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冬季北太平洋涛动对欧亚和北美地面气温的影响：对指数定义的敏感性

Shangfeng CHENlowast;1 and Linye SONG2

1Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

2Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China

(Received 26 April 2017; revised 25 September 2017; accepted 15 November 2017)

摘要：本研究基于六种不同的NPO指数分析了冬季北太平洋涛动（NPO）对欧亚大陆和北美地表气温（SAT）变化的影响。结果表明，冬季NPO对欧亚大陆和北美的影响对指数的定义非常敏感。当与北太平洋中纬度的NPO指数相关的反气旋异常向西偏移并在贝加尔湖周围出现明显的偏北风异常时，冬季NPO对欧亚大陆（北美）SAT变化的影响是显著的（不显著）。相比之下，当与NPO指数相关的北太平洋反气旋异常向东偏移，而与其相关的偏北风异常东侧延伸至北美时，冬季NPO对欧亚大陆（北美）SAT变化的影响不显著（显著）。目前的研究表明，在分析冬季NPO对欧亚和北美SAT变化的影响时，应该考虑到NPO的定义。

关键词：北太平洋涛动；指数定义；地表气温

1. 介绍

北太平洋涛动（NPO）是热带外北太平洋地区的一个重要的大气内部变化（Walker and Bliss，1932; Wallace and Gutzler，1981）。NPO的空间分布特征是海平面气压振荡（SLP）和北太平洋中纬度和亚热带之间的位势高度异常（Kutzbach，1970; Rogers，1981; Linkinand Nigam，2008）。以前的研究表明，NPO的变化与北太平洋热带外地区异常西风和风暴轨迹密切相关（Rogers，1981; Linkin和Nigam，2008）。
研究发现，北太平洋，欧亚大陆，北美和南半球的天气和气候可能受到NPO的影响（Hameed and Pittalwala，1991; Li and Li，2000; Guo and Sun，2004; Wang et al。， 2007a，2007b; Zhou等人，2008; Yuand Kim，2011; Baxter和Nigam，2015; Chen等人，2015a; Song等人，2016）。例如，郭和孙（2004）指出，东亚冬季风活动，中国的地表温度（SAT）异常和长江中下游的降水受到NPO的显着影响。Wang等人。（2007b）也表明NPO对东亚冬季季风活动和SAT在东亚的变化具有显着影响。 Yan等人（2005）报道，在年代际时间尺度上，NPO变化与中国夏季降水变化显着相关。 Linkin和Nigam（2008）表明，北美地区的SAT和降水异常受冬季NPO的显著影响。 Song等（2016）表明，冬季NPO可以通过热带太平洋海气相互作用对澳大利亚春季降雨变化产生显著影响。以往的一些研究表明，冬季NPO是次年冬季通过季节 - 足迹机制触发厄尔尼诺事件爆发的重要热带外因子（Vimont等，2001,2003a，2003b; Alexander等，2010; Chen等，2013）。
在以前的研究中采用了几种不同的方法来确定NPO指数。例如，在Wallace和Gutzler（1981）中，NPO指数被定义为两个网格点之间标准化的SLP异常差异，即（25°N，165°E）和（65°N，170°E）。相反，在Guo和Sun（2004）中，NPO被定义为两个选定地区之间的区域平均SLP差异，即（50°-65°N，130°-170°W）和（25°-40° N，130°E-170°W）。此外，一些研究采用经验正交函数（EOF）技术来定义NPO指数。例如，Linkin和Nigam（2008），Yu和Kim（2011）和Wang等人（2007b）NPO指数被定义为与北太平洋SLP异常的第二种EOF模式相对应的主要成分时间序列。注意到这些研究中选择用于EOF分析的区域是不同的。

最近的一项研究报告指出，冬季NPO对下一年冬季ENSO活动的影响对NPO指数的定义非常敏感（Chen and Wu，2017）。研究发现，当北太平洋副热带地区的NPO相关气旋异常延伸至赤道附近时，才能获得显着的NPO-El Nino联系。因此，一个自然而然的问题是，冬季NPO对欧亚大陆和北美洲的SAT变化的影响是否对NPO指数的定义也很敏感。考虑到这一点，本研究的主要目标是研究冬季NPO对欧亚和北美SAT的影响对NPO指数的不同定义的敏感性。

