北太平洋混合层深度异常及其与中国夏季降水的关系

李丽平，成丽萍，靳莉莉，许冠宇

(1.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044;3.淮河流域气象中心，安徽蚌埠233000)

0 引言

在太阳辐射、风力强迫、降水和海洋内部物理过程共同作用下，海洋上层形成了一个以强垂直混合和强耗散为典型特征，温、盐和密度几乎垂向均匀的混合层。在大尺度海气相互作用中，能量、动量和物质的交换主要通过混合层进行，其随时间变化剧烈，更能体现海洋对大气强迫的响应。关于混合层特征的研究已有不少。Kraus and Turner(1967)认为，在动力、热力强迫及淡水通量作用下，混合层特征呈现明显的季节变化。巢纪平和王彰贵(1993)认为，深厚混合层与弱海气相互作用相联系。Perry(1997)认为，在存在强温跃层的海域和季节，温跃层稳定的层结隔断了混合层与其下海水的热量交换，使参与海气相互作用的海洋仅限于混合层。张向东和张晶(1996)、张人禾和黄荣辉(1998)指出，热带太平洋区域风应力的年际异常可引起混合层深度异常，这可能是ENSO循环的一种动力机制。李泓等(2003)也指出，强 El Niño事件发生前有强 MLD(mixed layer depth，混合层厚度)正异常沿赤道东传。潘爱军等(2011)指出北太平洋副热带模态水形成海域混合层温度存在年际、年代际异常，并揭示了异常的原因。

关于北太平洋海气相互作用及其对中国气候影响的研究已有不少。朱乾根等(2000)研究了北太平洋中纬度海表温异常对中国东部夏季降水影响的可能途径。吴国雄和王敬方(1997)、吴国雄等(2000)、任雪娟和张耀存(2007)以及任雪娟等(2007)探讨了东亚大气环流的年际变化与西北太平洋海表温度异常的关系。祁丽燕等(2007)研究了北太平洋冬季热状况与我国东部夏季气候之间的耦合关系。李丽平等(2010)研究了北太平洋次表层海温变化对中国气候的影响。常蕊等(2011)等指出，5—7月北太平洋次表层海洋副热带模态水强度的年际异常对中国年度、季度气候变化趋势可能有重要影响。

综上，许多研究已表明，北太平洋海气相互作用对中国气候异常具有重要影响。随着海洋资料的日益丰富，气象学者也从单纯关注海表温度对中国气候的影响，转向更多研究次表层海洋异常及其对中国气候的影响。因混合层在海气相互作用过程中扮演重要角色，从研究其深度异常出发来探寻其与中国气候异常的关系，将是一项有意义的工作。本文即采用北太平洋逐月混合层深度资料，在分析其季节变化、年际异常时空特征基础上，进一步研究其与中国夏季降水年际异常之间的关系，力图寻找对中国夏季降水预测有价值的参考信号。

1 资料及处理

1.1 资料

1)GODAS全球逐月次表层资料

本文使用了美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction)的GODAS(Global Ocean Data Assimilation System)逐月混合层深度(mixed layer depth，简称MLD)资料(Behringer and Xue，2004)，时段从1980年1月至2008年12月，水平分辨率Δλ×Δφ=1.0°×0.333。根据已有研究结果(李丽平等，2003)，取(120°E ～180°～120°W，20～60°N)为要研究的北太平洋区域。

2)中国160站逐月降水资料

该资料覆盖时段为1951年1月—2011年10月。

1.2 资料处理

统一上述两类资料的时段，选取1980年1月—2008年12月资料进行研究。首先对以上两种资料做季节平均，即3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月平均分别对应春、夏、秋和冬季。

对季平均资料做标准化处理，使用自然正交函数(Empirical Orthogonal Function，EOF)分析方法、相关、合成分析、奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方法进行研究。

2 北太平洋MLD的气候平均及变率特征

2.1 北太平洋各季MLD气候平均特征

图1给出了北太平洋四个季节混合层深度气候场。由图可知，各季MLD大致呈纬向分布，高值区主要集中在北太平洋低纬地区(20～40°N)，平均深度约在20～140 m之间，冬、春两季MLD明显要大于夏、秋两季，最大值超过140 m，夏季MLD最浅，最大只有40～60 m。另外，50°N以北 MLD也较大。秋季是北太平洋的风应力转换期，西北风增强，来自西伯利亚的干冷空气带走海面的大量热量，MLD逐渐加大。由于失热的累积效果，MLD在冬、春两季达到最大。到春季，风应力转变方向，干冷空气逐渐被暖湿的东南气流所替代，海表温度上升，MLD逐渐减小。MLD本质上是海洋上层层结相对不稳定的水层。北太MLD季节变化的根本原因是SST(sea surface temperature，海表温度)季节变化随纬度变化大(热带2～3℃，中纬10℃或以上)，而深层(约100 m以下)终年变化小。中纬度冬、春季表层冷却，层结不稳定，出现大的MLD，而夏、秋季相反。

