黑潮作为具有强斜压性的太平洋西边界暖流（冯士筰等，1999），是北太平洋上涡动动能最大的区域(Wyrtki et al., 1976)。黑潮延伸体在从日本南部海域向东出流到太平洋的过程中，不仅伴随着大量的蜿蜒流和中尺度涡(Qiu and Chen, 2005)，而且它本身的热力和动力性质也在发生着显著变异。其中热力变异是延伸体出流过程最为显著的特征之一，并且北太平洋热传递主要集中在黑潮及其延伸体区(Kwon et al., 2010)。由于热力变异尤其是海表温度异常是直接影响大气热力动力状态的关键因素(Joyce et al., 2009; Tokinaga et al., 2009)，延伸体区也因此成为中纬度海气相互作用的强信号区（赵永平等，1997；Scharffenberg and Stammer, 2008）。相关研究表明，延伸体系统存在纬向延展型和收缩型两种基本状态(Qiu, 2000)，前者对应延伸体流轴偏北及海表暖异常，后者则相反，两基本型存在年代际尺度的震荡转换。不少学者指出，延伸体海温异常会显著影响风暴轴与急流的位置和强度、气旋的数量、东亚季风爆发强度。如冯劭华（2014）、冯劭华等（2015）指出黑潮延伸体增强时北太平洋急流和斜压不稳定率增强，有利于大气风暴轴强度的加强，而当黑潮延伸体位置偏北（南）时则大气风暴轴偏北（南），但当黑潮延伸体位置偏东（西）时则北太平洋风暴轴西退（东移）。慈航和罗德海（2007）研究表明，延伸体海表温度正异常年份在北太平洋的气旋频数要略小于负异常年份，气旋活动区域明显偏北。王晓丹等（2011）发现冬季黑潮延伸体海温异常增暖将导致东亚夏季风增强北推。

中纬度延伸体海温异常引起的海气相互作用机制与热带地区存在很大差异，不同于热带洋面海温异常的热对流影响机制（Bjerknes, 1966, 1972；Shukla and Wallace, 1983），越来越多的研究认为（Peng and Whitaker, 1999；An and Wang, 2005；温娜，2006），中纬度海温异常对大气的作用主要通过影响大气的斜压性来实现，因此下垫面的热力非均匀性即海温异常的结构至关重要。此外，黑潮及中纬度延伸体海温异常与热带海气相互作用信号，尤其是与El Niño的关系研究也是热点问题。梅士龙（2004）、梅士龙等（2006）研究指出El Niño（La Niña）事件当年11月至次年12月期间黑潮海区海温多为正（负）异常。穆松宁等（2004）发现，El Niño对黑潮海区经向风应力影响的“关键时段”为秋、冬季至次年初夏时期，对纬向风应力则为冬季至次年春季。孙楠楠（2009）指出当Niño3区域海表温度出现较明显的正异常时，黑潮海表温度则会出现滞后的升高，二者相关系数为0.6，滞后时间为5~9个月。Zhang and Chen(2006)分析了黑潮的年际和季节变化，认为由于北赤道流影响，黑潮SST异常与El Niño存在正相关关系。这些研究多集中于黑潮及其中纬度延伸体海温异常与热带海气相互作用的讨论（赵永平和McBean, 1995, 1996；李忠贤，2004；Nonaka et al., 2006；王闪闪等，2012），然而黑潮延伸体区海温异常的分布结构并不十分清楚，而且黑潮延伸体区海温异常分布结构与热带信号的关系也有待研究。

鉴于此，本文将基于高分辨海温资料和经验正交函数，获取冬季黑潮延伸体区的海温异常主要结构模态，分析其空间结构和时间演变特征，探寻可能影响这些模态结构的关键敏感海域，并对热带太平洋海温异常与延伸体海温异常的可能关系进行初步讨论。

