北太平洋副热带模态水盐度的年代际变化❋

胡睿坤, 边志刚， 刘子洲❋❋， 刘 聪， 翟方国， 顾艳镇

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 2. 交通运输部天津海事测绘中心，天津 300202； 3. 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316000)

STMW是广泛存在于海洋跃层内的具有低位势涡度性质的一种水团，具体表现为其温度、盐度和密度的垂向均一性[1]，在垂向温盐(T-S)图上展现出明显的模态[2]。STMW产生于晚冬强烈对流导致的环流或锋面的暖水侧的深混合层，开春后被季节性温跃层隔绝与大气的接触，“封闭” 在次表层水体中。之后，部分STMW在下一个冬季再次被卷吸入混合层，调节海水表面温度， 另一部分模态水则通过潜沉作用，进入永久性温跃层，并且在背景环流和中尺度涡的输运下携带着生成区域的温度、盐度和低位涡信号扩散到整个副热带海区[3-5]，影响上层海洋的层结。部分模态水在低纬度海区在黑潮上升流的作用下浮露回到表层水体[6]，影响低纬度海区的海表面温度和次表层体积输运通量，进而影响当地水文信号的年际和年代际低频变化[7]。另一方面，STMW潜沉和扩散的过程中也携带着溶解氧、营养盐等生态信号[8-9]。因此，STMW对气候变化和海洋生态系统有着重要的意义。

盐度是海水的主要属性之一，在北太平洋副热带海域，包括STMW在内的次表层水体的盐度特征一直受到人们关注。Oka等[10]通过Argo资料，发现形成STMW的区域海表面盐度有明显的空间分布差异。Ren等[11]通过Argo、世界海洋环流实验(World Ocean Circulation Experiment; WOCE)和世界海洋数据库2001(World Ocean Database 2001; WOD01)数据，发现2000年以来北太平洋温跃层盐度发生显著变化，次表层海水盐度普遍呈现持续淡化的趋势，并且这个淡化趋势在时间和空间上都是大尺度的。Sugimoto等[12]通过Argo数据，也发现了2008年暖季降水造成2009—2010年STMW核心明显淡化(S< 34.7)，比通常年份低0.1的现象。对137°E断面长期观测数据的研究也显示，西北太平洋副热带环流的表层和次表层水体盐度均具有约10年的准年代际震荡，以及1990s开始，持续至今的约20年的淡化趋势[13-14]。STMW做为副热带海区次表层水体的一部分，连通着表层和次表层。研究STMW盐度对我们理解副热带海区上述淡化现象有显著的帮助。

由于观测数据空间覆盖(137°E断面长期观测数据)及时间长度(Argo浮标数据)的问题，对STMW盐度的年代际变化及空间分布特征的研究还存在诸多需要解决的方面问题。本文利用长时间高分辨率模式后报数据OFES研究STMW盐度的年代际变化及空间分布特征，理清STMW盐度年代际变化的机理，特别是与PDO的关系。

1 数据和方法

1.1 数据

本文主要使用全球高分辨率数值模拟输出结果(OGCM for the Earth Simulator; OFES),其是在Modular Ocean Model, version 3(MOM3)的基础上，由美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction; NCEP) 再分析的风场驱动的模型，覆盖 75°S～75°N 的全球大洋， 水平分辨率为0.1°×0.1°， 垂向分成54层，从表层2.5 m 至最大深度5 900 m，垂向间隔随深度从5 m逐渐增至330 m。结果包括海表面盐度通量(Salinity Flux; Sflx)、海表面高度(Sea Surface Height; SSH)、温度、盐度和流速等。原始OFES时间间隔为3天，本研究选用月平均的 OFES 数据。从亚洲太平洋数据研究中心(http://apdrc.soest.hawaii.edu/dods/public_ofes/OfES )选取并下载北太平洋(20°N～40°N，120°E～170°W)内1950—2015年的OFES 数据。同时参考了2003—2017年的全球Argo数据(http://www.argo.org.cn/index.php?m=content&c=index&f=lists&catid=31)和1967—2017年的137°E断面重复观测数据(http://www.data.jma.go.jp/gmd/kaiyou/db/mar_env/results/OI/137E_OI_e.html)。

