冬季北極濤動(dòng)對(duì)東亞表面溫度的持續(xù)異常影響

董仕1)肖子牛

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081)2)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

?

冬季北極濤動(dòng)對(duì)東亞表面溫度的持續(xù)異常影響

董 仕1) 肖子牛2)*

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081)2)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

利用1950—2013年NCEP/NCAR再分析資料和哈德萊中心的海表面溫度資料，統(tǒng)計(jì)分析了冬季北極濤動(dòng)(AO)對(duì)東亞表面溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)：冬季AO正位相時(shí)，東亞大槽減弱，西伯利亞高壓減弱，低層風(fēng)場(chǎng)異常偏南，東亞冬季風(fēng)減弱，東亞冬季風(fēng)區(qū)溫度升高，而負(fù)位相時(shí)情況相反。冬季高緯度大氣變率大，冬季逐月AO與東亞冬季溫度的關(guān)系表明1月、2月AO分別與東亞表面溫度的相關(guān)關(guān)系皆可持續(xù)2個(gè)月以上；AO正位相時(shí)，西太平洋海溫和東亞表面溫度均有所升高，由于海洋運(yùn)動(dòng)和變化具有緩慢性和持續(xù)性，西太平洋海溫可以承載長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的AO信號(hào)，西太平洋海溫可持續(xù)影響東亞地區(qū)溫度，導(dǎo)致AO持續(xù)影響東亞表面溫度。

北極濤動(dòng)； 東亞表面溫度； 西太平洋海溫； 海氣相互作用

引 言

Thompson等[1]首次提出了北極濤動(dòng)(AO，Arctic Oscillation)的概念，AO反映了中緯度西風(fēng)的強(qiáng)弱，這種中高緯度地區(qū)的環(huán)狀分布可以從海平面一直伸展到平流層低層，是具有高度緯向?qū)ΨQ的深厚系統(tǒng)[2-3]。AO在全年持續(xù)存在，冬季影響尤為強(qiáng)烈，濤動(dòng)中心的季節(jié)性移動(dòng)和太陽(yáng)輻射的季節(jié)性移動(dòng)有關(guān)[4]。AO作為北半球中高緯度重要的大氣環(huán)流遙相關(guān)型，對(duì)熱帶外地區(qū)溫度和位勢(shì)高度影響顯著，會(huì)導(dǎo)致北半球中高緯度地區(qū)多種極端天氣事件的發(fā)生。冬季AO負(fù)異常時(shí)，北半球中高緯度地區(qū)易發(fā)生阻塞天氣，導(dǎo)致寒潮、強(qiáng)風(fēng)、低溫等極端天氣[5]。Thompson等[2]將北半球各地冬季氣溫與AO指數(shù)(AOI，Arctic Oscillation index)的時(shí)間序列做回歸分析，在AO處于正異常時(shí)，整個(gè)歐亞大陸高緯度地區(qū)呈溫度正距平。

近年來(lái)也有很多研究成果表明，AO對(duì)東亞冬季和極端天氣有重要影響，龔道溢等[6]分析了近百年北極濤動(dòng)對(duì)中國(guó)冬季氣候的影響，指出冬季AO 對(duì)我國(guó)冬季氣溫和降水的影響方式不同，AO與西伯利亞高壓之間可能存在動(dòng)力聯(lián)系，AOI偏強(qiáng)時(shí)，西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)而平直，東亞大槽減弱，槽后輻合下沉減弱，地面西伯利亞高壓也相應(yīng)減弱，中國(guó)大部分地區(qū)冬季氣溫偏高，同時(shí)降水偏多[7-8]。東亞冬季風(fēng)支配著東亞的天氣和氣候，通過(guò)西伯利亞高壓間接受AO的影響，AO與東亞冬季風(fēng)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)AO為正位相時(shí)，冬季風(fēng)偏弱，易出現(xiàn)暖冬[9-12]。年代際尺度下，AO和太平洋年代際振蕩處于負(fù)(正)位相，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)，中國(guó)冬季氣溫偏低(高)[13]。

