卢楚翰，管兆勇＊，李永华，白莹莹

1 气象灾害教育部重点实验室，南京信息工程大学，南京 210044

2 重庆市气候中心，重庆 401147

3 重庆市气象科学研究所，重庆 401147

1 引 言

太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，简称PDO）是太平洋上类似于ENSO 形态并具有显著年代际振荡周期的气候变率模态（其最早由Mantua等在1997年提出［1］）．研究表明，热带太平洋的年代际变率对PDO 的20～30a周期变化有着直接作用［2－3］．PDO 被认为是影 响 北 半球，尤其是 太平洋及其周边区域气候变化的重要模态，主要体现于它对年际变率尤其是基于ENSO 影响的年际变化具有重要的调制作用，例如它对冬季美国区域气候的可预报性具有显著调制影响［4－5］；其对我国气候变率亦具有重要影响，且处于不同阶段的ENSO 事件对中国冬夏季气候异常的影响明显受到PDO 的调制［6］．

区别于ENSO 相关的年际信号，太平洋年代际变率优势区主要位于北太平洋中纬度区域，并与PNA 型年代际变化密切相关［7］，因此对其下游北美区域的天气气候异常已引起广泛关注［8］．此外，对北半球中纬度大气环流与太平洋SST 进行典型相关分析可得到类似于PDO 变化的主导模态，表明PDO 对中纬度大气环流变化存在影响［9］．在年际以及年代际尺度上，PDO 很好地对应着冬季阿留申低压和蒙古高压的同步“跷跷板”变化［10－11］．由此造成的纬向海陆气压差相应变化，将PDO 与其上游东亚冬季风的强度变化紧密联系了起来［10－12］．PDO 还可通过在对流层低层的大气强迫作用使东亚夏季风降水发生年代际变化［13］．ENSO 与东亚夏季风之间相关关系的稳定性亦出现了类似的年代际变化［14］．

与之对应，我国尤其是东部华北、江淮以及华南地区降水异常均经历了显著的年代际变化［15］．例如，我国华北地区近50年来经历了一个由湿向干转换的过程，这与PDO 在20世纪70年代中后期自冷位相向暖位相转换有着很好的对应关系［16］．相反地，Zhou［17］指出我国南方地区冬季降水自1978—2002年较1960—1977年明显增多，这与它跟太平洋SST 关系的年代际变化有关．李宏毅等分析1951—2005年我国华南地区3月份降水特征，发现其与PDO 有着显著的相关［18］．利用我国东部夏季降水的重建资料（干湿指数），Shen等［19］很好地重建了公元1470年以来的PDO 指数时间序列．

以上研究表明，PDO 与东亚冬、夏季风以及我国东部降水的年代际变化有着密切联系．但目前对于PDO 影响其上游尤其是东亚季风及降水变化的具体物理过程和影响途径研究还甚少涉及．近期研究表明，北太平洋海温变化存在一个年代际通道IP，这个年代际通道与PDO 和东亚冬季风有密切联系，甚至也被视为联系中纬度太平洋和热带太平洋海气相互作用的桥梁［12，20］．本质而言，季风是两半球相互作用的表征之一，受到行星热对流和海陆热力变化所驱动［21］．南北半球相互作用低频变化的活跃程度可由两半球大气质量差所衡量，据此Guan和Yamagata［22］发现南北半球间存在大气质量涛动现象（Interhemispheric Oscillation，以下简称IHO）．卢楚翰等［23］研究发现IHO 对东半球季风活跃区的大气质量年际异常具有显著的方差贡献，是与亚洲季风密切联系的强信号．据此，可推测年代际以上尺度的PDO 对亚洲季风的影响可能不局限于亚洲—太平洋之间的遥相关强迫，它与南北半球间的大气环流异常特别是半球际大气质量交换及重新分布可能存在联系，从而对亚洲季风活动异常产生影响．因此，本文将探讨PDO 与IHO 的年代际尺度相互关系，以及它们对亚洲季风活动乃至我国气候异常的影响，所得结果将利于人们加深对东亚季风气候异常的认识．

