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东亚冬季风与ENSO的振荡关系

摘要

本文研究的是东亚冬季风（EAWM）与ENSO之间的年代际变化，更加深入探寻可能存在的机制，最后考虑近期ENSO-EAWM关系的转变。用50年的Nintilde;o3.4指数与EAWM指数做23年滑动相关分析发现该两者间存在一个明显的低频振荡。在其两者高相关期间，ENSO暖事件通常与异常弱东亚大槽、北太平洋涛动（NPO）正相、东亚海岸显著的南风异常和更暖的东亚大陆及其临近海洋相联系。但是在低相关期间与EAWM相关的环流并没有体现出显著的异常。由于沃克环流南向切变的存在，西太平洋的反常高压南撤到25°N以南，并限制在菲律宾海一带。从这层意义上看，东亚-太平洋遥相关（PEAT）并没有很好地体现出来。结果就是ENSO对东EAWM的影响就减小了。此外，ENSO-EAWM间的低频振荡关系可能取决于太平洋年际振荡（PDO）和大西洋年代际振荡（AMO）对于NPO遥相关建立的共同影响。通过对ENSO-EAWM两个完整循环的观察，21世纪早期PDO负相的转变以及20世纪90年代后期沃克环流的加强都表明了ENSO-EAWM的关系开始重新恢复。

1. 介绍

EAWM被认为是北半球冬季最显著气候系统之一。它包含位于对流层低层的西伯利亚高压、中层的东亚大槽、高层的东亚急流。其中对EAWM的强度影响最为显著的是西伯利亚冷高压。由于冬季存在欧亚大陆雪盖所导致的强辐射冷却效应，就会在蒙古北部形成一个巨大的冷性高压系统即西伯利亚冷高压。有一西北向的分支沿着西伯利亚冷高压东侧向日本南部侵入；其中一分量向东流向北太平洋副热带地区，另一分量则沿着东亚东海岸向南流。这股干冷的西北风经常给东亚带来严重寒潮及降雪。随着西伯利亚冷高压的发展，在其关键区东亚急流加强同时其南北侧纬向风速减弱，从而导致东亚异常气旋式涡旋的加强。因此东亚大槽的发展往往伴随着寒潮的发生。EAWM就以这种方式影响亚洲及其它偏远地区。2008年1月严重的寒潮及暴风雪袭击了华南地区，引起了强烈的社会效应并导致了巨大的经济损失。

为了了解它的结构与影响，我们需要努力去学习与研究EAWM。在早期的研究中，气候学家利用统计与诊断方法来揭示西伯利亚冷高压与东亚寒潮之间的关系。随着对EAWM研究的不断深入，研究人员发现影响EAWM的因素还有很多。举例来说，由Thompson和Wallace在1998年提出的北半球的环流模态（NAM）；Wu和Huang等人在1999年指出当NAM处于正相态时，EAWM将会减弱；Gong等人在2001年揭示了该两者之间存在显著的异相关系，并强调NAM可以通过西伯利亚冷高压传递来影响EAWM；B. Wu和Wang在2002年已经提出NAM与EAWM间存在反位相关系，并认为西伯利亚冷高压与冬季的NAM在对EAWM影响上是相对独立的；Overland等人在1999年及Sun和Wang在2006年提出阿留申低压导致了EAWM东西向气压梯度差，同时也证明了NAM与EAWM间存在显著关系；Thompson和Wallace在2000年指出EAWM异常分支的纬向分量与NAM有联系并能引起温度平流，这一条件是引起与维持驻波的关键；Chen和Huang在2002年发现NAM可以调制位于对流层及平流层的准定常的行星波，因此NAM和EAWM间的关系会受到准定常行星波的干扰。根据以上学者的研究，我们发现当NAM处于正位相时，将会有更多的准定常行星波由高纬向低纬传播，也会在极涡处产生小扰动。西伯利亚冷高压、阿留申低压、东亚急流和东亚大槽减弱会导致EAWM的减弱。

ENSO被认为是EAWM最重要的影响因素。Li在1990年发现冬季由El Nintilde;o事件引发的异常的大气环流会导致更弱的冬季风，同时这个异常强的EAWM将会反过来影响El Nintilde;o事件。Zhang等人在1996年发现El Nintilde;o事件会抑制赤道西太平洋的对流活动，而该对流活动对于季风环流具有重要影响。在对流层低层沿着东亚海岸的异常南风会导致弱的EAWM。此外，冬季南海附近北风的年际变化与ENSO相关，并与El Nintilde;o事件呈反位相，与南方涛动事件呈正位相。Wang等人在2000年指出ENSO事件通过太平洋-东亚遥相关对EAWM产生影响。在El Nintilde;o冬季年，热带太平洋中心附近气旋式涡旋将会加强并向西北方向传至东亚，此时在北太平洋西部与亚洲东北部将会分别出现一个反气旋式与气旋式涡旋。因此，这股异常的西南风将会代替北太平洋西部的反气旋从而产生更弱的EAWM。Gollan等人在2012年运用近期欧洲中心大尺度大气环流模式的多尺度天气预报系统针对热带对EAWM的影响做实验发现热带环流对于EAWM的年际变化有强大的影响。

