史良，丁瑞強，巢婧華

（1.蘭州理工大學(xué)理學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京100875；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225）

1 前言

西 太平洋暖池（Western Pacific Warm Pool，WP）是全球大洋表層水溫最高的海域，其海表溫度常年維持在28 ℃以上，是全球大氣運動最主要的熱源地。該區(qū)域的海溫異常變化對全球的天氣和氣候有重要的作用[1-5]，因此對于WP 的研究一直都是大氣科學(xué)界的重要課題。通過近幾十年來的研究，學(xué)界對WP 的認識已經(jīng)取得了很大的進步。例如：有學(xué)者研究了影響WP 季節(jié)變化的動力機制，他們指出大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO）、西太平洋短波輻射和潛熱通量、海表面風(fēng)場等是WP 季節(jié)內(nèi)變化的主要驅(qū)動機制[6-7]。同時，也有一些學(xué)者針對WP的季節(jié)變化對天氣和氣候帶來的影響展開了研究。他們認為WP在維持暖異常狀態(tài)的同時隨季節(jié)的向東擴展，以及暖池次表層海溫暖（冷）異常和海表面風(fēng)應(yīng)力的相互作用是導(dǎo)致厄爾尼諾與南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）發(fā)生和發(fā)展的一個必不可少的條件[8-11]。另外，有學(xué)者分別對ENSO 不同位相時期的西太暖池重心位置及偏移也做了定量研究，指出El Ni?o 時期，西太平洋暖池重心偏東；而La Ni?a 時期，重心則偏西，其南北差異并不明顯[12]。除此之外，WP 也對中國華南前汛期降水、東亞夏季風(fēng)和副熱帶高壓有重要的影響[13-17]。

因為WP 的季節(jié)內(nèi)變化會對天氣和氣候產(chǎn)生重要影響，那么，提供可靠的前期信號來預(yù)測西太平洋暖池面積（Western Pacific Area，WPA）的范圍變化趨勢和東邊界（Western Pacific Eastern Boundary，WPEB）位置的變化，對于政府制定相應(yīng)的預(yù)防政策就顯得格外重要。最近有研究指出，北太平洋維多利亞模態(tài)（Victoria Mode，VM）[18,19]是海洋對前冬北太平洋濤動（North Pacific Oscillation，NPO）[20]強迫的海溫延遲響應(yīng)，其強度在北半球春季達到最大。VM 還充當了海洋橋的作用，通過季節(jié)足跡機制（Seasonal Footprinting Mechanism，SFM）[21]、風(fēng)-蒸發(fā)-海表溫度反饋機制（Wind-Evaporation-Sea Surface Temperature，WES）[22]以及緯向風(fēng)充電機制（Trade-Wind Charging，TWC）[23]在夏季赤道中太平洋產(chǎn)生異常暖海溫，同時在西赤道太平洋激發(fā)西風(fēng)異常，進而影響接下來冬季ENSO 的發(fā)生和發(fā)展。VM 對ENSO 的前期影響主要集中在赤道太平洋西部和中部，而中西赤道太平洋正是WP的主要區(qū)域，因此我們猜想：VM 是否會對WPA 的擴展以及WPEB的緯向運移產(chǎn)生影響？如果有，那具體影響過程是怎樣？造成這種影響的主要物理機制又是什么？

本文針對近69 a（1950—2018 年）VM 對WP 表層暖水（≥28.5 ℃）面積的擴展和邊界的緯向運移的影響進行研究，嘗試揭示出VM 在WPA 的擴展和WPEB 位置的變化過程中扮演的角色和所起的作用。這些結(jié)果將有助于提升人們對WP 的了解，以及對其影響的預(yù)估。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)介紹

本文所用觀測資料時段為1950—2018 年，共69 a。主要包括以下幾部分：

（1）海表溫度資料為英國氣象局哈德萊中心（Hadley Centre）的HadISST 資料，水平分辨率為1°×1°[24]；

（2）中國科學(xué)院大氣物理研究所（Institute of Atmospheric Physics，IAP）提供的次表層海溫資料，水平分辨率為1°×1°，海溫要素在垂直高度從1～2 000 m共分41層[25]；

