北太平洋濤動和東亞冬季風對ENSO影響差異分析

溫 濤 ，馮立成 ，陳權亮 ，丁瑞強 ，史 良

(1.成都信息工程大學、高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都 610225； 2.國家海洋環(huán)境預報中心， 北京 100081; 3.北京師范大學、地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100089; 4.蘭州理工大學理學院， 甘肅 蘭州 730050)

早在1969年，Bjerknes就歷史性地提出厄爾尼諾-南方濤動(EI Nio-Southern Oscillation, ENSO)是熱帶太平洋大尺度海氣相互作用的產物，是全球海洋-大氣耦合系統(tǒng)在年際尺度上最主要的模態(tài)[1]。前人的系列研究表明，ENSO不僅對熱帶地區(qū)天氣、氣候異常和大氣環(huán)流有直接影響，還能通過大氣遙相關的方式影響到熱帶外區(qū)域甚至全球范圍內的氣候[2-3]。因此對ENSO的認識一直是氣候學上的熱點問題。一些研究發(fā)現(xiàn)，熱帶區(qū)域的海氣相互作用和海洋動力學作用對ENSO的發(fā)生、發(fā)展過程具有重要意義[4-5]。其中Bjerknes[1]應用海溫異常和信風理論解釋了ENSO的發(fā)生、發(fā)展問題，Jin(1997)結合赤道溫躍層海溫變化和赤道風應力間的Sverdrup平衡關系提出充放電理論[5]，再結合Bjerknes正反饋機制，從動力學上解釋了ENSO發(fā)生、發(fā)展的物理機制以及位相轉換的過程。

除了熱帶系統(tǒng)影響ENSO外，近些年來一些研究也表明熱帶外的氣候系統(tǒng)對ENSO的發(fā)生、發(fā)展同樣具有重要的調節(jié)作用[6-9]。作為熱帶外區(qū)域重要的氣候系統(tǒng)，東亞冬季風(East Asian Winter Monsoon， EAWM)[10]和冬季北太平洋濤動(North Pacific Oscillation， NPO)[11]已經(jīng)被證明對ENSO的發(fā)生、發(fā)展同樣具有積極的意義[12]。EAWM是空間上呈三維結構，南北跨越熱帶、亞熱帶和溫帶，主要包含西伯利亞高壓、阿留申低壓等系統(tǒng)成員，對東亞冬季氣候起關鍵作用的環(huán)流系統(tǒng)[10,13]。Li(1989)的研究中就指出強EAWM可以激發(fā)赤道西太平洋的西風異常和對流活動異常[13]；隨后穆明權等(2001)證實，受EAWM影響的赤道西風異常會向東傳播，致使赤道東太平洋出現(xiàn)正的海表溫度(SST)異常，因此伴隨著海氣相互作用進而觸發(fā)了厄爾尼諾(El Nio)事件[14]。另一方面，NPO作為北太平洋區(qū)域內海平面氣壓在高、低緯度間的蹺蹺板式變化的大氣遙相關模態(tài)，它的變化對東亞和北美地區(qū)的大氣環(huán)流系統(tǒng)均有重要影響[15]。近年來，有學者指出NPO可以通過季節(jié)足印機制來影響次年冬季ENSO的發(fā)生、發(fā)展[6-7]。即在當年冬季時，與NPO相關的大氣環(huán)流異常使得北太平洋熱帶地區(qū)在次年春季出現(xiàn)明顯的SST異常(SSTa)暖海溫，同時又反作用于大氣環(huán)流，使得赤道西太平洋區(qū)域出現(xiàn)西風異常，異常西風又通過觸發(fā)向東傳播的赤道暖性開爾文波，進一步影響了次年冬季ENSO的發(fā)生。

通過對前人研究成果的分析，可以發(fā)現(xiàn)EAWM和NPO在北太平洋區(qū)域都呈經(jīng)向的高低壓中心分布，都屬于北半球重要的氣候系統(tǒng)，且都會對ENSO的發(fā)生、發(fā)展有一定的作用。然而，EAWM和NPO對ENSO的影響是否存在差異？如果有，這些差異產生的原因又是什么呢？本研究將嘗試回答這些科學問題。對于這些問題的研究有助于加深對熱帶外氣候系統(tǒng)與ENSO之間相互關系的認識，具有重要的科學意義。

1 材料與方法

本研究采用了相關分析、線性回歸等統(tǒng)計方法。使用了HadISST海溫資料[16]，美國國家環(huán)境預報中心和大氣研究中心(NECP-NCAR)提供的風場資料、海表面氣壓(SLP)數(shù)據(jù)、500 hPa位勢高度場數(shù)據(jù)[17]和降水資料[18]。時間范圍選取1948年1月至2017年12月，除了海溫資料的分辨率是1°×1°之外，其余資料分辨率均是2.5°×2.5°。

