北太平洋副热带环流是指由北赤道流、黑潮及其延伸体、北太平洋流及加利福尼亚流等组成的位于北太平洋副热带海域的环流圈, 是典型的风生环流系统。它是联系太平洋热带—副极地环流的纽带。该海区是太平洋气候年代际变化核心区域。北太平洋副热带环流系统的变异不仅会影响北太平洋能量输送与平衡, 进而影响北太平洋大气环流和全球气候, 并通过其强大的西边界流（黑潮）影响近中国海的环流和温盐结构。因此, 北太平洋副热带环流在维系太平洋海洋热量平衡以及全球气候变化中起着重要的作用。

传统的物理海洋学观点认为大气环流异常通过风应力强迫激发海洋第一阶斜压Rossby波, 使副热带海洋环流进行调整。然而, 在实际的海洋—大气耦合系统中, 不仅海洋斜压Rossby波调整会影响到海洋上层的热力结构和海面温度（SST）, 从而影响海洋—大气之间的热量交换, 并影响海面风的进一步异常, 而且海洋环流, 特别是其强大西边界流（黑潮）的经向热输送的变化也对大气环流和气候起着重要的调节反馈作用。关于北太平洋风生环流调整的研究主要集中在年代际时间尺度上, 历史上主要存在3种学术观点^{[1, 2]}：大气随机强迫机制；中纬度不稳定海气相互作用机制；热带与热带外的相互作用。这些观点虽然不同, 但都与北太平洋风场和副热带海洋环流调整有关。尽管这些观点和理论提高了对太平洋气候年代际变化的认识, 但目前的观测和气候模式研究结果并不一致, 甚至相互矛盾。因此, 在海洋—大气耦合系统中研究北太平洋风生环流系统在风应力强迫下的耦合调整过程及其气候效应, 有助于提高对北太平副热带环流低频变异的机理认识和预测能力, 具有重要的科学意义。

国家自然科学基金青年基金项目“风应力强迫下北太平洋副热带环流与大气环流耦合调整的过程与机理（项目批准号：40906003）”以观测资料与海洋—大气耦合模式相结合, 借助耦合模式的“部分耦合”和“部分阻隔”方法^{[ 3]}, 研究北太平洋风生环流系统在不同类型风应力强迫下的耦合调整机理及其对大气环流反馈作用, 太平洋热带外与热带的相互作用, 并以此为基础研究太平洋海—气耦合主模态对我国气候的影响。本项目力求在海洋—大气耦合系统中揭示出北太平洋风生环流的调整机制及其对大气环流和气候的反馈作用, 揭示副热带—热带太平洋之间的相互作用过程及反馈效应, 揭示太平洋海洋—大气耦合模态对我国气候影响的年代际变化, 丰富和发展北太平洋风环流调整理论, 以提高对太平洋气候年代际变化机理的认识和我国气候预测的水平。

经过3年的努力, 本项目顺利结题并取得3方面的阶段性研究成果。

（1） 初步在海洋—大气耦合系统中建立了太平洋气候年代际变化的新理论框架^{[ 4]}：申请人基于海气耦合模式深入系统地研究了海洋环流在北太平洋年代际气候变化中的作用, 首次发现并证实了黑潮延伸体流轴的变异在这两类太平洋年代际海气耦合模态（太平洋年代际涛动与太平洋—北美大气遥相关和北太平洋环流振荡与北太平洋涛动, PDO/PNA和NPGO/NPO）的相互转化中起到“开关”作用。结果发现了PNA 型风应力强迫会导致黑潮延伸体流轴的南北移动和马蹄型海温异常, 进而通过海—气耦合激发NPO 型的大气环流异常, NPO 型风应力强迫会导致黑潮延伸体流轴加速或减速和南北偶极子型海温异常, 进而激发PNA 型大气环流异常, 且存在很强的正负不对称性；揭示了PNA 型异常风应力强迫下北太平洋影响热带太平洋气候的4种物理机制, 发现冬季热带太平洋响应会减弱热带外强迫, 形成负反馈。这些研究结果基本上阐明了北太平洋2类海气耦合模态（PDO/PNA、NPGO/NPO）和热带太平洋之间的相互作用机理, 从海—气耦合角度初步建立了现代气候背景下太平洋气候年代际变化的一种新理论框架, 丰富和发展了太平洋年代际变化理论。这一成果仍需要更多的研究进行完善, 尤其是在全球变暖背景下是否成立。为此申请者成功申请到国家自然科学基金青年—面上连续资助项目“北太平洋风生环流对全球变暖的响应及其对大气环流反馈效应”（项目批准号：41276002）开展进一步的研究。

