秦润天 朱益民 钱景 陈晓颖

(1 国防科技大学 气象海洋学院，南京 211101；2 解放军31700部队,辽宁 辽阳 111000；3 解放军63686部队，江苏 江阴 214400)

引 言

太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和ENSO分别是太平洋海气系统最强的年代际和年际气候变率信号，对全球气候异常具有重要的影响[1-2]。关于PDO年代际变率的形成机制，国内外学者提出了诸多假设，如：热带海气耦合通过PNA等大气遥相关的“大气桥”作用影响中纬度北太平洋海气系统，是导致PDO振荡信号产生的重要原因之一[3-5]；ENSO年际变率既在热带太平洋海气相互作用正负反馈机制下产生和维持，又受中纬度北太平洋海气相互作用的影响和调制[6-8]。

PDO和ENSO对东亚降水异常具有重要影响[9-10]。杨修群等[11]研究指出，当PDO处于正位相时期，华北地区受异常西北风控制，气压偏高，不利于水汽向华北地区输送，导致华北地区干旱；丁婷等[12]研究表明，PDO对东北地区夏季降水及相关环流型的年代际变化有重要的调制作用，当PDO处于负位相时期，东北地区反气旋式环流偏强，降水异常偏少。另外，ENSO对我国降水年际变化也有调控作用。王林等[13]研究表明，当ENSO处于正位相时期，东亚冬季风系统偏弱，有利于来自孟加拉湾和南海的异常水汽输送在我国南方地区形成辐合，使得该地区冬季降水异常偏多；袁良等[14]研究了ENSO对我国华南地区降水的影响，指出在El Nio年冬季，西太平洋副热带高压偏强偏南，我国华南地区受其西侧异常西南风影响，水汽供应充足，降水偏多。

北太平洋地区不仅是天气尺度和低频尺度瞬变扰动活跃的区域，而且也是低纬向中高纬和极地地区以及海洋向大陆输送水汽的关键区域。Newman，et al[15]研究发现水汽输送可以分解为时间平均、低频尺度(10～100 d)和天气尺度(<10 d) 3个时间尺度分量，其中时间平均的水汽输送主要在海洋上纬向输送水汽，而低频尺度和天气尺度的水汽输送主要从海洋输送到陆地，同时会产生向极输送。Newell,et al[16]揭示水汽输送在中纬度地区集中在一个带状区域，这些现象后来被称为大气河(Atmospheric River，AR)[17-18]。AR区域可以输送大量水汽，因此，AR的变化影响太平洋及其周边大陆的降水异常[19-22]。

近年来国内外学者对北太平洋地区水汽输送和降水异常的研究取得了一些有意义的进展[23-24]，然而，关于PDO和ENSO对不同尺度水汽输送和AR的影响并不十分清楚。因此，本文将探讨冬季北太平洋各尺度水汽输送和AR的变化特征及其与PDO和ENSO的联系，这将有助于加深对太平洋海气系统年际和年代际气候异常变化成因及其对水汽输送和AR影响的物理机制的认识。

1 资料和方法

本文所使用的大气资料取自NCEP/NCAR再分析资料，包括逐日和逐月的位势高度场(z)、水平风场(u、v)、温度场(T)和绝对湿度场(q)，水平分辨率为2.5°×2.5°；海表面温度数据取自美国国家大气海洋管理局NOAA提供的月平均资料，水平分辨率为1°×1°。所用资料的时间范围均为1950年1月至2015年12月。本文将冬季定义为12—次年2月，共65个冬季。

本文使用的PDO指数定义为20°N以北太平洋海表面温度异常EOF分析的第一模态的标准化值[1](http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/)。

Nino3指数定义为(5°S～5°N，150°～90°W)区域海温异常的平均值(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/nina3.data)，该指数能够较好地反映ENSO的年际特征[25]。

本文使用500 hPa上的位势高度场2.5～6 d的滤波方差表示天气尺度瞬变扰动(即风暴轴)的强度和位置[26]。天气尺度瞬变活动与中纬度大气斜压性密切相关，而斜压性指数σBI可以用Eddy波最大增长率来表示[27-28]，其计算公式为

