WP和NAO對中國東南部冬季溫度的協同影響

施春華 孫偉佳 郭棟

摘要 利用NCEP/NCAR和ERA-Interim再分析資料，通過多元線性回歸等分析方法，研究了西太平洋遙相關型（Western Pacific teleconnection，WP）和北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）的不同配置對中國東南部冬季氣溫的影響。結果表明：WP正位相年，中低緯太平洋被異常暖性高壓控制，其局地作用使得中國東南部溫度偏高;NAO正位相年，其遙相關作用通過南、北兩支波列，分別調控南、北支槽系統，協同作用使得中國東南部30°N附近溫度偏低。考慮這兩種遙相關型的共同作用，當WP和NAO同位相時，兩者作用部分抵消，中國東南部溫度變化不顯著;當WP正位相、NAO負位相時，兩者同步的加熱效應使得中國東南部顯著暖異常;當WP負位相、NAO正位相時，兩者同步的冷卻效應使得中國東南部顯著冷異常。

關鍵詞WP;NAO;中國東南部;冬季氣溫

北半球常見的大氣遙相關型有西太平洋型、太平洋北美型、西大西洋型、東大西洋型和歐亞型等（Wallace and Gutzler，1981），其中某些遙相關型之間還存在明顯的相關性，它們反映了大氣低頻變化的重要特征，分別或協同影響著各地的天氣和氣候（吳洪寶和王盤興，1994;程勝和李崇銀，2006;楊丹寧和羅德海，2014）。因此，遙相關型可以作為氣候預測的依據（施能，1996;張曼等，2015）。此外，太平洋-日本遙相關型對我國夏季降水有顯著的影響（張夢珂和金大超，2019;陶麗等，2020）。在眾多遙相關型中，西太平洋遙相關型（Western Pacific teleconnection，WP）和北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）作為熱帶外海盆上兩個主導模態，對于北半球氣候具有重要的影響。

WP是北半球對流層的一個遙相關型，表現為北太平洋地區氣壓場的南北反向變化現象（Wallace et al.，1981;Barnston and Livezey，1987）。李勇等（2007）研究發現WP遙相關與我國冬季氣候具有密切的關系，高指數年我國冬季偏暖濕。有研究（李勇等，2007;Park et al.，2018）指出，AO可以通過影響WP型遙相關來影響東亞冬季風。此外，也有學者（施能和朱乾根，1993;陳海山等，2002;Chowdary et al.，2012;Jin et al.，2016;Park et al.，2018）認為，WP遙相關型與ENSO（El Nio-Southern Oscillation）也有密切關系。可見，WP型遙相關及其影響的復雜性在于可能同時受低緯熱帶海洋系統和極地系統的共同作用。

NAO是北大西洋地區氣壓場變化的第一主導模態，表現為亞速爾高壓和冰島低壓之間的熱帶外氣壓場變化的翹翹板結構（Wallace et al.，1981;Barnston and Livezey，1987）。雖然NAO的主體位于北大西洋，但其是北半球最重要的緯向非對稱遙相關型，對整個北半球氣候都有重要影響（Hurrell，1995;武炳義和黃榮輝，1999;王永波和施能，2001;邵太華，2011;姚遙和羅德海，2016;王博等，2018）。邵太華（2011）指出冬季NAO指數與我國春季氣溫有很好的相關性。武炳義和黃榮輝（1999）指出，20世紀70年代之前，冬季NAO指數偏強時，東亞冬季風減弱，亞洲大陸北部氣溫偏高。施能（1996）指出，西大西洋型遙相關型與20世紀80年代后中國北方暖冬密切相關。王永波和施能（2001）認為，冬季NAO偏強時，我國東南地區氣溫偏低。

WP和NAO分別為北半球太平洋和大西洋兩個海盆上的重要模態，它們本身可能與AO形態變化有關（王林等，2021），目前有關這兩個模態獨自對氣候影響的研究及其與ENSO等大氣遙相關關系的研究已經比較豐富，但它們協同作用影響我國冬季氣溫的研究尚不多見。

