29
1 Pacific Sea Surface Temperature and the Winter of 2014 1 2 Dennis L. Hartmann 1 3 4 5 Corresponding Author: Dennis L. Hartmann, Department of Atmospheric Sciences, 6 Box 351640, University of Washington, Seattle, Washington 98195 7 8 Key Points: 9 • SST anomalies in the Pacific were a primary cause of the severe winter of 2014. 10 • Warm SST in the Northeast Pacific gives cold conditions in central North America. 11 • Fixed SST model experiments replicate observed teleconnections. 12 13 1 Department of Atmospheric Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98195

NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  1  

Pacific  Sea  Surface  Temperature  and  the  Winter  of  2014  1  

 2  

Dennis  L.  Hartmann1  3  

 4  

 5  

Corresponding  Author:    Dennis  L.  Hartmann,  Department  of  Atmospheric  Sciences,  6  

Box  351640,  University  of  Washington,  Seattle,  Washington  98195  7  

 8  

Key  Points:  9  

•  SST  anomalies  in  the  Pacific  were  a  primary  cause  of  the  severe  winter  of  2014.  10  

•  Warm  SST  in  the  Northeast  Pacific  gives  cold  conditions  in  central  North  America.  11  

•  Fixed  SST  model  experiments  replicate  observed  teleconnections.  12  

   13  

                                                                                                               1    Department  of  Atmospheric  Sciences,  University  of  Washington,  Seattle,  Washington  98195  

Page 2: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  2  

 14  

Abstract    It  is  shown  from  historical  data  and  from  modeling  experiments  that  a  15  

proximate  cause  of  the  cold  winter  in  North  America  in  2013-­‐14  was  the  pattern  of  16  

sea  surface  temperature  (SST)  in  the  Pacific  Ocean.    Each  of  the  three  dominant  17  

modes  of  SST  variability  in  the  Pacific  is  connected  to  the  Tropics  and  has  a  strong  18  

expression  in  extratropical  SST  and  weather  patterns.  Beginning  in  the  middle  of  19  

2013  the  third  mode  of  SST  variability  was  two  standard  deviations  positive  and  20  

remained  so  through  the  winter  of  2013-­‐14.    This  pattern  is  associated  with  high  21  

pressure  in  the  northeast  Pacific  and  low  pressure  and  low  surface  temperatures  22  

over  central  North  America.    A  large  ensemble  of  model  experiments  with  observed  23  

SSTs  confirms  that  SST  anomalies  contributed  to  the  anomalous  winter  of  2014.    24  

 25  

Index  Terms:  3305  Climate  change  and  variability;  3339  Ocean/Atmosphere  26  

Interactions;  4513  Decadal  Ocean  Variability;  4572  Upper  Ocean  and  Mixed-­‐Layer  27  

Processes  28  

Keywords:    Pacific  Decadal  Oscillation,  North  Pacific  Mode,  El  Niño  29  

   30  

Page 3: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  3  

1.    Introduction  31  

Much  interest  has  focused  on  the  very  cold  winter  in  the  central  and  eastern  US  and  32  

Canada  in  2013-­‐14  (hereafter  the  winter  of  2014).    It  has  been  suggested  that  33  

melting  of  polar  sea  ice  could  be  responsible  for  causing  unusual  weather  events  34  

([Francis  and  Vavrus,  2012]  but  see  [Barnes,  2013]),  perhaps  through  the  35  

intermediacy  of  stratospheric  warmings  [Kim  et  al.,  2014].    This  would  be  36  

remarkable  given  the  small  area  of  the  Arctic  Ocean  and  its  presence  at  the  tail  end  37  

of  the  atmospheric  and  oceanic  chain  moving  energy  from  the  Tropics  toward  the  38  

poles.    Taking  a  different  perspective,  Ding  et  al.  [2014]  use  models  and  39  

observations  to  show  that  at  least  some  of  the  recent  Arctic  warming  has  been  40  

forced  by  changes  in  the  tropical  Pacific.  Here  the  coupled  variability  between  the  41  