(1)

其中:f是科氏参数；V是水平风速；N是Brunt-Vaisala频率。本文还计算了冬季200 hPa上E-P通量的水平分量，即

(2)

Hoskins,et al[29]指出，E-P通量的辐散(辐合)将会加强(减弱)西风气流，可以用来描述瞬变扰动对大尺度气流的动力强迫作用。

整层水汽输送的计算公式为

(3)

其中：V为水平风速；q为比湿；g为重力加速度；Ps为地面气压；Pt设为300 hPa。

根据Newman,et al[15]的研究，水汽输送公式可以进一步分解为：

(4)

(5)

(6)

(7)

采用ZHU,et al[18]提供的判别大气河日(AR day)或非大气河日(non-AR day)的标准：

Q≥Qmean+0.3(Qmax-Qmean)。

(8)

其中：Qmean表示水汽输送的纬向平均值，Qmax则表示纬向的最大值。计算每一个格点的水汽输送值Q，若Q满足式(8)，则标记该格点为大气河格点，相应的日期定义为大气河日，否则为非大气河日。每年冬季的大气河频率定义为冬季大气河日的天数与整个冬季天数之比。

本文主要采用回归分析和合成分析等方法来研究冬季北太平洋不同尺度水汽输送和大气河的变化特征及其与PDO和ENSO的联系。

2 与PDO和ENSO相联系的大气环流和海温异常

图1 标准化的PDO(a)和Nio3(b)指数时间序列以及PDO(c)和Nio3(d)指数回归的太平洋SSTA场(单位：K)的空间分布(打点区表示超过α=0.05置信度检验的区域)Fig.1 The normalized time series of (a) PDO and (b) Nio3 and regressions of SSTA (unit: K) onto (c) PDO and (d) Nio3 index(Dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

从图1b可以看出，ENSO具有明显的2～7 a周期的年际变化特征。1982/1983年与1997/1998年Nio3指数异常偏高，为强El Nio年。从Nio3指数回归的SSTA场(图1d)可知，在ENSO正位相期，赤道中东太平洋SSTA异常偏暖，而北太平洋中部SSTA异常偏冷。对比图1a、b可以发现，PDO和ENSO的SSTA空间分布虽有一定相似之处，但PDO主要以年代际变率为主，其SSTA主信号在中纬度北太平洋地区，次信号在热带中东太平洋地区，而ENSO更多地反映年际变率，其SSTA主信号集中在热带中东太平洋地区，中纬度北太平洋SSTA也受其影响。

图2 PDO(a、c)和Nio3(b、d)指数回归的500 hPa位势高度场(a、b，单位：gpm)和200 hPa纬向风场(c、d，单位：m·s-1)的空间分布(等值线为冬季平均态，打点区表示通过α=0.05置信度检验的区域)Fig.2 Regressions of (a, b； unit: gpm) 500 hPa geopotential height and (c, d； unit: m·s-1) 200 hPa zonal wind onto (a, c) PDO and (b, d) Nio3 index (The contours indicate the climatological winter fields. Dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

图3 PDO(a、c)和Nio3(b、d)指数回归的E-P通量的水平分量场(a、b，箭矢，单位：m-2·s-1)及其散度(a、b，填色，单位：mm·d-2)和1 000～300 hPa平均比湿场(c、d，单位：g·g-1)的空间分布(等值线为冬季平均态，a、b白线区和c、d打点区表示通过α=0.05置信度检验的区域)Fig.3 Regressions of (a, b； arrow； unit: m-2·s-1) the E-P flux horizontal component field and (a, b； shaded； unit: mm·d-2) its divergence，(c, d； unit: g·g-1) 1 000-300 hPa average specific humidity field onto (a, c) PDO and (b, d) Nio3 index(The contour indicate the climatological winter field. (a, b) White line and (c, d) dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

