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冬季北极涛动、西伯利亚高压与东亚冬季风的关系

本文研究了冬季北极涛动（AO）和西伯利亚高压（SH）对东亚冬季风（EAWM）的影响。结果发现冬季AO和SH在影响EAWM方面相对独立。冬季AO直接影响地表气温（SAT），海平面气压（SLP）和东亚地区35°N以北500 hPa的东亚大槽，而不影响SH。与冬季AO的影响相比，SH对EAWM有更加直接和显著的影响，特别是对沿东亚海岸的SLP和偏北风。SH对SAT的影响主要发生在东亚50°N以南、西北太平洋和南海，因为AO抑制了SH对亚洲大陆和一些亚北极地区等高纬度区域的影响。

1.简介

北极涛动（AO）是冬季海平面气压（SLP）场的主要经验正交函数空间模态，类似于北大西洋涛动，但具有更多的区域性对称结构[ Thompson和Wallace，1998 ; Wallace,2000]。之前的研究显示冬季AO与北极和欧亚大陆的地表气温（SAT）密切相关[ Thompson和Wallace，1998 ; Wang和Ikeda，2000 ]。

东亚冬季风（EAWM）系统是全球气候系统中最活跃的组成部分之一。东亚地区的气候变化对邻近地区和遥远地区均有显著影响[ Lau和Li，1984 ; Zhang等，1997 ; Ji等，1997 ; Wang等，2000 ]。在冬季，深厚的西伯利亚高压（SH）出现在亚洲大陆，其东部有强大的阿留申低压（AL）。EAWM最突出的地表特征是SH和东亚海岸东侧的强西北风，而南海盛行东北风[ Chen等，2000 ]。Gong等[2001]首先研究了AO与EAWM之间的联系，并指出AO通过对冬季SH的影响来影响EAWM。虽然冬季AO可能影响SH，但AO仅占SH的方差的13.0％。作为北方冬季的两个独立活动中心，AO和SH在影响东亚气候变化方面将发挥相对独立的作用。本研究目的在于调查冬季AO和SH在影响EAWM方面的不同作用。

2.数据

本次使用的数据集，包括每月SLP，SAT（2-m）1958-2000年500 hPa位势高度，来自国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP / NCAR）再分析数据集[ Kalnay等，1996 ]。David Thompson博士为本研究提供了AO指数。所有数据均为冬季三个月份的平均值（12月-2月）。

3.结果

如简介所述，冬季强西北风在东亚沿海盛行，夏季则是西南风。因此，东亚冬季或夏季风的强度与经向风密切相关，然后与气温和降雨相关。在本文中，基于Shi等[1996]的文献，EAWM的强度指数（下称EAWM指数），大致表现了东亚沿海的经向风强度，定义为20-70°N的区域SLP差异的总和（110°E减160°E），其中经纬隔距为2.5°times;2.5°。与定义区域限定在20-50°N的他们的定义相比，本研究的区域向北延伸至70°N。由于SH的东北向延伸（图1），东北风在东亚高纬地区占实际主导地位。我们计算了区域平均SLP（40-60°N，80-120°E）作为SH的强度指数（图1，下称SH指数）。该定义也与Gong等[2001]的定义略有不同，他们的定义区域为40-60°N，70-120°E，纬经隔距5°times;5°。计算表明在描述SH对EAWM的影响时，本研究采用的强度指数比先前的定义更合适。图2显示了SH，AO和EAWM指数的年际变化。SH指数和EAWM指数的相关系数（下称CC）为0.8。这种高相关性说明SH指数可以表示EAWM的强度。然而，SH指数和AO指数的CC是-0.36，远低于EAWM。这意味着这两个时间序列之间的关系并不像我们预期的那样接近。尽管Gong等[2001]表明冬季SH变化与AO密切相关（r = -0.48），有时两个时间序列会出现异相变化，特别是在1972-1977和1987-1995的冬季（见图4）。这些现象表明冬季SH和AO之间的关系是复杂的，与用于计算SH的强度指数所选的区域有关。随着定义区域西伸，关系趋于紧密。然而，SH对EAWM的影响变弱了。为了揭示冬季SH和AO对EAWM的不同影响，我们进行了合成分析。所选的冬季SH和AO的案例列于表1。