Pacific  Ocean  and  the  global  atmosphere  is  used  to  account  in  part  for  the  unusual  42  

winter  of  2014.    Using  a  combination  of  analysis  of  past  data  and  a  large  ensemble  of  43  

fixed  SST  modeling  experiments,  a  strong  case  can  be  made  that  variability  of  the  44  

ocean-­‐atmosphere  system  originating  in  the  Tropics  is  the  most  likely  “cause”  of  the  45  

winter  of  2014  anomalies.      46  

 47  

The  ocean  provides  the  long-­‐term  memory  for  the  climate  system  through  its  higher  48  

heat  capacity,  slowly  varying  large-­‐scale  modes  and  long  adjustment  time  to  49  

changes  in  forcing.    The  El  Niño  Southern  Oscillation  (ENSO)  phenomenon  is  a  50  

coupled  ocean-­‐atmosphere  phenomenon  that  is  the  dominant  mode  of  interannual  51  

variability  globally,  and  has  provided  the  opportunity  to  make  useful  forecasts  of  52  

seasonal  weather  and  climate  conditions  a  season  or  more  in  advance  [Neelin  et  al.,  53  

Page 4: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  4  

1998;  Rasmusson  and  Wallace,  1983].    ENSO  has  a  related  decadal  variability,  the  54  

Pacific  Decadal  Oscillation  (PDO),  that  was  first  defined  in  terms  of  North  Pacific  sea  55  

surface  temperature  (SST)  anomalies  [Mantua  and  Hare,  2002;  Zhang  et  al.,  1997],  56  

and  is  now  thought  to  influence  global  mean  temperature  on  decadal  time  scales  57  

[Huber  and  Knutti,  2014;  Kosaka  and  Xie,  2013;  Trenberth  and  Fasullo,  2013].    58  

Interannual  anomalies  of  SST  are  known  to  have  a  significant  influence  on  climate  59  

over  land,  and  these  relationships  play  an  important  role  in  seasonal  climate  60  

forecasting  [Palmer  and  Anderson,  1994].    While  the  connection  between  tropical  61  

SST  anomalies  and  winter  weather  in  the  extratropics  is  well  established,  SST  62  

anomalies  in  middle  latitudes  are  driven  by  atmospheric  anomalies  and  it  is  more  63  

difficult  to  show  an  influence  of  extratropical  SST  anomalies  in  driving  atmospheric  64  

anomalies  [Kushnir  et  al.,  2002].    The  extratropical  SST  anomalies  associated  with  65  

ENSO  are  caused  primarily  by  atmospheric  anomalies  propagating  from  the  Tropics  66  

[Alexander  et  al.,  2002].      67  

 68  

In  this  paper  we  explore  anomalies  in  monthly  mean  SST  in  the  Pacific  and  their  69  

relation  to  recent  weather  anomalies  in  an  observational  context.    We  first  present  a  70  

decomposition  of  Pacific  Ocean  SST  variability  into  three  key  modes,  ENSO,  which  71  

has  its  strongest  variability  on  time  scales  of  2  to  6  years,  and  two  decadal  modes  72  

that  are  related  to  ENSO,  but  have  a  strong  expression  in  the  North  Pacific,  perhaps  73  

because  of  their  strong  interaction  with  the  winds  there,  and  possibly  also  because  74  

of  the  interaction  with  Kuroshio  and  Oyashio  current  systems.    We  next  relate  these  75  

SST  patterns  to  atmospheric  variability  and  show  that  one  of  the  decadal  modes  is  76  

Page 5: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  5  

associated  with  atmospheric  anomalies  that  look  very  much  like  those  during  the  77  

winter  of  2014.    This  mode  of  variability  showed  a  positive  anomaly  of  two  standard  78  

deviations  beginning  in  the  summer  of  2013.    To  demonstrate  a  causality  79  

relationship  between  this  large  anomaly  in  the  SST  mode  and  the  winter  of  2014,  we  80  

analyze  a  large  ensemble  of  fixed-­‐SST  modeling  experiments.    Since  these  fixed  SST  81  

experiments  produce  anomalies  with  similar  structure  and  amplitude  to  the  82  

observed  anomalies  in  2014,  we  conclude  that  the  SST  variations  played  a  key  role  83  

in  producing  the  cold  winter  of  2014.  84  

 85  

2.    SST  Variability:  ENSO,  PDO  and  Northeast  Pacific  Mode  86  

 87  

The  Pacific  Decadal  Oscillation  (PDO)  has  classically  been  defined  as  the  first  88  