（3）美國大氣研究中心/美國國家環(huán)境預(yù)報中心（Nation Center for Atmospheric Research/National Centers for Environmental Prediction，NCAR/NCEP）逐月表面風(fēng)場資料，水平分辨率為2.5°×2.5°[26]。

2.2 西太平洋暖池指數(shù)

參考前人的研究，本文定義在120°E～110°W，20°S～35°N 區(qū)域范圍內(nèi)，28.5 ℃等值線所包圍的面積作為WPA（單位為：106km3）的范圍，并且在計算過程中考慮了權(quán)重因素[2,8-11,17,27]。為了避免由于季節(jié)變動對暖池帶來的影響，本文選取赤道太平洋海域（5°S～5°N）內(nèi)各經(jīng)線上的平均SST，確定WPEB的表層經(jīng)度位置，從而計算得到WPEB 的時間序列[11]。文中計算的WPA 指數(shù)和WPEB 指數(shù)均去除長期趨勢。

圖1 所示是氣候態(tài)（1981—2010 年）WP 的季節(jié)演化過程，結(jié)果表明WP擁有明顯的季節(jié)性變化。在春季（2—4月，F(xiàn)MA，見圖1a）與冬季（11—1月，NDJ，見圖1d），WP 的空間緯向位置基本維持在15°S～10°N 之間擺動。在經(jīng)向上，WP 春季的跨度大于冬季的跨度，WPEB 位置更偏東一些。在夏季（5—7月，MJJ，見圖1b）和秋季（8—10 月，ASO，見圖1c），WP 位置出現(xiàn)北移，經(jīng)向基本在15°S～25°N 之間，WPEB 偏西，尤其是ASO 季節(jié)。這些結(jié)論與前人的研究結(jié)果一致[2,8-11,17,24,27]。

2.3 VM指數(shù)

根據(jù)Bond 等[18]和Ding 等[19]的研究，本文采用經(jīng)驗正交分解方法（Empirical Orthogonal Function，EOF），將北太平洋（124.5°E～100.5°W，20.5°～65.5°N）異常海表溫度分解得到前兩個模態(tài)。第一模態(tài)（EOF1）為太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO，見圖2a），解釋方差為24.7%，對應(yīng)的時間系數(shù)（PC1）為PDO 指數(shù)（見圖2c）；第二模態(tài)（EOF2）定義為維多利亞模態(tài)（見圖2b），解釋方差為12.2%。VM 的空間結(jié)構(gòu)主要是東北-西南方向的偶極子結(jié)構(gòu)，且其對應(yīng)的時間系數(shù)（PC2）定義為VM 指數(shù)（Victoria Mode Index，VMI，見圖2d）。PCs的時間序列在本文研究中均做了標準化處理。為了研究VM 對WP 的具體影響，本文將VM 事件按照FMA 3 M 的平均指數(shù)（FMA VMI）的大小進行分類（見表1）：春季3 M 平均的VMI≥1 倍標準差的年份定義 為強VM 年，將0.5≤VMI＜1 和-1＜VMI≤-0.5 的年份定義為弱VM 年，-0.5＜VMI＜0.5 的年份定義為中性年。

圖1 西太平洋暖池氣候態(tài)（單位：℃，1981—2010年）的季節(jié)演化過程和WPA指數(shù)（去除長期趨勢，單位：106km3）

圖2 EOF分解北太平洋SSTA逐月資料得到的前兩個模態(tài)

表1 VM事件年分類

根據(jù)VM 事件年的分類（見表1），并結(jié)合相關(guān)分析、合成分析和線性回歸等統(tǒng)計方法進行分析。文中采用T檢驗法檢驗計算得到的相關(guān)系數(shù)的顯著性，采用交叉檢驗法（留一法）檢查建立預(yù)測線性模型的穩(wěn)定性。