2 资料与方法

本文数据取自NCEP／NCAR 再分析数据集，所用主要变量包括地表气压、地表温度、高空风场，格点分辨率为2．5°×2．5°．按照冬季（12，1，2 月）、春季（3，4，5 月）、夏季（6、7、8 月）及秋季（9，10，11月）对相应资料做季节平均．PDO 指数取自http：∥jisao．Washington．edu／pdo／PDO．latest，该指数由对20°N 以北的太平洋海表温度异常EOF 分析的第一模态时间系数序列的标准化所得．由于NCEP的地表气压及海平面气压在1968年以前可能存在编码错误，本文分析所用时段主要基于1969—2008年．另取由中国气象局气候中心发布的相同时段的160站月平均站点温度与降水．参照Guan和Yamagata［22］，本文用扣除季节平均后的北半球面积权重平均的地表气压与相应南半球面积权重地表气压之间的差值，构造了IHO 指数，该指数反映了由南北半球大气质量不平衡所致半球际相互作用的活跃程度．参考施能和杨永胜［24］，利用110°E 与160°E 处海平面气压差值，构造了东亚季风指数（EAM）．为研究年代际变化，采用小波分析方法，提取了PDO、IHO 以及EAM 指数对应11～38a周期的分量，分别用Pdec、Idec和Edec表示．

在计算各年代际指数与环流场及降水的关系时，本文使用了线性回归以及线性相关系数方法．由于年代际分量指数（Pdec、Idec）的自由度降低，在对回归以及相关进行显著性检验时，采用了蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟方法．具体地，将Pdec、Idec序列顺序打乱1000次后，利用这些指数的随机序列分别对要素场进行回归及相关分析，从而得到某个相应格（站）点资料序列的F 统计量和相关系数绝对值统计量（共1000个），并将这1000个值作降序排列，最终取其中的第51 个（第11 个）统计值作为信度为0．05（0．01）的统计临界值．当回归的F 统计量或者相关系数绝对值大于该临界值时，可判断该格点上的F统计量或相关系数通过0．05 信度的显著性检验．

3 结 果

3．1 太平洋年代际振荡与南北半球际大气质量振荡

为分析PDO 与IHO 的年代际变化特征，图1分别给出了标准化的逐季PDO 以及IHO 指数的时间序列．其中，PDO 指数具有明显的年代际周期变化，且在20、40和70年代有着明显的突变特征，这与北半球冬季大气活动中心近百年来的三次突变出现年代是对应的［25］，说明PDO 与半球际大气质量年代际异常分布可能存在联系．值得注意的是2007年后PDO 的位相再次发生转折，可能预示着PDO再一次的突变来临．另一方面，IHO 指数的时间演变与PDO 的基本一致，两者保持显著的正相关，同期相关系数达0．364（通过0．01显著性水平的蒙特卡洛随机检验）．进一步分析发现，IHO 的年代际波动与PDO 大致吻合，其在70年代的中后期出现由负位相向正位相的显著转折，这意味着北半球与南半球之间的大气质量不平衡性加大．由于半球平均水汽质量年际变率贡献较小［26］，这种不平衡主要由干空气质量的南北半球际差异造成．

两种涛动指数均表现出一致的10年以上周期的年代际振荡（图1），其中PDO 振幅尤为明显．据此，进一步利用小波分析方法，分别提取了PDO 指数和IHO 指数中11～38a周期的年代际分量（以Pdec和Idec表示，图2）．这两个年代际分量分别占年际以上尺度扰动总方差的32．9%和20．1%，说明年代际振荡确实是PDO 和IHO 变化的重要分量．从图2看出，Pdec在70年代和90年代后期处于负位相（冷期），而在80年代至90年代中后期处在正位相（暖期），其中在1985—1997年间还出现一次明显的年代际振荡．Idec分量的特征与Pdec基本吻合，只是80年代初的峰值位相有所落后，且1985—1997 年间的年代际振荡偏弱．两者的一致性说明，在年代际尺度上，当PDO 显著振荡时，不但太平洋区域的海气相互作用发生显著调整，南北半球间大气质量的不平衡性亦随之加大，因此将加强两半球大气的相互作用．特别地，当PDO 处于正（暖）位相时，热带中东太平洋海表温度年代际异常上升，黑潮及其续流区和北太平洋中部异常变冷，并且伴随着大气往北半球异常堆积，反之亦然．

图1 标准化的逐季PDO 指数（上部）以及IHO 指数（下部），其中细实线为原始指数，粗实线为5年滑动平均处理后的相应指数

为分析半球际大气质量不平衡对东亚季风的影响，图2 还给出了相应的东亚季风年代际分量（Edec），它对扰动总方差的贡献率高达38．4%．由Edec的时间演变可看出，其年代际波动特征与Idec和Pdec尤其是后者能较好地吻合，说明PDO 和IHO 与东亚冬夏季风活动异常可能有密切联系，下文将对其联系机制进一步分析．

