太平洋年代際濤動對南海夏季季節內振蕩的調制作用

張 戈，龍景超，嚴 厲，薛宇峰，徐建軍，劉春雷，張樹欽

（1.廣東海洋大學海洋與氣象學院//2.廣東海洋大學南海海洋氣象研究院，廣東 湛江 524088；3.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225）

大氣季節內振蕩（Intraseasonal oscillation,ISO），也稱為MJO，是Madden 和Julian 于20 世紀70 年代發現的熱帶大氣中30～ 60 d的低頻振蕩，是季節尺度上大氣變化的強信號，具有很強預報意義[1]。同時，其作為重要的熱帶大氣環流系統之一，對區域天氣和氣候產生顯著影響[2-3]。

對于北半球夏季季節內振蕩（Boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO）而言，其活動特征與冬季的ISO 明顯不同。冬季熱帶大氣ISO 起源于熱帶印度洋和西太平洋，以緯向東傳為主，而BSISO 活動則更加復雜[4]。BSISO 存在3 種傳播形式，第一為向東傳播；第二為印度、西北太平洋季風區獨立北向傳播；第三為赤道外的向西傳播[5-7]。Lee 等[8]利用多變量EOF 提取了亞洲夏季風區BSISO 的兩個主要活動模態，模態一為較為經典的、可與東傳MJO 相聯系且呈現北傳或東北傳的模態，時間尺度為30～ 60 d。另一個模態為準雙周的西北傳模態。其中，在印度和西太平洋地區BSISO 向北傳播的事件中，獨立北向傳播的事件約占50%，其余的似乎與沿赤道東向傳播的對流活動有關[9]。在時間上，BSISO 主要分為兩種類型：高頻振蕩和低頻振蕩。高頻BSISO 通常是從熱帶西太平洋向西或者向西北傳播[10]，其頻率也有所不同，可分為10～ 25 d、10～ 20 d、準雙周振蕩和20～ 40 d[10-13]。低頻BSISO 則主要是向北傳播，其頻率有30～ 50 d、40～ 70 d[12-13]。此類BSISO 與向東傳播的MJO 有關[14]。

年際尺度背景環境的變化對BSISO 的活動有很強調制作用。研究表明在年際尺度上，東太平洋出現偏暖的SSTA 異常時，西北太平洋7 至10 月向西和向北傳播的BSISO 明顯加強[15]。在ENSO 發展及衰減階段BSISO 的異常變化有不對稱性，且二者關系在ENSO 衰減階段較發展階段更加顯著[16]。Liu 等[13]指出El Nino 背景下BSISO 的對流主體移動速度相比La Nina 背景下的移動得更快，且以西北向為主。除此之外，毗鄰的印度洋不同海溫模態對BSISO 活動也有重要影響。林愛蘭等[17]研究指出印度洋海溫年際變化或海溫模態的變化可引起大氣環流背景場和BSISO 結構的變化，進而調制BSISO 不同傳播模態強度的年際變化。如在印度洋正(負)偶極子模態的變化，會導致中東印度洋BSISO 北傳減弱(加強)，而正(負)海盆模態出現時印度洋至西太平洋的赤道地區BSISO 的向東傳播將得到加強(減弱)。