从PDO回归的平均比湿场(图3c)可以看出，中纬度北太平洋40°N附近存在大范围的水汽显著负异常区，其向西延伸到日本海，向东南延伸到夏威夷岛附近，表明PDO正位相时期，该地区水汽明显偏少，与此相反，北美西岸地区水汽异常偏多，热带中东太平洋地区也存在水汽正异常中心。Nio3指数回归的平均比湿场上(图3d)，中纬度北太平洋中部至南海地区存在东北—西南向的水汽显著负异常带，而在赤道中东太平洋地区存在广泛的水汽正异常区，表明当ENSO处在正位相时期，赤道中东太平洋SSTA暖异常地区会伴随降水异常增多的现象。此外，阿拉斯加湾及我国华南沿海一带也存在显著的水汽正异常中心。

图4 PDO(a、c)和Nio3(b、d)指数回归的500 hPa风暴轴场(a、b，单位：dagpm2)和斜压性指数场(c、d，单位：d-1)的空间分布(等值线为冬季平均态，打点区表示通过α=0.05置信度检验的区域)Fig.4 Regressions of (a, b； unit: dagpm2) 500 hPa storm track and (c, d； unit: d-1) baroclinicity index field onto (a, c) PDO and (b, d) Nio3 index (The contours indicate the climatological winter fields. Dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

3 冬季气候平均的天气尺度和低频尺度水汽输送特征

图5 冬季气候平均的整层水汽输送(箭矢，单位：kg·m-1·s-1)及其散度场(填色，单位：mm·d-1)的空间分布：(a)时间平均低频尺度天气尺度Fig.5 The climatological winter fields at whole layer integrated watervapor transportation (arrow, unit: kg·m-1·s-1) and its divergence field(shaded, unit: mm·d-1): (a) time average mean

图6 PDO(a、c、e)和Nio3(b、d、f)指数回归的时间平均低频尺度天气尺度及其相应散度场的空间分布(箭矢表示水汽输送，单位：kg·m-1·s-1；填色区表示散度场，单位：mm·d-1；白线区表示通过α=0.05置信度检验的区域)Fig.6 Regressions of (a, b) time average mean and their corresponding divergence field onto (a, c, e) PDO and (b, d, f) Nio3 index (The arrow indicates water vapor transportation, unit: kg·m-1·s-1;the shaded area indicates the divergence field, unit: mm·d-1； the white line area indicates a significant area at the 95% confidence level)

4 PDO和ENSO不同位相下的不同时间尺度水汽输送特征

为了进一步揭示PDO和ENSO不同位相下各时间尺度水汽输送变化特征，图6分别给出了PDO和Nio3指数对北太平洋地区不同尺度水汽输送异常的回归场。当PDO处于正位相时期，时间平均的回归场(图6a)在中纬度北太平洋中东部(25°～60°N)之间的地区呈现出异常的气旋式水汽输送，使得位于东北太平洋的阿拉斯加湾地区水汽异常充沛，而日界线附近太平洋北部则出现大范围的水汽辐散，在北太平洋日界线以西(20°～35°N)附近存在的辐合区，这与PDO正位相时冬季北太平洋阿留申低压异常增强，同时副热带高压增强，引起中纬度西风急流的增强有关。在(10°～20°N)附近的副热带太平洋地区存在广阔的的辐散区，而在热带地区太平洋则存在的辐合区，这是由于PDO正位相时太平洋副热带高压增强而赤道低压带也增强所致。上述场与用PDO指数回归的1 000～300 hPa平均比湿场(图3c)有较好的对应。由以上分析可知，在PDO正位相时期，将大量水汽从太平洋北部和中部地区向北输送到东北太平洋的阿拉斯加湾地区及北美西岸，同时还将北太平洋副热带地区充足的水汽向南输送到热带地区，因此，PDO正位相时的水汽输送是使得东北太平洋和热带太平洋地区降水异常增多的主要原因。

5 大气河的变化特征及其与PDO和ENSO的联系

5.1 PDO和Nio3指数对大气河频率异常的回归分析

由于太平洋水汽输送往往集中在某一个带状区域，因而被称为大气河(AR)。为了进一步弄清AR的变化特征及其与PDO和ENSO的联系，图7给出了PDO和Nio3指数回归的AR频率异常空间分布，其中紫色实线区表示冬季气候平均的大气河频率大于35%的区域，填色区域表示AR频率异常增多(减小)的区域。从紫色实线区可以看出，北太平洋冬季平均的AR主要存在于两个区域：一个是从日本东南部地区向东北方向一直延伸到东北太平洋的带状区域，另一个是从西太平洋暖池延伸至热带中东太平洋地区的带状区域。以下将这两个区域的AR分别称为北太平洋AR和热带太平洋AR。