但是自从1976年起年际气候就已经发生了变化，具体体现在位于西北太平洋及太平洋中部的海表温度（SST）距平（SSTA）下降，热带太平洋东部SSTA上升，20世纪70年代中期以来位于北太平洋的阿留申低压加强东伸。在20世纪70年代后期还可以观察到沃克环流上升与下沉支中心有显著的东南切变存在。同时ENSO与其他许多气候系统之间的关系也发生了很大的转变，例如：Kumar等人在1999年提出近几十年来ENSO与印度夏季风间反位相的关系被打破了；Wang等人发现东亚夏季风环流与ENSO的关系经历了一个极大的转变。Wang在2002年证明了ENSO与东亚夏季风之间存在一种不稳定的关系。简单来说， ENSO与EAWM之间的关系也是不稳定的。正如Zhou等人在2007年提出的EAWM与ENSO并不是高度一致高相关，而是一个低频振荡的关系。Wang等人在2008年提出ENSO与EAWM间不稳定的关系是由PDO进行调制的。He等人在2013年证明了自20世纪70年代ENSO对东亚－西北太平洋环流的影响减弱了，而对东北太平洋－北美环流的影响加强了。Wang和He在2012年提出自20世纪70年代中期EAWM与ENSO的关系也减弱了。

ENSO仍然是气候预测的最强信号，ENSO与EAWM关系的减弱也会增加冬季气候预测难度。但是根据目前的研究，还无法推测未来ENSO与EAWM间的关系是否还会变化，其中的原因有：其一Wang和He在2012年及He等人在2013年研究发现信号太短而难以判断ENSO与EAWM关系中是否存在一个循环；第二即使是研究两者之间关系很长时间，并证明两者间低频振荡关系的Zhou等人也无法确定两者之间是否存在循环；第三是WCH08发现PDO可以调制ENSO与EAWM间的关系，并表现为两个普遍的频率：15-25年和50-70年。然而由于该结果只是利用ECMWF的40年再分析资料，在更长时间段里并不能很好使人信服。一般来说，未来气候项目应该有两个选择：其一是数值模拟，其二是利用正确历史数据进行诊断分析。

本文研究利用诊断分析的方法研究1871-2009年冬季ENSO与EAWM间的长期变化。结合以上研究结果，我们发现ENSO与EAWM间关系在20世纪70年代确实减弱了并可能由PDO调制，目前正在经历一个低频的振荡。当然还发现了一些新的结果：首先ENSO与EAWM间的关系体现为准50年低频振荡，其次除了PDO外还有其他因素会影响两者间的关系（如AMO），再者基于以前的研究发现目前ENSO与EAWM间的关系正在恢复，此外我们还提供了对于两者间强弱循环的新解释，其中包括Wang等人在2000年提出的沃克环流切变及其对PEAT的影响，在El Nintilde;o年期间PDO与AMO两者共同影响使经向气压梯度减弱从而有助于更弱的EAWM建立。

1. 数据和方法

本文中的数据包括：月平均海平面气压场（SLP），850hPa风场，来自NOAA提供的再分析资料的500hPa位势高度场（H500），来自NOAA提供的延长重构的月平均海表温度场（SST），来自NCEP-DOE提供的再分析资料的月平均海表温度（SAT），SLP，850hPa风场，H500。为了验证该结果的合理性，两种观测资料将被利用：其一是来自气候研究中心的高分辨率0.5°*0.5°的近海表温度网格数据，其二为来自NOAA的分辨率为5°*5°的Hadley中心海平面气压。

本文还运用多种气候指数，包括：EAWM指数（以25°-45°N及110°-145°E为关键区的H500平均，该区域是东亚大槽所在且影响EAWM温度与环流的关键）；阿留申低压指数（以30°-70°N及155°E-130°W为关键区的冬季SLP平均）；NPO指数（对20°-80°N，120°E-120°W的北太平洋地区冬季标准化SLP做EOF分析）；Nintilde;o3.4指数（以5°S-5°N，120°-170°W为关键区的SSTA平均）；来自NCEP气候预测中心的PNA指数。本文研究中1900年冬季指的是1899年12月，1900年1月和1900年2月，其它类同。为了强调年际变化，我们还将采用11年的高通滤波器获取上述提及数据的年际异常。

