阿留申低压与东亚冬季风关系的年代际变化

杨崧 林楠 张团团

摘要 东亚冬季风系统是北半球冬季最活跃的环流系统，通过与西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽和东亚西风急流等系统之间的相互作用，对东亚地区的气候产生重要影响。本文主要关注阿留申低压与东亚冬季风关系的年代际变化特征，利用经验正交函数分析方法，提取阿留申低压的强度变化、南北移动、西北-东南传播型和东西移动模态，并研究这4种模态与冬季风的北部型、南部型模态关系。结果表明阿留申低压的强度变化与2种东亚冬季风型的关系都不显著。阿留申低压的南北移动与南部型冬季风的相关性较强且具有年代际变化特征。1995年后南北涛动中心受ENSO（El Nio-Southern Oscillation）影响向东移动，阿留申低压和西伯利亚高压的配置不利于中国东南部气压梯度的形成，导致阿留申低压的南北移动与南部型冬季风的相关性降低。另外，1975年后北大西洋涛动在中西伯利亚地区激发正位势高度异常，扩大传播型模态影响范围，给中高纬地区带来东北风异常，有利于北部型冬季风的形成，此时传播型模态与北部型冬季风显著相关。

关键词东亚冬季风;阿留申低压;年代际变化;ENSO

在北半球冬季，位于寒冷的欧亚大陆和温暖海洋交界的东亚地区在热力差异下形成了北半球冬季最突出的气候现象之一——东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon，EAWM;Ding，1994;Chang，2004）。冬季风一般由11月持续到次年3月，主要影响中国西北、东北、华北地区和秦岭淮河以南，以及朝鲜半岛、日本等区域。作为北半球冬季最强的环流系统之一，东亚冬季风不仅在亚洲地区气候异常变化中发挥着重要作用，也能够影响其他远距离地区的天气和气候异常，比如调制北太平洋风暴路径活动（Lee et al.，2010;Miao and Wang，2020），调控越赤道气流从而影响到南半球的澳洲季风（Zhu and Wang，2010;Wen et al.，2022）。东亚冬季风会给控制地区带来寒冷和干燥的气候特征，严重时可能会造成寒潮、暴风雪、冰雹、霜冻、冻雨、沙尘暴等极端天气现象（Hu et al.，2015;Zhang et al.，2020;Dong et al.，2023）。作为重要的温带系统，它还能通过向南输送的冷空气在东亚沿海地区驱动海洋性大陆降水的变化。这些气象灾害给当地带来了巨大的经济损失和人员伤亡，给人们的生活带来极大的不便（王振华，2009;朱红霞等，2019;Xiao et al.，2024）。

东亚冬季风具有明显的年代际和年际变化特征，其影响因子包括外界强迫和内部动力过程（陈海山等，1999;黄小梅等，2013;黄荣辉等，2014）。东亚冬季风的主要成员包括西伯利亚高压（Siberian High，SH）、阿留申低压（Aleutian Low，AL）、东亚大槽和东亚西风急流等，具有从对流层下层到对流层顶的温带和热带三维环流结构（Wu and Wang，2002;Wang et al.，2009;徐依梵等，2023）。其特征是热带低层由东北信风控制，东亚沿岸偏北风增强，热带外海平面气压场表现为西伯利亚高压和阿留申低气压分别位于西伯利亚地区和太平洋北部，对流层上层东亚西风急流增强 （Yang et al.，2015;Li and Yang，2017）。

