太平洋北美型遥相关(Pacific−North American teleconnection，PNA)是北半球中纬度变化的主要环流形势之一(Horel and Wallace， 1981；Wallace and Gutzler， 1981)。在对流层中上层的高度场，PNA包含4个活动中心：北太平洋和美国东南部同向变化的活动中心，以及与这两个中心反向变化的近夏威夷和北美西海岸的两个活动中心(Wallace and Gutzler， 1981)。PNA事件的固有周期一般为14 d(Feldstein，2000；Cash and Lee， 2001)。PNA等遥相关型的存在使得气候对于信息的传输尤其是热带、近热带的气候信息的传输(Tsonis and Swanson， 2008)更为稳定有效。PNA事件正负位相之间的转换过程与北美地区的降水有着很大的关系，可以此为条件对北美的降水进行预测(Archambault et al., 2010)。根据资料分析，人们将PNA与赤道东太平洋的海表温度(sea surface temperature，SST)异常(ENSO)相联系(Horel and Wallace， 1981)，认为PNA就是大气对于赤道东太平洋SST异常的响应，之后的数值模拟证实了这种结论(Shukla and Wallace， 1983)。林学椿(1992)也指出，PNA的波列结构的产生是对ENSO及北太平洋海温的响应。但近期的一些研究对于该观点提出了质疑，吴仁广和陈烈庭(1992)的研究也指出：ENSO循环对于PNA遥相关的影响并不能完全解释PNA流型的变化，北太平洋海温也是影响其变化的一个重要因子，Straus and Shukla(2002)通过数值模拟证实了ENSO的暖位相SST并没有驱动PNA。同时，数值模拟也证实了在年际变率上与ENSO相关联的热带海温强迫对于PNA异常形成和加强的重要作用(李忠贤等，2011；Li et al., 2011；Zhou and Zhang， 2011)。黄荣辉等(1996)得到的结论表明ENSO事件发生时，赤道中、东太平洋SST异常升温，导致热带中太平洋对流活动加强，热源加强，加之遥相关的作用，使得北半球、中高纬度环流异常。ENSO与PNA的关系是确定存在的，ENSO循环对于全球气候和局地气候的变化都起到了重要的作用(宗海锋等，2008；何溪澄等，2008)。

20世纪末，人们对于PNA的研究主要集中在PNA的月平均及更大时间尺度的变化上(Wallace and Gutzler， 1981)，但近些年的研究重点转为对PNA事件的研究(Yu et al., 2009；Hannachi，2010；Franzke et al., 2011)。Renwick and Wallace(1996)得到了在ENSO循环的暖位相时PNA指数趋于正值的结论，但该PNA指数是季节平均的指数。PNA事件的生命史大约为14 d，季节平均的PNA指数只能发现长时间平均状态下的趋势。研究单个PNA事件的发生频率及变化特征对于了解冬季平均的PNA的变化有很重要的指示性意义。因此，本文在此基础上试图研究在ENSO循环不同位相背景下，PNA事件的变化特征以及PNA正负位相事件与ENSO循环的关系，这对于了解PNA事件产生的机理有着重要的意义。

本文使用的数据资料包括：NCEP/NCAR逐日00：00(协调世界时，下同)再分析资料，使用的物理量为纬向风和经向风，空间分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)；美国气候预测中心(CPC)提供的逐日PNA指数数据和Niño3.4月平均指数数据。数据选取的时间范围为1950年1月1日至2010年3月31日。文中使用的流函数场是通过风场计算得到的。由于PNA在冬季最为显著，因此本文使用的PNA指数及相应流函数场的时间段为每年冬季5个月(11月至次年3月)。本文使用的研究方法主要有合成分析、K均值聚类分析、t检验。

