秋季北太平洋海表温度和11月北极涛动 对东亚冬季气温的可能影响外文翻译资料

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秋季北太平洋海表温度和11月北极涛动

对东亚冬季气温的可能影响

Hae-Jeong Kim and Joong-Bae Ahn

摘要 该研究调查了北太平洋海表温度(NP SST)异常对东亚冬季气温(TEA)的影响，以及NP SST异常和北极涛动(AO)之间的关系。时间滞后相关分析表明9月-10月-11月(SON)平均NP SST的第三模态(“SON SST第三模态”)和11月AO指数(“Nov AO”)与TEA密切相关，NPSST的第一和第二模态分别与太平洋年代际振荡(PDO)、太平洋北美型(PNA)相关联。该研究表明当SON SST呈第三模态和Nov AO呈正(负)位相时，西伯利亚高压强度减弱(加强)，使得东亚冬季风(EAWM)减弱(加强)，导致东亚出现暖(冷)冬。我们的研究表明，北太平洋的信号会影响北半球最显著的型态之一AO，该影响会依次控制西伯利亚上空的大陆尺度环流以及之后的东亚区域的气候变化。

1引言

东亚冬季风(EAWM)作为北半球冬季最活跃的天气系统之一，影响着东亚冬季气温(TEA)。EAWM和西伯利亚高压的扩大及缩小密切相关，西伯利亚高压的变率受北半球热带外大气变率的主导模态-北极涛动(AO)的影响[Thompson and Wallace, 1998]。AO与西伯利亚的关系以及两者对TEA的影响是众所周知的[Gong and Ho, 2002; Gong et al., 2001; Shin et al., 2006]。根据前人的研究，当冬季AO为正位相时，西伯利亚高压和EAWM偏弱，相应地，东亚区域地表面到中对流层的气温偏高；当AO为负位相时，同理会观测到相反的现象。Im and Ahn [2004]也证明了在东亚区韩国的冬季气温变率和AO之间的关系，他们发现冬季最低、最高和平均气温异常在99%的信度水平上和AO指数显著正相关，同时说明了AO可能是用来解释TEA变化的一个合适指数。

一些海气相互作用方面的研究指出在中高纬度大气对海洋的作用[e.g., Seager et al., 2001; Sun and Wang, 2006; Alexander, 2010]。然而，许多研究也尝试通过海气相互作用来判定热带外SST的变率对中纬度气候异常的影响[e.g., Liu et al., 2006; Kushnir et al., 2002;Liu and Wu, 2004; Czaja and Frankignoul, 2002; Sen Gupta and England, 2007]。特别地，大气对北太平洋SST(NP SST)异常的响应已经被认作是待解决的重要问题之一。20世纪60年代以来，许多研究已经调查了北太平洋的海气相互作用[e.g., Namias, 1969]。最近，通过耦合的海气模型试验，Wu and Li [2007]表明，北太平洋在影响当地及遥远地区的气候变化中起着积极作用，北太平洋的增暖在前冬和后冬分别强迫出一个准正压的暖脊和暖槽，并改变夏季的全球降水和地表气温。Liu et al. [2006]发现，冬季北太平洋当地大气对海温的响应类似于太平洋年代际振荡(PDO)，该型态会持续到春夏，夏季北太平洋中纬度大气响应产生一个波列。Frankignoul and Sennechael [2007]表明，在秋末冬初，和NP SST相联系的对流层信号类似于太平洋北美型(PNA)。这和Zhang et al.rsquo;s [1998]的发现一致，该发现说明NP SST异常在初冬会引发一个PNA响应。上述提到的研究都着眼于与NP SST 相联系的大尺度大气环流，如PDO和PNA。

但是，北太平洋作为AO的中纬度中心之一，只有少数研究调查了NP SST对AO的影响。Liu and Wu [2004]表明，大气对NP SST强迫的响应会引起一个类似AO的型态，但其所关注的区域只限于北太平洋西部的黑潮延伸体。

在该研究中，通过分析AO和NP SST的联系，我们调查了NP SST对TEA的影响。基于研究结果，我们认为海洋信号影响全球大气环流，并就TEA方面影响当地气候变化。

