黑潮延伸體中尺度渦年代際變化與北太平洋風暴軸變化之間的關系

馮劭華 羅德海 鐘霖浩

1 中國海洋大學，青島266100

2 中國科學院大氣物理研究所東亞區域氣候—環境重點實驗室，北京100029

3 中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，青島266100

1 引言

黑潮是由北太平洋風應力旋度驅動的一支強西邊界海流，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，Qiu and Chen（2013）對北太平洋海表面高度場求均方根得到的結果顯示黑潮延伸體區域為海表面均方根大值區，也就是說該區域海洋流動變化頻率較大，海洋中的中尺度渦能量活動十分活躍。Qiu and Chen（2005）利用衛星高度計資料探討了黑潮延伸體強度及其中尺度渦的變化，指出黑潮延伸體的強度及中尺度渦強度具有顯著的年代際振蕩。同時，黑潮延伸體海區海氣相互作用十分顯著，馬靜等（2014）通過個例分析發現黑潮延伸體區域中尺度海洋渦旋能夠影響大氣瞬變擾動，大氣瞬變擾動強度在暖（冷）渦下游上空出現極大（小）值，該影響不僅表現在海洋大氣邊界層，在自由大氣中低層也有較為清晰的反映，進一步表明黑潮延伸體區域是激發大氣中天氣尺度系統活動的中心區域。風暴軸一般是指大氣中 2.5～7天瞬時擾動最活躍的區域，大氣中天氣尺度系統的活動也是海洋和大氣之間能量相互交換的一種重要途徑。可見，作為反映大氣中的天氣尺度系統活動的北太平洋風暴軸與黑潮及其延伸體之間可能存在著一定的聯系。

Nakamura et al.（2004）研究發現，穿越黑潮延伸體區域的海洋大氣的熱量交換會在大氣底層產生差異，從而維持大氣的斜壓性，有利于風暴軸的發展，Nakamura et al.（2008）通過模式的研究進一步表明北太平洋風暴軸的活動會產生渦度的通量，使中緯度西風急流的強度發生改變，從而影響黑潮延伸體位置的變化。此外，國內學者對北太平洋風暴軸與黑潮的關系也有很多研究，例如，馬靜和徐海明（2012）的研究表明春季黑潮延伸體北側海洋鋒區南北位移與6月東亞高空急流、太平洋區域風暴軸的南北位置具有很好的對應關系，朱偉軍等（1999，2000a）的分析揭示冬季北太平洋風暴軸的強度和位置具有明顯的年際振蕩，這與黑潮海溫異常激發的500 hPa高度層西太平洋（WP）遙相關型有密切相關性。任雪娟等（2007）的研究表明風暴軸正交經驗分解（EOF）的時間系數與阿留申低壓指數、太平洋北美型遙相關（PNA）指數、WP 指數，以及與黑潮海溫指數之間具有顯著的相關性，再次證實了在北太平洋中緯度地區存在著SST（海表面溫度）異常、風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海氣相互作用的貢獻，指出黑潮延伸體系統大尺度的變化會影響到海表面的熱平衡，通過水平的地轉熱對流在冬季產生異常的SST，這為海氣熱交換提供了條件。此外，大尺度的氣候態的變化如太平洋年代際振蕩（PDO；Mantua et al.，1997）經常被用來解釋東北太平洋海表面高度、溫度的波動，最近，Di Lorenzo et al.（2008）定義了一個新的海洋氣候模態——北太平洋渦旋振蕩（NPGO），其不僅能很好地反映風應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性很好。Qiu and Chen（2010）對黑潮延伸體與PDO和NPGO指數的相關性問題也做了大量研究，結果發現PDO和NPGO的位相轉換與黑潮延伸體強度和位置的移動有很好的相關性，這主要是由PDO和NPGO驅動的北太平洋東部海表面高度（SSH）距平場西傳引起的。Qiu and Chen（2006）進一步利用由風應力旋度驅動的 1.5層約化重力模式，通過加入觀測的原始風場和由SST變化引起的異常風場實驗，探索了海氣耦合作用對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應力旋度的變化有關。風應力旋度驅動的SSH正（負）距平信號西傳并增強（減弱）黑潮延伸體急流強度，這種變化會使其處于穩定（不穩定）模態，在不穩定模態下容易激發擾動而使中尺度渦活動增強。