近年来诸多研究使用不同变量来定义冬季风指数，以描述冬季风活动，包括东亚地面气温、海陆海平面气压差异、对流层低层东亚经向风、高低层环流等（贺圣平和王会军，2012）。例如，早期研究利用20°～50°N范围内110°E（代表陆地）和160°E（代表海洋）之间的气压差值来定义季风指数（郭其蕴，1983），后期有研究则利用区域平均的方式计算陆地和海洋的海平面气压差值（晏红明等，2009）。阿留申低压和西伯利亚高压气压梯度形成的东亚地区低层东北风异常是冬季风的一大重要特征 （Dong et al.，2023）。前人研究已经发现西伯利亚高压形成后向东南方向移动，靠近东亚海岸线和太平洋西部时爆发强冷空气，通过冷涌造成中国大部分地区的气温下降 （Wu and Wang，2002;Zhu et al.，2010）。关于阿留申低压和东亚冬季风的关系，有研究表明西伯利亚高压和阿留申低压同时减弱或增强最终导致东亚地区异常偏暖或偏冷（陈文和康丽华，2006;贺圣平和王会军，2012）。Wang et al.（2010）、Li and Yang（2017） 利用近地表温度定义冬季风，发现东亚冬季风的地表气温由两种截然不同的变率模态主导，一种是北部型模态，另一种是南部型模态。对于这两种模态来说，西伯利亚中部高压的增强有利于北部型模态的形成，而蒙古和西南太平洋地区之间的增强气压梯度有利于形成南部型模态，但两种模态与阿留申低压的变化关系并不显著，目前针对阿留申低压与东亚冬季风关系及其变化的研究相对较少 （Wang et al.，2009）。

阿留申低压是北半球冬季太平洋上空的半永久性活动中心，其年代际变化特征是北半球冬季最显著的年代际变化特征之一（Overland et al.，1999;Honda et al.，2005）。考虑到阿留申低压的强度和位置变化具有明显的气候特征差异，其影响因子和造成的气候影响各不相同，前人工作利用区域平均代表阿留申低压只考虑了阿留申低压的强度变化，因而会存在一定的不准确性 （Lin et al.，2023）。研究发现阿留申低压强度和位置也具有明显的年代际变化特征（Overland et al.，1999;Honda et al.，2005）。目前，阿留申低压和冬季风关系的年代际变化及其影响因子尚不十分清楚。因此，本文重点分析1950—2017年阿留申低压和东亚冬季风关系的年代际变化特征，以及可能引起其关系年代际变化的因子。

1 资料和方法

本文使用美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心（NCEP-NCAR）的再分析资料（Kalnay et al.，1996），包括月平均海平面气压、地面气温、降水、风场和位势高度等。月平均海表温度数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）扩展重建海表温度数据集第5版（ERSSTv5;Huang et al.，2017）。上述数据集分析了1950／1951年至2017／2018年北半球冬季（12月—次年2月）的数据。为了分析大尺度大气遥相关型对东亚冬季风和阿留申低压关系的可能影响，采用美国气候预报中心提供的逐月北大西洋涛动（NAO）指数（https：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／data／teledoc／telecontents.shtml）。此外，为了探究热带强迫的影响，提取了NOAA提供的Nio3.4指数（https：／／psl.noaa.gov／gcos_wgsp／Timeseries／Nino34／）。

本文利用经验正交函数（EOF）分解提取100°～140°E、0°～60°N的近地表温度主要模态。第一模态的解释方差为48.9％（图1a），表现为近地表温度全国一致型分布，温度沿经向向北迅速递减，称之为北部型冬季风。第二模态占总方差的16.2％，表现为南北反向分布，被称为冬季风的南部模态（图1b）。对应强EAWM第二模态的年份，中国东南部大部分地区气温下降，异常低温向赤道地区延伸（图1b），与前人研究结果相吻合（Wang et al.，2010;Li and Yang，2017）。

此外，本文利用滑动相关系数刻画变量间不同时刻相关系数的变化特征，从而估算出未来相关系数的变化趋势。通过计算冬季风指数和阿留申低压指数的21点滑动相关，再利用线性回归、相关分析、显著性检验来寻找阿留申低压和东亚冬季风关系随时间变化的趋势。

