北太平洋海气系统主要模态的年代际变化

张增平，沈柏竹，李尚锋，龚志强，封国林，3

（1.扬州大学 物理科学与技术学院，江苏 扬州 225002；2.中高纬度环流系统与东亚季风研究开放实验室，长春 130062；3.中国气象局 国家气候中心 气候诊断预测室，北京 100081）

0 引言

北太平洋海气耦合系统是北半球气候系统的一个重要组成部分，其中包含了北太平洋涛动（North Pacific oscillation，NPO）、西太平洋遥相关型（Western Pacific teleconnection，WP）、极涡和太平洋年代际涛动（Pacific decadal oscillation，PDO）等气候模态［1－3］；因此，在年代际尺度上，北太平洋海气耦合系统是中高纬度对亚洲和北美等区域热动力过程和气候变化影响较大的信号源之一.已有研究表明，20世纪70年代中后期，北太平洋存在一次显著的年代际变化，揭示了这一次突变在气候系统中均有所反映，对生态系统造成一定的影响［4－7］；海表温度（sea surface temperature，SST）年代际变化的研究最初集中在北太平洋地区.1976—1977年，北太平洋地区海气系统发生了一次年代际尺度的跃变，且该地区的SST和大气环流发生了十分明显的年代际变化.［8－9］ZHANG等［10］指出全球海表温度时间尺度超过6a以上的低频变化第一模态的主要特征是1976—1992年的东太平洋变暖和北太平洋变冷.肖栋和李建平［11］研究了全球海表温度的年代际尺度突变特征，给出主要模态，并分析其与PDO的可能联系等.施能［12］指出亚洲地区和亚欧地区径向环流在1983年突然减弱，进而对北太平洋和亚欧环流系统产生一定的影响.XIAO等［13］也研究了北太平洋海气系统突变的空间分布特征，发现70年代的突变海洋可能是一个重要热源，垂直空间上突变由低层向高层传递.

有关年代际尺度北太平洋海气系统突变研究的意义是显而易见的，但值得指出的是，这些工作大多是对海表温度和高度场资料直接进行分析，且侧重于空间分布特征的分析；而气候模态的存在必然是时间尺度分量和空间模态的共同作用，但以往关于时间尺度分量与突变的联系研究则相对较少，也没有解释北太平洋海气系统突变是何种时间尺度分量起主导作用.此外，廉毅［14］指出，北太平洋海气系统中NPO的变化对中国东北地区温度变化和降水等都有重要影响；刘宗秀［15］通过定义北半球极涡强度指数，分析了极涡与中国地区温度变化的关系.这些研究都充分说明北太平洋海气系统与中国气候变化的重要关系，但目前对北太平洋海气系统年代际尺度突变的空间模态的认识还非常不清晰，且又面临急需深入剖析北太平洋海气系统年代际变化特征及其与中国气候变化的联系，进而为年代际尺度的气候变化研究提供背景参考.另外，在突变定义方面，符淙斌等［16］提出了均值突变，封国林、万仕全、龚志强、何文平等提出了动力学结构突变［17－19］，李建平等［20］提出了一个完备的气候突变定义.在突变检测技术方面，有传统的滑动t方法和MK方法，近几年还出现了启发式分割算法（BG算法）［21］和Q指数算法［22］，其适用于气候系统动力学结构突变检测等.基于上述研究，本文应用滑动t均值突变检测方法、BG方法、MK方法和带通滤波方法等，结合极涡指数、西风漂流区海温指数、NPO指数和东亚夏季风指数、北太平洋海表温度和高度场资料等，根据不同时间尺度分量分别检测突变信号，进而判断北太平洋海气系统突变是何种尺度分量起主导作用，讨论不同突变时期前后海气系统年代际突变的垂直结构特征.

1 资料和方法

本文采用李小泉等［23］计算的春季逐月太平洋极涡面积指数（1948—2007年）、亚洲极涡面积指数（1948—2007年）、北半球极涡面积指数（1948—2007年），廉毅等［24－25］计算的西风漂流区海表温度指数（1951—2002年）、东亚夏季风指数（1948—2002年）以及NPO指数（1948—1998年）.海表温度突变研究所用资料为美国NCEP网站1948—2007年春季逐月海表温度数据，环流系统突变特征研究所用高度场资料为NCEP网站1948—2007年春季逐月再分析格点数据.

研究方法主要包括相关分析、突变检测和滤波方法等，其中相关分析方法是Pearson相关系数法；突变检测方法有滑动t方法（MTT）、启发式分割算法（BG）、MK方法等；滤波方法采用传统的带通滤波.