從前人的研究可以發現，北太平洋風暴軸與黑潮延伸體之間的確具有一定的聯系，但前人的研究主要集中在黑潮延伸體的強度如何影響北太平洋風暴軸的變化，也較多地研究了北太平洋風暴軸與遙相關型以及海表面溫度之間的關系，但是黑潮延伸體中尺度渦的變化到底與北太平洋風暴軸之間到底存在什么樣的關系并不清楚。很多研究表明北大西洋和北太平洋風暴軸的變化可以激發大氣的遙相關模態如北大西洋濤動（NAO）、北極濤動（AO）、太平洋—北美型（PNA）以及北太平濤動（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的形成與中緯度大氣遙相關型有著密切的關系，PDO模態對應于阿留申低壓（AL）異常的強迫，NPGO模態則對應于大氣中 NPO異常的強迫，而Qiu et al.（2002，2003，2006）的研究證實黑潮及其延伸體的變化也與大尺度風應力旋度的強迫有密切的聯系，由此，我們猜測大氣風暴軸的變化可能會通過驅動不同的大氣遙相關型，并強迫出海表面的風應力旋度的異常，從而引起海洋環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度和位置在年代際尺度上的變化與北太平洋風暴軸變化之間的關系以及北太平洋風暴軸的變化對黑潮延伸體中尺度渦的反饋作用。這有助于我們進一步了解黑潮延伸體區域附近海氣相互作用的機制和特征。

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、風場及海平面氣壓場（SLP）的逐日再分析資料（2.5°×2.5°）和來自美國馬里蘭大學開發的SODA（Simple Ocean Data Assimilation）逐月海表面風應力資料（0.5°×0.5°），以及由法國 AVSIO（Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic）數據中心提供的逐日衛星高度計海表面高度 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的月平均數據來進行研究，從而去掉了季節的信號，來研究各個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、時間尺度在幾天到幾月的閉合渦旋，其時間尺度的標準從小于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）。利用地轉關系u’ =-(g/f) (?h’ /?y)和v’ = (g/f) (?h’ /?x)計算異常的海流流速（其中，h'為海表面高度異常，g為重力加速度，f為科氏參數），我們定義黑潮延伸體EKE為EKE = (u’2+v’2) /2，以此來表征黑潮延伸體中尺度渦的活動狀態。圖1為多年平均的黑潮延伸體 EKE空間分布型。可以看出，在氣候意義上黑潮延伸體 EKE呈現一個東西向的，形成一個類似大氣風暴軸的分布，也可以定義為黑潮延伸體風暴軸（Kuroshio Extension storm track）。然而，對于不同的年份EKE的大值區表現為比較凌亂的分布。為了刻畫黑潮延伸體中尺度渦的能量的變化，我們引入一個能夠較好地描述中尺度渦EKE的強度和位置變化的方法——面積指數。例如可以定義圖1中虛線框區域（32°N～38°N，141°E～165°E ）內中EKE大于0.02的所有點的平均值來定義黑潮延伸體EKE的強度，而區域內符合條件的點加權平均可以定義黑潮延伸體 EKE的位置，加權平均的公式為其中，Ix和Iy為最終確定的表示經向和緯向位置的坐標；xi表示各點經向位置的坐標；yi為緯向位置的坐標；wi為權重系數，即xi或yi坐標點對應的EKE的值。

對于大氣風暴軸，可以有多種方法來定義風暴軸，如根據天氣尺度的經向和緯向風定義的動能，以及天氣尺度波的經向熱量輸送（Hoskins and Valdes, 2002）。在本文中，我們的主要目的是探討海洋—大氣之間的關系，而兩者之間通常通過風應力的異常和熱量的傳遞實現相互作用，已有的觀測和模式結果表明，黑潮延伸體海洋峰對大氣的影響不僅存在于海洋—大氣邊界層，而且可以體現在對流層低層（Tokinaga et al., 2009），而大氣中低層的海表面風應力的變化通常也是驅動海表面高度異常的原因之一。因此，我們采用低層850 hPa風暴軸的定義方法：濾波2.5～7 d的經向風場v’和溫度場T’的乘積進行定義，以此來了解黑潮延伸體與大氣風暴軸之間到底存在什么關系。李瑩等（2010）對風暴軸的定義及其強度和位置表征方法進行了歸納總結，指出EOF分析可以比較好的反映北太平洋風暴軸的變化主要特征，因此，我們以對北太平洋風暴軸進行 EOF分析的前三模態時間系數作為其指數。此外，Simmons and Hoskins（1978）提出天氣尺度渦動可以用發展中的斜壓波生命史來解釋，Hoskins and Valdes（1990）強調了大氣斜壓不穩定性增長率σ= 0 .31fN-1（其中f

