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太平洋年代际振荡
NATHAN J. MANTUA1* and STEVEN R. HARE2
1University of Washington, Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Oceans,
Seattle, WA 98195-4235, U.S.A.
2International Pacific Halibut Commission, P.O. Box 95009, Seattle, WA 98195-2009, U.S.A.
摘要：
太平洋年代际振荡（PDO）曾被有些人形容为一个长期存在的厄尔尼诺模式的太平洋气候变化；而另一些人则认为其是两种有时独立且在北太平洋SST变化上有确切时空特征的一种混合。越来越多的证据表明，南半球的PDO影响有强烈的倾向性，在中纬度南太平洋、南美洲和澳大利亚具有重要的表面气候异常。一些独立研究在过去一个世纪里找到了两个PDO周期的证据：PDO冷位相在1890–1924和1947–1976盛行，而PDO暖相位于1925–1946和1977-1990年代中期左右。处于不用PDO位相的气候对自然系统有广泛影响，包括在美洲水资源和北太平洋的许多海洋渔业资源。虽然不同的指标重建有重要差异，但是从环太平洋珊瑚以及树轮为基础的气候重现表明：在一个不同时间尺度的范围内PDO的变化可以追溯到至少1600年。二十世纪的PDO脉动在两个周期内最具活力的，分别是1915-1925年及1950-1970年，然而引起PDO的变化的机制尚不清楚。到目前为止，在观测证据的方式来支持PDO的中纬度海气耦合相互作用几乎没有，虽然有几个很好的理解机制，促进北太平洋上层海洋温度持续多年的异常。
1、简介
来自太平洋盆地周围的气候记录包含了强大的年际到年代际变化的证据，在特殊情况下，具有非常大的尺度的空间相关性（NRC，1998）。厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）早已被认为是太平洋和全球热带半球尺度的年际气候变化的主要来源（Rasmussen and Wallace, 1983）。在20世纪最后20年里，虽然绝大多数的热带厄尔尼诺事件都不存在，但是热带太平洋处于几乎连续的厄尔尼诺状态。这种情况起源于1976 - 1977年的一个强烈异常的冬天，在1977年位相转移之后被称为“气候位相”。1977年的位相转化由Nitta and Yamada (1989) and Trenberth (1990)首先报道了太平洋气候变化，他们描述北太平洋冬季海平面压力场（SLP）平均台的逐步转变。Miller等人（1994）提供了对气候变化的第一次详细描述，并将1976/77北太平洋事件称为一次位相转变。
生物学家指出，19世纪70年代末北太平洋周围大部分生物群发生了巨变。Ebbesmeyer等人（1991）量化了40个“环境”（气候和生物学）变量的变化，表示了1976-1977年时间序列的统计学显著性。根据对北太平洋鲑鱼尤其是对近70年的捕捞历史的观察，提供了最有力的证据，表明北太平洋气候和北太平洋渔业在年代际变化之间存在明确的联系。在一系列的论文中，Francis and Hare专注于阿拉斯加鲑鱼生产及与气候的联系(Francis and Hare, 1994; Hare and Francis, 1995;Francis and Hare, 1997)，他们认为阿拉斯加鲑鱼的生产能最好的表征一个位相向另一个位相的过渡性破坏。
20世纪90年代时对太平洋年代际变化的描述和理解加速进行。Barnett 和Latif（1996）提出了观测低频变化与耦合海洋/大气模型模拟输出结果的比较，并提出了近20年周期性的太平洋年代际变化（PDV）机制。Zhang等人（1997）提供了一系列分析，探讨了年际与年代际时间尺度之间的太平洋气候变率之间的微妙空间差异。Mantua等人（1997）利用了快速发展的研究的成熟度，综合和推广了渔业，气候和水文气候研究的研究成果，并标注了太平洋年代际振荡（PDO）的主要模式。其他研究对PDO的研究使用了一些其他名称，例如：Power等人（1997，1999a）的年代际太平洋涛动（IPO）和Gershunov and Barnett的北太平洋涛动（NPO）（1998）。
