冬季北太平洋流场异常主要模态与PDO及NPGO的关系

摘要

使用1950-2001年冬季(2月)Carton逐月全球海洋同化分析资料,采用复经验正交函数(CEOF)分解和小波分析,对北太平洋上层海流异常进行了统计动力诊断,讨论了第一和第二模态的年代际变化,及其与北太平洋年代际振荡(PD0)模态、北太平洋环流振荡(NPGO)模态的联系,并初步揭示了大洋环流异常影响PDO和NPGO的途径.其中上层海流由8层海洋深度代表,分别为112.5,97.5,82.5,67.5,52.5,37.5,22.5和7.5m;研究范围为赤道外太平洋,即(19.5°N～50.8°N,120°E～180°E～100°W).由于将8层的偏差流场看作一个整体来做CEOF分解,故各层有相同的时间系数.主要对表层(7.5m)、近表层(22.5m)和次表层(112.5m)的结果进行分析讨论.CEOF分解第一模态的次表层空间场,在整个北太平洋,总体存在一个较弱的北太平洋海盆尺度(以下简称为海盆尺度)的气旋式大洋环流,中心在(39°N,170.W)附近,类似于PDO模态的空间结构;第二模态次表层空间场,以40°N为界,在中高纬度和中纬度分别有较弱的海盆尺度的气旋式环流和反气旋环流,环流中心分别位于(46°N,170.W)和(33°N,168°W)附近,类似于NPGO模态的空间结构.分别对第一和第二模态的实时间系数序列作小波分析.结果显示,上层海流异常的CEOF第一模态具有非常显著的准20a周期,而这与PDO的年代际变化周期相同,这表明PDO模态的年代际变化不仅反映在SSTA上,在冬季北太平洋上层流场异常第一模态上也有非常明显的反映.第二模态时间系数的年代际变化大体也呈单峰分布,峰尖位于18a处,但是12～15a处小波全谱的数值也较高,其中准13a的年代际变化周期与NPGO的相同,说明冬季北太平洋上层流场异常中也包含有NPGO的年代际变化信号.为进一步揭示冬季北太平洋CEOF第一和第二模态与PDO模态、NPGO模态的联系,将第一和第二模态的实时间系数分别与PDO和NPGO指数进行了相关分析,相关系数分别为0.45和0.36(均通过了显著水平0.05的显著性检验),都具有正相关性,第一模态的相关性更高些.随后,利用多年2月份北太平洋SSTA与CEOF第一和第二模态的实时间系数求回归,得到的回归系数场.这里为了与经典PDO模态和NPGO模态的空间结构作对比分析,将北太平洋的范围取作(24°N～62°N,110°E～110°W).SSTA与第一模态实时间系数的回归系数场表现为:在北太平洋中部存在一个椭圆形的负值区,负值中心位于(35°N,160°W)附近,北美西岸为正值区,这类似于经典PDO模态的暖位相.SSTA与第二模态实时间系数的回归系数场表现为:约以40°N为界,在其以北的北太平洋海域,从140°E附近向东一直延伸至160°W为负值带,带上有负值中心;在其以南的副热带海域,从140°E附近向东一直延伸至135°W附近均为正值带,带上有正值中心.该正、负值带构成南正北负的双带系统,且在北太平洋中部,双带上的中心呈南北向的偶极子分布,这类似于经典NPGO模态的暖位相.由此可见,SSTA与CEOF第一和第二模态实时间系数的回归系数场,分别与经典PDO和NPGO模态的空间分布类似,这进一步表明,第一模态是PDO在流场异常上的反映,第二模态则包含了NPGO的明显信息.海洋流场的分布通过辐合、辐散激发垂直运动,而垂直运动又会改变海温的分布.通过计算北太平洋流场异常第一和第二模态对应的近表层垂直运动,以分析海温变化的动力原因,揭示流场异常第一和第二模态与PDO、NPGO模态的关系.本文中的近表层深度为22.5m,在该深度,辐射和热通量的影响相较海温动力变化而言已处于比较次要的地位,也即该深度的海温变化主要由海温的动力变化来决定.CEOF分解第一模态对应的近表层垂直运动场,在北太平洋中部为海盆尺度的上升运动区,最大值出现在区域的中部,在该上升运动区周边则有下沉运动.这种垂直运动分布会造成近表层海温的变化,即上升运动区有近表层海温的动力降温,最大降温区在北太平洋海盆的中心附近,而在下沉运动区则有近表层海温的动力升温.以上这种海盆尺度的垂直运动分布会造成北太平洋中部海温的负异常,而在其周边则为海温的正异常.这种近表层海温的分布与SSTA EOF第一模态(PDO模态)空间场的分布十分类似.这说明由第一模态流场异常得到的海盆尺度垂直运动异常是产生PDO模态的重要原因.CEOF分解第二模态对应的近表层垂直运动场异常总体来看,30°N～42°N的中太平洋表现为海盆尺度的下沉运动异常,而在此外的低纬和高纬海域则为上升运动异常区域.在北太平洋近表层,这样的垂直运动异常所造成的海盆尺度海温异常表现为:中纬度以海温正异常为主,高纬则以负异常为主,这种海温异常的分布态势与NPGO模态空间场的分布类似.这说明,由第二模态流场异常造成的海盆尺度垂直运动异常是NPGO模态形成的重要原因.