太平洋年代际振荡的研究进展

书书书第２８卷第６期２００４年１１月大气科学ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ．２８　Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２００４２００３０５２９收到，２００３１０１４收到修改稿国家自然科学基金资助项目４０２３３０２８太平洋年代际振荡的研究进展杨修群１）　朱益民２）　谢　倩２）　任雪娟１）　徐桂玉１）１）（南京大学灾害性天气气候研究所海气相互作用研究室，南京２１００９３）２）（解放军理工大学气象学院大气科学系，南京２１１１０１）摘　要　　作者以太平洋年代际振荡（ＰＤＯ）现象为重点，系统地回顾了太平洋年代际变率观测、模拟和理论研究的国内外进展。在ＰＤＯ时空结构方面，总结了ＰＤＯ的基本观测事实，在ＰＤＯ成因方面，从海洋大气相互作用观点出发比较了三类ＰＤＯ形成机制的理论或假说，讨论了现有理论或假说中存在的若干问题，并提出了未来研究的方向和需要解决的关键科学问题。作者也简要介绍了东亚及中国气候年代际变化的特征及其和太平洋海表温度异常的联系，并讨论了东亚大气环流异常在ＰＤＯ形成中的可能作用。关键词：太平洋；海气相互作用；年代际变率文章编号　１００６９８９５（２００４）０６０９７９１４　　中图分类号　Ｐ４３２　　文献标识码　Ａ１　引言太平洋年代际振荡（以下简称ＰＤＯ）是近年来揭示的一种年代际时间尺度上的气候变率强信号［１，２］，一方面，它既是叠加在长期气候趋势变化上的扰动，可直接造成太平洋及其周边地区（包括我国）气候的年代际变化；另一方面，它又是年际变率的重要背景，对年际变化（如ＥＮＳＯ及其影响）具有重要的调制作用，可影响ＥＮＳＯ事件频率和强度，同时也可导致年际ＥＮＳＯ—季风异常关系的不稳定性（或年代际改变）。因此，充分认识这一现象的特征、形成机制及其与我国气候变化的联系规律，对于理解我国气候年代际变化的成因是有重要意义的［３～８］。２　犘犇犗的基本观测特征１９７６／１９７７年北太平洋出现了一次显著的年代际突变现象，直到２０世纪８０年代末，这种现象才引起人们关注。先期研究主要集中于分析这一突变现象的特征及其对北太平洋和周边区域物理和生态环境的影响［９～１３］。研究表明，这一突变现象在各类海气要素场上均有反映，在１９７６／１９７７年突变以后，在海洋方面，热带中东太平洋海表温度（ＳＳＴ）年代际异常增高，黑潮及其续流区（以下简称ＫＯＥ区）和北太平洋中部异常变冷，北美沿岸和阿拉斯加湾ＳＳＴ增高；在大气方面，北太平洋海平面气压（ＳＬＰ）和５００ｈＰａ高度场明显降低，阿留申低压异常加深、东移并偏南。从２０世纪９０年代中后期开始，人们利用近百年的海洋大气资料分析了太平洋年代际变率的时空结构［１，２，１４～２３］。图１给出了由ＳＳＴ异常和ＳＬＰ异常揭示的典型ＰＤＯ时空结构①。研究表明，太平洋年代际信号和年际信号具有相似空间结构，即热带中东太平洋和北太平洋中纬度ＳＳＴ异常符号相反，大气异常表现为ＰＮＡ结构；但两者的差别是，年际变率优势区位于热带太平洋，而年代际变率优势区位于中纬北太平洋，最大振幅在ＫＯＥ区及北太平洋风暴轴附近，且与ＰＮＡ型年代际变化密切相关。时间序列分析表明，１９７６／１９７７年发生在北太平洋的年代际突变并不是唯一的，类似的较大突变现象同样发生在１９２５和１９４７年。这表明北太平洋存在着年代际振荡现象，且这种振荡与热带太平洋有关联，观测的分别发生在２０世纪２０、４０和７０年代的所谓突变事实上是这种振荡的位相转换。Ｍａｎｔｕａ等［２］把这种太平洋年代际振荡现象称为ＰＤＯ（ＰａｃｉｆｉｃＤｅｃａｄａｌＯｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ），并把它描述为一种类似于ＥＮＳＯ型的具有年代尺度生命史的太平洋变率。若以太平洋海温异常作为定义，ＰＤＯ可分为冷、暖位相（或称为ＰＤＯ冷、暖“事件”）。在ＰＤＯ暖位相时，热带中东太平洋异常暖，北太平洋中部异常冷，而沿北美西岸却异常暖；反之，则为ＰＤＯ冷位相。