本文采用NASA遥感系统提供的基于云穿透星载微波辐射计和红外探测的最优插值全球海表温度资料（MW_IR）（www.remss.com/sst/microwave_oi_sst_data_description.html [2016-12-30]），选取该资料时段为2003~2015年全球逐日数据，分辨率为9 km。相比大气中的天气系统，海洋系统的空间尺度更小，若用常规的海温资料很难对海温的异常结构进行研究，与其他普通海温资料相比，MW_IR资料具有更高的空间分辨率，有助于更清晰地认识延伸体区海温异常结构。还有NOAA提供的同时间段的逐月太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)指数、2.5°（纬度）×2.5°（经度）逐月海平面气压场，以及Hadley Centre提供的1°（纬度）×1°（经度）逐月全球海温资料HadISST。

本文采用的研究方法有经验正交分解（EOF）分析、相关分析、时滞相关分析以及合成分析等。

黑潮延伸体是太平洋高热西边界流的延续，由于热力辐射作用，太平洋海区海表温度纬向差异远小于经向差异，因此纬向梯度较弱而经向梯度较大，尤其是考虑到延伸体暖流与亲潮的交汇作用形成的海洋温度锋区，将会使得经向海温梯度更为显著。为捕捉延伸体的水平温度分布特征，本文计算了北太平洋海表温度的水平梯度强度：

其中，T代表海温，r代表地球半径，λ为经度，φ为纬度。经公式（1）计算得到气候态冬季海温的梯度分布情况（图略），海表温度梯度主要表现为显著的经向梯度，冬季北太平洋海表温度梯度存在南北两个准纬向大值区，北支约在36°N~42°N，南支较弱约在27°N附近，该两大值区对应延伸体暖水区的南北边界，而北侧强大的海温梯度区即对应海洋温度锋。为充分考虑海洋锋区影响，本文设定研究的延伸体区域取为（25°N~45°N，140°E~170°W），该区域既完整包括了海洋温度锋南侧的延伸体暖水区，也同时包括了北侧完整的海温锋区，以反映延伸体暖水与亲潮冷流的交汇作用。

针对上述研究区域，利用2003~2015年共13年全球9 km分辨率微波反演海温资料，取其各年份冬季12月、1月、2月的月平均海表温度距平，去掉季节循环后进行EOF分解。表 1给出了海温距平的分解结果，前4个模态的累积方差贡献率已达46.8%，可以代表海温异常的主要成分。

表 1 (Table 1)

表 1 冬季延伸体区海表温度异常EOF分解前4个模态的情况 Table 1 The four leading modes of the EOF of sea surface temperature anomaly (SSTA) in the Kuroshio Extension region during the winter 方差贡献 累积方差贡献 模态1 15.1% 15.1% 模态2 14.2% 29.3% 模态3 11.0% 40.3% 模态4 6.5% 46.8%

表 1 冬季延伸体区海表温度异常EOF分解前4个模态的情况 Table 1 The four leading modes of the EOF of sea surface temperature anomaly (SSTA) in the Kuroshio Extension region during the winter

图 1给出了延伸体区海温异常第一模态的空间分布、对应的时间系数及5点平滑趋势线。从图 1a中可以看出，第一模态的空间分布反映的是研究区域的海温异常基本呈一致性变化，即当模态一处于正位相时，几乎整个黑潮延伸体区海温异常偏冷，当处于负位相时则一致偏暖，且在39°N附近有海温异常的高值区。由图 1b可得，时间系数在2006~2012年为负值，其余年份为正值。通过与NOAA提供的PDO指数求同期相关，得到相关系数为0.8[考虑到两个时间序列具有较强的自相关性，采用了Bretherton et al.(1999)的方法，重新计算了有效自由度，并通过了0.01显著性检验]，且有研究（Kelly and Dong, 2004; Dawe and Thompson, 2007）表明，该模态的变化往往与太平洋大范围的年代际变化有关，即反映了太平洋年代际震荡PDO现象。

图 1

Fig. 1

图 1 冬季黑潮延伸体区海温异常EOF分解（a）第一模态空间分布及其（b）时间系数序列（图中曲线是其快速傅里叶变换） Fig. 1 Distribution of (a) the first EOF mode of SSTA in the Kuroshio Extension region during the winter and (b) its time coefficient series [fast Fourier transform (FFT) result is represented by the curve]

