大气环流遥相关是联系不同区域环流变化的主要模态(Wallace and Gutzler，1981)。早在1930年代，Walker and Bliss(1932)根据当时有限的观测资料，发现全球大气环流存在三大涛动，即北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation，NAO)、北太平洋涛动(North Pacific Oscillation，NPO)和南方涛动(Southern Oscillation，SO)，其中NAO和NPO是指北大西洋和北太平洋高纬地区的低压系统和副热带高压系统的强度存在反位相振荡，这种经向遥相关在北半球冬季期间最为显著。其后，Thompson and Wallace(2000)将上述遥相关现象扩展到整个北半球范围，称之为北极涛动(Arctic Oscillation，AO)或北半球环状模态。

NAO和NPO及与之相关的冰岛低压(Icel and ic Low，IL)和阿留申低压(Aleutian Low，AL)的变化对北半球和区域气候有重要影响。涂长望(1937)曾系统研究了三大涛动与中国气候异常的联系，并试图将其应用于中国旱涝的预测。Hurrell(1995)发现当NAO维持正位相时，欧洲冬季偏暖，而西北大西洋偏冷。Linkin and Nigam(2008)指出NPO对北太平洋和北美冬季气温的影响要超过ENSO。武炳义和黄荣辉(1999)发现冬季NAO指数与西伯利亚高压呈反向变化关系，并通过西伯利亚高压影响到东亚冬季风的活动。王林等(2011)的研究也表明，当冬季NPO处于正位相时，东亚沿岸北风减弱，中国东部地区显著升温，同时江淮、长江以南地区降水增加。

上述研究多关注于NAO和NPO的变化及其影响。实际上，NAO和NPO的两个主要低压系统即AL和IL也存在显著的年际相关(Honda et al.,2001)，二者的强度变化存在类似于NAO或NPO的“跷跷板”式变化，但不同之处在于这种遥相关现象发生在北半球冬季高纬度的纬圈方向上，称之为阿留申低压—冰岛低压的跷跷板关系(Aleutian Low-Icel and ic Low Seesaw，AIS)。其后的研究进一步表明AIS对北半球冬季大气环流年际变化有重要影响，而主导模态AO可以看做是由AIS叠加在北极—中纬度两极振荡模态之上的结果(Honda and Nakamura，2001)。AIS的变化改变了北大西洋和北太平洋上的蒸发和降水，影响海气之间的热量和水汽交换，从而影响到区域气候变化(Honda et al.,2005)，AIS的影响甚至可以上达平流层(Nakamura and Honda，2002)。

值得注意的是，AL和IL的相关还存在显著的年代际变化，即AIS依赖于年代际背景。上述研究虽然注意到这种现象，但并不清楚造成这种变化的成因。本文利用多种长期观测和再分析资料，并结合数值模拟结果，旨在揭示 AIS的年代际变化及其可能机理。

本文主要利用以下观测和再分析资料：1)英国Hadley气候中心提供的全球月平均海平面气压场(Sea Level Pressure，SLP)资料(Allan and Ansell，2006)，时间为1850～2004年，分辨率为5°(纬度)×5°(经度)；2)NOAA气候数据中心提供的月平均海表面温度(Sea Surface Temperature，SST)资料(Smith et al.,2008)，时间为1854～2012年，分辨率为2°(纬度)×2°(经度)；3)欧洲中期天气预报中心提供的月平均环流场再分析资料(ERA40)(Uppala et al.,2005)，时间为1958～2001年，分辨率为2.5°(纬度)×2.5°(经度)。此外，本文还采用了NCEP提供的月平均Niño3.4指数(http:// www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices ^[12])和美国华盛顿大学提供的月平均太平洋年代际振荡PDO指数(http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest ^[12])，Niño3.4指数为区域(5°N～5°S，170°W～120°W)月平均SST的异常，表示ENSO的强度，而PDO指数为北太平洋地区(20°N以北)SST正交函数分解的第一模态，表示PDO的强度。

