阿留申低壓與東亞冬季風關系的年代際變化

楊崧 林楠 張團團

摘要 東亞冬季風系統是北半球冬季最活躍的環流系統，通過與西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞大槽和東亞西風急流等系統之間的相互作用，對東亞地區的氣候產生重要影響。本文主要關注阿留申低壓與東亞冬季風關系的年代際變化特征，利用經驗正交函數分析方法，提取阿留申低壓的強度變化、南北移動、西北-東南傳播型和東西移動模態，并研究這4種模態與冬季風的北部型、南部型模態關系。結果表明阿留申低壓的強度變化與2種東亞冬季風型的關系都不顯著。阿留申低壓的南北移動與南部型冬季風的相關性較強且具有年代際變化特征。1995年后南北濤動中心受ENSO（El Nio-Southern Oscillation）影響向東移動，阿留申低壓和西伯利亞高壓的配置不利于中國東南部氣壓梯度的形成，導致阿留申低壓的南北移動與南部型冬季風的相關性降低。另外，1975年后北大西洋濤動在中西伯利亞地區激發正位勢高度異常，擴大傳播型模態影響范圍，給中高緯地區帶來東北風異常，有利于北部型冬季風的形成，此時傳播型模態與北部型冬季風顯著相關。

關鍵詞東亞冬季風;阿留申低壓;年代際變化;ENSO

在北半球冬季，位于寒冷的歐亞大陸和溫暖海洋交界的東亞地區在熱力差異下形成了北半球冬季最突出的氣候現象之一——東亞冬季風（East Asian Winter Monsoon，EAWM;Ding，1994;Chang，2004）。冬季風一般由11月持續到次年3月，主要影響中國西北、東北、華北地區和秦嶺淮河以南，以及朝鮮半島、日本等區域。作為北半球冬季最強的環流系統之一，東亞冬季風不僅在亞洲地區氣候異常變化中發揮著重要作用，也能夠影響其他遠距離地區的天氣和氣候異常，比如調制北太平洋風暴路徑活動（Lee et al.，2010;Miao and Wang，2020），調控越赤道氣流從而影響到南半球的澳洲季風（Zhu and Wang，2010;Wen et al.，2022）。東亞冬季風會給控制地區帶來寒冷和干燥的氣候特征，嚴重時可能會造成寒潮、暴風雪、冰雹、霜凍、凍雨、沙塵暴等極端天氣現象（Hu et al.，2015;Zhang et al.，2020;Dong et al.，2023）。作為重要的溫帶系統，它還能通過向南輸送的冷空氣在東亞沿海地區驅動海洋性大陸降水的變化。這些氣象災害給當地帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡，給人們的生活帶來極大的不便（王振華，2009;朱紅霞等，2019;Xiao et al.，2024）。

東亞冬季風具有明顯的年代際和年際變化特征，其影響因子包括外界強迫和內部動力過程（陳海山等，1999;黃小梅等，2013;黃榮輝等，2014）。東亞冬季風的主要成員包括西伯利亞高壓（Siberian High，SH）、阿留申低壓（Aleutian Low，AL）、東亞大槽和東亞西風急流等，具有從對流層下層到對流層頂的溫帶和熱帶三維環流結構（Wu and Wang，2002;Wang et al.，2009;徐依梵等，2023）。其特征是熱帶低層由東北信風控制，東亞沿岸偏北風增強，熱帶外海平面氣壓場表現為西伯利亞高壓和阿留申低氣壓分別位于西伯利亞地區和太平洋北部，對流層上層東亞西風急流增強 （Yang et al.，2015;Li and Yang，2017）。

