馮劭華 羅德海 鐘霖浩

1 中國(guó)海洋大學(xué)，青島266100

2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

3 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266100

1 引言

黑潮是由北太平洋風(fēng)應(yīng)力旋度驅(qū)動(dòng)的一支強(qiáng)西邊界海流，它具有高鹽、高溫、高流量等特征。黑潮延伸體是黑潮與親潮交匯的區(qū)域，高溫的黑潮與低溫的親潮相匯形成明顯的海洋溫度鋒區(qū)，Qiu and Chen（2013）對(duì)北太平洋海表面高度場(chǎng)求均方根得到的結(jié)果顯示黑潮延伸體區(qū)域?yàn)楹１砻婢礁笾祬^(qū)，也就是說(shuō)該區(qū)域海洋流動(dòng)變化頻率較大，海洋中的中尺度渦能量活動(dòng)十分活躍。Qiu and Chen（2005）利用衛(wèi)星高度計(jì)資料探討了黑潮延伸體強(qiáng)度及其中尺度渦的變化，指出黑潮延伸體的強(qiáng)度及中尺度渦強(qiáng)度具有顯著的年代際振蕩。同時(shí)，黑潮延伸體海區(qū)海氣相互作用十分顯著，馬靜等（2014）通過(guò)個(gè)例分析發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體區(qū)域中尺度海洋渦旋能夠影響大氣瞬變擾動(dòng)，大氣瞬變擾動(dòng)強(qiáng)度在暖（冷）渦下游上空出現(xiàn)極大（?。┲?，該影響不僅表現(xiàn)在海洋大氣邊界層，在自由大氣中低層也有較為清晰的反映，進(jìn)一步表明黑潮延伸體區(qū)域是激發(fā)大氣中天氣尺度系統(tǒng)活動(dòng)的中心區(qū)域。風(fēng)暴軸一般是指大氣中 2.5～7天瞬時(shí)擾動(dòng)最活躍的區(qū)域，大氣中天氣尺度系統(tǒng)的活動(dòng)也是海洋和大氣之間能量相互交換的一種重要途徑?？梢?jiàn)，作為反映大氣中的天氣尺度系統(tǒng)活動(dòng)的北太平洋風(fēng)暴軸與黑潮及其延伸體之間可能存在著一定的聯(lián)系。

Nakamura et al.（2004）研究發(fā)現(xiàn)，穿越黑潮延伸體區(qū)域的海洋大氣的熱量交換會(huì)在大氣底層產(chǎn)生差異，從而維持大氣的斜壓性，有利于風(fēng)暴軸的發(fā)展，Nakamura et al.（2008）通過(guò)模式的研究進(jìn)一步表明北太平洋風(fēng)暴軸的活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生渦度的通量，使中緯度西風(fēng)急流的強(qiáng)度發(fā)生改變，從而影響黑潮延伸體位置的變化。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)北太平洋風(fēng)暴軸與黑潮的關(guān)系也有很多研究，例如，馬靜和徐海明（2012）的研究表明春季黑潮延伸體北側(cè)海洋鋒區(qū)南北位移與6月東亞高空急流、太平洋區(qū)域風(fēng)暴軸的南北位置具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，朱偉軍等（1999，2000a）的分析揭示冬季北太平洋風(fēng)暴軸的強(qiáng)度和位置具有明顯的年際振蕩，這與黑潮海溫異常激發(fā)的500 hPa高度層西太平洋（WP）遙相關(guān)型有密切相關(guān)性。任雪娟等（2007）的研究表明風(fēng)暴軸正交經(jīng)驗(yàn)分解（EOF）的時(shí)間系數(shù)與阿留申低壓指數(shù)、太平洋北美型遙相關(guān)（PNA）指數(shù)、WP 指數(shù)，以及與黑潮海溫指數(shù)之間具有顯著的相關(guān)性，再次證實(shí)了在北太平洋中緯度地區(qū)存在著SST（海表面溫度）異常、風(fēng)暴軸異常和大氣平均流異常三者間的耦合相互作用。Qiu（2002, 2003）研究了黑潮延伸體變化對(duì)海氣相互作用的貢獻(xiàn)，指出黑潮延伸體系統(tǒng)大尺度的變化會(huì)影響到海表面的熱平衡，通過(guò)水平的地轉(zhuǎn)熱對(duì)流在冬季產(chǎn)生異常的SST，這為海氣熱交換提供了條件。此外，大尺度的氣候態(tài)的變化如太平洋年代際振蕩（PDO；Mantua et al.，1997）經(jīng)常被用來(lái)解釋東北太平洋海表面高度、溫度的波動(dòng)，最近，Di Lorenzo et al.（2008）定義了一個(gè)新的海洋氣候模態(tài)——北太平洋渦旋振蕩（NPGO），其不僅能很好地反映風(fēng)應(yīng)力和海表面鹽度異常的變化，而且與東北太平洋中生物變量的變化相關(guān)性很好。Qiu and Chen（2010）對(duì)黑潮延伸體與PDO和NPGO指數(shù)的相關(guān)性問(wèn)題也做了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PDO和NPGO的位相轉(zhuǎn)換與黑潮延伸體強(qiáng)度和位置的移動(dòng)有很好的相關(guān)性，這主要是由PDO和NPGO驅(qū)動(dòng)的北太平洋東部海表面高度（SSH）距平場(chǎng)西傳引起的。Qiu and Chen（2006）進(jìn)一步利用由風(fēng)應(yīng)力旋度驅(qū)動(dòng)的 1.5層約化重力模式，通過(guò)加入觀測(cè)的原始風(fēng)場(chǎng)和由SST變化引起的異常風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，探索了海氣耦合作用對(duì)黑潮延伸體急流及中尺度渦的重要作用，證明黑潮延伸體中尺度渦旋與太平洋中部風(fēng)應(yīng)力旋度的變化有關(guān)。風(fēng)應(yīng)力旋度驅(qū)動(dòng)的SSH正（負(fù)）距平信號(hào)西傳并增強(qiáng)（減弱）黑潮延伸體急流強(qiáng)度，這種變化會(huì)使其處于穩(wěn)定（不穩(wěn)定）模態(tài)，在不穩(wěn)定模態(tài)下容易激發(fā)擾動(dòng)而使中尺度渦活動(dòng)增強(qiáng)。