本文所用模式是中国科学院大气物理研究所近年发展的第四代大气环流模式(IAP AGCM4)，模式在继承前三代模式动力框架优点的基础上，引入了许多新的特色，物理过程同NCAR的CAM3.1基本相同。模式的水平分辨率为1.4°(纬度)×1.4°(经度)，垂直方向为26层。与前几代模式相比，模式的分辨率有很大提高，物理过程也更加完备。模拟结果表明，模式对全球和东亚气候有较好的模拟能力，也能较好模拟出地表气温的长期变化，其总体模拟性能与CAM3.1相当(张贺等，2009，2011；Dong et al.,2012)。模式数据为利用1870～2008年观测海表温度和海冰驱动IAP AGCM4所得到的结果，取1900～2001年结果进行分析。文中冬季系指北半球，为前一年12月和当年1月和2月的平均(DJF)。

由1900～1999年气候平均的北半球冬季海平面气压场(见图 1)看出，在北太平洋和北大西洋北部，有两个显著的低压系统，其活动中心位于阿留申群岛和冰岛附近，故称之为阿留申低压和冰岛低压，中心强度可深达1002 hPa以下。此外，欧亚大陆东部为强大的西伯利亚高压，中纬度为高压带。根据图 1，AL和IL的强度分别定义为(40°N～60°N，160°E～160°W)和(55°N～65°N，15°W～35°W)两个区域的SLP纬度加权平均值。图 2为两低压的原始时间序列及其11年滑动平均，代表其年代际分量。两低压呈现显著的反位相变化关系，即“跷跷板”式的变化，AL偏深时，IL偏浅，反之亦然。在两低压异常强度较大的时期，如1920年代、1940年代、1960年代和1980年代，这种反向变化关系尤为显著，从而构成了北半球冬季高纬度的纬向跷跷板式振荡。

图1

Fig.1

图 1 1900～1999年气候平均的北半球冬季海平面气压场(单位：hPa) Fig. 1 Climatological mean sea level pressure(SLP)in boreal winter during 1900-1999(units: hPa)

图2

Fig.2

图 2 1900～1999年标准化的阿留申低压强度指数(实线)和冰岛低压强度指数(虚线)的(a)时间序列及其(b)11年滑动平均 Fig. 2 (a)Normalized time series of Aleutian low(AL，solid line) and Icel and ic low(IL，dashed line) and (b)their corresponding 11-year running mean in boreal winter during 1900-1999

另一方面，我们还注意到，两个低压的相关关系并非稳定不变，而是呈现显著的年代际变化。在1900～1999年期间，AL和IL有两个显著的相关期，分别是1935～1950年和1980年之后(如图 3所示)；同时还有两个不显著相关期，分别是1935年之前和1951～1979年。以1958～2001年为例，并以1980年作为年代际变化的转折点，前期AL与北太平洋、北美东部沿海地区和欧洲SLP呈正相关(如图 4所示)，但后者相关较弱，而与亚洲大陆东部以及低纬度大部分地区SLP呈负相关，高纬度为典型的2波型分布，而中低纬度分布较为单一。后期相关形式发生了显著变化，AL与高纬度大部分区域以及热带东太平洋到大西洋SLP呈大范围正相关，与北极地区和东半球低纬地区呈负相关，高纬度分布较为单一，而低纬度为1波型分布。前期AL与IL的相关系数为0.01，相关很弱，而后期则高达－0.68，远超0.05显著性水平。此外，从两个时段AL和IL的功率谱分析图(图 5)中可以看出，前期AL和IL的主要周期分别为3年和6～7年，差异较大；后期AL和IL功率谱均在2～3年和5～6年出现峰值，因此后期两低压的年际变化关系更为紧密，即AIS存在显著的年代际变化。

图3

Fig.3

图 3 阿留申低压强度指数和冰岛低压强度指数的21年滑动相关时间序列(虚线值为－0.41，代表通过0.05的显著性水平) Fig. 3 Time series of 21-year running correlation of AL and IL(dashed line is －0.41，which is significant at 0.05 level)

图4

Fig.4

图 4 (a)1958～1979年和(b)1980～2001年阿留申低压与北半球冬季海平面气压场的相关系数(阴影通过0.05显著性检验 Fig. 4 Correlation coefficients between AL and SLP in boreal winter during(a)1958-1979 and (b)1980-2001(shaded areas pass 0.05 significance test)

图5

Fig.5

图 51958～1979年(左列)、1980～2001年(右列)冬季(a、b)阿留申低压与(c、d)冰岛低压时间序列的功率谱分析(虚线为相应的95%信度的功率谱线) Fig. 5 Power spectra for(a，b)AL and (c，d)IL during 1958-1979(left panel) and 1980-2001(right penel)(the dashed lines show the corresponding spectra at 95% confidence level)