图 2给出了模态二的空间分布及时间演变。由空间模态可以看出，该模态反映了约以150°E为界东西反位相型异常模态。相关研究表明，该模态的分布正好对应太平洋中高纬地区的阿留申低压和副热带高压大气系统在洋面热力性质的变化差异，即该模态往往由大尺度的太平洋天气系统变化所决定(Latif and Barnett, 1994；Chelton and Schlax, 1996；Ceballos et al., 2009；Qiu and Chen, 2010)。通过NOAA提供的逐月海表面气压资料，按郭冬和孙照渤（2005）采用的北太平洋涛动(North Pacific Oscillation, NPO)指数计算方法，得到第二模态与NPO的相关性为0.35，通过了0.05显著性检验，即第二模态可能会受到NPO的影响。2003~2009年为负位相期，对应北太平洋中西部海域150°E以西为SST暖异常，而150°E以东为冷异常。这种格局使得黑潮延伸体暖海流在日本列岛东侧至150°E范围内得到增温，而在150°E以东的阿留申低压海域受到较大抑制，海温迅速冷却，不利于继续向太平洋中部出流。而在2009~2015年基本上以正位相为主，表示延伸体高热海流在日本列岛南部海域向东出流时即被迅速冷却，热量减少，不利于其暖流的继续向东扩展。因此，该模态总体反映了延伸体暖异常的上游区域发展特征。

图 2

Fig. 2

图 2 同图 1，但为第二模态 Fig. 2 Same as Fig. 1, but for the second EOF mode

由图 3a可以看出，冬季黑潮延伸体区海温异常第三模态的空间分布表现出明显的分叉东扩型特点，在正位相年（实线），高热延伸体自日本列岛东部离岸后沿36°N~38°N纬向向东进入太平洋，到达150°E后分为两支继续东扩，其中一支沿东南向扩展至约160°E，而另一支则向东北扩展至160°E后，继续沿40°N左右向东扩，可穿过180°E到达太平洋东部地区。在负位相年（虚线），基本特征与正位相年类似，但是扩展路径偏南，且北支的东扩受到抑制，约在160°E转向东南方向，南支在到达155°E后转向东北扩展与北支汇合，向东扩展到172°E附近，很难到达东太平洋地区。值得注意的是，Niiler et al. (1985)推测黑潮延伸体中由湍涡驱动的深层环流会在152°E分叉，Joyce and Schmitz (1988)认为其分叉的原因是由于Shatsky海脊对流轴的阻挡作用，Roemmich and McCallister (1989)提出黑潮延伸体分叉的范围是152°E~165°E。冯劭华（2014）通过定义黑潮延伸体急流宽度指数，研究发现延伸体急流轴在经向上分叉与否存在10年左右的年代际周期变化，Luo et al.(2016)基于卫星测高数据，提出了黑潮延伸体偶极子(Kuroshio Extension dipole, KED)，并以此建立了黑潮延伸体区上游涡动动能与流轴强度以及分叉现象之间的联系。本文通过对冬季黑潮延伸体区海温异常进行EOF分解，发现延伸体流轴分叉的形势与第三模态的空间分布有很好的对应关系，由此，可以猜想中纬度黑潮延伸体流轴分叉的现象可能与冬季黑潮延伸体区海温异常的分叉东扩模态有关。从位相上看，除2006年、2008年、2012年、2013年为正位相外，其他年份均为负位相，即大部分年份均以图中虚线正位相路径传播。

图 3

Fig. 3

图 3 冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解（a）第三模态、（b）第四模态空间分布及（c）第三、第四模态的时间变化（图中曲线是其快速傅里叶变换） Fig. 3 Distributions of the (a) third and (b) fourth EOF modes of SSTA in the Kuroshio Extension region during the winter, and (c) their time coefficient series (FFT results are represented by the curves)