1. ENSO与EAWM间的振荡关系

从图1a中可以看出，EAWM既存在年际变化还存在年代际变化。从11年滑动平均结果上看，我们发现有四个负距平的时间段分别为1871-1900,1942-1959,1961-1972,1986-2009，还有两个正距平时间段为1901-1941,1973-1985.我们注意到在20世纪80年代EAWM开始发生转变，之后EAWM就变弱了，这个结论与之前Chen和Chang等人的结论一致。简单来说，ENSO指数也存在三个负距平期，为1870-1894,1905-1953,1970-1975，三个正距平期，为1895-1904,1954-1969,1977-2009。从ENSO和EAWM的年代际变化上看出两者并不总是一致的。从此进一步说明，它们的年际变化也存在低频振荡，只是时期不同。图2表明EAWM与ENSO在时间频率为2-7年与16-32年时是共变的。这个结果引发了一个问题：在EAWM和ENSO年际变化关系间是否存在一个低频振荡。为了解决这个问题，我们在图3中给出了Nintilde;o3.4指数与EAWM相关指数的23年滑动平均相关。

正如图3a所展示的ENSO与EAWM相关环流之间的关系不是固定的；在1871-2009年之间既存在高相关也存在低相关。除了由Wang和He提出的1976年发生的关系减弱外，另一个减弱发生在1927年，同时还有两个加强期发生在大约1900和1952年。这就意味着ENSO与EAWM关系在1900-1926和1952-1976是高相关一致的，但在1927-1952,1977-1998间该关系就断了。通过对ENSO与EAWM年际变化关系进行小波分析可以清楚地看出在上世纪将近50年期间两者之间经历了一个低频振荡。

He等人利用NECP-DOE和ERA-40再分析资料研究发现在1958-2001年ENSO和EAWM关系演变与ENSO与东部PNA环流相反。我们以他们这个结论为基础提出了在ENSO与东部PNA环流在更长时间段内是如何变化的这一问题。图4a是Nintilde;o3.4指数与阿留申低压指数（ALI）及PNA指数的23年滑动相关。明显地，在1882-1896,1902-1953,1977-1998期间ENSO与阿留申低压间存在明显的相关关系，然而在1952-1976年表现并不显著。与此同时，在1882-1896,1912-1922,1927-1953,1977-1998年期间ENSO与PNA遥相关表现为显著反相关，并在19世纪90年代到20世纪初及1954-1976年期间相关逐渐减弱。小波分析指出ENSO与阿留申低压或PNA之间存在一个以16年和50年为周期的低频振荡。这里需指出的是该低频振荡对所选择滑动关键区并不敏感。给出该低频振荡关系后，我们选取四个副时间段，相隔25年分别为1902-1926,1927-1951,1952-1976,1977-2001来研究大气环流异常的空间差异与ENSO和EAWM间年代际变化的联系。

在图5中我们在上述四个副时间段对Nintilde;o3.4指数和H500距平进行比较。这个相关模式所反映出的结果与图3和4一致为在不同时间副段20°N以南地区呈现明显的差异。

为了更好地验证ENSO与EAWM关系，我们建立了在1902-1926,1927-1951,1952-1976期间SLP（如图6），100hPa风场，SAT距平（如图7）分别与Nintilde;o3.4指数的回归模型，正如我们所看到的，与ENSO相关的中纬度环流距平在这四个副时间段展现出明显差异。

然而SAT距平贡献看起来并不真实，尤其在1902-1926期间东亚大气环流距平比1927-1951期间更加显著，当然SAT距平是个例外。我们认为这些结果还是可以接受的，因为在1902-1926期间ENSO与EAWM相关关系几乎经过了置信度95﹪的检验。此外，再分析资料也可能存在误差。因此，我们用来自CRU TS3.1的近海表温度距平观测场代替ENSO与温度距平进行相关分析验证（如图8）。我们发现在1902-1926和1952-1976期间的东亚温度距平比1927-1952,1977-2001期间的更加显著，尤其是在有NOAA再分析资料的大气环流距平支持下的日本区域。

1. ENSO与EAWM关系改变所隐含的可能机制

之前针对四个副时段的ENSO与中纬度环流异常关系的研究对比证实了ENSO不规则影响EAWM，并提出了两个问题：首先在某些时段ENSO与EAWM间的关系为什么会加强或减弱？其次ENSO与EAWM关系为什么会有一个准50年振荡。在本节中我们会给予解答。

1. 沃克环流减弱东南移动

解决第一个问题需要好好理解ENSO影响EAWM需要什么样的机制。在先前的描述中提到了沃克环流提供了联系ENSO和EAWM的一个机制。它在太平洋中部对流层上层为西风，在太平洋东部为下沉气流，然后在低层有自东向西的回流，最后在西太平洋有一上升支。在El Nintilde;o事件年，沃克环流的上升支

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