3 結(jié)果分析

3.1 VM與西太平洋暖池范圍演化關(guān)系

根據(jù)表1 對VM 事件的分類，將SST 再分析資料進行合成分析，結(jié)果如圖3 所示。正位相且強度較強的VM 發(fā)生時，F(xiàn)MA 時期WP 范圍相對同期氣候態(tài)偏小；隨著季節(jié)的演化，WP 的范圍逐漸擴大且大于同期氣候態(tài)的情況，并在ASO 時期范圍達到最大，同時WPEB 緯向運移到140°W 附近；冬季（10—12 月，OND；12—2 月，DJF）WP 范圍相較ASO 開始逐漸縮小，但依舊大于同期氣候態(tài)的范圍。相反，負位相且強度較強的VM 發(fā)生時，F(xiàn)MA 時期WP 的范圍大于同期氣候態(tài)情況，但隨著季節(jié)演化，WP 的范圍相比同期氣候態(tài)范圍都偏小，WPEB 的位置跟同期氣候態(tài)相比更偏西。

為了進一步了解VM 事件對WP 范圍擴展和WPEB 緯向運移的影響，圖4 給出了不同VM 事件發(fā)生情況下，西太平洋次表層海溫緯向平均（5°S～5°N）后合成分析得到的結(jié)果。結(jié)果表明：強的正位相VM 事件發(fā)生時，F(xiàn)MA 期間28.5 ℃等溫線在145°～170°E 范圍內(nèi)低于同期氣候態(tài)的深度，也就是說其范圍較氣候態(tài)偏大；但隨著季節(jié)的演化，28.5 ℃等溫線在西太平洋逐漸開始抬升，同時向東運移，在OND 東移范圍達到最大，至160°W 附近；之后，28.5 ℃等溫線在DJF開始回撤，向西傳輸。反之，強的負位相VM 發(fā)生時，F(xiàn)MA 時期28.5 ℃等溫線在西太平洋深層位置相對于同期氣候態(tài)的情況偏深，東側(cè)等溫線與同期氣候態(tài)位置基本一致；隨著季節(jié)演化，西太平洋深層位置的28.5 ℃等溫線開始下沉，深度低于同期氣候態(tài)的情況，其東邊界也隨著西側(cè)等溫線的下沉開始逐漸向西運移，并在ASO 范圍達到最大，之后開始逐漸縮小?；谏鲜龇治?，我們發(fā)現(xiàn)WP 對不同情況下的VM 有不同的響應(yīng)；且WP 的響應(yīng)擁有不對稱性的關(guān)系。以上分析只介紹了VM 強度較強時WP 的變化特征，本文同時也分析了在VM 事件強度較弱和中性時WP 范圍和WPEB 變化特征，這里并未用圖說明，詳細內(nèi)容在章節(jié)3.2中介紹。

3.2 不同強度的VM對WPA和WPEB的影響

上述合成分析結(jié)果表明，WP 的范圍和WPEB的位置對不同強度和位相的VM 事件會產(chǎn)生不同的響應(yīng)。為了量化分析WP 不同的響應(yīng)程度，我們將FMA VMI 和WPA/WPEB 3M 的滑動平均指數(shù)進行了滑動相關(guān)分析。圖5可以看出，F(xiàn)MA VMI與WPA指數(shù)在FMA 有負相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)并不高，這與圖3 得到的同期范圍相對于氣候態(tài)偏小的結(jié)果一致。從AMJ 開始，兩個序列的相關(guān)關(guān)系逐漸增強（R=0.21，90%的顯著性水平），這種相關(guān)關(guān)系隨著超前時間的前移，一直處于增強階段，在DJF（+1）前基本處于0.4以上（99%顯著性水平）；到次年FMA、AMJ時，相關(guān)系數(shù)達到最高（R=0.53；99%顯著性水平），且這種強的正相關(guān)關(guān)系可以持續(xù)到次年ASO（R=0.35，99%顯著性水平）。另外，VM 與WPEB 也擁有很強的超前相關(guān)關(guān)系，這種高的相關(guān)關(guān)系可以從JJA（0）一直持續(xù)到JJA（+1），且相關(guān)關(guān)系在此期間均超過99%顯著性水平。同時，F(xiàn)MA VMI與WPEB的相關(guān)系數(shù)高于FMA VMI與WPA的相關(guān)系數(shù)。值得注意的是，F(xiàn)MA VMI 與WPEB 的相關(guān)在DJF 和JFM 期間達到最大（R=0.57，99%的顯著性水平），達到最高的相關(guān)時間超前VM 與WPA 一個季度左右。因此我們可以得出結(jié)論，從FMA VMI與WPEB的位置關(guān)系可以超前一個季度判斷WPA 范圍變化趨勢。這些結(jié)果進一步證明了圖1 和圖2 中分析得到的結(jié)果的正確性。這種超前的相關(guān)關(guān)系表明，可 以 通過FMA VMI 提前3～10 M 對WPA/WPEB的變化趨勢進行有效預(yù)測（詳見3.4節(jié)），而對WPA 大小的有效預(yù)測將會為因WPA 變化而導(dǎo)致的影響的預(yù)估提供理論依據(jù)。另外，因為VM 與WPEB 的峰值相關(guān)關(guān)系超前VM 與WPA 的峰值相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性更高，因此也可以通過VM 與WPEB 的關(guān)系更早地判斷WPA 范圍擴展的變化情況。