年代際尺度上，Kajikawa 等[18]指出南海區域ISO 在1979－1993 年間周期為64 d 左右，其傳播途徑兼具北向和西向特征；而在1994－2007 年間周期變為約42 d，沒有了明顯傳播途徑，但展現出顯著的從北印度洋向南海的傾斜結構，這可能與東傳的MJO 有關。南海區域ISO 的這一年代際變化在南海夏季風年代際尺度的提前爆發有所體現[19]。此外，Yamaura 等[20]認為BSISO 強度存在顯著的年代際變化，即1999－2008 年期間BSISO 活動強度強于1984－1998 年，并指出這一年代際變化與熱帶亞洲季風區海溫相聯系。由此推知與西太平洋毗鄰的北太平洋和印度洋海溫的年代際變化也可能對BSISO 活動造成影響，然而其影響是什么，貢獻如何還需進一步探究。本研究從北太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation,PDO）為切入點，剖析PDO 不同位相下其對BSISO 時空特征、強度等產生的影響。通過觀測數據分析，探究PDO 冷暖位相下BSISO 的周期性和強度變化及BSISO 傳播軌跡特征，揭示PDO 冷暖位相下西太平洋BSISO活動的時空演化特點和強度變化。通過垂直剪切異常、比濕場異常及位勢高度場的差異分析PDO 冷暖位相下BSISO 活動特征差異的可能影響機制，為年代際振蕩信號對南海夏季季節內振蕩的影響提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

本研究采用美國海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA）氣候預測中心提供的太平洋年代際振蕩指數（PDO）和Nino3.4 指數（https://psl.noaa.gov/data/climate indices/list/），時間范圍為1948－2018 年，以及NOAA 提供的大氣頂向外長波輻射（Outgoing longwave radiation,OLR）日平均數據，水平分辨率為2.5°×2.5°，數據為1974 年6 月－2019 年12 月。海表溫度資料采用NOAA 提供的ERSST_V5 月平均資料，水平分辨率為2° × 2°，時間范圍是1854年1 月－2020 年2 月。風場、比濕場和位勢高度場采用了NCEP-DOE II 日平均再分析資料，水平分辨率為2.5° × 2.5°，垂直分層17 層（1 000,925,850,700,600,500,400,300,250,200,150,100,70,50,30,20,10 hPa）時間為1979 年1 月－2020 年2 月。為便于資料處理和分析，本研究選取統一的時間范圍為1979－2018 年。

1.2 方法

為探究PDO 不同位相下大氣和海洋環境對BSISO 的調制作用，本研究選取PDO 冷暖位相的典型年進行合成分析。ENSO 是氣候系統中強的年際信號，其對BSISO活動有十分顯著的影響[13,15-17]。為消除ENSO 的影響，進一步聚焦PDO 這一海溫模態對 BSISO 的調制作用。本研究將標準化Nino3.4 指數中絕對值小于0.5 的年份定義為ENSO事件不顯著的年份[16]。同時，定義標準化年平均PDO 指數大于0.5 的年份為PDO 典型暖位相念，小于0.5 為PDO 典型冷位相念。如圖1 所示，剔除ENSO 事件后，選取暖位相典型年為1981、1983、1986、1992、1995、2014、2016 年，冷位相典型年為2000、2001、2008、2011、2012、2013 年。

圖1 1950－2018 年PDO 指數和Nino3.4 指數Fig.1 Nino3.4 index and PDO index in 1950－2018

冷暖典型年合成結果表明，太平洋海溫結構為典型PDO 正負位相下的空間分布，且赤道中東太平洋ENSO 信號不甚明顯（圖2）。暖位相典型年，北太平洋中部呈現緯向帶狀的海溫負異常，在北太平洋北部和東部的北美沿岸海溫為暖異常。相應地，赤道西太平洋海溫異常梯度區低層（850 hPa）大氣異常東風，體現了熱帶地區海洋強迫大氣；而在北太平洋氣旋式異常環流加強阿留申低壓，從而使黑潮延伸體區海溫異常偏低，體現中緯度地區大氣強迫海洋（圖2_a）[21]。反之，在PDO 負位相下，北太平洋東部呈現馬蹄形的冷異常圍繞著黑潮延伸體及其以東海域的暖異常。同理，海氣相互作用在熱帶和熱帶外區域不同，在赤道西太平洋從異常冷海溫到異常暖海溫呈現低層異常東風；北太平洋異常反氣旋環流減弱阿留申低壓，使黑潮延伸體區海溫異常升高，而北美沿岸海域由異常反氣旋加強了偏北風，海溫呈現冷異常（圖2_b）。通過剔除強ENSO 年份使結果盡可能降低ENSO 信號對本研究分析影響[17]。

