路凯程，卢姁，张铭

（1.中国人民解放军39506部队82分队，北京 100076； 2.中国人民解放军61741部队，北京100081；3.中国人民解放军理工大学气象学院大气环流与短期气候预测研究室，江苏 南京211101）

赤道外北太平洋上层洋流异常分析

路凯程1,3，卢姁2,3，张铭3

（1.中国人民解放军39506部队82分队，北京 100076； 2.中国人民解放军61741部队，北京100081；3.中国人民解放军理工大学气象学院大气环流与短期气候预测研究室，江苏 南京211101）

采用复EOF分析方法，对全年各月份除赤道太平洋外的北太平洋海域的上层洋流异常做了统计动力诊断，并与赤道太平洋洋流异常做了比较；得到的主要结论有：北太平洋海域上层洋流的明显异常发生在日本本州岛以东、以南范围不大的海域（关键区）内，此关键区仅占整个北太平洋海域很小的一部分；而在该海域之外，洋流异常均非常小。虽该洋流异常的第一模态与第二模态对整个异常的方差明显小于赤道太平洋；但其对以上关键区内洋流异常的贡献仍是不小的。在上述海域内，第一模态表现为东东北至西西南走向的涡旋偶，即一个反气旋涡旋和一个气旋涡旋的组合；第二模态也主要表现为涡旋形式。第一、二模态的时间系数均有两个状态， 第一、二模态其模的数值大小则决定了其偏差流场的强弱，模值越大则异常越大。第一、二模态的时间系数均有年际变化和明显的年代际变化。以上两模态是异常风应力造成海洋西边界附近海水流动的异常所致，其性质是海洋Rossby波的异常，这与赤道太平洋洋流异常是Kelvin波的异常不同，但两者共同之处在于其均与风应力异常密切相关。

复EOF分析；北太平洋；洋流异常

Abstract: In this paper, using the combining complex empirical orthogonal function (CEOF) analysis, the dynamic statistic diagnosis about the upper abnormal circulation of the months of the year in North Pacific without equatorial area is carried out.It is done to compare with abnormal circulation in equatorial Pacific.Main results are discussed as follows: the upper abnormal circulation of North Pacific mainly occurs in the sea area (the key area)to the east and south of Japan Honshu, and only very small part of the North Pacific area is covered by the key area; with the exception of the key area is carried out, the abnormal circulation is not obvious.Although the squares of the first mode and the second mode to the whole anomaly in the key area are smaller than those in equatorial Pacific, their contribution are not small to the abnormal circulation in the key area above.In the sea area above, the first mode represents a pair of vortices in the trend of east northeast to west southwest with reverse rotation direction, that is a couple of anticyclone and cyclone; the form of the second mode also mainly represents some vortices.Both of the first and the second modes’ time coefficients have two states, and the two modes’ numeric values determine the strength of their deviation flow fields.The bigger the modes’ numeric values are, the greater deviations’ degrees are.The wavelet analysis shows that both of the two modes’ time coefficients have interannual variations and interdecadal variations, clearly.The two modes above are caused by wind stress anomalies driving seawater near the western boundary, whose nature is ocean Rossby wave, which is different from Kelvin wave in equatorial Pacific, but the two waves have a close relation with the abnormal wind stress.

Keyword : CEOF; North Pacific; abnormal circulation

1 引 言

海洋环境的异常直接关系到气候异常和减灾防灾，其已引起海洋和气象学者的高度关注。海洋状态的异常主要表现以下两方面：海温的异常与洋流的异常，也可称之为热力学异常和动力学异常。在表层由于辐射和蒸发对水温影响较大，故海温变化主要受非绝热加热影响，而在次表层以下，因太阳辐射难以到达且又无蒸发，海温的变化是绝热的，故其与洋流的异常关系密切。由此可见这两者的异常虽有关联，但因其形成原因的不同，故有必要分别研究。前人对北太平洋海区海洋状态的异常多集中在表层温度异常（SSTA）上，并探讨其与东亚冬、夏季风异常和长江中下游及华北降水、温度异常之间的关系[1-3]。