BI為科氏參數，為平均風速，N為Brunt-Vaisala頻率）是斜壓波（風暴軸）成長的至關重要的因素。因此，本文利用斜壓不穩定率σBI的大小來判斷風暴軸的發展。一般來說σBI越大，斜壓性越強，有利于風暴軸的發展，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暴軸之間的關系，本文使用回歸分析法和相關性分析法進行研究。

3 結果與分析

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，我們首先計算了黑潮延伸EKE的氣候態，如圖1所示。從圖中可以看出，黑潮延伸體EKE最強中心集中在32°N～38°N的區域，利用面積指數的定義可以得出黑潮延伸體EKE的強度、南北和東西位置隨時間的變化，如圖2所示，其中圖2a表示強度的變化，正（負）值表示EKE強（弱）。圖2b為南北位置的變化，正值為偏北，而負值為偏南。圖2c為東西位置的變化，正值為偏東，而負值為偏西。從強度和位置指數可以看出，1993～1994年及2000～2004年EKE強度減弱并向北和東向飄移，反之1995～1999年及2005年以后EKE增強并向南和西向移動，直到2010年再次出現反相變化的趨勢。總體上講 EKE的強度和位置都具有 10年左右的年代際振蕩信號。EKE面積指數所得到的結果與 EKE區域平均強度的變化基本一致（圖略），因此EKE面積指數可以較好地描述黑潮延伸體EKE的變化特征。另外EKE的強度與南北位置指數的相關系數達到-0.47，與東西位置指數相關系數為-0.55，通過了95%的信度檢驗，說明其強度與位移之間呈反相關，即隨著黑潮延伸 EKE的增強，其位置向南和西移動，EKE減弱時則相反。

3.2 北太平洋風暴軸的變化特征

Wettstein and Wallace（2010）通過對300 hPa月均的風暴軸進行EOF分析，結果發現北太平洋風暴軸主要表現為強度的變化和南北位置的變化，這些變化同時也伴隨著緯向風（北太平洋中緯度西風急流）的異常。本文對北太平洋（0°～90°N，100°E～90°W）850 hPa的風暴軸進行去氣候態的處理，從而去除了風暴軸的季節信號，并對風暴軸的距平數據進行了EOF分解，得到了北太平洋風暴軸EOF前三個空間模態和時間系數，結果如圖3至圖5所示。圖3、圖4 、圖5分別為風暴軸的第一模態（EOF1）、第二模態（EOF2）和第三模態（EOF3）及對應的標準化的時間系數PC1、PC2和PC3。前三模態方差貢獻率分別為 19.9%，9.1%和 7.5%。EOF1模態表現為一個中心，中心位置位于（40°N，160°E）左右，與氣候態的風暴軸中心位置基本吻合，這個EOF1可以表征風暴軸強度的變化；EOF2模態表現為位置的南北變化，它的正值表現為風暴軸中心向北移動。同樣，EOF3模態表現為位置東西向的變化，它的正值表現為風暴軸向東的移動。對比圖1中黑潮延伸體EKE的分布，850 hPa的北太平洋風暴軸正好位于黑潮延伸體 EKE活動區上空偏北的位置，35°N 左右是黑潮延伸體中尺度渦活動（EKE）的最強的海區, 而大氣風暴軸軸線的入口至中心段正好跨越這一區域, 表明大氣中的天氣尺度擾動與黑潮延伸體在地域上具有依存關系。

圖1 1993～2010年黑潮延伸體EKE的氣候平均態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各參數的時間序列：（a）強度的標準化；（b）南北位置；（c）東西位置變化。黑色粗實線為11個月滑動平均的結果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 北太平洋風暴軸距平EOF分析的第一模態EOF1（a）空間分布[陰影部分表示氣候態的風暴軸（單位：m2 s-2）分布]及其（b）標準化時間系數（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EOF2Fig. 4 Same as Fig. 3, but for the second EOF mode (EOF2)

圖5 同圖3，但為第三模態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暴軸的關系

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暴軸在強度、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，而在空間位置上又具有一定依存性。為了探究兩者之間的關系，本文分別從黑潮延伸體 EKE指數和北太平洋風暴軸EOF指數出發，利用回歸分析和相關性方法探究兩者之間的相互關系。