圖2 PDO 冷暖位相典型年海表面溫度距平合成圖及對應850 hPa 風場Fig.2 Composite sea surface temperature anomaly of typical years in PDO warm and cold phase,and corresponding 850 hPa wind fields anomaly

此外，本研究對1979 年－2018 年5－10 月日平均OLR 資料在南海及菲律賓以東海域（15°N－25°N，110°E－140°E，如圖4a 黑框所示）做區域平均，并進行10～ 90 d 帶通濾波獲得季節內信號，定義為BSISO 指數。超前滯后的一元線性回歸分析方法也在對BSISO 對流活動和環流場演變過程的分析中用到。

2 PDO 冷暖典型年BSISO 活動強度和周期特點

大氣頂向外長波輻射（OLR）的大小表征大氣對流活動的深度和強度。如圖3 所示的OLR 夏季氣候態分布來看，OLR 的小值區為對流旺盛的暖池區和赤道輻合帶（ITCZ）。對夏季（5－10 月）日平均全球OLR 進行10～ 90 d 帶通濾波計算其標準差可評估季節內尺度的對流活動強度，即BSISO 強度。由如圖3 填色區域分布可知，全球BSISO 最活躍的區域為北印度洋、南海及其以東海域。

圖3 夏季OLR 氣候態空間分布和ISO 強度分布Fig.3 Climatological-mean OLR and ISO intensity in boreal summer

圖4_a、4_b 所示，PDO 冷暖位相下BSISO 的活動基本集中在南海和菲律賓以東洋面。但相對于冷位相而言（4_c），PDO 暖位相下在南海和菲律賓以東洋面BSISO 活動強度相對更弱，對流活動范圍更集中。基于此特征，本研究定義南海及其菲律賓以東海域（15°N－25°N，110°E－140°E）區域平均帶通濾波OLR 序列為BSISO 指數，進行其空間演變的分析[13]。

圖4 PDO 冷暖位相典型年BSISO 的強度分布Fig.4 The BSISO intensity in typical years of PDO cold and warm phases

為探究PDO 冷暖位相下BSISO 活動的周期特征，本研究分別對PDO 冷暖位相下BSISO 指數進行功率譜分析。結果顯示，暖位相典型年主要周期為10～ 50 d，冷位相典型年主要周期為10～ 40 d和60～ 70 d。為探究PDO 不同位相對BSISO 影響，選取冷暖位相差異較大周期。本研究主要討論PDO暖位相典型年周期為40～ 50 d 的振蕩，PDO 冷位相典型年周期為60～ 70 d 的振蕩（圖5）。

圖5 PDO 冷暖位相典型年BSISO 指數功率譜Fig.5 BSISO index power spectrum of PDO in typical years

3 冷暖位相下典型年BSISO 的時空演變特征

PDO 作為年代際尺度有全球影響的海溫模態，其不同位相下BSISO 強度和周期確實存在明顯差異。另一方面，其空間傳播軌跡意味著其信號的可預測性和影響區域，因而成為關注焦點。為清晰展示PDO冷暖位相下對流傳播的特征以及與BSISO相關的環流演變特征，本研究通過超前的標準化OLR場（位勢高度場、風場）回歸到BSISO 指數，獲得不同位相下BSISO 空間演化特征。圖6（a-d）所示，在PDO暖位相下，BSISO對流信號起源于西太平洋，呈東南-西北向傳播特征，周期大約為42 d。當標準化OLR 場超前21 d 時，較弱的對流異常出現西太平洋（180°E，0°N）附近；超前14 d 時，對流有所加強并西移至（160°E，5°N）附近；超前7 d 時，對流持續增強，移動到150°E 附近；同期回歸顯示對流信號進一步加強西移至南海和菲律賓海以東。