參照Furtado等(2012)對NPO指數(shù)的定義[19]，本研究將范圍在(55.0°N—72.5°N, 180.0°—140.0°W)和(15.0°N—27.5°N, 175.0°E—147.5°W)的SLP距平(SLPa)場的區(qū)域平均值之差定義為NPO指數(shù)。本研究使用的EAWM指數(shù)定義為(25.0°N—45.0°N, 110.0°E—145.0° E)范圍內500 hPa位勢高度場的平均值[20]。本研究得到的結果對定義NPO、EAWM指數(shù)所選取區(qū)域的合理變化并不敏感。此外，使用正交經(jīng)驗函數(shù)(EOF)方法來定義NPO和EAWM指數(shù)也可以得到類似的結果。本研究中冬季定義為12月至次年2月。另外，我們選取了Nio3.4(5.0°S—5.0°N, 170.0°E—120.0°W)指數(shù)來表征ENSO。本研究采用T檢驗估計相關系數(shù)和回歸系數(shù)的顯著性水平。

2 結果與討論

2.1 NPO和EAWM的時空特征對比分析

首先我們對NPO和EAWM對北半球特別是東亞大氣環(huán)流的線性影響進行了回顧。圖1分別給出了冬季NPO指數(shù)和EAWM指數(shù)回歸的東亞地區(qū)SLPa場的空間分布。由圖1(a)可以看出，SLPa正負異常中心呈南部為異常低壓，北部為異常高壓的南北偶極態(tài)分布，就是人們熟知的NPO模態(tài)[21]。EAWM可分為正負位相，當EAWM正位相時，在北太平洋中緯度上空是異常低壓，其北部為異常高壓[圖1(b)]。對比圖1(a)發(fā)現(xiàn)EAWM和NPO異常低壓中心在北太平洋中緯度基本重合，但EAWM的異常低壓中心位置比NPO的更靠北，位于35°N附近；而NPO和EAWM的北部異常高壓空間分布則存在較大差異，即NPO正位相時北部異常高壓范圍集中，中心位于北太平洋北部邊緣；而EAWM高壓區(qū)域橫跨歐亞大陸，中心主要位于西伯利亞區(qū)域。可見NPO和EAWM對北半球特別是東亞大氣環(huán)流的線性影響既有相似之處，又各有不同。圖2分別給出了冬季NPO指數(shù)、EAWM指數(shù)和Nio3.4指數(shù)的時間演變曲線，由圖可見3個指數(shù)均有明顯的年際變化，但EAWM還具有明顯的年代際變化特征(下文詳細做介紹)，在20世紀80年代和20世紀末均出現(xiàn)了明顯的變化。這與前人的結果一致[20]。

圖1 1948—2017年冬季NPO指數(shù)和EAWM指數(shù)回歸的SLP異常場的空間分布

圖2 冬季NPO指數(shù)、EAWM指數(shù)和Nio3.4指數(shù)的年際變化(1948—2017年)

綜上所述，冬季NPO和EAWM在時空分布上既有一定的相似性，又有明顯區(qū)別。那么他們對ENSO的影響是否也具有類似的特征呢？

2.2 冬季NPO和EAWM對ENSO影響的異同

為了進一步揭示冬季NPO和EAWM與次年冬季ENSO的關系，我們首先分別用Lanczos濾波器對3種指數(shù)進行了7 a的高通濾波，以提取1948—2017年間3種指數(shù)的年際變化，隨后分別計算了冬季NPO指數(shù)和EAWM指數(shù)與次年冬季Nio3.4指數(shù)的相關系數(shù)，分別為0.49和0.24，均超過了置信度為95%的相關性檢驗。這表明冬季NPO、EAWM與次年冬季ENSO有著密切的聯(lián)系，這與前人的研究結果一致[6-7,20]。

隨后我們比較了冬季NPO和EAWM指數(shù)回歸到SST異常場的空間季節(jié)演化特征(圖3)，同時也比較了與冬季NPO和EAWM相關的SST(圖略)、降水和850 hPa風場異常場的空間季節(jié)演化特征(圖4)。需要指出的是，由于已有研究表明ENSO具有很強的自相關性以及與ENSO自身相關的SSTa可以對熱帶外大氣異常產生影響[22]，因此本部分的冬季NPO指數(shù)和EAWM指數(shù)是通過線性回歸的方式去除了同期冬季ENSO信號(Nio3.4指數(shù)表征)。由圖3可見，冬季NPO(圖3左邊兩列)、EAWM(圖3右邊兩列)回歸得到的SSTa場的季節(jié)演化與Vimont(2001、2003)[6-7]研究提出的季節(jié)足印機制相似。

