北太平洋急流对北美冬季温度偶极子的影响机制

Mechanisms of North Pacific Jet on Winter North American Temperature Dipole

摘要

为理解北美冬季“西暖‒东冷”温度偶极子的成因，基于再分析数据对影响北美温度的大气环流、西风急流和海温背景进行分析.结果表明，北美温度偶极子主要受正位相的太平洋北美遥相关（PNA⁺）环流影响，弱的西风急流下北美温度偶极子最强.此外，北太平洋海温通过调制急流变化，对PNA⁺期间的北美温度偶极子结构和强度产生影响.在正位相太平洋年代际振荡冬季，中纬度西风急流偏南，PNA⁺环流在北美地区呈经向结构，引起“西北暖‒东南冷”温度异常.而正位相维多利亚海温模态有利于中纬度西风急流减弱，导致PNA⁺在北美西部的高压系统向西移动，同时东部低压持续存在，形成水平波列结构，进而加剧“西暖‒东冷”温度偶极子异常.

Abstract

To understand the causes of extreme temperature dipoles in North America during winter, we analyse atmospheric circulation, the westerly jet stream, and the sea surface temperature (SST) background based on reanalysis data. Our study reveals the role of the positive Pacific-North American pattern (PNA⁺) in driving sub-seasonal temperature dipoles on North America. The results indicate that a weakened North Pacific jet favors the formation of the temperature dipole. Additionally, North Pacific SSTs can modulate the structure and strength of the temperature dipole by influencing the jet stream. Specifically, during the positive phase of the Pacific decadal oscillation (PDO) in winter, a meridionally oriented wave train structure related to PNA⁺ events is more easily formed, with the North Pacific westerly jet stream shifting southward. This structure contributes to a “warm northwest-cold southeast” temperature anomaly pattern on North America. Conversely, during the positive phase of the Victoria SST pattern, the mid-latitude jet stream is weakened. As a result, the high-pressure system associated with PNA⁺ shifts westward, while the eastern low-pressure system persists. This forms a horizontal wave train structure, which strengthens the intensity of the “west warm-east cold” surface air temperature dipole anomaly on North America associated with PNA⁺.

Graphical abstract

关键词

北美温度偶极子 / 北太平洋西风急流 / 太平洋北美遥相关 / 太平洋年代际振荡 / 维多利亚模态 / 气候学 / 极端天气.

Key words

North American temperature dipole / North Pacific jet / Pacific⁃North American pattern / Pacific decadal oscillation / Victoria mode / climatology / extreme weather

0 引言

2013-2014和2014-2015年冬季，北美爆发极端温度事件，西部温度异常偏高，加州持续干旱，同时东部暴风雪天气造成北美巨大经济损失和人员伤亡（Meehl et al.，2012；Singh et al.，2016；Swain et al.，2014；Wang et al.，2014，2015）.研究表明这类“西暖‒东冷”温度偶极子型已成为北美温度变化的主模态，其形成机制和演变受到国内外科学家的广泛关注，成为极端天气研究的一个重要科学问题（Lee et al.，2015；Yu and Zhang，2015；Vigaud et al.，2018）.

有研究表明，中纬度大气环流是造成北美东西部温度差异的主要因素（Baxter and Nigam，2015；Hartmann，2015；Liu et al.，2015；Xie and Zhang，2017；Peng et al.，2019）.太平洋北美遥相关（Pacific⁃North American pattern，简称PNA）是北半球大气环流变化的主要环流型之一，从太平洋到北美存在4个高低压中心，可以影响北美地区的行星波结构，从而导致北美东西部降水和温度的差异（Wallace and Gutzler，1981；黄荣辉，1986；李崇银和张勤，1991；Franzke and Feldstein，2005）.Lin（2015）指出北美次季节温度变化主要受PNA环流影响.正位相的PNA环流型（简称PNA⁺）引导亚热带暖空气和北极冷空气到达北美，有利于加拿大和美国西部温度干燥，美国中东部变冷（Higgins，2002；Jin et al.， 2006；Yu and Zwiers，2007；Harnik et al.，2016）.统计分析结果进一步表明，1950-2019年冬季PNA和北美温度偶极子指数（简称T_WE，定义详见1.2.3节）存在显著正相关，相关系数达0.71（图1）.当北美“西暖‒东冷”偶极子事件发生时，有559天PNA指数高于0.5倍标准差（近66%），2013-2014和2014-2015年冬季北美强“西暖东冷”模态主要受PNA环流调制（Ge and Luo， 2023），这表明冬季北美温度偶极子模态与PNA⁺环流密切相关.

