太平洋—日本遙相關型的年代際變化特征及其成因

孫 穎1, 2 徐海明1, 2 鄧潔淳1, 2

?

太平洋—日本遙相關型的年代際變化特征及其成因

孫 穎徐海明鄧潔淳

1南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災害教育部重點實驗室，南京210044 ;2南京信息工程大學大氣科學學院，南京210044

本文首先利用NCEP/NCAR和ERA-40再分析資料以及中國753站降水資料對太平洋—日本（Pacific?Japan，簡稱P-J）遙相關型在上世紀70年代末期氣候突變前后的年代際變化特征進行了分析研究。結果表明，在氣候突變前后，P-J遙相關型的位置發(fā)生了顯著的變化，氣候突變以后其位置明顯向西向南偏移。這種位置的變化同樣也反映在緯向風場、高度場上。研究結果還表明，氣候突變前后P-J遙相關型的年代際變化與熱帶太平洋和印度洋海溫變化有關。氣候突變之前，P-J遙相關型的變化與前期熱帶太平洋和印度洋海溫不存在顯著的相關；但在氣候突變之后，P-J遙相關型與前期冬春季的熱帶太平洋、印度洋海溫之間存在大范圍的顯著相關區(qū)。這種P-J遙相關型與熱帶太平洋、印度洋海溫相關關系的年代改變可能與1970年代中期以后赤道中東太平洋海溫變化振幅明顯增強有關。隨后，本文采用一個高分辨率的大氣環(huán)流模式，通過一系列的數(shù)值試驗也進一步證實了1970年代末期熱帶太平洋和印度洋海溫的年代際變化確實可致使P-J遙相關型位置發(fā)生相應的改變。

P-J（Pacific?Japan）遙相關型 年代際變化 氣候突變 熱帶海溫

1 引言

夏季東亞氣候異常和西北太平洋氣候變化有著密切的聯(lián)系，在很大程度上可以認為是一個不可分割的整體。但這種聯(lián)系一直沒有被發(fā)現(xiàn)，直到20世紀80年代后期有了數(shù)年的衛(wèi)星觀測資料之后。在此期間，Huang and Li（1987）、黃榮輝和李維京（1988）和Nitta（1987）分別指出東亞氣候和西北太平洋氣候之間存在著聯(lián)系，而這種聯(lián)系可通過大氣遙相關建立起來，即通過東亞—太平洋（簡稱EAP）或太平洋—日本遙相關（簡稱P-J遙相關）。這些研究首次明確提出了東亞和西北太平洋氣候之間存在著密切的聯(lián)系，并引發(fā)了隨后大量的相關研究。

早期大量的研究關注于這種遙相關型的形成機制。Kurihara and Tsuyuki（1987）通過一個正壓模式的數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)菲律賓附近的大氣對流可以激發(fā)出北傳的二維羅斯貝波，其水平結構類似于觀測到的P-J遙相關型。Huang and Li（1987）、黃榮輝和李維京（1988）則發(fā)現(xiàn)赤道西太平洋夏季熱源異常能夠激發(fā)出類似于EAP的波形。Huang（2004）在上述基礎上定義了EAP指數(shù)。Wakabayashi and Kawamura（2004）則是在正交函數(shù)分解的基礎上，通過圖形中心節(jié)點的分布位置定義了P-J指數(shù)。這些遙相關指數(shù)被廣泛用來揭示西北太平洋氣候異常與東亞氣候異常之間的關系，并應用于短期氣候預測，特別是我國東部夏季降水異常的預測。需要指出的是，這些遙相關指數(shù)的定義都建立在該遙相關型中心節(jié)點位置不變的前提下，但是東亞—太平洋遙相關型的位置是否保持不變，到目前為止還沒有相關的研究工作。

已有大量研究表明，20世紀70年代末期氣候系統(tǒng)發(fā)生了顯著的年代際變化。例如，大氣環(huán)流基本態(tài)發(fā)生了顯著改變，兩個半球中緯度西風顯著加強（朱錦紅等，2003），東亞季風減弱（Wang et al., 2001）等等。海洋方面，赤道中東太平洋增暖，西北太平洋冷卻（Mantua et al., 1997；Zhang et al., 1997），由ENSO產生的印度洋海溫異常的強度也發(fā)生了顯著變化（Xie et al., 2009）。已經有研究指出，北大西洋濤動（NAO）中心節(jié)點的位置存在明顯的年代際變化，其主要的節(jié)點特別是北部節(jié)點的位置在1970年代末期之后明顯向東移動（Jung et al., 2003；Moore et al., 2013），這種位置的變化不僅反映在氣壓場上，在溫度場和湍流熱通量場也有表現(xiàn)。P-J型作為影響東亞—太平洋區(qū)域的遙相關型，是否也具有類似的變化特征？因此，本文的研究主要關注于氣候突變前后東亞—太平洋型遙相關是否也會發(fā)生相應的變化，特別是P-J遙相關型的主要節(jié)點位置是否也會發(fā)生改變，并探究引起該變化的原因。