近年來諸多研究使用不同變量來定義冬季風指數，以描述冬季風活動，包括東亞地面氣溫、海陸海平面氣壓差異、對流層低層東亞經向風、高低層環流等（賀圣平和王會軍，2012）。例如，早期研究利用20°～50°N范圍內110°E（代表陸地）和160°E（代表海洋）之間的氣壓差值來定義季風指數（郭其蘊，1983），后期有研究則利用區域平均的方式計算陸地和海洋的海平面氣壓差值（晏紅明等，2009）。阿留申低壓和西伯利亞高壓氣壓梯度形成的東亞地區低層東北風異常是冬季風的一大重要特征 （Dong et al.，2023）。前人研究已經發現西伯利亞高壓形成后向東南方向移動，靠近東亞海岸線和太平洋西部時爆發強冷空氣，通過冷涌造成中國大部分地區的氣溫下降 （Wu and Wang，2002;Zhu et al.，2010）。關于阿留申低壓和東亞冬季風的關系，有研究表明西伯利亞高壓和阿留申低壓同時減弱或增強最終導致東亞地區異常偏暖或偏冷（陳文和康麗華，2006;賀圣平和王會軍，2012）。Wang et al.（2010）、Li and Yang（2017） 利用近地表溫度定義冬季風，發現東亞冬季風的地表氣溫由兩種截然不同的變率模態主導，一種是北部型模態，另一種是南部型模態。對于這兩種模態來說，西伯利亞中部高壓的增強有利于北部型模態的形成，而蒙古和西南太平洋地區之間的增強氣壓梯度有利于形成南部型模態，但兩種模態與阿留申低壓的變化關系并不顯著，目前針對阿留申低壓與東亞冬季風關系及其變化的研究相對較少 （Wang et al.，2009）。

阿留申低壓是北半球冬季太平洋上空的半永久性活動中心，其年代際變化特征是北半球冬季最顯著的年代際變化特征之一（Overland et al.，1999;Honda et al.，2005）。考慮到阿留申低壓的強度和位置變化具有明顯的氣候特征差異，其影響因子和造成的氣候影響各不相同，前人工作利用區域平均代表阿留申低壓只考慮了阿留申低壓的強度變化，因而會存在一定的不準確性 （Lin et al.，2023）。研究發現阿留申低壓強度和位置也具有明顯的年代際變化特征（Overland et al.，1999;Honda et al.，2005）。目前，阿留申低壓和冬季風關系的年代際變化及其影響因子尚不十分清楚。因此，本文重點分析1950—2017年阿留申低壓和東亞冬季風關系的年代際變化特征，以及可能引起其關系年代際變化的因子。

1 資料和方法

本文使用美國國家環境預測中心和美國國家大氣研究中心（NCEP-NCAR）的再分析資料（Kalnay et al.，1996），包括月平均海平面氣壓、地面氣溫、降水、風場和位勢高度等。月平均海表溫度數據來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）擴展重建海表溫度數據集第5版（ERSSTv5;Huang et al.，2017）。上述數據集分析了1950／1951年至2017／2018年北半球冬季（12月—次年2月）的數據。為了分析大尺度大氣遙相關型對東亞冬季風和阿留申低壓關系的可能影響，采用美國氣候預報中心提供的逐月北大西洋濤動（NAO）指數（https：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／data／teledoc／telecontents.shtml）。此外，為了探究熱帶強迫的影響，提取了NOAA提供的Nio3.4指數（https：／／psl.noaa.gov／gcos_wgsp／Timeseries／Nino34／）。

本文利用經驗正交函數（EOF）分解提取100°～140°E、0°～60°N的近地表溫度主要模態。第一模態的解釋方差為48.9％（圖1a），表現為近地表溫度全國一致型分布，溫度沿經向向北迅速遞減，稱之為北部型冬季風。第二模態占總方差的16.2％，表現為南北反向分布，被稱為冬季風的南部模態（圖1b）。對應強EAWM第二模態的年份，中國東南部大部分地區氣溫下降，異常低溫向赤道地區延伸（圖1b），與前人研究結果相吻合（Wang et al.，2010;Li and Yang，2017）。

此外，本文利用滑動相關系數刻畫變量間不同時刻相關系數的變化特征，從而估算出未來相關系數的變化趨勢。通過計算冬季風指數和阿留申低壓指數的21點滑動相關，再利用線性回歸、相關分析、顯著性檢驗來尋找阿留申低壓和東亞冬季風關系隨時間變化的趨勢。

