淡水通量变化缩短了太平洋十年振荡的周期

《Dynamics of Atmospheres and Oceans》：Freshwater flux variability shortens the period of the Pacific Decadal Oscillation

　　

Xinyu Xia|Fukai Liu|Yiyong Luo|Zhuo Zhang|Xun Li

中国海洋大学物理海洋学国家重点实验室，中国青岛

摘要

自20世纪初以来，太平洋十年振荡一直是北太平洋变化的主要模式。然而，淡水通量对太平洋十年振荡的影响仍不清楚。通过使用CESM1进行完全耦合和部分耦合实验，我们发现激活交互式淡水通量可使太平洋十年振荡的周期缩短约14.2%。热量平衡分析表明，这种周期缩短主要是由与向西传播的罗斯贝波相关的增强水平平流所驱动的。在太平洋十年振荡的相位转换期间，北太平洋中部和东部的负向淡水通量异常会直接抑制局部海面高度异常，并间接削弱上层海洋的层结，从而增强垂直混合并改变上层海洋的温度结构。这种调整会降低东部海域的海面高度强迫幅度，并使有效的罗斯贝波生成区域向西移动，进而缩短整个海域的调整距离，加速太平洋十年振荡的相位转换。这些结果凸显了此前未被充分重视的淡水通量变化在决定太平洋十年振荡时间尺度中的作用，同时也强调了为研究低频气候变化而建立真实的海洋-大气淡水耦合模型的必要性。

引言

太平洋十年振荡是北太平洋地区最主要的 climate模式，通常被定义为北纬20度以北海面温度异常的领先经验正交函数模式（Mantua等人，1997年）。太平洋十年振荡呈现出马蹄形分布特征：其正相位表现为北太平洋中部和西部气温下降，而北美洲西海岸及向热带地区的气温则上升（Newman等人，2016年）。在负相位时，这种分布模式则发生反转。观测数据显示，太平洋十年振荡的周期通常在15到25年之间（Fang等人，2014年；Geng等人，2019年），而建模研究则指出其中还存在多十年的周期成分（Minobe，1997年）。太平洋十年振荡对全球气候有着重要影响，它决定了太平洋盆地乃至更广泛区域的温度、降水量和环流模式（Frederiksen等人，2021年）。例如，自20世纪10年代以来，太平洋十年振荡的正相位可能加剧了北极地区的升温现象（Svendsen等人，2018年），而负相位则可通过激发夏季深层对流，导致后续年份出现拉尼娜现象（Tang等人，2024年）。此外，太平洋十年振荡还会影响海洋热浪的强度和持续时间（Ren等人，2023年）、蒙古高原及中国的极端气候事件（Cai等人，2024年；Wang等人，2025年），以及厄尔尼诺-南方涛动现象（Alexander等人，2002年；Zhao等人，2021年），同时还会影响整个盆地的海洋环流（Maher等人，2022年）。

太平洋十年振荡的形成是大气过程和海洋过程相互作用的结果（例如Alexander，2010年；Newman等人，2016年）。从大气角度而言，北太平洋地区的变化与阿留申低压有关，后者是冬季温带大气环流的一个主要特征。阿留申低压的强度和位置变化会显著影响太平洋十年振荡的振幅和持续时间（Gan等人，2017年）。例如，如果阿留申低压向南移动，就会增加太平洋十年振荡的振幅和持续时间（Wang等人，2012年；Yim等人，2015年）。此外，赤道太平洋地区的海面温度升高会引发松野-吉尔响应，进而影响阿留申低压的变化，最终也会影响太平洋十年振荡（Johnson等人，2020年）。还有研究表明，大西洋也会对太平洋产生跨盆地影响（Cai等人，2019年）。赤道大西洋的变化可通过沃克环流及相关的大气桥作用影响太平洋（Hong等人，2022年；Xu等人，2025年），而北大西洋的海面温度异常则可能激发延伸至北太平洋的罗斯贝波列（Johnson等人，2020年）。

