阿留申低压一组环流指数与北半球海气异常的关系

智海　王盘兴　陈明璐　段明铿　王玉昆　张丽娜

摘要定义了一组描述冬季季、月平均1 000 hPa位势高度上阿留申低压（Aleutian low，AL）状态的新环流指数，包括强度指数P、面积指数S及中心位置指数（λc，φc）。采用1948/1949—2007/2008年60个冬季的NCEP/NCAR平均高度场资料计算了上述环流指数，并据此分析了AL的气候及异常规律。结果表明：1）AL在1月最强，中心偏南、偏西；12月最弱，中心偏北、偏东；2月居中。2）AL指数P与λc之间存在负相关，强年（′<0）偏东（′>0）、弱年偏西。AL年代际变化主要表现在自20世纪70年代以来持续偏强、偏东，但近年有反转的迹象。3）AL在强El Nio年偏强、偏东，在强La Nia年相反，该关系自1975年以后尤其明显；AL与中纬太平洋海表温度（SST）存在显著正相关，SST负异常年AL东移加强，反之亦然。4）AL指数P与同期北半球中高纬气温、降水的显著相关区呈现“+-+”大圆波列分布，相关中心分别位于中纬度北太平洋、北美西北部、北美南部，与太平洋—北美遥相关型（PNA）接近。

关键词环流指数；阿留申低压；太平洋海表温度；北半球气温和降水；相关分析

自20世纪70年代后期起，冬季北太平洋区域海气系统中最显著的年代际变化是北太平洋中部SST（Sea surface temperature）的显著变冷和阿留申低压（Aleutian Low，AL）的加强东移（Trenberth，1990；Miller et al.，1994；Trenberth and Hurrell，1994；Mantua et al.，1997；Nakamura et al.，1997）。这种变化与热带中、东太平洋（ENSO关键区）海气相互作用显著相关，是北半球广阔区域的年际、年代际时间尺度气候异常的主要成因（Latif and Barnett，1996）。其中关注更多的是北太平洋的区域变率，体现在大气环流、陆面、海表温度等年际、年代际变化上（Francis and Hare，1994；Polovina et al.，1995；Latif and Barnett，1996；Overland et al.，1999）。研究结果表明，AL可能是北极涛动与太平洋年代际振荡耦合的关键，强的北极涛动导致AL加深，进而通过北半球中纬度的海气相互作用影响到北太平洋海气系统的年代际振荡；反之亦然（孙建奇和王会军，2006）。

AL是冬季稳定存在于北太平洋地区的副极地气旋，是北半球主要的半永久性大气活动中心之一，其强度和位置是冬季北太平洋气候环流系统的主要标志之一（Hartmann and Wendler，2005；Rodionov et al.，2005）。关于AL的异常变化，已有许多研究（Trenberth，1990；Chen et al.，1992；Trenberth and Hurrell，1994；Latif and Barnett，1996；Overland et al.，1999）。AL的强弱、中心位置对气候变化具有重要的影响：其中心东侧和西侧经向气流的位置和强弱变化直接影响着极地和温带太平洋之间的热量交换；中心南侧西风气流的强弱影响着西风漂流的强度。Mantua et al.（1997）指出，AL与太平洋年代际涛动（Pacific Decical Oscillation，PDO）显著相关，PDO暖（冷）相位对应AL的强（弱）。在年代际尺度上，AL的变化可能是PDO的重要外强迫机制（Schneider and Cornuelle，2005）。

在大气环流异常研究中，为了更好地理解和预测大气环流的动态与趋势，经常采用环流指数来定量描述环流系统的性质。为了描述AL异常，不同研究者定义了一些表征AL强度、面积和位置等特征的指数。其中，Trenberth（1990）选取冬半年区域（1475°E～1225°W，275～725°N）平均的海平面气压表示AL强弱；Overland et al.（1999）则取冬季平均AL区域（160°E～160°W，40～60°N）内海平面气压场低压中心气压值表示AL强弱；任广成（1991）用60°N以南太平洋区域海平面气压场（Sea Level Press，SLP）的1 010 hPa线范围内网格点加权平均值作为AL强度指数；Zhu et al.（2007）采用类似Trnberth（1990）的区域平均方法定义了表征AL特征的环流指数，但范围比前者更小。利用上述的环流指数可以形象和便捷地描述大气中的环流特征和演变。