2 資料和方法

2.1 資料說明

本文采用的資料包括：中國氣象局國家氣象信息中心提供的1960～1999年全國753站月平均降水資料；NCEP/NCAR全球大氣再分析資料計劃（Kalnay et al., 1996；Kistler et al., 2001）和歐洲中期數(shù)值預報中心（ECMWF）全球大氣40年再分析資料計劃（ERA-40）（Simmons and Gibson，2000；Uppala et al., 2005）的月平均數(shù)據(jù)，水平分辨率為2.5°×2.5°；英國氣象局Hadley 中心的海表面溫度資料（Rayner et al., 2003）（Hadley Centre Sea-ice and Sea-surface Temperature Data Set Version 1，HadISST1），水平分辨率為1°×1°。

2.2 方法說明

本文通過對渦度場進行經驗正交函數(shù)分解（EOF）來定義P-J遙相關型，即利用經過球諧函數(shù)濾波的850 hPa相對渦度異常場在東亞—西北太平洋區(qū)域（0°～60°N，100°～160°E）進行EOF展開，然后將相對渦度異常場回歸到第一特征向量（EOF1）的時間系數(shù)（PC1）上，所得的渦度回歸場在東亞—太平洋區(qū)域呈現(xiàn)一明顯的經向波列，該波列即為P-J遙相關（Kosaka and Nakamura，2006，2010；Kosaka et al., 2013）。選擇850 hPa高度層，是由于該層大氣變量受地形的影響較地面小，同時又與地面降水相關緊密，而P-J遙相關型發(fā)現(xiàn)之初就被認為是與對流性降水相關密切（Nitta，1987；Kurihara, 1989；Ogasawara and Kawamura，2007；Hsu and Lin，2007）。此外，定義上述PC1為P-J遙相關型指數(shù)，用于后面的計算。與遙相關的傳統(tǒng)定義方法點相關（Wallace and Gutzler，1981）相比，區(qū)域EOF分析得到P-J遙相關中心節(jié)點的計算過程具有客觀性，更適用于本文計算比較P-J遙相關型位置的年代際變化。

為了更好地反映大尺度的大氣環(huán)流特征，需要在P-J遙相關型計算前，采用球諧函數(shù)將相對渦度異常場進行平滑。球諧函數(shù)采用（Hoskins，1980；Sardeshmukh and Hoskins，1984）文章中的方法，其計算公式為

, （2）

本文中大氣視熱源（）由公式（3）計算得到（Yanai et al., 1973）：

3 P-J遙相關型年代際變化特征的觀測事實

3.1 P-J遙相關型的年代際變化

圖1是利用ERA-40和NCEP/NCAR兩套再分析資料計算得到的夏季P-J遙相關型。由圖可見， P-J遙相關型具有緯向伸長、經向正負交替的結構，中心節(jié)點分別位于菲律賓海域、中國臺灣東部海域以及日本附近，這與Nitta（1987）、Kosaka and Nakamura（2006）以及Lu（2002）等人的研究結果相一致。

考慮到1976～1979年間存在明顯的氣候突變，這里對1960～1979年和1980～1999年兩個時段分別討論。圖1分別給出了兩個時段P-J遙相關型的分布。分析ERA-40資料，由圖1a、b可知，P-J遙相關型存在四個節(jié)點中心，中心位置從1960～1979年到1980～1999年均明顯向西向南偏移，且偏移程度由南向北依次增加。其中，最北的回歸中心在氣候突變前位于鄂霍次克海西部海域，而在氣候突變后，其位置移至俄羅斯阿穆爾河下游，向西移了約6個經距，同時向南移了近5個緯距；而最南側的回歸中心在氣候突變前位于菲律賓東部海域，而在氣候突變后，其位置落在菲律賓南部的海域，向西移了近10個經距，向南移了5個多緯距。NCEP/NCAR資料同樣也反映出了氣候突變前后P-J型位置的移動（圖1c、d），進一步驗證了結果的可信性。