2.3 NPO和EAWM影響ENSO差異性的機制分析

由圖3(b)、(d)可見，春季在北太平洋區(qū)域NPO和EAWM引起的SSTa都呈現(xiàn)出正-負-正的三極子海溫模態(tài)。特別地，在北太平洋中部NPO和EAWM引起的SSTa強度基本相當。然而，春季與NPO和EAWM相關的北太平洋區(qū)域降水正異常以及赤道西太平洋區(qū)域異常氣旋式風場和西風異常卻都有一定差異，即NPO強迫出的SSTa引起的大氣響應強于EAWM[圖4(b)、(d)]。相應地，當強迫出的SSTa持續(xù)到次年夏季時，在赤道西太平洋區(qū)域與NPO有關的SSTa場也是強于EAWM強迫出來的[圖3(e)、(g)]。這種差異產生的影響一直隨著季節(jié)變化，傳播到冬季就以回歸場不同強度的SSTa來呈現(xiàn)了[圖3(m)、(o)]。另外，對比圖4(e)、(f)和圖4(g)、(h)的異常西風位置可知，NPO引起的異常西風更靠近赤道，而EAWM引起的異常西風相對偏北，這就導致了NPO引起的異常西風更容易持續(xù)和加強，從而能更有效的影響到次年冬季ENSO發(fā)生、發(fā)展。因此EAWM在熱帶太平洋區(qū)域激發(fā)并建立起的海氣正反饋機制并不能夠像NPO一樣強，這可能就直接導致了EAWM對次年冬季ENSO的影響并不如NPO那么強。

圖3 1948—2017年冬季NPO和EAWM回歸的SST異常場的季節(jié)演化的空間分布

接下來我們通過計算西太平洋指定區(qū)域(2.5°N—17.5°N,120.0°E—170.0°E，EWP區(qū)域)，即圖4紅色矩形框內的區(qū)域平均降水和緯向風異常分別與去除了前冬ENSO信號的冬季NPO指數(shù)和EAWM指數(shù)的逐月交叉相關系數(shù)(圖5)，量化考察NPO和EAWM對EWP區(qū)域海氣相互作用的影響。圖5實線分別表示的是降水異常與冬季NPO和EAWM指數(shù)的交叉相關系數(shù)逐月演化情況。由圖可見，冬季NPO、EAWM指數(shù)和當年春季EWP區(qū)域平均降水異常相關系數(shù)均較好，通過了95%的顯著性檢驗。

圖4 1948—2017年與冬季NPO和EAWM指數(shù)相關的降水和850 hPa風場異常場的季節(jié)演化圖

圖5 西北太平洋區(qū)域平均降水和緯向風異常與去除了前冬ENSO信號的冬季NPO和EAWM指數(shù)的交叉相關圖

隨著季節(jié)更替，相關系數(shù)均有所降低，但在當年夏季之前與冬季NPO指數(shù)有關的相關系數(shù)均大于和EAWM有關的，且差值在春季最大。此外，虛線表示的是緯向風場異常與冬季NPO和EAWM指數(shù)的交叉相關逐月演化情況。由圖可見，冬季NPO、EAWM指數(shù)和EWP區(qū)域平均緯向風場整體滿足與NPO有關的交叉相關系數(shù)大于與EAWM有關的，同時相關系數(shù)在同期時最大，隨后雖有降低但一直持續(xù)到夏季也通過了95%顯著性檢驗。另外兩條虛線間的差值隨著季節(jié)變化而縮小，即區(qū)域平均緯向風場與冬季NPO和EAWM指數(shù)的交叉相關系數(shù)差值隨著季節(jié)變化而減小。這也體現(xiàn)了隨著春季EWP西風異常被激發(fā)起之后，該區(qū)域異常西風持續(xù)，并通過觸發(fā)赤道暖性開爾文波的傳播使得接下來夏季熱帶中東太平洋海溫變暖[23]。可見，圖5顯示出的結論基本與圖4(b)至(d)和(j)至(l)得到的結果一致，即EAWM對ENSO發(fā)生、發(fā)展的影響不如NPO強的可能原因是：前一年冬季EAWM引起的熱帶中北太平洋春季降水異常增多不及前冬NPO引起的強，從而導致EWP春季西風異常增強的強度也不及NPO引起的強，進而對次年冬季ENSO發(fā)生和發(fā)展的影響就弱于前冬NPO[24]。