目前对北太平洋洋流的研究工作已有不少[4-6]。Kelly等[7]认为黑潮延伸体和它南部的回流涡旋有密切联系，这表明在黑潮延伸体观测到的低频振荡很可能是由于区域的表面强迫引起的；他们做了一个相关分析，发现在黑潮延伸体区域的风应力的第2模态和该区域的水体运输有明显相关；大的风应力异常区域通常与大的水体运输异常区域相一致。Chen和Qiu等[8]对2004年5月到11月的观测资料进行分析，指出在海洋上层1500 m内，不同高度上的反气旋流通常都是相互平行的，海表面的速度(35 cm/s) 为1500 m处海流速度(10 cm/s)的3.5倍。Qiu等猜测黑潮延伸体南部的回流涡旋是由该区域强的风异常所引起的，黑潮延伸体强度增强的同时也向北部伸展。但是，这些工作大多集中在对气候平均状态和日常观测的研究上，而对北太平洋流场异常的研究工作比起对SSTA来说则要少得多。为此本文利用复 EOF分析方法对全年北太平洋上层洋流异常做了分析，给出了异常明显的关键海区以及其空间模态，探讨了异常的年际变化和年代际变化。

2 资料和诊断方法

本文所用的资料为美国UMD的Carton（beta 7）逐 月 全 球 海 洋 同 化 分 析 资 料（http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCE/.UMD/.Car ton/.goa/.beta7[9]），该资料提供了海洋上层从 1950年至2001年共52 a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，其为高斯网格，网格距约为1°。本文的统计动力诊断范围则取除赤道太平洋外的北太平洋，即取19.5-50.8ºN，120ºE -180ºE -80 ºW（如图1所示）。为揭示上述范围内上层洋流的全年异常，本文对各月该洋流异常做了复EOF分析，其原理可参见文献[10], [11]，这里不再赘述。具体操作步骤是：首先将各年各月份在上述8个深度上的各月平均流场分别求其52 a的平均值，将各年各月的平均流场减去该平均值，则可得各年各月这8层上的偏差流场；然后将各月这8层上的偏差流场作为一个整体进行复EOF分析。此时各月各EOF模态的空间场和时间系数场都是复数；各月空间场的模表示各月各模态流场异常的流速大小，辐角则表示其流向；而时间系数则表示这 52年中各月流速、流向随年份的变化。由于这里将各月各层上的偏差流场看作一个整体来做复EOF分析，故各月各层有相同的时间系数，这也是本复EOF分析方法的特色和优点。本文主要讨论深度为22.5m和112.5m的两层，前者可代表近表层，后者则可代表次表层；为方便，以下就直接称这两层为近表层和次表层。

3 诊断结果分析

各月第一、二模态的方差贡献见表1。由表1可见，这两个模态方差贡献均不很大，这是因为明显异常的区域仅占整个北太平洋范围的很小一部分。为验证这一点，在其他条件不变的情况下，我们对27.5-39.6ºN，134.5-154.5 ºE的范围，即赤道外北太平洋上层洋流出现明显异常的海域（关键区）也作了复EOF分析，此时得到的其相应月份第一、二模态的方差贡献见表2。由该表可见，在关键区内，其第一、二模态对洋流异常的贡献有明显增大。

表1 北太平洋各月各模态的方差贡献Tab.1 Variance contribution of each month of two modes in North Pacific

表2 关键区內各月各模态的方差贡献Tab.2 Variance contribution of each month of two modes in key area

3.1 第一模态

在北太平洋上层，从诊断得到的各月第一模态空间场的分布可知：在上述8层上，明显的偏差流场均仅出现在日本本州岛以东以南海域，并表现为涡旋偶的形式，即一个反气旋涡旋和一个气旋涡旋的组合；该涡旋偶轴心呈东东北至西西南走向，并在上述 8层上均表现得十分明显；在这 8层上该空间场的差异很小，这也表海洋上层流场具有正压性（近表层1、4、7、10月和次表层1、7月的空间场分别参见图1、2，其余月份和层次的图均略）。

图1 近表层第一模态的空间场；单位：ms-1，（a）、(b)、(c)、(d)、分别表示1、4、7、10月Fig.1 Space field of the first mode in near-surface; unit: ms-1，(a), (b), (c), (d) showing January, April, July, October, respectively

图2 次表层第一模态的空间场；单位：ms-1，（a）、(b)分别表示1、7月份Fig.2 Space field of the first mode in sub-surface; unit: ms-1(a),(b)showing January, July, respectively

从各月第一模态偏差流场时间系数的辐角图（1, 7月参见图3，其余图略）可见，一部分月份其辐角大体集中在0°和±180°附近。前者因其余弦值约为＋1，故其偏差流场的分布形势与该模态的空间场基本相同，而后者约为-1，其分布形势则相反。另一部分月份其辐角大体集中在角α和180°+α附近，而α角则小于等于30°（如10月份，此时α为-30°）。这表明辐角的分布均有两个状态，其分别可称为态 A、B。对另一部分月份而言，其相应于这两个状态的偏差流场的空间结构分布（即态 A、B）则需对原空间场以及其反向场的风向做角α的旋转。不过因这里转角α并不算太大（α≤30°），旋转后与旋转前的流场差异也不算太大。在旋转后态A、B其仍有涡旋偶的形式。这样可分别称态A、B为相似态和相反态，因这时的偏差流场与该模态的空间场呈基本相同或相反的分布。