不同形态的PNA⁺对北美温度影响存在差异，其环流结构受到太平洋背景西风影响（Franzke et al.，2011；Luo et al.，2020）.Ge and Luo（2023）的研究指出，中部型El Niño可通过影响中纬度西风异常，改变PNA⁺结构造成强的北美温度偶极子异常.值得注意的是，2013-2014和2014-2015年冬季中纬度海温也存在明显的太平洋年代际振荡（Pacific decadal oscillation，简称PDO）和维多利亚模态（Victoria mode，简称VM）信号，但目前中纬度海温模态对北美温度偶极子的影响还不清晰.此外，何种西风和海温条件有利于强的北美温度偶极子形成也尚不明确.因此，有必要探究强北美次季节温度偶极子异常产生的西风和海温背景条件.

为揭示北太平洋西风急流对北美“西暖‒东冷”极端温度偶极子的影响机制，本文首先探讨了太平洋中纬度西风急流的变化特征及其对PNA⁺环流和北美温度偶极子的影响.进一步深入分析了与太平洋中纬度西风相关的海温模态，并在此基础上，分别研究了不同海温背景下北美次季节温度偶极子强度的变化.

1 资料和方法

1.1　数据

本文主要采用美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（简称NCEP⁃NCAR）提供的1950—2019年冬季2.5°×2.5°分辨率的大气再分析数据集（Kalnay et al.，1996），包括500 hPa纬向风场（简称U500），500 hPa位势高度（简称Z500）和表面温度（surface air temperature，简称SAT）.海表面温度（sea surface temperature，简称SST）数据来自英国气象局哈德莱中心海冰和海表面温度（Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature，简称HadISST）数据集（Rayner et al.，2003）.PNA指数源于NOAA气候预测中心.将当年12月到次年2月（December， January， and February，简称DJF）定义为冬季.变量异常值为原始数据去除季节循环和长期线性趋势的差值.

1.2　研究方法

1.2.1　PNA事件

定义日PNA指数大于1.25标准差且连续超过3天以上时，发生PNA⁺事件.用滞后（Lag）天数表示PNA事件发展过程，PNA事件中PNA指数最大值时记为Lag 0天，滞后（前）后N天表示为Lag（‒）N天.此外，对于非单调的PNA事件，即两个事件Lag 0天之间少于10天时，这类PNA事件被剔除.

1.2.2　PDO和VM指数

定义1950-2019冬季北太平洋（120°E~120°W，20°N~60°N）SST异常EOF第一模态为PDO，其时间系数（简称PC1）为PDO指数；EOF第二模态为VM，其时间系数（简称PC2）为VM指数.

1.2.3　北美“西暖‒东冷”温度偶极子

本文基于2013和2014年冬季北美地区的“西暖‒东冷”温度偶极子型，选取北美西部（35°N~65°N，125°W~100°W）和东部（25°N~55°N，100°W~65°W）区域平均的SAT异常，两者差异定义为北美温度偶极子指数T_WE=T_W-T_E，这里T_w为北美西部区域平均的SAT异常，T_E为东部区域平均的SAT异常（Ge and Luo，2023）.当T_w>0、T_E<0且T_WE >1.0标准差时，认为该天发生了北美“西暖‒东冷”温度偶极子事件.

2 太平洋中纬度西风急流对北美温度偶极子的影响

2.1　太平洋中纬度西风急流变化

首先对北太平洋中纬度西风急流的变化特征进行研究.对1950-2019年冬季北太平洋（120°E~120°W，10°N~60°N）500 hPa纬向风异常进行EOF分析，北太平洋中纬度西风场主要存在两种变化模态，累计解释方差为48.8%（图2）.EOF第一模态存在两个西风异常中心，20°N~40°N西风增强， 40°N~60°N西风减弱.北太平洋中纬度急流轴位于两个西风异常值之间，该模态主要表现为太平洋中纬度地区西风急流的经向位置变化.定义当PC1超过（低于）0.5标准差，为偏南（偏北）的西风急流冬季.对于EOF第二模态，在25°N~50°N存在显著的负西风异常，异常中心与气候态北太平洋中纬度急流轴位置接近，该模态主要表现为太平洋中纬度地区西风急流的强度变化.定义当PC2超过（低于）0.5标准差，为偏弱（偏强）的西风急流冬季.下面对不同西风背景下的PNA⁺环流及北美温度特征进行分析，以探讨北太平洋急流与北美温度偶极子的关系.