因此，進一步從WP和NAO遙相關型的不同位相配置為切入點，結合多元線性回歸方法（Dhomse et al.，2006;Chen et al.，2014），剔除其他氣候因子和外強迫的影響，研究WP和NAO兩種遙相關型不同配置情況下，我國南方地區冬季氣溫的異常。

1 資料和方法

1.1 資料

本文使用了兩種再分析資料，其中1950—2018年的NCEP/NCAR逐月再分析資料（https：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html），水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向1 000～10 hPa共17層。在回歸分析時，主要使用了1979—2018年ERA-Interim逐日再分析資料（https：//apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/），水平分辨率為1.5°×1.5°，垂直方向1 000～1 hPa共37層。雖然ERA-Interim資料的時間序列較短，但其在亞洲地區與觀測資料的偏差更小，效果更好（Chen et al.，2014;高志剛等，2015）。本文前半部采用簡單合成時，需要剔除一些特殊的年份，會減少樣本數，所以選用長序列的NCEP資料。而后半部采用多元回歸分析方法時，單獨將WP和NAO因子的信號從其他干擾信號中提取出來，無需剔除掉一些特殊的年份，因此即使序列不很長但也能保證一定的樣本數。因此，論文后半部采用回歸分析時結合了質量更好的ERA-Interim資料。同時，這樣也能避免資料差異帶來的不確定性問題。

WP指數和NAO指數均來自Climate Prediction Center（CPC，美國氣候預測中心;https：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。ENSO指數為月平均Nio3.4指數（https：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。太陽指數為F10.7cm的太陽射電通量（Keckhut et al.，2005;http：//lasp.colorado.edu/lisird/tss/noaa-radio-flux.html）。氣溶膠指數為光學厚度550 nm的北半球平流層（150～1 hPa）月平均氣溶膠指數（https：//data.giss.nasa.gov/modelforce/strataer/）。QBO（quasi-biennial oscillation）指數來自10和30 hPa上的新加坡月平均緯向風（https：//www.geo.fu-berlin.de/en/met/ag/strat/produkte/qbo/）。

1.2 方法

1.2.1 Plumb波作用通量

Plumb（1985）三維波作用通量可以描述行星波能量在三維空間中的傳播：

FWA=pp0cosφ× ??v′2g-12Ωasin2φ （v′g ′）λ

-u′gv′g+12Ωasin2φ u′g ′λ

2ΩsinφSv′gT′-12Ωasin2φ （T′′）λ。

其中：上標′表示緯向偏差;f=2Ωasinφ為科氏參數;、φ、λ、Ω、a、T分別為位勢、緯度、經度、地球自轉角速度、地球半徑和溫度。p0=1 000 hPa;S=z+κH，為靜力穩定度;z=-Hlnpp0是關于logp的垂直坐標;κ≈0.286是氣體常數與定壓比熱之比;H=8 km是標高。方程中的u、v為地轉風：

ug=-1fa φ;

vg=1facosφ λ。

1.2.2 多元線性回歸

多元線性回歸方法（Lee and Smith，2003;Dhomse et al.，2006;Chen et al.，2015;Shi et al.，2018），可以將中國冬季的溫度異常，歸因到諸多強迫因子（WP、NAO、ENSO、太陽信號、火山爆發、QBO等），分別提取它們的信號。地面溫度T是空間x與時間t的函數時，多元線性回歸模型如下：

T（x，t）=a0（x）+aWP（x）·IWP（t）+aNAO（x）·INAO（t）+aENSO（x）·IENSO（t）+asolar（x）·Isolar（t）+aaero（x）·Iaero（t）+aQBO10（x）·IQBO10（t）+aQBO30（x）·IQBO30（t）+atrend（x）·Itrend（t）+ε（x，t）

