大西洋多年代际振荡对东亚气候影响的综述

姜大膀 司东 缪家鹏

中国科学院大气物理研究所, 北京 100029

1 引言

AMO 位相转变对全球和区域气候有重要影响。首先，AMO 被指出对全球尺度海表温度多年代际变率起主导作用，且主要通过大气遥相关和大气—海洋耦 合过程实现（Yang et al., 2020）。其次，AMO 对大西洋及其周边气候的多年代际变化有显著影响，包括大西洋飓风（Trenberth and Shea,2006）、撒 哈 拉 夏 季 降 水（Zhang and Delworth,2006）、欧洲夏季气温和降水（Sutton and Dong,2012）、北美夏季高温热浪（Ruprich-Robert et al.,2018）等。再者，AMO 对太平洋年代际变率有重要调制作用，两者之间的相互作用是当前国际前沿课题（Zhang and Delworth, 2007; Ruprich-Robert et al., 2017; Meehl et al., 2021）。

东亚地处季风区，夏季盛行偏南风，夏季风变异常常会造成干旱、洪涝等气象灾害；冬季盛行偏北风，偏强的冬季风会引起冰冻雨雪等灾害（王会军和范可, 2013; 杨崧等, 2018）。观测表明，20 世纪以来东亚夏季风有明显的年代际变化（Wang,2001; Yu et al., 2004; Jiang and Wang, 2005; Zhu et al., 2011）。与夏季风相似，东亚冬季风的年代际变化显著（贺圣平和王会军, 2012; Wang and Chen,2014; 丁一汇等, 2014; Miao and Wang, 2020）。大量工作显示，AMO 作为主要的多年代际海表温度模态，是东亚冬、夏季气候年代际变化的重要驱动因子（如：李双林等, 2009）。本文将回顾AMO对东亚气候，尤其是东亚夏季风及降水、东亚冬季风及气温的影响及相关物理过程。

2 AMO 的指数定义和形成机制

2.1 AMO 指数的定义

AMO 指数常被定义为北大西洋区域平均的海表 温 度 距 平（Enfield et al., 2001）。为 了 凸 显AMO 多年代际变率的性质，AMO 指数需要去除长期趋势和高频分量。在去除长期趋势时，一些学者选择去除线性趋势（如：Enfield et al., 2001）；但是也有工作指出长期趋势是非线性的，应该去除以全球变暖为主要特征的外强迫信号（即全球平均的海表温度）（Trenberth and Shea, 2006）。根据以上两种方法得到的观测的AMO 指数在年代至多年代尺度变化上是比较一致的，尤其是位相转折的时间点。另外，有学者将低通滤波后的北大西洋副极地海表温度标准化值与北大西洋中低纬海平面气压标准化值的差值定义为AMO 指数（Klotzbach and Gray, 2008）。Zhang（2017）将低通滤波并去除线性趋势的北大西洋副极地海表盐度的标准化值定义为AMO 指数。Yan et al.（2019）对北大西洋地区去除线性趋势的海表温度、海表盐度、上层海洋热含量和盐含量共四个变量进行多变量的经验正交函数分解（EOF），将第一模态时间系数定义为AMO 指数。

另一类方法是依托模式的历史气候模拟试验，计算出AMO 指数中的外强迫信号，再将其从观测的AMO 指数中剔除，进而得到AMO 指数的内部变率分量。例如，Ting et al.（2009）采用信噪比最大化EOF 方法，提取出多模式模拟的北大西洋海表温度的外强迫信号。Deser and Phillips（2023）提出，全球平均海表温度序列的外强迫分量（通过模式样本集合平均获得）对观测中北大西洋海表温度各个格点的线性回归场，可以刻画出各个格点海表温度的外强迫信号。