本文所使用的每月蒸发-降水(Evaporation-precipitation; E-P)速率主要来自1948年至今的NCEP再分析数据中的全球降水速率和潜热通量数据，两者的时间间隔都为6 h，空间分辨率1.87°×1.87°，更多关于NCEP的信息可查阅美国国家海洋与气象局官方网站https://www.esrl.noaa.gov/psd/。蒸发速率E由潜热通量L根据公式[14]：

E=L/(ρw)，

(1)

1.2 方法

本文中位势涡度(Potential Vorticity; PV)计算公式为：

(2)

式中:f是科里奥利力参数;ρ0为参考海水密度，取为1 025 kg·m-3；σθ为位势密度；z为垂向坐标。选取σθ比10 m水深处增加0.1 kg·m-3的深度为混合层深度(Mixed Layer Depth; MLD)。定义STMW为位于MLD下方，位势温度(Potential Temperature; PT)介于16～19.5 ℃，PV小于2.0×10-10m-1·s-1低PV水体，并将厚度小于25 m或仅存在于100 m以浅的低PV水体视为扰动项略去，并将STMW水体层中垂向PV最小值处定义为STMW核心(Core)[10]。STMW核心所在深度的水体属性，如深度、盐度、位温和位涡等，称为STMW核心层深度(Core Layer Depth；CLD)、盐度(Core Layer Salinity；CLS)、位温(Core Layer Potential Temperature；CLT)和位涡(Core Layer Potential Vorticity；CLPV)。

MLS收支计算公式为[15]：

(3)

式中：E代表蒸发速率；P代表降水速率；S是MLS；h是MLD；V是MLD内平均的水平流速；We是卷吸速度；S是混合层内水体平均盐度同MLD以下20 m处水体盐度的差值(前者减后者)。

由于OFES自带的是作为驱动场的海表面盐度通量数据，而非蒸发-降水速率，所以需要对式(3)右侧第一项改造。改造后的公式为：

(4)

式中：sflx是海表面盐度通量，单位为g·m-2·s-1而不是kg·m-2·s-1，以保证其符合海水盐度的定义。

卷吸速度We的计算公式为：

(5)

其中H是单位跃阶函数：

(6)

这是因为由卷出混合层的水不影响MLS，所以只考虑正的卷吸速度。

1.3 STMW生成区与侵蚀区

将海表面温度(Sea Surface Temperature; SST)为16～19.5 ℃的区域作为露头区，以保持同定义的STMW位温范围一致。选取SSH=0.5 m等值线作为KE轴[16]。

图1展示了2003—2015年2月研究区域的MLD、SSH和16～19.5 ℃等SST线分布。2月的MLD一般为全年最深。此时，KE轴和16 ℃等SST线在142°E～165°E范围平均纬度约36°N，过165°E后向逐渐南移。海表19.5 ℃等SST线在132°E～170°W范围平均纬度约28°N。36°N以南的MLD高值区集中于[132°E～180°E,28°N～ 36°N]。MLD的140 m等深线在150°E以西平均纬度～28°N，150°E以东平均纬度～29°N。基于MLD高值区、海表露头区、KE轴位置，选取[132°E～180°E,28°N～ 36°N]作为STMW的生成区(Formation Region; FR)，选取28°N以南区域为STMW侵蚀区(Erosion Region; ER)。

(填色图为MLD，棕线为MLD = 140 m等值线，黑线为SSH等值线，粗黑线为KE轴。上下紫红线分别为16 ℃和19.5 ℃等SST线，其包络范围为露头区。蓝色虚线矩形(132°E～180°E,28°N～ 36°N)区域为STMW生成区，28°N以南为侵蚀区。The color shading represents the MLD； The brown line is MLD = 140 m contours； The black line is the SSH contours； The bold black line is the KE axis； The purple lines are the 16 ℃(upper) and 19.5 ℃(lower) SST contours.)

图1 基于OFES和Argo的2003—2015年2月MLD、SSH和16 ℃、19.5 ℃ SST等值线分布
Fig.1 February MLD, SSH and 16 ℃, 19.5 ℃ SST contours during 2003—2015 based on OFES and Argo