東亞冬季氣候不僅受到AO的同期影響，而且太平洋對(duì)東亞地區(qū)氣候的影響也十分關(guān)鍵[14]。東亞冬季溫度和降水異常顯著依賴于ENSO和AO的不同位相配置, 并不僅由其中某個(gè)因子決定[15-17]。Liu等[18]發(fā)現(xiàn)冬季北太平洋海溫經(jīng)過(guò)最大協(xié)方差分析(MCA，Maximum Covariance Analysis)呈馬蹄形海溫形態(tài)，該形態(tài)會(huì)持續(xù)至夏季，影響區(qū)域大氣的環(huán)流。Kim等[19]指出秋季北太平洋海表面溫度對(duì)11月的AO有顯著影響，導(dǎo)致大氣環(huán)流系統(tǒng)改變，進(jìn)而控制整個(gè)東亞冬季的溫度。He等[20]發(fā)現(xiàn)11月、12月AO與1月東亞表面溫度相關(guān)關(guān)系均最為顯著，11月和12月有羅斯貝波由高緯度向東南傳播，并在1月移至東亞地區(qū)，從而使AO的信號(hào)可持續(xù)到1月。同時(shí)，無(wú)論是11月還是12月，在AO正位相之后1個(gè)月，會(huì)引起北太平洋副熱帶中部海溫上升并達(dá)到峰值，形成一個(gè)馬蹄狀海溫異常分布，該馬蹄狀異常海溫分布型通過(guò)東亞經(jīng)向風(fēng)異常導(dǎo)致東亞溫度隨之變化。

現(xiàn)有研究多考慮季節(jié)尺度的相關(guān)聯(lián)系，但季節(jié)內(nèi)各月的變化并不均衡，研究已發(fā)現(xiàn)，個(gè)別月份AO的異常作用具有更重要的意義[20]，本文應(yīng)用北半球環(huán)狀模(NAM，Northern Annular Mode)表征AO，對(duì)全年逐月的AOI與東亞表面溫度進(jìn)行同期與滯后相關(guān)分析。著重分析1月、2月AO與東亞地區(qū)表面溫度高相關(guān)關(guān)系的持續(xù)性，并探討這種長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性的可能機(jī)制。

1 資料和方法

本文所用資料包括：①1950—2013年美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP，National Centers for Environmental Prediction)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR，National Center for Atmospheric Research)發(fā)布的全球月平均海平面氣壓、1000 hPa緯向風(fēng)、1000 hPa經(jīng)向風(fēng)、500 hPa位勢(shì)高度和表面溫度再分析資料[21]，水平分辨率為2.5°×2.5°，②1950—2013年哈德萊中心海表面溫度資料HadISST(http://badc.nerc.ac.uk/data/hadisst)，水平分辨率為1°×1°。

AOI依據(jù)于Li等[22]的相關(guān)研究，利用35°N和65°N上兩個(gè)環(huán)狀活動(dòng)帶中心的標(biāo)準(zhǔn)化緯向平均海平面氣壓差作為AOI，這一定義相比Thompson等[1]1998年利用自然正交函數(shù)分解(EOF)方法提出AO的物理意義更加清楚。本文所計(jì)算的逐月AOI與NCEP氣候預(yù)測(cè)中心(CPC,Climate Predition Center)所提供的逐月AOI基本一致，相關(guān)系數(shù)為0.7，達(dá)到0.01顯著性水平。

2 AO與東亞表面溫度的關(guān)系

2.1 冬季AO與冬季東亞表面溫度的關(guān)系

AO在冬季時(shí)最為明顯，同時(shí)冬季各月AOI平均多為正值(AO的正位相)，對(duì)應(yīng)極地地區(qū)氣壓降低，中高緯度地區(qū)氣壓升高，作為一個(gè)深厚系統(tǒng)，使對(duì)流層高層的西風(fēng)加強(qiáng)，對(duì)中高緯度地區(qū)天氣和氣候影響顯著。

AO與東亞地區(qū)表面溫度存在緊密聯(lián)系，圖1為1951—2013年冬季(前一年12月與當(dāng)年1月、2月)AOI與表面異常溫度的同期相關(guān)系數(shù)分布，在冬季AO處于正位相時(shí)，東亞、北亞表面溫度有所升高，中亞地區(qū)AOI和表面溫度相關(guān)不顯著，這是由于對(duì)流層西風(fēng)加強(qiáng)，大槽變淺，高緯度冷空氣多被錮囚在極地地區(qū)。圖1方框內(nèi)所示為東亞冬季風(fēng)主要影響區(qū)域(20°～60°N，110°～140°E)，因此，定義為本文主要研究區(qū)域，可以看出，在AO處于正位相時(shí)，整個(gè)區(qū)域溫度明顯升高，說(shuō)明這一區(qū)域表面溫度的變化對(duì)AO的響應(yīng)具有統(tǒng)一性，該區(qū)域也與東亞冬季風(fēng)[23]、北太平洋的海溫和海冰等關(guān)系十分密切[11,15-16,24]，定義該區(qū)域異常表面溫度的區(qū)域加權(quán)平均為TEA。