2.2 AMO 的形成机制

AMO 形成受到多种物理过程的影响，然而具体是其中的哪种占主导学界还存在不同意见（Vecchi et al., 2017）。传 统 观 点 认 为，AMO 是由气候系统内部过程尤其是AMOC 主导的多年代际尺度的海洋模态（Delworth et al., 1993; Delworth and Mann, 2000; Latif et al., 2004; Knight et al.,2005）。AMOC 能改变北大西洋近表层暖水的北进和深层补偿流所携带冷水的南移，引起北大西洋海表温度变化。当AMOC 偏强时，海洋表层向北输送到北大西洋的热量增多，使得北大西洋海表温度偏高；当AMOC 偏弱时，北大西洋海表温度则偏低。大西洋海表温度多年代际尺度振荡信号的发现可以追溯到20 世纪60 年代，Bjerknes（1964）基于北大西洋观测数据推断其与AMOC 的低频变率有关，并指出这种多年代际尺度的振荡机制与年际尺度的明显不同。后续大量的观测和模拟研究证实了Bjerknes（1964）的猜想（Folland et al., 1986;Delworth et al., 1993; Schlesinger and Ramankutty,1994; Delworth and Mann, 2000; Latif et al., 2004;Knight et al., 2005）。例如，在不考虑外强迫的情况下，海气耦合模式仍然能模拟出AMOC 驱动的北大西洋海表温度多年代际变化（Delworth and Mann, 2000）；依据AMOC 可以较好预测出北大西洋海表温度的变化（Yeager et al., 2012）。

第二种观点认为，AMO 演变（尤其是近现代的变化）是由外强迫的驱动产生的（Evan et al.,2009; Booth et al., 2012; Dunstone et al., 2013;Murphy et al., 2017; Bellomo et al., 2018）。HadGEM2-ES 模式的模拟试验显示，加入气溶胶的间接效应后，它能模拟出观测的AMO 变化，人为和火山气溶胶强迫可以解释1860～2005 年北大西洋海表温度多年代际变率的76%（Booth et al., 2012）。其中，火山气溶胶经由两种途径驱动AMO，一是通过直接辐射效应影响北大西洋海表温度，二是通过间接效应调制北大西洋涛动和AMOC 进而改变北大西洋海表温度（Otterå et al., 2010）。CESM 模式的模拟试验表明，人为气溶胶和温室气体强迫是20 世纪AMO 演变的主要驱动力（Bellomo et al., 2018）。亦有学者提出，近现代AMO 变化同时受到气候系统内部变率和外强迫的影响（Si and Hu, 2017; Qin et al., 2020），然而目前很难量化两者的相对作用（Vecchi et al., 2017）。

第三种观点认为，AMO 是北大西洋海表温度对大气随机强迫的响应（Hasselmann, 1976; Clement et al., 2015）。数值试验显示，平板海洋模式（模式中海洋只有混合层深度，不考虑海洋动力过程）模拟得到的AMO 分布型与观测的非常相似，因此认为AMO 源自大气随机强迫而不是海洋动力过程（Clement et al., 2015）。

3 AMO 对北半球和东亚气候的影响

AMO 位相转变会引起北半球多个地区气候的显著变化，例如：北半球季风（Liu and Chiang,2012; Monerie et al., 2019）、非洲气候（Zhang and Delworth, 2006; Liu and Chiang, 2012）、欧洲和北美 的 气 候（Sutton and Hodson, 2005; Sutton and Dong, 2012）。首先，AMO 正位相会加强北非和印度季风、减弱南美季风，当AMO 处于负位相时则大体相反（Monerie et al., 2019）。同时，正位相的AMO 有利于亚非季风增强，负位相则会使得亚非季风减弱（Liu and Chiang, 2012; Li et al., 2017）。

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AMO 和南亚夏季风在多年代际尺度上同位相变化（Zhang and Delworth, 2006），AMO 影响南亚夏季风的途径包括：热带与热带外大气相互作用（Goswami et al., 2006）、Rossby 波列（Luo et al.,2011）和海气相互作用（Luo et al., 2018）。在非洲，AMO 对20 世纪撒哈拉降水的多年代际变化起重要作用，AMO 正位相能够增加该地区夏季降水（Zhang and Delworth, 2006）。在欧洲和北美，20 世纪60 年代北大西洋的冷却（AMO 负位相）造成西欧和北美干冷的气候（Sutton and Hodson,2005），1990 年代之后AMO 转为正位相，使得欧洲出现暖湿的气候（Sutton and Dong, 2012）。AMO 位相转变还与欧洲夏季的高温热浪以及北美的 干 旱 密 切 相 关（McCabe et al., 2004; Zhou and Wu, 2016）。事实上，AMO 对东亚气候年代际变化亦有显著影响，以下做详细阐述。