3.2 緯向風和高度場上反映出的年代際變化特征

前人的研究表明，P-J遙相關型與大氣環(huán)流的一些要素場之間有很好的相關性。Wang et al. （2001）利用850 hPa緯向風場的差值定義對流指數(shù)，用以反映菲律賓附近的對流變化，該指數(shù)的定義是以P-J遙相關型與緯向風場之間的關聯(lián)性為前提。Huang and Li（1987）和Huang（2004）利用500 hPa高度場定義EAP型遙相關，而P-J型和 EAP型在本質上具有一致性，可見P-J遙相關型與緯向風場以及高度場之間具有很好的配置關系。那么在氣候突變前后，P-J遙相關型的年代際變化在其他氣象要素場上是否有相應的變化特征？下面利用ERA-40資料分析與P-J型相關的各要素場的年代際變化。

圖2分別給出了夏季850 hPa緯向風和500 hPa位勢高度對P-J遙相關型指數(shù)的回歸場。由圖2a、b可見，在850 hPa緯向風的回歸場上同樣存在經向分布的遙相關型，其分布與P-J遙相關型的波列形式類似，但其中心位置以及波長大小與P-J遙相關型波列有所不同。值得注意的是，兩個時段內均存在三個完整的異常中心，其中心位置都在兩個時段間發(fā)生了改變。1960～1979年間，位于菲律賓東北部海域的中心在氣候突變之后向西南移至菲律賓西部，且波列的偏移程度由北向南依次增加，這與P-J遙相關型的移動特征相一致。

圖1 （a、c）1960～1979年和（b、d）1980～1999年夏季P-J遙相關型：（a、b）ERA-40；（c、d）NCEP/NCAR。等值線為回歸的相對渦度（單位：10?6s?1）異常場，間隔為0.5；陰影區(qū)域為通過95%信度檢驗的區(qū)域；圖右上角的百分數(shù)為各自EOF1的方差貢獻率

此外，緯向風場與P-J遙相關型之間的相關性在氣候突變前后有所改變，低緯地區(qū)強度增強，相關范圍增大，而中緯地區(qū)強度減弱。

圖2c、d為夏季500 hPa高度場分別回歸到兩個時段P-J遙相關型指數(shù)上的異常場?？梢钥吹?，在1960～1979年間，P-J遙相關型與500 hPa高度場之間相關性較弱；在氣候突變之后1980～1999年間，相關性在低緯地區(qū)增強，中緯地區(qū)減弱，并且其中心位置明顯向西向南移動，這與P-J遙相關型與緯向風場之間相關性在氣候突變前后的變化特征相一致。此外，在該時段內回歸中心也由兩個變?yōu)槿齻€。Huang（2004）利用500 hPa高度場定義EAP指數(shù)：

其定義的中心位置與1980～1999年時段回歸圖中的中心位置一致，這清楚表明P-J遙相關型與EAP遙相關型之間在本質上具有一致性，同時也表明基于500 hPa位勢高度場定義的EAP遙相關型的位置在氣候突變前后也相應發(fā)生了變化。

3.3 P-J遙相關型與我國夏季降水

從P-J遙相關型的研究之初，有關它的研究就與我國夏季降水異常緊密相連（Nitta，1987）。黃榮輝（1990）指出, 江淮流域旱澇的發(fā)生不僅與菲律賓周圍的對流活動有關, 而且也與從菲律賓經東亞到北美的東亞—太平洋型（EAP型）夏季遙相關相聯(lián)系。由前面的分析知道，P-J遙相關型的位置存在明顯的年代際變化，那么其對我國夏季降水的影響是否也會發(fā)生年代際的變化呢？圖3給出了我國753站夏季降水分別對兩個不同時段P-J遙相關型指數(shù)的回歸場。對比圖3a和b可知，在1960～1979年期間，P-J遙相關型對中國夏季降水存在顯著影響的范圍主要局限于長江以北的江蘇、安徽、湖北以及河南南部。而在1980～1999年間，對夏季降水的顯著影響范圍明顯擴大，除了江淮流域以外，P-J遙相關型還可影響到長江以南的重慶、貴州、湖南、江西和浙江等省份，甚至對我國青藏高原地區(qū)的降水也存在顯著影響?；谙嚓P系數(shù)與方差貢獻之間的關系（李紅梅等，2008），這里計算P-J遙相關型對中國夏季降水的貢獻，發(fā)現(xiàn)P-J遙相關型對我國夏季降水的影響強度在氣候突變前后有所改變。1960～1979年間P-J遙相關型方差貢獻率最大約為18%，而 1980～1999年間的影響強度則明顯偏強，此時P-J遙相關型的方差貢獻率最大超過了30%（圖略），這進一步表明了P-J遙相關型對我國夏季降水的變化具有一定的指示意義。上述分析可知，P-J遙相關型在氣候突變前后對我國夏季降水的影響程度及其范圍都發(fā)生明顯的改變，這種 P-J遙相關型與我國夏季降水間關系的年代際改變對于預測我國夏季降水異常具有重要的指示意義。