由于1950年代之前缺少高空观测资料，再分析资料的可靠性也较差，本节将首先分析图 4中两个时期AIS的年代际变化特征和可能机理及其在不同年代际背景下的年际变化，其后再利用1950年代之前的资料做进一步验证。

图 4的结果表明，AIS在1980年代之后发生了显著的年代际变化，这与全球海气耦合系统特别是SST的年代际变化有关。1980年代之后，热带大洋显著变暖，特别是热带东太平洋和南印度洋等地，但北太平洋中纬度地区和格陵兰岛南部海域则变冷(如图 6所示)。上述SST的年代际变化则与PDO位相在1970年代末期的位相转变有关，PDO主要表现为热带中东太平洋和北太平洋中部SST的反向变化(Trenberth and Hurrell，1994；杨修群等，2004)。1960年代到1970年代末PDO为负位相，之后转变为正位相，1980年代最为明显(见图 7)。AIS的年代际变化比PDO的位相转变约晚2年，这显示了PDO的滞后影响。

图6

Fig.6

图 6 1980～2001年与1958～1979年冬季海表温度的差值场(单位：°C) Fig. 6 The difference of mean sea surface temperature(SST)in boreal winter during 1980-2001 and 1958-1979(units: °C)

图7

Fig.7

图 7 1958～2001年PDO指数的时间序列(实线)及其11年滑动平均(虚线) Fig. 7 Pacific decadal oscillation(PDO)index(solid line) and its 11-year running mean(dashed line)during 1958-2001

PDO的影响也表现在前后两个不同时期与SLP相关分布的差异上(图 8)。前期(PDO负位相)，PDO与阿留申地区和北大西洋中部呈显著负相关，而与热带大西洋和东半球热带地区呈显著正相关。后期(PDO正位相)，负相关主要位于热带东太平洋附近，与阿留申地区的负相关明显减弱，正相关主要位于北极地区，阿留申低压区和冰岛低压区的相关分布相反，这隐含了两个低压的相反变化。具体计算相关系数可知，前期PDO指数与AL相关系数为－0.76，同IL仅为－0.13；而后期PDO指数同AL相关系数为－0.48& lt; /span>，而同IL相关系数变为0.43，这与图 7结果相同，说明两低压反相关关系的年代际变化同PDO的年代际位相转变有密切联系。

图8

Fig.8

图 8 (a)1958～1979年和(b)1980～2001年冬季PDO指数与海平面气压的相关系数(阴影通过0.05显著性检验) Fig. 81980～2001年与1958～1979年冬季500 hPa风场差值 Fig. 8 500-hPa wind difference in boreal winter between 1980-2001 and 1958-1979

伴随着PDO的位相转变，对流层中低层风场也发生了显著变化。AL和IL均显著加深，其南部的西风带则显著增强，这与PDO位相转变造成的高低纬度之间温差增大有关(如图 9所示)。根据Rossby波的频散理论，基流的增强将有利于扰动信号从北太平洋向北大西洋的传播，从而加强两低压之间的联系。此外，我们还根据Plumb(1985)定义的二维准地转准定常波的波活动通量，计算了两个时期500 hPa的能量传播路径及其差值(图 10)。可以看到，从北太平洋经过北美北部到北大西洋存在一条波动能量的传播通道，相对于前期，后期从北太平洋到北大西洋的能量传播明显增强，从而加强了AL和IL的联系，使两个低压呈显著相关。

图9

Fig.9

图 9 1980～2001 年与1958～1979 年冬季500 hPa 风场差值 Fig. 9 500-hPa wind difference in boreal winter between 1980−2001 and 1958−1979

图10

Fig.10

图 10 （a）1958～1979 年、（b）1980～2001 年冬季500 hPa 球面准地转准定常行星波的波活动通量；（c）为（b）与（a）之差 Fig. 10 Wave activity fluxes of spherical quasi-geostrophic quasi-stationary planetary wave during (a) 1958−1979 and (b) 1980−2001 and (c) the difference between (b) and (a)