ＰＤＯ与ＥＮＳＯ的区别主要在于：（１）典型ＰＤＯ事件可持续２０～３０年，持续时间远比ＥＮＳＯ事件长；（２）ＰＤＯ主信号在北太平洋，次信号在热带，而ＥＮＳＯ事件恰恰相反。２０世纪发生了两个完整的ＰＤＯ循环，即冷位相：１８９０～１９２４年和１９４７～１９７６年，暖位相：１９２５～１９４６年和１９７７～１９９８年。ＰＤＯ的大气方面对应北太平洋涛动即ＮＰＯ，在ＰＤＯ暖位相，阿留申低压异常降低，而北美西部和副热带太平洋地区气压异常升高。２０°Ｎ以北北太平洋ＳＳＴ异常第一主分量被定义为ＰＤＯ指数，而阿留申低压指数［１２］一般被用于描述北太平洋气压变化，观测表明，至少从２０世纪２０年代起ＰＤＯ指数与阿留申低压指数在位相上有显著的对应关系，因此，ＰＤＯ在海洋—大气系统中的一致性变化表明这一现象是海气相互作用的产物。近年来的研究表明，ＰＤＯ具有多重时间尺度性，主要表现为准２０年周期和准５０年周期。准２０年振荡特征可从许多分析结果得到印证，如局地气温、水温和混合层深度变化［１８，２４～２６］，以及海盆尺度或全球ＳＳＴ和ＳＬＰ场［２７～３２］；近４００年树木年轮代用资料重建的ＰＤＯ指数分析也表明ＰＤＯ具有准２０年振荡周期分量［３３］。对于准５０年振荡分量，也可从１８～１９世纪美国和加拿大的树木年轮记录中得以检测，但估计出的振荡周期为５０～７０年［３４］，比２０世纪仪器记录分析的周期略长［３５～３８］。通过对阿留申低压指数和ＰＤＯ指数的分析发现，２０世纪北太平洋三次年代际位相转换时，准５０年振荡和准２０年振荡的转换表现为同步［３９］，但准５０年振荡和准２０年振荡具有明显的季节差异性［３９，４０］；另外，准２０年振荡模态的时空演变结构与准５０年振荡也有所不同［１９］。这些特征预示着这两种时间尺度振荡模态可能源于不同的物理机制。ＰＤＯ对年际变率有明显的调制作用。分析表明：对应不同的年代际背景，年际ＥＮＳＯ空间结构［４１］、ＥｌＮｉ珘ｎｏ发生频率与强度［４２］及ＥｌＮｉ珘ｎｏ发生特点［４３］均表现显著的差异；从１９世纪末到２０世纪２０年代ＥＮＳＯ循环的方差较大，１９２０～１９５０年处在相对较弱的时期，随后加强至今［４４，４５］；ＥＮＳＯ年代际变率与温盐环流（ＴＨＣ）变化可能有联系，ＴＨＣ强时ＥｌＮｉ珘ｎｏ频率可能低，ＴＨＣ弱时ＥｌＮｉ珘ｎｏ频率可能高［４６］。不过，年际０８９　　大　　气　　科　　学２８卷　①朱益民、杨修群，太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系规律，气象学报，２００３．图１　１９０３～１９９８年间标准化的ＰＤＯ指数时间序列（ａ），１９５０～１９９８年间海表温度（ＳＳＴ）距平（ｂ）和海平面气压（ＳＬＰ）距平（ｃ）对ＰＤＯ指数的回归系数分布ＰＤＯ指数是１９０３～１９９８年２０°Ｎ以北北太平洋ＳＳＴ距平（ＧＩＳＳＴ资料）ＥＯＦ第一模态的标准化时间系数，回归所用ＳＳＴ资料选自Ｍａｒｙｌａｎｄ大学海洋同化分析资料（ＳＯＤＡ６），ＳＬＰ资料选自ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ再分析资料与年代际变率之间的相互关系可能是非线性的［１，１３］。ＰＤＯ对年际变率的调制作用还表现在：当阿留申低压处于较强的平均态时，其冬季年际变率增强，这在ＳＬＰ、５００ｈＰａ高度场、ＳＳＴ和风场中都有一致反映；ＥＮＳＯ对北美气候的遥相关影响很大程度上依赖于ＰＤＯ的位相，典型的ＥｌＮｉ珘ｎｏ和ＬａＮｉ珘ｎａ影响只在ＥＮＳＯ与ＰＤＯ同位相时（即暖ＰＤＯ＋ＥｌＮｉ珘ｎｏ或冷ＰＤＯ＋ＬａＮｉ珘ｎａ）才有效［４７，４８］。１８９　６期杨修群等：太平洋年代际振荡的研究进展３　中国气候年代际变化及其和太平洋犛犛犜关系近百年来，中国气候经历了显著的年代际变化［４９］，但区域差异很大［５０，５１］。