3.1 AMO 对东亚夏季气候影响

AMO 可以经由以下几种途径影响东亚夏季风。一是通过热带西太平洋—印度洋的海气反馈机制。海气耦合模拟试验表明，AMO 正位相会引起热带西太平洋和海洋性大陆暖异常，使得局地降水增多。进一步，热带西太平洋和海洋性大陆对流活动和大气加热会激发西北太平洋对流层低层反气旋式环流异常，造成西太平洋副热带高压西伸，增强东亚夏季风和东亚夏季降水（Lu et al., 2006）。相反，大西洋温盐环流减弱会冷却北大西洋的海表温度，进而经由海气反馈机制减弱东亚夏季风（Lu and Dong, 2008）。另外，AMO 正位相会增强沃克环流，使得热带西北太平洋对流活动增强，然后通过经向的东亚—太平洋型（EAP）/太平洋—日本型（PJ）波列增强东亚夏季风（Jin and Huo, 2018;Monerie et al., 2021）。

二是改变欧亚对流层的大气温度。AMO 正位相会引起欧亚大陆对流层温度升高，从而加大亚洲大陆与周边大洋之间的海陆热力差异，使得东亚夏季风加强、东亚夏季降水增多（Goswami et al.,2006; Wang et al., 2009）。经由这一途径，AMO还可以影响印度夏季风，具体表现为在AMO 正位相时，青藏高原温度升高、热源加强，青藏高原与热带印度洋之间温度梯度增大，导致印度夏季风增强（Feng and Hu, 2008）。

三是调制中高纬度大气波列的传播。在年际尺度上，当北大西洋海表温度偏高时，会影响欧亚型波列或激发从北大西洋向下游传播的Rossby 波列，使得东亚夏季风增强、降水增多（杨修群等, 1992;曲金华等, 2006; Monerie et al., 2021）。在年代际尺度上，北大西洋海表温度与东亚夏季风的关系依然成立，AMO 正位相能激发由北大西洋向下游传播的Rossby 波列，使得东亚北部出现异常低压、东亚南部为异常高压，加强了东亚地区低层偏南风和向北的水汽输送，加强东亚夏季风（图1a，Si and Ding, 2016; Si et al., 2023）。事 实 上，受 该Rossby 波列影响，AMO 不但调制东亚降水，还可以影响从北大西洋、欧亚直至北美的降水的年代际变化。例如，凭借该遥相关型，AMO 可以显著影响欧洲气候（Qasmi et al., 2021）。1960～1980 年期间，负位相的AMO 使得欧洲北部夏季降水减少而在南部增加（Sutton and Hodson, 2005）。同时，理想化的北大西洋海表温度模拟试验显示，AMO激发的该遥相关型可以显著影响欧洲的高温热浪（Qasmi et al., 2021）以及欧亚大陆北部夏季的水分循环（Nicolì et al., 2020）。此外，该波列被认为是Rossby 波沿着副热带西风急流向下游传播而形成的，波源位于北大西洋，与AMO 变化所引起的北大西洋海表温度异常显著相关，非绝热加热和瞬变涡度强迫是维持该波列的主要机制（Zuo et al.,2013; Monerie et al., 2018）。

北大西洋海表温度异常还能影响江淮梅雨（徐海明等, 2001）。当前期冬季北大西洋海表温度偏高时，北大西洋涛动偏强，东亚大槽偏弱，江淮流域入梅早；反之，当前期冬季北大西洋海表温度偏低时，江淮流域入梅晚（徐海明等, 2001）。再者，AMO 位相变化与中国西北气候密切相关，AMO在20 世纪90 年代之后进入正位相，导致东亚西风减弱、亚洲季风增强，使得印度洋和西太平洋水汽向北输送增多，有利于西北变湿（Guo et al., 2022）。AMO 变化还与青藏高原上空的夏季水汽输送的年代际变化密切相关，在AMO 正位相时，其激发的东传Rossby 波列引起贝加尔湖附近出现反气旋式环流异常，使得青藏高原水汽增加（Gao et al.,2013; Zhou et al., 2019; Sun et al., 2020）。同 时，AMO 能显著调制青藏高原大气热源的年代际变化，AMO 正位相时会通过激发Rossby 波列的下游传播，增强青藏高原上空的斜压性和亚洲夏季风气流，高原潜热加热相应增大，青藏高原大气热源加强（Yu et al., 2023）。