從前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，北太平洋風(fēng)暴軸與黑潮延伸體之間的確具有一定的聯(lián)系，但前人的研究主要集中在黑潮延伸體的強(qiáng)度如何影響北太平洋風(fēng)暴軸的變化，也較多地研究了北太平洋風(fēng)暴軸與遙相關(guān)型以及海表面溫度之間的關(guān)系，但是黑潮延伸體中尺度渦的變化到底與北太平洋風(fēng)暴軸之間到底存在什么樣的關(guān)系并不清楚。很多研究表明北大西洋和北太平洋風(fēng)暴軸的變化可以激發(fā)大氣的遙相關(guān)模態(tài)如北大西洋濤動(dòng)（NAO）、北極濤動(dòng)（AO）、太平洋—北美型（PNA）以及北太平濤動(dòng)（NPO）等（Vallis et al., 2004; Choi et al., 2010;Franzke et al., 2011）。Chhak et al.（2009）的研究則揭示PDO和NPGO等北太平洋上的主要海洋模態(tài)的形成與中緯度大氣遙相關(guān)型有著密切的關(guān)系，PDO模態(tài)對(duì)應(yīng)于阿留申低壓（AL）異常的強(qiáng)迫，NPGO模態(tài)則對(duì)應(yīng)于大氣中 NPO異常的強(qiáng)迫，而Qiu et al.（2002，2003，2006）的研究證實(shí)黑潮及其延伸體的變化也與大尺度風(fēng)應(yīng)力旋度的強(qiáng)迫有密切的聯(lián)系，由此，我們猜測(cè)大氣風(fēng)暴軸的變化可能會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)不同的大氣遙相關(guān)型，并強(qiáng)迫出海表面的風(fēng)應(yīng)力旋度的異常，從而引起海洋環(huán)流的變化最終影響到黑潮延伸體。因此，本文將著重研究黑潮延伸體中尺度渦強(qiáng)度和位置在年代際尺度上的變化與北太平洋風(fēng)暴軸變化之間的關(guān)系以及北太平洋風(fēng)暴軸的變化對(duì)黑潮延伸體中尺度渦的反饋?zhàn)饔?。這有助于我們進(jìn)一步了解黑潮延伸體區(qū)域附近海氣相互作用的機(jī)制和特征。

2 資料和方法

2.1 資料介紹

本文使用的資料為：NCEP（National Centers for Environmental Prediction）/NCAR（National Center for Atmospheric Research）高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)及海平面氣壓場(chǎng)（SLP）的逐日再分析資料（2.5°×2.5°）和來(lái)自美國(guó)馬里蘭大學(xué)開(kāi)發(fā)的SODA（Simple Ocean Data Assimilation）逐月海表面風(fēng)應(yīng)力資料（0.5°×0.5°），以及由法國(guó) AVSIO（Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic）數(shù)據(jù)中心提供的逐日衛(wèi)星高度計(jì)海表面高度 SSH及其異常SSHA（海表面高度異常）資料（0.25°×0.25°），時(shí)段為1993～2010年共18年，由于SODA資料只有2007年以前的，SODA資料使用1993～2007年共15年。本文使用去掉氣候態(tài)的月平均數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究，從而去掉了季節(jié)的信號(hào)，來(lái)研究各個(gè)變量全年的變化特征。