Empirical  Orthogonal  Function  (EOF)  of  the  anomalies  of  monthly  mean  SST  89  

poleward  of  20N  in  the  Pacific  Ocean  [Mantua  et  al.,  1997].    Here  include  the  ocean  90  

region  from  30S-­‐65N  and  120E-­‐105W,  which  includes  the  tropical  and  North  Pacific.  91  

We  use  the  NOAA  ERSST  data  set  [Smith  et  al.,  2008]  to  compute  the  EOF  92  

decomposition  after  removing  the  seasonal  cycle,  the  global  mean  and  the  linear  93  

trend  from  the  monthly  data.    We  have  obtained  similar  results  with  the  HadISST  94  

data  set  [Rayner  et  al.,  2003]  (not  shown).    Although  the  data  set  starts  in  1854,  we  95  

focus  on  the  period  since  1900  when  the  data  are  more  complete.  The  first  EOF  96  

expresses  about  30%  of  the  variance  and  two  more  modes  that  express  significant  97  

amounts  of  the  variance  by  the  North  et  al.  [1982]  criterion  (S1).    The  second  and  98  

third  modes  are  not  distinguished  from  each  other  by  their  explained  variance,  and  99  

Page 6: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  6  

their  relative  rankings  will  change  for  different  sampling  periods.    For  example,  the  100  

third  mode  for  the  period  from  1900  becomes  the  second  mode  in  the  period  since  101  

1979.    The  remaining  EOFs  form  a  continuum  of  modes  that  are  not  distinguished  102  

from  each  other  by  their  explained  variance.    The  results  shown  here  are  for  all  12  103  

months,  but  the  basic  structures  are  the  same  if  winter  or  summer  half  years  are  104  

used  instead.    The  structures  and  explained  variances  are  very  similar  if  we  use  105  

instead  only  the  period  since  1950,  when  the  observational  network  had  improved  106  

further.    The  first  three  SST  modes  are  shown  in  Fig.  1  as  regressions  of  the  SST  107  

anomalies  with  the  principal  component  time  series  of  each  mode.    The  first  mode  108  

captures  much  of  the  equatorial  variance,  but  the  second  and  third  modes  also  have  109  

significant  connections  to  the  Tropics.  110  

 111  

In  the  supplementary  materials  we  show  that  these  three  modes  are  related  to  each  112  

other  (S2).    The  second  mode  tends  to  become  strongly  positive  after  a  warm  ENSO  113  

event.    This  expresses  the  fact  that  the  extratropical  signature  of  a  warm  event,  114  

which  gives  cold  SST  in  midlatitudes  via  the  “atmospheric  bridge”,  tends  to  persist  115  

longer  than  ENSO  itself.    So  its  structure  is  cold  in  midlatitude  western  Pacific  and  116  

also  cold  in  the  eastern  equatorial  Pacific.    The  third  mode  tends  to  be  in  its  positive  117  

phase  prior  to  ENSO  warm  events  and  is  closely  related  to  the  “footprinting”  118  

mechanism  [Vimont  et  al.,  2001;  Vimont  et  al.,  2003].    During  the  satellite  era  since  119  

1979,  the  third  mode  has  been  very  strong,  and  it  enters  as  the  second  mode  of  120  

global  SST  during  that  period  (not  shown).    In  the  classical  analysis  of  the  PDO  using  121  

the  region  poleward  of  20N  [Mantua  and  Hare,  2002],  the  first  mode  is  that  122  

Page 7: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  7  

identified  as  the  PDO,  while  the  second  mode  is  very  similar  to  the  third  mode  for  123  

the  larger  domains  employed  here.    Deser  and  Blackmon  [1995]  referred  to  the  124  

second  mode  SST  structure  as  the  North  Pacific  Mode  (NPM).    The  NPM  mode  is  125  

very  robust  to  the  region  used,  appearing  as  the  second  mode  for  the  Pacific  region  126  

north  of  20N  and  one  of  two  modes  centered  in  the  North  Pacific  for  the  region  127  

north  of  30S.  128  

 129  

The  PDO  has  a  fairly  strong  connection  to  the  tropical  SST  signal  of  ENSO,  while  the  130  

