北太平洋涛动和东亚冬季风对ENSO影响差异分析

温 涛 ，冯立成 ，陈权亮 ，丁瑞强 ，史 良

(1.成都信息工程大学、高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225； 2.国家海洋环境预报中心， 北京 100081; 3.北京师范大学、地表过程与资源生态国家重点实验室， 北京 100089; 4.兰州理工大学理学院， 甘肃 兰州 730050)

早在1969年，Bjerknes就历史性地提出厄尔尼诺-南方涛动(EI Nio-Southern Oscillation, ENSO)是热带太平洋大尺度海气相互作用的产物，是全球海洋-大气耦合系统在年际尺度上最主要的模态[1]。前人的系列研究表明，ENSO不仅对热带地区天气、气候异常和大气环流有直接影响，还能通过大气遥相关的方式影响到热带外区域甚至全球范围内的气候[2-3]。因此对ENSO的认识一直是气候学上的热点问题。一些研究发现，热带区域的海气相互作用和海洋动力学作用对ENSO的发生、发展过程具有重要意义[4-5]。其中Bjerknes[1]应用海温异常和信风理论解释了ENSO的发生、发展问题，Jin(1997)结合赤道温跃层海温变化和赤道风应力间的Sverdrup平衡关系提出充放电理论[5]，再结合Bjerknes正反馈机制，从动力学上解释了ENSO发生、发展的物理机制以及位相转换的过程。

除了热带系统影响ENSO外，近些年来一些研究也表明热带外的气候系统对ENSO的发生、发展同样具有重要的调节作用[6-9]。作为热带外区域重要的气候系统，东亚冬季风(East Asian Winter Monsoon， EAWM)[10]和冬季北太平洋涛动(North Pacific Oscillation， NPO)[11]已经被证明对ENSO的发生、发展同样具有积极的意义[12]。EAWM是空间上呈三维结构，南北跨越热带、亚热带和温带，主要包含西伯利亚高压、阿留申低压等系统成员，对东亚冬季气候起关键作用的环流系统[10,13]。Li(1989)的研究中就指出强EAWM可以激发赤道西太平洋的西风异常和对流活动异常[13]；随后穆明权等(2001)证实，受EAWM影响的赤道西风异常会向东传播，致使赤道东太平洋出现正的海表温度(SST)异常，因此伴随着海气相互作用进而触发了厄尔尼诺(El Nio)事件[14]。另一方面，NPO作为北太平洋区域内海平面气压在高、低纬度间的跷跷板式变化的大气遥相关模态，它的变化对东亚和北美地区的大气环流系统均有重要影响[15]。近年来，有学者指出NPO可以通过季节足印机制来影响次年冬季ENSO的发生、发展[6-7]。即在当年冬季时，与NPO相关的大气环流异常使得北太平洋热带地区在次年春季出现明显的SST异常(SSTa)暖海温，同时又反作用于大气环流，使得赤道西太平洋区域出现西风异常，异常西风又通过触发向东传播的赤道暖性开尔文波，进一步影响了次年冬季ENSO的发生。

通过对前人研究成果的分析，可以发现EAWM和NPO在北太平洋区域都呈经向的高低压中心分布，都属于北半球重要的气候系统，且都会对ENSO的发生、发展有一定的作用。然而，EAWM和NPO对ENSO的影响是否存在差异？如果有，这些差异产生的原因又是什么呢？本研究将尝试回答这些科学问题。对于这些问题的研究有助于加深对热带外气候系统与ENSO之间相互关系的认识，具有重要的科学意义。

1 材料与方法

本研究采用了相关分析、线性回归等统计方法。使用了HadISST海温资料[16]，美国国家环境预报中心和大气研究中心(NECP-NCAR)提供的风场资料、海表面气压(SLP)数据、500 hPa位势高度场数据[17]和降水资料[18]。时间范围选取1948年1月至2017年12月，除了海温资料的分辨率是1°×1°之外，其余资料分辨率均是2.5°×2.5°。