研究表明：PDO与ENSO的三个主要特征：第一，二十世纪PDO“事件”持续了20〜30年，典型的ENSO事件持续了6〜18个月;第二，PDO的气候图谱在太平洋地区，特别是北太平洋/北美地区最为明显;第三，引起PDO变异的机制尚不清楚，而ENSO变异的原因则较为清楚 （Zhang等人，1997; Mantua等人，1997; NRC，1998）。
PDO由Hare和Zhang（1996）提出的PDO指数被Mantua等人沿用（1997），是从1900-1993年20°N以北的北太平洋海表温度月平均异常的EOF第一主分量（图一）。“残差”在这里被定义为观察到的异常与之间的差异月平均全球平均SST异常（见Zhang等人，1997）。
指数由 Hare (1996) and Zhang(1996)发展推进，也由 Mantua等人（1997）使用，是主导PC从非旋转EOF月分析，“剩余”的北太平洋海表面温度（SST）异常，极地为1900–1993年的记录（见图1下图）。“剩余”被定义为观测到的异常和月平均海温异常之间的差异（见张等人，1997）这个指标的一个显着特点是它的趋势是多年和多年的持续性，有几个突变的例子。根据各项研究，从1925年，1947年和1977年开始的符号变化被标记为政权转移（Hare和Francis，1995; Zhang等，1997; Mantua等，1997; Minobe，1997）。 这些及其他研究所提供的证据也表明，PDO变化对20世纪太平洋和北美部分地区对气候敏感的自然资源有重大影响。迅速增长的文章 有关PDV和PDO本质方面
随后的研究揭示了一些新的有关PDV和PDO本质方面的文章。越来越多的证据表明，变PDO变率模式在北半球和南半球的年代际气候变化中表现出强烈的对称性（例如，White和Cayan，1998; Garreaud和Battisti，1999; Dettinger等，2000），亚洲，北美，南美和中美洲以及澳大利亚也有响应。太平洋海洋生态系统方面表明太平洋鲑鱼生产和PDO的变化有很强的相关性（Beamish和Bouillon，1993；Beamish等，1999；Hare 等，1999），太平洋海鸟(Vandenbosch, ，2000），北太平洋中部和东部阿拉斯加鱼类和浮游动物生产（(Hollowed 等，1998；Francis 等，1998），以及阿拉斯加湾海洋物种组合（Anderson and Piatt，1999）。仪器数据重建扩展PDO记录回溯到1854年（Kaplan等，2000），和古气候重建也提供了延展，尽管有时候是矛盾的，PDV和PDO行为回到1600年的视图（参见Minobe, 1997; Evans等, 2000; Linsley等, 2000; Biondi等, 2001; Gedalof and Smith,2001）。
对PDV动力学的研究也有了大量的出版物，但此时的PDO行为机制仍然是神秘的（参见Miller和Schneider（2000））。尽管还有其他的奥秘，但近来有一些有利于多年持续存在北太平洋气候异常的机制的见解（Schneider和Miller，2001; Seager等，2001; Deser; Barsugli和Battisti，1998），表明在一到几年内对PDV可预测性前景乐观。
Mantua 等（1997）提出，PDO代表了一类特殊的PDV的首选空间格局的一系列变化的年代际尺度的定义。我们在这里认为PDV是强大的PDO模式的情况平衡地受到最近研究的结果的加强，尽管关于PDO的许多关键问题等待答案。是否存在首选的PDO的时间尺度是至关重要的，原因有几个，包括机制问题，如何理解这些机制应该有助于PDO的监测和预测系统的开发。不管PDO的可预测性如何，我们仍认为对PDO变异性的认识很重要，因为它清楚地表明：“正常”气候条件可以随着时间长短而变化，与人类生命的长短相当，持续一至几十年的气候异常 可能对生态系统和社会造成特别大的影响。
为简便起见，我们将在本文的其余部分仅提供PDO研究的选择性研究，这样做将省略许多有价值的研究成果。 我们在这里为这些遗漏表示歉意，但希望我们的调查为读者为PDO研究现状奠定坚实的基础。
2、PDO特征
2.1空间格局
典型的海洋表面温度，风，和海平面气压异常模式的PDO暖位相是在图1的顶部显示。在PDO暖位相时海表面温度（SST）往往是北太平洋中部异常偏冷，北美及阿拉斯加沿岸异常偏暖。对于11月至3月的平均值，PDO暖位相时期，海平面气压（SLP）异常低的压力在北太平洋导致逆时针增强的风，在北太平洋副热带高气压导致顺时针方向增强的风。在热带西太平洋低SLP在热带东太平洋的异常高的SLP，描绘了南方的振荡相对较弱的负相（Trenberth和Shea，1987）。北半球的PDO异常环流延续到对流层深度，在Wallace and Gutzle，1998描述的远程连接模式中表现得很好。从线性分析中，PDO冷位相的气候异常与暖位相相反。