圖5 FMA VMI與WPA/WPEB 3M平均指數(shù)滑動相關(guān)的相關(guān)系數(shù)（橫虛線分別代表90%和99%的顯著性水平）

為了更詳細的了解不同情況下VM 對WP 和WPEB 的影響的不對稱性，我們對VM 不同強度和位相情況下，WPA 和WPEB 去除長期趨勢后的指數(shù)變化進行了3 M的滑動平均并進行比較。結(jié)果顯示在強VM 事件下（見圖6a），VM 正位相時，WPA 在4月后出現(xiàn)正異常，即大于同期氣候態(tài)的面積水平；隨著季節(jié)的變化，WPA 在處于正異常的同時一直增長，并在季節(jié)ASO 達到異常最大（7.58×106km2）；之后開始慢慢縮減，到冬季DJF（+1），出現(xiàn)大約2 M的負異常（即：小于同期氣候態(tài)的面積水平）之后，重新回到正異常。而在VM 負位相時，WPA 在季節(jié)AMJ—SON（9—11 月）期間，面積大于同期氣候態(tài)，之后便開始減小，在次年FMA時，異?？s減至最小值（-3.51×106km2）。我們還發(fā)現(xiàn)當VM 事件強度為弱時（見圖6b），在北半球的夏季和秋季，WPA異常在VM 暖位相時（2.93×106km2）小于VM 冷位相（3.62×106km2）；而在春季和冬季W(wǎng)PA 的異常值為暖位相大于冷位相（見圖6b）。在VM 強度為中性時（見圖6c），WPA的異常值變化相對不大。不過值得注意的是，在VM 強度較弱和中性時，WPA 異常值的演化趨勢基本保持一致。

圖6d—f 分別表示了不同VM 強度和位相情況下WPEB 的經(jīng)度位置。從圖6d中可以看出，正位相且強度較強的VM 年發(fā)生時，WPEB 的位置除了在JJA—ASO 期間出現(xiàn)相對西傳的現(xiàn)象之外，其余季節(jié)均處于東傳，并在FMA（+1）時可以向東運移到150°W。VM 負位相時，WPEB 的運移與正位相時相反并顯示出不對稱性，在DJF（+1）向西運移到175°W，之后開始東傳。值得注意的是，在弱VM 事件情況下（見圖6e），WPEB 的位置在VM 負位相時較VM 正位相更偏東。VM 強度為中性時，WPEB 的位置在VM正位相時緯向運移的范圍（163°～150°E）比VM 負位相時（167°～140°E）偏小。但這兩種情況下WPEB 隨季節(jié)變化的趨勢基本保持一致，WPEB 的位置變化也與WPA 的變化相一致。本文只分析VM 對WPA 和WPEB 的影響結(jié)果，而造成WPEB 緯向運移不對稱性的原因?qū)诤罄m(xù)的工作中進行研究，這里不做討論。