图 3b给出了第四模态的分布，该模态明显表现出通道东扩型空间扩展特征。负位相时延伸体暖海流沿36°N~38°N之间向东偏南方向扩展至170°E附近，其南北两侧各有两条冷海温变异区形成传播通道。而在正位相时，延伸体的暖流东扩路径偏南，取道负位相的南侧抑制通道，而原负位相时的扩展通道则变为正位相东扩的北侧抑制流。图 3c的时间变化表明，该模态的年际变化类似模态三，呈现明显的年际变化特征，而年代际特征不明显。2006年、2011年2013年分别为3次明显的传播通道转换年，其他年份传播通道较为稳定。

本文还使用了Hadley Centre提供的1°（纬度）×1°（经度）逐月全球海温资料HadISST进行对比分析，以增加结果的可信度。取1910~2010年每年冬季12月、1月、2月的月平均海表温度距平进行EOF分解，图 4给出了第一模态和第二模态的空间分布，可以看出长序列HadISST资料与高分辨率MW_IR资料的太平洋冬季海温异常形势基本一致，第一模态都显示出一致性变化的特点，第二模态也反映了东西反位相的特点。利用HadISST资料时间覆盖度长的优势，选取1960~2010年，对第一、第二模态的时间系数序列进行小波分析（图略），得到第一模态存在3 a左右年际周期和10 a的年代际周期；第二模态在1980年之前以3 a的年际周期为主，之后以5 a的年际周期为主，并且存在12 a左右的年代际周期。但该长序列海温资料的分辨率仍较粗[1°（纬度）×1°（经度）]，很难刻画出例如第三和第四模态呈现的延伸体海温向东扩展的细致结构特征（图略）。

图 4

Fig. 4

图 4 基于HadISST资料的冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解（a）第一模态和（b）第二模态分布 Fig. 4 Spatial distributions of the (a) first and (b) second EOF modes of the Kuroshio Extension SSTA during the winter based on the HadISST data

由上述分析可知，延伸体暖异常海温的东扩主要依赖于模态三和模态四。依据两模态时间系数的趋势线分布（图 3c），可以大体合成该两模态的海温东扩结构。尤其值得注意的是在2010年前，该两模态始终反位相，而其后两者近似同位相。在2006年前的时段，第三模态为负位相，第四模态为正位相，两模态合成的暖异常东扩路径大体重合，即基本控制在36°N以南东扩（图 5a）；而在2006~2010期间，情况正好相反，第三模态为正位相而第四模态为负位相，反映出的暖异常传播路径均偏北，其中第四模态的通道路径与第三模态的南分支路径同位相叠加，可能是此情况下延伸体暖异常的主要东扩形式（图 5b）。在2010年后，该两模态近乎同以正位相为主，这表明此时模态四的北侧抑制通道将会抵消模态三的南支通道，从而使得延伸体暖海流以模态四冷位相时的南侧通道东扩为主（图 5c）。

图 5

Fig. 5

图 5 冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解第三模态和第四模态合成分布：（a）第三模态正位相，第四模态负位相；（b）第三模态负位相，第四模态正位相；（c）两模态同为负位相 Fig. 5 Composite distributions of the third and fourth EOF modes of Kuroshio Extension SSTA during the winter: (a) The third mode in positive phase and the fourth mode in negative phase; (b) the third mode in negative phase and the fourth mode in positive phase; (c) the two modes both in negative phase

延伸体海温异常的诱发因素很多(Qiu and Kelly, 1993)，其中大洋环流的热输送是一个显著因子(Tomita et al., 2002; 谷德军等，2004; Kelly and Dong, 2004），有必要探究太平洋其他海域海温变异与延伸体的影响关系。本文将各模态的时间系数分别与不同季节太平洋海域海表温度作相关分析，可以方便地给出敏感海域的分布情况。图 6给出了第一模态的敏感海域分布特征，可以看出第一模态的敏感海域为全年的赤道中东太平洋地区和春冬季东北太平洋地区，且呈显著正相关，相关系数达0.8，以及与春季赤道西太平洋地区呈显著负相关，相关系数为－0.7。第二与第四模态的敏感海域不明显且几乎未通过检验，可认为不存在敏感海域（图略）。