例如，２０世纪８０年代中国降水气温异常特点是，华北暖干，西南冷干，东北是暖略偏湿，长江中下游则冷湿，西北暖湿；长江、淮河流域从７０年代末起降水明显增多，涝灾增多，而华北和华南地区降水明显比７０年代少［５２］，而９０年代是长江中下游地区近百年来降水最多的十年［５３］；华北到东北近百年降水中存在明显的准２０年振荡［５４］，１８８３～１８９８年和１９４９～１９６４年是华北降水较丰沛时期，１８９９～１９２０年和１９６５～１９９７年华北降水处于偏少时期，其中１９８０～１９９３年降水持续偏少，干旱现象严重［５５］。近５００年中国降水等级资料分析表明，我国华北夏季降水和东亚夏季风存在约８０年周期的振荡［５６］。中国区域气候年代际变化与大尺度环流的年代际变化相联系。北半球冬季主要大气活动中心在近百年内发生了３次气候突变，突变时间和ＰＤＯ位相转换一致［５７］；冬季西伯利亚高压２０世纪６０年代到７０年代强度偏强，８０年代以来则持续偏弱［５８］，和我国冬季气温变化一致［５９］。对应于我国气候年代际变化的不同阶段，大气环流形势表现出明显差异［５９］，对于多雨的２０世纪５０年代，西太平洋副高偏北偏西，东亚沿海高空槽偏浅，而巴尔喀什湖的高空槽偏深；相反，对于少雨的２０世纪８０年代，形式则相反。１９５８～１９７５年东亚夏季风总体偏强，１９７６～１９９３年东亚夏季风偏弱［６０］，因此，东亚夏季风具有与北太平洋海温一致的年代际变化特点。在２０世纪７０年代末之后，亚洲和非洲季风环流变弱，同时热带东太平洋信风也变弱，这次转变的时间尺度在２０年以上［６１］。此外，研究还发现东亚夏季风和ＥＮＳＯ的相互关系存在明显的年代际变化，在二者关系紧密时期和微弱时期夏季大气环流的年际变率有显著差别，并且中国夏季降水和ＥＮＳＯ的关系也有明显差异［６２］。中国气候异常与太平洋海温年代际变化有明显联系。北太平洋海温跃变前（即１９７６／１９７７年以前），我国汛期降水在东北地区偏少，华北地区偏多，长江流域偏少，华南偏多；而跃变后则相反［６３］。ＥＮＳＯ对中国降水的影响不仅与ＥＮＳＯ发展的不同阶段有关，还与太平洋海温的年代际背景有密切关系［６４，６５］，在年代际冷、暖背景下，ＥＮＳＯ和东亚季风区降水的关系不同。东亚夏季风与北太平洋ＳＳＴ异常之间的关系存在年代际变化特征，１９７６年以前，华北地区夏季降水偏多，北太平洋海温异常可能起主要作用；而１９７６年以后，北太平洋海温异常与东亚夏季风关系不明显，赤道中东太平洋变得更重要，出现所谓年际异常的海温关键区发生年代际转移［６０］。我国气候异常对黑潮区及中纬度北太平洋海温异常也有响应，春季黑潮区正ＳＳＴＡ造成春季北极低涡明显减弱，欧亚大陆中高纬地区纬向环流加强，西太平洋副高位置偏北偏西，且存在负ＰＮＡ型异常环流型，华北地区夏季多雨；反之，则少雨干旱［６６］。中纬度北太平洋大范围ＳＳＴ降低，造成东北地区降水偏多，而我国４０°Ｎ以南大部分地区降水偏少［６７］。４　犘犇犗形成机制的目前观点人们对太平洋年代际变率研究的时间还很短，由于缺少全面系统的研究，对太平２８９　　大　　气　　科　　学２８卷　洋ＰＤＯ成因尚未定论。已有研究表明，ＰＤＯ是海气系统内部自然振荡，并涉及与上层海洋热力调整有关的若干慢变物理过程，如海洋Ｇｙｒｅ（以下译为“涡旋”）输送、Ｒｏｓｓｂｙ波传播、Ｓｕｂｄｕｃｔｉｏｎ（以下译为“潜沉”）输送等。海气相互作用和温盐环流是海洋年代际变率产生的两个主要原因，但和大西洋不同的是，太平洋温盐环流很弱，所以海气相互作用是人们理解ＰＤＯ形成机制的主要方向。目前，国际上有关ＰＤＯ形成机制问题存在许多不成熟的观点或假说［６８，６９］，国外一般将其分成两类：确定性理论和随机强迫理论［６８，６９］。经归纳，我们从ＰＤＯ产生的源地将这些观点可分为三类：第一类观点认为ＰＤＯ可能源于热带海气耦合系统内部。热带年代际振荡通过遥相关过程影响中纬度海洋和大气。部分海气耦合模式已显示有能力产生热带海气系统内部固有的年代际变率［７０～７３］。热带海气系统本身可以产生年代际变率的原因目前并不清楚，随机强迫和非线性效应可能是重要的，热带耦合系统可能存在一种甚低频模态，对热带年代际变率作出贡献［７４］。通过大气遥相关（如ＰＮＡ型）是热带年代际变率影响中纬度的一个途径，类似于年际ＥＮＳＯ的影响过程。例如，热带东太平洋偏暖，则导致中纬度西风偏强，阿留申低压增强，通过增