王盤兴等（2007）给出了闭合气压系统环流指数的普适定义方法，认为完整描述气压（位势高度）场中的一个闭合气压系统，需要定义其强度P、面积S和中心位置C（λc，φc）等3种环流指数。为了描述某一时段闭合气压系统中心位置的分布，王盘兴等（2008）定义了闭合气压系统中心与气候中心的平均距离r、分布区域的压缩系数μ和主要异常方向β，并据此研究了若干大气活动中心异常规律、成因及气候效应，取得了一系列有意义的结果（王盘兴等，2007，2008；管树轩等，2009；麻巨慧等，2009）。本文根据王盘兴等（2007，2008）的方法定义和计算了1948/1949—2007/2008年60个冬季的月、季AL环流指数，并据此分析了AL异常的时频特征，重点分析了AL指数P、λc与太平洋SST异常（特别是El Nio/La Nia事件）以及与区域气候异常的关系。

1AL环流指数的定义和计算

11资料

1）NCEP/NCAR再分析资料（Kalnay and Coauthors，1996）：1 000 hPa月平均资料（高度、降水率、温度），覆盖时段为1948年1月—2008年12月，范围0°～360°、90°S～90°N，水平分辨率为25°×25°。

2）海表温度ERSST（Smith and Reynolds，2004）：NOAA Extended Reconstructed SST月平均海表温度资料，覆盖时段同上，范围0°～360°、88°S～88°N，水平分辨率为2°×2°。

3）海洋Nio指数（Oceanic Nio Index，ONI）：NOAA在ENSO诊断分析中使用的ONI指数是Nio34区（120～170°W，5°N～5°S）海温（ERSST.V3）三个月的滑动平均，覆盖时段为1950年1月—2008年12月（http：//www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/）。

12AL环流指数的定义和计算

按文献（王盘兴等，2007），定义并计算了历年冬季、12—2月1 000 hPa的AL环流指数P、S、（λc，φc）。使用的搜索域Ω（图1上的五边形），其各点按逆时针依次为（1325°E，20°N）、（250°E，20°N）、（250°E，60°N）、（200°E，75°N）、（1325°E，60°N）。通过比较逐年冬季、月1 000 hPa月平均的位势高度场，确定冬季（12月—次年2月）和12、1、2月的特征等高线f0均为70 gpm。图1汇总了60 a场中的f0线，表明他们确可标识AL的主要部分。第t年冬季的季、月1 000 hPa等压面上AL的3种环流指数的定义分别是：

1）面积指数S（t）是单位半径球面上区域D（t）的面积；

2）AL指数P（t）（也称强度指数）是高度差场ΔH（t）=H（t）-f0在区域D（t）上）的面积分；

3）中心位置指数C（t）=（λc（t）、φc（t））是区域D（t）上与ΔH（t）对应之重力场重心在球面上的经纬度。D（t）是搜索区Ω中由特征等高线f0围成的区域，又称计算域。

根据麻巨慧等（2008）提出的方法，对′序列进行小波功率谱W（t，Tk）分析及显著性检验。图3表明，′的显著年代际振荡主要是1月的1970年前后的10～20 a周期振荡以及12月的2000年前后的10～15 a周期振荡；季′在1970s年代前后的20 a左右振荡也较强，但未通过信度005的检验。′的显著年际变化则主要是12月的1950s初的3～10 a周期振荡、1和2月的1980s初的2～4 a周期振荡以及季的1980s的3～4 a和5～10 a周期振荡。

32（λc，φc）异常

由图4可见，历年季、月AL中心分布在以北太平洋阿留申群岛为中心的北太平洋区域，其经向散布范围（Δφc）均小于纬向（Δλc）。从季、月的λc、φc中分离出年代际变化分量′cs，′cs（图4），经F检验表明：冬季及12、1月的′c中的年代际变化分量显著，分别从1970s、1980s、1990s起′cs持续为正，AL中心异常偏东；但近年′cs出现偏西的转折。′c的年代际变化分量不如′c清楚，近30 a来′cs偏弱（12月）或作短周期振荡（季、1和2月）。

由图5可见，12月（1月）的AL中心自1980s（1990s）起偏东；2月则在1970s前后稳定偏东，其余时段多变；季的AL中心自1970s起偏东。与Zhu et al.（2007）的研究结果一致。

33P与λc、φc的相关分析

表3表明，季、月AL指数P—λc的同期负相关显著（均通过095的置信度检验），AL加强与中心位置偏东显著相关，这与Trenberth and Hurrell（1994）、Mantua et al.（1997）和Nakamura et al.（1997）的分析结果一致。而P—φc的同期正相关除2月外均不显著。

