干冷空气吹过来；即该区域湍流热通量的正异常最终是由风速的异常增强所致，进而强迫出SST 负异常。这进一步验证了3.1 节中在年际尺度所得到的结论。

年代际尺度上湍流热通量异常驱动因子的分析同年际尺度。在年代际尺度上，对于PDO 北中心来说，该区域湍流热通量正异常（图3d）主要是由PDO 正位相时西风异常增强所引起（图5a），进而可能强迫出SST 负异常，该区域海气温差和比湿差并没有明显异常信号（图5b）。而加利福尼亚附近湍流热通量正异常（图3d）主要是由于PDO 正位相时该区域SST 异常增暖（图5e、f）而引起海气比湿差异常增大（图5c、d）所致，进而可能影响大气。这进一步验证了3.1 节中在年代际尺度所得到的结论。

图5 同图4，但为年代际PDO指数的回归分布，打点区域表示通过90%的置信水平检验Fig. 5 As in Fig. 4, but for decadal PDO index, the areas with dots are statistically above the 90% confidence level

3.3 年代际尺度在冬季、夏季与PDO 相关的海气相互作用特征

年代际尺度上，北太平洋海气相互作用特征在冬季和夏季是否和全年一致呢？由图6 可知，对于PDO 北中心来说，在冬季，SSTA 和湍流热通量异常表现为负相关（图6a、b），湍流热通量正异常相较于全年（图3d）和夏季（图6d）来说最强，即大气对海洋的强迫作用最明显；而在夏季（图6c、d），两者表现为正相关，即表现出和冬季相反的海气相互作用特征，但相较于冬季来说，该湍流热通量负异常较弱。因此对于全年来说，PDO 北中心的海气相互作用特征表现为和冬季一致，即大气强迫海洋。而在加利福尼亚附近，不论冬季还是夏季，SSTA 和湍流热通量异常均表现为明显正相关，表明北太平洋仅有此处为稳定的海洋强迫大气现象，只是冬季湍流热通量异常中心稍偏南。

图6 1958～2018年年代际尺度冬季（a）SSTA（单位：°C）和（b）湍流热通量异常（单位：W m−2）对PDO指数的回归分布。（c、d）同（a、b），但为夏季的结果。打点区域表示通过90%的置信水平检验。SST 来自于HadISST 数据集，湍流热通量来自于OAFlux 数据集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 加利福尼亚附近海洋过程与PDO短周期的可能联系

通过第三部分北太平洋在年际、年代际尺度的SSTA 和湍流热通量异常相关关系分析，可见与PDO 相关的海气相互作用特征在年代际尺度上有这样的表现：PDO 北中心主要表现为大气强迫海洋；加利福尼亚附近表现为海洋强迫大气，且年代际尺度北太平洋上仅有该区域表现为海洋强迫大气。因此，本文想进一步探讨加利福尼亚附近海洋过程如何？与PDO 的短周期振荡（准十年周期）有着什么联系？

图7 表示加利福尼亚附近（20°～40°N，140°W～110°W）SSTA 区域平均（记为CaI）标准化逐月时间序列（图7a）及其功率谱分析（图7b）。从CaI 的功率谱分析（图7b）可知，加利福尼亚附近SSTA 具有12年左右周期，且通过95%的置信水平。鉴于这一结果，同时也为能够更加清晰地看出海洋中异常信号的变化，本文对下文所有分析数据都进行96～240月（8～20年）的Butterworth带通滤波。

图7 1958～2018年（a）加利福尼亚附近（20°～40°N，140°～110°W）SSTA 区域平均（CaI）的标准化逐月时间序列，（b）CaI 的功率谱，红色虚线、黑色点线、黑色点虚线分别表示通过红噪音检验、90%、95%的置信水平，黑点及数字表示周期在10年以上的显著周期。SST 来自于HadISST 数据集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

图8 为CaI 和海洋次表层（5～1000 m 的上层海洋）海温异常、SSTA 及风应力异常的超前滞后回归分布。分析可见：当CaI 滞后各要素场84 个月（7年，Lag 84 mon）时（图8a1–d1），SSTA 回归到CaI指数的空间模态类似于PDO 冷位相，在赤道中东太平洋至加利福尼亚附近为SST 冷异常，北太平洋中部为SST 暖异常，类似于ENPM模态冷位相阶段（图8c1）。相应地，加利福尼亚沿岸有反气旋型环流，北太平洋东部副热带区域为东北风风应力异常，北太平洋中部、赤道太平洋中部为显著的偏东风风应力异常（图8d1），这种可能由加利福尼亚附近冷海温导致的风应力异常叠加在风场气候场（图4a：赤道中东太平洋偏东风，北太平洋东部副热带区域为东北风，北太平洋中部为偏西风）上，根据Wind-Evaporation-SST（WES）机制（Xie and Philander, 1994），引起赤道中东太平洋至加利福尼亚沿岸SST 冷异常，北太平洋中部SST 暖异常。随着时间变化，赤道西太平洋异常暖水沿着温跃层东移，赤道中东太平洋约100 m 以上的次表层异常冷水上翻（图8a1–a4），而加利福尼亚附近异常冷水随时间下沉（图8b1–b4）。当CaI 滞后各要素场12 个月（1年，Lag 12 mon）时（图8a4–d4），加利福尼亚沿岸有SST 暖异常，伴随有气旋性风应力环流，北太平洋东部副热带区域为西南风异常，北太平洋中部、赤道太平洋中部为显著的西风应力异常，根据WES 机制，引起赤道中东太平洋至加利福尼亚沿岸SST 出现暖异常，北太平洋中部出现SST 冷异常，类似于PDO 暖位相阶段，基本完成半个周期振荡，时间约为5～6年。当CaI 超前各要素场60 个月（5年，Lead 60 mon）左右（图8a8–d8），基本完成一个周期振荡，时间约为12～13年。