图 6

Fig. 6

图 6 冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解第一模态时间系数与（a）春季、（b）夏季、（c）秋季和（d）冬季平均太平洋海温的相关系数（带点区域通过0.05显著性检验） Fig. 6 Correlation coefficients between the time coefficients of the first EOF mode of Kuroshio Extension SSTA during winter and SST in the Pacific in all the seasons correspond to seasonal averages of (a) spring, (b) summer, (c) autumn, and (d) winter, respectively (dotted area indicates 0.05 level significance)

图 7给出了第三模态的敏感海域相关性分布，其敏感海域主要集中在热带中东太平洋海域，并且呈现明显的、稳定的负相关关系，且以冬季相关最强，最大相关系数在－0.6以上，而西太平洋海域虽呈现弱的正相关但大部分海域未通过显著性检验，与北半球太平洋中部呈较弱的正相关关系，且以冬季和春季相对强烈。这表明秋冬季热带中东太平洋海温的变化对中纬度延伸体海表温度异常结构存在显著影响，且使得延伸体海温呈现分叉东扩的异常分布结构。

图 7

Fig. 7

图 7 冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解第三模态时间系数与（a）春季、（b）夏季、（c）秋季和（d）冬季平均太平洋海温的相关系数（带点区域通过0.05显著性检验） Fig. 7 Correlation coefficients between time coefficients of the third EOF mode of the Kuroshio Extension SSTA during winter and SST in the Pacific in all seasons. correspond to seasonal averages of (a) spring, (b) summer, (c) autumn, and (d)winter, respectively (dotted area indicates 0.05 significance level)

由于第三模态反映的海温异常的分叉东扩结构可能与中纬度黑潮延伸体流轴分叉的现象有关，而第一模态主要反映的是海温异常的一致性变化，对黑潮延伸体海温异常东扩结构的影响不大，因此本文将重点讨论第三模态的敏感海域。上述冬季黑潮延伸体海温异常的敏感海域分析表明，模态三的分叉东延海温异常结构与热带中东太平洋海域呈现显著的相关性。众所周知，热带中东太平洋海域的海温异常往往对应El Niño事件，因此，冬季延伸体该模态异常可能与El Niño事件存在特定关联。为此，本文进一步将热带中东太平洋海域进行区域划分，即Niño3区（5°S~5°N，150°W~90°W）、Niño3.4区（5°S~5°N，170°W~120°W）和Niño4区（5°S~5°N，160°E~150°W），分别计算各区Niño指数并计算其与第三模态的超前滞后1~10个月的相关系数，藉此分析不同区域海温异常与延伸体特定异常结构的关系。

图 8给出了各Niño指数与模态三的时滞相关系数，由图可见，Niño3指数与模态三存在超前1~2个月的负相关，相关系数约为－0.55，而Niño4指数与模态三保持较好的宽谱同期负相关，其超前和滞后近乎5个月的宽谱期中，相关系数均通过置信度0.05的显著性检验，尤其在超前和滞后各3个月的时段内均能保持－0.5以上的高相关性，且在该6个月内相关性始终较为稳定，只是在滞后1个月时相关性略有增加达到最强。Niño3.4指数的时滞相关性与Niño4指数近似，也保持了较好的宽谱同期高相关性和稳定性，只是超前期的相关性略强，在超前1个月时相关性略有增加达到最强。

图 8

Fig. 8

图 8 冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解第三模态与热带太平洋Niño指数的相关性（横坐标为滞后—超前的月数，虚线为0.05显著性检验） Fig. 8 Relationship analysis between Niño index and the time coefficients of the third EOF mode of the Kuroshio Extension SSTA during winter (the value of horizontal ordinate is the number of months of lag-lead and the dotted line indicates 0.05 significance level)