其中：a0是常數項;aWP是溫度在WP因子上的回歸系數;其他系數a*中的*分別表示其他因子，如NAO、ENSO、準11 a太陽活動、氣溶膠變化、10 hPa的QBO指數、30 hPa的QBO指數和線性趨勢等。ε（x，t）為殘差項。回歸分析和合成分析時的顯著性檢驗方法為t檢驗。對回歸結果合成分析時，僅針對該因子的回歸項進行。

從冬季（1、2月平均）WP和NAO指數的時間序列（圖1）看，兩者的相關系數0.12，未通過90%的置信度檢驗，說明兩者有較好的獨立性。而WP指數與NAO指數的散點分布（圖2，已將1980和1991兩個強火山爆發年剔除）上，在去除標準化ENSO指數絕對值大于1.0的強ENSO年（藍色點）后，散點在四個象限中分布比較均勻。有研究發現強火山爆發對全球氣候的影響可持續1～2 a（Robock，2000;Driscoll et al.，2012）。ENSO雖然是熱帶地區海-氣相互作用現象，但它對全球氣候有重大的影響（施能和朱乾根，1993;陳海山等，2002;Zhang et al.，2019）。排除強火山爆發和強ENSO年后，圖2中四個位相中的紅色散點年份，通常可以用來作為合成分析WP和NAO指數正負時的氣候異常的依據。

在WP正位相年（標準化指數大于0.6的合成），亞洲大陸與西太平洋的中低緯和高緯度地區，分別表現為位勢高度正異常和負異常，這個南北反向變化的大氣異常活動結構就是WP遙相關型（圖3a）。我國大部受異常高壓控制。

在NAO正位相年（標準化指數大于0.6的合成），北大西洋地區從高緯到低緯的位勢高度表現為明顯的“負-正”經向蹺蹺板結構（圖3b）。盡管NAO主體位于北大西洋地區，但在其下游地區存在明顯的異常環流，通過波列影響我國東南部地區，該位置大面積的高度場正異常，可以影響我國東南部冬季氣溫。

對地表氣溫進行合成分析發現，在典型WP正位相年，我國東南地區氣溫表現為暖異常并通過檢驗（圖4a）;在典型NAO正位相年我國東南地區氣溫變化不顯著（圖4b），但500 hPa高度場通過波列影響在此處有異常響應，高低層的響應不一致。這說明，盡管以上合成分析時已經剔除了強火山爆發和強ENSO事件的年份，但我國東南地區緯度較低，其他因子（如太陽活動，QBO等）可能也有較大的影響，而簡單的合成分析可能無法完全剔除這些影響，從而掩蓋NAO的影響。因此，本文使用多元線性回歸方法，有利于剔除其他氣候因子和外強迫的影響。

對逐月WP指數和NAO指數分析發現，同一指數在12月與1、2月存在較大差異，尤其是NAO指數在不少年份甚至正負相反，而1、2月同一指數的一致性較好。因此，本文討論WP和NAO與冬季氣溫異常的關系時，選擇1、2月的情況進行分析。

2 研究結果

2.1 我國南方冬季溫度的影響因子

用多元回歸分析方法，將我國南方的冬季地面溫度的逐年演變，回歸到相應的WP指數，NAO指數、ENSO指數、太陽指數、氣溶膠指數、10 hPa的QBO指數、30 hPa的QBO指數和線性趨勢8個因子。從多個因子的回歸系數（圖5）看：WP項回歸系數在亞洲大陸南部和太平洋地區均通過90%的置信度檢驗，且對該兩地的影響相反;NAO項回歸系數在北大西洋及其下游地區，均通過檢驗，并在中國東南部，105°～120°E、20°～40°N附近通過置信度為90%的顯著性檢驗;ENSO項的影響除了熱帶地區，對于局部中高緯地區也存在較大影響;太陽周期活動對中緯度地區的影響更顯著;氣溶膠對氣溫的影響主要在較低緯度地區;QBO對亞歐大陸中緯地區的氣溫有顯著影響，包括我國長江中下游地區。回歸系數表明，包含WP和NAO在內，