图1 1958年至1999年冬季（12月至2月）平均SLP。将阴影区域的SLP的网格平均值定义为冬季西伯利亚高压的强度指数。

图2 归一化冬季AO（实线），SH指数（虚线）和EAWM强度指数（细实线）的年际变化。年份指冬季（12月至2月），用的是1月和2月所在年份。

表1. 合成分析中使用的选定案例的列表

在SLP场中，差异类似于具有NAO正位相（图3a）。在东亚，显著变化仅出现在鄂霍次克海南部和日本东部，表明AO直接影响该地区的SLP变化。图3b表明SLP正异常几乎覆盖了整个北极，亚欧大陆和东亚，南部最大的异常出现在贝加尔湖。同时，北太平洋有SLP负异常，这表明AL加深。因此，较强的SH和加深的AL间的北风将在东亚海岸变得强劲。对应冬季AO和SH的极端情况，SLP变化显示出明显的差异，特别是它们对东亚的影响。这些证明了冬季AO和SH在影响EAWM方面相对独立。当然，冬季AO可能会影响SH，如图3a所示。亚洲大陆高纬度地区的负SLP异常有利于减弱冬季SH。图3b还显示冬季SH对整个北极和北大西洋地区的SLP变化没有显著影响。我们还注意到冬季AO的正（负）指数位相导致了500 hPa东亚大槽的减弱（增强）（未显示），这有利于产生较弱（较强）的EAWM。

图3 冬季平均SLP在正负位相的差异（a）在冬季AO中，（b）在冬季SH中。灰色和黑暗区域分别表示差异超过95％和99％置信水平的区域。

为了消除冬季AO可能的线性影响，我们使用AO时间序列对SLP变化进行了线性回归分析，之后我们分别计算了冬季SH指数和原始SLP（图4a）与残余SLP（图4b）的CC。与图4a相比，图4b显示SH的影响在东亚变得更加清晰和明显。这意味着AO抑制了SH在东亚的影响，特别是在40°N以南。

图4 通过线性回归去除AO相关SLP变化后的冬季SH指数与（a）原始SLP和（b）残余SLP的相关性。灰色和黑色区分别表示相关性超过95％和99％置信水平。

我们还分别计算了SAT和冬季AO（图5a）与SH指数（图5b）的CC 。最显著的相关性出现在东亚35°N的北侧（图5a）。如图5b中表现的，显著相关覆盖了东亚50°N南侧，包括中国的中部和东部，朝鲜半岛，日本大部分地区和西北太平洋部分地区。很明显，冬季SH在影响东亚气温方面扮演着更重要的角色。消除冬季AO可能的影响，图6表明冬季SH在亚洲大陆和日本南部的中低纬地区对SAT的影响仍然较大。与图5b相比，我们还注意到在亚洲大陆的高纬度地区，卡拉，巴伦支海和拉普捷夫海的一部分相关性变得显著。这一现象清楚地表明，由于冬季AO的存在，冬季SH对SAT的影响在上述地区受到明显抑制。因此，SAT变化可能是由于冬季AO和SH在亚洲大陆和一些亚北极海洋等高纬度地区的综合影响。

图5 地表气温与（a）冬季AO和（b）冬季SH指数的相关性。阴影含义与图4相同。

图6 和图5b一样，除了除去了冬季AO可能的影响后的剩余地表气温。

4.结论与讨论

本文研究表明冬季AO和SH是耦合系统的一部分，其中冬季AO有时可能影响SH，有时这两个事件相对独立。冬季AO在东亚35°N以北500 hPa上直接影响SAT、SLP和东亚大槽，而不是通过对冬季SH的影响。冬季SH对EAWM的影响比冬季AO更加直接显著，尤其是对东亚沿海的SLP和北风的影响方面。SH对SAT的影响主要集中在东亚50°N南侧、西北太平洋和南海，因为AO抑制了SH在亚洲大陆高纬度地区的影响。因此，冬季AO和SH在影响EAWM方面相对独立。

如图2所示，SH确定了EAWM的强度，然后EAWM直接影响东亚气候变化。关于AO对EAWM的影响，一方面AO通过影响SH间接影响EAWM（有时）， 另一方面AO直接影响EAWM。在AO的高指数状态期间，亚欧大陆北部的西风比往常更强，导致500 hPa的东亚大槽减弱。在这种环流条件下，由于高空强烈的纬向流，东亚低对流层的经向风将变弱。因此，东亚的气温高于正常水平，而EAWM较弱。相反条件适用于低指数状态。如图2所示，AO和EAWM间的CC为-0.28，这对于42个样本来说微不足道。应该指出的是，与AO相关的温度平流对东亚的温度变化并不重要。

参考文献

[1]Chen, W., H.-F. Graf, and R.-H. Huang, The interannual variability of East Asian Winter Monsoon and its relation to the summer monsoon, Adv.Atmos. Sci., 17(1), 48–60, 2000.

[2]Gong, D. Y., S. W. Wang, and J. H. Zhu, East Asian winter monsoon and Arctic Oscillation, Geophy. Res. Lett., 28(10), 2073–2076, 2001.

[3]Ji, L., S. Sun, and K. Arpe, Model study on the interannual variability of Asian winter monsoonand its influence,Adv. Atmos. Sci., 14, 1–22, 1997.

[4]Kalnay, E., et al., The NCEP/NCAR 40-year Reanalysis Pro

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