本文对于PNA事件的定义是基于CPC提供的PNA逐日指数进行的。对于PNA事件，如果PNA指数大(小)于1.25(－1.25)个标准差，并且持续5 d以上，则认为发生了一次PNA正(负)位相事件(Franzke et al., 2011)，否则，这个过程不属于PNA正(负)位相事件。由于PNA事件的固有周期为14 d左右，且不同PNA事件的持续时间是不尽相同的，所以在PNA事件的合成分析中，定义PNA事件过程中最强PNA指数出现的那天为Lag 0，并前后各取10 d，即Lag－10至Lag+10，共21 d。本文根据以上定义对PNA事件的指数和流函数场进行了合成分析(通过提取PNA事件中Lag－10日至Lag+10日对应的指数和流函数场分别进行合成分析)。若某个PNA事件过程超过了定义的冬季(11月至次年3月)的时间范围，则此PNA事件不计入统计。本文此后用PNA+表示PNA的正位相事件，用PNA−表示PNA的负位相事件。根据以上定义，1950年至2009年冬季统计得到79个PNA+事件和73个PNA−事件。

根据CPC提供的1950年1月至2010年9月的月平均Niño3.4距平指数数据(http://www.cpc.ncep. noaa.gov/data/indices/sstoi.indices[2011-09-01])，当指数偏差大(小)于等于0.5(－0.5)且持续5个月以上时，则判断发生一次El Niño(La Niña)事件，此年定义为ENSO循环暖(冷)位相年份(McPhaden and Zhang， 2009)。其余年份作为中性年份。由于PNA在冬季最为显著，本文的研究重点集中在冬季PNA与ENSO的关系，因此，我们选取当年11月至次年3月的PNA与这一年的ENSO循环位相对应。由此得到17个ENSO暖位相冬季，14个ENSO冷位相冬季及29个中性年份冬季(如表 1所示)。其中，ENSO冷、暖位相冬季的选取结果与Renwick and Wallace(1996)定义的ENSO暖位相冬季的结果与王绍武和龚道溢(1999)定义的ENSO冷暖位相冬季的结果基本一致(1950～1998年)。

表 1(Table 1)

表 1ENSO循环的冷、暖位相冬季的年份 Table 1 The years of warm and cold ENSO phase events ENSO暖位相冬季 ENSO冷位相冬季 1957/1958年，1963/1964年，1965/1966年，1968/1969年，1969/1970年，1972/1973年，1976/1977年，1982/1983年，1986/1987年，1987/1988年，1991/1992年，1994/1995年，1997/1998年，2002/2003年，2004/2005年，2006/2007年，2009/2010年 1954/1955年，1955/1956年，1964/1965年，1970/1971年，1971/1972年，1973/1974年，1975/1976年，1984/1985年，1988/1989年，1995/1996年，1998/1999年，1999/2000年，2000/2001年，2007/2008年

表 1ENSO循环的冷、暖位相冬季的年份 Table 1 The years of warm and cold ENSO phase events

根据表 1的年份数据，我们统计了ENSO不同位相冬季发生的PNA事件的个数(如图 1所示)：在ENSO暖位相冬季，共发生了33个PNA+事件和8个PNA−事件，平均每个ENSO暖位相冬季发生1.94个PNA+事件和0.47个PNA−事件；在ENSO冷位相冬季，共发生了11个PNA+事件和30个PNA−事件，平均每个ENSO冷位相冬季发生0.79个PNA+事件和2.14个PNA−事件；在中性年份的冬季，共发生了35个PNA+事件和35个PNA−事件，中性年份冬季发生的PNA+事件和PNA−事件相同，为1.21个。平均计算60年PNA事件个数发现，每个冬季平均发生1.32个PNA+事件和1.22 个PNA−事件。在ENSO暖位相年份，发生的PNA+事件是PNA−事件个数的4.13倍；在ENSO冷位 相年份，发生的PNA−事件是PNA+事件的2.73倍，中性年份冬季二者的比值为1.0，二者长年平均的比值为1.08。

图 1ENSO循环冷、暖位相及中性年份的PNA事件发生(a)个数及(b)频率 Fig. 1 The number and frequency of PNA+ and PNA－ events for different ENSO phases and neutral years

在ENSO暖位相冬季，PNA+事件与PNA−事件的个数比值为4.13，正是由于相对于其他年份冬季，更多的PNA+事件发生在ENSO暖位相年份冬季，才在一定程度上导致PNA指数在ENSO暖位相冬季趋于正值，这解释了Renwick and Wallace(1996)得到的ENSO暖位相冬季的PNA指数趋于正值的结论。因为冬季PNA指数的变化不但取决于不同PNA事件发生的频数，而且还取决于PNA事件的强度和结构，所以，有必要考察在ENSO不同位相年份冬季PNA事件的强度和结构的差异。