4AL与SST异常关系分析

众所周知，冬季AL的存在是纬向海陆温差强迫所致，因此，Latif and Barnett（1994，1996）认为，北太平洋SST异常通过中纬不稳定海气相互作用将导致区域环流异常。另一方面，热带海洋热力异常也对中纬环流异常起强迫作用（Trenberth et al.，1990；Graham et al.，1994；Trenberth and Hurrell，1994；Lau，1997；Deser et al.，2004）。例如，El Nio、La Nia事件对全球气候异常有重大影响（Horel and Wallace，1981；Rasmusson and Carpenter，1982；Rasmusson and Wallace，1983；Huang and Wu，1989；黄荣辉和陈金中，2002）。Horel and Wallace（1981）提出太平洋/北美型（PNA），并指出大气对强迫源的遥响应及其低频活动都表现为类似大圆路径的波列。Hoskins and Karoly（1981）的理論研究揭示了其动力学本质。这里用AL环流指数表示北太平洋中纬低层环流，分析其与北太平洋中纬SST及El Nio/La Nia事件的相关关系。

41P与北太平洋SST的相关分析

由冬季AL指数P与北太平洋SST的相关系数（图6a）可见：以约（170°W，40°N）为中心的北太平洋中部是片显著正相关区，而其北、东北和东南侧为显著负相关区。逐月的结果（图6b—6d）表明：中部显著正相关区12月很小，1、2月迅速加强增大；而显著负相关区在沿顺时针方向移动时存在着明显的强度变化。在北太平洋中部SST正异常年份，季、月AL指数P出现正异常，AL减弱；反之，当SST为负异常时，P为负异常，AL加强。而在北太平洋北部、东部周边区域SST正异常年份，AL指数P出现负异常，AL加强；反之减弱。参照图1中f0线表明，AL主体均位于50～55°N间的相关系数0线通过的区域。当该区域SSTA在南正北负年份，P′为正，AL较常年弱；反之，P′为负，AL较常年强。

42P、λc、φc与El Nio/La Nia的相关

图6已显示出季、1、2月的AL指数P与热带中东太平洋SST存在显著负相关，该区SST强正（负）异常年对应El Nio（La Nia）事件，同期AL异常加强（减弱）。表4给出AL的3个环流指数与NOAA定义的ONI指数的相关系数，结果表明，季、1、2月的P（λc）与ONI指数均为显著负（正）相关，即El Nio事件经遥强迫使AL加强、中心偏东，La Nia事件则相反。

图7、8给出了季、月的′、′与同期强El Nio、La Nia事件的相关联系。这里，强El Nio（用●表示）、La Nia（用○表示）事件指ONI≥+12、ONI≤-13（Simth and Reynolds，2004）。表5表明，′的-（+）年与ONI的异号率K-较高（即与强El Nio/La Nia年重合率高），′的+（-）年与ONI的同号率K+较高；且自1975年以来，上述相关关系明显强于1975年以前，这可能与自1975年以来海气资料质量提高有关。

由此可知，本文定义的AL指数P、λc可以清楚揭示AL强度、中心位置与太平洋SST异常的相关联系。强El Nio事件时北太平洋中纬SSTA偏低，其东北侧SSTA偏高，使AL中心东移及强度增强。

5AL指数P与同期北半球气温、降水的相关

51P与气温的相关关系

冬季季、月AL指数P和同期北半球气温T的相关系数分布（图9）的总体特征为：中高纬度区从北太平洋中部经北美西北海岸到北美洲东南部为规则排列的“+-+”显著相关区，其相关中心位于与PNA（Pacific North American pattern of remote related）波列接近的大圆上。低纬区域则为宽阔显著负相关区，其季内差异显著，12月位于热带西、中太平洋区域，1、2月向赤道退缩并向东延伸。AL指数P与东亚同期气温的相关不显著，这与蒙古高压与东

52P与降水的相关关系

冬季季、月AL指数P与同期北半球降水R的相关系数分布（图10）中高纬度的基本特征与图9给出的P—T相关分布类似，存在一个性质相同位置相近的“+-+”显著相关区波列；不同之处在于北太平洋的显著正相关区向西伸展至东亚中纬地区。而其热带部分与图9给出的P—T相关分布差异显著，P—R在赤道附近的显著负相关区远较P—T小；且在热带中太平洋（中心在夏威夷附近）、热带西太平洋（中心在加勒比海以东洋面）出现两显著正相关区，后者可视为相关波列向热带区域的延伸。还可以看出，12—2月，北太平洋南部的负相关区明显减弱；北太平洋南部的正相关区明显加强，墨西哥湾的正相关区加强，范围增大；古巴以西大西洋海域出现一个正相关区，穿过中美洲与低纬太平洋的正相关区连接成为一体。