2 阿留申低壓的強度變化和東亞冬季風的關系

根據Lin et al.（2023）的研究，對北太平洋地區（110°E～120°W，35°～70°N）逐月海平面氣壓做EOF分析，得到的前3個模態分別表示阿留申低壓的強度變化、經向移動和緯向移動。本文為了研究阿留申低壓和東亞氣候系統的關系，將EOF分析的區域稍微擴大（100°E～120°W，0°～70°N），得到的第一模態仍然是低壓系統占據北太平洋上空，表征阿留申低壓的強度變化（圖2a）。第二模態同樣是南北偶極子形態，代表了阿留申低壓位置的南北移動（圖2b）。然而第三模態和第四模態的解釋方差差距較小。此時阿留申低壓的東西移動模態解釋方差為9.7％，為第四模態（圖2d）。而第三模態呈現出從亞洲大陸高緯度地區向太平洋赤道地區傳播的三極子，伴隨著西伯利亞高壓的增強和阿留申低壓的西南-東北向延伸。此時第三模態的解釋方差達到了11.5％，本文稱之為西北-東南傳播型模態（圖2c）。前人的研究表明，利用EOF分析阿留申低壓的結果對時間和空間范圍選擇不敏感，說明阿留申低壓的前4個模態的主要特征和影響具有相當穩健的特征。下文利用4個模態對應的時間序列分別定義阿留申低壓的強度、南北移動、傳播模態和東西移動的指數。

阿留申低壓與大陸沿海地區的亞洲高壓之間形成了強大的緯向氣壓梯度，帶來的梯度風嚴重影響了東亞季風區的冬季溫度異常（Miao and Wang，2020;胡宏博等，2023）。表1為北部型和南部型東亞冬季風與阿留申低壓的4種模態的相關系數。其中北部型冬季風與亞洲-太平洋傳播型模態的相關性最強，達到了0.453，通過了95％置信度的顯著性檢驗。南部型冬季風與阿留申低壓的南北移動相關性最強（0.336）且通過了95％置信度的顯著性檢驗。而阿留申低壓的強度變化和東西移動與兩種類型的冬季風關系較弱。綜上所述，相較于前人主要針對阿留申低壓強度與東亞冬季風關系的研究，本文結果表明阿留申低壓的南北移動和傳播型模態與冬季風的關系更強，而阿留申低壓的強度變化與冬季風并非顯著相關。

3 阿留申低壓的南北移動和傳播模態與東亞冬季風的關系

阿留申低壓的南北移動和東亞冬季風都具有較強的年代際變化特征（Sugimoto and Hanawa，2009;Wang et al.，2010;Miao et al.，2018;Miao and Wang，2020）。考慮到阿留申低壓和東亞冬季風的年代際變化會影響兩者之間的相關性，對4種模態的時間序列和冬季風的兩種模態做21點滑動相關，以研究兩者關系的時間變化（圖3），結果發現阿留申低壓的南北移動和南部型冬季風在1964—1994年期間呈顯著的正相關性，在1994年后相關性顯著性降低。亞洲-太平洋模態和北部型冬季風在1961—1974年期間沒有顯著相關性，1974年后有顯著的正相關性。其他模態相關性顯著的年份較短，因此下文具體分析導致亞洲-太平洋模態和北部型冬季風以及阿留申低壓的南北移動和南部型冬季風關系（AL-SEAWM）產生年代際變化的原因。

東亞和太平洋上空相對正壓的經向偶極型環流異常與下游區域的環流異常緊密聯系。圖4顯示了在AL-SEAWM相關性強和相關性弱的時期，阿留申低壓南北移動指數回歸的500 hPa高度場和近地表氣溫。在兩者關系較強的時期，阿留申低壓相關的南北偶極子異常中心位于本初子午線中心偏西的位置，其中偏北的高壓異常范圍呈現明顯的向西延伸，覆蓋了歐亞大陸的高緯度地區，與西伯利亞高壓相連（圖4a）。北部強大的高壓和南部偏西的低壓中心在中國華北、華東地區，日本、朝鮮半島等地形成了明顯的因氣壓梯度帶來的東北風異常。與圖4a相比，圖4b中南北偶極子的中心明顯偏東。此時在歐亞大陸上空沒有顯著的高壓異常，東南沿海區域近地表溫度異常不顯著。到20世紀90代中期，北太平洋地區的大氣經歷了一次顯著的年代際變化，阿留申低壓在1994年以后顯著加強東移（Yeh et al.，2018）。相關研究證明了北太平洋濤動具有中心向東移動的年代際變化特征（Yeh et al.，2018），與本文結論一致。