NPM  has  much  weaker  connections  to  the  equatorial  region  [Deser  and  Blackmon,  131  

1995].    Both  have  very  red  temporal  spectra  and  exhibit  decadal  variations.    Bond  et  132  

al.  [2003]  noted  that  their  second  EOF  of  North  Pacific  SST  (very  similar  to  the  NPM  133  

in  Fig.  1)  was  anomalously  negative  in  1999-­‐2002,  and  emphasized  that  the  PDO  134  

alone  is  not  sufficient  to  characterize  the  variability  of  the  North  Pacific.  135  

 136  

The  second  and  third  modes  in  Fig.  1  may  be  related  to  the  North  Pacific  Gyre  137  

Oscillation  [Ceballos  et  al.,  2009;  Chhak  et  al.,  2009;  Di  Lorenzo  et  al.,  2008]  and  to  138  

fluctuations  in  the  Kuroshio  and  Oyashio  Currents  [Frankignoul  et  al.,  2011;  Kwon  et  139  

al.,  2010].    Both  advection  by  ocean  currents  and  propagation  of  Rossby  waves  are  140  

slow  in  the  North  Pacific,  so  that  dynamical  anomalies  can  appear  nearly  stationary,  141  

but  an  interpretation  in  terms  of  weather  anomalies  changing  the  heat  content  over  142  

relatively  large  regions  may  be  as  applicable  as  an  interpretation  in  terms  of  ocean  143  

dynamics.    Ultimately,  both  atmospheric  forcing  and  the  oceanic  dynamic  response  144  

are  important  for  the  evolution  of  the  North  Pacific  SST  and  surface  height,  however  145  

Page 8: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  8  

(e.g.  Miller  et  al.  [1998],  Vivier  et  al.  [1999],  Qiu  [2000],  Cummins  and  Freeland  146  

[2007]).    Local  atmospheric  forcing  seems  to  be  very  important  in  the  North  Pacific  147  

at  least  on  seasonal  and  interannual  time  scales,  and  both  local  and  remote  148  

influences  may  be  important  [Alexander  et  al.,  2002;  Liu  and  Alexander,  2007].  149  

Smirnov  et  al  [2014]  conclude  that  internal  ocean  dynamics  play  little  role  in  150  

interannual  SST  variability  in  the  eastern  Pacific  in  comparison  to  the  western  151  

Pacific  where  the  Kuroshio  and  Oyashio  currents  may  play  a  more  important  role.  152  

 153  

The  principal  components  of  the  first  three  EOFs  are  shown  in  Fig.  2  in  units  of  154  

standard  deviations  for  the  period  from  1979  to  August  2014.    These  EOFs  are  155  

based  on  the  Pacific  north  of  30S  during  the  period  from  1900  to  2014.    During  the  156  

most  recent  period  shown  in  Fig.  2,  hints  of  a  relationship  between  the  three  EOFs  157  

during  warming  events  can  be  seen.    Both  the  second  and  third  modes  show  large  158  

amplitude  variations  associated  with  major  warming  events.    Since  the  1998  warm  159  

ENSO  event  the  principal  components  of  the  first  two  EOFs  have  been  mostly  160  

negative,  which  is  a  reflection  of  the  tendency  for  cool  ENSO  and  negative  PDO  since  161  

then.    After  May  2013,  however,  the  first  two  EOFs  were  near  neutral  amplitude,  162  

while  the  third  EOF  (NPM)  maintained  a  positive  value  near  two  standard  163  

deviations  above  neutral.    Unusually  warm  temperatures  in  the  northeast  Pacific  164  

prevailed  during  this  period.    165  

 166  

The  very  high  SST  anomaly  in  the  North  Pacific  that  emerged  in  May  of  2013  is  167  

linked  to  reduced  cooling  of  the  ocean  during  the  prior  winter  of  2013.    The  SST,  168  