圖1 1951—2013年冬季AOI與同期異常表面溫度相關(guān)分布(方框?yàn)槭蹵O影響最顯著的東亞地區(qū)，陰影區(qū)達(dá)到0.01顯著性水平)Fig.1 Correlation between AO index and surface air temperature anomalies in winter during 1951-2013 (the box denotes the target area influenced by AO,the shaded denotes passing the test of 0.01 level)

基于AO在冬季的顯著影響，并與東亞關(guān)系密切，對(duì)1951—2013年63個(gè)冬季進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將冬季平均AOI超過(guò)±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份分別定義為AO正位相年份和負(fù)位相年份，得到10個(gè)AO正位相年(1972，1988，1989，1991，1992，1998，1999，2001，2006，2007年)和8個(gè)AO負(fù)位相年(1955，1962，1964，1967，1968，1976，2009，2010年)，繼而用這兩組AOI異常年份的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、不同層次的位勢(shì)高度場(chǎng)進(jìn)行合成分析，合成結(jié)果如圖2所示。

圖2 1951—2013年冬季AO正位相表面異常溫度(單位：K)(a)，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：gpm)(b)，1000 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭頭)和海表面氣壓(等值線，單位：hPa)(c)的異常分布及冬季AO負(fù)位相表面異常溫度(單位：K)(d)，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(單位：gpm)(e)，1000 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭頭)和海表面氣壓(等值線，單位：hPa)(f)異常分布(陰影區(qū)表示達(dá)到0.05顯著性水平，風(fēng)場(chǎng)達(dá)到0.05的顯著性水平)Fig.2 Surface air temperature anomalies(unit:K)(a),500 hPa geopotential height(unit: gpm)(b), 1000 hPa wind(vectors) and sea level pressure(unit: hPa)(c)based on the positive phase of wintertime AO during 1951-2013,Fig.2d,Fig.2e,Fig.2f are the same as in Fig.2a,Fig.2b,Fig.2c,but for the negative phase of wintertime AO(the shaded denotes passing the test of 0.05 level, the wind is significant at 0.05 level)

圖2為冬季AO正位相和負(fù)位相年份各要素合成場(chǎng)，如圖2a所示，在冬季AO處于正位相時(shí)，東亞、北亞表面溫度明顯升高，白令海有部分降溫區(qū)域，與圖1中冬季AO和冬季東亞表面溫度相關(guān)分布十分吻合，說(shuō)明AO對(duì)表面溫度的影響顯著；圖2d為AO負(fù)位相時(shí)，東亞和北亞表面溫度降低，分布與圖2a相似，符號(hào)相反。分析500 hPa高度場(chǎng)(圖2b)，冬季AO處于正位相時(shí)，東亞大槽處存在正異常，北太平洋高壓脊存在負(fù)異常，說(shuō)明東亞大槽和北太平洋高壓脊均有所減弱，西風(fēng)加強(qiáng)，阻塞形勢(shì)變少，寒潮等冷空氣活動(dòng)也會(huì)相應(yīng)減少；由圖2e可知，AO負(fù)位相時(shí)，500 hPa高度場(chǎng)與正位相時(shí)情況相反。對(duì)海表面氣壓進(jìn)行合成分析(圖2c)，西伯利亞高壓明顯減弱，同時(shí)阿留申低壓處氣壓異常升高，阿留申低壓減弱，東亞地區(qū)1000 hPa風(fēng)場(chǎng)異常偏南，北太平洋地區(qū)存在一個(gè)異常巨大的反氣旋環(huán)流，對(duì)應(yīng)冬季東亞冬季風(fēng)減弱，表現(xiàn)在圖2a中東亞地區(qū)的表面溫度正異常；AO負(fù)位相時(shí)情況相反(圖2f)，這些皆與此前關(guān)于北極濤動(dòng)影響東亞冬季氣候的結(jié)果相一致[22,25]。