2.2 方法介紹

海洋中尺度渦一般是指空間尺度在幾十到幾百公里、時(shí)間尺度在幾天到幾月的閉合渦旋，其時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)從小于40天到300天不等，甚至更短（Sharma et al., 1999; Ebuchi and Hanawa , 2000;Chelton et al., 2011），為了描述黑潮延伸體中尺度渦的能量（EKE）變化，本文使用濾波300天以下的AVSIO SSHA資料（Qiu and Chen, 2005）。利用地轉(zhuǎn)關(guān)系u’ =-(g/f) (?h’ /?y)和v’ = (g/f) (?h’ /?x)計(jì)算異常的海流流速（其中，h'為海表面高度異常，g為重力加速度，f為科氏參數(shù)），我們定義黑潮延伸體EKE為EKE = (u’2+v’2) /2，以此來(lái)表征黑潮延伸體中尺度渦的活動(dòng)狀態(tài)。圖1為多年平均的黑潮延伸體 EKE空間分布型?？梢钥闯?，在氣候意義上黑潮延伸體 EKE呈現(xiàn)一個(gè)東西向的，形成一個(gè)類似大氣風(fēng)暴軸的分布，也可以定義為黑潮延伸體風(fēng)暴軸（Kuroshio Extension storm track）。然而，對(duì)于不同的年份EKE的大值區(qū)表現(xiàn)為比較凌亂的分布。為了刻畫(huà)黑潮延伸體中尺度渦的能量的變化，我們引入一個(gè)能夠較好地描述中尺度渦EKE的強(qiáng)度和位置變化的方法——面積指數(shù)。例如可以定義圖1中虛線框區(qū)域（32°N～38°N，141°E～165°E ）內(nèi)中EKE大于0.02的所有點(diǎn)的平均值來(lái)定義黑潮延伸體EKE的強(qiáng)度，而區(qū)域內(nèi)符合條件的點(diǎn)加權(quán)平均可以定義黑潮延伸體 EKE的位置，加權(quán)平均的公式為其中，Ix和Iy為最終確定的表示經(jīng)向和緯向位置的坐標(biāo)；xi表示各點(diǎn)經(jīng)向位置的坐標(biāo)；yi為緯向位置的坐標(biāo)；wi為權(quán)重系數(shù)，即xi或yi坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的EKE的值。

對(duì)于大氣風(fēng)暴軸，可以有多種方法來(lái)定義風(fēng)暴軸，如根據(jù)天氣尺度的經(jīng)向和緯向風(fēng)定義的動(dòng)能，以及天氣尺度波的經(jīng)向熱量輸送（Hoskins and Valdes, 2002）。在本文中，我們的主要目的是探討海洋—大氣之間的關(guān)系，而兩者之間通常通過(guò)風(fēng)應(yīng)力的異常和熱量的傳遞實(shí)現(xiàn)相互作用，已有的觀測(cè)和模式結(jié)果表明，黑潮延伸體海洋峰對(duì)大氣的影響不僅存在于海洋—大氣邊界層，而且可以體現(xiàn)在對(duì)流層低層（Tokinaga et al., 2009），而大氣中低層的海表面風(fēng)應(yīng)力的變化通常也是驅(qū)動(dòng)海表面高度異常的原因之一。因此，我們采用低層850 hPa風(fēng)暴軸的定義方法：濾波2.5～7 d的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)v’和溫度場(chǎng)T’的乘積進(jìn)行定義，以此來(lái)了解黑潮延伸體與大氣風(fēng)暴軸之間到底存在什么關(guān)系。李瑩等（2010）對(duì)風(fēng)暴軸的定義及其強(qiáng)度和位置表征方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出EOF分析可以比較好的反映北太平洋風(fēng)暴軸的變化主要特征，因此，我們以對(duì)北太平洋風(fēng)暴軸進(jìn)行 EOF分析的前三模態(tài)時(shí)間系數(shù)作為其指數(shù)。此外，Simmons and Hoskins（1978）提出天氣尺度渦動(dòng)可以用發(fā)展中的斜壓波生命史來(lái)解釋，Hoskins and Valdes（1990）強(qiáng)調(diào)了大氣斜壓不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率σ= 0 .31fN-1（其中f

BI為科氏參數(shù)，為平均風(fēng)速，N為Brunt-Vaisala頻率）是斜壓波（風(fēng)暴軸）成長(zhǎng)的至關(guān)重要的因素。因此，本文利用斜壓不穩(wěn)定率σBI的大小來(lái)判斷風(fēng)暴軸的發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)σBI越大，斜壓性越強(qiáng)，有利于風(fēng)暴軸的發(fā)展，反之亦然。

為了了解黑潮延伸體 EKE的年代際變化和北太平洋風(fēng)暴軸之間的關(guān)系，本文使用回歸分析法和相關(guān)性分析法進(jìn)行研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑潮延伸體中尺度渦的年代際變化特征

按照所給資料和方法，我們首先計(jì)算了黑潮延伸EKE的氣候態(tài)，如圖1所示。從圖中可以看出，黑潮延伸體EKE最強(qiáng)中心集中在32°N～38°N的區(qū)域，利用面積指數(shù)的定義可以得出黑潮延伸體EKE的強(qiáng)度、南北和東西位置隨時(shí)間的變化，如圖2所示，其中圖2a表示強(qiáng)度的變化，正（負(fù)）值表示EKE強(qiáng)（弱）。圖2b為南北位置的變化，正值為偏北，而負(fù)值為偏南。圖2c為東西位置的變化，正值為偏東，而負(fù)值為偏西。從強(qiáng)度和位置指數(shù)可以看出，1993～1994年及2000～2004年EKE強(qiáng)度減弱并向北和東向飄移，反之1995～1999年及2005年以后EKE增強(qiáng)并向南和西向移動(dòng)，直到2010年再次出現(xiàn)反相變化的趨勢(shì)。總體上講 EKE的強(qiáng)度和位置都具有 10年左右的年代際振蕩信號(hào)。EKE面積指數(shù)所得到的結(jié)果與 EKE區(qū)域平均強(qiáng)度的變化基本一致（圖略），因此EKE面積指數(shù)可以較好地描述黑潮延伸體EKE的變化特征。另外EKE的強(qiáng)度與南北位置指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.47，與東西位置指數(shù)相關(guān)系數(shù)為-0.55，通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)，說(shuō)明其強(qiáng)度與位移之間呈反相關(guān)，即隨著黑潮延伸 EKE的增強(qiáng)，其位置向南和西移動(dòng)，EKE減弱時(shí)則相反。