2 STMW核心层盐度

2.1 CLS的空间分布及长期变化特征

1967—2015年，OFES中137°E断面上历年1月的CLS(见图2(a)，蓝线)均值为34.85±0.03 ，137°E断面实测CLS(见图2(a)，红线)均值为34.77±0.02，前者均值大于后者，但是两者均值长期变化的标准差相近。前者在1980，1989，1995，2005，2011年存在极小值，在1975，1986，1992，2000，2008年存在极大值；后者在1977，1990，2003，2011年存在极小值，在1987，1996，2007存在极大值，两者极值点所以的年份接近。1975年后，两者具有相近的时间变化特征，相关系数0.51。两者的温盐散点图(见图2(b))显示，两者137°E断面上的STMW核心层位都密集中于25.1～25.4 kg·m-3。另一方面，此时间段内，OFES中137°E断面上历年CLS(CLD)的标准差平均(未展示)为0.02(25.60 m)，实测结果则为0.04(63.07 m)，两者CLD较大的离散性导致了两者CLS较大的离散性，这可能主要同137°E断面上CLD所在深度(～300 m)上OFES和实测数据较大的垂向间隔差别(前者～35 m，后者1 m)有关。总的来说，虽然OFES和实测数据存在数值和小尺度变化上的差别，但OFES反映的STMW在长时间和大尺度上的特征是可信的。

北太平洋区域内STMW的CLS存在季节性震荡和明显的年代际尺度的变化见(见图3(a))，1950—2015的平均盐度为34.81。年代际上，CLS在1960、1977、2005年前后存在极小值，在1956、1969、1996、2010年前后存在极大值。1960—1969年和1977—1996年CLS分别以每年0.005 9和0.003 2的速度增大，1996年后则呈现每年-0.001 6震荡淡化的趋势。1980s前CLS低于长期均值，平均盐度为～34.79，1980s后则高于长期均值，平均盐度为～34.83，比1980s前高了～0.04。

((a)蓝线(红线)为OFES(实测)的断面CLS均值, 紫线表示1975年；(b)蓝三角(红空心圆)为OFES(实测)的137°E断面上各年CLS(CLT)均值，背景斜线为等位密线。(a) The blue (red) line is the CLS from OFES (observation); The purple line denotes the 1975; (b) The blue triangles (red circles) are the annual CLS (CLT) along 137°E section base on OFES (observation)；The background lines are the potential density contours.)

图2 1967—2015年1月OFES和实测的137°E断面上(a)CLS年代际变化和(b)CLS与CLT的散点图
Fig.2 (a) CLS and (b) CLT-CLS scatter diagram of OFES and observation along 137°E section in January during 1967—2015

((a)绿线为月际变化，蓝线为经13个月滑动平均处理，红线为经8年低通滤波处理后的年代际变化，黑线为均值线，小数字为红线的极值点的年份；(b) 填色图为CLS的空间分布，黑线为SSH等值线，粗黑线为0.5 m等SSH线代表的K/KE轴，蓝虚线框代表STMW生成区。(a) The green line is the monthly variation, the blue line is smoothed by a 13-month running mean; The red line is the decadal variation smoothed by an 8-yr low-pass filter; The black line is the average. The numbers are the years which have maximum or minima of the red line; (b) The color shading is the distribution of CLS, the black lines are the SSH contours； The bold black line denotes the KE axis; The blue rectangle represents the formation region.)

图3 1950—2015年北太平洋全部区域内STMW的CLS平均的长期变化和空间分布
Fig.3 The long-term variation and distribution of CLS in the North Pacific during 1950—2015

图3(b)展示了1950—2015年CLS和SSH的空间分布。28°N以南的SSH等值线呈现东北-西南的走势，表明侵蚀区的背景流场是从东北向西南方向流动的。CLS等值线同背景流场(等SSH线)分布的相近，表明背景流场的输运影响CLS的空间分布。沿纬向CLS从西边界至165°E逐渐减小，165°E～170°W逐渐增大的特征，中心位于(134°E，28°N)的半永久性反气旋涡内和180°以东的两个CLS高值区的盐度分别约为34.89和34.91，[165°E，28°N]附近的CLS低值区盐度约为34.82，CLS沿28°N，135°E～165°E的梯度约为-0.002 3/(°)，165°E～170°W的梯度约为0.003 6 /(°)。经向上CLS呈从28°N向南北两侧递减的特征，近似呈现以28°N为对称轴的马鞍形分布的特征。165°E断面上的STMW南北边界CLS分别约为34.78和34.75，CLS从28°N向南北递减的梯度分别约为0.006 7/(°)和0.008 8/(°)。

2.2 生成区和侵蚀区CLS

生成区和侵蚀区的STMW总体积一般占全部STMW体积的96%以上，而28°N以北，180°以东，不属于生成区和侵蚀区的小块区域内的STMW体积占比则少于4%，表明生成区和侵蚀区STMW对全部的STMW具有充分的代表性。

(绿(蓝)虚线为经13个月滑动平均后的生成区 (侵蚀区) CLS，红(黑)实线为经8年低通滤波后的生成区(侵蚀区)CLS。A green (blue) line is the 13-month running means of the CLS in the FR (ER); Red(black) line is the CLS in the FR(ER) by an 8-yr low-pass filter.)