从各月第一模态偏差流场时间系数的模图上（1, 7月参见图4，其余图略）可见，各月份该模的值每年也均不同，为此求各月模值的 52年平均值。各月以该平均值为界，也可将其划分为两个态：大于等于该平均值的称为强模态，并用S表示；小于该平均值的称为弱模态，并用 W 表示；而各年模的数值（大小）则决定了其偏差流场强弱的程度，数值越大则偏差流场越强，也即异常越大。

根据各月第一模态时间系数模和辐角的分类，可得以下4种配置组合：AS、BS、AW、BW，即相似强模、相反强模、相似弱模、相反弱模，这里相似与相反均对第一模态空间场而言。在此AS和BS是两个强异常的态，对于AS则上述涡旋偶很强，而对BS则涡旋偶的流动方向发生反转且强度也很大。

图3 第一模态时间系数的辐角，（a）、(b)分别表示1、7月份Fig.3 Amplitudes of the first mode time coefficient, (a), (b) showing January, July, respectively

图4 第一模态时间系数的模，（a）、(b)分别表示1、7月份Fig.4 Model values of the first mode time coefficient, (a), (b) showing January, July, respectively

图5 冬、夏季（1、7月）第一模态时间系数序列的小波全谱, (a)1月，(b) 7月Fig.5 First mode time coefficient’s wavelets power spectrum in winter and summer (January, July), (a) January, (b) July

由第一模态偏差流场时间系数辐角和模的演变可见（参见图3、4），其具有明显的年际变化和年代际变化。为揭示冬季和夏季时间系数（其为复数）的变化规律，我们将1月份和7月份各年时间系数的模乘以其辐角的余弦后构成一新的实数时间序列，不妨称其为时间系数序列。因在冬、夏（1、7月），该余弦值有近于±1的两个状态（参见图3），故该时间系数序列可综合反映辐角和模的时间演变。将该时间系数序列标准化，即将各年的值减去该序列的最小值再除以该序列的极差（最大值与最小值之差），然后对标准化后的该序列作了小波分析。图5中分别给出了冬、夏（1、7月）该时间系数序列的小波全谱。由图可见，冬季其有4-5年的年际变化和19年的年代际变化，且年代际变化明显；夏季则年际变化周期拉长，其有9-10年的年际变化和17年的年代际变化，且后者也十分明显。综合冬、夏可知，第一模态北太平洋流场异常的年代际变化冬、夏差异不大，以近 18年的周期为主。

3.2 第二模态

从诊断得到的第二模态各月空间场的分布可知，在上述8层上，明显的偏差流场其出现位置与第一模态大体相同，也仅出现在上述关键区内；虽然其空间场主要表现仍为涡旋，但形式与第一模态有所不同。春季其空间场表现为一对涡旋列，即表现为两个紧邻的反气旋涡，两者的轴心仍呈东东北至西西南走向；而在秋季则在日本本州岛以东也表现为一对涡旋列，而在其南，则另有一气旋涡；冬季和夏季则其表现形式没有春季、秋季那样有规律；在这8层上该空间场的差异也很小，即正压性明显（1、7月近表层的图参见图6，其余层次与月份的图均略）。

图6 近表层第二模态的空间场，单位：ms-1,（a）、(b)分别表示1、7月份Fig.6 Space field of the second mode in near-surface; unit: ms-1, (a), (b) showing January, July, respectively

图7 第二模态时间系数的辐角，（a）、(b)分别表示1、7月份Fig.7 Amplitudes of the second mode time coefficient， (a), (b) showing January, July, respectively

图8 第二模态时间系数的模,（a）、(b)分别表示1、7月份Fig.8 Model values of the second mode time coefficient, (a), (b) showing January, July, respectively

图7、图8分别给出了第二模态偏差流场时间系数的辐角和模，从图7可见，其辐角值也有两个状态，也可称之为态A、B。对部分月份，与第一模态类似，其偏差流场的分布形势大体与其空间场相同或相反，即其辐角的余弦值大体集中在±1附近；另一部分月份，则辐角也集中在角α和180°+α附近，角α也并不很大。由该图还可见，第二模态在以上两个状态的离散度较第一模态要大。从图8可见，类似于第一模态，各月时间系数的模值大小各年也有明显差别。仿照第一模态的做法，也可将模值划分为两个态：强模态S和弱模态W；也能得到以下4种配置组合：AS、BS、AW、BW。同样在此AS和BS是两个强异常的态。