本文的其余部分安排如下：第2部分描述数据和方法;第3部分比较了不同的NPO指数及其对欧亚和北美SAT的影响;第4节讨论我们的发现;第5节提供了一个总结。

1. 数据和方法

本研究使用ERA-Interim（Dee et al。，2011）的月平均水平风，SLP和每日平均位势高度。 ERA-Interim数据集从1979年至今可用，水平分辨率为1.5°times;1.5°。日平均位势高度用于计算天气尺度涡旋（风暴轨迹）。也采用了特拉华大学的月平均SAT（Willmott和Matsuura，2001）。这个SAT数据集从1900年到2014年可用，水平分辨率为0.5°times;0.5°。

我们根据不同的定义比较六个NPO指数;一个基于网格点SLP，两个基于区域平均SLP，三个基于EOF技术。详细的定义如下：

（1）遵循Wallace和Gutzler（1981）的标准SLP异常在（65°N，170°E）和（25°N，165°E）之间的差异。此后，我们将该指数简称为W81。请注意，Wallace和Gutzler（1981）在北方冬季确定了五种主要遥相关模式，其中之一代表NPO。他们发现SLP场中（65°N，170°E）和（25°N，165°E）的作用中心之间存在强烈的负相关，代表了NPO指数的点。

（2）根据Guo和Sun（2004年）的研究，（50°-65°N，130°-170°E）和（25°-40°N，130°-170°E）区域平均SLP异常的差异。此后，简称为G04。

（3）根据Furtado等人的研究，在（55°-72.5°N，180°-140°W）和（15°-27.5°N，175°E-147.5°W）之间区域平均SLP异常的差异。 （2012年）。此后，简称为F12。

（4）在Yu和Kim（2011）之后，对应于第二次EOF模式SLP异常（20°-60°N，120°E-80°W）的主成分（PC）时间序列。此后，我们将该索引简称为Y11。

（5）Linkin和Nigam（2008）后，PC时间序列对应于第二次EOF模式（20°-85°N，120°E-120°W）的SLP异常。此后，我们将这个索引简称为L08。

（6）Wang et al（2007年b）根据SLP异常的第二个EOF模式对应的PC时间序列（0°-90°N，100°E-120°W）。此后，我们简称W07。

W81的方法是最早提出的方法，也是计算NPO指数最简单的方法。但是，它只使用两个网格点，这可能会带来一些问题 - 尤其是对于低分辨率SLP数据。 G04有部分解决这个问题的潜力，但它可能无法很好地捕获空间分布。 F12采用EOF分析来首先确定NPO的双向中心。其余的方法（Y11，L08，W07）都采用基于不同区域的EOF分解。 EOF方法是正交的，可以捕获SLP异常的时空分布特征，但是使用不同的区域可能导致NPO的不同行为。

在这项研究中，NPO正相位指中纬度地区的异常正SLP和北太平洋副热带异常负SLP。NPO负位相就是相反的。研究期间从1979年到2014年。根据双尾学生t检验估计统计显着性。

1. 结果
2. 不同的NPO指数

首先，我们根据不同的定义比较北方冬季NPO指数（图1）。请注意，1980年的DJF指的是1979/80的寒冬。 1980年至2015年DJF的6个NPO指数显示出显着的年际变化（图1）。六个NPO指数可以反映出1984年，1991年，2005年和2011年的大正值，以及1983年，1992年，1998年和2007年的极端负值（图1）。相反，在1993年至1996年期间，六个NPO指数中出现较大的差异。

表1显示了不同DJF NPO指数间的相关系数，根据学生t检验，所有这些指标均在95％置信水平下显着。然而，不同DJF NPO指数之间的相关性存在较大差异（表1 ）。尤其是，L08和Y11 NPO指数之间的最大相关性为0.93。这表明L08和Y11 NPO指数共享约86％的常见方差。此外，G04和W81，Y11和F12以及L08和F12之间的相关性大于0.9。相反，W07 NPO指数与其他NPO指数的相关性小于0.77。具体而言，W07 NPO和Y11 NPO指数之间的相关系数仅为0.47。这意味着W07和Y11NPO指数仅占其常见变异的约22％。