圖2 1960～1979年（左）和1980～1999年（右）（a、b）850hPa緯向風場（m s?1）和（c、d）500hPa高度場（gpm）分別與同期P-J遙相關型指數(shù)的回歸分析。（a，b）與（c，d）等值線間隔分別為0.5和2.5；陰影區(qū)域通過95%信度檢驗

圖3 （a）1960～1979年和（b）1980～1999年夏季降水（mm d?1）分別與同期P-J遙相關型指數(shù)的回歸分析。等值線間隔為0.5；陰影區(qū)域通過95%信度檢驗的區(qū)域

4 P-J遙相關型的年代際變化與大氣熱源和海溫的關系

很多的學者從不同角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)P-J遙相關型的激發(fā)和維持與大氣熱源和海洋熱力異常有關（Nitta，1987；Kurihara，1989；Lu，2002）。因此，P-J遙相關型位置的年代際變化可能與大氣熱源和海洋熱力異常的變化有關。

圖4為夏季大氣視熱源（）分別回歸到兩個時段P-J遙相關型指數(shù)上的異常場。由圖可見，大氣視熱源的回歸場同樣存在經向的遙相關型，其分布與P-J遙相關型的波列形式類似，只是回歸正值中心不明顯。值得注意的是，該回歸場中負值區(qū)的位置在氣候突變之后也發(fā)生了變化，由中國臺灣東部海域移動到菲律賓及其以東，向西向南偏移，與P-J遙相關型的位置變化一致。此外，大氣視熱源與P-J遙相關型之間的相關性在氣候突變之后有所改變，低緯地區(qū)強度增強，相關范圍增大，這與850 hPa緯向風和500 hPa位勢高度的回歸場的變化特征相一致，說明東亞—太平洋地區(qū)大氣視熱源與環(huán)流要素場是同步變化的。此外，對1980～1999年OLR場進行回歸的結果與圖4b相似（圖略），表明大氣視熱源的變化主要與菲律賓附近的對流性降水有關。

海溫作為大氣變化的一個外強迫源，其變化可以通過海氣相互作用過程影響大氣。Wang et al.（2001）指出，菲律賓低層反氣旋將ENSO的信號傳遞到東亞，進而影響東亞地區(qū)的氣候。因此，P-J遙相關型的變化可能與熱帶海溫異常有關。圖5分別給出了前期冬季、春季以及同期海溫回歸到夏季P-J遙相關型指數(shù)的回歸場。由圖可知，1960～1979年期間，前期冬季以及春季海溫與P-J遙相關型不存在顯著的相關區(qū)，只有在夏季同期時海溫與P-J遙相關型之間存在弱相關。在1980～1999年期間，熱帶海溫與P-J遙相關型之間則存在大范圍的顯著相關區(qū)，其中前期冬季海溫與P-J遙相關型的顯著相關區(qū)主要出現(xiàn)在赤道中東太平洋、熱帶西北太平洋和印度洋，尤其在熱帶中東太平洋，兩者之間相關性異常顯著，其相關分布與ENSO時期海溫異常的分布型相一致（Alexander et al．，2004）。此外，隨著海溫超前月份的縮短，赤道中東太平洋海溫對P-J遙相關型的影響逐漸減小，到同期夏季，兩者之間的顯著相關區(qū)趨于消失，而印度洋海溫對P-J遙相關型的影響則一直持續(xù)到夏季。熱帶太平洋和印度洋海溫異常對P-J遙相關型的這種影響方式與ENSO對東亞夏季氣候的影響方式相一致，即通過印度洋的電容器效應（Xie et al.，2009）將這種信號持續(xù)到次年的夏季。由此可以推測，氣候突變之后赤道中東太平洋、印度洋海溫與P-J遙相關型的這種聯(lián)系與ENSO事件密不可分，且P-J遙相關型在氣候突變前后位置的變化也與熱帶海溫的年代際變化有關。

圖4 （a）1960～1979年和（b）1980～1999年大氣視熱源（W s?2）分別與同期P-J遙相關型指數(shù)的回歸分析。等值線間隔為3；陰影區(qū)域通過95%信度檢驗

圖5 1960～1979年（左）和1980～1999年（右）前期（a、d）冬季、（b、e）春季和（c、f）同期夏季海溫（°C）與對應時段夏季P-J遙相關型指數(shù)的回歸分析。等值線間隔為0.1；陰影區(qū)域通過95%信度檢驗