根据ENSO不同位相及中性年份冬季的PNA+、PNA−事件的逐日指数合成结果(图 2a和2b)，可以看出，ENSO循环冷位相冬季平均的PNA+事件在其峰值附近的强度大于暖位相冬季平均PNA+事件的强度，但是在PNA+事件过程早期和衰减阶段，冷位相冬季平均的PNA+事件的强度小于暖位相冬季的PNA+事件；暖位相冬季平均PNA−事件的早期和峰值附近的强度较大，而在消亡阶段，冷位相年份的强度较大。若将PNA事件的指数图形看作是正弦或者余弦函数的半个波，那么由图 2可以看出，波动的振幅越大其周期越短，即PNA事件指数的强度越大其持续时间反而越短。

图 2 ENSO循环不同位相下的(a)PNA+和(b)PNA－的指数合成图(实线表示ENSO循环暖位相年份，长虚线表示ENSO冷位相年份，带点线表示中性年份) Fig. 2 Composites of daily PNA index for(a)the positive phase and (b)the negative phase of different ENSO phase years(the solid and long dashed lines indicate warm and cold ENSO phase years，respectively， and the short dashed lines with dots indicate neutral years)

我们对1950～2009年冬季5个月中所有的PNA+和PNA－事件进行合成(结果如图 3a和3c所示)，对于气候态的PNA+事件流函数的合成场，对应Lag－8天(图 3a)，北太平洋白令海南侧区域出现负距平中心，且强度上大于其西南侧的正距平中心，随着时间的推移，两个异常中心逐渐增强，在北美大陆的北部和南部分别出现一个正距平中心和一个负距平中心；在Lag－4时，波列结构基本形成；在Lag0时，PNA+型波列结构发展至最强；在Lag－4至Lag0这段时间，位于北太平洋上空的两个活动中心由东北—西南向的倾斜结构，逐渐调整为南北向的偶极子结构。随着PNA+的衰退，南北向偶极子结构在Lag+5时调整为西北—东南向倾斜的结构(图略)。在Lag+8时，PNA+波列结构消失(PNA+或PNA－波列结构是指北太平洋和北美上空的流函数场出现正负交替的4个闭合等值线中心)。

图 3 300 hPa流函数场的(a，b)PNA+和(c，d)PNA－事件的合成(左列为60年平均的PNA事件的合成，右列为中性年份的PNA事件的合成；等值线间隔为3×106 m2 s−1；阴影通过95%的信度检验) Fig. 3 Composites of 300-hPa stream function for(a，b)PNA+ and (c，d)PNA－(left panel are the composites of PNA events through 60 years and right panel are the composites of PNA events of the neutral years; the contour interval is 3×106 m2 s−1; shadings denote regions above the 95% confidence level)

在图 3c中，对于气候态的PNA−事件流函数的合成场，在Lag－8时，白令海及白令海峡区域和北美大陆南部出现一定强度的正距平中心，夏威夷群岛附近出现负距平中心。之后，北太平洋上空的两个距平中心不断加强，且强度大于之后形成的两个距平中心(Lag－4)，基本形成PNA−流型。随着4个中心不断发展和加强，在Lag0时，PNA−波列结构最明显，此时北太平洋的两个距平中心为东北—西南向的结构。随着PNA−的衰退，在Lag+4时，北美大陆的两个活动中心的强度较小。夏威夷岛附近的负距平中心逐渐东移，移动速度大于北侧的正距平中心，在Lag+8时，PNA−波列结构消失。

图 3b和图 3d给出的中性年份PNA+和PNA−事件流函数场合成结果显示，中性年份PNA+和PNA−事件的流场演变过程以及强度与气候态的PNA事件的演变过程和强度差别很小。但我们可以看到，中性年份的PNA事件过程中通过检验的区域的面积比气候态PNA事件的大，说明对于冬季平均流函数场，中性年份的PNA事件的流场结构比气候态PNA事件的更显著(本文对所有的流函数合成场进行了t检验，对比样本均为冬季长年平均流函数场)。