　 PDO的位相转变对两个低压的年际变化有直接影响，进而影响到AIS。图 6表明在PDO的位相转变过程中，北太平洋显著变冷，是PDO位相转变的一个关键区(杨修群等，2004)。图 11 为北太平洋(25°N～45°N，160°E～160°W)区域平均SST与SLP在1958～1979年和1980～2001年两个时期的相关分布，前期与北太平洋和东南太平洋呈显著正相关，与热带大西洋到热带西太平洋的广大区域呈显著负相关；后期相关形式有很大变化，正相关区扩展到东太平洋和热带北大西洋地区，但与北太平洋的相关减弱，负相关区主要位于南极和北大西洋高纬度(冰岛低压区)。特别是，阿留申低压区和冰岛低压区的相反相关分布进一步说明PDO位相转变所导致的北太平洋SST变冷是上述相关分布变化的主要原因。两个低压与北太平洋SST的相关系数如下，与AL的相关系数分别为0.63和0.61，而同IL的相关系数由0.02变为后期的－0.60，与上述结果基本相同。

图 11的结果还表明，热带东太平洋的相关分布在前后两个时期也有很大差异。实际上，在PDO正位相时期，热带东太平洋SST明显升高(图 6)，进而导致ENSO的强度增大。图 12为前后两个时期Niño3.4指数与SLP的相关分布，热带地区为清楚的1波分布，东太平洋为负相关，其它地区为正相关，相关分布在前后两个时期变化不大，但后期相关系数显著增大，这显示了ENSO强度增大的影响。值得注意的是，后期东太平洋的显著负相关向北延伸至北太平洋，说明AL的年际变化在后期受ENSO的影响增大(王会军和贺圣平，2012)。AL和IL与Niño3.4指数的相关系数在前期为－0.22和－0.01，相关均不显著，而在后期则变为－0.51和0.09，AL与Niño3.4指数的负相关显著增大，这与相关分布的结果相同。需要强调的是，ENSO与IL

图11

Fig.11

图 11 （a）1958～1979 年和（b）1980～2001 年北太平洋（25°N～45°N，160°E～160°W）区域平均海表温度与海平面气压的相关系数（阴影通过0.05 的显著性检验） Fig. 11 Correlation coefficients between SST averaged over (25°N−45°N, 160°E−160°W) and SLP during (a) 1958－1979 and (b) 1980−2001 (shadings are above 0.05 significance test)

图12

Fig.12

图 12 同图11，但为Niño3.4 指数与海平面气压的相关系数 Fig. 12 Same as Fig. 11, but for correlation coefficients between Niño3.4 index and SLP

在前后两个时期的相关均不显著，这从另一个侧面说明ENSO的强度变化不是造成AIS年代际变化的直接原因。

4.3 1930年代的年代际转变

除1980年代之外，1930年代也发生一次类似的年代际转变。根据图 3，转变前后的时期分别取为1915～1934年和1935～1950年。由于资料所限，这里仅用SST和SLP两种资料来分析1930年代这次年代际转变，以进一步验证4.1节中的结论。前期AL与SLP的显著正相关区位于北太平洋、热带东太平洋和北美东部大西洋地区，显著负相关区位于西太平洋和欧亚大陆中部(见图 13)。后期，冰岛低压区变为显著负相关，与大部分热带地区呈 显著负相关，AL与IL的相关系数也由－0.19变为－0.68。但与1980年代那次相比，这次年代际转变的强度偏弱，这与图 3中滑动相关系数的变化是一致的。

图13

Fig.13

图 13 （a）1915～1934 年和（b）1935～1950 年阿留申低压与北半球冬季海平面气压场的相关系数（阴影通过0.05 的显著性检验） Fig. 13 Correlation coefficients between AL and SLP in boreal winter during (a) 1915−1934 and (b) 1925−1950 (shadings pass 0.05 significance test)

图 14为前后两个时期SST之差，与图 6类似，全球大洋大部分区域显著增暖，最显著的是东太平洋和南印度洋，这进一步表明AIS的变化与全球海气耦合系统的年代际变化有密切关系。与图 6不同的是，北太平洋的变冷中心西移至日界线以西，而冰岛低压区的变冷则不明显，这可能与这次年代际变化强度偏弱有关。但由于1950年代之前的资料可靠性较差，我们不再做进一步的分析。

图14

Fig.14

图 14 1925～1950 年与1915～1934 年冬季海表温度场差值（单位：°C） Fig. 14 The difference of mean SST in boreal winter between 1925−1950 and 1915−1934 (units: °C)