AMO 不但对东亚夏季的季风和降水有重要作用，亦能显著影响气温。当AMO 正位相时，中国大部分地区气温偏高，而且这种对应关系在一年四季都存在（Wang et al., 2009）。偏暖的北大西洋海表温度会激发东传的Rossby 波列，引起中国北方出现正位势高度和反气旋环流异常，下沉运动加强，造成中国北方夏季变暖（Ding et al., 2020; Jiang et al., 2020）。经由该波列，AMO 还可以影响中国极端高温，AMO 正位相时有利于中国北方极端高温以及高温热浪频率增加（Zhou and Wu, 2016; Gao et al., 2019）。20 世纪90 年代之后，AMO 由负位相转为正位相，使得东亚北部的增暖幅度加大（Jin et al., 2013; Sun et al., 2019; Zhang et al., 2020;Hu et al., 2021）。

3.2 AMO 与其他大洋对东亚夏季气候的协同影响

北大西洋和北太平洋海表温度年代际模态作为全球海洋最强的两个年代际信号，是东亚气候年代际变化的重要原因。当AMO 和太平洋年代际振荡（PDO）处于反位相时，两者的作用一致、相互叠加，导致显著偏强或偏弱的东亚夏季风（图2）；相反，当AMO 和PDO 处于同位相时，两者的作用相反、相互抵消，对应略微偏强或者偏弱的东亚夏季风（Si et al., 2021）。AMO 和PDO 协同作用亦是造成东亚夏季风30～40 年周期的主要原因（丁一汇等, 2018）。此外，PDO 和AMO 是引起东亚夏季降水年代际变化的关键海洋因子，其中东亚夏季降水年代际变化的第一模态与PDO 有关，第二模态则与AMO 有关，PDO 和AMO 会调制东亚地区经向和纬向大气遥相关波列，进而影响东亚夏季降水的年代际变化（Si and Ding, 2016）。除了夏季风和降水，AMO 与PDO 协同作用还可以影响东亚急流的位置，20 世纪90 年代后，正位相的AMO 和负位相的PDO 增强了东亚经向温度梯度和斜压增长率，造成东亚温带急流南移和副热带急流北移（Huang et al., 2019）。需要指出的是，AMO 和PDO 之间亦有显著联系（McGregor et al.,2014; Ruprich-Robert et al., 2017; Cai et al., 2019;Meehl et al., 2021）。数值模拟试验显示，AMO 正（负）位相会引起热带太平洋海表温度的负（正）异常[即PDO 负（正）位相]，而PDO 正（负）位相则会导致热带大西洋海表温度的正（负）异常[即AMO 正（负）位相]，沃克环流在其中起重要桥梁作用（Meehl et al., 2021）。

图2 AMO 和PDO 协同影响东亚夏季气候机制的示意图：（a）AMO 正位相而PDO 负位相；（b）AMO 负位相而PDO 正位相。字符AC 和C 分别代表异常反气旋和气旋环流，蓝色和红色箭头分别代表冷空气和季风气流，紫色箭头代表波列传播的方向。Fig.2 Schematic diagrams of the synergistic impacts of the AMO and PDO (Pacific Decadal Oscillation) on the summer climate over East Asia:(a) Positive phase AMO and negative phase PDO; (b) negative phase AMO and positive phase PDO.The letters AC and C indicate anomalous anticyclone and cyclone, respectively.The blue (red) arrow denotes the cold (monsoon) flow.The purple arrow denotes the propagation direction of the teleconnection wave train.