2数据资料

2.1NCEP/NCAR再分析资料

我们使用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析月平均数据进行大尺度环流分析，水平分辨率2.5°2.5°，变量有海平面气压、300hPa纬向风和气温。

TEA定义为区域(30°-45°N，105°-150°E)面积平均的气温，列于图1b中。该研究中的TEA(DJF)是指1978-2007年30年的12月至次年2月的3个月平均气温。

图1 (a)11月AO指数和冬季东亚气温的去趋势时间序列图和(b)AO指数和冬季气温在东亚和北太平洋区的相关图，阴影区分别通过95%和99%的信度检验(气候态取1978-2007年)

2.2HadSST1

月平均的SST数据HadSST1来自英国国家气象局Hadley中心，1978-2007年，水平分辨率1°1°。着眼于热带外地区大气对SSTA的响应，分析区域限于北太平洋(20°-50°N，110°-250°E)。

2.3指数

1978-2007年30年的月平均AO指数来自于美国气候预报中心(CPC)，AO 指数定义为北半球20°N以北的月平均1000hPa位势高度异常场的第一主成分。

我们使用影响北太平洋区域的不同指数，如PDO、北太平洋指数(NPI)和PNA，对与NP SST主模态有关的量进行相关分析。PDO指数来自(http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest), NPI和PNA指数来自CPC。本文气候态取1978-2007年。

3时间滞后相关

为确定哪个指数影响TEA(DJF)，我们首先进行了AO和NP SST的时滞相关。用1/2/3/5个月的平均指数做相关分析，超前相关最长为9个月，例如，1个月平均指数由3月至11月计算得到，2个月平均指数由3-4月至10-11月计算得到，3个月平均指数由3-4-5月至9-10-11月计算得到，所以指数均去除线性趋势。

表1 东亚冬季气温和(TEA)和AO指数(AOI)之间的时间滞后相关系数(C.C.) (**表示通过99%的信度检验)

图2 (a)秋季海温EOF分解的第三模态(13.0%)，(b)秋季海温的第三主成分和东亚冬季气温的去趋势时间序列图和(c)秋季海温的第三主成分和冬季气温的相关图，阴影区分别通过95%和99%的显著性检验

3.1北极涛动(AO)

首先得到的是AO指数和TEA的时间滞后相关，Nov AO指数和TEA的相关系数最高，达到0.50，通过信度为99%的显著性检验(表1)。图1a为Nov AO指数和TEA的时间序列，两变量有着相似的波动；图1b显示，Nov AO指数与TEA两变量在韩国和日本一带的正相关性较高，在北太平洋的中南部为负相关。

3.2北太平洋海表温度(NP SST)

用1978-2007年30年的海温异常做EOF分析，来寻找NP SST和TEA的相关关系。该研究所定义的北太平洋区域与Frankignoul and Sennechael [2007]中几乎一致，但去除了冬季被海冰覆盖的50°N以北的区域。对于不同的时间间隔，提取SST的前10个主成分，并估算它们和TEA的相关关系。结果表明，秋季平均的SST的第三主成分(SON SST PC3)和TEA的相关系数高达0.54(99%置信水平)。SON SST第三模态的空间分布为三极子型，北太平洋中部冷异常、北太平洋西部和东部暖异常，呈东北向倾斜(图2a)。

图2b显示，SON SST PC3和TEA的时间序列有相似的变化趋势，SON SST PC3和气温在韩国一带显著正相关、在其以南的太平洋区为大范围的负相关(图2c)，与AO和气温之间的相关关系高度相似(图1b)，图1b和图2c之间的高相关系数(0.76)也证实了两模态的相似度。

4大气对SON SST第三模态和Nov AO的响应

要理解SON SST第三模态，首先需要理解其第一和第二模态。第一模态(图3a)和PDO的结构类似，是NP SST异常的年代际震荡[Mantua et al., 1997]，第一主成分和PDO指数之间的相关系数高达0.86，证明SON SST的第一模态是和PDO相关的(表2)。