3.2 北太平洋風(fēng)暴軸的變化特征

Wettstein and Wallace（2010）通過(guò)對(duì)300 hPa月均的風(fēng)暴軸進(jìn)行EOF分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)北太平洋風(fēng)暴軸主要表現(xiàn)為強(qiáng)度的變化和南北位置的變化，這些變化同時(shí)也伴隨著緯向風(fēng)（北太平洋中緯度西風(fēng)急流）的異常。本文對(duì)北太平洋（0°～90°N，100°E～90°W）850 hPa的風(fēng)暴軸進(jìn)行去氣候態(tài)的處理，從而去除了風(fēng)暴軸的季節(jié)信號(hào)，并對(duì)風(fēng)暴軸的距平數(shù)據(jù)進(jìn)行了EOF分解，得到了北太平洋風(fēng)暴軸EOF前三個(gè)空間模態(tài)和時(shí)間系數(shù)，結(jié)果如圖3至圖5所示。圖3、圖4 、圖5分別為風(fēng)暴軸的第一模態(tài)（EOF1）、第二模態(tài)（EOF2）和第三模態(tài)（EOF3）及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間系數(shù)PC1、PC2和PC3。前三模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為 19.9%，9.1%和 7.5%。EOF1模態(tài)表現(xiàn)為一個(gè)中心，中心位置位于（40°N，160°E）左右，與氣候態(tài)的風(fēng)暴軸中心位置基本吻合，這個(gè)EOF1可以表征風(fēng)暴軸強(qiáng)度的變化；EOF2模態(tài)表現(xiàn)為位置的南北變化，它的正值表現(xiàn)為風(fēng)暴軸中心向北移動(dòng)。同樣，EOF3模態(tài)表現(xiàn)為位置東西向的變化，它的正值表現(xiàn)為風(fēng)暴軸向東的移動(dòng)。對(duì)比圖1中黑潮延伸體EKE的分布，850 hPa的北太平洋風(fēng)暴軸正好位于黑潮延伸體 EKE活動(dòng)區(qū)上空偏北的位置，35°N 左右是黑潮延伸體中尺度渦活動(dòng)（EKE）的最強(qiáng)的海區(qū), 而大氣風(fēng)暴軸軸線的入口至中心段正好跨越這一區(qū)域, 表明大氣中的天氣尺度擾動(dòng)與黑潮延伸體在地域上具有依存關(guān)系。

圖1 1993～2010年黑潮延伸體EKE的氣候平均態(tài)Fig. 1 Climate mean of Kuroshio Extension EKE (Eddy Kinetic Energy) from 1993 to 2010

圖2 1993～2010年黑潮延伸體EKE各參數(shù)的時(shí)間序列：（a）強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化；（b）南北位置；（c）東西位置變化。黑色粗實(shí)線為11個(gè)月滑動(dòng)平均的結(jié)果Fig. 2 Normalized time series of Kuroshio Extension EKE from 1993 to 2010: (a) Strength, (b) latitudinal position, (c) longitudinal position. Black thick lines are for 11-month moving averages

圖3 北太平洋風(fēng)暴軸距平EOF分析的第一模態(tài)EOF1（a）空間分布[陰影部分表示氣候態(tài)的風(fēng)暴軸（單位：m2 s-2）分布]及其（b）標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)（PC1）Fig. 3 (a) Spatial patterns [the shading indicates the climate mean of storm track (units: m2 s-2)] and (b) the corresponding normalized time coefficients (PC1)for the first EOF mode (EOF1) of the North Pacific storm track anomalies

圖4 同圖3，但為第二模態(tài)EOF2Fig. 4 Same as Fig. 3, but for the second EOF mode (EOF2)

圖5 同圖3，但為第三模態(tài)EOF3Fig. 5 Same as Fig. 3, but for the third EOF mode (EOF3)

3.3 黑潮延伸體中尺度渦與北太平洋風(fēng)暴軸的關(guān)系

從前文的分析可以看出，黑潮延伸體中尺度渦和北太平洋風(fēng)暴軸在強(qiáng)度、南北位置、東西位置上分別存在較為明顯的年代際和年際振蕩信號(hào)，而在空間位置上又具有一定依存性。為了探究?jī)烧咧g的關(guān)系，本文分別從黑潮延伸體 EKE指數(shù)和北太平洋風(fēng)暴軸EOF指數(shù)出發(fā)，利用回歸分析和相關(guān)性方法探究?jī)烧咧g的相互關(guān)系。

3.3.1 黑潮延伸體中尺度渦對(duì)北太平洋風(fēng)暴軸的可能影響

Nakamura et al.（2004）的研究發(fā)現(xiàn)，海洋鋒與中緯度西風(fēng)急流以及風(fēng)暴軸三者之間存在著一定的相關(guān)性，穿越海洋鋒區(qū)的海洋大氣的熱量交換會(huì)在大氣底層產(chǎn)生差異，這種差異可以維持大氣的斜壓性，使中緯度西風(fēng)急流加強(qiáng)，從而有利于風(fēng)暴軸的發(fā)展。此外，Wettstein and Wallace（2010）的研究也表明西風(fēng)急流與風(fēng)暴軸之間存在相互作用，由此可見(jiàn)，西風(fēng)急流和大氣斜壓不穩(wěn)定率在大氣風(fēng)暴軸變化中起重要作用。本節(jié)將著重討論黑潮延伸體中尺度渦與西風(fēng)急流、大氣斜壓不穩(wěn)定率以及風(fēng)暴軸在強(qiáng)度和位置上的關(guān)系。