有6個因子可以影響我國東南地區冬季溫度，因此，正如引言中提到的，簡單的合成分析可能無法完全排除其他因子的影響。

為了進一步驗證WP和NAO是影響我國東南地區溫度的重要因子，把105°～120°E、20°～40°N區域的冬季平均氣溫，多元線性回歸到8個因子，得到回歸后的溫度演變曲線（圖6、7）。該區域實際平均氣溫與總回歸氣溫、以及WP+NAO兩項回歸氣溫的相關系數分別為0.71、0.54，均通過了99%的置信度檢驗;與WP及NAO單獨回歸氣溫的相關系數分別為0.47、0.29，通過了90%置信度檢驗。這說明了回歸方程的合理性。在該區域，WP項的回歸系數為0.53，NAO項的回歸系數為-0.40，均通過了90%的置信度檢驗（圖7），其中WP項的解釋方差為40%，NAO項的解釋方差為16%。這說明WP和NAO是影響我國東南部冬季氣溫的重要因子。

針對回歸結果中WP和NAO因子的貢獻，選取WP和NAO遙相關指數絕對值大于0.5的年份進行合成分析。在典型WP正位相年，回歸的500 hPa位勢高度異常為南正北負（圖8a）。北方地區，東亞大槽位置相較于氣候態位置偏東、偏北，冷空氣聚集在北方不易南下影響我國氣溫。南方地區，除了500 hPa位勢高度，對應的850 hPa異常水平風表明，我國東南部處在異常偏強的太平洋副熱帶高壓中心西側（圖8c），受偏南風控制，地面溫度異常偏高（圖8e）。

而在NAO正位相年，500 hPa位勢高度異常表明，從上游大西洋向下游亞太地區傳播的南、北兩支波列，位置較氣候平均發生了明顯的變化（圖8b中的虛線粗箭頭相對于實現粗箭頭）。北支波列下游的異常向西南方向的波作用通量，抑制北支波列向東發展，我國東南地區位勢高度正異常;而南支波列上游的異常向東南方向的波作用通量明顯加強，有利于南支波列在西部加強，阿拉伯海附近位勢高度正異常。由于北支波列的路徑改變，我國北方地區，500 hPa東亞大槽偏弱，中國北部溫度偏高（圖8f）。南方低緯地區（包括我國東南部在內）位勢高度正異常，還與歐亞間的南支波列西移有關，導致南支槽變弱（圖8b），西南風減弱，在850 hPa等壓面表現為我國東南部受異常東北風控制（圖8d），地面溫度異常偏低（圖8f）。可見，WP和NAO可以通過不同的機制影響我國東部氣溫。

2.2 不同WP與NAO配置下中國東南部冬季氣溫異常

選取標準化的WP和NAO遙相關指數絕對值大于0.5的年份，進行多元回歸后WP和NAO兩項的合成分析，可以得WP和NAO四個不同配置位相下，我國東南部冬季氣溫的異常。第一類配置：WP與NAO均為正位相;第二類配置：WP為正位相，NAO為負位相;第三類配置：WP和NAO均為負位相;第四類配置：WP為負位相，NAO為正位相。對不同配置所對應年份進行統計（表1）：在34 a中WP與NAO為第一類配置有5 a，第二類配置有4 a，第三類配置有4 a，第四類配置有3 a。

第Ⅰ類配置時，WP與NAO均為正異常，500 hPa東亞大槽偏北、偏東，副熱帶地區位勢高度正異常，我國東部位于異常高壓的西側，850 hPa東南地區受從海洋吹向陸地的東南風控制（圖9a），相應的地面溫度異常偏高（圖10a）。而在35°N附近的長江中游地區，存在一個溫度偏低區域，可能與該位置850 hPa風場的冷性低渦異常有關（圖9a）。由于該位相下WP和NAO對我國南方地區地面氣溫的影響是相反的（圖8e、f），疊加后兩者作用相互部分抵消，該低溫區的統計檢驗不夠顯著。