冬季的AO與東亞氣候異常均存在明顯的年代際變化[6,26]，圖3為冬季AOI與東亞平均表面溫度距平的時(shí)間序列?？梢钥闯?，圖3a、圖3b東亞異常表面溫度和AOI的年代際變化十分相似，20世紀(jì)50年代到80年代中期，東亞表面溫度偏低，AO強(qiáng)度較弱；20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初東亞呈升溫趨勢(shì)，AO處于正位相且強(qiáng)度較強(qiáng)；21世紀(jì)之后東亞增溫停滯并開(kāi)始下降，AO強(qiáng)度也在減弱。冬季AO與東亞冬季表面溫度具有較為一致的年代際變化特征，這與丁一匯等[13]提到的中國(guó)冬季氣溫經(jīng)歷了冷期-暖期-變暖停頓期，以及東亞冬季風(fēng)所表現(xiàn)的強(qiáng)-弱-強(qiáng)3個(gè)階段的年代際變化特征基本吻合。

圖3 1951—2013年冬季東亞平均表面溫度距平(a)與AOI(b)的變化Fig.3 The average surface air temperature anomalies in East Asia(a) and AO index(b) in winter during 1951-2013

2.2 冬季逐月AOI與同期及后期東亞表面溫度關(guān)系

本文計(jì)算了冬季AOI各月之間的自相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)12月—次年2月AOI只有在滯后1個(gè)月的相關(guān)系數(shù)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(表1)，但自相關(guān)系數(shù)未超過(guò)0.39。事實(shí)上，AO在冬季、春季不同月份強(qiáng)度和空間結(jié)構(gòu)均有顯著變化[2]，尤其冬季高緯度大氣變率較大，結(jié)合表1中冬季AO較低的自相關(guān)系數(shù)可以看出，冬季AO自身的持續(xù)性十分有限。為了深入考察冬季AO與東亞地區(qū)氣候的聯(lián)系，本文計(jì)算了月尺度冬季AOI與東亞表面溫度的相關(guān)性，以便對(duì)逐月AO與東亞表面異常溫度進(jìn)行分析。

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，春夏季不同月份AOI與東亞表面溫度的相關(guān)關(guān)系并不好，但冬季兩者之間的關(guān)系很好。表2給出了冬季AOI各月與同期以及隨后6個(gè)月內(nèi)TEA的相關(guān)關(guān)系，如表2所示，12月AOI與1月TEA相關(guān)性最優(yōu)，但與隨后2月TEA相關(guān)性并未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，這與He等[20]的研究結(jié)果相一致。 2月AO可以與滯后1—2個(gè)月的氣溫有很高的相關(guān)性，雖然1月、2月的AOI與TEA同期相關(guān)性為最優(yōu)，但與隨后4個(gè)月的TEA皆存在一定的相關(guān)關(guān)系，直到6月，冬季各月AO與6月TEA相關(guān)系數(shù)未達(dá)到0.1的顯著性水平，這說(shuō)明冬季逐月AO對(duì)東亞表面溫度的影響至少可以持續(xù)兩個(gè)月以上。

表1 1951—2013年冬季AOI滯后相關(guān)系數(shù)Table 1 AO index lagged correlations in winter during 1951-2013

注：*,**分別表示達(dá)到0.05,0.01顯著性水平。

表2 1951—2013年冬季AOI與同期及后期東亞異常表面溫度的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation between winter AO and Asian surface air temperature anomalies during 1951-2013

注：*，**分別表示達(dá)到0.05,0.01顯著性水平。

AO未表現(xiàn)出很好的持續(xù)性，但冬季逐月AO與東亞表面溫度的顯著相關(guān)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，應(yīng)通過(guò)其他途徑完成信息傳遞。大氣自身擾動(dòng)的時(shí)間尺度較短，大氣內(nèi)部變化快，很難記憶跨月尺度的異常變化，海洋比熱大，質(zhì)量大，海洋巨大的熱容量使海洋運(yùn)動(dòng)和變化具有明顯的緩慢性和持續(xù)性，特別是儲(chǔ)存大量能量的混合層滯后性最為顯著，能夠使大氣異常的信息得以儲(chǔ)存，繼而再對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用。上面對(duì)AO自身的持續(xù)性的計(jì)算結(jié)果表明，AOI本身存在1個(gè)月的滯后性，平流層行星尺度波與緯向流之間的作用使AO在平流層的變化時(shí)間尺度為30～60 d[3,27]，AOI與TEA顯著相關(guān)關(guān)系可以持續(xù)兩個(gè)月。而AO對(duì)東亞表面溫度造成持續(xù)兩個(gè)月以上的影響，不僅通過(guò)大氣本身，海洋的影響亦不可忽視。