3.3 VM影響WP的機制探討

不同強度和不同位相的VM 模態(tài)會對WPA 的擴展和WPEB 的緯向運移產(chǎn)生不同的影響，而這種不同的影響導(dǎo)致的氣候變化和異常也會不同。接下來我們通過FMA VMI、SST 以及表面風(fēng)場異常值的3M 平均數(shù)據(jù)的超前滯后空間相關(guān)來分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因。圖7 顯示，F(xiàn)MA VMI 與WP 區(qū)域前冬OND（-1）表面異常海溫（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）有明顯的正相關(guān)關(guān)系，這種正相關(guān)范圍在AMJ（0）時覆蓋整個中赤道太平洋。而這種正相關(guān)表明VM 會使此處產(chǎn)生異常暖海溫，進而加深赤道SST 緯向梯度，增強緯向風(fēng)應(yīng)力異常，從而加強對流，推動WP 擴展。隨著海溫的季節(jié)演化，由于異常暖海溫向東傳播，西太平洋產(chǎn)生異常冷海溫，進一步增強這種海溫梯度的正反饋作用，從而使WPA范圍繼續(xù)擴大，而WPEB更加?xùn)|移。最終導(dǎo)致接下來的冬季DJF（+1）產(chǎn)生El Ni?o 事件。同樣我們從春季VMI 與表面風(fēng)場的空間相關(guān)也可以得出同樣的結(jié)果，春季VM 會在前冬DJF（0）的WP 區(qū)域引起緯向異常西風(fēng)，而這種緯向異常西風(fēng)的產(chǎn)生又會增強赤道東傳Kelvin波，提高Bjeknes正反饋[28]的作用，進一步促進表層異常暖水向東傳播，使WP范圍擴大，東邊界向東運移。

為了進一步了解VM 對WPA 范圍擴展和WPEB緯向運移的機制，將春季的VMI與緯向（5°S～5°N）平均之后的次表層異常海溫做了3 M滑動相關(guān)分析，如圖8 所示。從圖中我們可以看到，前冬OND（-1）時兩者在西太平洋次表層有明顯的正相關(guān)；在FMA 時這種正相關(guān)隨著季節(jié)演化由弱變強，范圍也由深層擴展到表層。在赤道表層異常風(fēng)應(yīng)力的作用下，西太平洋溫躍層抬升，暖水沿著溫躍層移動，由次表層海溫逐漸向表層傳播，這種次表層異常暖水由深層向表層傳輸?shù)某潆娺^程[29]，進一步增加了WPA范圍的擴大和WPEB在緯向東移，從而為形成El Ni?o 提供良好的條件。因此，VM 影響WPA 范圍的擴展和WPEB 的緯向運移主要分兩個方面：（1）春季VM 會影響西赤道太平洋緯向風(fēng)應(yīng)力，從而產(chǎn)生異常西風(fēng)，并通過季節(jié)足跡機制在夏季使赤道中太平洋產(chǎn)生異常暖海溫，增加緯向SST梯度，促進暖水隨著海洋Kelvin 波向東傳播，進而使WPA 范圍擴大和WPEB 東移；（2）春季VM 會促進西太平洋次表層暖水隨著季節(jié)的演化由次表層傳向表層，從而使太平洋表層海溫升高，增加WPA范圍，并使WPEB更加向東運移。

3.4 預(yù)測模型

上述分析得到FMA VMI 與MAM（+1，3—5月）WPA 指數(shù)以及JFM（+1，1—3月）WPEB 指數(shù)都有很好的相關(guān)關(guān)系。考慮到這種緊密相關(guān)關(guān)系，本節(jié)通過利用FMA VMI 建立線性回歸統(tǒng)計模型來對MAM（+1）WPA 和JFM（+1）WPEB 指數(shù)進行預(yù)測，具體如下：