2 北太平洋各种指数的年代际突变特征

由表1可知，东亚夏季风、亚洲、太平洋、北半球极涡面积指数、NPO、西风漂流区温度等两两之间存在较好的相关性，极涡面积指数间的相关系数均在0.3以上，通过了0.05的信度检验.此外，东亚夏季风与太平洋极涡面积指数、亚洲极涡面积指数的相关系数分别为－0.36和0.27，均通过了0.05的信度检验.东亚夏季风与西风漂流区海温指数之间也存在一定的关联性.显然，这些指数作为一个整体，在一定程度上共同表征了北太平洋海气耦合系统的气候变化特征；因此，本文应用多种检测方法，结合各种指数进一步研究北太平洋的年代际突变特征.

表1 多种春季指数间的相关系数Tab.1 Coefficients between multi－indices in spring

表2给出了各种指数的突变时段.极涡面积指数、NPO、西风漂流区海温和东亚夏季风突变主要发生在1957，1967，1976和1988年前后.1966—1968年，极涡指数、NPO、西风漂流区温度和东亚夏季风等指数均存在显著突变；1967年前后发生的均值和趋势的突变是一次异常显著的气候变化信号，其发生机制可能是气候系统内部多变量的调整.1967年前后北太平洋区域的气压指数由下降转变为上升趋势，西风漂流区的温度由平稳波动转变为下降趋势，极涡由上升趋势转变为平稳波动，夏季风则主要表现为变化幅度的突变，即大幅波动向小幅变化转变.

表2 多种指数的突变时段Tab.2 Abrupt change scope of multi－indices 年份

对各种指数应用带通滤波器进行滤波，分别滤为1～8，8～12，20～30a 3种特征尺度.应用BG算法分别检测，表3给出了突变检测结果.由表3可以看出，太平洋极涡60年代的突变主要是1～8a尺度分量的贡献；亚洲极涡60年代的突变主要是1～8a尺度分量的贡献；西风漂流区60年代的海温突变则主要是1～8a尺度分量的贡献；夏季风60年代的突变也是1～8a尺度分量的贡献；NPO 60年代的突变是由何种尺度分量的贡献则不太明显.此外，各种指数70年代和90年代的突变主要是由1～8a尺度和20～30a尺度分量作用的结果，8～12a尺度分量对气候突变的贡献相对较小.

表3 滤波突变检测结果Tab.3 Results of filtering abrupt change detection 年份

3 北太平洋海表温度的年代际突变特征

在分析各种指数突变的基础上，本文进一步讨论了北太平洋海表温度和环流系统的突变时空演变特征.由图1可以看出，1968，1976和1998年前后的突变点数较高，因此北太平洋海温突变主要发生在3个时段，其中以1976年前后的突变尤为显著.

图2显示北太平洋海表温度3个时期主要突变的空间分布特征.由图2可见，1968年前后的突变主要发生在北太平洋西北部、北部和东北部地区，北太平洋东南部在1970年前后存在一些突变.1976年前后海表温度突变的空间分布较广，在北太平洋的西北部、北部、东北部、中部和东南部均有突变点.从时间先后顺序看，北太平洋东部地区首先在1975—1976年发生突变，北部则在1977—1978年发生突变，西北部地区突变时间为1981—1986年，总体表现为自东向西的传播特征；北太平洋中部在1975—1976年发生突变，东南部则在1977—1978年发生突变，总体特征表现为自西向东的传播.1998年前后的突变相对较弱，分布范围主要在北太平洋南部地区.

对北太平洋海表温度场序列进行带通滤波，得到1～8，8～12，20～30a尺度的分量.对这3组分量分别进行突变检测，并统计突变点数随时间的变化（图3）.由图3分析可知，在1～8a尺度和20～30a尺度分量上，突变点点数相对较多，而8～12a尺度分量仅仅在70年代初期有一些突变.此外，1967，1976，1988和1998年前后的几次突变，其1～8a尺度分量和20～30a尺度分量突变点数都较多，因此这些时期的突变主要是这两种尺度共同作用的结果.比较而言，北太平洋海表温度场1967年前后的突变20～30a尺度作用更强，1976年前后的突变1～8a尺度作用较强，1988，1998年前后的突变则两种尺度作用相当.

4 北太平洋环流系统的年代际突变特征

由图4可以看出，在北太平洋区域由低层到高层的垂直空间中，高度场的突变均存在3个比较集中的时段，分别在1968，1980，1998年前后，其中以1968年前后的突变最为显著.显然，这3个主要的突变时期与图1中海表温度突变的主要时段均有很好的对应关系.值得注意的是，每一层高度场突变点数均比海表温度场低很多，由此可以猜测海表温度突变可能是北太平洋海气系统突变的一个外部强迫.