图一
虽然变异的PDO模式已在文献中被广泛讨论的，更多的探索是关于了解PDV是非常活跃的研究领域。从已发表的文献有个重要的教训是明确的：不同的分析产生20世纪PDV的不同描述。一些研究发现，在图1所示的典型PDO模式中嵌入的北太平洋SST变异性不同的证据。Nakamura等（1997）检查了1968-1992年记录，通过低通滤波，并确定了两个独立的活动中心，一个涵盖夏威夷副热带锋北和围绕北极前定义黑潮/亲潮支线。Barlow等（2001）分析了1945-1993年期间的太平洋海表温度，并确定了一对不同的北太平洋SST模式，每个模式与Mantua等人的典型PDO模式空间相关（1997）。相反，Kaplan等（2000）应用最优插值方案为1854–1992年记录SST和SLP的数据，然后将PDO模式作为五年低通滤波全局域之间的第二种共同变异模式（主导模式 的共变性是一个趋势模式）。虽然这些结果产生了过去PDV的不同图片，但仍然有大量证据支持通常类似于（如果不是复制）典型的PDO模式的空间模式（参见Tanimoto等,1993; Graham, 1994; Trenberth and Hurrell, 1994; Latif and Barnett, 1994, 1996; Zhang, 1996; Hare, 1996; Mantua等, 1997; Minobe, 1997; Nakamura等, 1997; Enfield and Mestas-Nuntilde;ez, 1999; Folland等, 1999; Kaplan等, 2000; Barlow等, 2001; Tourre等,2001）。
2.2时间尺度的变异性
研究的目的是确定PDV的时间尺度的研究也产生了各种结果，再根据数据检查和分析方法。在一对密切相关的研究，minobe（1999，2000）将小波分析应用于冬季和春季北太平洋SST和SLP指标，发现PDO波动在15至25年和50年期间的周期性最强-70年乐队。 Chao等（2000）将奇异频谱分析应用于北太平洋SST变化的持续性指标，并发现15-20和近70年周期性振荡变化的证据。1Tourre等人（2001）采用多角度法/奇异值分解技术（MTM / SVD）来识别30°C至60°N的低频20世纪太平洋SST和SLP变化的相干模式。规范的PDO SST模式如图1所示。 Tourre等的空间格局明确地体现了图1，2001，年代际模式（具有峰值方差）在12到25年期间，并且有些类似于其十年模式（在9到12年期间具有峰值差异）（参见Tourre等,2001;图2）。
2.3古气候重建
为了更好的理解PDO的长期行为，一些研究报告了数百年后PDO相关气候变化的代理环境记录仪。Minobe（1997）使用了Fritts （1991）进行基于温度重建来将北美气温回溯到1600年。主要的EOF与识别PDO的仪器记录具有相同的50-70峰值周期。Biondi等（2001）使用南加利福尼亚州和墨西哥巴迦的水气强迫树的环状宽度，以创建到1661年的古代PDO时间序列; Gedalof和Smith（2001）使用了从加利福尼亚北部到阿拉斯加湾沿岸横断面的树环年表，将PDO指数重建到1600年。PDO指数与20世纪这两个主要气候信号呈正相关树状时间（图2，参见表1）。Gedalof和Smith（2001）确定了从1650年起PDO记录中的11个制度转变，最近一次发生在1976/77年。一个位相的平均时间为23年，他们认为在本世纪末期还会出现转变。虽然这两个树状时间序列捕获了Mantua等人的PDO指数的年代际变异性(1997)。Kaplan等人(2000)（图2），如果有任何对应关系,它们也表现出很少的时间。 这种情况需要进一步的调查，并且突出显示了通过多代理重建缩小工具前PDV的不确定性的机会。
图二
北美以外的PDO指数重建的结果也已经公布。 Evans等人（2000）从北纬北纬南纬研究了15个树状年龄，发现20世纪这些记录的一致性与PDO指数密切相关。 林斯利等人 （2000）审查了拉罗通加长寿珊瑚的Sr / Ca变异性，并在提取的珊瑚SST历史上发现了巨大的PDO信号，其时间尺度了跨越1726至1997年。最后两个代理记录是特别有利的，因为它们证实了强壮 PDO与热带和南半球气候的联系（Evans等，2001）。
3、PDO的影响
3.1表面气候
尽管通
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