6结论

本文定义了一组描述冬季季、月平均1 000 hPa位势高度上阿留申低压（AL）状态的新的环流指数，包括强度指数P、面积指数S及中心位置指数（λc，φc），用1948/1949—2007/2008年60个冬季的NCEP/NCAR平均高度场资料计算了上述环流指数，并据此分析了AL气候及异常规律。其中重点分析了AL环流指数P、λc与同期北半球太平洋SST及北半球气温、降水的相关联系。主要结果为：

1）AL在1月最强，中心偏南、偏西；12月最弱，中心偏北、偏东；2月居中。

2）AL指数P、λc间存在负相关联系，强年（P′<0）偏东（λ′>0）、弱年偏西；AL年代际变化主要表现在自1970s以来的持续偏强偏东，但近年有反转的迹象。

3）AL在强El Nio 年偏强偏东，在强La Nia年相反；这一相关联系在1975年后尤其明显。AL与中纬太平洋SST也存在显著正相关，SST负异常年AL东移加强，反之亦然。

4）AL指数P与同期北半球中高纬T、R的显著相关区呈+-+大圆波列分布，相关中心位置分别在中纬北太平洋、北美西北部、北美南部，与PNA遥相关型接近。

阿留申低压与蒙古高压是冬季北半球中高纬相邻的两个大气活动中心，但他们与同期El Nio/La Nia事件及与北半球温度、降水的相关联系存在明显差异，是一个值得深入研究的问题。

参考文献（References）

Chen T C，Van Loon H，Wu H K，et al.，1992.Change in the atmospheric circulation over the North PacificNorth America area since 1950[J].J Meteor Soc Japan，70：11371146.

Deser C，Phillips A S，Hurrell J W，2004.Pacific interdecadal climate variability：Linkages between the tropics and the North Pacific during boreal winter since 1900[J].J Climate，17：31093124.

Francis R C，Hare S R，1994.Decadalscale regime shifts in the large marine ecosystems of the northeast Pacific：A case for historical science[J].Fish Oceanogr，3：279291.

Graham N E，Barnett T P，Wilde R，et al.，1994.On the roles of tropical and midlatitude SSTs in forcing interannual to interdecadal variability in the winter Northern Hemisphere circulation[J].J Climate，7：14161441.

管樹轩，王盘兴，麻巨慧，等，2009.北半球10 hPa极地涡旋环流指数及初步分析[J].高原气象，28（4）：777785.Guan S X，Wang P X，Ma J H，et al.，2009.Definition and analysis of the circulation indices of polar vortex at 10 hPa in the Northern Hemisphere[J].Plateau Meteor，28（4）：777785.（in Chinese）.

Hartmann B，Wendler G，2005.The significance of the 1976 Pacific climate shift in the climatology of Alaska[J].J Climate，18：48244839.

Horel J D，Wallace J M，1981.Planetaryscale atmospheric phenomena associated with the Southern Oscillation[J].Mon Wea Rev，109：813829.

Huang R H，Wu Y F，1989.The influence of ENSO on the summer climate change in China and it smechanism[J].Adv Atmos Sci，6：2132.

黃荣辉，陈金中，2002.平流层球面大气地转适应过程和惯性重力波的激发[J].大气科学，26（3）：289303.Huang R H，Chen J Z，2002.Geostrophic adaptation process and excitement of inertialgravity waves in the stratospheric spherical atmosphere[J].Chin J Atmos Sci，26（3）：289306.（in Chinese）.

Hoskins B J，Karoly D J，1981.The steady linear response of a spherical atmosphere to thermal and orographic forcing[J].J Atmos Sci，38：11791196.

Kalnay E，Kanamitsu M，Kistler R，et al.，1996.The NCEP/NCAR 40year reanalysis project[J].Bull Amer Meteor Soc，77（3）：437471.

Lorenz E N，1967.The nature and theory of the general circulation of the atmosphere[M].Geneva：World Meteorol Org.

Latif M，Barnett T P，1994.Cause of decadal climate variability over the North Pacific and Northern America[J].Science，266：634637.