图1 混合层深度的气候场(单位:m;阴影区表示大于80 m) a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.1 The climatological fields of MLD(units:m;the shaded area denotes values larger than 80 m)a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn

注意到，北太平洋东部海域(120～150°W，20～40°N)在冬、春季MLD也达最大。根据Hautala和Roemmich(1998)的研究结果，这是由于向南的冷水和夏、秋两季该海域上空的高云量，导致该海域短波入射辐射减少，海面温度较低;冬季在同样的失热情况下，海表的冷却引起的垂向混合可以使MLD比较容易达到较深的深度，是造成东太平洋冬、春出现深混合层的原因。

2.2 北太平洋MLD气候变率特征

利用MLD标准差场可以分析其气候变率特征。图2分别给出四个季节北太平洋混合层深度标准差场，可见，30～40°N之间终年存在一个纬向高值带，是气候变率最显著区域;55°N以北地区气候变率次之;冬、春季远大于夏、秋季;40～50°N终年变率强度小、季节变化也小。

图2 北太平洋混合层深度标准差场(单位:m;阴影区表示大于15 m) a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.2 The standard deviation fields of MLD over the North Pacific(units:m;the shaded area denotes values larger than 15 m) a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn

3 北太平洋MLD的年际异常时空特征

为进一步了解各季MLD年际异常时空特征，对4个季节MLD标准化距平进行了EOF分析，表1给出了各季MLD的EOF第一、二模态方差贡献率，下面主要分析EOF第一模态时空特征。

表1 MLD的EOF前两模态方差贡献率ρTable 1 The variance contribution ratio ρ of the first two modes %

由冬季北太平洋MLD标准化距平EOF第一空间模态分布(图3a)可见，MLD正异常分布区主要位于30～40°N之间的北太平洋中西部，负异常区位于白令海、北美沿岸大部以及低纬东部海域。时间系数序列(图4a)显示其年际异常与ENSO事件关系不密切。

春季MLD的EOF第一空间模态(图3b)异常特征与冬季相似，但北美沿岸、低纬东部海区的负异常分别向东北、西部扩展。该季MLD年际异常(图4b)与ENSO事件关系不密切，但存在明显年代际异常，即1988年之前时间系数基本为负值，1988—1998年几乎为正值，且异常更强，1998—2008年基本为负值，异常强度也明显减小，呈10 a左右周期振荡。表明1988—1998年间北太平洋中西部MLD显著加深，其余海域MLD显著变浅，1988年之前和1998年之后变化形势与此相反。

图3 北太平洋MLD标准化距平EOF分析第一模态特征向量 a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.3 The EOF first eigenvector for the MLD standardized departure fields over the North Pacific a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn

图4 北太平洋MLD标准化距平EOF分析第一模态时间系数序列(●为El Niño，○为La Niña)a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.4 The EOF first time series for the MLD standardized departure fields in spring over the North Pacific(● and ○ denote El Niño and La Niña，respectively) a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn

夏季MLD的EOF第一空间模态(图3c)与春季(图3b)相比，原先位于北太平洋中西部的正异常区域向北移动并扩展到白令海，除阿拉斯加湾北部外，整个北美沿岸几乎整个都为正异常。夏季MLD年际异常与ENSO事件存在一定关系(图4c)，当夏季处在El Niño事件期间，北太平洋中北部及东部MLD加深，中低纬变浅;La Niña事件期间与此相反。夏季MLD也存在一定年代际异常，即1998年以来以负异常为主。

秋季(图3d)，除北美沿岸、中东部低纬地区及中部个别区域外，北太平洋大部MLD呈正异常分布。该季MLD年际异常(图4d)与ENSO关系不密切，但其年代际异常特征也很明显，1992年以前以正值为主，之后主要为负值，表明在20世纪90年代以来，秋季北太平洋大部MLD呈偏浅趋势。

综上，北太平洋MLD年际异常空间模态存在一定季节差异，冬、春季节相似，与夏、秋季节差异较大，但总体而言，日期线附近的中部海域是MLD年际异常最显著的区域;仅夏季MLD年际异常与ENSO存在一定关系;秋、冬和春季MLD存在明显年代际异常特征。

