第1章 绪论
　　大尺度海气相互作用是理解和预测全球气候变率的关键。目前，以厄尔尼诺-南方涛动（El Ni.o-southern oscillation，ENSO）为代表的热带海气相互作用理论已经发展得较为成熟，热带海气相互作用被认为是造成全球气候系统年际变率的主要原因（Bjerknes，1966，1969）。相比之下，中纬度海气相互作用的理论研究发展得较为滞后，早年的大多数研究认为中纬度海洋总是被动地响应大气强迫，后来的研究发现中纬度海洋也能够对大气产生影响，并非只有被动响应（Latif and Barnett，1994，1996），并且中纬度海气相互作用是年代际气候变率形成的主要原因（Fang and Yang，2011，2016）。
　　黑潮是沿着北太平洋西部边缘向北流动的一支强西边界海流，它具有温度高、盐度高、流速快、流量大、厚度大和流幅窄等特征。黑潮从北赤道发源，流经菲律宾群岛，在中国台湾东侧进入东海，之后经琉球群岛，再沿日本岛南部向东流去，其在日本岛以东的续流部分被称为黑潮延伸体（Kuroshio Extension，KE）。
　　KE是北太平洋西边界流系统的重要组成部分，该区域是海洋和大气动力过程*活跃的区域，具有*特的海气相互作用过程，也是影响整个太平洋乃至全球气候变化的关键区域。Wu等（2012）发现在全球变暖背景下，过去百年来全球升温*显著的区域主要集中在西边界流区，而在太平洋升温*显著的是黑潮及其延伸体流经海区，尤其是近几十年该区域升温速度是全球海洋平均升温速度的2～3倍，呈现出一种“热斑”效应。
　　KE海域上空既是天气尺度大气涡旋的主要活动区，又是大气的西风急流区，并存在显著的大气瞬变波活动，因而成为风暴能量增长*明显的“风暴轴”区域；该海区的海洋运动具有锋面弯*、涡旋、模态水潜沉乃至大尺度环流等不同空间尺度运动交融的特征；已有的研究和观测均显示，该区域存在强烈的海气交换，而且海气相互作用往往发生在多重时空尺度上，包含从天气尺度到年代际尺度和从锋面尺度到海盆尺度的所有变化。但是，目前国内外对上述不同尺度的海气相互作用过程，以及它们影响气候变化的物理机制均不甚清楚。与热带相比，中纬度海气相互作用理论尚不成熟。
　　因此，揭示KE海温和北太平洋风暴轴多尺度变化及其相互作用机制，对于丰富和完善中纬度多尺度海气相互作用理论框架以及促进气候变化研究等都具有重要的科学意义。
　　1.1 黑潮延伸体的多尺度变化
　　KE是黑潮从35°N、140°E附近与日本海岸分离进入北太平洋的部分，主要包括日本以东、第二岛链以西、 30°N～45°N的海区（Kawai，1972）。日本以东KE上游的主要特征是存在分别位于144°E和150°E的两个准稳定的弯*（Wyrtki，1975；Qu et al.，2001）。在159°E附近，KE与沙茨基海隆（Shatsky Rise）相遇后分成两支，主要路径变宽且其流动的瞬时结构常表现出多急流结构（Joyce，1987；Joyce and Schmitz，1988；Roden，1998）。国际日期变更线以东，KE和副极地海流间的区别不再清晰，它们共同形成宽阔且向东运动的北太平洋海流。
　　1.1.1 黑潮延伸体的大尺度变化
　　KE存在大尺度年际和年代际变化，尤其是年代际变化的主模态呈现稳定和不稳定双动力模态振荡特征。当KE系统处于不稳定态时，除涡动动能（eddy kinetic energy，EKE）水平加强和路径卷绕外，延伸体急流路经向北移，且南侧的回流趋向逐渐加强；而当KE系统转换为稳定态时，变化趋势则与不稳定态相反。有研究指出，KE内部较强的非线性作用可以在没有外强迫的情况下产生与观测类似的双模态变化（Pierini et al.，2009），并且这种大尺度双模态变化是风生Rossby波激发内部非线性海洋过程的结果（Pierini，2014；Yang et al.