PDO 冷位相下 [圖6（e-h）]，BSISO 對流信號起始于北印度洋，呈向東南-向西北傳播特征，其周期約為66 d。標準化OLR 場超前33 d 回歸到標準化BSISO 指數時，對流異常出現在孟加拉灣以南；隨著時間推進，在超前22 d 時，對流異常信號增強（圖6_f 紅色虛線所示）；超前11 d 時，對流活動迅速聚集、增強，并移至孟加拉灣、南海和菲律賓海以東海域；超前0 d 時，對流信號傳播似乎減緩，但仍持續加強并向西北移至南海以及菲律賓以東海域。

圖6 PDO 暖冷位相下BSISO 信號時空演變Fig.6 Evolution patterns of BSISO in PDO warm and cold phase

3.1 對流活動緯向演變特征

為更清晰地展現BSISO 對流信號緯向傳播特征，同時對比季節內其它周期信號的強弱，圖7展示了PDO 冷暖位相下10～ 90 d、40～ 50 d 和60～ 70 d 周期對流活動經向平均的時間-經度分布圖。由圖7（a、c、e）可見，PDO 暖位相下不同周期的對流活動總體呈東南-西北向傳播路徑，而圖7（b、d、f），PDO 冷位相下，對流開始在90°E 的印度洋海域并向東傳播，并且此時西太平洋對流信號向西的傳播，這與圖6（f-h）一致。相比之下40～ 50 d 周期的BSISO 活動，暖位相信號更強，而在60～ 70 d 的周期中，冷位相的對流信號更強。

圖7 BSISO 經向平均的演變模式Fig.7 Evolution patterns of BSISO meridional average

3.2 位勢和風場演變特征

圖8 展示的位勢高度場和風場異常對BSISO 指數的超前回歸結果。由此，可以進一步明確BSISO活動對大氣環流的影響。圖8（a-d）是PDO 暖位相下850 hPa 位勢高度場和風場的時空演變圖，時間選取與圖6 中OLR 所示的對流異常相對應。從圖8_a 可見，西太平洋（約170°E，0°N）附近為位勢高度負異常和風場的氣旋式環流異常。圖8（a-d）的時空演變體現了環流異常場的移動軌跡呈東南-西北向，逐步加強，這與對流發展和移動向匹配。PDO 冷位相下，超前33 d 時，位勢高度負異常信號率先出現于中西印度洋，此時南海和華南地區受反氣旋環流異常影響（圖8_e）；超前11 d 時，位勢高度負異常信號東傳至赤道西太平洋。隨著時間的推進，位勢高度負異常和氣旋式環流異常的信號向西北方向移動直至南海及周邊區域 [圖8（g-h）]。

由此可見，在不同PDO 位相之下BSISO 活動的周期和傳播途徑差異較為明顯。由空間演變的分析發現，該位相下對流活動為西北向傳播 [圖6（a-d）和圖8（a-d）]與Lee 等[8]用多變量EOF 提取的亞洲夏季風區BSISO 準雙周西北傳模態相似。而冷位相下對流信號具有東傳特性，則體現為Lee等[8]提及的另一模態。因此，亞洲夏季風區BSISO的主要模態可能與PDO 不同位相下海溫分布有關。

圖8 PDO 暖冷位相下與BSISO 信號相關的850 hPa 位勢高度場和風場時空演變Fig.8 Evolution patterns of 850 hPa geopotential heightand wind related to BSISO during PDO warm phase and PDO cold phase

4 原因分析

PDO 不同位相下BSISO 時空演變、強度等的差異性可由環境要素差異來理解。對流運動作為BSISO 的主要表現形式，其活動受到背景風垂直切變、低層濕度和位勢高度異常等環境因素的調控[22-23]。因此，剖析PDO 冷暖位相對BSISO 活動特性的影響，本研究從上述三個方面展開討論。