Latif M，Barnett T P，1996.Decadal climate variability over the North Pacific and North America：Dynamics and predictability[J].J Climate，9：24072423.

Lau N C，1997.Interactions between global SST anomalies and the midlatitude atmospheric circulation[J].Bull Amer Meteor Soc，78：2133.

刘晴晴，王盘兴，徐祥德，等，2010.一种东亚冬季风指数的环流意义及优化[J].大气科学学报，33（4）：436442.Liu Q Q，Wang P X，Xu X D，et al.，2010.An optimized East Asian winter monsoon index and its circulation significance[J].Trans Atmos Sci，33（4）：436442.（in Chinese）.

Mantua N J，Hare S R，Zhang Y，et al.，1997.A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production[J].Bull Amer Meteor Soc，78：10691079.

麻巨慧，王盘兴，郭栋，等，2009.南半球10 hPa极地涡旋环流指数的定义及分析[J].高原气象，28（6）：12991307.Ma J H，Wang P X，Guo D，et al.，2009.Multiscale variation characteristics of polar vortex at 10 hPa in the Southern Hemisphere[J].Plateau Meteor，28（6）：12991307.（in Chinese）.

Miller A J，Cayan D R，Barnett T P，et al.，1994.The 1976—1977 climate shift of the Pacific ocean[J].Oceanography，7：2126.

Nakamura H，Lin G，Yamagata T，1997.Decadal climate variability in the North Pacific during the recent decades[J].Bull Amer Meteor Soc，98：22152225.

Overland J E，Adams J M，Bond N A，1999.Decadal variability of the Aleutian Low and its relation to highlatitude circulation[J].J Climate，12：15421548.

Polovina J J，Mitchum G T，Evans G T，1995.Decadal and basinscale variation in mixed layer depth and the impact on biological production in the central and North Pacific，1960—1988[J].DeepSea Res，42：17011716.

Rasmusson E M，Carpenter T H，1982.Variations in tropical sea surface temperature and surface wind fields associated with the Southern Oscillation/El Nio[J].Mon Wea Rev，110：354384.

Rasmusson E M，Wallace J M，1983.Meteorological aspect s of El Nio/Southern Oscillation[J].Science，222：11951202.

任廣成，1991.太平洋海温对冬季阿留申低压的影响[J].气象学报，49（2）：249252.Ren G C，1991.Influence of the Pacific sea surface temperature on the winter Aleutian low[J].Acta Meteorologica Sinica，49（2）：249252.（in Chinese）.

Rodionov S N，Overland J E，Bond N A，2005.The Aleutian Low and winter climate conditions in the Bering Sea.PartII：Classification[J].J Climate，18：160177.

Schneider N，Cornuelle B D，2005.The forcing of the Pacific Decadal Oscillation[J].J Climate，18：43554373.

Smith T M，Reynolds R W，2004.Improved extended reconstruction of SST（1854—1997）[J].J Climate，17：24662477.

孙建奇，王会军，2008.北极涛动与太平洋年代际振荡的关系[J].科学通报，50（15）：16481653.Sun J Q，Wang H J，2006.Relationship between Arctic oscillation and Pacific decadal oscillation on decadal timescale[J].Chinese Science Bulletin，51：7579.（in Chinese）.

Trenberth K E，1990.Recent observed interdecadal climate changes in the northern hemisphere[J].Bull Amer Meteor Soc，71：988993.

Trenberth K E，Hurrell J W，1994.Decadal atmosphereocean variations in the Pacific[J].Climate Dyn，9：303319.

王盘兴，陈延聪，卢楚翰，等，2008.闭合气压系统中心分布特征量及应用[J].南京气象学院学报，31（6）：758766.Wang P X，Chen Y C ，Lu C H，et al.，2008.Characteristic quantities of closed pressure system centers distribution and its application[J].J Nanjing Inst Meteor，31 （6）：758 766.（in Chinese）.

王盘兴，卢楚翰，管兆勇，等，2007.闭合气压系统环流指数的定义及计算[J].南京气象学院学报，30（6）：601606.Wang P X，Lu C H，Guan Z Y ，et al.，2007.Definition and calculation of three circulation indices for closed pressure systems[J].J Nanjing Inst Meteor，30（6）：601606.（in Chinese）.

Zhu X，Sun J，Liu Z，et al.，2007.A synoptic analysis of the interannual variability of winter cyclone activity in the Aleutian Low region[J].J Climate，20：15231538.