图5给出了高度场不同层次突变的空间分布.由图5可见，1968年前后的分布主要集中在北太平洋北部地区.在100hPa的高层大气中，北太平洋北部、西北部和东南部均发生了突变，且突变首先在北部东侧发生，进而向西传递至西北部；由高层至低层，北部和东南部的突变都逐渐减弱，中层大气突变主要发生在北太平洋中部和东南部；低层大气突变发生在东南部.由低层至高层，北太平洋北部地区始终存在突变，因此阿留申低压所在区域是北太平洋环流系统中的一个关键区域.1968年前后的突变，高层主要分布在北太平洋北部和东南部，低层则主要在北太平洋东南部.1980年前后的突变主要分布在北太平洋南部和东南部地区，100hPa的高层大气中突变范围较大，南部和东南部均有大量突变，且突变从南部地区开始，进而向东传递；而中层和低层的大气突变主要分布在东南部，南部地区突变信号不强，另外西南部也有少量突变.1998年前后的突变主要集中在北太平洋东南部地区，这一时期的突变信号较弱，且100hPa对应的高层大气中几乎没有突变，主要对应于低层和中层大气环流系统的转折，且突变区域主要分布在东南太平洋地区.对比图4（b）中1976—1986年的突变可知，海表温度和高度场发生突变在东南太平洋有一定的对应关系.由此可见，高度场的突变大致可以分成两块区域：北太平洋北部和北太平洋东南部.

结合带通滤波方法，本文分析了1～8，8～12，20～30a尺度分量对这3个时期突变的可能作用.图6给了8个层次高度场滤波后不同尺度分量中突变点数随时间的变化情况.显然，在20～30a尺度，各层次1998年前后的突变点数明显高于其他时期，而在1968年前后也略高于平均值；在8～12a尺度，各层次突变点数均较少，大部分年份突变点数为0；在1～8a尺度，突变点数集中的时期主要对应于1968，1998年前后.由此可知，1968年前后突变的主要因素可能是1～8a尺度分量，而1998年前后的突变则是1～8a和20～30a尺度分量共同作用的结果，8～12a尺度分量对3个时期突变的贡献较小.值得注意的是，在3种尺度分量中，70年代中后期突变点数均不是很高，因此70年代末80年代初的突变在环流系统中不太显著，其对应的主要作用的尺度分量还有待进一步研究.显然，这里的结果和表3中各种指数滤波检测结果及北太平洋海温的滤波检测结果是吻合的，这也进一步验证了近50a的3次突变是北太平洋海气系统多要素配置特征变化的结果.

图2 北太平洋海表温度突变点数的空间分布Fig.2 The spatial distribution of abrupt change of SST in North Pacific

图3 北太平洋海表温度场序列滤波后突变点数随时间的变化Fig.3 The time evolution of abrupt change of filtered SST in North Pacific

图4 北太平洋高度场突变点数随时间的变化Fig.4 The time evolution of abrupt change of height field in North Pacific

图5 北太平洋不同层次高度场突变的空间分布Fig.5 The spatial distribution of abrupt change of different level height field in North Pacific

5 北太平洋海气系统的突变特征

由图7海表温度的合成差图像可以看出，1968年前后北太平洋东北地区发生了降温突变，而西北部地区则主要发生了升温突变；1976年前后突变最显著的区域位于北太平洋中部，发生了较强的降温突变，而东北部和东南部则发生了升温突变；1998年前后北太平洋东南部发生了降温突变，而西南部则发生了降温突变，突变显著中心位于中部地区.总体而言，3个时期海表温度合成差图像的中心分布与图2中突变的空间分布是相对应的.

图8为1 000hPa高度场的合成差图像.由图8分析可知，1968年前后北太平洋东北地区高度场发生降低突变；1976年前后突变最显著的区域在北太平洋北部和东南部，发生较强的降低突变；1998年前后北太平洋中部和东南部发生了增加突变.总体而言，3个时期海表温度合成差图像的中心分布与图5中高度场突变的空间分布是相对应的.

图6 北太平洋不同层次高度场滤波后突变点数随时间的变化Fig.6 The time evolution of abrupt change of filtered different level height field in North Pacific

图7 3个突变时期北太平洋海表温度的合成差Fig.7 The synthetic－difference of SST mode in North Pacific in three abrupt change periods

图8 3个突变时期北太平洋1 000hPa高度场的合成差Fig.8 The synthetic－difference of height field in North Pacific in three abrupt change periods

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