图8 1958～2018年96～240 个月带通滤波的CaI 与（a1–a9）5°S～5°N 平均次表层海温异常（单位：°C）、（b1–b9）30°～40°N 平均次表层海温异常（单位：°C）、（c1–c9）SSTA（单位：°C）、（d1–d9）风应力异常（单位：N m−2）的超前—滞后回归分布。图b1–b9 中，箭头表示洋流纬向流速uo（单位：cm s−1）和垂直流速wo（单位：10−5 cm s−1）的气候场；图d1–d9 中，黄色阴影区域表示通过90%的置信水平检验。图a1–a9、b1–b9、c1–c9 中打点区域表示通过90%的置信水平检验。Lag 表示CaI 滞后，Lead 表示CaI 超前。SST 来自于HadISST数据集，次表层海温来自于EN4.2.1 数据集，风应力来自于NCEP 数据集，uo 和wo 来自于GECCO3 数据集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

进一步分析赤道中太平洋（5°S～5°N，180°～120°W）区域平均逐月SSTA（图9a）和北太平洋东部副热带地区（20°～40°N，140°～110°W）区域平均逐月经向风应力（图9b）的功率谱，可见它们均有12年左右周期，与加利福尼亚附近SSTA 的功率谱结果一致，但赤道中太平洋SSTA的12年周期只通过了红噪音检验，未通过90%的置信水平。这说明北太平洋准12年振荡的关键区域和要素场包括加利福尼亚附近SSTA、赤道中太平洋SSTA，以及北太平洋东部副热带区域的经向风应力，这种准12年振荡周期与PDO 的短周期振荡（准十年周期）类似。

图9 1958～2018年（a）赤道中太平洋（5°S～5°N，180°～120°W）区域平均逐月SSTA、（b）北太平洋东部副热带地区（20°～40°N，140°～110°W）区域平均逐月经向风应力的功率谱，红色虚线、黑色点线、黑色点虚线分别表示通过红噪音检验以及通过90%、95%的置信水平检验，黑点及数字表示周期在10年以上的显著周期。SST 来自于HadISST 数据集，经向风应力来自于NCEP 数据集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 结论与讨论

本文通过分析北太平洋在年际和年代际尺度与PDO 相关的SSTA 和湍流热通量异常的相关关系，探讨了PDO 在年际和年代际尺度上的不同海域海气相互作用特征，并进一步分析了加利福尼亚附近海洋过程与PDO 短周期（准10年周期）的可能联系。主要结论如下：

（1）在年际尺度，赤道中东太平洋地区SSTA 和湍流热通量（向上为正）异常表现为显著正相关，即海洋可能通过热通量加热/冷却大气；KOE 区两者表现为显著负相关，即湍流热通量异常主要受到大气风速异常影响，SST 则表现为对热通量异常的响应，表现为大气强迫海洋。

（2）在年代际尺度，PDO 北中心SSTA 和湍流热通量（向上为正）异常为负相关，表现为一定的大气强迫海洋；加利福尼亚附近两者表现为显著正相关，即海洋可能通过热通量加热/冷却大气。这种海气相互作用特征在不同季节稍有变化：PDO 北中心在冬季表现为强烈的大气强迫海洋现象，而在夏季则表现为较弱的海洋强迫大气现象，因此就全年而言PDO 北中心表现为大气强迫海洋。加利福尼亚附近无论是在冬季还是夏季均表现为显著的海洋强迫大气现象。

（3）加利福尼亚沿岸附近是北太平洋准12年振荡中的关键区域之一，与PDO 准十年的周期类似。赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡另外两个重要环节。加利福尼亚沿岸附近的冷（暖）海温异常，伴随着反气旋（气旋）型风应力环流，以及北太平洋东部副热带为东北风（西南风）异常，北太平洋中部、赤道太平洋中部为显著的东风（西风）异常。这种可能由加利福尼亚附近的冷（暖）海温导致的风应力异常叠加在风场气候场上，引起赤道中东太平洋至加利福尼亚沿岸出现SST 冷（暖）异常，北太平洋中部出现SST 暖（冷）异常。同时伴随有赤道西太平洋暖（冷）异常海水沿着温跃层东移上翻。

本文虽然指出了加利福尼亚附近SST 具有海洋强迫大气的独特性，且有准12年振荡周期，PDO 准十年振荡可能与此有一定联系，但是加利福尼亚附近SSTA 的变化与什么有关，此区域是否是触发北太平洋准12年振荡形成的关键区域，还需进一步利用混合层温度变化方程进行收支分析，对比分析Ekman 平流、表面湍流热通量和风驱动的海洋垂直混合对局地混合层温度变化的贡献，并进一步利用数值试验分析加利福尼亚附近海洋过程对北太平洋准12年振荡模态的作用。