海洋动力学也在太平洋十年振荡的变化中起着重要作用。许多研究都强调了向西传播的罗斯贝波在调节太平洋十年振荡中的作用（Li等人，2020年）。Zhang和Delworth（2015年）利用地球物理流体动力学实验室的气候模型研究表明，罗斯贝波可通过亚极地和亚热带路径影响中纬度地区的海面温度变化，从而形成三极型的海面温度异常模式。这种模式会在中纬度地区引发异常的风应力，进而产生更多的罗斯贝波，最终再次反馈到太平洋十年振荡中。另一种机制是与混合层再浮现过程相关。冬季的海面温度异常会深入到混合层以下的深层混合层中，在夏季期间与大气强迫隔绝，而在随后的秋季和冬季，随着混合层深度的增加，这些异常又会重新被卷入混合层中（Alexander和Deser，1995年；Murata等人，2020年）。这一过程有助于维持海面温度异常，进而为太平洋十年振荡提供低频记忆效应（Newman等人，2016年）。

尽管对这些机制已有大量研究，但关于淡水通量变化在调节太平洋十年振荡中的作用却鲜有探讨。淡水通量通过对海面盐度、浮力通量、海洋密度和层结的影响，对上层海洋状态起着至关重要的作用。淡水通量的变化会直接改变表面浮力通量和盐度，进而影响海洋密度、层结以及混合层深度（Kang等人，2017年；Li和Luo，2019年；Gao等人，2020年），最终影响海面温度（Zheng和Zhang，2015年；Ye等人，2023年）。人们已经认识到淡水通量在调节从年际到数十年的气候变化中的作用。例如，Zhang和Busalacchi（2009年）在混合耦合模型中发现，淡水通量效应会增强厄尔尼诺-南方涛动的振幅。Gao等人（2020年）进一步认为，这种影响主要源于淡水通量对海面盐度的影响，而非浮力通量。此外，Liu等人（2022年）还发现，淡水通量效应可以延长大西洋经向翻转环流的低频变化周期。然而，尽管已有这些研究成果，淡水通量在调节太平洋十年振荡中的作用仍然基本未被探索。

在本研究中，我们采用了部分耦合的建模框架，以分离出淡水通量对太平洋十年振荡的影响。我们的研究结果表明，活跃的淡水通量效应会使太平洋十年振荡的周期缩短约14.2%，这一效果是通过在相位转换期间将罗斯贝波的生成区域向西移动实现的。本文的其余部分结构如下：第2节介绍模型配置和实验设计；第3节探讨淡水通量在调节太平洋十年振荡中的作用及其背后的机制；第4节总结本研究的主要发现。

章节要点

模型与实验

我们使用了美国国家大气研究中心的社区地球系统模型1版本（CESM1），该模型的分辨率设置为gx1v6级别。CESM1由社区大气模型5版本（CAM5）和社区陆地模型4版本（CLM4）组成，两者的水平分辨率均为2°，其中CAM5在30个不均匀的垂直层次上进行离散化处理。海洋模块（Parallel Ocean Program版本2）和海冰模块（Community Ice CodE）则采用不规则的1°水平网格结构，而海洋模块

淡水通量效应导致的太平洋十年振荡周期缩短

图1c展示了CPL和FWFIX两种情况下太平洋十年振荡指数的功率谱，这些功率谱经过了带通滤波，以便重点分析十年尺度上的变化。在CPL情况下（蓝色曲线），功率谱的峰值出现在16年和10年左右，其数值超过了随机噪声背景值，表明存在具有统计意义的十年尺度变化，且与观测到的太平洋十年振荡功率谱一致（图1d）。这一一致性体现了CESM1在捕捉太平洋十年振荡主要十年尺度方面的准确性。相比之下，

结论与讨论

在本研究中，我们通过使用完全耦合和部分耦合的CESM1模型实验，来分离出淡水通量对太平洋十年振荡的影响。在不存在淡水通量变化的情况下，太平洋十年振荡的特征周期为14.1年。然而，当CPL模型中存在淡水通量效应时，太平洋十年振荡的周期会缩短14.2%，变为12.1年。混合层热量平衡分析表明，这种周期缩短主要是由与向西传播的罗斯贝波相关的水平平流差异所导致的。在相位转换期间

未引用参考文献

(Li Xiang, 2019, Wang et al., n.d)

CRediT作者贡献说明

Fukai Liu：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供、方法设计、概念构思。Xinyu Xia：撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、正式分析、数据整理。Zhuo Zhang：撰写——审阅与编辑、方法设计。Yiyong Luo：撰写——审阅与编辑、方法设计。Xun Li：撰写——审阅与编辑、方法设计。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42476008、42230405、42276007）、山东省自然科学基金项目（编号：ZR2024YQ013）、中央高校基本科研业务费（编号：202341016）以及崂山实验室科技创新基金（编号：LSKJ202202401）的支持。