研究發現南部型冬季風受厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）影響顯著，相關系數達到-0.37 （Li and Yang，2017）。為了驗證AL-SEAWM年代際變化是否與ENSO有關，計算了9 a滑動平均后的Nio3.4指數和AL-SEAWM滑動相關序列的相關性，兩者的相關系數達到-0.305，通過了95％置信度的顯著性檢驗。圖5反映了用Nio3.4指數回歸1995年前、后的海表溫度和200 hPa緯向風場，可以看到在1995年以后阿拉斯加灣的氣旋性低壓系統更強，與ENSO相關的年際變化更強，可能有利于南支低壓系統的東移。

此外，除了太平洋上空南北偶極子的東移，歐亞大陸的西伯利亞高壓系統和太平洋區域阿留申低壓系統的整體配置對于形成南部型冬季風也有顯著的影響。對歐亞-太平洋整體區域（Eura-Pac：80°E～120°W，30°～70°N）、阿留申低壓控制的海洋區域（AL：120°E～120°W，30°～80°N）和西伯利亞高壓控制的陸地區域（SH：90°～120°E，40°～60°N）的海平面氣壓分別做EOF分析，發現在1995年前，阿留申低壓控制的海洋區域的第二特征向量（AL-EOF2）與西伯利亞高壓控制的陸地區域的第一特征向量（SH-EOF1）都表征了歐亞-太平洋整體區域的第二特征向量（Eurasia-EOF2）的空間分布特征，說明此時海洋異常高壓系統與陸地異常低壓系統相匹配（圖6）。

但在1995年后，AL-EOF2和Eurasia-EOF2的空間相關系數更高，而SH-EOF1反映了Eurasia-EOF3的空間分布特征，兩個模態相互正交，此時阿留申低壓和西伯利亞高壓關系較弱（圖7;Dong et al.，2023）。阿留申低壓在1995年后回歸的2波型準靜止波在西伯利亞上空有負異常，進一步驗證了海陸空間分布特征影響了AL-SEAWM關系的年代際變化（圖8;陳文和康麗華，2006;王林等，2007）。

以1978年作為一個典型的南部型冬季風案例進行分析。從圖1可以看出，1978年的標準化PC2時間系數超過1.0，表明這是一個典型南部型冬季年份。此時太平洋阿留申低壓的南北濤動模態對應的時間系數PC2為-0.8，是較為顯著的阿留申低壓北移動年份（圖3）。在太平洋上空，負的位勢高度異常集中在東西伯利亞和白領海峽區域，正的位勢高度異常集中在太平洋中部和阿拉斯加灣附近，呈現出南北偶極子的分布特征。近地表溫度呈現一個明顯的南北反相的特征，貝加爾湖以北有明顯的負溫度異常，最低溫度中心有兩個，分別在中西伯利亞高原和鄂霍次克海。而在貝加爾湖以南地區呈現出近地表溫度正異常，溫度異常中心主要集中在蒙古高原和黃土高原地區，異常值向四周逐漸遞減。

目前，有關從亞洲向太平洋傳播的波列對北部型冬季風的影響的研究較少 （Yang et al.，2015;Zhang et al.，2021;2022）。圖9展示了傳播型指數回歸的近地表溫度和500 hPa位勢高度場。在1974年以前，阿留申低壓的傳播型模態與北部型冬季風的相關性（AL-NEAWM）較弱，傳播型模態在大陸上空主要表現為正位勢高度異常集中在東西伯利亞地區。此時在東亞冬季風區內沒有明顯的大范圍溫度異常。而在1974年之后AL-NEAWM相關性較強，歐亞大陸上空的位勢高度正異常覆蓋了40°N以北的大部分區域，此時在東亞冬季風區內，溫度負異常中心位于貝加爾湖，并向南逐漸減弱。值得注意的是，在1974年之前，在大西洋上空存在明顯的位勢高度負異常，而在1975年之后則轉變為正異常（圖9）。