值得注意的是，Idec和Pdec在1977 年以前及1995年之后变化比较一致，而在1977—1994 年间两者差异增大，这可能与全球温度变化效应有关．注意到PDO 指数的构造过程中，为去除“全球增暖”影响，减去了全球平均的SST 平均值（http：∥jisao．Washington．edu／pdo／PDO．latest）．大气质量（气柱密度）的变化同样受到气柱温度影响，为去除全球气温变化对IHO 的影响，首先计算了全球平均的整层气柱温度的年代际分量（T），并将Idec减去原Idec对T 的回归序列（IHO－T）．如图2下部所示，去除全球平均气柱温度影响的IHO 年代际分量与PDO年代际分量（Pdec）位相变化的一致性明显改善，据此可推断全球平均气柱温度在70年代中期至90年代中期的双峰型变化结构，可能是造成原Idec和Pdec差异的主要因素．

图2 各标准化指数的年代际分量．上部：Pdec（实线）、Idec指数（虚线）以及Edec（点虚线）．其中他们占年际以上尺度变化的方差贡献率分别为32．9%，20．1%，38．4%．下部：Pdec（实线）、全球气柱温度（点虚线）以及去除全球气柱温度变化分量后的Idec指数年代际分量（虚线）

为进一步揭示PDO 与IHO 年代际变化所对应的环流模态，分别用地表温度和地表气压异常对Pdec和Idec进行回归，可以看出两种指数回归得到的空间分布相似性较高（图3）．其中，从地表气温的回归系数看出，PDO 与IHO 对太平洋区域的表层温度年代际变化具有显著的影响，表现为热带中东太平洋的气温偏高与南北太平洋中纬度区域的气温异常偏低，这与PDO 引起的海表温度（SST）异常的经典空间形态是一致的［1］．气温异常的显著区还包括印度洋区域、地中海、中东地区、西伯利亚中部、阿留申群岛以及冰岛区域（图3（a，b））．这说明PDO 与IHO 引起的地表气温年代际异常是具有全球性的．

尽管与PDO 与IHO 相关的地表气压异常显示出在南北太平洋中纬度区域出现一对显著异常低值区，但更值得关注的是东半球30°S—50°N 处的广阔的正异常区，以及南半球极区的负异常区（图3（c、d））．这两个广大的反号异常区域体现了南北半球间大气质量振荡关系．此结果进一步说明了年代际尺度的PDO 与南北半球际大气质量振荡（IHO）是紧密联系的．由此造成的南北半球尤其是东半球部分的南北气压差将加强两半球之间的相互作用，对季风活动异常产生影响．同时，亚欧大陆的正值中心位于冬季蒙古高压所在区域，南北美大陆上也出现了显著的高压中心．太平洋与其沿岸的海陆气压梯度因此受到明显改变，同样会对东亚季风造成影响．另外，大气质量重新分布的年代际变化也解释了近百年来北半球冬季大气活动中心与PDO 对应的年代际变化产生联系［25］的成因．

由于Pdec和Idec对应的空间模态高度相似（图3），以下的年代际变化相应的分析将基于Pdec．从前述可知，PDO 与南北半球际大气质量年代际振荡有着较好的对应关系，这种相互联系是如何建立的？质量迁移须经风场输送完成，这里通过整层积分风场计算Pdec对应的异常速度势函数和辐散风场的回归系数（图4a）．可以看出，PDO 对应的整层大气质量输送主要表现为偶极型分布，在太平洋区域对应着明显的大气质量辐合，异常中心位于热带南太平洋，中心值约为8×108kg·s－1；相反，异常大气质量自东半球区域输出，辐散中心处于孟加拉湾附近，中心值约为－14×108kg·s－1．由于东半球区域主要为陆地分布，这一异常的质量分布首先体现了海陆间大气质量的迁移特征．当PDO 为正位相时，以热带印度洋为中心，大气质量总体自亚非欧大陆向太平洋和大西洋输出，其中纬向以海洋性大陆和西太平洋暖池的向东输送尤为明显；经向方向上，东半球主要为自热带向中高纬输出的质量流，西半球反之．在此期间，将伴随有显著的热带与中高纬度区域的大气质量交换，导致了南北两半球之间的大气质量差异增大，使得PDO 与IHO 之间年代际联系得以建立．