图 15为IAP AGCM4模拟的北半球冬季SLP分布。与图１中观测SLP对比表明，模式能模拟出主要的高压和低压系统，包括AL、IL和西伯利亚高压，但模拟的AL偏西，IL偏深。因此，模式中AL的范围取为(40°N～60°N，140°E～180°E)，与观测有所差别。图 16为两个低压的21年滑动相关变化，与图 3对比表明，模式能模拟出观测中1935～1950年和1980年代的两次显著相关期，但后者较观测偏迟5年。因此，模式大体上模拟出AIS在20世纪的3次年代际转换，即1930年代、1950年代和1980年代。模拟结果进一步表明，AIS的年代际变化在很大程度上由海气耦合系统相关的SST年代际变化所造成。

图15

Fig.15

图 15 IAP AGCM4 模拟的1900～1999 年气候平均的北半球冬季海平面气压场（单位：hPa） Fig. 15 Simulated climatological mean SLP in boreal winter during 1900−1999 from IAP AGCM4 (units: hPa)

图16

Fig.16

图 16 IAP AGCM4 模拟的阿留申低压强度指数和冰岛低压强度指数的21 年滑动相关时间序列（虚线值为－0.41，代表通过0.05 的显著性检验） Fig. 16 Time series of simulated 21-year running correlations of AL and IL from IAP AGCM4 (dashed line is －0.41, which is significant at 0.05 level)

前文分析指出，AIS的年代际转换与两低压南部的西风基流增强有关(图 9)。图 17为模拟的500 hPa风场在1980～2001年和1958～1979年两个时期的差异，模式大体上能模拟出低压南部的西风增强，说明模式能模拟出两低压相关变化的关键机理。但与观测相比明显偏南，北大西洋地区尤为显著，具体原因有待进一步分析。

图17

Fig.17

图 17 IAP AGCM4 模拟的1980～2001 年与1958～1979 年冬季500 hPa 风场差值 Fig. 17 Simulated 500-hPa wind difference in boreal winter between 1980−2001 and 1958−1979 from IAP AGCM4

本文利用多种长期观测和再分析资料，研究了北半球冬季期间两个主要大气活动中心即阿留申低压和冰岛低压相关关系的年代际变化。结果表明，两个低压的强度变化存在显著的相关关系，使北太平洋和北大西洋海平面气压场呈现“跷跷板”式的变化，即阿留申低压－冰岛低压跷跷板振荡(AIS)。进一步分析表明，AIS还存在明显的年代际变化，即AL和IL的相关显著性与年代际背景有关，在1935～1949年和1980年后为显著负相关，而其它时期相关较弱。

对1980年代AIS年代际转变的分析表明，由于PDO在1970年代末期的位相转变，导致全球大洋大部分地区变暖，北太平洋和北大西洋部分地区变冷；同时AL和IL变深，低压南部西风基流增 强，结果加强了西风带Rossby波的频散效应，从而使两个低压呈现显著负相关。1930年代的年代际变化与此类似，但强度较弱。此外，年代际背景的变化还影响到两个低压的年际变化，在PDO正位相时期，ENSO强度显著增强，AL与ENSO呈现显著的相关关系。另一方面，虽然ENSO是海气耦合系统年际变化的最强信号，但并非造成AIS年代际变化的主要原因。

在观测分析的基础上，我们还利用IAP AGCM4模式输出结果，分析了模式对AIS的模拟状况。模式能大体模拟出AIS的年代际转变，也能模拟出与此相关的西风增强，即模式能模拟出AIS年代际变化的关键机理。与前几代IAP模式的模拟结果相比，IAP AGCM4的模拟水平有很大提高。例如，IAP 2L AGCM虽然能模拟出北半球冬季一些主要的遥相关型如NAO和NPO(Xue and Zeng，1997)，但难以模拟出类似于AIS这样尺度较小的遥相关型，这可能与IAP AGCM4分辨率较高有关。另一方面，与观测相比，模式仍存在明显偏差，如AL偏西以及1980年代的转变时间偏晚等，而且与模式对热带信号的模拟水平相比也明显偏低(陈红和薛峰，2013)。这一方面与模式的基本性能有关，另外也与模拟结果是利用观测SST驱动模式的方式有关，因为这在一定程度上歪曲了高纬度地区的海气相互作用过程。最近，孙泓川等(2012)以IAP AGCM4为大气分量发展了新一代IAP海气耦合模式，模拟结果修正了大气模式中AL偏西的误差，AL位置同观测较为一致，但海气耦合过 程对AIS的影响还需要进一步研究。