图 4为ENSO暖、冷位相冬季PNA+事件流函数的合成场。由图 4发现： ENSO暖位相时的PNA+波列结构的整体强度小于ENSO冷位相、中性年份以及气候态PNA+事件(图 3a)的强度，尤其在PNA+波列结构最强的阶段(Lag－2至Lag+2)。由图 2a可见，对于PNA+事件Lag0附近时间段的指数变化表明，ENSO冷位相和中性年份冬季的强度大于ENSO暖位相冬季的。指数合成结果与流函数场的合成结果是一致的，说明CPC提供的PNA指数可以很好地反应PNA事件的强度。

图 4 ENSO循环暖位相年份(左列)与冷位相年份(右列)PNA+的300 hPa流函数场合成(等值线间隔为3×106 m2 s−1，阴影通过95%的信度检验) Fig. 4 Composites of 300-hPa stream function for PNA+ of(a)warm and (b)cold ENSO phase years(the contour interval is 3×106 m2 s−1 and shadings denote regions above the 95% confidence level)

具体分析ENSO不同位相PNA+事件的流场演变过程后，我们发现：ENSO暖位相年份PNA+事件的波列结构从出现到消失持续了17 d(Lag－6至Lag+10)，从Lag0至Lag+4时北太平洋中高纬和低纬的两个距平中心呈南北向偶极子结构，而ENSO冷位相年份的PNA+波列结构持续了11 d(Lag－4至Lag+6)，从Lag－2至Lag+2，两个距平中心形成的南北向偶极子结构维持在太平洋上空，之后夏威夷群岛附近的距平中心东移使偶极子结构倾斜。在图 3b中，中性年份冬季的PNA+事件的强度整体上稍大于气候态的PNA+事件的强度，且小于ENSO冷位相年的PNA+事件的强度。中性年份的PNA+事件生命史为12 d(Lag－5至Lag+6)，北太平洋的南北向偶极子结构仅维持了2 d(Lag+1至Lag+2)。

图 5为ENSO暖、冷位相冬季PNA−事件流函数的合成场。由图 5a和5b中Lag－2至Lag+2 时两个PNA+事件流场结构活动中心的最大值可以看出，此时，ENSO暖位相冬季的PNA−事件的强度大于冷位相年份的PNA−事件的强度。这与图 2b的结果一致。

图 5 同图 4，但为PNA－ Fig. 5 Same as Fig. 4，but for PNA－

图 5a和5b中，ENSO暖位相时PNA−型波列结构维持了11 d(Lag－6至Lag+4)，而冷位相时此结构持续了19 d(Lag－8至Lag+10，Lag+10图略)。图 3d中，中性年份的PNA−事件的生命史为13 d(Lag－4至Lag+8)。另外，在ENSO暖位相年份PNA−型波列结构衰减过程中，夏威夷群岛附近的负距平中心向东北方向迅速移动，逐渐与北 美大陆北部的负距平中心合并。特别需要指出的是，PNA−型波列结构在Lag－2至Lag+2时南北 向偶极子结构没有出现并维持，但本文仅发现合成平均场存在此现象，不排除特例出现的可能。

本文比较了ENSO循环不同位相下PNA事件的变化特征，结果发现ENSO暖位相年份发生PNA+事件的个数是PNA−事件的4.13倍，而在ENSO冷位相年份发生的PNA−事件的个数是PNA+事件的2.73倍。张耀存和郭兰丽(2005)、蔡琼琼等(2011)运用不同数值模式模拟北太平洋副热带急流的变化特征，其中，蔡琼琼等(2011)的数值研究指出北太平洋副热带急流的年际变率主要表现为南北移动，并与ENSO关系紧密。我们对观测资料分析也发现不同ENSO位相冬季的副热带急流存在南北移动(如图 6c所示)，标示区域为PNA事件在太平洋上空的两个距平中心区域，该区域中20°N以北主要为正值，而20°N以南的主要为负值，这表示该区域ENSO暖位相年份副热带急流位置相对偏北，而冷位相年份副热带急流位置相对偏南。