东亚夏季气候亦受到北大西洋和印度洋的协同影响。例如，北大西洋海表温度两类三极子模态（南模态和北模态）与印度洋海盆一致模态（IOBM）的不同位相组合下，中国长江流域的极端降水日数明显不同（Zhu et al., 2023）。正位相的北大西洋海表温度三极子南模态激发的Rossby 波列会引起东北亚异常气旋环流，正位相的IOBM 激发的Kelvin 波列会增强西北太平洋反气旋，气旋输送的干冷空气与反气旋输送的暖湿空气在长江流域辐合导致极端降水日数增加。热带北大西洋和印度洋同时增暖会激发东传的大气Kelvin 波，使得孟加拉湾出现反气旋式环流异常，增加青藏高原上空的夏季降水（Zhang et al., 2022）。大西洋、太平洋和印度洋对东亚夏季降水年代际变化存在协同影响，AMO、PDO 以及IOBM 的不同位相组合可以影响东亚对流层高层Rossby 波列以及对流层低层Kelvin 波的传播，进而改变东北亚和西北太平洋的大气环流，最终导致东亚夏季降水的年代际变化（Zhang et al., 2018）。

AMO 对太平洋海表温度与东亚夏季气候的关系亦有重要影响。例如，AMO 会改变PDO 与中国华北降水年代际变化的联系，当AMO 与PDO反位相时，AMO 正位相（负位相）激发的东传的Rossby 波列会增强PDO 负位相（正位相），使得北太平洋北部出现反气旋（气旋）式环流异常，因此PDO 与华北降水的联系会加强；反之，当AMO 与PDO 同位相时，二者间的关系会减弱（Yang et al., 2019）。厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）对南海夏季风的影响会受到AMO 的调制，当AMO 处于负位相时，太平洋温跃层变浅，海气相互作用增强，ENSO 强度加大，对南海夏季风强度造成显著影响；当AMO 处于正位相时，ENSO 对南海夏季风的影响较弱（Fan et al., 2018）。

3.3 AMO 对东亚冬季气候影响

观测表明，AMO 正位相时，东亚冬季风系统成员（西伯利亚高压、东亚沿岸低层北风、东亚大槽和东亚急流）显著增强，反之亦然（Geng et al.,2017; Miao and Jiang, 2021）。当AMO 正位相时，欧亚大陆中纬度气温降低，中国北方偏冷且暴雪增多（Luo et al., 2017; Jin et al., 2020; Miao and Jiang,2021; Zhou et al., 2021）。在机制上，AMO 位相转变会激发一支从北大西洋副热带区域传播至东北亚的Rossby 波列，其包含四个交替出现的正负异常中心，分别位于撒哈拉以西、地中海、乌拉尔山北部和东北亚。当AMO 处于正位相时，东北亚有位势高度负异常和气旋式环流异常，有利于加强东亚冬季风并引导高纬度冷空气南下；AMO 冷位相则大体相反（图1b，Miao and Jiang, 2021, 2022）。评估显示，气候模式可以再现观测中AMO 位相转变所激发的大气遥相关波列，但模拟的波列位置比观测的偏北（Zhou et al., 2021）。观测和模拟表明，AMO 正位相（负位相）时中国40°N 以南大部分地区气温升高（降低），并且这与一支从非洲西北海岸东传至东亚的Rossby 波列密切相关（Li and Bates, 2007; Wang et al., 2009; Zhou et al., 2015; Han et al., 2016; Sun et al., 2017）。AMO 正位相时，该波列引起中国南方出现位势高度正异常，造成该地区气温上升；AMO 冷位相则与之大体相反（Sun et al., 2017）。