图4 生成区和侵蚀区STMW的CLS和对比
Fig.4 The compare between CLS in the FR with in the ER

1950—2015年生成区CLS平均为34.82，侵蚀区CLS平均为34.81(见图4)，侵蚀区CLS的年际变化比生成区CLS相对剧烈。年代际上，生成区CLS在1968、1996、2010年存在极大值，在1958、1976、2004年存在极小值，侵蚀区CLS在1956、1969、1998、2011年存在明显的极大值，在1952、1960、1977、2006年存在明显的极小值。从极值所在年份的分布看，侵蚀区年份滞后生成区约1～2年。整体上，生成区和侵蚀区CLS的数值和走势是接近，经13个月滑动平均后两者的相关性为0.78，经8年低通滤波后两者相关性为0.87。这种侵蚀区和生成区STMW的CLS的相关滞后，主要是由于侵蚀区的STMW不是在源地生成，而是由生成区STMW在水平流作用下从再生环流(Recirculation gyre)内输运而来的原因。

2.3 STMW和MLD的季节循环

基于气候态平均的生成区STMW、MLD和露头区存在明显的季节循环过程(见图5)，单次STMW季节循环可以分为三个阶段：将19.5 ℃等SST线到达KE轴附近，KE轴以南区域开始形成露头区，MLD明显加深的12月份至MLD和STMW上界开始脱离，STMW厚度增大，CLPV减小的次年4月份称为STMW生成期；MLD迅速变浅并和STMW上界脱离，STMW厚度开始减小，SST = 19.5 ℃等值线接近KE轴，露头区消失前后的5—6月称为隔离期；露头区彻底消失，STMW上界和核心层持续加深的7—11月称为侵蚀期。这个循环过程也在20°N～40°N的155°E断面的单次季节循环和Argo数据中得到进一步确认(未展示)。STMW核心层代表较新的STMW的属性，在生成区内其代表当年新生成的STMW的性质，并因STMW为混合层的残留水团，理论上生成区内STMW核心层的性质同生成期，尤其是MLD最大时的2—3月混合层水体性质紧密相关。侵蚀区内STMW核心则主要代表着由生成区方向新输运而来的STMW的属性，并滞后于生成区STMW属性的变化，这在侵蚀区STMW(见图5(b))相对弱的季节循环，和STMW上界和MLD距离一般保持100 m以上的特征中也能体现。

图6展示了1986年10月(上一年的侵蚀期)和1987年2月(生成期)、5月(隔离期)、8月(侵蚀期)的155°E断面状态，以进一步说明图5中展示的MLD、STMW和露头区季节变化过程。选取经向断面是因为西北太平洋MLD、温度和盐度的等值线整体沿纬向分布(见图1)，经向断面更能反映特征。选取155°E断面是因为其位于本文研究区域的中间，具有较好的代表性。选取1986—1987年则是因为此段时间155°E断面受涡旋作用不明显，STMW在经向上没有隔断，KE锋面的位置和倾斜程度也相对稳定，即干扰因素相对较少。在侵蚀期后期(见图6(a))，MLD较浅，19.5 ℃等SST线在KE以北较远处，生成区和侵蚀区CLD分布无明显差别。在生成期(见图6(b))，19.5(16)℃等SST线位于28°N(KE锋面)附近，此时MLD加深并且在生成区内更加明显，STMW上界和MLD靠近，CLD不稳定。到了隔离期(见图6(c))，19.5 ℃等SST线向北回移，MLD迅速变浅并和STMW上界脱离，留下的MLD下方水体成为当年的STMW，生成区内CLD由上一年STMW层内转到较浅的新生STMW层内，CLS代表了当年新生STMW的盐度，侵蚀区内CLD则相对稳定。最后在侵蚀期(见图6(d))，19.5 ℃等SST线完全到达KE以北的较远处，KE以南区域内的露头区消失，生成区内STMW上界和CLD也逐渐加深。以上过程进一步阐述了图5中的MLD、STMW和露头区的季节循环特征。