图 6 ENSO循环(a)暖位相和(b)冷位相年份的300 hPa平均纬向风分布(等值线间隔为5 m s−1，阴影区风速大于40 m s−1)，(c)为(a)减去(b)的差值(等值线间隔为2 m s−1，实线表示正值，虚线表示负值) Fig. 6 300-hPa mean zonal wind for(a)warm and (b)cold ENSO phase years(the contour intervals are 5 m s−1 and zonal wind values above 40 m s−1 are shaded) and (c)is(a)minus(b)(the contour intervals are 2 m s−1; solid and dashed lines indicate positive and negative values，respectively)

Luo et al.(2008)的理论研究指出：当急流位置偏北(南)时，急流与北太平洋上的定常波(该定常波是由海陆热力性质差异引起的)相互作用会激发出北低南高(北高南低)的环流结构，该结构可以看作正(负)位相胚胎或正(负)位相的初始扰动。Franzke et al.(2011)也指出，副热带急流位置是PNA事件形成的重要先决条件。PNA+事件前期，副热带在150°W有一个东北向伸展的急流出口，急流的位置变化增强气旋性剪切加大经向位势涡度梯度，与气旋性波破碎典型特征一致；PNA−事件前期，基本流反向变化，与反气旋性波破碎典型特征一致；PNA+(PNA−)事件与气旋性(反气旋性)波破碎为正反馈的关系，天气尺度波对PNA的发展和维持起到很重要的作用。根据前人的理论研究成果以及ENSO不同位相的太平洋副热带急流经向位置差异，可以推测，在ENSO暖位相年份冬季，东太平洋海温异常偏高，赤道与两极的温度梯度增大，副热带急流增强，急流位置偏北，偏北急流与北太平洋上定长波相互作用激发出北侧负距平、南侧正距平的正位相初始扰动，在天气尺度波强迫作用下更容易形成PNA+事件；而在ENSO冷位相年份冬季，东太平洋海温异常偏低，半球南北向温度梯度减弱，副热带急流减弱并且位置偏南，偏南急流与北太平洋上定长波相互作用激发出 北侧正距平、南侧负距平的负位相初始扰动，在天气尺度波强迫作用下容易形成PNA−事件。因此，在ENSO暖(冷)位相年份冬季，PNA+(PNA−)事件比PNA−(PNA+)事件的发生概率更高。需 要指出，由副热带急流径向移动所激发的初始扰动，在天气尺度波强迫作用下，发展为PNA事件过程中首先形成于北太平洋上空的两个距平中心。

对于ENSO不同位相年份冬季PNA事件强度和流场结构的差异，本文并未找到合理解释，这部分工作对了解PNA事件过程的动力机制有重要的意义，研究产生差异的原因是下一步工作的重点。

这篇文章主要研究了在ENSO循环不同位相下PNA事件的变化特征，有如下结论：

(1)在ENSO暖位相年份冬季，PNA+事件的个数是PNA−事件的4.13倍，在ENSO冷位相年 份冬季，PNA−事件的个数是PNA+事件的2.73倍，气候态与中性年份发生的PNA+与PNA−个数比均约等于1。在ENSO暖(冷)位相年份冬季更容易发生PNA+(PNA−)事件。

(2)在ENSO暖位相年份冬季，PNA−事件强度较大，PNA+型波列结构维持时间相对较长，而在ENSO冷位相年份冬季，PNA+事件强度较大，PNA−型波列结构维持时间较长。

(3)在PNA+事件流场结构演变过程中，PNA+型波列结构强度较大时，位于北太平洋的南北向偶极子结构出现并维持超过1 d。

(4)除了ENSO冷、暖位相年份，中性年份也发生了PNA+事件和PNA−事件，说明ENSO循环对PNA事件的发生频率、强度及流场结构起调制作用，ENSO循环并不是PNA发生的根本原因。

(5)本文根据前人的理论研究结果以及ENSO不同位相冬季北太平洋副热带急流存在南北移动的现象，我们可以解释ENSO不同位相冬季PNA+和PNA−事件发生频率的差异产生的原因。