第Ⅱ類配置時，WP為正異常而NAO為負異常，500 hPa東亞大槽位置偏東、偏北，并且南側西太平洋地區的副熱帶系統顯著加強，850 hPa我國東南地區持續受西南風影響（圖9b），相應的地面溫度異常偏高，并通過置信度為90%的顯著性檢驗（圖10b）。該位相下，WP和NAO對我國東南地區地表氣溫的影響，是同步增暖的，疊加后加強了增暖效應（圖8e、f）。

第Ⅲ類配置時，WP與NAO均為負異常，我國南方長江中游地區，存在一個溫度偏暖的區域（圖10c）。這和第一類配置類似，由于該位相下WP和NAO對我國南方地區地面氣溫的影響也是相反的（圖8e、f），疊加后兩者作用相互部分抵消，該高溫區的統計檢驗不夠顯著。

第Ⅳ類配置時，WP負異常而NAO正異常，500 hPa阿留申地區高度場為正異常而副熱帶地區高度場為負異常，850 hPa我國東南地區受異常東北風控制（圖9d），相應的地面溫度異常偏低，并通過置信度為90%的顯著性檢驗（圖10d）。這和第二類配置類似，該位相下，WP和NAO對我國東南地區地表氣溫的影響，是同步冷卻的，疊加后加強了冷卻效應（圖8e、f）。

可見，當WP和NAO反位相的時候，在第二類配置下，我國東南地區冬季氣溫異常偏高;而在第四類配置下，我國東南地區冬季氣溫異常偏低，這是WP的局地影響和NAO的波列遙相關調控（圖8b）共同主導的結果。

3 結論與討論

采用多元線性回歸分析方法，討論了西太平洋遙相關型（Western Pacific teleconnection，WP）和北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）對我國東南部冬季氣溫的協同影響。得到的主要結論如下：

1）WP正位相年，東亞大槽強度偏弱，位置偏北偏東，使得冷空氣南下偏少，同時中低緯太平洋為異常暖性高壓控制，其局地作用，使得我國東南部地區溫度偏高;

2）NAO遙相關型雖主體位于北大西洋，但在NAO正位相年通過其遙相關作用，通過南北兩支波列可分別調控南北槽系統，協同使得我國東南30°N附近溫度偏低。

3）根據兩種遙相關的位相和強度，可得四種不同配置類型，第一類配置：WP與NAO均為正位相;第二類配置：WP為正位相，NAO為負位相;第三類配置：WP和NAO均為正位相;第四類配置WP為負位相，NAO為正位相。這兩種遙相關型共同作用時，當WP和NAO同位相，兩者作用部分抵消，我國東南地區溫度變化不顯著;當WP為正位相NAO為負位相，兩者同步的加熱效應，我國東南部顯著暖異常;當WP為負位相NAO為正位相，兩者同步的冷卻效應，我國東南部顯著冷異常。

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Synergistic effects of WP and NAO on winter surface temperature in southeastern China

SHI Chunhua，SUN Weijia，GUO Dong

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the NCEP/NCAR and ERA-Interim reanalysis data，the multiple linear regression analysis is used to study impacts of different configurations of Western Pacific teleconnection （WP） and North Atlantic Oscillation （NAO） on winter surface temperature in southeastern China.Results show that in the positive phase year of WP，the middle and low latitudes Pacific Ocean is controlled by abnormal warm high，whose local effects make a warmer winter in southeastern China.In the positive phase year of NAO，the north and south teleconnection wave trains regulate the north and south branch troughs systems respectively，which synergistically make a colder winter around 30°N in southeastern China.Considering the interaction of the two teleconnection patterns，when WP and NAO are in the same phase，their opposite effects are partially offset，and the temperature change in southeastern China in winter is not significant.In positive WP phase and negative NAO phase，the synchronous heating effects make a warmer winter in southeastern China.In negative WP phase and positive NAO phase，the synchronous cooling effects make a colder winter in southeastern China.

Western Pacific teleconnection;North Atlantic Oscillation;southeastern China;winter temperature

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20191227002

（責任編輯：張福穎）