圖6到圖8給出了根據(jù)黑潮延伸體EKE強(qiáng)度和位置指數(shù)回歸的850 hPa西風(fēng)急流、大氣斜壓不穩(wěn)定率及北太平洋風(fēng)暴軸的空間分布。可以看出，西風(fēng)急流、大氣斜壓不穩(wěn)定率和風(fēng)暴軸的氣候平均位置基本一致。急流帶分布在30°N～45°N之間，其軸位于 42°N左右并呈東北—西南向傾斜狀，最強(qiáng)中心在太平洋中部地區(qū)（圖6a），相應(yīng)的，該緯度帶內(nèi)大氣斜壓不穩(wěn)定率也較強(qiáng)，但在西太平洋急流的入口處達(dá)到最大值（圖6b），風(fēng)暴軸位置與急流基本一致（圖6c）。

圖6 黑潮延伸體EKE強(qiáng)度指數(shù)回歸的850 hPa（a）急流場(chǎng)、（b）大氣斜壓不穩(wěn)定率場(chǎng)以及（c）大氣風(fēng)暴軸場(chǎng)。圖中陰影部分為各變量的氣候平均態(tài)，（a）中黑色粗實(shí)線為急流軸所在位置Fig. 6 (a) The atmospheric jet, (b) atmospheric baroclinic instability rate,and (c) the North Pacific storm track at 850 hPa regressed on Kuroshio Extension EKE strength index. Shadow area in diagram is for the climate mean of each variable. The black line in (a) is for the location of jet axis

從圖6回歸場(chǎng)可以看出，當(dāng)黑潮延伸體 EKE增強(qiáng)時(shí)，急流表現(xiàn)為沿著急流軸整體增強(qiáng)的趨勢(shì)，且急流軸的南側(cè)增強(qiáng)最顯著?；貧w的大氣斜壓不穩(wěn)定率（圖6b）和大氣風(fēng)暴軸（圖6c）也有同樣的整體增強(qiáng)特征?？梢?jiàn)，黑潮延伸體 EKE強(qiáng)度的增強(qiáng)與西風(fēng)急流和大氣斜壓不穩(wěn)定率的增強(qiáng)有著同期伴隨關(guān)系，強(qiáng)的斜壓不穩(wěn)定率有利于風(fēng)暴軸的發(fā)展，這與 Nakamura et al.（2004）的研究結(jié)果一致。同樣的，將三者回歸到黑潮延伸體 EKE南北位置的指數(shù)上可以得到它們的回歸場(chǎng)，如圖7所示。從圖7中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑潮延伸體EKE偏北時(shí)，在北太平洋中緯度地區(qū)急流的回歸場(chǎng)表現(xiàn)為北正南負(fù)的偶極子結(jié)構(gòu)（圖7a），在這種情況，北太平洋急流可以北移。而大氣斜壓不穩(wěn)定率（圖7b）和大氣風(fēng)暴軸（圖7c）的回歸場(chǎng)也存在類似的特征，但大氣風(fēng)暴軸南北偶極子在急流上游表現(xiàn)較為明顯。說(shuō)明當(dāng)黑潮延伸體 EKE偏北時(shí)，在北太平洋急流軸向北漂移的同時(shí)，大氣斜壓不穩(wěn)定率高值區(qū)也隨之北移，進(jìn)而導(dǎo)致大氣風(fēng)暴軸向北偏移。對(duì)于這種情況北太平洋風(fēng)暴軸在急流上游北移較為明顯。從黑潮延伸體 EKE東西位置指數(shù)的回歸場(chǎng)來(lái)看，黑潮延伸體 EKE偏東時(shí)北太平洋急流反而西退（圖8a），大氣斜壓不穩(wěn)定率的高值區(qū)除了上游靠近日本東岸附近增強(qiáng)外，下游區(qū)域明顯減弱（圖8b），對(duì)應(yīng)的北太平洋風(fēng)暴軸呈西部增強(qiáng)東部減弱的形態(tài)，而黑潮延伸體EKE偏西時(shí)則相反（圖8c）。黑潮延伸體 EKE偏東時(shí)北太平洋風(fēng)暴軸反而西退主要原因可能與黑潮延伸體 EKE的強(qiáng)度有關(guān)，由于黑潮延伸體 EKE偏東時(shí)其強(qiáng)度較弱，而偏西時(shí)較強(qiáng)，從而當(dāng)其偏東時(shí)會(huì)使北太平洋急流減弱并西退，斜壓不穩(wěn)定區(qū)域及大氣風(fēng)暴軸也隨之向西偏

移，而當(dāng)其偏西時(shí)則相反。

圖7 同圖6，但為黑潮延伸體EKE南北位置指數(shù)Fig. 7 Same as Fig 6, but for Kuroshio Extension EKE latitudinal position index

圖8 同圖6，但為黑潮延伸體EKE東西位置指數(shù)Fig. 8 Same as Fig.6, but for Kuroshio Extension EKE longitudinal position index