Page 9: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  9  

heat  content,  surface  wind  stress  and  surface  heat  flux  anomalies  for  2013  are  well  169  

illustrated  in  the  State  of  the  Climate  –  2013  report  [Blunden  and  Arndt,  2014],  170  

particularly  in  Figs.  3.1  to  3.9  [Newlin  and  Gregg,  2014].    These  show  strongly  171  

suppressed  wind  stresses,  and  positive  anomalies  of  surface  heat  fluxes  into  the  172  

North  Pacific  Ocean  during  2013.    It  is  important  to  better  understand  what  caused  173  

these  anomalous  fluxes  in  2013  and  to  what  extent  the  heat  stored  then  influenced  174  

the  weather  of  the  following  winter.  175  

 176  

3.    Meteorological  connections  to  Pacific  SST  anomalies  177  

 178  

We  have  regressed  the  monthly  principal  components  of  the  first  three  EOFs  of  SST  179  

on  the  500hPa  height  and  lowest  model  level  temperature  from  both  the  20th  180  

Century  Reanalysis  that  starts  in  1871  [Compo  et  al.,  2011]  and  the  NCEP/NCAR  181  

Reanalysis  that  starts  in  1948  [Kalnay  et  al.,  1996].    We  obtain  similar  results  from  182  

both  reanalysis  data  sets  and  from  shorter  subsets  of  each  data  set.    For  the  sake  of  183  

brevity  we  show  the  results  for  the  NCEP/NCAR  Reanalysis.        184  

 185  

Since  the  focus  of  this  paper  is  the  influence  of  the  third  EOF  on  the  winter  of  2014,  186  

we  will  show  only  the  regression  for  that  mode  here,  but  correlation  patterns  for  all  187  

three  modes  are  shown  in  the  supplementary  materials  (S3).        The  top  panel  in  Fig.  188  

3  shows  the  anomaly  of  the  500hPa  field  for  November  to  March  of  2013-­‐14,  the  189  

winter  of  2014.    It  shows  a  ridge  over  the  North  Pacific  and  a  deep  trough  over  the  190  

central  North  American  centered  just  south  of  Hudson  Bay.    The  northerly  flow  191  

Page 10: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  10  

between  these  two  centers,  which  is  roughly  aligned  with  the  Rocky  Mountains,  192  

brought  cold  Arctic  air  into  central  North  America  and  gave  unusually  cold  193  

conditions  there.    194  

 195  

The  second  panel  in  Fig.  3  shows  the  regression  of  the  global  500hPa  height  field  196  

onto  the  principal  component  of  EOF3  (NPM)  during  months  of  November  through  197  

March  based  on  the  SST  EOF  from  1900  and  the  NCEP/NCAR  height  field  starting  in  198  

1948.    It  shows  the  amplitude  explained  by  a  one  standard  deviation  variation  of  the  199  

principal  component.    The  structure  features  a  large  high  pressure  over  the  200  

northern  Pacific  centered  near  the  Aleutian  Islands  with  a  downstream  low  201  

centered  near  Hudson  Bay.    For  comparison,  the  bottom  panel  of  Fig.  3  shows  the  202  

regression  of  the  global  SST  mode  based  on  the  period  from  1979-­‐2014  regressed  203  

on  the  NCEP/NCAR  500hPa  height  anomalies  for  the  same  period.    The  same  pattern  204  

appears,  but  the  low  over  Hudson  Bay  is  better  developed.    Since  the  PC  of  NPM  had  205  

a  two  standard  deviation  excursion  in  2014,  we  should  expect  to  see  twice  this  206  

amplitude  then.    The  observed  composite  has  low  height  anomaly  over  Hudson  Bay  207  

of  about  80  meters,  while  the  regression  in  the  bottom  panel  has  a  low  height  208  

anomaly  of  about  18  meters,  or  36  meters  for  a  two-­‐sigma  event.    The  regression  is  209  

thus  off  by  about  a  factor  of  two  in  predicting  the  actual  low  anomaly  over  North  210  

America.    It  is  to  be  expected  that  a  regression  over  a  long  time  would  211  

underestimate  the  anomaly  of  the  winter  of  2014,  for  which  both  the  forcing  from  212  

the  ocean  and  the  natural  variability  of  the  midlatitude  atmosphere  must  have  213  

aligned  to  create  a  rare  event.    Monthly  correlations  between  the  height  field  and  the  214  