4.1 垂直風切變異常特征

夏季，南亞和東亞季風區的對流層高層受強大的南亞高壓控制，亞洲大陸上空為一巨大的反氣旋式環流，其南側盛行東風，而對流層低層為夏季風環流，盛行偏西風。因此，亞洲季風區的垂直切變具有明顯的東風切變特征[23]。前人研究表明，大氣環流的垂直東風切變與BSISO 對流活動的相互作用有利于在對流中心北側激發相對渦度的正壓響應，進而增加正渦度的異常，從而促使對流活動向北移動[22-23]。另外，Wang 等[24]指出背景垂直東風切變有助于加強熱帶大氣低層的羅斯貝波響應，北半球其西北向傳播的氣旋式環流異常為BSISO 對流發生發展和西北向移動提供了有利的環境擾動。

從PDO 暖位相和冷位相典型年對流層高低層緯向風垂直切變的合成場（圖9_a 和9_b）來看，北印度洋、南亞大陸和熱帶西太平洋區域為垂直東風切變，因此，該區域成為大氣季節內振蕩和BSISO 發生和傳播的主要區域。圖9_c 其差值場表明，PDO 暖位相下赤道西太平洋（140°E 以東）區域具有更強的垂直東風切變，顯然這一區域更有利于熱帶大氣低層的羅斯貝波響應，為BSISO 對流發生發展和西北向傳播提供條件[23]，解釋了PDO 暖位相下BSISO 信號起源于熱帶西太平洋（160°E，0°N）附近。這可能與PDO 冷位相下熱帶-副熱帶西太平洋（120°E－180°E，0－10°N）海溫緯向梯度增加有關（圖2_b）。海溫緯向梯度增加有利于對流層低層東風異常加強，削弱低層西風，進而造成暖位相垂直東風切變強于冷位相。孟加拉灣和南海在PDO 冷位相時則存在更強的垂直東風切變，更有利于ISO 向北移動，這與冷位相下BSISO 東向-西北向傳播相匹配（圖6（e-h））。該數據分析結果與Liu 等[13]數值試驗研究ENSO 暖冷位相下垂直東風切變對BSISO 傳播路徑的調制作用相似。

圖9 PDO 暖位相和冷位相典型年對流層高低層緯向風垂直切變合成場Fig.9 Difference of vertical wind shear during typical PDO warm and cold phase

4.2 低層比濕場異常特征

水汽凝結產生的潛熱是對流發展和影響大氣環流變化的重要熱力因子，例如有水汽參與的“對流-環流-水汽”反饋機制對BSISO 對流發展和傳播產生深刻的影響[25-26]。因此，在PDO 的年代際背景之下水汽分布如何，及其對BSISO 基本活動特征的影響成為本節討論重點。

圖10（a-b）分別為PDO 暖冷位相下典型年比濕的距平合成場。圖10_a 表明，PDO 暖位相下，在熱帶西太平洋區域比濕距平分布總體呈現緯向差異且呈東南-西北向傾斜的特征，即南海及其周邊和熱帶海洋性大陸東部比濕偏多，而其東側海域比濕偏少。濕度“西部大、東部小”的分布有利于對流向西發展，而其東南-西北向分布為對流向西北方向移動提供了條件。在PDO 冷位相下（圖10_b），水汽的異常在印度洋至熱帶西太平洋都呈正距平，但南海和菲律賓海以東的西太平洋海區水汽增加幅度顯著大于北印度洋，這為PDO 冷位相下BSISO 對流信號從北印度洋向東傳至西太平洋提供背景的水汽條件。同時，熱帶西太平洋比濕距平“西部大、東部小”的分布也有利于對流向西或西北傳播。對比暖冷位相下水汽條件（圖10_c），在南海及其以東的熱帶西太平洋海域PDO 暖位相下水汽含量小于冷位相的水汽含量，這對PDO 暖位相BSISO 強度的發展較為不利，這可能是PDO暖位相下BSISO 強度弱于冷位相下強度的原因之一（圖4）。

圖10 對流層低層比濕距平合成場Fig.10 The low level specific humidity anomalies against climatological mean