PDO 与年代际大气质量迁移的联系还体现出其对Walker环流异常的影响．由图4b 看出，PDO对应的200hPa速度势年代际异常在热带东太平洋出现辐散大值区，而在澳大利亚以东的热带西太平洋形成辐合中心，形成与气候态相反的反Walker环流异常；另一方面又对印度洋与非洲大陆区域的Walker环流起到加强作用．结合图3（a，b）中的低层热带中东太平洋和热带印度洋的正异常温度，低层增温对应着对流层高层的辐散中心，由此引起的异常垂直运动可能对季风降水异常产生影响．Kumar等［27］也指出印度季风降水与ENSO 之间联系自70年代末以来显著减弱，与Walker环流的上升支与下沉支位置的年代际移位有关．当然，由于Walker环流自身属于上下翻转的对称型结构，其对0．427和0．374，均通过了信度为0．01的蒙特卡洛随机检验．这说明，当通过赤道垂直面的向北大气质量输送增大时，VQ 指数增大，对应大气质量往北半球迁移，造成“北重南轻”的半球际大气质量不平衡；同时IHO 指数及PDO 指数也相应增大．由于IHO指数由北半球减南半球的异常气压差表示［22］，因此VQ 指数与IHO 指数的线性增长关系较好地从物理上证明了半球际大气质量迁移以及PDO 与风场的对应关系．

图5 逐季标准化IHO 指数（a）及PDO 指数（b）与标准化向北输送越赤道质量流指数（VQ）的散点关系图．直线为各散点之间的线性拟合．其中VQ指数与IHO指数和PDO指数的线性相关系数分别为0．427和0．374，均通过了0．01信度的蒙特卡洛（Monte Carlo）随机显著性检验

3．2 太平洋年代际振荡与东亚季风

前述分析表明，PDO 与南北半球际的大气质量重新分布联系密切．PDO 引起了半球间气压梯度改变，加强了两半球相互作用，同时又引起了地面大气活动中心气压异常和海陆气压梯度的变化，由此造成图2中东亚季风强度年代际变化特征与Pdec和Idec吻合较好．为进一步分析PDO 对东亚冬、夏季风的影响，提取了Pdec指数中的夏季与冬季分量，并将同期地表气压和850hPa风场对他们分别作回归（图6（a，d））．在夏季，地表气压正异常大值带集中在30°S—50°N 的东半球季风活跃区以及南美洲南部，而南极极区则为负异常的大值区，体现了北高南低的半球际大气质量分布差异（图6a）．850hPa风场显示出，在蒙古、西亚以及东印度洋区域形成显著的异常反气旋型环流．蒙古异常反气旋东南部的异常北风在我国东部地区明显南伸直至东南亚和印度北部（图6c），此异常分布型将阻碍东亚夏季风的向北推进和水汽输入．卢楚翰等［23］研究了夏季IHO与东半球季风活动年际变率之间的联系，也得到了与此类似的气压和风场异常分布形态．因此，与PDO 和IHO 引起的半球际大气质量年代际振荡对应，东亚夏季风的北边缘及南北推进亦出现了与之匹配的年代际变化［28－29］．

在冬季，地表气压异常的形态有所改变，在北半球主要表现为异常的蒙古高压、阿留申低压和北美西部高压，南半球以中高纬的负异常为主（图6b）．对应的850hPa异常风场中，以蒙古地区为中心出现了较夏季更显著的异常反气旋，同时伴随阿留申区域气旋的异常增强，以及里海附近出现的异常气旋．我国东部继续保持显著的北风异常，东亚冬季风的强度因此得以增强，这与东亚冬季风和ENSO 年代际变化的关系一致［12］．

图6 冬（a，c）、夏（b，d）季地表气压与850hPa风场异常对同期Pdec的回归系数．其中，（a，b）对应地表气压，（c，d）对应850hPa风场．单位：（a，b）hPa；（c，d）m·s－1．阴影和粗矢量均表示通过0．05信度的蒙特卡洛（Monte Carlo）随机检验

基于PDO 与东亚冬、夏季风的显著联系，这里进一步给出了冬、夏两季Pdec指数与同期我国东部站点气温与降水的相关分布（图7）．考虑到年际与年代际尺度环流背景对东部气候影响的可能差异［30］，本文对相应站点要素进行了5年滑动平均处理，从而较大程度上滤除了年际分量．从图7a看出，Pdec与我国夏季东部气温的年代际变化自南向北呈显著的“＋－ ＋”分布，即Pdec增强时我国的华南、华北夏季易出现偏高气温，而长江流域温度偏低．Pdec与降水的相关分布和与气温的基本相反，体现了我国东部夏季的“干热－湿凉”特征［31］．其中，当PDO 在正位相时，长江流域尤其是中上游地区降水显著增多，而华北地区降水显著偏少，另外东北地区降水也明显增多．这与前人揭示的我国东部区域降水年代际变化趋势是一致的［13，16，30］．