2 阿留申低压的强度变化和东亚冬季风的关系

根据Lin et al.（2023）的研究，对北太平洋地区（110°E～120°W，35°～70°N）逐月海平面气压做EOF分析，得到的前3个模态分别表示阿留申低压的强度变化、经向移动和纬向移动。本文为了研究阿留申低压和东亚气候系统的关系，将EOF分析的区域稍微扩大（100°E～120°W，0°～70°N），得到的第一模态仍然是低压系统占据北太平洋上空，表征阿留申低压的强度变化（图2a）。第二模态同样是南北偶极子形态，代表了阿留申低压位置的南北移动（图2b）。然而第三模态和第四模态的解释方差差距较小。此时阿留申低压的东西移动模态解释方差为9.7％，为第四模态（图2d）。而第三模态呈现出从亚洲大陆高纬度地区向太平洋赤道地区传播的三极子，伴随着西伯利亚高压的增强和阿留申低压的西南-东北向延伸。此时第三模态的解释方差达到了11.5％，本文称之为西北-东南传播型模态（图2c）。前人的研究表明，利用EOF分析阿留申低压的结果对时间和空间范围选择不敏感，说明阿留申低压的前4个模态的主要特征和影响具有相当稳健的特征。下文利用4个模态对应的时间序列分别定义阿留申低压的强度、南北移动、传播模态和东西移动的指数。

阿留申低压与大陆沿海地区的亚洲高压之间形成了强大的纬向气压梯度，带来的梯度风严重影响了东亚季风区的冬季温度异常（Miao and Wang，2020;胡宏博等，2023）。表1为北部型和南部型东亚冬季风与阿留申低压的4种模态的相关系数。其中北部型冬季风与亚洲-太平洋传播型模态的相关性最强，达到了0.453，通过了95％置信度的显著性检验。南部型冬季风与阿留申低压的南北移动相关性最强（0.336）且通过了95％置信度的显著性检验。而阿留申低压的强度变化和东西移动与两种类型的冬季风关系较弱。综上所述，相较于前人主要针对阿留申低压强度与东亚冬季风关系的研究，本文结果表明阿留申低压的南北移动和传播型模态与冬季风的关系更强，而阿留申低压的强度变化与冬季风并非显著相关。

3 阿留申低压的南北移动和传播模态与东亚冬季风的关系

阿留申低压的南北移动和东亚冬季风都具有较强的年代际变化特征（Sugimoto and Hanawa，2009;Wang et al.，2010;Miao et al.，2018;Miao and Wang，2020）。考虑到阿留申低压和东亚冬季风的年代际变化会影响两者之间的相关性，对4种模态的时间序列和冬季风的两种模态做21点滑动相关，以研究两者关系的时间变化（图3），结果发现阿留申低压的南北移动和南部型冬季风在1964—1994年期间呈显著的正相关性，在1994年后相关性显著性降低。亚洲-太平洋模态和北部型冬季风在1961—1974年期间没有显著相关性，1974年后有显著的正相关性。其他模态相关性显著的年份较短，因此下文具体分析导致亚洲-太平洋模态和北部型冬季风以及阿留申低压的南北移动和南部型冬季风关系（AL-SEAWM）产生年代际变化的原因。

东亚和太平洋上空相对正压的经向偶极型环流异常与下游区域的环流异常紧密联系。图4显示了在AL-SEAWM相关性强和相关性弱的时期，阿留申低压南北移动指数回归的500 hPa高度场和近地表气温。在两者关系较强的时期，阿留申低压相关的南北偶极子异常中心位于本初子午线中心偏西的位置，其中偏北的高压异常范围呈现明显的向西延伸，覆盖了欧亚大陆的高纬度地区，与西伯利亚高压相连（图4a）。北部强大的高压和南部偏西的低压中心在中国华北、华东地区，日本、朝鲜半岛等地形成了明显的因气压梯度带来的东北风异常。与图4a相比，图4b中南北偶极子的中心明显偏东。此时在欧亚大陆上空没有显著的高压异常，东南沿海区域近地表温度异常不显著。到20世纪90代中期，北太平洋地区的大气经历了一次显著的年代际变化，阿留申低压在1994年以后显著加强东移（Yeh et al.，2018）。相关研究证明了北太平洋涛动具有中心向东移动的年代际变化特征（Yeh et al.，2018），与本文结论一致。