((a)(b)中紫线为MLD、蓝线和黑线分别为STMW上下界深度、红线为CLD、绿线为CLS; (c)中红线为生成区CLPV，蓝线为侵蚀区CLPV; (d)中黑线、红线、蓝线分别为KE轴、16 ℃线、19.5 ℃线的平均纬度。各误差棒为各数据的标准差。In(a)(b)， the purple lines are MLD, the bule (black) lines are upper (lower) STMW boundary, the red lines are CLD, the green lines are CLS; (c) The red (blue) line is CLPV at the FR(ER)； (d) The black line is the KE axis and the red (blue) line is the SST= 16(19.5)℃ contour. The error bars are the standard deviation.)

图5 1950—2015年生成区(a)和侵蚀区(b)MLD、STMW上下界深度、CLD、CLS、CLPV(c)以及(d)SST = 16 ℃等值线、SST=19 ℃等值线、KE轴平均纬度的气候态月变化
Fig.5 The mean seasonal cycle of MLD, STMW boundary depth, CLD, CLS, CLPV (c) in the (a) FR and (b) ER during 1950—2015 and (d) The mean seasonal cycle of the mean latitude of 16℃, 19.5℃ SST contour and KE axis at 132°E～180°E during 1950—2015

2.4 生成区CLS和MLS

生成区内同年的不同阶段CLD和CLS(见图7(a)、(b))在垂向上体现出2.3节描述的季节循环特征，而两者各循环阶段特征的年代际走向是基本一致的。这种不同阶段长期走势的一致性也在Argo数据中得到确认。这进一步证实了2.3节的结论。所以，本文主要关注生成区内隔离期CLS 的年代际变化特征。

长期而言，12月份至次年5月份生成区的MLS和CLS十分接近(见图7(c))，6月份及之后MLS迅速减小使得其和CLS的差距加大，9月份后MLS开始加大，和CLS的差距开始变小，至12月份生成区内MLD和CLS接近一致。MLS和CLS在12月和次年4月最接近，首先是因为这部分混合层是新生成的(见图5(a))，时间上其自身盐度保持较为一致，其次是因为这段时间处于STMW的生成期，MLD已经达到比较深的程度，已经接近或浅于一年中STMW上界最浅的深度，是当年新生成的STMW的主要来源。MLS和CLS在5月份同样接近，则可能是由于早春上层海洋增温导致季节性温跃层形成，海水改变，MLD迅速减小，此时的表层海洋虽然温度改变明显，但是盐度结构却是相对稳定。5月份的MLD虽已与STMW上界脱离，但未减至当年最小，混合层底部依然是当年的混合层水体。而当6—8月份MLD达到最浅并准新一轮循环，但是STMW核心存留在原先的深度，仍然保留上一个生成期的MLS的信息，使得生成区内CLS和MLS产生差异。2月份MLS和5月份CLS在年代际变化上的高相关性(0.91)也暗示了这一点。

不过单月的数据是缺乏可信度的，因为MLD加深和STMW生成是持续数月而不是在一个月内就是完成的过程。考虑MLD和STMW的季节循环，尤其是次表层海水的通风过程(见图5)，本文关注生成区内5—6月份隔离期CLS和2—4月份生成区MLS间的关系。这里选取2—4月份的MLS是因为此段时间处于STMW的生成期，且MLD达到全年最深而后迅速变浅的时间段。图7(d)展示了所选的各自时间段内，生成区CLS和MLS的年际和8年滑动平均后的年代际变化。结果显示，CLS和MLS数值和走势接近，两者年际和年代际变化的相关系数分别为0.72和0.91，表明生成区内，生成期的MLS相当程度上决定着生成区内当年STMW的CLS。

(填色图：水体盐度；棕线：MLD；灰线：STMW上下界；黑色：CLD；紫红线：19.5 ℃等位温线；白线：16.0 ℃等位温线。The color shading is the salinity of water； The brown lines are the MLD； The gray lines are the vertical boundaries of STMW； The black lines are the CLD； The purple(white) lines are the 19.5(16.0) ℃ potential temperature contour.)