3.3.2 北太平洋風(fēng)暴軸變化對(duì)黑潮延伸體 EKE的反饋?zhàn)饔?/p>

從上一節(jié)的分析可見(jiàn)黑潮延伸體的中尺度渦與北太平洋風(fēng)暴軸在強(qiáng)度和位置上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而通過(guò)對(duì)北太平洋風(fēng)暴軸的EOF分析可知，其變化以強(qiáng)度、南北和東西位置的振蕩為主，那么大氣風(fēng)暴軸的這種強(qiáng)度和位置的變化是否會(huì)對(duì)黑潮延伸體中尺度渦有反饋?zhàn)饔媚?？現(xiàn)有的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在黑潮延伸體區(qū)域中尺度渦的活動(dòng)與海表面風(fēng)速大小呈正相關(guān)（Chelton et al., 2001），此外，Qiu and Chen（2005）的研究也表明中東太平洋的海表面高度異常信號(hào)會(huì)通過(guò)羅斯貝波西傳而影響黑潮延伸體的強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致黑潮延伸體中尺度渦的變化。很多研究已表明北大西洋和北太平洋風(fēng)暴軸的變化可以激發(fā)大氣的遙相關(guān)模態(tài)如北大西洋濤動(dòng)（NAO）、北極濤動(dòng)（AO）、太平洋—北美型（PNA）以及北太平濤動(dòng)（NPO）等（Vallis et al.,2004; Choi et al., 2010; Franzke et al., 2011）。在本文中我們并不研究北太平洋風(fēng)暴軸激發(fā)遙相關(guān)模態(tài)的機(jī)理，而僅猜想北太平洋風(fēng)暴軸有可能通過(guò)其驅(qū)動(dòng)的大氣遙相關(guān)型來(lái)影響黑潮延伸體中尺度渦的變化。由此，本文分別將大氣300 hPa高度場(chǎng)、海表面壓力場(chǎng)（SLP）、海表面風(fēng)場(chǎng)及海表面高度場(chǎng)回歸到北太平洋風(fēng)暴軸EOF的前三模態(tài)（PC1、PC2、PC3）上，并計(jì)算回歸的時(shí)間系數(shù)與黑潮延伸體EKE指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而揭示北太平洋風(fēng)暴軸對(duì)黑潮延伸體中尺度渦的反饋?zhàn)饔谩?/p>

圖9到圖11為北太平洋風(fēng)暴軸不同模態(tài)回歸的300 hPa高度、海表面壓力（SLP）、海表面風(fēng)應(yīng)力及海表面高度的空間型。圖9為回歸到北太平洋風(fēng)暴軸PC1上的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)北太平洋風(fēng)暴軸增強(qiáng)時(shí)，300 hPa高度的回歸場(chǎng)（圖9a）表現(xiàn)為偏東型的 NPO正位相結(jié)構(gòu)且向西北—東南方向傾斜，在北太平中緯度上空表現(xiàn)為高度場(chǎng)正距平，而從 SLP的回歸場(chǎng)（圖9b）來(lái)看，北太平中緯度地區(qū)則對(duì)應(yīng)一個(gè)反氣旋環(huán)流從而產(chǎn)生一個(gè)反氣旋式的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫。在高壓中心（SLP正距平中心）北側(cè)會(huì)形成西風(fēng)異常而在南側(cè)則會(huì)形成東風(fēng)異常，如圖9c所示。對(duì)于這種情況，北太平洋海表面風(fēng)應(yīng)力會(huì)在 35°N以北產(chǎn)生反氣旋強(qiáng)迫而在其南側(cè)產(chǎn)生氣旋式強(qiáng)迫。相應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力旋度則表現(xiàn)為以35°N為界的北負(fù)南正的偶極子型，其最強(qiáng)中心位于太平洋中部。由風(fēng)應(yīng)力旋度驅(qū)動(dòng)的海平面上升或下沉的現(xiàn)象通常稱之為Ekman抽吸，由于Ekman抽吸的作用，海表面風(fēng)應(yīng)力旋度正距平會(huì)驅(qū)動(dòng)出海表面負(fù)距平高度，因此對(duì)應(yīng)的海表面高度的回歸場(chǎng)表現(xiàn)為北正南負(fù)的偶極子結(jié)構(gòu)（圖9d）。也就是說(shuō)，大氣風(fēng)暴軸增強(qiáng)時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)出的偏東的北太平洋濤動(dòng)（NPO）正位相型，通過(guò)相應(yīng)的SLP和海表面風(fēng)應(yīng)力旋度的異常，使得北太平洋海表面高度出現(xiàn)北正南負(fù)的偶極子型，這種偶極子結(jié)構(gòu)與氣候態(tài)海表面高度的疊加，有可能使得黑潮延伸體海表面高度的經(jīng)向梯度減弱，從而黑潮延伸體流速減弱，而中尺度渦增強(qiáng)。因此北太平洋風(fēng)暴軸的強(qiáng)度（EOF1）與黑潮延伸體中尺度渦強(qiáng)度之間可能存在正反饋。而當(dāng)大氣風(fēng)暴軸減弱時(shí)則相反。