（2）揭示了海面耦合过程和中纬度海洋通风过程在热带太平洋气候中的相对重要性^{[5, 6]}：海洋表面的风—蒸发—SST（WES）耦合正反馈过程为太平洋热带外影响热带气候提供一个快过程, 其影响主要在季节时间尺度上。该WES过程通过海面风引起的海面热通量异常进而造成SST异常, SST异常又通过海面气压梯度异常诱导海面风异常。这一过程对某类El Niño和南方涛动（ENSO）事件的发展具有重要作用, 并可以突破ENSO预测的“春季障碍”, 进而可以提前一年预测ENSO事件^{[ 5]}。而中纬度海洋的通风过程则为太平洋热带外影响热带气候提供一个慢过程, 其影响主要在年代际时间尺度上。该通风过程使冬季海洋表面冷水在中纬度沿海洋等密度面潜沉到海洋次表层, 然后被海洋环流平流到热带太平洋, 再通过热带太平洋的上升流将其带到海面, 造成SST异常。这一过程对热带太平洋气候年代际变化起重要作用。太平洋热带外影响热带的2种快、慢过程同时存在, 且相互竞争, 不仅可以用来理解热带太平洋气候变化, 还可以解释稀疏的古气候观测结果^{[ 6]}。

（3） 揭示热带太平洋不同海洋—大气耦合模态对中国降水异常影响的年代际变化特征及其可能机制^{[ 7～ 10]}：基于观测资料揭示了太平洋海表温度（SST）与我国夏季降水的3种主要耦合模态, 且每种模态都有其特定的耦合时间尺度, 其年际关系具有明显的年代际变化特征^{[ 7]}, 其中, 太平洋经向模态影响河套地区夏季降水属于第一次被发现, 并从资料统计诊断分析和数值模式的敏感性试验、回报试验, 系统地研究了太平洋经向模态影响河套地区夏季降水的环球遥相关机制, 并可以利用太平洋经向模态提前1～2个季节对河套夏季降水异常进行部分预测, 填补了河套夏季降水的预测因子的空白^{[ 8]}。揭示了过去60年ENSO与华南冬季降水的关系存在显著的年代际变化, 即20世纪70年代之前和80年代之后两者关系密切, 而70～80年代之间两者几乎没有关系^{[ 9]}, 揭示了ENSO与河套秋季降水关系自从80年代末开始减弱^{[ 10]}, 是由大气环流对ENSO响应的年代际变化决定的。

这些研究的创新之处在于拓展气候研究的思路和新的发展方向, 其意义在于这些研究告诉我们不仅要研究影响气候要素的因子, 而且还要研究它们之间关系的变化, 才能更好地理解和认识气候变化, 提高气候预测的准确率。

受本项目资助, 申请者以第一作者在 Journal of Climate, Journal of Geophysical Research, Advances in Atmospheric Sciences等本领域国内外TOP期刊发表SCI论文6篇。先后在中日韩数值模式发展联盟年会（2009）、首届“大气科学前沿发展”国际学术研讨会（2012）、地球流体力学与数值模拟国家重点实验室（LASG）国际夏季论坛（2012）、国际动力气象研讨会（2012）、西太平洋海洋环流与气候国际合作科学大会（2012）、北京国际气候大会（2011）、中国气象学会年会（2010, 2011, 2012）、LASG年会（2010, 2011, 2012）、物理海洋教育部重点实验室年会（2010, 2011, 2012）等会议上作口头报告和墙报展示。在本项目的支持下, 协助培养了博士生3名、硕士生1名, 其中2篇博士论文分获山东省2011年和2012年优秀博士论文, 1篇博士论文获2012年全国百篇优秀博士论文提名奖。关于气候年代际变化的研究被编入《10000个科学难题》（地球科学卷）^{[ 1]}。受本项目资助所取得的成果, 在国内外的气候领域产生一定的影响, 其中在海洋—大气耦合系统中初步建立的太平洋气候年代际变化的新理论框架, 这一成果作为申请者的博士学位论文, 荣获2011年山东省优秀博士学位论和2012年全国优秀博士学位论文提名奖。此外申请者还探索了全球变暖对PDO的影响, 以及CO₂和太阳辐射不同辐射强迫对气候的相似影响, 这些可能是未来气候流域研究的前沿热点科学问题。