Page 11: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  11  

SST  mode  show  stronger  correlations  when  the  height  field  precedes  the  SST  215  

anomaly  than  vice  versa  (not  shown).    This  is  indicative  of  the  strong  role  of  216  

atmospheric  variability  driving  the  SST,  but  model  experiments  described  in  section  217  

4  will  show  nonetheless  that  the  SST  does  have  an  effect  on  the  atmospheric  218  

variability.  219  

 220  

The  statistical  significance  of  the  features  in  the  regression  plots  shown  here  has  221  

been  assessed  by  determining  whether  the  correlations  associated  with  them  are  222  

different  from  zero  at  the  95%  level.    The  degrees  of  freedom  have  been  determined  223  

using  the  approximation  recommended  by  Bretherton  et  al.  [1999].    Although  the  224  

SST  indices  are  highly  auto-­‐correlated,  the  extratropical  height  anomalies  are  not,  so  225  

that  for  the  67-­‐year  record  from  1948  and  the  5  months  of  November  to  March,  the  226  

data  used  to  perform  the  height  regressions  possesses  about  250  degrees  of  227  

freedom,  which  is  a  large  number.    With  this  number  of  degrees  of  freedom,  228  

relatively  small  correlations  become  significant,  and  the  question  shifts  to  whether  229  

the  fraction  of  variance  explained  is  interesting  or  not.    Thus  the  absolute  values  of  230  

the  correlation  coefficients  are  of  more  interest  than  their  proven  statistical  231  

significance.    The  correlation  coefficient  map  corresponding  to  Fig.  3a  has  232  

correlations  exceeding  0.4  for  the  two  centers  over  the  Pacific,  but  only  exceeding  233  

0.2  for  the  center  over  North  America  (S3).    If  we  use  the  global  SST  mode  or  the  234  

NPM  mode  for  the  period  starting  in  1979,  then  the  centers  are  more  similar,  with  235  

correlations  exceeding  0.3  for  all  the  major  centers.    The  connection  between  236  

positive  NPM  and  cold  winters  in  eastern  North  America  is  stronger  in  the  more  237  

Page 12: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  12  

recent  record.    For  comparison,  the  correlations  associated  with  the  ENSO  mode  238  

exceed  0.6  in  the  extratropics  for  SST  EOFs  computed  from  both  the  global  and  239  

Pacific  regions.    We  therefore  conclude  that  the  winter  of  2014  over  North  America  240  

was  favored  by  the  prevailing  SST  anomaly  pattern  over  the  Pacific  Ocean,  but  that  241  

either  the  internal  natural  variability  of  the  atmosphere,  or  perhaps  a  third  actor,  242  

also  contributed.    243  

 244  

Similar  analysis  suggests  that  warm  North  Pacific  SST  anomalies  also  affect  summer  245  

temperatures  (see  supplementary  material  (S4)),  leading  to  cooler  than  normal  246  

summer  temperatures  (NOAA  Climate  Prediction  Center  web  page  indicates  cool  247  

and  wet  conditions  occurred  in  central  North  America  during  the  summer  of  2014).    248  

Thus  the  warm  anomaly  in  the  NE  Pacific  could  also  have  been  a  contributor  to  the  249  

cool  and  moist  summer  of  2014  in  the  middle  of  North  America.  250  

 251  

Barlow  et  al.  [2001]  investigated  the  relationship  between  Pacific  SST  variations  and  252  

summertime  hydrology  over  North  America.    Their  analysis  differs  from  ours  in  a  253  

couple  of  respects;  they  used  Pacific  Ocean  poleward  20S,  instead  of  30S,  and  they  254  

rotated  their  EOFs  before  regression  with  North  American  Climate.    They  labeled  255  

their  first  three  modes  an  ENSO  mode,  a  PDO  mode  and  a  North  Pacific  Mode.    Their  256  

North  Pacific  Mode  is  mostly  the  cold  SST  centered  in  the  central  and  western  257  