3 冬季逐月AO與西太平洋海溫的關(guān)系

海洋的熱慣性使海洋狀況變化有滯后效應(yīng)，且海氣耦合作用使較高頻率的大氣變化(擾動(dòng))減頻，耦合波的頻率變低，而后作用于大氣，因此，海洋可能是AO與東亞表面溫度持續(xù)相關(guān)的主要原因。Deser[28]曾指出，AO與北大西洋區(qū)域氣候關(guān)系密切，但與北太平洋的相關(guān)較弱。而本文將逐月AOI與全球的海溫進(jìn)行同期相關(guān)分析，主要相關(guān)區(qū)域位于北大西洋和西太平洋(圖4)。北大西洋的相關(guān)性分布呈三極型，在西太平洋地區(qū)則為面積較大較明顯的正相關(guān)區(qū)域，AO為正位相時(shí)，圖4a～圖4h西太平洋的海溫均呈明顯的升溫，圖4a、圖4b在北太平洋中部副熱帶地區(qū)存在正相關(guān)區(qū)域，這與已有研究中北太平洋的馬蹄形海溫分布相似[18,20]，但如圖4a～圖4d所示，這種馬蹄形海溫分布持續(xù)性并不強(qiáng)，持續(xù)不超過(guò)兩個(gè)月。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冬季北大西洋三極型的海溫形態(tài)和東亞表面溫度的相關(guān)關(guān)系不明顯，圖4a中北大西洋正相關(guān)區(qū)域的海溫減負(fù)相關(guān)區(qū)域的海溫定義為北大西洋三極型海溫形態(tài)海溫指數(shù)，將1月、2月此海溫指數(shù)分別與同期及后期4個(gè)月內(nèi)的TEA進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)均小于0.2，未達(dá)到0.1顯著性水平(表略)。因此，本文將主要關(guān)注西太平洋地區(qū)，西太平洋地區(qū)(10°S～40°N，120°～150°E)異常海表面溫度的區(qū)域平均簡(jiǎn)稱為WPSST(Western Pacific sea surface temperature)。表3中同時(shí)列出了AOI與WPSST滯后5個(gè)月的自相關(guān)系數(shù)，AOI在滯后1個(gè)月時(shí)相關(guān)系數(shù)最大，而WPSST可以持續(xù)至5個(gè)月。圖4和表3說(shuō)明海洋自身具有持續(xù)性，且可以承載AO信號(hào)，以上分析表明，逐月AO與東亞冬季表面溫度的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性影響海洋作用不可忽視。

圖4 1951—2013年1月AOI與1951—2013年1月(a)、2月(b)、3月(c)、4月(d)的太平洋和大西洋海溫相關(guān)分布及1951—2013年2月AOI與1951—2013年2月(e)、3月(f)、4月(g)、5月(h)的太平洋和大西洋海溫相關(guān)分布(陰影表示達(dá)到0.01顯著性水平)Fig.4 Correlation between AO index in Jan and Pacific-Atlantic sea surface temperature in Jan(a),Feb(b),Mar(c),Apr(d) during 1951-2013,correlation between AO index in Feb and Pacific-Atlantic sea surface temperature in Feb(e),Mar(f),Apr(g),May(h) during 1951-2013 (the shaded denotes passing the test of 0.01 level)

滯后長(zhǎng)度/月AOI自相關(guān)系數(shù)WPSST自相關(guān)系數(shù)10.4300.79020.1740.64730.0100.5654-0.1050.5135-0.1930.469

冬季AO的正位相時(shí)，西太平洋海溫有持續(xù)正異常響應(yīng)(圖4)。由圖5可知，造成這種西太平洋海溫的正異常，起主導(dǎo)作用的是海氣耦合過(guò)程中大氣低層風(fēng)場(chǎng)的改變，低層風(fēng)場(chǎng)可以驅(qū)動(dòng)表層海水，風(fēng)場(chǎng)變化將極大影響海表面溫度。由圖5a、圖5c可知，在AO處于正位相時(shí)，1月、2月北半球副熱帶地區(qū)存在異常的東北信風(fēng)，赤道信風(fēng)加強(qiáng)，且在西太平洋地區(qū)存在氣旋性環(huán)流，這些均促使表層暖水向西太平洋的輸運(yùn)和堆積。由圖5b、圖5d可知，AO負(fù)位相時(shí)可以看到在西太平洋地區(qū)由最初的氣旋性環(huán)流變?yōu)榉礆庑h(huán)流，風(fēng)場(chǎng)與AO正位相時(shí)相反。AO給西太平洋海溫帶來(lái)的變化，由于海洋自身的持續(xù)性得以保留。