，2017）。由于KE的双模态变化与海表温度（sea surface temperature，SST）有关，因此，可以用SST的变化作为衡量其双模态变化的指标。Qiu（2007）对再分析资料进行功率谱分析发现，KE的SST变化主要呈现准10年的低频变化特征，这与阿留申低压活动的准10年变化存在关联性，并且阿留申低压南北移动能通过激发海洋Rossby波对KE的SST准10年变化产生显著影响（Sugimoto and Hanawa，2009）。例如，北太平洋气候系统在过去数十年间发生了数次明显的年代际变化，在20世纪70年代中期阿留申低压出现一次显著增强过程（Miller et al.，1994），相应地，KE和西北太平洋以及北太平洋的SST显著降低（Trenberth，1990）。Qiu等（2014）利用海表动力高度定义了一个表征KE大尺度双模态变化的动力指数，对该指数的变化特征分析表明，KE在20世纪70年代中期以后准10年周期的大尺度变化变得更为显著。
　　KE除在稳定和不稳定动力模态间振荡外，还存在伸展和收缩两个模态间的年代际转换。处于伸展模态时，延伸体具有较大的向东表层流量和更偏北的经向平均路径，此时其南侧对应着一个较强的回流流环。处于收缩模态时，延伸体具有较小的向东表层流量和更偏南的经向平均路径，此时其南侧对应着一个较弱的回流流环（Miller et al.，1998；Deser et al.，1999；Qiu，2003，2007；Taguchi et al.，2007；Ceballos et al.，2009）。
　　1.1.2 黑潮延伸体的中尺度变化
　　KE是北太平洋中尺度运动动能*高的区域，以大振幅弯*和丰富的涡旋为主要特征。该区域海洋涡旋的显著变化性吸引研究工作者开展了大量检验和量化KE中尺度时空变化特征的研究（Bernstein and White，1981；Mizuno and White，1983；Schmitz，1984；Schmitz and Holland，1986），包括冷暖涡环从KE弯*中的脱落过程、涡环/中尺度结构的相互作用以及KE弯*对涡旋再吸收等。随着海洋观测数据的积累，特别是高分辨率卫星遥感观测和大量海洋观测计划的实施，对KE区域中尺度过程的研究揭示了延伸体平均流对中尺度涡和弯*扰动传播的作用，发现雷诺应力（Reynolds stress）结构和正压转换过程对涡动动能具有调制作用，阐明了KE内涡旋场的季节、年际和年代际变化对KE大尺度和低频变化具有反馈作用（Yamagata et al.，1985；Jacobs et al.，1994；Waterman et al.，2011）。
　　对高分辨率卫星观测资料的应用研究还发现，KE主流轴北侧存在一个SST水平经向梯度的明显大值区，即KE海洋锋。海洋锋强度从西向东逐渐减弱，并呈现出明显的季节变化，受海表热通量季节变化的影响，海洋锋在冬季*强，在夏季*弱（Chen，2008）。对海洋锋位置变率的空间分布研究发现，在所有季节其位置的年际变率均在145°E附近*强（Wang et al.，2016）。在年际和年代际尺度上，海洋锋的强度与KE伸展与收缩双模态密切相关，当KE处于伸展模态时，海洋锋强度显著增强，*大可超过10℃/100km；而当KE处于收缩模态时，海洋锋强度则显著减弱（Chen，2008）。
　　KE从中尺度变化到年代际变异均对区域水团的形成和转化过程起到了重要的调制作用。例如，在KE处于收缩模态时，加强的涡旋变化携带混合水区高位涡水体向南输运，在回流流环区构建了一个稳定的上层海洋条件，而该稳定条件不利于冬季深对流和副热带模态水的形成（Qiu et al.，2007a；Sugimoto and Hanawa，2010；Oka et al.，2011）；另外，KE北部的涡旋和混合等中小尺度过程对北太平洋中层水的形成也起到了重要作用（van Scoy et al.，1991；Yasuda，1997；You et al.，2000）。