Pacific  that  is  also  seen  weakly  as  part  of  the  ENSO  mode.    The  northwest  Pacific  258  

part  of  the  ENSO  EOF  was  reduced  through  rotation  and  this  variability  was  259  

Page 13: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  13  

concentrated  on  their  NPM.    Their  NPM  mode  is  thus  centered  at  about  40N  and  260  

150W  and  extends  more  strongly  to  the  west  than  the  NPM  in  Fig.  1.      261  

 262  

Wang  et  al.  [2013]  explore  the  influence  of  SST  modes  on  North  American  weather.    263  

They  estimate  that  the  three  leading  modes  they  consider  explain  about  50%  of  the  264  

total  effect  of  SST  on  North  American  Climate,  but  the  modes  they  considered  in  the  265  

Pacific  correspond  roughly  to  the  ENSO  mode  and  the  PDO  mode  (or  Kuroshio  266  

extension  mode)  and  they  do  not  consider  the  NPM  described  here.    Since  our  267  

analysis  shows  that  the  second  and  third  modes  explain  the  same  amount  of  268  

variance,  any  linear  combination  of  the  two  is  as  valid  a  representation  as  either  269  

mode  alone.    Since  the  third  mode  reaches  large  amplitude  during  the  period  of  270  

interest,  while  the  first  and  second  are  near  neutral,  it  is  meaningful  to  consider  only  271  

the  third  mode  in  detail  here.  272  

 273  

Wang  et  al  [2014]  associated  the  California  drought  of  2013-­‐14  with  an  the  anomaly  274  

height  pattern  for  NDJ,  which  is  very  similar  in  structure  to  Fig.  3  (top).    They  275  

focused  particularly  on  the  dipole  pattern  between  the  ridge  in  the  Gulf  of  Alaska  276  

and  the  trough  centered  just  south  of  Hudson  Bay.    They  found  that  this  pattern  was  277  

correlated  with  the  Niño4  SST  index  one  year  prior.    In  general  outline  this  is  very  278  

consistent  with  our  conclusions  here,  that  the  winter  of  2014  pattern  is  associated  279  

with  a  precursor  mode  of  ENSO.    They  go  on  to  conclude  that  this  pattern  is  280  

becoming  more  prevalent  in  consequence  of  human-­‐induced  warming  of  the  climate.    281  

We  have  not  investigated  any  connections  to  climate  change  in  this  paper,  but  in  the  282  

Page 14: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  14  

next  section  we  will  use  models  to  show  that  the  anomaly  pattern  over  North  283  

America  can  be  driven  by  SST  anomalies  in  models.  284  

 285  

4.    Fixed  SST  Experiments  286  

So  far  it  has  been  demonstrated  that  the  structure  that  dominated  the  winter  287  

weather  in  North  America  in  2014  is  similar  in  shape  and  within  a  factor  of  two  in  288  

amplitude  to  the  regression  onto  the  SST  pattern  that  dominated  in  that  year.    To  289  

make  a  stronger  case  that  the  SST  anomaly  caused  some  important  part  of  the  290  

weather  anomaly,  rather  than  merely  being  associated  with  it,  we  turn  to  AMIP-­‐style  291  

experiment  data  provided  by  the  NOAA-­‐ESRL  Physical  Sciences  Division,  Boulder,  292  

Colorado  from  their  website  at  293  

http://www.esrl.noaa.gov/psd/repository/alias/facts/  .    The  experiments  chosen  294  

apply  the  observed  radiative  forcing  and  fix  the  observed  SSTs  under  an  295  

atmospheric  model.    Large  ensembles  of  experiments  starting  in  1979  are  296  

conducted  with  several  different  models  of  the  atmosphere.    Three  model  297  

ensembles  are  considered  here;  a  50-­‐member  ensemble  with  the  ESRL-­‐GFSv2  model,  298  

a  30-­‐member  ensemble  with  the  ECHAM5  model,  and  a  20-­‐member  ensemble  with  299  

the  CAM4  model.    We  use  the  ensemble  mean  anomalies  for  each  model  to  both  300  

regress  them  onto  the  SST  indices,  and  to  compute  the  average  anomalies  for  the  301  

winter  of  2014.    To  be  consistent  with  our  data  analysis  we  remove  the  linear  trend.  302  