AO變化可以改變風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)動(dòng)力改變表層海水分布，變化的海洋可以將信號(hào)保存下來(lái)，通過(guò)潛熱和感熱的輸送推動(dòng)上層的大氣運(yùn)動(dòng)，影響大氣環(huán)流。

圖5 1951—2013年1月AO正位相(a)、負(fù)位相(b) 1000 hPa異常風(fēng)速，1951—2013年2月AO正位相(c)、負(fù)位相(d) 1000 hPa異常風(fēng)速(風(fēng)場(chǎng)達(dá)到0.05顯著性水平)Fig.5 1000 hPa wind anomalies based on positive(a) and negative(b) phases of AO in Jan during 1951-2013 and 1000 hPa wind anomalies based on positive(c) and negative(d) phases of AO in Feb during 1951-2013(the wind is significant at 0.05 level)

4 冬季西太平洋海溫對(duì)東亞表面溫度影響

AO正位相時(shí)導(dǎo)致東亞表面溫度持續(xù)正異常，同期使海表面風(fēng)場(chǎng)發(fā)生變化，海溫也隨之發(fā)生變化?；谝陨戏治隹芍魈窖蠛?WPSST)是受AO影響的關(guān)鍵區(qū)域，1月、2月WPSST分別與同期及后期東亞表面溫度相關(guān)分布如圖6所示，圖6方框區(qū)域同圖1為主要關(guān)注的東亞冬季風(fēng)區(qū)。由圖6a～圖6d可知，WPSST升高，在所關(guān)注的東亞冬季風(fēng)區(qū)域內(nèi)，同期及后期的表面溫度也會(huì)明顯升高。1月WPSST與3月東亞表面溫度的相關(guān)不顯著(圖6c)，1月WPSST與4月東亞表面溫度相關(guān)顯著(圖6d)，與表2中AOI與TEA的相關(guān)關(guān)系相對(duì)應(yīng)。2月WPSST(圖6e～圖6h)與各月的東亞表面溫度相關(guān)性皆較好。

綜合圖4、圖6可知，1月、2月AO對(duì)東亞表面溫度持續(xù)影響的主要原因很可能來(lái)自西太平洋海溫。AO正位相時(shí)，同期東亞表面溫度和西太平洋的海溫均有所升高，西太平洋海溫可以承載至少4個(gè)月AO的信號(hào)，同時(shí)，西太平洋海溫升高，東亞表面溫度也會(huì)升高，西太平洋中AO的信號(hào)傳遞給東亞大陸，正是由于海氣相互作用，使大氣中1月、2月AO信號(hào)影響可以持續(xù)在東亞表面溫度中體現(xiàn)，甚至影響整個(gè)春季的東亞表面溫度。

圖6 1951—2013年1月WPSST與1月(a)、2月(b)、3月(c)、4月(d)的東亞異常表面溫度相關(guān)分布及1951—2013年2月WPSST與2月(e)、3月(f)、4月(g)、5月(h)的東亞異常表面溫度相關(guān)分布(方框?yàn)槭蹵O影響最顯著的東亞地區(qū)，深色和淺色陰影分別表示達(dá)到0.01和0.05顯著性水平的正相關(guān)區(qū)域)Fig.6 Correlation between WPSST in Jan and Asian surface air temperature anomalies in Jan(a),Feb(b),Mar(c),Apr(d) during 1951-2013, correlation between WPSST in Feb and Asian surface air temperature anomalies in Feb(e),Mar(f),Apr(g),May(h) during 1951-2013(the box denotes the target area influenced by AO, heavy and light shaded areas denote the positive correlation passing the tests of 0.01 and 0.05 levels, respectively)