3.3.1 黑潮延伸體中尺度渦對北太平洋風暴軸的可能影響

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

圖6到圖8給出了根據黑潮延伸體EKE強度和位置指數回歸的850 hPa西風急流、大氣斜壓不穩定率及北太平洋風暴軸的空間分布。可以看出，西風急流、大氣斜壓不穩定率和風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，最強中心在太平洋中部地區（圖6a），相應的，該緯度帶內大氣斜壓不穩定率也較強，但在西太平洋急流的入口處達到最大值（圖6b），風暴軸位置與急流基本一致（圖6c）。

圖6 黑潮延伸體EKE強度指數回歸的850 hPa（a）急流場、（b）大氣斜壓不穩定率場以及（c）大氣風暴軸場。圖中陰影部分為各變量的氣候平均態，（a）中黑色粗實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回歸場可以看出，當黑潮延伸體 EKE增強時，急流表現為沿著急流軸整體增強的趨勢，且急流軸的南側增強最顯著。回歸的大氣斜壓不穩定率（圖6b）和大氣風暴軸（圖6c）也有同樣的整體增強特征。可見，黑潮延伸體 EKE強度的增強與西風急流和大氣斜壓不穩定率的增強有著同期伴隨關系，強的斜壓不穩定率有利于風暴軸的發展，這與 Nakamura et al.（2004）的研究結果一致。同樣的，將三者回歸到黑潮延伸體 EKE南北位置的指數上可以得到它們的回歸場，如圖7所示。從圖7中可以明顯地發現，當黑潮延伸體EKE偏北時，在北太平洋中緯度地區急流的回歸場表現為北正南負的偶極子結構（圖7a），在這種情況，北太平洋急流可以北移。而大氣斜壓不穩定率（圖7b）和大氣風暴軸（圖7c）的回歸場也存在類似的特征，但大氣風暴軸南北偶極子在急流上游表現較為明顯。說明當黑潮延伸體 EKE偏北時，在北太平洋急流軸向北漂移的同時，大氣斜壓不穩定率高值區也隨之北移，進而導致大氣風暴軸向北偏移。對于這種情況北太平洋風暴軸在急流上游北移較為明顯。從黑潮延伸體 EKE東西位置指數的回歸場來看，黑潮延伸體 EKE偏東時北太平洋急流反而西退（圖8a），大氣斜壓不穩定率的高值區除了上游靠近日本東岸附近增強外，下游區域明顯減弱（圖8b），對應的北太平洋風暴軸呈西部增強東部減弱的形態，而黑潮延伸體EKE偏西時則相反（圖8c）。黑潮延伸體 EKE偏東時北太平洋風暴軸反而西退主要原因可能與黑潮延伸體 EKE的強度有關，由于黑潮延伸體 EKE偏東時其強度較弱，而偏西時較強，從而當其偏東時會使北太平洋急流減弱并西退，斜壓不穩定區域及大氣風暴軸也隨之向西偏

移，而當其偏西時則相反。

圖7 同圖6，但為黑潮延伸體EKE南北位置指數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Fig. 8 Same as Fig.6, but for Kuroshio Extension EKE longitudinal position index

3.3.2 北太平洋風暴軸變化對黑潮延伸體 EKE的反饋作用

從上一節的分析可見黑潮延伸體的中尺度渦與北太平洋風暴軸在強度和位置上有很好的對應關系，而通過對北太平洋風暴軸的EOF分析可知，其變化以強度、南北和東西位置的振蕩為主，那么大氣風暴軸的這種強度和位置的變化是否會對黑潮延伸體中尺度渦有反饋作用呢？現有的研究已經發現在黑潮延伸體區域中尺度渦的活動與海表面風速大小呈正相關（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會通過羅斯貝波西傳而影響黑潮延伸體的強度，進而導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暴軸的變化可以激發大氣的遙相關模態如北大西洋濤動（NAO）、北極濤動（AO）、太平洋—北美型（PNA）以及北太平濤動（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暴軸激發遙相關模態的機理，而僅猜想北太平洋風暴軸有可能通過其驅動的大氣遙相關型來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、海表面壓力場（SLP）、海表面風場及海表面高度場回歸到北太平洋風暴軸EOF的前三模態（PC1、PC2、PC3）上，并計算回歸的時間系數與黑潮延伸體EKE指數的相關系數，進而揭示北太平洋風暴軸對黑潮延伸體中尺度渦的反饋作用。