圖6 1960～1999年P-J遙相關型指數(shù)（陰影）和Ni?o3.4區(qū)冬季平均海溫的距平（實線）隨時間的演變，縱坐標左側標注為時間系數(shù)，縱坐標右側標注為海溫距平（°C）

為了更清楚地揭示P-J遙相關型與前期冬季海溫之間相關性的變化，圖6中給出了1960～1999年P-J遙相關型時間系數(shù)和Ni?o3.4區(qū)冬季海溫異常隨時間的演變。由圖可知，大致以1970年代末期為界，在此之前P-J遙相關型與海溫之間相關程度較小，相關系數(shù)僅為－0.02744，未通過顯著性檢驗；而在此之后，P-J遙相關型與海溫之間表現(xiàn)出明顯的正相關，相關系數(shù)為0.707513，并通過了99%的信度檢驗。清楚表明，1980年前后P-J遙相關型與赤道中東太平洋海溫之間的關系發(fā)生了年代際轉折，也表明本文以1970年代末作為氣候突變的分界是較為合理的。

圖7分別給出了氣候突變前后兩個時段冬季平均海溫的標準差?？梢钥闯?，在1960～1979年間，海溫年際變化明顯的區(qū)域主要位于赤道中東太平洋、北太平洋、南太平洋、南印度洋，但各海域海溫方差差異較?。辉?980～1999年間，赤道中東太平洋海溫方差明顯增大，海溫年際變化較大的區(qū)域類似于ENSO事件時海溫的分布，這說明在氣候突變之后，ENSO的年際變化明顯增強。

圖7 （a）1960～1979年和（b）1980～1999年冬季平均海溫年際變化的標準差（°C），其中等值線間隔為0.2°C

由于P-J遙相關型與海溫之間的相關性在氣候突變前后有著顯著的差異，而在氣候突變之后以赤道中東太平洋海溫異常為主要特征的ENSO的年際變化有一定程度的增強，可見熱帶太平洋和印度洋海溫的年代際變化可能是造成P-J遙相關型年代際變化的主要原因。下一節(jié)我們將利用大氣環(huán)流模式來驗證熱帶海溫的年代際變化對P-J遙相關位置變化的影響。

5 模式模擬

5.1 模式簡介

本文采用CAM5.1（The Community Atmosphere Model Version 5.1）全球大氣環(huán)流模式，該模式是美國國家大氣科學研究中心（NCAR）大氣環(huán)流模式的新版本，作為通用地球系統(tǒng)模式（The Community Earth System Model）第三版CESM1_0_3的大氣模塊，于2011年6月中旬對外發(fā)布。CAM是由 NCAR研發(fā)的全球大氣環(huán)流模式，一共經歷了CCM0、CCM1、CCM2、CCM3、CAM2、CAM3、CAM4、CAM5的發(fā)展過程，從CAM4到CAM5，物理參數(shù)化方案有了實質性的修改，將原來的干對流參數(shù)化方案改為濕對流參數(shù)化方案，更新了濕邊界層和淺積云對流方案，改進了對垂直熱輸送、水汽、水平動量等的模擬（Neale et al．, 2010），因此，CAM5模式能夠更好地模擬出與對流性降水相關密切的P-J遙相關型。

圖8 1980～1999年夏季P-J遙相關型：（a）ERA-40；（b）CTRL；（c）SST-6079；（d）SST-CLIM。等值線為回歸的相對渦度（單位：10?6 s?1）異常場，間隔為0.5；陰影區(qū)域通過95%信度檢驗；圖右上角的百分數(shù)為各自EOF1的方差貢獻率

5.2 試驗方案介紹

本文的研究選取水平分辨率為0.9°×1.25°的高分辨率CAM5.1模式，模式垂直方向上采用σ–混合坐標，共分為30層，模式層頂高度約為3.643 hPa。為了研究在氣候突變前后熱帶海溫場對P-J遙相關型位置變化的影響，本文設計了三個數(shù)值試驗，即一個控制試驗和兩個敏感性試驗。

控制試驗（CTRL）：使用英國氣象局哈德萊中心1850～2011年的月平均海溫資料（HadISST）作為海洋邊界條件，因此在模式的運行過程中同時保持了海溫的季節(jié)變化和年際變化。模式從1975年積分至1999年共25年，取后20年（1980～1999年）的模擬結果進行分析。

海溫替換試驗（SST-6079）：將控制試驗中1980～1999年熱帶地區(qū)（30°N～30°S）的月平均海溫用1960～1979年熱帶地區(qū)月平均海溫進行替換（替換區(qū)與非替換區(qū)邊界采用線性緩變處理），其他與CTRL相同。