圖9 由北太平洋風(fēng)暴軸第一模態(tài)PC1回歸的各要素場(chǎng)的空間分布：（a）300 hPa高度（單位：gpm）、（b）海平面氣壓（SLP；單位：hPa）、（c）海表面風(fēng)應(yīng)力（矢量；單位：N m-3）及其旋度（填色；單位：N m-3）、（d）海表面高度（單位：m）Fig. 9 Spatial patterns of (a) the geopotential height (units: gpm) at 300 hPa, (b) sea level pressure (SLP; units: hPa), (c) sea level wind stress (vector; units: N m-3) and its curl (colored area; units: N m-3), (d) sea surface height (units: m) regressed on the North Pacific storm track PC1

圖10與圖9類似，但為回歸到大氣風(fēng)暴軸EOF2的結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)大氣風(fēng)暴軸偏北時(shí)，300 hPa高度和SLP的回歸場(chǎng)都表現(xiàn)為在北太平洋上空海盆狀的正距平（圖10a、b），海表面風(fēng)應(yīng)力旋度和SSHA則與PDO負(fù)位相對(duì)應(yīng)的海表面風(fēng)應(yīng)力旋度和SSHA相似（圖10c、d），即在太平洋中東部海表面風(fēng)應(yīng)力旋度減弱而海表面高度增強(qiáng)。同樣的，圖11為回歸至大氣風(fēng)暴軸EOF3的結(jié)果。其結(jié)果顯示，當(dāng)大氣風(fēng)暴軸偏西時(shí)，300 hPa高度和SLP的回歸場(chǎng)則表現(xiàn)NPO負(fù)位相型，相應(yīng)的在北太平洋東部驅(qū)動(dòng)出海表面風(fēng)應(yīng)力旋度正距平、海表面高度負(fù)距平，這樣的分布型與NPGO正位相所對(duì)應(yīng)的海表面風(fēng)應(yīng)力旋度和海表面高度距平場(chǎng)是一致的。這種在中東太平洋區(qū)域整個(gè)海盆式的海表面高度距平隨羅斯貝波向西傳播的過(guò)程中，受高低緯度不同傳播速度的影響，在緯向上，距平信號(hào)到達(dá)黑潮延伸體區(qū)域的前后順序的差異同樣會(huì)改變其海表面高度的經(jīng)向梯度，進(jìn)而可能導(dǎo)致黑潮延伸體急流和中尺度渦的變化。

圖10 同圖9，但為PC2Fig. 10 Same as Fig. 9, but for PC2

圖11 同圖9，但為PC3Fig. 11 Same as Fig. 9, but for PC3

從回歸結(jié)果可見(jiàn)，北太平洋風(fēng)暴軸不同模態(tài)驅(qū)動(dòng)出的大氣遙相關(guān)型、海表面風(fēng)應(yīng)力和海表面高度距平場(chǎng)是不相同的。為了證實(shí)我們的猜測(cè)，我們以風(fēng)暴軸各模態(tài)（PC1、PC2、PC3）回歸的海表面高度場(chǎng)（圖9d、圖10d、圖11d、）為標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算了三者與1993～2010年月均的SSHA場(chǎng)之間的相關(guān)系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化后得到圖12a-c，我們稱之為北太平洋風(fēng)暴軸各模態(tài)（PC1、PC2、PC3）回歸的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)。從圖中可以看到，回歸的時(shí)間系數(shù)也具有明顯的年代際振蕩信號(hào)，因而進(jìn)一步計(jì)算了其與黑潮延伸體 EKE指數(shù)的同期及滯后相關(guān)系數(shù)，如圖13所示。

從圖13中可以看出，當(dāng)黑潮延伸體EKE強(qiáng)度滯后PC1、PC3回歸系數(shù)3年半左右，它們達(dá)到最大的正相關(guān)，且它們的相關(guān)系數(shù)分別為0.25和0.29（圖13a1、a3），而當(dāng)黑潮延伸體EKE強(qiáng)度滯后PC2回歸系數(shù)3年7個(gè)月時(shí)則達(dá)到最大的負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為-0.27（圖13a2）。當(dāng)黑潮延伸體EKE南北位置指數(shù)滯后PC1、PC3回歸系數(shù)3～4年達(dá)到最大的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.52和-0.58（圖13b1、b3），而當(dāng)滯后PC2回歸系數(shù)2年時(shí)則達(dá)到最大的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.56（圖13b2）。同時(shí)我們還計(jì)算了黑潮延伸體 EKE東西位置指數(shù)與北太平洋風(fēng)暴軸各模態(tài)回歸（PC1、PC2、PC3）的時(shí)間系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)黑潮延伸體 EKE東西位置指數(shù)滯后PC1，PC3的回歸系數(shù)3～4年時(shí)則達(dá)到最大的負(fù)相關(guān)，且它們的相關(guān)系數(shù)分別為-0.58和-0.65（圖13 c1、c3），而滯后PC2的回歸系數(shù)3年4個(gè)月時(shí)則達(dá)到最大的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為 0.74（圖13 c2）。

圖12 北太平洋風(fēng)暴軸回歸的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)：（a）PC1；（b）PC2；（c）PC3Fig. 12 Normalized time series for the regressions of North Pacific storm track: (a) PC1, (b) PC2, (c) PC3