圖9到圖11為北太平洋風暴軸不同模態回歸的300 hPa高度、海表面壓力（SLP）、海表面風應力及海表面高度的空間型。圖9為回歸到北太平洋風暴軸PC1上的結果。從圖中可以看出，當北太平洋風暴軸增強時，300 hPa高度的回歸場（圖9a）表現為偏東型的 NPO正位相結構且向西北—東南方向傾斜，在北太平中緯度上空表現為高度場正距平，而從 SLP的回歸場（圖9b）來看，北太平中緯度地區則對應一個反氣旋環流從而產生一個反氣旋式的風應力強迫。在高壓中心（SLP正距平中心）北側會形成西風異常而在南側則會形成東風異常，如圖9c所示。對于這種情況，北太平洋海表面風應力會在 35°N以北產生反氣旋強迫而在其南側產生氣旋式強迫。相應的風應力旋度則表現為以35°N為界的北負南正的偶極子型，其最強中心位于太平洋中部。由風應力旋度驅動的海平面上升或下沉的現象通常稱之為Ekman抽吸，由于Ekman抽吸的作用，海表面風應力旋度正距平會驅動出海表面負距平高度，因此對應的海表面高度的回歸場表現為北正南負的偶極子結構（圖9d）。也就是說，大氣風暴軸增強時會驅動出的偏東的北太平洋濤動（NPO）正位相型，通過相應的SLP和海表面風應力旋度的異常，使得北太平洋海表面高度出現北正南負的偶極子型，這種偶極子結構與氣候態海表面高度的疊加，有可能使得黑潮延伸體海表面高度的經向梯度減弱，從而黑潮延伸體流速減弱，而中尺度渦增強。因此北太平洋風暴軸的強度（EOF1）與黑潮延伸體中尺度渦強度之間可能存在正反饋。而當大氣風暴軸減弱時則相反。

圖9 由北太平洋風暴軸第一模態PC1回歸的各要素場的空間分布：（a）300 hPa高度（單位：gpm）、（b）海平面氣壓（SLP；單位：hPa）、（c）海表面風應力（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，但為回歸到大氣風暴軸EOF2的結果。可以看出，當大氣風暴軸偏北時，300 hPa高度和SLP的回歸場都表現為在北太平洋上空海盆狀的正距平（圖10a、b），海表面風應力旋度和SSHA則與PDO負位相對應的海表面風應力旋度和SSHA相似（圖10c、d），即在太平洋中東部海表面風應力旋度減弱而海表面高度增強。同樣的，圖11為回歸至大氣風暴軸EOF3的結果。其結果顯示，當大氣風暴軸偏西時，300 hPa高度和SLP的回歸場則表現NPO負位相型，相應的在北太平洋東部驅動出海表面風應力旋度正距平、海表面高度負距平，這樣的分布型與NPGO正位相所對應的海表面風應力旋度和海表面高度距平場是一致的。這種在中東太平洋區域整個海盆式的海表面高度距平隨羅斯貝波向西傳播的過程中，受高低緯度不同傳播速度的影響，在緯向上，距平信號到達黑潮延伸體區域的前后順序的差異同樣會改變其海表面高度的經向梯度，進而可能導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

從回歸結果可見，北太平洋風暴軸不同模態驅動出的大氣遙相關型、海表面風應力和海表面高度距平場是不相同的。為了證實我們的猜測，我們以風暴軸各模態（PC1、PC2、PC3）回歸的海表面高度場（圖9d、圖10d、圖11d、）為標準，分別計算了三者與1993～2010年月均的SSHA場之間的相關系數，標準化后得到圖12a-c，我們稱之為北太平洋風暴軸各模態（PC1、PC2、PC3）回歸的標準化時間系數。從圖中可以看到，回歸的時間系數也具有明顯的年代際振蕩信號，因而進一步計算了其與黑潮延伸體 EKE指數的同期及滯后相關系數，如圖13所示。