2.2　太平洋中纬度西风急流经向位置对北美温度偶极子的影响

基于2.1对太平洋中纬度U500异常的EOF分析，挑选偏南和偏北的中纬度西风急流冬季，对U500异常进行合成分析（图3a~3b）.对于中纬度西风急流偏南（偏北）的冬季，北太平洋20°N~40°N区域存在正（负）西风异常，40°N~60°N区域存在负（正）西风异常.图3c~3d为偏南（偏北）的北太平洋中纬度西风急流冬季下，PNA⁺事件时期 （Lag‒10~Lag 10天）的Z500和SAT异常合成场.研究表明，当北太平洋中纬度西风急流偏南时，PNA⁺在北美区域的高度异常表现为“西北‒东南”的经向结构，西北部高压异常输送中纬度暖空气至北美西岸，同时伴随异常强的向下长波辐射和感热通量，北美西北部异常增暖；另一方面，高低压环流引导高纬度冷空气到达北美东部，叠加辐射冷却作用，造成东南部异常变冷，形成“西北暖‒东南冷”的温度异常模态.从中高纬度（40°N~65°N）平均的Z500异常场可以看到，PNA⁺在北美上空 （120°W~90°W）正的位势高度异常保持准静止状态（120°W附近），几乎不移动，北美西北部持续受高压异常控制.PNA⁺生命前期发展缓慢，到Lag 0天达到最大值，最后迅速消退，造成北美西部持续增暖（图3e）.另一方面，在西风急流偏北的冬季，环流场上北美西北部存在反气旋异常，但强度相对较弱，高压中心位置偏西（130°W附近），引起加拿大西部小范围增暖，东部负位势高度异常较弱，无明显冷异常出现（图3d）.此时北美上空的正位势高度异常由150°W向东移动至120°W左右（图3f），这使得在PNA⁺事件时期北美地区主要受高压控制，不利于东部低压的发展，冷异常较弱，无“西暖‒东冷”偶极子模态.

2.3　太平洋中纬度西风急流强度对北美温度偶极子的影响

此节继续对中纬度西风急流强度与北美温度模态进行讨论.对于北太平洋中纬度西风急流偏弱的冬季（图4a），PNA⁺在北美地区的高低压异常呈现东西向波列结构，北美出现强“西暖‒东冷”温度偶极子模态（图4c）.中高纬度（40°N~65°N）平均的位势高度异常场表明，在弱中纬度北太平洋西风急流冬季，PNA⁺在北美西部的高压异常偏强（图4e），太平洋水汽含量增加，造成异常强的向下长波辐射，有利于北美西部显著增温.同时，北美西高东低的异常环流结构，造成偏北风引导高纬地区冷空气到北美东部，配合辐射冷却作用，使北美东部异常偏冷，从而出现“西暖‒东冷”温度偶极子模态.另一方面，当北太平洋中纬度西风急流偏强时，PNA⁺在北美地区的高低压异常呈南北向波列结构，高压异常偏东，且随PNA⁺发展东移，这造成北美北部持续受高压影响，辐射增温作用明显，北美SAT异常场上表现出“北暖南冷”温度模态.

上述研究已表明，PNA⁺在不同北太平洋中纬度西风急流背景下的结构存在差异，引起北美气温不同变化.为定量化描述PNA⁺事件在不同西风背景下对北美“西暖‒东冷”温度偶极子的影响，图5分别计算了4种中纬度西风急流冬季（偏南、偏北、偏弱和偏强）T_WE、T_W和T_E在PNA⁺期间的变化曲线.研究表明，在PNA⁺事件发展阶段（Lag‒10~Lag‒3天），偏南西风急流背景下的温度偶极子T_WE指数最大，北美东西部温度差异最明显.这主要因为当西风急流偏南时，北美西部的高压异常较早出现，导致北美西部温度异常偏暖，相较于其他西风背景，T_W较大（图5b）；此外北美东部温度T_E为负值，但冷异常相较急流偏弱时较小.随着PNA⁺系统的发展，北美温度偶极子指数T_WE逐渐增大，到PNA⁺事件成熟阶段（Lag 1~Lag 2天）达到最强，而后随着PNA⁺的衰退而减小（图5a）.对比分析表明，在PNA⁺成熟和衰退期，偏弱的西风急流冬季下，北美温度偶极子指数T_WE最强，不同西风条件下T_WE的差异主要取决于北美东部温度T_E.在偏弱的西风急流冬季，PNA⁺持续造成北美东部冷异常.但对于偏强、偏南和偏北的西风急流冬季下发生的PNA⁺事件，北美上空高压东移衰退，北美大陆主要受高压影响，使得东部冷异常消失转为暖异常，T_E由负转正，造成T_WE指数较小.