研究发现南部型冬季风受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）影响显著，相关系数达到-0.37 （Li and Yang，2017）。为了验证AL-SEAWM年代际变化是否与ENSO有关，计算了9 a滑动平均后的Nio3.4指数和AL-SEAWM滑动相关序列的相关性，两者的相关系数达到-0.305，通过了95％置信度的显著性检验。图5反映了用Nio3.4指数回归1995年前、后的海表温度和200 hPa纬向风场，可以看到在1995年以后阿拉斯加湾的气旋性低压系统更强，与ENSO相关的年际变化更强，可能有利于南支低压系统的东移。

此外，除了太平洋上空南北偶极子的东移，欧亚大陆的西伯利亚高压系统和太平洋区域阿留申低压系统的整体配置对于形成南部型冬季风也有显著的影响。对欧亚-太平洋整体区域（Eura-Pac：80°E～120°W，30°～70°N）、阿留申低压控制的海洋区域（AL：120°E～120°W，30°～80°N）和西伯利亚高压控制的陆地区域（SH：90°～120°E，40°～60°N）的海平面气压分别做EOF分析，发现在1995年前，阿留申低压控制的海洋区域的第二特征向量（AL-EOF2）与西伯利亚高压控制的陆地区域的第一特征向量（SH-EOF1）都表征了欧亚-太平洋整体区域的第二特征向量（Eurasia-EOF2）的空间分布特征，说明此时海洋异常高压系统与陆地异常低压系统相匹配（图6）。

但在1995年后，AL-EOF2和Eurasia-EOF2的空间相关系数更高，而SH-EOF1反映了Eurasia-EOF3的空间分布特征，两个模态相互正交，此时阿留申低压和西伯利亚高压关系较弱（图7;Dong et al.，2023）。阿留申低压在1995年后回归的2波型准静止波在西伯利亚上空有负异常，进一步验证了海陆空间分布特征影响了AL-SEAWM关系的年代际变化（图8;陈文和康丽华，2006;王林等，2007）。

以1978年作为一个典型的南部型冬季风案例进行分析。从图1可以看出，1978年的标准化PC2时间系数超过1.0，表明这是一个典型南部型冬季年份。此时太平洋阿留申低压的南北涛动模态对应的时间系数PC2为-0.8，是较为显著的阿留申低压北移动年份（图3）。在太平洋上空，负的位势高度异常集中在东西伯利亚和白领海峡区域，正的位势高度异常集中在太平洋中部和阿拉斯加湾附近，呈现出南北偶极子的分布特征。近地表温度呈现一个明显的南北反相的特征，贝加尔湖以北有明显的负温度异常，最低温度中心有两个，分别在中西伯利亚高原和鄂霍次克海。而在贝加尔湖以南地区呈现出近地表温度正异常，温度异常中心主要集中在蒙古高原和黄土高原地区，异常值向四周逐渐递减。

目前，有关从亚洲向太平洋传播的波列对北部型冬季风的影响的研究较少 （Yang et al.，2015;Zhang et al.，2021;2022）。图9展示了传播型指数回归的近地表温度和500 hPa位势高度场。在1974年以前，阿留申低压的传播型模态与北部型冬季风的相关性（AL-NEAWM）较弱，传播型模态在大陆上空主要表现为正位势高度异常集中在东西伯利亚地区。此时在东亚冬季风区内没有明显的大范围温度异常。而在1974年之后AL-NEAWM相关性较强，欧亚大陆上空的位势高度正异常覆盖了40°N以北的大部分区域，此时在东亚冬季风区内，温度负异常中心位于贝加尔湖，并向南逐渐减弱。值得注意的是，在1974年之前，在大西洋上空存在明显的位势高度负异常，而在1975年之后则转变为正异常（图9）。