参照Furtado等(2012)对NPO指数的定义[19]，本研究将范围在(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)场的区域平均值之差定义为NPO指数。本研究使用的EAWM指数定义为(25.0°N—45.0°N, 110.0°E—145.0° E)范围内500 hPa位势高度场的平均值[20]。本研究得到的结果对定义NPO、EAWM指数所选取区域的合理变化并不敏感。此外，使用正交经验函数(EOF)方法来定义NPO和EAWM指数也可以得到类似的结果。本研究中冬季定义为12月至次年2月。另外，我们选取了Nio3.4(5.0°S—5.0°N, 170.0°E—120.0°W)指数来表征ENSO。本研究采用T检验估计相关系数和回归系数的显著性水平。

2 结果与讨论

2.1 NPO和EAWM的时空特征对比分析

首先我们对NPO和EAWM对北半球特别是东亚大气环流的线性影响进行了回顾。图1分别给出了冬季NPO指数和EAWM指数回归的东亚地区SLPa场的空间分布。由图1(a)可以看出，SLPa正负异常中心呈南部为异常低压，北部为异常高压的南北偶极态分布，就是人们熟知的NPO模态[21]。EAWM可分为正负位相，当EAWM正位相时，在北太平洋中纬度上空是异常低压，其北部为异常高压[图1(b)]。对比图1(a)发现EAWM和NPO异常低压中心在北太平洋中纬度基本重合，但EAWM的异常低压中心位置比NPO的更靠北，位于35°N附近；而NPO和EAWM的北部异常高压空间分布则存在较大差异，即NPO正位相时北部异常高压范围集中，中心位于北太平洋北部边缘；而EAWM高压区域横跨欧亚大陆，中心主要位于西伯利亚区域。可见NPO和EAWM对北半球特别是东亚大气环流的线性影响既有相似之处，又各有不同。图2分别给出了冬季NPO指数、EAWM指数和Nio3.4指数的时间演变曲线，由图可见3个指数均有明显的年际变化，但EAWM还具有明显的年代际变化特征(下文详细做介绍)，在20世纪80年代和20世纪末均出现了明显的变化。这与前人的结果一致[20]。

图1 1948—2017年冬季NPO指数和EAWM指数回归的SLP异常场的空间分布

图2 冬季NPO指数、EAWM指数和Nio3.4指数的年际变化(1948—2017年)

综上所述，冬季NPO和EAWM在时空分布上既有一定的相似性，又有明显区别。那么他们对ENSO的影响是否也具有类似的特征呢？

2.2 冬季NPO和EAWM对ENSO影响的异同

为了进一步揭示冬季NPO和EAWM与次年冬季ENSO的关系，我们首先分别用Lanczos滤波器对3种指数进行了7 a的高通滤波，以提取1948—2017年间3种指数的年际变化，随后分别计算了冬季NPO指数和EAWM指数与次年冬季Nio3.4指数的相关系数，分别为0.49和0.24，均超过了置信度为95%的相关性检验。这表明冬季NPO、EAWM与次年冬季ENSO有着密切的联系，这与前人的研究结果一致[6-7,20]。

随后我们比较了冬季NPO和EAWM指数回归到SST异常场的空间季节演化特征(图3)，同时也比较了与冬季NPO和EAWM相关的SST(图略)、降水和850 hPa风场异常场的空间季节演化特征(图4)。需要指出的是，由于已有研究表明ENSO具有很强的自相关性以及与ENSO自身相关的SSTa可以对热带外大气异常产生影响[22]，因此本部分的冬季NPO指数和EAWM指数是通过线性回归的方式去除了同期冬季ENSO信号(Nio3.4指数表征)。由图3可见，冬季NPO(图3左边两列)、EAWM(图3右边两列)回归得到的SSTa场的季节演化与Vimont(2001、2003)[6-7]研究提出的季节足印机制相似。