氣候海溫試驗（SST-CLIM）：將CTRL試驗中1980～1999年熱帶地區(qū)海溫用1960～1999年多年氣候平均的海溫進行替換（替換區(qū)與非替換區(qū)邊界采用線性緩變處理），即只保留海溫的季節(jié)變化，去除了海溫的年際變化，其他與CTRL相同。

5.3 結果分析

圖8分別給出了基于觀測資料和三個模式試驗結果計算的P-J遙相關型。由圖8b可見，模式控制試驗中，P-J遙相關型呈現(xiàn)出緯向伸長、經向正負交替的波列形式，其正負中心位置與再分析資料計算的P-J型趨近（圖8a）。P-J遙相關型的中心位置自南向北分別位于菲律賓西南部海域、中國臺灣西南部海域、日本西南部和鄂霍次克海西部。通過計算模式控制試驗和觀測資料中兩種P-J遙相關型之間的相關系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩種的相關系數(shù)高達0.81，遠遠通過了99%信度的顯著性檢驗。對比圖8a和b可以看出，CAM5.1模式較好地模擬出了P-J遙相關型水平分布特征。

當控制試驗中熱帶海溫替換為1960～1979年海溫后，模式也模擬出了P-J遙相關型（圖8c），其水平結構同樣表現(xiàn)出緯向伸長、經向正負交替的波列形式。但對比圖8b和c可以看出，P-J遙相關型的位置發(fā)生了明顯改變，圖8b的中心位置相較于圖8c明顯向西向南偏移，也進一步表明了1980～1999年間熱帶海溫的變化是造成P-J遙相關型位置移動的重要原因。而這兩個時段海溫的差異主要表現(xiàn)為以ENSO增強為標志的熱帶中東太平洋海溫的變化，因此，P-J遙相關型位置的年代際變化與 1970年代后ENSO的年代際增強有關。

圖8d給出了氣候海溫試驗中P-J遙相關型的分布，其結構也是一經向傳播的波列，但是相比于圖8b，其位置偏東偏北；相對于圖8c，其位置偏東。在氣候海溫試驗中也出現(xiàn)P-J遙相關型，這表明P-J遙相關型是大氣內部的固有模態(tài)，它可以獨立于海溫強迫而存在，這與Kosaka et al.（2013）的研究結果相一致。此外，通過對圖8b和d的對比分析，同樣可以說明熱帶海溫的變化可以引起P-J遙相關型位置的變化。

6 結論

本文利用ERA-40和NCEP/NCAR再分析資料以及Hadley海溫等資料，分析了20世紀70年代 末期氣候突變前后P-J遙相關型的年代際變化特征，并探討了造成P-J遙相關型年代際變化的原因。取得以下幾點主要結果：

（1）氣候突變前后P-J遙相關型的位置發(fā)生了明顯的年代際變化。氣候突變以后其中心位置明顯向西向南偏移，這種位置的變化同樣反映在緯向風場、高度場上，并且P-J遙相關型與上述要素場的相關性在氣候突變之后有所增強。

（2）P-J遙相關型位置的年代際變化與熱帶太平洋、印度洋海溫的異常改變有關。在氣候突變前后，P-J遙相關型與熱帶太平洋和印度洋海溫之間的關系發(fā)生了明顯的變化。氣候突變之前，P-J遙相關型與前期冬季、春季熱帶太平洋和印度洋海溫之間不存在顯著相關，只與同期海溫存在弱的相關；氣候突變之后，P-J遙相關型與前期冬季、春季和同期大范圍區(qū)域海溫存在顯著相關。

（3）利用CAM5.1全球環(huán)流模式模擬了1980～1999年間的P-J遙相關型，發(fā)現(xiàn)該模式能較逼真地模擬1980～1999年間的P-J遙相關型。當改變模式中的熱帶海溫場，將熱帶海溫場替換成1960～1979年熱帶海溫后，P-J遙相關型的中心位置明顯發(fā)生了改變，其位置與1960～1979年P-J遙相關型中心位置相一致。結果表明，熱帶海溫場在氣候突變前后的變化是導致P-J遙相關型位置偏移的主要原因。

Alexander M A, Lau N C, Scott J D. 2004. Broadening the atmospheric bridge paradigm: ENSO teleconnections to the tropical west Pacific–Indian Oceans over the seasonal cycle and to the North Pacific in summer [J]. Amer. Geophys. Union, Geophys. Monogr., 147: 85–103.

曹鴻興. 2001. 模式氣候的球諧譜分析[J]. 氣候與環(huán)境研究, 6 (1): 12–18. Cao Hongxing. 2001. Spectral analysis of model climate with spherical harmonics function [J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 6 (1): 12–18.