图6 1986年10月(a)和1987年2月(b)、5月(c)、8月(d)155°E断面
Fig.6 The section of 155°E in October 1986(a) and in February(b), May(c), August (d) in 1987

3 生成区MLS

3.1 MLS的年代际变化

生成区MLS(见图8(a)，红线)存在同CLS类似的年代际变化，其在1956、1975和2000年前后存在极小值，在1967、1989和2011年前后存在极大值，极值点所在的年份同CLS的极值点年份相近，并且存在与CLS类似的，1976/1977年PDO跃变前后长期趋势由负转正的现象。生成区2—4月份的MLS(简称：晚冬MLS)比全年MLS平均值高(见图8(a))，其原因将在3.2节MLS收支分析进行讨论。晚冬MLS(见图8(a)，紫红线)与全年MLS(见图8(a)，红线)的经8年低通滤波后获得的年代际变化有很好的相关性(相关系数0.92)，即生成区2—4月的MLS变化可以相当好的反映生成区MLS的年代际变化特征。

另一方面，1950—2015年，PDO和生成区MLS的年代际变化相关性为0.6(见图8(b))，和生成区CLS的相关性则为0.57(见图8(c))，两者相关性都较高。1950—1985、1995—2005期间PDO和生成区MLS的震荡频率和幅度都十分接近，这通过两者的极值点所在年份能明显体现。从PDO和生成区MLS的年代际震荡曲线看，1950—2015年两者在1950—1955，1995—2005年的变化接近同步，1955—1985年则呈后者滞后前者1～3年的特征，少数PDO短期剧烈震荡的年份(如：1990、2010)，MLS未呈现对PDO的明显响应。生成区CLS的特征和MLS类似，但是CLS的极值点特征不如MLS明显，年代际变化幅度也小于MLS。相比较而言，MLS对PDO的响应比CLS对PDO的响应更快和更强。

((a)和(b)紫红线：生成期的1—2月；蓝线：隔离期的5—6月；红线(黑线)：侵蚀期的7—8月(10—11月); (c)蓝线：CLS；红线：MLS ，(d) 绿(蓝)线: 13个月滑动平均(8年低通滤波)后的CLS，黑线(蓝线): 13个月滑动平均(8年低通滤波)后的。(a) And (b) the purple lines: January-February within formation period. The blue line: isolation period during May-June. The red (black) line: July-August (October-November) within erosion period).(c) The blue line: CLS, the red line: MLS. (d) The green (blue) line: the CLS smoothed by a 13-month running mean (8-yr low-pass filter). The black (red) line: the MLS smoothed by a 13-month running mean (8-yr low-pass filter).)

图7 生成区内(a)不同阶段CLD、(b)CLS时间变化 、(c)CLS和MLS气候态的月变化、(d)5—6月CLS和2—4月MLS的时间变化
Fig.7 The time series of (a) CLD、(b) CLS of different period at the FR (c)、(c)the mean seasonal cycle of STMW and MLS at the FR during 1950—2015、 (d) The time series of CLS from May to June、MLS from February to April at the FR

3.2 MLS收支

通过计算得到的式(4)右侧各项作用导致的生成区MLS变化速率和OFES中生成区MLS变化速率整体符合较好(见图9(a1)和(a2))。生成区内，E-P项(sflx项)和卷须项对MLS的季节循环起着主要作用，平流项的作用相对不显著(见图9(b))。其中E-P项作用一般在6—7月最明显，卷吸项则在7月混合层开始加深后作用逐渐变得明显。来自NCEP的E-P项(见图9(b)，灰线)的绝对值比sflx项(见图9(b)，红线)大很多，这可能是由于两者来自不同模式导致的，但是作为都是受认可度较高的模式，由NCEP数据获得的E-P项的长期变化趋势仍是可供参考的。

图9(c)展示了式(3)和式(4)右侧各项变化的长期时间序列。1950—2015年，经8年滑动平均后，年代际上卷吸项、水平流、蒸发项、sflx项都存在小幅震荡，但整体平稳。E-P项则存在相对明显的年代际震荡，其在1955、1975、2000年前后偏强，在1965、1990、2008年前后偏弱,同MLS的年代际变化(见图9(d))具有良好的相关性，经8年低通滤波后得到的两者相关系数为0.83。由降水项和蒸发项(见图9(c))长期变化可以看出，这种变化主要是降水项的年代际变化引起的，即MLS的年代际变化主要是降水项的年代际变化导致(8年低通滤波后的相关系数0.79)的。