2.3 NPO和EAWM影响ENSO差异性的机制分析

由图3(b)、(d)可见，春季在北太平洋区域NPO和EAWM引起的SSTa都呈现出正-负-正的三极子海温模态。特别地，在北太平洋中部NPO和EAWM引起的SSTa强度基本相当。然而，春季与NPO和EAWM相关的北太平洋区域降水正异常以及赤道西太平洋区域异常气旋式风场和西风异常却都有一定差异，即NPO强迫出的SSTa引起的大气响应强于EAWM[图4(b)、(d)]。相应地，当强迫出的SSTa持续到次年夏季时，在赤道西太平洋区域与NPO有关的SSTa场也是强于EAWM强迫出来的[图3(e)、(g)]。这种差异产生的影响一直随着季节变化，传播到冬季就以回归场不同强度的SSTa来呈现了[图3(m)、(o)]。另外，对比图4(e)、(f)和图4(g)、(h)的异常西风位置可知，NPO引起的异常西风更靠近赤道，而EAWM引起的异常西风相对偏北，这就导致了NPO引起的异常西风更容易持续和加强，从而能更有效的影响到次年冬季ENSO发生、发展。因此EAWM在热带太平洋区域激发并建立起的海气正反馈机制并不能够像NPO一样强，这可能就直接导致了EAWM对次年冬季ENSO的影响并不如NPO那么强。

图3 1948—2017年冬季NPO和EAWM回归的SST异常场的季节演化的空间分布

接下来我们通过计算西太平洋指定区域(2.5°N—17.5°N,120.0°E—170.0°E，EWP区域)，即图4红色矩形框内的区域平均降水和纬向风异常分别与去除了前冬ENSO信号的冬季NPO指数和EAWM指数的逐月交叉相关系数(图5)，量化考察NPO和EAWM对EWP区域海气相互作用的影响。图5实线分别表示的是降水异常与冬季NPO和EAWM指数的交叉相关系数逐月演化情况。由图可见，冬季NPO、EAWM指数和当年春季EWP区域平均降水异常相关系数均较好，通过了95%的显著性检验。

图4 1948—2017年与冬季NPO和EAWM指数相关的降水和850 hPa风场异常场的季节演化图

图5 西北太平洋区域平均降水和纬向风异常与去除了前冬ENSO信号的冬季NPO和EAWM指数的交叉相关图

随着季节更替，相关系数均有所降低，但在当年夏季之前与冬季NPO指数有关的相关系数均大于和EAWM有关的，且差值在春季最大。此外，虚线表示的是纬向风场异常与冬季NPO和EAWM指数的交叉相关逐月演化情况。由图可见，冬季NPO、EAWM指数和EWP区域平均纬向风场整体满足与NPO有关的交叉相关系数大于与EAWM有关的，同时相关系数在同期时最大，随后虽有降低但一直持续到夏季也通过了95%显著性检验。另外两条虚线间的差值随着季节变化而缩小，即区域平均纬向风场与冬季NPO和EAWM指数的交叉相关系数差值随着季节变化而减小。这也体现了随着春季EWP西风异常被激发起之后，该区域异常西风持续，并通过触发赤道暖性开尔文波的传播使得接下来夏季热带中东太平洋海温变暖[23]。可见，图5显示出的结论基本与图4(b)至(d)和(j)至(l)得到的结果一致，即EAWM对ENSO发生、发展的影响不如NPO强的可能原因是：前一年冬季EAWM引起的热带中北太平洋春季降水异常增多不及前冬NPO引起的强，从而导致EWP春季西风异常增强的强度也不及NPO引起的强，进而对次年冬季ENSO发生和发展的影响就弱于前冬NPO[24]。

综上，对比图6(a)、(b)可知：前一年冬季NPO对次年冬季ENSO影响强于前冬EAWM的主要原因是前冬NPO强迫出的正-负-正三极子海温模态引起的大气响应强于前冬EAWM，直观表现为夏季赤道西太平洋区域降水和风场强度及位置上的差异，这种差异又导致二者在热带太平洋区域建立的海气正反馈机制的强度不同，遂直接导致次年冬季ENSO的发展程度不同。