Hoskins B J. 1980. Representation of the earth topography using spherical harmonies [J]. Mon. Wea. Rev., 108 (1): 111–115.

Hsu H H, Lin S M. 2007. Asymmetry of the tripole rainfall pattern during the East Asian summer [J]. J. Climate, 20 (17): 4443–4458.

Huang G. 2004. An index measuring the interannual variation of the East Asian summer monsoon—The EAP index [J]. Adv. Atmos. Sci., 21 (1): 41–52.

黃榮輝. 1990. 引起我國夏季旱澇的東亞大氣環(huán)流異常遙相關及其物理機制的研究[J]. 大氣科學, 14 (1): 108–117. Huang Ronghui. 1990. Studies on the teleconnections of the general circulation anomalies of East Asia causing the summer drought and flood in China and their physical mechanism [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 14 (1): 108–117.

Huang R H, Li W J. 1987. Influence of the heat source anomaly over the tropical western Pacific on the subtropical high over East Asia [C]// Proceedings of the International Conference on the General Circulation of East Asia. Chengdu, China, 40–45.

黃榮輝, 李維京. 1988. 夏季熱帶西太平洋上空的熱源異常對東亞上空副熱帶高壓的影響及其物理機制[J]. 大氣科學, 12 (S1): 107–116. Huang Ronghui, Li Weijing. 1988. Influence of heat source anomaly over the western tropical Pacific on the subtropical high over East Asia and its physical mechanism [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 12 (S1): 107–116.

Jung T, Hilmer M, Ruprecht E, et al. 2003. Characteristics of the recent eastward shift of interannual NAO variability [J]. J. Climate, 16: 3371–3382.

Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al. 1996. The NCEP/NCAR 40–year reanalysis project [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77: 437–471.

Kistler R, Collins W, Saha S, et al. 2001. The NCEP-NCAR 50-year reanalysis: Monthly means CD-ROM and documentation [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 82 (2): 247–267.

Kosaka Y, Nakamura H. 2006. Structure and dynamics of the summertime Pacific?Japan teleconnection pattern [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 132: 2009–2030.

Kosaka Y, Nakamura H. 2010. Mechanisms of meridional teleconnection observed between a summer monsoon system and a subtropical anticyclone. Part I: The Pacific–Japan pattern [J]. J. Climate, 23: 5085–5108.

Kosaka Y, Xie S P, Lau N C, et al. 2013. Origin of seasonal predictability for summer climate over the northwestern Pacific [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110 (19): 7574–7579.

Kurihara K. 1989. A climatological study on the relationship between the Japanese summer weather and the subtropical high in the western North Pacific [J]. Geophys. Mag., 43: 45–104.

Kurihara K, Tsuyuki T. 1987. Development of the barotropic high around Japan and its association with Rossby wave-like propagations over the North Pacific: Analysis of August 1984 [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 65: 237–246.

李紅梅, 周天軍, 宇如聰. 2008. 近四十年我國東部盛夏日降水特性變化分析[J]. 大氣科學, 32 (2): 358–370. Li Hongmei, Zhou Tianjun, Yu Rucong. 2008. Analysis of July–August daily precipitation characteristics variation in eastern China during 1958–2000 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 32 (2): 358–370.

李志錦, 紀立人. 1996. 實際預報可預報性的時空依賴性分析[J]. 大氣科學, 20 (3): 290–297. Li Zhijin, Ji Liren. 1996. Analysis of the dependence of predictability on spatial and temporal scales from operational forecasts [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 20 (3): 290–297.

Lu R Y. 2002. Indices of the summertime western North Pacific subtropical high [J]. Adv. Atmos. Sci., 19 (6): 1004–1028.

Mantua N J, Hare S R, Zhang Y, et al. 1997. A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 78: 1069–1079.

Moore G W K, Renfrew I A, Pickart R S. 2013. Multidecadal mobility of the North Atlantic Oscillation [J]. J. Climate, 26 (8): 2453–2466.

Neale R B, Chen C C, Gettelman A, et al. 2010. Description of the NCAR Community Atmosphere Model (CAM5.0) [R]. NCAR TECHNICAL NOTE NCAR/TN-486+STR, 7–8.

Nitta T. 1987. Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 65: 373–390.

Ogasawara T, Kawamura R. 2007. Combined effects of teleconnection patterns on anomalous summer weather in Japan [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 85: 11–24.

Rayner N A, Parker D E, Horton E B, et al. 2003. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century [J]. J. Geophys. Res., 108 (D14): doi:10.1029/ 2002JD002670.

Sardeshmukh P D, Hoskins B I. 1984. Spatial smoothing on the sphere [J]. Mon. Wea. Rev, 112 (12): 2524–2529.