我们进一步研究了NPO与六个NPO指数相关的空间分布。在这里，NPO的空间模式由归一化的NPO指数回归得到的SLP异常来表示（图2）。 6个NPO指数可以在北太平洋地区观测到一个重要的经向偶极子SLP异常模式（图2）。然而，副热带北太平洋负SLP异常的强度和位置在6个NPO指数中显示出显着差异（图2）。例如，与W11，G04和W07（图2a，b和f）有关的副热带北太平洋负SLP异常位置与F12，Y11和L08（图2c-e）相关的位置偏西。对于W81，G04和W07，在热带北印度洋上可以观察到明显的负SLP异常（图2a，b和f）。相反，与F12，Y11和L08相关的热带印度洋SLP异常并不明显（图2c，d和e）。在北太平洋副热带地区，与W07有关的负SLP异常的振幅是六个NPO指数中最弱的（图2）。

北太平洋中纬度地区的正SLP异常也显示出六个NPO指数之间的巨大差异。例如，与F12，Y11和L08（图2a，b和f）相关的北太平洋正SLP异常中心与W81，G04和W07（图2c，d和e） 。此外，与W81，G04，L08和W07有关的显着和正向的SLP异常向西延伸到欧亚大陆（图2a，b，e和f）。尤其是，在北极地区，W07 NPO指数可观测到显着和大的正SLP异常。这很可能是因为用于EOF分析的区域在W07中向北延伸，可能包含高纬度地区的大气变化信号。

上述分析表明，基于不同定义的NPO结构在北太平洋显示出显着差异。具体而言，与W07 NPO指数相关的SLP异常显示出高纬度地区的大范围显着正异常。这意味着W07可能与北极涛动（AO）有显着的相关性，北极涛动是北半球超热带地区大气变率的主要模式（Thompson and Wallace，1998; Chen et al。，2013）。为了证实这种推测，我们计算了DJF AO指数与同时DJF NPO指数的相关性。在先前的研究（如Chen等，2014，2015b）之后，DJF AO指数被定义为对应于热带北半球异常SLP的第一个EOF模式的PC时间序列。发现DJF AO指数与DJF W07 NPO指数之间的相关系数达到0.67，根据学生t检验，在99％置信水平下显着。这是因为用于EOF分析的地理区域在W07向北延伸更多，其中可能包括高纬度地区的大气变化。相反，DJF AO与DJF W81，G04，F12，Y11和L08的相关性较弱（分别为r = 0：23，0.25,0.09和0.02），并且没有通过95％置信度下的t检验水平。这表明，当EOF分析中使用的北太平洋区域向北延伸太远时，SLP异常的第二个EOF模式可能不代表真实的NPO模式，但可能是NPO和AO的混合。

1. NPO对地表温度的影响

为了检验冬季NPO对欧亚大陆和北美冬季NPO的影响是否对NPO指数的定义敏感，我们展示了通过对归一化的DJF NPO指数进行回归得到的DJF SAT异常情况（图3）。SAT异常的实质性差异可以在欧亚大陆和北美与六个NPO指数相关的地区观察到（图3）。与加拿大西北部相比，加拿大西北部出现明显的负SAT异常，并向东南方向延伸至美国东南部，并且Chukotka半岛出现了显着的SAT正异常，与F12，Y11和L08 NPO指数相关（图3-e）。相比之下，与北美和楚科奇半岛W81，G04和W07相关的SAT异常相对较弱且不显着（图3a，b和f）。另外，与贝加尔湖西南部地区相比，W81，G04，L08和W07显着负的SAT异常明显（图3a，b，e和f）。特别是，与W07 NPO指数相关的贝加尔湖西北部也可观测到显着的负SAT异常（图3f）。

为了定量比较欧亚大陆和北美的SAT异常，我们计算了四个选定区域的SAT异常，这些区域在图3中概述。选择这些区域是因为它们的SAT异常位置在六个NPO指数中显示出显着差异。选择用于比较的四个区域位于东西伯利亚北部（60°-70°N，80°-120°E），东西伯利亚南部（45°-55°N，70°-120°E） ，楚科奇半岛（60°-70°N，160°E-170°W）和北美洲（42°-60°N，82°-110°W）。图4给出了这四个选定区域的SAT异常平均值，其归一化为正常化的NPO指数。

在东西伯利亚北部，与W07 NPO指数相关的负SAT异常达到-1：6°C，这些异常在95％的置信水平上显着（图4a）。与W81，G04，F12和L08 NPO指数相关的负SAT异常分别为-0.4°C，0.5°C，0.3°C和0.6°C，幅度比W07相对弱得多NPO指数。特别是与Y11有关的SAT异常极其微弱和积极。在

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