綜上，對比圖6(a)、(b)可知：前一年冬季NPO對次年冬季ENSO影響強于前冬EAWM的主要原因是前冬NPO強迫出的正-負-正三極子海溫模態(tài)引起的大氣響應強于前冬EAWM，直觀表現(xiàn)為夏季赤道西太平洋區(qū)域降水和風場強度及位置上的差異，這種差異又導致二者在熱帶太平洋區(qū)域建立的海氣正反饋機制的強度不同，遂直接導致次年冬季ENSO的發(fā)展程度不同。

圖6 NPO和EAWM影響ENSO機制圖

此外，由圖2(b)可知，EAWM還具有明顯的年代際變化特征。那么這種年代際變化特征是否是造成冬季EAWM對次年冬季ENSO影響弱于冬季NPO的另一個原因呢？因此我們通過滑動相關分析對比檢測冬季NPO、EAWM和次年ENSO之間的關系。由于在這部分我們最關心的是年代際變化，所以采取的滑動窗口寬度為23 a[20]。圖7就顯示了冬季NPO、EAWM指數(shù)與次年冬季Nio3.4指數(shù)的23 a滑動相關系數(shù)。由圖可見：與NPO有關的滑動相關系數(shù)雖在20世紀70年代和20世紀末有小幅度的波動，但整體均通過90%顯著性檢驗；而與EAWM有關的滑動相關系數(shù)僅在20世紀50～70年代和20世紀90年代通過90%的顯著性檢驗，且有大幅波動，這與前人關于EAWM在20世紀80年代和20世紀末分別有一次明顯的減弱和增強過程的結果相一致[20,25]。上述結果表明：從年代際尺度上來說冬季NPO指數(shù)與次年冬季ENSO的關系明顯好于EAWM；且與NPO有關的滑動相關系數(shù)波動遠小于EAWM，即冬季NPO與次年冬季ENSO的關系明顯比EAWM與次年冬季ENSO關系穩(wěn)定。因此在年代際尺度上，冬季NPO和EAWM的穩(wěn)定性差異也可能是造成對次年冬季ENSO的發(fā)生、發(fā)展影響不同的原因之一。

圖7 冬季NPO指數(shù)和EAWM指數(shù)分別與次年冬季Nio3.4指數(shù)在1948—2017年間的23 a滑動相關系數(shù)

需要注意的是，受NPO強迫產生的維多利亞模態(tài)(VM)已被證明會對次年的ENSO產生影響[9]，同時VM在春季北太平洋強迫出的海溫模態(tài)與圖3(b)、(j)相似，亦會對西北太平洋的環(huán)流場產生一定影響，同時VM對熱帶大氣氣旋等熱帶系統(tǒng)也有一定的影響[9]，那么NPO和EAWM影響ENSO的差異是否與VM有關呢？這種關系又如何去驗證或者排除？其次，本研究只從強度上考查了EAWM與ENSO的關系，而EAWM除了強弱變化外，還有路徑的變化[26]。這些問題都值得進一步深入研究。

3 結論

基于HadISST海溫資料以及NCEP月平均氣象場再分析資料，本研究采用回歸、相關分析等方法研究了冬季NPO和EAWM對次年冬季ENSO發(fā)生、發(fā)展影響的差異性，并分析了產生這種差異的可能原因。結果表明，冬季NPO和EAWM對次年冬季ENSO的影響無論是從相關性大小還是觸發(fā)的ENSO強度上來說都存在明顯的差異。進一步利用SST場、降水場以及風場的季節(jié)演化分析發(fā)現(xiàn)，冬季NPO引起的異常西風更靠近赤道，而EAWM引起的異常西風相對靠北，這就導致了NPO引起的異常西風更容易持續(xù)以及加強；另外前一年冬季EAWM引起的熱帶中北太平洋春季降水異常增多不及前冬NPO引起的強，從而導致EWP春季西風異常增強的強度也不及NPO引起的強，進而對次年冬季ENSO發(fā)生、發(fā)展的影響就弱于前冬NPO。也就是說冬季NPO和EAWM在熱帶太平洋區(qū)域通過引起赤道西太平洋區(qū)域西風異常和降水異常建立起的海氣正反饋機制在強度上的不同，亦是造成上述差異的主要原因之一。

同時通過對冬季NPO、EAWM指數(shù)與次年冬季ENSO年代際關系變化的考察發(fā)現(xiàn)，冬季NPO指數(shù)與次年冬季ENSO的關系明顯好于EAWM；且與NPO有關的滑動相關系數(shù)波動遠小于EAWM，即冬季NPO與次年冬季ENSO的關系明顯比EAWM與次年冬季ENSO關系穩(wěn)定。因此在年代際尺度上，冬季NPO和EAWM的穩(wěn)定性差異也可能是造成對次年冬季ENSO的發(fā)生、發(fā)展不同的又一原因。

致謝：感謝中國科學院大氣物理研究所鐘權加博士提出的寶貴意見。