冬季Pdec与我国东部地区的气温总体呈南负北正的相关关系，但北方地区的正相关关系相对较弱（图7c），可见PDO 引起的东亚冬季风年代际变化对北方地区的影响较弱，季风增强与北方降温之间的联系并不紧密．与之鲜明对比，冬季Pdec与我国东部地区的降水关系却十分显著（图7d），其中华北和江淮地区均出现了显著的负相关，突出了冬季风增强对水汽输送的阻碍作用对这些地区的降水（雪）形成的影响．同时，华南地区与四川地区出现显著的正相关，表明降温对降水增多所起作用明显，它们的年代际变化同样受到PDO 和IHO 的显著影响，这对应了我国南方地区冬季降水自70年代后期明显增多的年代际变化［17］．

图7 冬夏季我国东部站点气温（上）、降水（下）与同期Pdec指数的相关系数．其中（a、c）为夏季同期相关，（b、d）为冬季同期相关．站点要素已做5年滑动平均处理．空心圈表示通过信度为0．05的蒙特卡洛（Monte Carlo）随机检验，实心点为未通过检验的站点

4 结 论

本文分别分析了年代际尺度上的太平洋年代际振荡（PDO）、南北半球际大气质量振荡（IHO）以及东亚季风的变化特征．发现PDO 与IHO 均对应了一致的全球大范围气温和气压异常，通过改变气柱温度和密度，引起气柱拉伸和质量迁移，对应大尺度的风场异常辐合（散）和相应的越赤道大气质量半球际输送．据此建立了三者之间的关系，并进一步分析了它们对我国东部冬夏两季气候异常的可能影响，所得结果主要包括：

（1）PDO 与IHO 以及东亚季风强度具有明显的年代际波动，三者之间存在较好的联系，其中它们在70年代和90年代后期处于负位相，而在80年代至90年代中后期均处于正位相期．全球平均气柱温度年代际变化是导致PDO 与IHO 在70年代中期至90年代中期差异明显的主要原因．PDO 和IHO均对全球大范围的低层气温异常和大气质量迁移具有显著且空间一致的影响，特别地当Pdec和Idec指数增大时，将造成东半球30°S—50°N 区域即季风活跃区的气压年代际一致性上升，且伴随南半球中高纬度区域的气压异常下降．

（2）当PDO 为正位相时，对应着偶极型的自东半球输出向西半球太平洋区域辐合的年代际整层大气质量异常迁移，并伴随着越赤道质量流的向北异常输送，由此造成了南负北正的半球际大气质量分布，反之亦然．期间，引起了北半球地面主要高、低压活动中心的异常和海陆间尤其是亚洲—太平洋的气压梯度变化．同时，也影响了Walker环流的位置以及相应的垂直运动的年代际变化．由此，建立了PDO 与IHO 和东亚季风之间的联系．

（3）PDO 异常变化与冬夏季节蒙古地区地表气压变动存在密切联系，当PDO 指数增强时，冬夏季850hPa均出现显著反气旋风场，并在我国东部形成北风异常，从而对东亚冬夏季风均产生显著影响．与之对应，PDO 对我国东部大部分地区的站点气温、降水的年代际分量具有显著影响．具体表现为，Pdec指数与我国华南、江淮与华北地区夏季降水呈“－＋－”的显著相关，而其与夏季气温关系则为与降水相关接近相反的显著相关分布．在冬季，Pdec指数的升高对应我国东部北方大部分地区降水显著减少的年代际变化趋势，同时还造成华南与四川地区降水偏多；PDO 与冬季气温在我国南方地区显著负相关．

本文所得结果中发现PDO 和IHO 与东半球季风活跃区的气压变动有着密切联系，相应地南北半球际大气质量差增加，增强了两半球间大气的相互作用，这也体现于夏季索马里地区及澳大利亚北部的越赤道气流的明显增强（图6c）．在不考虑水汽变化条件下，地表气压的局地变化正比于大气质量的辐散通量，由此产生的辐散环流可导致区域间季风的协同变化［32］．例如，东亚夏季风与北非夏季风的年代际联系［33］；夏季东亚季风与印度季风也可能通过北非与欧亚大陆高层经向风场的遥相关产生联系［34］．因此，PDO 年代际振荡联系的南北半球际大气质量振荡还可能对其它区域的季风异常活动产生联系，PDO 与IHO 及全球季风异常的联系仍有待进一步研究．

致 谢感谢本文的两位匿名审稿专家为本文完善提出的宝贵意见．NCEP／NCAR 资料取自NOAACIRES Climate Diagnostics Center，网 址 为：http：∥www．cdc．noaa．gov／cdc／reanalysis／reanalysis．shtml；文中诸图的绘制使用了绘图软件GrADS．

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