4 北太平洋MLD与中国夏季降水年际异常相关关系

4.1 二者相关关键季节的确定

用北太平洋前秋、前冬、同年春季和同年夏季MLD异常EOF第一时间系数分别与中国夏季降水求相关(图5a—d)。可见，上年秋、冬季MLD与中国东部夏季降水相关显著区域较春、夏季更大，由此可确定影响中国夏季降水的关键季是前期秋、冬季。共同的特征是:河套地区、东北东部呈显著正相关;华北、江淮、华南为负相关区，长江以南负相关显著。

4.2 北太平洋MLD与中国夏季降水年际异常耦合模态

上节分析已知，前期秋、冬季是北太平洋MLD异常影响中国东部夏季降水的关键季，为进一步了解二者之间的耦合关系，分别将上年秋、冬、春和夏季标准化MLD距平与后期中国夏季降水距平进行SVD 分析(Bretherton et al.，1992;Wallance et al.，1992)，其第一模态协方差平方和贡献率分别为19.04%、19.90%、17.46%、16.67%，可见，前秋和前冬MLD与中国夏季降水第一模态的协方差平方和贡献率接近，明显大于同年春、夏季的值，这与上节所得关键季为秋、冬季一致。这里重点讨论协方差平方和贡献率最大的前冬MLD与中国夏季降水的SVD第一模态，前秋MLD(略)与中国夏季降水SVD第一模态特征与冬季类似。时间系数序列(图6c)呈现出明显年际异常特征外，也存在一定年代际异常特征，转折点约在1993—1994年间。结合图6a、b可知，当前冬北太平洋西部及30～40°N之间的中部海区混合层深度加深，东北部及东南部变浅时，相应夏季河套地区、内蒙东部、东北大部及广西南部降水偏多，黄河下游部分地区及其以南中国东部大部分地区降水偏少。

图5 各季MLD的EOF第一时间系数与中国夏季降水时滞和同期相关分布(阴影区为通过置信度为0.1的显著性检验，深色为正值，浅色为负值) a.上年秋季;b.上年冬季;c.同年春季;d.同年夏季Fig.5 The time－lagged and contemporaneous correlation between the MLD EOF first time series of(a)the previous autumn，(b)the previous winter，(c)this spring and(d)this summer and precipitation in China in summer(Shaded areas denote the significance at 99%confidence level;dark(light)－color indicates positive(negative)values)

图6 前冬MLD与夏季降水的SVD第一模态 a.前冬MLD场;b.夏季降水场;c.时间系数Fig.6 The SVD first pattern between the MLD over the north Pacific in the previous winter and summer precipitation standardized anomaly(solid(dashed)line indicates precipitation(MLD)and corresponds to the left(right)axis) a.MLD in the previous winter;b.precipitation in summer;c.time series

综上，当前冬北太平洋西部及中部MLD加深时，夏季黄河下游部分地区、黄河下游部分地区、黄淮、江淮及长江以南大部分地区(广西南部除外)降水将偏少;河套地区、内蒙东部及东北大部降水可能偏多。这一信号对中国汛期降水预测具有一定参考价值。另外，20世纪90年代初期左右以来，前冬北太平洋中部MLD呈变浅趋势，次年夏季黄河以南的中国东部大部地区降水呈偏多趋势。

5 结论

本文分析了北太平洋MLD多年平均气候及异常特征季节变化基础上，进一步研究了MLD与中国夏季降水年际异常相关关系。结果表明:

1)北太平洋MLD大致呈纬向分布，高值区主要位于北太平洋低纬地区(30～40°N)，冬季最深、夏季最浅;该区域也是MLD高变率带，终年存在;冬、春季远大于夏、秋季;40～50°N终年变率小、季节变化也小。

2)北太平洋MLD年际异常空间模态冬、春季相似，与夏、秋季差异较大。日期线附近的中部海域是MLD年际异常最显著的区域;仅夏季MLD年际异常与ENSO存在一定关系;秋、冬和春季MLD存在明显年代际异常特征。

3)秋、冬季混合层深度异常对来年夏季中国东部夏季降水有显著影响。当前冬北太平洋西部及中部MLD加深时，次年黄河下游部分地区、黄淮、江淮及长江以南大部分地区(广西南部除外)降水将偏少;河套地区、内蒙东部及东北大部降水可能偏多。这一信号对中国汛期降水预测具有一定参考价值。另外，20世纪90年代初期以来，前冬北太平洋中部MLD呈变浅趋势，后期夏季黄河以南的中国东部大部地区降水呈增多趋势。

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