以上时滞相关表明，Niño3区指示的初冬热带东太平洋海温异常能够引起中纬度延伸体区滞后1~2个月（即隆冬）海温分叉东扩异常结构，即若Niño3区发生东部型El Niño事件，则会在滞后1~2月时诱发延伸体区海温异常增暖向东扩展且扩展路径沿模态三的分叉东扩结构。而Niño4区和Niño3.4区对应的热带太平洋中部海温异常基本与延伸体区海温异常的分叉东扩保持同步，且影响时段较宽，在该区海温异常的前期（超前1~3个月）、盛期和衰退期（滞后1~3个月）均会引起中纬度延伸体海温的异常，即若热带中太平洋发生中部型El Niño事件，则在其事件前期、盛期和衰退期均会诱发中纬度黑潮延伸体区异常增暖的分叉东扩。由此可见，热带中东太平洋的海温异常对中纬度黑潮延伸体的海温异常即东扩结构具有重要影响，热带洋面不同区域的海温异常对延伸体的影响时期存在差异，总体看，热带太平洋中部地区的海温异常影响较强且持续时间较长，也表明中部型El Niño事件与黑潮延伸体冬季的海温异常存在更密切的相互作用关系。

为了验证以上结论，按照1倍标准差选取第三模态正位相显著的月份，对其冬季海表温度异常除去季节循环后进行合成分析，看中纬度黑潮延伸体区分叉东扩结构与El Niño是否存在显著的负相关关系。如图 9所示，热带太平洋海域存在显著的La Niña事件，而延伸体区则出现了海温异常第三模态正位相的分叉东扩结构，证明了上述结论。

图 9

Fig. 9

图 9 冬季黑潮延伸体区SSTA EOF分解第三模态活动强年合成的海表温度异常 Fig. 9 Composite SSTA in the strong third EOF mode years of the Kuroshio Extension SSTA during winter

本文利用2003~2015年NASA遥感系统提供的全球高分辨率海表温度资料，对黑潮延伸体区域（25°N~45°N，140°E~170°W）海温异常，采用EOF分析、时滞相关分析等方法，研究分析了冬季黑潮延伸体区海温异常各模态的结构，探寻各模态的敏感海域，分析了冬季黑潮延伸体海温异常与El Niño的相互关系，主要结论如下：

（1）冬季延伸体区海温异常的主要结构可分为上游区域发展型和纬向延展型。前者主要包括具有PDO背景调制的一致性季节变化模态和纬向反位相的收缩型模态。而后者是延伸体暖异常东扩的主要结构模态，反映了东扩的具体路径或结构差异，包括分叉东扩结构和通道东扩结构，该两结构模态存在相关的年际变化，2009年前两者反位相，2009年后两者同位相，共同决定着暖异常的东扩结构。

（2）冬季黑潮延伸体海温异常的一致性变化模态与赤道中东太平洋地区、春冬季北半球东北太平洋地区以及与春季赤道西太平洋地区显著相关；分叉东扩结构模态与热带中东太平洋海域海温呈现明显的负相关敏感关系，且以同期秋冬季的相关最强，表明热带中东太平洋秋冬季的海温变化与中纬度延伸体区海温的分叉东扩之间存在显著作用关系。其他模态不存在敏感海域。

（3）冬季中纬度延伸体区海温异常的分叉东扩结构与El Niño存在显著相互影响关系。Niño3指数与其存在超前1~2个月的负相关，而Niño4和Niño3.4指数均呈现出明显超前和滞后各3个月的宽谱同期高相关性，表明东部型El Niño存在超前延伸体海温异常分叉东扩模态1~2个月的负相关关系，而中部型El Niño对延伸体分叉东扩结构的影响更为强烈和显著，在其事件的前期、盛期及衰退期均会导致中纬度延伸体海温暖异常分叉东扩结构的维持。

此前已有学者研究过黑潮区与El Niño的关系（王闪闪，2015），也有些研究表明黑潮延伸体与El Niño相对独立（Qiu, 2000；余沛龙，2014），通过以上研究分析，本文认为El Niño对冬季黑潮延伸体存在影响关系，这可能表明El Niño对黑潮延伸体区海表温度异常的影响具有季节和结构的选择性，但其影响机理尚不清楚，并且分叉东扩是延伸体海表温度异常东扩的重要结构，该结构应该与流轴的分叉存在紧密联系，具体联系机制尚待深入分析。另外，本文的高分辨率资料仅为13年，不排除恰好处于一个年代际过程中的可能，所得结论仍有待更长资料序列验证。