Simmons A J, Gibson J K. 2000. The ERA-40 project plan [R]. ERA-40 Project Rep. Series 1, ECMWF. Reading, UK.

Uppala S M, K?llberg P W, Simmons A J, et al. 2005. The ERA-40 re-analysis [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 131: 2961–3012.

Wakabayashi S, Kawamura R. 2004. Extraction of major teleconnection patterns possibly associated with the anomalous summer climate in Japan [J]. J. Meteor. Soc. Japan, 82: 1577–1588.

Wallace J M, Gutzler D S. 1981. Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter [J]. Mon. Wea. Rev., 109 (4): 784–812.

Wang B, Wu R G, Lau K M. 2001. Interannual variability of the Asian summer monsoon: Contrasts between the Indian and the western North Pacific–East Asian monsoons [J]. J. Climate, 14: 4073–4090.

Xie S P, Hu K M, Hafner J, et al. 2009. Indian Ocean capacitor effect on Indo-western Pacific climate during the summer following El Ni?o [J]. J. Climate, 22: 730–747.

Yanai M, Esbensen S, Chu J H. 1973. Determination of bulk properties of tropical cloud clusters from large-scale heat and moisture budgets [J]. J. Atmos. Sci., 30 (4): 611–627.

Zhang Y, Wallace J M, Battisti D S. 1997. ENSO-like interdecadal variability: 1900–93 [J]. J. Climate, 10(5): 1004–1020.

朱錦紅, 王紹武, 張向東, 等. 2003. 全球氣候變暖背景下的大氣環(huán)流基本模態(tài)[J]. 自然科學進展, 13 (4): 417–421. Zhu Jinhong, Wang Shaowu, Zhang Xiangdong, et al. 2003. Basic modes of the general circulations under the global warming [J]. Progress in Natural Science (in Chinese), 13 (4): 417–421.

孫穎, 徐海明, 鄧潔淳. 2014. 太平洋—日本遙相關型的年代際變化特征及其成因[J]. 大氣科學, 38 (6): 1055?1065, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1402. 13273. Sun Ying, Xu Haiming, Deng Jiechun. 2014. Interdecadal variation in Pacific?Japan teleconnection patterns and possible causes [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (6): 1055?1065.

Interdecadal Variation in Pacific?Japan Teleconnection Patterns and Possible Causes

SUN Ying, XU Haiming, and DENG Jiechun

1,,(),210044;2,,210044

Based on NCEP/NCAR, the ERA-40 reanalysis dataset, and the precipitation dataset from 753 stations in China, the interdecadal variation ofthe summer Pacific?Japan (P-J) teleconnection pattern is investigated. Results indicate that the summer P-J teleconnection pattern experienced a marked interdacadal variation around the late 1970s, with its major teleconnection centers shifting southwestward. This interdecadal variation is clearly reflected in the fields of 850 hPa zonal wind and 500 hPa geopotential heights. This study also shows that the P-J teleconnection pattern in interdecadal variation is closely related to interdecadal variations in sea surface temperature (SST) over the tropical Pacific and Indian Oceans. Prior to the late 1970s, no high correlation coefficients are found between the summer P-J teleconnection pattern and its previous winter SST. However, after that, the P-J teleconnection pattern is found to be highly correlated to the SST over the tropical Pacific and Indian Oceans, both in the previous winter and spring. This interdecadal change in the relationship between the P-J teleconnection pattern and the SSTs over the tropical Pacific and Indian Ocean is probably due to the fact that the SST interannual variability over the tropical central and eastern Pacific has increased remarkably since the late 1970s. A high-resolution atmospheric general circulation model (GCM) is used to examine the effect of SSTs over the tropical Pacific and Indian Oceans on the interdecadal variation in the P-J teleconnection pattern through a model control experiment and several sensitivity experiments. GCM results further confirm that the interdecadal variation in SSTs over the tropical Pacific and Indian Oceans can indeed lead to the interdecadal variability of the P-J teleconnection pattern.

P-J (Pacific?Japan) teleconnection pattern, Interdecadal variation, Abrupt climate change, Tropical SST

1006?9895(2014)06?1055?11

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1402.13273

2013?09?25，2014?02?20收修定稿

國家重大科學研究計劃項目——“太平洋印度洋對全球變暖的響應及其對氣候變化的調控作用”2012CB955600，國家自然科學基金項目41275094，江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目PAPD，江蘇省高?！扒嗨{工程”項目

孫穎，女，1988年出生，碩士研究生，研究方向為區(qū)域氣候與海氣相互作用。E-mail: sunying88@foxmail.com

徐海明，E-mail: hxu@nuist.edu.cn