图6 NPO和EAWM影响ENSO机制图

此外，由图2(b)可知，EAWM还具有明显的年代际变化特征。那么这种年代际变化特征是否是造成冬季EAWM对次年冬季ENSO影响弱于冬季NPO的另一个原因呢？因此我们通过滑动相关分析对比检测冬季NPO、EAWM和次年ENSO之间的关系。由于在这部分我们最关心的是年代际变化，所以采取的滑动窗口宽度为23 a[20]。图7就显示了冬季NPO、EAWM指数与次年冬季Nio3.4指数的23 a滑动相关系数。由图可见：与NPO有关的滑动相关系数虽在20世纪70年代和20世纪末有小幅度的波动，但整体均通过90%显著性检验；而与EAWM有关的滑动相关系数仅在20世纪50～70年代和20世纪90年代通过90%的显著性检验，且有大幅波动，这与前人关于EAWM在20世纪80年代和20世纪末分别有一次明显的减弱和增强过程的结果相一致[20,25]。上述结果表明：从年代际尺度上来说冬季NPO指数与次年冬季ENSO的关系明显好于EAWM；且与NPO有关的滑动相关系数波动远小于EAWM，即冬季NPO与次年冬季ENSO的关系明显比EAWM与次年冬季ENSO关系稳定。因此在年代际尺度上，冬季NPO和EAWM的稳定性差异也可能是造成对次年冬季ENSO的发生、发展影响不同的原因之一。

图7 冬季NPO指数和EAWM指数分别与次年冬季Nio3.4指数在1948—2017年间的23 a滑动相关系数

需要注意的是，受NPO强迫产生的维多利亚模态(VM)已被证明会对次年的ENSO产生影响[9]，同时VM在春季北太平洋强迫出的海温模态与图3(b)、(j)相似，亦会对西北太平洋的环流场产生一定影响，同时VM对热带大气气旋等热带系统也有一定的影响[9]，那么NPO和EAWM影响ENSO的差异是否与VM有关呢？这种关系又如何去验证或者排除？其次，本研究只从强度上考查了EAWM与ENSO的关系，而EAWM除了强弱变化外，还有路径的变化[26]。这些问题都值得进一步深入研究。

3 结论

基于HadISST海温资料以及NCEP月平均气象场再分析资料，本研究采用回归、相关分析等方法研究了冬季NPO和EAWM对次年冬季ENSO发生、发展影响的差异性，并分析了产生这种差异的可能原因。结果表明，冬季NPO和EAWM对次年冬季ENSO的影响无论是从相关性大小还是触发的ENSO强度上来说都存在明显的差异。进一步利用SST场、降水场以及风场的季节演化分析发现，冬季NPO引起的异常西风更靠近赤道，而EAWM引起的异常西风相对靠北，这就导致了NPO引起的异常西风更容易持续以及加强；另外前一年冬季EAWM引起的热带中北太平洋春季降水异常增多不及前冬NPO引起的强，从而导致EWP春季西风异常增强的强度也不及NPO引起的强，进而对次年冬季ENSO发生、发展的影响就弱于前冬NPO。也就是说冬季NPO和EAWM在热带太平洋区域通过引起赤道西太平洋区域西风异常和降水异常建立起的海气正反馈机制在强度上的不同，亦是造成上述差异的主要原因之一。

同时通过对冬季NPO、EAWM指数与次年冬季ENSO年代际关系变化的考察发现，冬季NPO指数与次年冬季ENSO的关系明显好于EAWM；且与NPO有关的滑动相关系数波动远小于EAWM，即冬季NPO与次年冬季ENSO的关系明显比EAWM与次年冬季ENSO关系稳定。因此在年代际尺度上，冬季NPO和EAWM的稳定性差异也可能是造成对次年冬季ENSO的发生、发展不同的又一原因。

致谢：感谢中国科学院大气物理研究所钟权加博士提出的宝贵意见。