5 結(jié)論與討論

本文利用NCEP/NCAR再分析資料和哈德萊中心的海表面溫度資料，探究冬季AO對(duì)于東亞表面溫度的影響。主要結(jié)論如下：

1) 當(dāng)冬季AO處于正位相時(shí)，高層?xùn)|亞大槽顯著減弱，同時(shí)地面西伯利亞高壓減弱，說(shuō)明東亞冬季風(fēng)偏弱，北亞和東亞地區(qū)地面南風(fēng)異常，西伯利亞至我國(guó)南部的東亞季風(fēng)區(qū)表面溫度異常偏高。冬季AO與東亞冬季表面溫度表現(xiàn)出一致的年代際變化特征。

2) 冬季AO在月際尺度上作用并不完全一致，由于冬季高緯度大氣變率較大，其自身的持續(xù)性為1個(gè)月，但對(duì)東亞表面溫度的影響會(huì)持續(xù)2個(gè)月以上，其中1月、2月AO分別與東亞表面溫度存在長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的相關(guān)關(guān)系。

3) 1月、2月AO對(duì)東亞表面溫度的長(zhǎng)時(shí)間影響很可能通過(guò)西太平洋的海氣相互作用實(shí)現(xiàn)。在AO處于正位相時(shí)，AO可以通過(guò)低層風(fēng)場(chǎng)將信號(hào)傳遞至西太平洋，導(dǎo)致西太平洋海溫升高，由于海洋自身的持續(xù)性，使AO與東亞表面溫度關(guān)系得以維持。

綜合以上分析，說(shuō)明冬季逐月AO對(duì)東亞表面溫度持續(xù)影響，西太平洋海溫起重要作用。在研究AO對(duì)中高緯度大陸影響時(shí)，海氣相互作用也是關(guān)鍵性因素，所獲得結(jié)論可通過(guò)今后的數(shù)值模擬進(jìn)一步加以驗(yàn)證和完善。

[1] Thompson D W J,Wallace J M.The Arctic oscillation signature in the wintertime geopotential height and temperature fields.GeophysResLett,1998,25(9):1297-1300.

[2] Thompson D W J,Wallace J M.Annular modes in the extratropical circulation.Part I:Month-to-month variability.JClimate,2000,13(5):1000-1016.

[3] Baldwin M P,Timothy J D.Propagation of the Arctic Oscillation from the stratosphere to the troposphere.JGeophysRes,1999,104:30937-30946.

[4] 范麗軍,李建平,韋志剛,等.北極濤動(dòng)和南極濤動(dòng)的年變化特征.大氣科學(xué),2003，27(3):419-424.

[5] Wallace John M.North Atlantic Oscillation annular mode:Two paradigms-one phenomenon.QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,2000,126:791-805.

[6] 龔道溢,王紹武.近百年北極濤動(dòng)對(duì)中國(guó)冬季氣候的影響. 地理學(xué)報(bào),2003,58(4):559-568.

[7] Gong D Y,Wang S W,Zhu J H.East Asian winter monsoon and Arctic oscillation.GeophysResLett,2001,28(10):2072-2076.

[8] 毛睿,龔道溢,房巧敏.冬季東亞中緯度西風(fēng)急流對(duì)我國(guó)氣候的影響.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2007,18(2):137-146.

[9] 施能.近40年?yáng)|亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的多時(shí)間尺度變化特征及其與氣候的關(guān)系.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1996,7(2):175-182.

[10] Wu B Y,Wang J.Impacts of winter Arctic Oscillation on Siberian High,the East Asian winter monsoon.AdvAtmosSci,2002,19(2):297-320.

[11] 武炳義,卞林根,張人禾.冬季北極濤動(dòng)和北極海冰變化對(duì)東亞氣候變化的影響.極地研究,2004,16(3):211-220.

[12] 劉實(shí),隋波,涂鋼,等.我國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫變化的東亞冬季風(fēng)背景.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2014,25(1):11-21.

[13] 丁一匯,柳艷菊,梁蘇潔,等.東亞冬季風(fēng)的年代際變化及其與全球氣候變化的可能聯(lián)系.氣象學(xué)報(bào),2014,72(5):835-852.

[14] 李春暉,管兆勇,何金海,等.西太平洋海溫和南方濤動(dòng)與中國(guó)冬季氣候異常關(guān)系年代際變化的對(duì)比分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2005,16(1):105-113.

[15] Chen S F,Chen W,Wei K.Recent trends in winter temperature extremes in eastern China and their relationship with the Arctic Oscillation and ENSO.AdvAtmosSci,2013,30(6):1712-1724,doi:10.1007/s00376-013-2296-8.