3.3 降水项与卷吸项

1950—2015年生成区MLD在存在年代际震荡，但整体稳定在60～65 m范围内 (见图10(a))。1950—2015年蒸发速率(见图10(b)，蓝线)在年代际上存在小幅波动，均值(14.53±0.759 5) cm/月,整体上升速率0.034 cm/月/年，降水速率(见图10(b)，黑线)则存在相对明显的波动，均值(11.37±1.12) cm/月,整体增大速率0.024 cm/月/年，在1964、1975、2000、2011年存在极大值，在1959、1968、1987、2006存在极小值，其中1975和2000紧邻发生PDO跃变的1976/77和1998/1999。表明生成区E-P项的年代际变化主要是由蒸发-降水速率，尤其是生成区内降水速率的年代际的变化导致的。

((a)红(蓝)线：8年低通滤波(13个月滑动平均)后的生成区MLS，紫红线：8年滑动平均后的生成区2—4月份MLS。小数字代表极值点所在年份。上方标注为PDO跃变的年份；(b)蓝(红)线为8年低通滤波后的PDO(生成区MLS)时间序列，小数字代表两者的相关性系数；(c)同(b)，但为红线为生成区CLS。 (a) The red (blue) line is the MLS smoothed by an 8-yr low-pass filter (13-month running mean). The purple line is the February-April MLS in the FR smoothed by an 8-yr running mean. The numbers represent the years which have maximum or minima of the red line. The upper texts denote the time of PDO regime shift. (b) The blue (red) line is the PDO index (MLS) smoothed by an 8-yr low-pass filter. (c) Same as (b), but the red line represents the CLS. )

图8 生成区MLS的时间序列(a)、PDO与生成区MLS(b)和CLS(c)的年代际变化
Fig.8 The timely series of MLS、 in the FR(a) 、the decadal variability of PDO and MLS (b) and CLS (c) in the FR

卷吸项也对生成区MLS起着重要作用(见图9、10)。MLD的年代际变化也不显著(见图10(a))，卷吸项的年代际变化主要是由盐度差的年代际变化导致的(见图10(d))。盐度差在1957和1999年分别存在明显的极大值点和极小值点。1950s期间生成区的降水速率异常相对不明显(见图10(b))，卷吸项在1957年的作用明显下降过程，这可能是导致1950s的MLS极小值的原因。1999年则存在盐度差绝对值的极大值，导致卷吸项的作用增强，但此段时间生成区降水明显增强，抵消了卷吸项增强的效果。同时注意到1950—1990s期间，MLS和混合层下方20 m水体盐度的差值的绝对值偏小，1990s之后盐度差的绝对值偏大，这一定程度上表明了海洋层结的加强。即海洋层结的长期特征，也影响着MLS的年代际变化，继而影响CLS的年代际变化。

3.4 生成区降水速率

PDO跃变前后，生成区MLS和CLS的年代际变化曲线中存在极小值点(见图8(a))，又由于降水速率对上述MLS年代际变化起主要作用，这提示我们研究PDO与STMW生成区降水之间的关系。生成区降水速率在PDO跃变前后存在极大值点(见图10(b))，1950—2015年，经8年低通滤波后的NCEP生成区降水速率和PDO的年代际相关系数为-0.35，Nan等[13]基于1987—2012年的欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; ECMWF)的蒸发和降水数据，得到的15°N～35°N副热带海区内的E-P和PDO的滞后相关系数为0.85，以上结果都暗示副热带海区内降水量和PDO的负相关性。但也需注意到Nan等得到的相关性比本文高得多，这一方面可能是数据时长和来源的差异导致的，特别是Nan等的分析不包括著名的1976/1977年PDO跃变前的数据，另一方面则可能是区域选择的空间差异较大所导致的。

另一方面，PDO是一个复杂的耦合过程，一般认为其包括了大尺度随机强迫、热带遥相关作用、中纬度海洋动力学和耦合的变化，对PDO的研究应关注PDO背后具体机制的作用[17]。上文中降水速率和PDO的低相关性(-0.35)也暗示PDO并非是影响生成区降水的主导物理机制。已有的研究普遍显示，在驱动PDO过程中起重要作用的厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation; ENSO)通过“大气桥”的遥相关作用连接热带和温带，影响北太平洋区域的SST和降水变化[18-19]。Kitamura等则通过1993—2012年的多种观测和同化数据，提出KE环流区域(28°N～35°N，141°E～160°E)区域暖季(6～10月)海面盐度异常影响随后的冬季盐度，并且这种暖季异常是由太平洋-日本(Pacific-Japan; PJ)遥相关模式驱动的夏季北太平洋副热带高压向西伸长/向东收缩，导致KE环流区域内低压系统数量变化，进而改变KE环流区域降水速率，从而引起的[20]。