图3 秋季海温EOF分解的第一(a)、第二(b)模态

表2 秋季海温的第一、第二主成分和综合指数的相关系数（*、**分别表示通过95%、99%的显著性检验）

表3 秋季海温的第一、第二、第三主成分和综合指数的相关系数

第二模态(图3b)的正值区与NPI区(30°N-65°N，160°E-140°W)基本一致，均表示阿留申低压的强度[Trenberth and Hurrell, 1994]。第二主成分和NPI的相关系数是0.48，通过信度为99%的显著性检验。根据Coleman and Rogers [2003]，NPI和PNA之间为显著的反相关，表示为阿留申低压的加强(减弱)和PNA型正(负)位相。我们还发现，NPI和PNA指数的负相关系数高达-0.68，第二主成分和PNA指数之间有较好的反相关关系。因此，SON SST的第二模态可以认为是NP型或PNA型(表2)。

图4 (a)11月AO指数回归的秋季海温异常图和(b)秋季海温第三主成分回归的11月海平面气压异常图

因为Nov AO和SON SST PC3均和TEA相关，所以检验Nov AO和SON SST PC3之间是否相关，表3显示二者的相关系数高达0.47。同时，Nov AO指数回归的SON SST与SON SST第三模态类似(图4a和图2a)，SON SST PC3回归的海平面气压与AO类似(图4b)。

图5 从秋季到冬季海平面气压与(a-d)秋季海温第三主成分、(e-h)11月AO指数的相关图，阴影区分别通过95%和99%的显著性检验，5c、5d、5g和5h中的方框表示西伯利亚地区

就大气环流方面，探讨SON SST第三模态和Nov AO对TEA的影响。图5为海平面气压和SON SST PC3(图5a-5d)、Nov AO指数(图5e-5h)之间的相关图，可见，从秋季到冬季中心位于45°N的正信号逐渐向西南方向移动，到冬季正信号减弱并向西南方向扩展。同时，中心位于西伯利亚中部(图5c、5d、5g和5h中的方框区)的负异常在秋末冬初开始盛行，在冬季进一步加强。两幅图的空间相关系数(表4)也表明的二者了相似度。

表4 与秋季海温第三主成分、11月AO指数有关的相关模态的空间相关系数

图6为300hPa纬向风和SON SST PC3(图6a-6d)、Nov AO指数(图6e-6h)之间的相关图，从秋季到冬季，纬向负异常信号位于25°N和45°之间，正异常区分别位于负相关区的南北部，随着时间的推移，该结构进一步在东西方向扩展，且纬向风与两变量的相关模态一致，两幅图之间较高的空间相关系数(表4)也说明了这一点。负异常区是冬季急流的中心，该区纬向风的减弱(加强)对应于EAWM的减弱(加强)，从秋季到冬季，EAWM指数[Jhun and Lee, 2004]和SON SST PC3之间的相关关系通过了信度为95%或99%的显著性检验。第三模态的有效值不在第一、第二模态之中，图7说明急流的减弱只与SON SST PC3相关，与PC1/PC2无关。换言之，SON SST的第三模态相对SST的第一、第二模态是独立的，与11月AO的变化是相

关的。

图6 300hPa纬向风，其它同图5

表5 东亚冬季风指数和秋季海温个主成分的相关系数

图8为气温和SON SST PC3、Nov AO指数之间的相关图。与SON SST PC3相关的气温(图8a)在40°N以北的西北太平洋区和20°N附近的东太平洋为正值、在两个暖区之间为西南东北向的负值区，该三极子型与SON SST第三模态(图2a)类似。随着时间的推移，该模态发展、并向西南方向移动，所以秋冬季节的气温正值中心位于东亚区。气温与Nov AO指数的相关图也表现为该特点，且两幅图的空间相关系数超过了0.7(表4)。

所以，与SON SST PC3、Nov AO指数相关的大尺度大气环流是一致的，说明与SON SST第三模态相关的大气环流模态的移动对应于AO的动力学。当它们处于正位相时，西伯利亚高压减弱，EAWM减弱，导致东亚出现暖冬，反之亦然。

图7 从秋季到冬季海平面气压与(a-d)秋季海温第三主成分、(e-h)11月AO指数的相关图，阴影区分别通过95%和99%的显著性检验

5讨论与小结

该研究讨论了NP SST对TEA的影响以及AO和NP SST的关系，根

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