ENSO 对东亚冬季风年际变化的影响一直受到学界关注，早期工作显示ENSO 正位相有利于东亚冬季风减弱，负位相则会使之加强（如：Zhang et al., 1996; Wang et al., 2000）。然而，一些学者指出ENSO 与东亚冬季风之间的联系存在年代际变化，在1900～1926 年和1952～1976 年期间显著负相关，在1927～1951 年和1977～1998 年期间则关系不显著，而AMO 和PDO 对这种年代际变化起重 要 作 用（Zhou et al., 2007; Wang et al., 2008;Wang and He, 2012; He and Wang, 2013; Geng et al.,2017; Chen et al., 2018）。首先，PDO 正位相（负位相）时，ENSO 与东亚冬季风关系不显著（显著），PDO 通过改变低纬度太平洋—东亚遥相关和中纬度西北太平洋位势高度对ENSO 的响应起调制作用（Wang et al., 2008; Kim et al., 2014; Shi,2021）。其次，ENSO 冷事件（拉尼娜）与东亚冬季风的关系在AMO 正位相时稳定，在AMO 冷位相时不稳定；ENSO 暖事件（厄尔尼诺）与东亚冬季风的关系则与AMO 位相无关（Geng et al., 2017,2018）。在机制上，一方面，当拉尼娜与AMO 正位相同时发生，西北太平洋海表温度暖异常的幅度和范围增大，进而加强西北太平洋气旋式环流异常和东亚冬季风；当拉尼娜与AMO 冷位相同时发生，暖海表温度和气旋式环流异常幅度变弱，对东亚冬季风的影响减小（Geng et al., 2017）。另一方面，AMO 正位相会激发横跨欧亚中高纬度的Rossby 波列，引起西伯利亚高压和东亚冬季风增强，与拉尼娜的影响一致；AMO 冷位相则会导致西伯利亚高压和东亚冬季风减弱，与拉尼娜的作用相反（Geng et al., 2017）。

4 结论

本文回顾了近年来关于AMO 对东亚气候影响的研究工作。主要结论如下：

（1）AMO 指数通常被定义为去除趋势后的北大西洋区域平均的海表温度距平。在去除趋势时一般有三种做法：一是去掉线性趋势，二是去除以全球变暖为主要特征的外强迫信号（即全球平均海表温度），三是去除多模式集合平均的北大西洋海表温度。

（2）AMO 的形成机制目前还存在不同意见。传统的观点认为AMO 是受气候系统内部过程尤其是AMOC 所主导的多年代际尺度的海洋模态，第二种观点认为AMO 的演变受到外强迫的驱动，第三种观点认为AMO 是北大西洋海表温度对大气随机强迫的响应。

（3）AMO 经由三种途径影响东亚夏季气候。首先，AMO 正位相会引起热带西太平洋和海洋性大陆降水增多、对流活动增强，进而激发西北太平洋反气旋式环流异常，导致西太平洋副热带高压西伸、东亚夏季风增强；其次，AMO 正位相时，欧亚大陆对流层温度升高，亚洲与周边大洋的热力差异增大，使得东亚夏季风加强；再者，AMO 正位相会激发由北大西洋向下游传播的Rossby 波列，引起东亚北部（南部）异常低压（高压），导致东亚低层出现偏南风和向北的水汽输送，进而加强东亚夏季风。另外，AMO 与太平洋和印度洋协同作用可以显著影响东亚气候的年代际变化以及东亚极端降水。

（4）AMO 可以通过激发两支波列调制东亚冬季气候。一方面，AMO 位相转变会激发一支从北大西洋途径乌拉尔山北部传至东北亚的波列，AMO 正位相时东北亚呈现位势高度负异常，东亚冬季风系统成员显著增强，欧亚大陆中纬度和中国北方气温降低；反之亦然。另一方面，AMO 会产生一支从非洲西北海岸东传至东亚的波列，AMO正位相时东亚呈现位势高度正异常，导致中国40°N 以南大部分地区偏暖；AMO 负位相则大体相反。

综上所述，AMO 的形成机制复杂，其位相转变对东亚气候年代际变化有显著影响。今后，以下几方面的工作值得重视：（1）加深对AMOC 等关键气候内部变率和气溶胶等外强迫的气候效应的理解，提升模式对其的模拟能力，进而量化各因子对AMO 形成的相对作用；（2）探究AMO 位相转变对东亚极端气候年代际变化的影响及机理，明确其与AMO 调制东亚平均气候年代际变化的过程的异同；（3）当前气候模式对AMO 的年代际预测有一定的能力，但对东亚气候的年代际预测水平较低，需要评估是否可以通过动力与统计相结合的方法提升东亚气候年代际预测水平；（4）在未来增暖背景下，AMO 及其与东亚气候的联系是否会改变需要关注；与此有关，剖析过去暖期AMO 及其影响如何变化对未来气候预估亦有重要参考价值。