图7 PDO(a)和Nio3(b)指数回归的大气河频率异常的空间分布(紫色实线区表示冬季气候平均的大气河频率大于35%的区域，打点区表示通过α=0.05置信度检验的区域)Fig.7 Regressions of AR frequency anomalies onto (a) PDO and (b) Nio3 index(The purple solid line indicates the area where the average AR frequencyof climatological mean in winter is larger than 35%; dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

由PDO指数回归的AR频率异常场(图7a)可知，在PDO正位相时期，在北太平洋AR中部(170°～160°W)地区附近AR频率增强，同时，北太平洋AR东部的阿拉斯加湾及北美西岸沿海地区AR频率也显著增强，北太平洋AR整体向东南方向移动，并向北延伸。热带太平洋AR中部(5°～15°N,150°E～170°W)地区附近AR频率显著增强，热带太平洋AR东部地区的AR频率明显减小，而在其西南侧地区AR频率明显增加，有利于热带太平洋AR东部整体向西南方向发生偏移，并向中纬度南太平洋地区延伸。

5.2 PDO和ENSO不同位相的组合对大气河的影响

PDO和ENSO分别是太平洋地区年代际和年际变化最强的信号，为弄清PDO和ENSO的不同位相组合对AR的不同的影响，本文将不同位相的PDO和ENSO进行组合(表1)，分析二者位相变化对AR的不同影响。具体做法是：选取标准化的PDO和Nio3指数均大于+0.3的年份代表PDO和ENSO同时处于正位相时，将这些年份的AR频率进行合成分析(图8a)；选取标准化的PDO和Nio3指数均小于-0.3的年份代表PDO和ENSO同时处于负位相时，将这些年份的AR频率进行合成分析(图8b)；类似地也给出PDO处于正位相而ENSO处于负位相时AR频率的合成(图8c)，以及PDO处于负位相而ENSO处于正位相时AR频率的合成(图8d)。

表1 PDO和ENSO不同位相组合对应的年份Table 1 Years corresponding to different phase combinations of PDO and ENSO

当PDO和ENSO同时处于正位相时(图8a)，北太平洋AR中部(170°E～160°W)地区附近AR频率增强幅度较PDO指数回归的AR频率异常(图7a)有所减弱，这是由于ENSO正位相时期该区域AR频率有减弱趋势，与PDO正位相对该区域AR频率增多的影响相抵消。而在PDO和ENSO正位相协同影响的叠加作用下(图7a、b)，北太平洋AR东部的阿拉斯加湾及北美西岸沿海地区AR频率显著增强，并且整体向南移动；热带太平洋AR中部日界线附近地区的AR频率显著增强，而在其西部西太平洋暖池和东部150°W赤道太平洋地区AR频率明显减弱，热带太平洋AR中东部分整体向东南方向延伸至中纬度南太平洋地区。此外，在热带太平洋AR西北侧的我国华南地区AR频率增强，有利于该区域降水偏多。

当PDO与ENSO同时处于负位相时(图8b)，北太平洋AR东部的阿拉斯加湾及北美西岸沿海地区AR频率显著减弱。热带太平洋AR中部地区的AR频率明显减弱，而在其东部的赤道东太平洋地区AR频率显著增强。在热带太平洋AR西北侧的我国华南地区AR频率减小，使得该区域降水偏少。上述情形与PDO与ENSO同时处于正位相时大致相反。

当PDO处于正位相而ENSO处于负位相时(图8c)，北太平洋AR地区整体有向南移动的趋势，其中部25°N及东北部40°N附近的AR频率显著增强。由于受ENSO负位相影响的抵消作用，北美西岸地区AR频率有所减弱，但总体上与PDO正位相时的AR频率分布一致(图7a)。热带太平洋AR西部的西太平洋暖池和热带太平洋AR中东部的(180°～150°W)赤道地区AR频率显著增强，反映出ENSO对热带太平洋AR的影响是占优势的。