由第二模态偏差流场时间系数模和辐角的时间系数可见（参见图7、8），其模和辐角也具有明显的年际和年代际变化。采用与第一模态同样的处理方法，我们对处理后的标准化的时间系数序列进行了小波分析（图略）。分析表明，在冬季（1月），其有3-4年的年际变化周期以及13 a和20 a的年代际变化周期，并以20 a的年代际变化明显；在夏季（7月），其有3-4年的年际变化周期以及16年和21-22年的年代际变化周期，并以16年的年代际变化明显。这表明第二模态流场异常的年代际变化冬、夏差异较大。

4 北太平洋与热带太平洋洋流异常的比较

文献[12,13]中我们研究了5月份热带太平洋上层洋流的异常。此处将热带太平洋与北太平洋两处的上层洋流异常作一比较，结果如下：

从明显异常的水平范围看，前者包含了整个赤道地区，后者则仅位于日本本州岛的以东、以南海域，前者异常的范围与整个EOF分析的海域的相对比例要较后者大得多；正因如此，前者第一、二模态的方差贡献（32.66%，9.32%）也较后者大，特别是第一模态前者较后者要大许多；后者其第一模态方差贡献明显偏小的原因正是因其明显异常的范围仅占整个北太平洋很小一部分的缘故。从异常的强度看，前者较后者明显要强得多；我们也做过10 ºS-50.8ºN，120ºE -180ºE -80 ºW范围，即包含赤道太平洋和以上北太平洋海域的上层洋流复EOF分析；此时，由于赤道太平洋的洋流异常很强，导致赤道外北太平洋的洋流异常为其所掩盖（图略）；这也是我们要单独分析赤道外北太平洋洋流异常的重要原因。从异常的性质看，前者是赤道海洋Kelvin波的异常，其表现为v分量近于0的赤道俘获波形式；而后者因其尺度在1000 km（10个纬距），为海洋中的大尺度系统；故其是中纬度海洋Rossby波的异常，并表现为涡旋形式，其形成原因是异常风应力造成海洋西边界附近海水流动的异常所致。该两者虽有以上不同之处，但其也有共同的地方，即这两者异常则均与风应力异常密切有关。

5 结 语

本文采用复EOF分析方法，对全年各月份除赤道太平洋外的北太平洋海域的上层洋流异常做了统计动力诊断，并与赤道太平洋洋流异常做了比较；得到了以下主要结论

1.北太平洋海域的上层洋流的明显异常主要发生在日本本州岛以东、以南范围不大的海域（关键区）内，该关键区仅占整个赤道外北太平洋海域很小的一部分；而在该海域之外，洋流异常均不大。

2.虽该洋流异常的第一模态与第二模态对整个异常的方差明显小于赤道太平洋；但其对以上关键区内洋流异常的贡献仍不小。

3.在上述关键区内，第一模态表现为东东北至西西南走向的涡旋偶，即一个反气旋涡和一个气旋涡的组合；第二模态也以涡旋为主，但其表现形式与第一模态不同。

4.第一、二模态的时间系数均有两个状态，一部分月份其余弦值分别明显集中于＋1与－1附近，前者其偏差流场的分布形势大体与其空间场相同，而后者则相反；另一部分月份则与上有所偏差，但偏差并不太大。

5.第一、二模态其模的数值大小则决定了其偏差流场的强度，模值越大则偏差流场异常越大；其时间系数则均有年际变化和明显的年代际变化。

6.以上两模态的异常是异常风应力造成海洋西边界附近海水流动的异常所致.其性质是海洋Rossby波的异常这与赤道太平洋是 Kelvin波的异常不同但两者则均与风应力异常密切相关。

最后要说明的是，本文主要工作是进行诊断分析，对造成异常的动力学原因涉及不多，这是本文的局限所在，也是我们今后要做的工作。另外，本文尚未研究北太平洋流场异常对我国天气气候的影响，这方面的工作无疑是十分重要的，这也是我们今后所要进行的工作。

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Analysis for upper abnormal current in North Pacific without equatorial area

LU Kai-cheng1,3, LU Xu2,3, Zhang Ming3

(1.Unit 39506, 82, PLA, Beijing 100076, China; 2.Unit 61741, PLA, Beijing 100081, China; 3.Laboratory of Atmospheric Circulation and Short-range Climate Forecast Meteorological College, P.L.A.University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

P732

A

1001-6932(2011)01-0029-08

2009-10-09；收修改稿日期：2010-08-21

国家“973”项目2007CB411805

路凯程 ，女（1985-），江苏徐州人，硕士，主要从事海洋气象方面的研究。电子邮箱：kittylu329@163.com。