[16] 陳文,蘭曉青,王林,等.ENSO和北極濤動(dòng)對(duì)東亞冬季氣候異常的綜合影響.科學(xué)通報(bào),2013,58(8):634-641.

[17] 陳文,魏科,王林,周群.東亞冬季風(fēng)氣候變異和機(jī)理以及平流層過(guò)程的影響.大氣科學(xué),2013,37(2):425-438.

[18] Liu Qinyu,Wen Na,Liu Zhengyu.An observational study of the impact of the North Pacific SST on the atmosphere.GeophysResLett,2006,33(18):L18611,doi:10.1029/2006GL026082.

[19] Kim Hae-Jeong,Ahn Joong-Bae.Possible impact of the autumnal North Pacific SST and November AO on the East Asian winter temperature.JGeophysRes,2012,117,D12104,doi: 10.1029/2012JD017527.

[20] He Shenping,Wang Huijun. Impact of the November/December Arctic Oscillation on the following January temperature in East Asia.JGeophysRes,2013,118(23):12981-12998.

[21] Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project.BullAmerMeteorSoc,1996,77:437-470.

[22] Li Jianping,Wang Julian.A modified zonal index and its physical sense.GeophysResLett,2003,30(12),1632,doi:10.1029/2003GL017441.

[23] 康麗華,陳文,王林,陳麗娟.我國(guó)冬季氣溫的年際變化及其與大氣環(huán)流的海溫異常的關(guān)系.氣候與環(huán)境研究,2009,14(1):45-53.

[24] 郭其蘊(yùn).東亞冬季風(fēng)的變化與中國(guó)氣溫異常的關(guān)系.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1994,5(2):218-225.

[25] 陳文,康麗華.北極濤動(dòng)與東亞冬季氣候在年際尺度上的聯(lián)系：準(zhǔn)定常行星波的作用.大氣科學(xué),2006,30(5):843-870.

[26] 李維京,李怡,陳麗娟,等.我國(guó)冬季氣溫與影響因子關(guān)系的年代際變化.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2013,24(4):385-396.

[27] Feldstein S B.The recent trend and variance increase of the Annular Mode.JClimate,2002,15(1):88-94.

[28] Deser C.On the Teleconnectivity of the Arctic Oscillation.GeophysResLett,2000,27(6):779-782.

The Persistent Impact of Winter Arctic Oscillation on the East Asian Surface Air Temperature

Dong Shi1)Xiao Ziniu2)

1)(ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)2)(StateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics,InstituteofAtmospherePhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029)

A statistical research of NCEP/NCAR reanalysis data and Met Office HadISST over the period of 1948-2013 is conducted to explore the influence of the winter AO on East Asian surface air temperature. The positive phase of the winter AO is characterized by weakened East Asia deep trough as well as Siberian high, low-level southerly wind field, and weakened East Asian winter monsoon resulting in temperature rise. The contrary is the case in the negative phase of the winter AO.

In high latitudes, atmospheric variability in winter is very large. With probing deeply into the relationship between monthly winter AO and East Asian surface air temperature, it is found that the impact of AO in January and February can last 2 months or longer, respectively. And the impact will almost disappear in June. The effect of winter AO itself on monthly scale is not consistent. AO can only last no more than two months after self-correlation analysis. But though a large amount of ocean heat content, sea change is slow and persistent. Ocean can store abnormal information of atmosphere, and then acting on atmosphere. For the positive phase of AO, the sea surface temperature (SST) in Western Pacific and East Asian surface temperature are simultaneously abnormally high, and anomalous northeast trades lead to SST anomalies in Western Pacific, making Western Pacific carry AO signals for more than 4 months.

With effects of Western Pacific, AO signals are passed continuously into East Asia. Above all, effects of SST in Western Pacific are of vital importance for the persistent impact of Arctic Oscillation on the East Asia through air-sea interaction.

Arctic Oscillation; East Asian surface air temperature; Western Pacific sea surface temperature; air-sea interaction

10.11898/1001-7313.20150404

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2012CB957804)， 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175051)

董仕,肖子牛.冬季北極濤動(dòng)對(duì)東亞表面溫度的持續(xù)異常影響. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(4)：422-431.

2014-11-14收到， 2015-03-20收到再改稿。

* 通信作者， email: xiaozn@cma.gov.cn