为了探究欧亚大陆上空异常反气旋的范围是否是由大西洋上空的位势高度异常引起，我们讨论AL-NEAWM的相关性是否受到NAO的影响（尹泽疆等，2023）。对NAO指数作9 a滑动平均后计算其与传播型指数的线性相关系数，其值为0.69，通过了95％置信度的显著性检验。用NAO指数对两个阶段的500 hPa高度场和850 hPa水平风场做回归。图10表明，在1974年以前，NAO遥相关与欧亚大陆位势高度并无显著的相关性，但在1975年之后，NAO遥相关在巴尔喀什湖和贝加尔湖之间激发出显著的反气旋式异常，给低层季风区域带来东北风异常，可能造成了AL-NEAWM关系的改变（Li and Li，2000）。

以1976年作为典型北部型冬季风案例进行个例分析。从图1可以看出，1976年的标准化PC1时间系数超过1.0，表明这是一个典型北部型冬季风年份。此时太平洋上空海平面气压的第三模态的时间系数PC3同样超过1.0，表明欧亚上空呈现出典型的传播型模态（图3）。此时欧亚大陆上的正位势高度异常占据了除了青藏高原外的大部分地区，太平洋上空阿留申低压呈西南-东北走向，横跨中纬度地区；北美中部的东沿岸地区有正的位势高度异常。近地表温度在欧亚大陆呈现负异常，异常大值出现在贝加尔湖西北部。在欧亚季风区内，温度异常随着纬度向南逐渐递增（图略）。

4 结论和讨论

阿留申低压是东亚冬季风系统的重要成员（Ding，1994;Chang，2004）。前人研究将阿留申低压定义为北太平洋上空中高纬地区海平面气压的区域平均（主要反映阿留申低压强度），并得出低压增强导致东亚冬季风增强的结论（陈文和康丽华，2006;贺圣平和王会军，2012）。本文利用EOF分析方法，将北太平洋海平面气压的模态进一步分解为阿留申低压的强度异常、南北移动、东西移动和传播型模态，并探究4种模态与南部型、北部型冬季风的关系。我们发现阿留申低压的强度变化与北部型、南部型冬季风的相关性均不显著。对于整个时期，阿留申低压的向南移动与南部型冬季风显著相关，而传播模态与北部型冬季风显著相关。

阿留申低压的南北移动与南部型冬季风的相关性在1995年前、后具有明显差异，1995年之前两者显著相关，之后关系不显著。在两者相关性强的时期，与阿留申低压的南北移动相关的偶极子中心位于本初子午线西边，给东亚沿海地区带来了东北风异常。1995年以后，ENSO导致南部低压年际变率中心向东移动，低压系统无法给内陆地区带来东北风异常，两者关系减弱。此外海陆热力配置也对两者关系具有影响。在AL-SEAWM强时期，SH-EOF1与AL-EOF2都表征了Eurasia-EOF2的空间分布特征，但在AL-SEAWM弱时期，AL-EOF2和Eurasia-EOF2的空间相关系数更高，而SH-EOF1反映了Eurasia-EOF3的空间分布特征，此时海陆系统的相关性减弱。

阿留申低压的传播型模态与北部型冬季风的关系同样具有年代际变化特征。在1974年前，传播型模态在欧亚大陆上正位势高度异常的区域集中在东西伯利亚地区，导致低温影响范围无法到达冬季风区，AL-NEAWM关系较弱。在1974年后，传播型模态在欧亚大陆上空扩大到了中高纬大部分区域，与太平洋上东北-西南方向的阿留申低压异常形成了显著的气压梯度，AL-NEAWM关系增强。考虑到阿留申低压传播指数

与NAO的9 a滑动指数的相关系数达到0.69，用NAO回归相关性强和弱的年份发现，NAO在AL-NEAWM强时期可能存在激发欧亚大陆正位势高度异常的机制，导致传播型模态的范围扩大到整个西伯利亚地区，而在AL-NEAWM弱时期则相反。此外，阿留申低压的强度变化和东西移动可能通过改变对流层经向温度梯度和中高纬度罗斯贝波活动来影响东亚冬季风环流。其具体影响和机制还需进一步深入研究。

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