為了探究歐亞大陸上空異常反氣旋的范圍是否是由大西洋上空的位勢高度異常引起，我們討論AL-NEAWM的相關性是否受到NAO的影響（尹澤疆等，2023）。對NAO指數作9 a滑動平均后計算其與傳播型指數的線性相關系數，其值為0.69，通過了95％置信度的顯著性檢驗。用NAO指數對兩個階段的500 hPa高度場和850 hPa水平風場做回歸。圖10表明，在1974年以前，NAO遙相關與歐亞大陸位勢高度并無顯著的相關性，但在1975年之后，NAO遙相關在巴爾喀什湖和貝加爾湖之間激發出顯著的反氣旋式異常，給低層季風區域帶來東北風異常，可能造成了AL-NEAWM關系的改變（Li and Li，2000）。

以1976年作為典型北部型冬季風案例進行個例分析。從圖1可以看出，1976年的標準化PC1時間系數超過1.0，表明這是一個典型北部型冬季風年份。此時太平洋上空海平面氣壓的第三模態的時間系數PC3同樣超過1.0，表明歐亞上空呈現出典型的傳播型模態（圖3）。此時歐亞大陸上的正位勢高度異常占據了除了青藏高原外的大部分地區，太平洋上空阿留申低壓呈西南-東北走向，橫跨中緯度地區；北美中部的東沿岸地區有正的位勢高度異常。近地表溫度在歐亞大陸呈現負異常，異常大值出現在貝加爾湖西北部。在歐亞季風區內，溫度異常隨著緯度向南逐漸遞增（圖略）。

4 結論和討論

阿留申低壓是東亞冬季風系統的重要成員（Ding，1994;Chang，2004）。前人研究將阿留申低壓定義為北太平洋上空中高緯地區海平面氣壓的區域平均（主要反映阿留申低壓強度），并得出低壓增強導致東亞冬季風增強的結論（陳文和康麗華，2006;賀圣平和王會軍，2012）。本文利用EOF分析方法，將北太平洋海平面氣壓的模態進一步分解為阿留申低壓的強度異常、南北移動、東西移動和傳播型模態，并探究4種模態與南部型、北部型冬季風的關系。我們發現阿留申低壓的強度變化與北部型、南部型冬季風的相關性均不顯著。對于整個時期，阿留申低壓的向南移動與南部型冬季風顯著相關，而傳播模態與北部型冬季風顯著相關。

阿留申低壓的南北移動與南部型冬季風的相關性在1995年前、后具有明顯差異，1995年之前兩者顯著相關，之后關系不顯著。在兩者相關性強的時期，與阿留申低壓的南北移動相關的偶極子中心位于本初子午線西邊，給東亞沿海地區帶來了東北風異常。1995年以后，ENSO導致南部低壓年際變率中心向東移動，低壓系統無法給內陸地區帶來東北風異常，兩者關系減弱。此外海陸熱力配置也對兩者關系具有影響。在AL-SEAWM強時期，SH-EOF1與AL-EOF2都表征了Eurasia-EOF2的空間分布特征，但在AL-SEAWM弱時期，AL-EOF2和Eurasia-EOF2的空間相關系數更高，而SH-EOF1反映了Eurasia-EOF3的空間分布特征，此時海陸系統的相關性減弱。

阿留申低壓的傳播型模態與北部型冬季風的關系同樣具有年代際變化特征。在1974年前，傳播型模態在歐亞大陸上正位勢高度異常的區域集中在東西伯利亞地區，導致低溫影響范圍無法到達冬季風區，AL-NEAWM關系較弱。在1974年后，傳播型模態在歐亞大陸上空擴大到了中高緯大部分區域，與太平洋上東北-西南方向的阿留申低壓異常形成了顯著的氣壓梯度，AL-NEAWM關系增強。考慮到阿留申低壓傳播指數

與NAO的9 a滑動指數的相關系數達到0.69，用NAO回歸相關性強和弱的年份發現，NAO在AL-NEAWM強時期可能存在激發歐亞大陸正位勢高度異常的機制，導致傳播型模態的范圍擴大到整個西伯利亞地區，而在AL-NEAWM弱時期則相反。此外，阿留申低壓的強度變化和東西移動可能通過改變對流層經向溫度梯度和中高緯度羅斯貝波活動來影響東亞冬季風環流。其具體影響和機制還需進一步深入研究。

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