当PDO处于负位相而ENSO处于正位相时(图8d)，北太平洋AR整体上明显减弱，与PDO负位相时的AR频率分布基本一致，反映了PDO对北太平洋AR的影响是占优势的。热带太平洋AR中西部地区的AR频率显著减弱，而其东部(150°～120°W)的赤道太平洋地区经我国华南到南海地区的AR频率明显增强，说明ENSO正位相对这些区域AR频率增强的影响要大于PDO负位相的减弱影响，因此ENSO对热带太平洋AR的影响起主导作用。

综上，PDO和ENSO不同位相的相互组合对AR的影响发现：当PDO和ENSO同时处于正(负)位相时，北太平洋AR东部的阿拉斯加湾及北美西岸沿海地区AR频率显著增强(减弱)，而热带太平洋AR西部西太平洋暖池地区和热带太平洋AR东部150°W赤道太平洋地区的AR频率明显减弱(增强)，这是由于PDO和ENSO在相同位相下对这些地区AR频率影响的是信号一致的。当PDO和ENSO分别处于不同位相时对AR的影响具有一定的非对称性，即当PDO处于正(负)位相而ENSO处于负(正)位相时，由于PDO和ENSO对这些地区AR频率影响的信号相反，因此取决于PDO和ENSO影响的相对贡献大小。其中，PDO对北太平洋AR的影响起主导作用，因而尽管受到ENSO负(正)位相影响的抵消作用，但北太平洋AR中东部基本与PDO正(负)位相时增强(减弱)的特征基本一致；而ENSO对热带太平洋AR的影响则起着主导作用，故即使受PDO正(负)位相影响的抵消作用，但热带太平洋AR西部和东部基本与ENSO负(正)位相时增强(减弱)的特征基本一致。

PDO和ENSO不同位相下对AR影响的非对称性，也体现在PDO不同位相下ENSO事件发生的频数之中，从表1可以看出，PDO正(负)位相下发生ENSO正(负)位相即El Nio(La Nia)事件的频数为13(17)次，而在PDO正(负)位相下发生ENSO负(正)La Nia(El Nio)事件的频数却仅为8(3)次。因此，在PDO正(负)位相下，有利于发生ENSO正(负)位相，而不利于发生ENSO负(正)位相，表现出明显的非对称性，体现了PDO年代际气候变率对ENSO年际气候变率的调制作用。PDO和ENSO不同位相下对AR影响不对称性的物理机制仍需进一步深入研究。

6 结论

(1)与PDO和ENSO相联系的太平洋SSTA空间分布有一定相似性，且大气环流异常场也表现为类似的PNA型遥相关，但PDO以年代际变率为主，其主信号在中纬度北太平洋，而ENSO更多地反映年际变率，其主信号在热带中东太平洋。

(4)太平洋冬季平均AR主要存在于两个区域：一个是位于东北太平洋至日本东南部地区的北太平洋AR，另一个是从西太平洋暖池延伸至热带中东太平洋地区的热带太平洋AR。在PDO正位相时期，北太平洋AR中部和阿拉斯加及北美西岸地区的AR频率显著增强，热带太平洋AR中西部明显增强，而东部减弱并向西南方向移动延伸。在ENSO正位相时，北太平洋AR中西有所减弱，但在其东部的北美西岸地区AR频率明显增强，热带太平洋AR中部日界线附近区域显著增强，而在其东南部则明显减弱。

(5)PDO和ENSO不同位相的组合对AR有不同的影响。当PDO和ENSO同时处于正(负)位相时，北太平洋AR东部的阿拉斯加湾及北美西岸沿海地区AR频率显著增强(减弱)，而热带太平洋AR西部的西太平洋暖池和热带太平洋AR东部的150°W赤道太平洋地区AR频率明显减弱(增强)。当PDO和ENSO分别处于不同位相时对AR的影响表现出一定的非对称性，其中PDO对北太平洋AR的影响起主导作用，而ENSO对热带太平洋AR的影响则起着主导作用。