另一方面，本研究對比PDO 暖冷位相下典型年200 hPa 位勢高度場（圖11）。位勢高度的差值場表明，在熱帶印度洋和西太平洋，尤其是南海及其以東的熱帶西太平洋海域，暖位相下位勢高度較冷位相下偏高，這將不利于該區域對流擾動的發生和發展，因而減弱了暖位相下BSISO 的強度（圖4）。

另一方面，本研究對比PDO 暖冷位相下典型年200 hPa 位勢高度場（圖11）。位勢高度的差值場表明，在熱帶印度洋和西太平洋，尤其是南海及其以東的熱帶西太平洋海域，暖位相下位勢高度較冷位相下偏高，這將不利于該區域對流擾動的發生和發展，因而減弱了暖位相下BSISO 的強度（圖4）。

圖11 PDO 暖位相和冷位相典型年200 hPa 位勢高度差值場Fig.11 Difference of 200hPa geopotential height between PDO warm and cold phase

5 討論與結論

BSISO 熱帶西太平洋主要的季節內信號，對區域天氣和氣候預報預測具有重要的意義。那么，PDO 作為具有海盆尺度甚至全球影響的年代際海溫模態對西太平洋夏季（5－10 月）BSISO 強度、活動周期和傳播軌跡的影響是不可忽視的。本研究運用合成和回歸的方法對PDO 冷暖位相BSISO 的活動特征和差異進行分析，并探究了可能的影響因素，得到如下結論：

1）對PDO 冷暖位相下BSISO 指數的功率譜分析表明，PDO 暖位相時BSISO 指數以10～ 50 d 周期的振蕩為主；PDO 冷位相下BSISO 活動周期更長，為10～ 40 d 和60～ 70 d 的振蕩。周期在40～ 50 d 的振蕩在PDO 暖位相時更加顯著，而周期在60～70 d 的振蕩在冷位相更加顯著。

2）PDO 冷位相和暖位相下BSISO 的空間演變特征顯著不同，表現為Lee 等[6]提出的兩個基本模態。即PDO 暖位相下，BSISO 對流信號起源于熱帶西太平洋（160°E，10°N）附近，傳播軌跡呈東南-西北向；而PDO 冷位相下，BSISO 對流始于印度洋，向東移動至赤道西太平洋處后轉而向西北方向移動，成熟于南海及菲律賓海以東海域。與BSISO 對流活動相對應的位勢高度場和風場的異常也呈相似的活動路徑，充分展現了BSISO 對區域大氣環流的影響。

3）BSISO 的傳播路徑主要受季風區垂直東風切變和水汽條件影響。PDO 暖位相下熱帶西太平洋海域垂直東風切變更強，且南海和海洋性大陸東部水汽含量大于其東部，因此從動力條件和水汽條件而言，都有利于BSISO 對流活動發生和西北向傳播。PDO 冷位相下，孟加拉灣、南海及其南側海洋性大陸更強的垂直東風切變，以及南海和菲律賓海以東海域更大的比濕距平則為BSISO 對流活動的向東-向西北傳播創造了條件。該結果與Liu 等[13]利用數值試驗研究ENSO 暖冷位相下垂直東風切變和水汽條件對BSISO 傳播路徑的影響相似，佐證了海洋模態的變化通過影響大氣環境進而調制BSISO 活動特征的物理聯系。

4）PDO 暖位相下BSISO 強度較冷位相下更弱，這可能與PDO 暖位相位勢高度偏高，低層大氣水汽含量偏低有關。

通過提取PDO 信號，探究PDO 海溫模態不同位相下大氣和海洋環境對BSISO 強度、活動周期和傳播軌跡的可能影響，有利于加深對BSISO 年代際變化特征和驅動因子的理解，同時也為氣候模式對BSISO 的模擬提供參考。本研究僅探討了PDO 對BSISO 活動特性可能的調制作用，具體物理過程分析將在后面的工作中利用數值試驗進一步探究。