综上所述，北太平洋中纬度地区的西风急流变化可以影响PNA⁺事件的环流结构、强度和移动等特征，进而对北美造成不同温度模态.相较于西风急流经向位置变化，急流强度对北美温度偶极子的作用更加重要，在偏弱的中纬度西风急流下，PNA⁺可造成强的“西暖‒东冷”温度偶极子异常.

3 影响太平洋中纬度西风变化的海温背景

研究表明，北太平洋海温是影响中纬度西风急流变化的重要因素，需对影响西风急流经向位置和强度变化的海温模态进行分析.结果表明，西风急流经向位置变化对应在北太平洋20°N~45°N附近出现SST冷异常中心，赤道太平洋到北美沿岸有SST暖异常（图6a），与PDO海温模态类似，PC1与PDO指数相关系数为0.45（表1）.另一方面，对于中纬度西风急流强度变化，强的暖海温异常中心位于北太平洋30°N~50°N，同时在 20°N~30°N有弱的冷海温异常，这种北太平洋南北型海温结构类似于VM模态（Ding et al.，2015），PC2与VM系数有显著正相关（r=0.68）.

为进一步探究PDO和VM模态对北太平洋西风急流的作用，且消除PDO海温模态下年际信号的影响，笔者计算了1950-2019年冬季PDO（已进行9年低通滤波）和VM标准化指数（图7）.将9年滤波的PDO指数和VM标准化指数大于等于0.5，定义为PDO⁺和VM⁺的冬季，合成SST和U500异常场.可以看到，在PDO⁺冬季下，中纬度北太平洋出现冷海温异常，同时阿拉斯加湾至北美沿岸有强的暖海温异常信号（图7c）.U500异常场上，20°N~40°N西风增强，40°N~60°N西风减弱，与北太平洋中纬度西风急流南移相一致（图3a）.在VM⁺冬季，高纬度北太平洋有强的暖海温异常，同时北太平洋20°N~ 30°N存在冷异常海温信号，形成偶极子海温异常模态（图7d），中纬度西风在北太平洋30°N~55°N显著减弱.

上述结果表明，PDO和VM会影响太平洋中纬度地区的西风急流经向位置和强度，但其对北美温度的作用还需要进一步探究.

4 PDO与VM对PNA影响北美温度偶极子的调制作用

对PDO⁺和VM⁺海温背景下PNA⁺事件期间北美温度的变化进行分析.在PDO⁺冬季，PNA⁺事件前期（Lag‒8~Lag‒4天）北美东北部五大湖附近有异常高压，但强度较弱，北美温度异常较小.随着PNA⁺的发展，太平洋地区能量向下游频散，北美西部高压和东部异常发展，到Lag‒2~Lag 2天达到最强，造成北美地区“西北暖‒东南冷”的温度异常（图8a），暖异常相较于冷异常偏强.PNA⁺衰退阶段，北美西部高压异常向东移动，低压快速减弱消失，北美大部区域变暖.相比之下，在VM⁺冬季，PNA⁺事件前期北美主要为负的位势高度异常，东部有冷异常出现.Lag‒4天北美西部上空高压逐渐发展，同时东部低压逐渐增强，北太平洋到北美呈现“低压‒高压‒低压”的水平波列结构，北美“西暖‒东冷”温度偶极子在第Lag 2天达到最强.较PDO⁺冬季不同的是，在VM⁺冬季，北美中纬度西风急流偏弱，有利于PNA⁺在北美上空的高压西移，东部低压长时间维持，使得北美东部冷异常持续存在，北美西部和东部的温度差始终为正（图8b）.

为更好比较PDO⁺和VM⁺背景下北美地区“西暖‒东冷”温度偶极子强度，笔者计算了PNA⁺期间T_WE变化.可以看到，随着PNA⁺事件发展，偶极子指数T_WE逐渐增大，Lag 1天出现最大值，随后PNA⁺在北美上空的高低压崩溃，温度异常减小，偶极子指数随之下降.相较于PDO⁺，PNA⁺在VM⁺冬季的T_WE更大，在PNA⁺的发展和衰退阶段两者差异超过95%显著性检验.此外，对比PDO⁺、VM⁺和所有冬季下PNA⁺期间北美温度偶极子指数T_WE，可以发现与全部冬季相比，PDO⁺海温背景下北美温度偶极子强度几乎无变化，但VM⁺海温模态能够增强与PNA⁺相关的北美温度偶极子强度，这与VM⁺海温下PNA⁺造成强的北美东部冷异常相关.