((a)红(蓝)线：式(4)左(右)侧项(之和)；(b)黑线：式(4)的左项，蓝线：式(4)右侧各项之和，红色：Sflx项，紫红线：水平流项，绿线：卷吸项，灰线：E-P项；(c) 棕线：蒸发项，黑线：降水项，其它同(b)；(d)蓝线：E-P项，红线：MLS，横线为两者均值线。(a) The red (blue) lines are the left(right) of equation(4). (b) Black: the term on the left side of equation (4). Blue: the sum of each term on the right side of equation (4). Red: the Sflx term. Purple: the advection term. Green: the entrainment term. Gray: the E-P term. (c) The gray line is E-P term, the brown line is the evaporation term. (d) The blue line is the E-P term. The red line is MLS. The horizontal line is the average of MLS and E-P term.)

图9 1950—2015年式(4) (a)左右侧的月变化速率，(b)各项气候态月变化，(c)经8年滑动平均处理后的式(3)和式(4)右侧各项的年代际变化，(d) E-P项与MLS年代际变化对比
Fig.9 Monthly variation of (a) the terms the left and the right of equation (4) during 1950—2015， (b) The mean seasonal cycle of each term on the right side of equation (4) from 1950 to 2015，(c) The decadal variation of E-P term and each term in the right-hand side of equation (3) and (d) the compare between E-P term and MLS decadal variation, all smoothed by an 8-yr low-pass filter

目前对降水的研究多集中于与人类生产生活直接相关的陆地领域，对大洋内区降水的观测和机制研究都相对较少。但从已有的成果看，黑潮的热量水汽输送、ENSO与大尺度的遥相关作用，在STMW生成区降水速率的变化机制中可能扮演着重要作用，这有待今后进一步研究。

((a)蓝线(红线)为13个月滑动平均(8年低通滤波)后的生成区MLD；(b)13个月滑动平均后的生成区蒸发速率(蓝线)，负的降水速率(黑线)和净蒸发速率(绿线)，红线为各数据8年低通滤波后的曲线。(c)(d)同(a)，但分别为卷吸项和盐度差。(a) The blue (red) line is the MLD in the FR smoothed by a 13-month running mean (8-yr low-pass filter). (b) The evaporation rate (blue), the precipitation rate (black) and the net evaporation rate(green) in the FR smoothed by a 13-month running mean, while the red lines are smoothed by an 8-yr low-pass filter of them. (c) And (d) same as (a), but for (c) the entrainment term and (d) the salinity difference.)

图10 1950—2015年生成区(a)MLD和(b)蒸发和降水速率，以及(c)卷吸项和(d)MLS和混合层下方20 m水体盐度的差的时间序列
Fig.10 The timely series of (a) the MLD, (b) the E-P, (c) the entrainment term and (d) the ΔS of term (4) in the FR during 1950—2015

4 结语

本文利用全球高分辨率数值模拟结果，研究了北太平洋STMW核心层盐度(Core Layer Salinity; CLS)的年代际变化及其物理机制。结果表明，CLS存在显著的年代际变化，在1960、1977、2005等年份存在极小值，在1956、1969、1996、2010等年份存在极大值，其空间分布则与背景流场有关，各区域时间变化趋向基本一致。侵蚀区CLS滞后生成区CLS约1～2年，这同海流平流输运有关。生成区内，STMW的季节循环一般可分为生成期(12—4月)、隔离期(5—6月)和侵蚀期(7—11月)，生成期MLS决定着隔离期和侵蚀期的CLS，而MLS的年代际变化则主要由海表面淡水通量的变化引起。海气淡水通量与PDO存在一定的负相关性。在某些年份，海水垂向盐度结构也影响MLS和CLS的年代际变化。未来，影响副热带海区降水的复杂机制仍须进一步研究。另一方面，本文未发现KE状态不稳，气旋式中尺度涡增加导致的CLS明显减小的现象，这可能是因为虽然气旋涡携带了KE北面的低盐水南下，但是由于内部是高PV水，不利于STMW的生成和存储[21]，所以对平均的CLS影响不明显，这个也需要未来进一步的求证和研究。