從圖13中可以看出，當黑潮延伸體EKE強度滯后PC1、PC3回歸系數3年半左右，它們達到最大的正相關，且它們的相關系數分別為0.25和0.29（圖13a1、a3），而當黑潮延伸體EKE強度滯后PC2回歸系數3年7個月時則達到最大的負相關，其相關系數為-0.27（圖13a2）。當黑潮延伸體EKE南北位置指數滯后PC1、PC3回歸系數3～4年達到最大的負相關，相關系數分別為-0.52和-0.58（圖13b1、b3），而當滯后PC2回歸系數2年時則達到最大的正相關，相關系數為 0.56（圖13b2）。同時我們還計算了黑潮延伸體 EKE東西位置指數與北太平洋風暴軸各模態回歸（PC1、PC2、PC3）的時間系數的相關關系。當黑潮延伸體 EKE東西位置指數滯后PC1，PC3的回歸系數3～4年時則達到最大的負相關，且它們的相關系數分別為-0.58和-0.65（圖13 c1、c3），而滯后PC2的回歸系數3年4個月時則達到最大的正相關，其相關系數為 0.74（圖13 c2）。

圖12 北太平洋風暴軸回歸的標準化時間系數：（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，黑潮延伸體EKE強度與北太平洋風暴軸強度和東西位置可能存在 3～4年的滯后的正相關，而黑潮延伸體 EKE南北和東西位置與北太平洋風暴軸強度和東西位置可能存在 3～4年的滯后的負相關，即北太平洋風暴軸增強或向西偏移3～4年后黑潮延伸體中尺度渦可能有增強且向南和向西方向移動的趨勢。這可能是由于北太平洋風暴軸驅動出的海表面高度異常（SSHA）向西傳播造成的。圖9d中PC1驅動的SSHA在太平洋中東部以 35°N為界呈北正南負的偶極子型，其分界線與黑潮延伸體急流軸相吻合，因此，當SSHA向西傳播到黑潮延伸體區域時，黑潮延伸體急流軸北部SSH增強而南部減弱，使得該區域SSH南北梯度減弱，從而可以導致黑潮延伸體急流的強度減弱，對應的EKE隨之增強。從前文分析已知EKE增強時其位置會向南向西移動，故其位置偏南偏西。而圖11d中PC3驅動的SSHA在太平洋中東部表現為整個海盆的負距平，由于羅斯貝波的傳播速度低緯度地區快于高緯度地區，因此在黑潮延伸體急流軸的南部 SSH負距平信號可以較快地傳播到黑潮延伸體區域導致該地區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，這時黑潮延伸體的 EKE增強且向南和向西移動，反之亦然。而黑潮延伸體指數滯后于PC2回歸指數的相關性的結果與前兩者相反，即北太平洋風暴軸偏北3年左右后黑潮延伸體EKE強度減弱，位置北向東方向移動。這也可能是由于圖10d中回歸的SSHA在太平洋中東部區域呈海盆狀正距平的緣故，這種異常信號向西傳播的過程中，南部正距平的SSHA信號先期到達黑潮延伸體區域導致SSH南北梯度增強，從而使黑潮延伸體增強，相應的EKE減弱且向北向東移動的趨勢。當北太平洋風暴軸偏南的時候則相反。

4 結論

本文通過引入“黑潮延伸體中尺度渦能量面積指數”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暴軸的強度和位置的變化特征，并利用回歸分析和相關性分析研究了兩者之間的相互關系。得到以下的主要結論：

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

圖13 黑潮延伸體EKE指數與大氣風暴軸（a1、b1、c1）PC1、（a2、b2、c2）PC2、（a3、b3、c3）PC3回歸時間系數的同期及滯后相關性。橫坐標為滯后時間，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增強時北太平洋急流和斜壓不穩定率增強，有利于大氣風暴軸強度的加強，當黑潮延伸體 EKE位置偏北（南）時則大氣風暴軸偏北（南），但當黑潮延伸體EKE位置偏東（西）時則北太平洋風暴軸西退（東移）。

（3）北太平洋風暴軸的變化對黑潮延伸體也具有一定的反饋作用，黑潮延伸體 EKE的變化與北太平洋風暴軸前三個 EOF模態回歸的時間系數之間存在明顯的滯后關系，滯后時間為 3～4 年。兩者的相關性主要由北太平洋風暴軸驅動出的大氣遙相關型所引起的海表面高度距平的西移導致的。

需要指出的本文只是嘗試性地研究了黑潮延伸體EKE與北太平洋風暴軸相互之間的相互關系，其物理機制仍需要進一步的探討。

致謝 在本文的研究過程中，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，使作者受益匪淺，在此表示由衷地感謝。

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