上述研究表明，在VM⁺海温冬季下的北太平洋中纬度西风偏弱，PNA⁺在北美上空的环流纬向特征明显，加剧了北美温度偶极子强度.而PDO⁺海温冬季下，PNA⁺在北美上空的环流偏“西北‒东南”向，温度异常中心出现在北美西北部，冷异常相对较弱，温度偶极子较小.此外，有研究表明PDO可以调节年际尺度信号，需进一步对PDO和VM协同影响PNA⁺及北美温度偶极子的过程进行探究.

将9年滤波的PDO指数大于0（小于0）且VM标准化指数大于等于0.5，定义为PDO⁺（PDO^-）和VM⁺组合的冬季.不同位相PDO与VM⁺组合，会影响北太平洋SST异常的位置和强度，从而对上空的环流型产生影响.在VM⁺和PDO⁺海温冬季，海温暖异常中心出现在北美西部沿岸，PNA⁺在北美西部的高压偏向高纬度地区，冷异常在北美东南中低纬度区域.与之对比，PDO^-放大了VM⁺下北太平洋北部的暖海温异常，北美西部上空高压中心纬度较低，东部的SAT冷异常延伸至高纬地区，北美地区出现“西暖‒东冷”温度偶极子异常（图10e）.异常场结果（图10f）表明，PDO⁺较PDO^-更容易在北大西洋上空强迫出“高压‒低压”环流结构；因此，北美北部在PDO⁺冬季常出现高压异常，使得北美冷异常难以向北延伸，只能分布在东南部.

5 总结与讨论

基于HadISST海温和NCEP大气再分析数据，本文探讨了北太平洋中纬度西风急流对北美“西暖‒东冷”温度偶极子的影响，并分析了影响西风急流变化的海温背景模态，主要得出以下结论：

（1）揭示了不同北太平洋中纬度西风急流变化下PNA⁺结构及北美温度变化特征.基于EOF对冬季北太平洋500 hPa西风场的强度和位置进行分类.研究表明，当中纬度北太平洋西风急流偏弱时，在北太平洋到北美上空PNA⁺环流呈现水平波列结构，导致北美地区形成显著的“西暖‒东冷”温度偶极子模态.此外西风急流偏南的冬季，PNA⁺也可引起北美温度偶极子型，但东部冷异常偏低纬度，且强度较弱.而对于偏强和偏北的西风急流，PNA⁺环流的高压中心东移并逐渐减弱，造成北美上空主要受高压异常影响，冷异常较小，未形成“西暖‒东冷”偶极子异常.

（2）建立了北太平洋海温模态与西风急流和北美温度偶极子的关系.回归和相关性分析表明，PDO⁺影响西风急流的经向位置，而强度变化则主要与VM⁺海温模态相关.此外，研究进一步表明，在PDO⁺海温冬季下，PNA⁺成熟期可对北美造成“西北暖‒东南冷”温度异常，但与所有冬季发生的PNA⁺事件相比，北美温度偶极子强度几乎不变.相比之下，VM⁺能够加强PNA⁺事件期间北美温度偶极子异常.这主要是因为在VM⁺冬季西风急流偏弱，有利于北美西部的高压向西移动，从而使得北美东部冷异常稳定维持，造成北美强“西暖‒东冷”温度偶极子.

（3）分析了PDO和VM对北美温度偶极子的协同作用.研究表明，PDO⁺与VM⁺组合或PDO^-与VM⁺组合下，PNA⁺都会导致北美地区温度偶极子异常.对比之下，PDO⁺与VM⁺组合时，冷异常主要集中在北美东南部；而在PDO^-与VM⁺组合下，PNA⁺会导致北美东部高纬度地区的冷异常，这可能与PDO⁺背景下大西洋上空容易出现类似北大西洋涛动环流有关.

本文主要聚焦于北太平洋西风急流和北太平洋海温模态对北美极端温度的影响，但值得注意的是，北美大陆地处太平洋和大西洋之间，受两个大洋环流的共同影响（刘辉和宫勋，2024），大西洋和上层环流对北美极端温度的调制也值得进一步探究.另一方面，已有研究表明北极海冰的快速融化改变了中纬度大气环流，增加了极端天气的发生频率（Mori et al.，2014；Yao et al.，2017；武炳义，2018）.因此，北美温度偶极子的频繁发生是否与海冰加速融化相关，也需要在未来的研究中深入探讨.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42305027)

重大天气复盘专项(FPZJ2024⁃073)