　　1.2 北太平洋风暴轴概述
　　1.2.1 风暴轴的定义
　　众所周知，中纬度逐日天气变化与移动的大尺度高低压系统紧密相关。因此，中纬度高低压系统的移动路径、发生频率以及平均强度等都是天气变化预报的关键因素，而将中纬度气旋和反气旋活动相对活跃的区域称为“风暴轴”。对风暴轴的研究*早可追溯至19世纪中后叶，Hinman（1888）通过追踪海洋表面气旋中心移动路径绘制了气旋活动频率分布图。这种通过追踪单个气旋中心移动，统计气旋发生频率、移动路径和加深速率等特征量来表征风暴轴的方法称为“拉格朗日”法，该方法与每日天气过程直接相关，从一开始的人工经验分析发展到如今的可客观识别和追踪（Ulbrich et al.，2009；Zhang et al.，2012）。随着20世纪70年代末大气格点资料的问世，出现了另一种从“波动”角度定义风暴轴的方法，即“欧拉”法。这种方法是利用时间滤波器对格点上的逐日资料进行带通滤波，得到天气尺度波动，将天气尺度位势高度方差、经向风方差、经向热通量或涡动动能的大值区等定义为风暴轴（Blackmon，1976；Blackmon et al.，1977）。相比于“拉格朗日”法，“欧拉”法定义风暴轴的优势在于计算方便，且能够计算大气垂直方向各个层次的风暴轴，便于研究风暴轴的三维结构（Chang et al.，2002）。另外，“欧拉”法强调瞬变扰动的能量和通量，与天气尺度瞬变涡旋和平均流的相互作用紧密相关（Chang，2009），因此更便于研究风暴轴维持和变化的内在机制。业已发现，在北半球存在两支强风暴轴，一支从东海横跨太平洋延伸至落基山脉，称为“北太平洋风暴轴”；另一支从落基山脉的东部跨越北大西洋至北欧后在中亚削弱，称为“北大西洋风暴轴”（Chang et al.，2002）。
　　1.2.2 风暴轴的多尺度变率特征
　　风暴轴具有显著的季节变化以及年际变率和年代际变率。在季节变化上，北太平洋风暴轴强度呈现双峰特点，即夏季*弱、晚秋和早春*强、仲冬较弱，这种现象称为北太平洋风暴轴的“仲冬抑制”现象（Nakamura，1992）。关于仲冬抑制现象产生的原因有不同的解释，Nakamura和Sampe（2002）指出，仲冬时节北太平洋上空副热带急流加速，将大量的斜压波捕获于副热带急流核附近，使其远离大气低层斜压区，从而削弱了斜压波和大气低层斜压区的相互作用，造成北太平洋风暴轴出现仲冬抑制现象。Penny等（2010）则发现，冬季从上游传播至北太平洋风暴轴的斜压波强度明显弱于秋季和春季，上游减弱的斜压波活动也可能是造成北太平洋风暴轴仲冬抑制的主要原因。Lee等（2011）通过局地能量转换分析发现，仲冬北太平洋急流南移，造成向极和向上涡旋热通量的大值区与大气温度经向梯度的大值区位置出现偏移，从而导致平均流有效位能向涡动动能的斜压能量转换削弱，造成仲冬抑制。
　　在年际变率上，风暴轴的变化和ENSO事件密切相关，在厄尔尼诺年，北太平洋风暴轴更强，且向东延伸；而在拉尼娜年，北太平洋风暴轴较弱，且向西收缩（朱伟军和孙照渤，1998）。朱伟军和孙照渤（2000）指出，冬季北太平洋风暴轴的东西摆动和中东端的强度变化主要与赤道中东太平洋区域海温异常有关，而风暴轴中西端的强度变化和南北位移主要受到黑潮区域海温异常的影响。北太平洋风暴轴的强度还受到东亚冬季风的影响，在东亚冬季风偏强的年份，北太平洋风暴轴较弱（Lee et al.，2010）。此外，北太平洋风暴轴的年际变化还与西太平洋遥相关型和太平洋北美遥相关型密切相关（Wettstein and Wallace，2010）。
　　在年代际变率上，北太平洋风暴轴从20世纪70年代中期出现了由弱变强的年代变化（Chang and Fu，2002）。