式中：a1、a2分別是最小二乘法系數(shù)。為了檢驗上述兩個預(yù)測模型的預(yù)測技巧，我們分別將模型回報與預(yù)測的結(jié)果同觀測值進行相關(guān)分析。其中模型（1）用FMA VMI 建模的回報和預(yù)測MAM（+1）WPA 指數(shù)與觀測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.52 和0.59，且都通過99%的顯著性水平檢驗（見圖9a），表明模型具有比較高的預(yù)測技巧。同樣，模型（2）的回歸和預(yù)測JFM（+1）WPEB 指數(shù)與觀測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.57 和0.59，且都通過99%的顯著性水平檢驗（見圖9b）。這些都證明我們建立的預(yù)測模型能夠超前1 a左右對WPA和WPEB的變化趨勢進行預(yù)測并擁有很好的預(yù)測技巧。

圖7 去除前冬DJF（-1）平均的Ni?o34指數(shù)的FMA（0）VMI分別與3M平均的SST（填色）和U/V風(fēng)場（矢量圖）的超前滯后的相關(guān)空間圖（超過95%的顯著性水平檢驗）

圖8 去除前冬DJF（-1）平均的Ni?o34指數(shù)的春季FMA（0）平均VM指數(shù)分別與3M平均的次表層海溫

圖9 FMA VMI線性回歸統(tǒng)計模型指數(shù)預(yù)測的時間序列（回歸建模時間段為1950—2000年，

圖10 用FMA VMI（0）指數(shù)進行交叉檢驗回報指數(shù)與觀測時間序列（***代表通過99%的顯著性檢驗水平）

我們采用了交叉檢驗法（留一法）對模型的穩(wěn)定性進行評估。結(jié)果顯示（見圖10），用FMA VMI進行交叉檢驗后的指數(shù)與WPA 和WPEB 的觀測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.58 和0.57，且都通過99%的顯著性檢驗水平。這些結(jié)果表明本文建立的預(yù)測模型具有很好的穩(wěn)定性，對氣象學(xué)界針對WPA 和WPEB的預(yù)測有很好的幫助。

4 結(jié)論

本文利用1950—2018 年HadISST 資料和IAP次表層海溫資料，分析了不同強度和不同位相的VM 對WPA 范圍的擴展和WPEB 緯向運移的影響。結(jié)果表明：

（1）VM 對WPA 的擴展和WPEB 的東移在AMJ（0）—AMJ（+1）都有很強的正相關(guān)關(guān)系，并在MAM（+1）相關(guān)達到最高。對WPEB 的影響主要是緯向運移，而非經(jīng)向擺動。

（2）VM 與WPEB 的峰值相關(guān)系數(shù)在數(shù)值上高于VM 與WPA 的峰值相關(guān)系數(shù)，且VM 與WPEB 相關(guān)系數(shù)的峰值時間超前VM 與WPA 相關(guān)系數(shù)的峰值一個季度左右。因此，通過VM 與WPEB 的關(guān)系可以進一步預(yù)測WPA范圍變化的趨勢。

（3）隨著VM 位相和強度的變化，其對WPA 和WPEB 的影響擁有不對稱性。當VM 處于正位相且強度較強時，對WPA 范圍的擴展有明顯的促進作用，并在ASO 達到面積最大，同時對WPEB 的東移有正反饋的作用；當VM 處于正位相但強度較弱或中性狀態(tài)時，WPA 和WPEB 的演化特征與氣候態(tài)的情況保持一致。反之，當VM 處于負位相且強度較強時，會抑制WPEB 向東擴展而反向運移，從而導(dǎo)致暖池面積小于同期氣候態(tài)的情況；當VM 處于負位相但強度較弱或中性狀態(tài)時，對WPA 面積和WPEB 緯向擴展影響不明顯，但相較VM 正位相時，WPA范圍略大、WPEB位置偏東。

（4）VM 可以通過引起赤道中太平洋異常暖海溫和西赤道太平洋異常西風(fēng)、加大赤道SST 梯度、增強赤道對流、促進Bjeknes正反饋，從而使WPA范圍擴大，WPEB位置東移。

（5）通 過FMA VMI 指 數(shù) 建 立 的 對WPA 和WPEB 的預(yù)測模型具有很好的穩(wěn)定性和高相關(guān)性，同時還可以提前1 a 左右對這兩個變量的變化趨勢進行有效預(yù)測。