由此可見(jiàn)，黑潮延伸體EKE強(qiáng)度與北太平洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度和東西位置可能存在 3～4年的滯后的正相關(guān)，而黑潮延伸體 EKE南北和東西位置與北太平洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度和東西位置可能存在 3～4年的滯后的負(fù)相關(guān)，即北太平洋風(fēng)暴軸增強(qiáng)或向西偏移3～4年后黑潮延伸體中尺度渦可能有增強(qiáng)且向南和向西方向移動(dòng)的趨勢(shì)。這可能是由于北太平洋風(fēng)暴軸驅(qū)動(dòng)出的海表面高度異常（SSHA）向西傳播造成的。圖9d中PC1驅(qū)動(dòng)的SSHA在太平洋中東部以 35°N為界呈北正南負(fù)的偶極子型，其分界線與黑潮延伸體急流軸相吻合，因此，當(dāng)SSHA向西傳播到黑潮延伸體區(qū)域時(shí)，黑潮延伸體急流軸北部SSH增強(qiáng)而南部減弱，使得該區(qū)域SSH南北梯度減弱，從而可以導(dǎo)致黑潮延伸體急流的強(qiáng)度減弱，對(duì)應(yīng)的EKE隨之增強(qiáng)。從前文分析已知EKE增強(qiáng)時(shí)其位置會(huì)向南向西移動(dòng)，故其位置偏南偏西。而圖11d中PC3驅(qū)動(dòng)的SSHA在太平洋中東部表現(xiàn)為整個(gè)海盆的負(fù)距平，由于羅斯貝波的傳播速度低緯度地區(qū)快于高緯度地區(qū)，因此在黑潮延伸體急流軸的南部 SSH負(fù)距平信號(hào)可以較快地傳播到黑潮延伸體區(qū)域?qū)е略摰貐^(qū)SSH南北梯度減弱，從而可能使黑潮延伸體急流減弱并南移和西退，這時(shí)黑潮延伸體的 EKE增強(qiáng)且向南和向西移動(dòng)，反之亦然。而黑潮延伸體指數(shù)滯后于PC2回歸指數(shù)的相關(guān)性的結(jié)果與前兩者相反，即北太平洋風(fēng)暴軸偏北3年左右后黑潮延伸體EKE強(qiáng)度減弱，位置北向東方向移動(dòng)。這也可能是由于圖10d中回歸的SSHA在太平洋中東部區(qū)域呈海盆狀正距平的緣故，這種異常信號(hào)向西傳播的過(guò)程中，南部正距平的SSHA信號(hào)先期到達(dá)黑潮延伸體區(qū)域?qū)е耂SH南北梯度增強(qiáng)，從而使黑潮延伸體增強(qiáng)，相應(yīng)的EKE減弱且向北向東移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)北太平洋風(fēng)暴軸偏南的時(shí)候則相反。

4 結(jié)論

本文通過(guò)引入“黑潮延伸體中尺度渦能量面積指數(shù)”并使用 EOF分解的方法分析了黑潮延伸體中尺度渦和北太平洋風(fēng)暴軸的強(qiáng)度和位置的變化特征，并利用回歸分析和相關(guān)性分析研究了兩者之間的相互關(guān)系。得到以下的主要結(jié)論：

（1）新定義的黑潮延伸體中尺度渦能量面積指數(shù)可以很好地反映的黑潮延伸體中尺度渦的強(qiáng)度和位置的年代際振蕩特征。

圖13 黑潮延伸體EKE指數(shù)與大氣風(fēng)暴軸（a1、b1、c1）PC1、（a2、b2、c2）PC2、（a3、b3、c3）PC3回歸時(shí)間系數(shù)的同期及滯后相關(guān)性。橫坐標(biāo)為滯后時(shí)間，單位為a；水平粗虛線為95%信度值Fig. 13 Lag correlation (a1、b1、c1) PC1, (a2、b2、c2) PC2, (a3、b3、c3) PC3 between the Kuroshio Extension EKE index and the regressive time coefficients of North Pacific storm track. The abscissa is for the lag time (units: a), the thick broken line is the 95% confidence level

（2）黑潮延伸體 EKE增強(qiáng)時(shí)北太平洋急流和斜壓不穩(wěn)定率增強(qiáng)，有利于大氣風(fēng)暴軸強(qiáng)度的加強(qiáng)，當(dāng)黑潮延伸體 EKE位置偏北（南）時(shí)則大氣風(fēng)暴軸偏北（南），但當(dāng)黑潮延伸體EKE位置偏東（西）時(shí)則北太平洋風(fēng)暴軸西退（東移）。

（3）北太平洋風(fēng)暴軸的變化對(duì)黑潮延伸體也具有一定的反饋?zhàn)饔?，黑潮延伸體 EKE的變化與北太平洋風(fēng)暴軸前三個(gè) EOF模態(tài)回歸的時(shí)間系數(shù)之間存在明顯的滯后關(guān)系，滯后時(shí)間為 3～4 年。兩者的相關(guān)性主要由北太平洋風(fēng)暴軸驅(qū)動(dòng)出的大氣遙相關(guān)型所引起的海表面高度距平的西移導(dǎo)致的。

需要指出的本文只是嘗試性地研究了黑潮延伸體EKE與北太平洋風(fēng)暴軸相互之間的相互關(guān)系，其物理機(jī)制仍需要進(jìn)一步的探討。

致謝 在本文的研究過(guò)程中，吳立新院士、裘波教授、劉秦玉教授和兩位審稿人提出了許多寶貴的意見(jiàn)，使作者受益匪淺，在此表示由衷地感謝。

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