 303  

Figure  4  shows  the  ensemble  mean  500hPa  height  anomaly  for  the  winter  of  2014  304  

and  the  regression  of  the  500hPa  height  anomalies  onto  the  NPM  mode  for  the  305  

Page 15: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  15  

ESRL-­‐GFSv2  50-­‐member  ensemble  mean.    The  predicted  anomaly  has  similar  key  306  

features  to  the  observed  anomaly  in  Fig.  3a,  with  smaller  amplitudes.    The  depth  of  307  

the  low  at  about  35N  in  the  central  Pacific  is  well  simulated,  but  the  downstream  308  

features  over  North  America  in  the  model  ensemble  mean  are  much  attenuated  309  

compared  to  the  observed  pattern.    In  future  work  we  could  look  to  see  if  a  310  

significant  number  of  the  ensemble  members  do  get  the  correct  downstream  311  

amplitudes,  but  that  is  a  considerable  data  processing  chore.    The  lower  panel  in  Fig.  312  

4  can  be  compared  directly  with  the  lower  panel  in  Fig.  3,  which  shows  the  313  

regression  of  the  global  SST  pattern  onto  the  observed  height  anomalies  for  the  314  

period  from  1979  to  2014.    The  model  pattern  is  similar  in  structure,  but  weaker  in  315  

amplitude  compared  to  the  observations.  The  other  two  models  produce  similar  316  

results  (S5).  It  is  important  to  remember  that  fixed  SST  experiments  do  not  capture  317  

the  full  interaction  between  the  atmosphere  and  ocean  [Barsugli  and  Battisti,  1998],  318  

and  simple  interpretations  of  ensembles  often  underestimate  the  confidence  of  319  

seasonal  predictions  [Eade  et  al.,  2014].    For  the  1979  to  2014  period  there  is  little  320  

difference  between  the  regression  on  the  global  SST  pattern,  and  the  NPM  pattern  321  

for  the  Pacific  north  of  30S.    Although  the  winter  of  2014  was  a  two-­‐sigma  event  in  322  

terms  of  the  NPM  of  SST,  the  regressions  with  NCEP/NCAR  Reanalysis  include  67  323  

winters  and  are  not  very  sensitive  to  the  inclusion  or  not  of  the  winter  of  2014.  324  

 325  

Page 16: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  16  

4.    Discussion  and  Conclusion  326  

 327  

Although  many  other  influences  on  the  weather  during  a  particular  month  could  328  

have  contributed  to  the  anomalies  during  the  winter  of  2013-­‐14,  it  would  appear  329  

that  the  sudden  increase  in  the  NPM  SST  anomaly  pattern  in  the  North  Pacific  during  330  

the  middle  of  2013  can  be  associated  with  the  subsequent  cold  winter  in  the  center  331  

of  North  America.    The  reasons  for  this  increase  remain  to  be  explored  and  its  future  332  

evolution  will  be  interesting  to  watch.    The  stage  was  set  for  the  very  warm  SST  333  

anomaly  of  the  2014  winter  by  a  reduction  in  heat  extraction  from  the  North  Pacific  334  

in  the  prior  winter  of  2013.    The  annual  mean  500hPa  anomaly  shows  a  large  high  335  

pressure  over  the  North  Pacific  centered  at  about  50N  150W  (not  shown).    The  336  

relative  roles  of  surface  heat  exchange  and  Ekman  transport  on  this  changed  heat  337  

loss  can  be  estimated  in  future  work.  338  

 339  

Midlatitude  seasonal  weather  and  climate  anomalies  receive  a  large  contribution  340  

from  internal  atmospheric  variability  that  is  unrelated  to  any  interactions  with  the  341  

SST  (e.g.  Deser  et  al.  2012).    The  effect  of  ocean  heat  anomalies  and  associated  SST  342  

anomalies  like  those  shown  in  Fig.  1  on  the  seasonal  weather  patterns  can  thus  be  343  

negated  by  other  variability  in  any  particular  month,  and  the  SST  anomalies  344  

themselves  are  driven  in  large  part  by  weather  variations.    Nonetheless,  the  345  

systematic  connection  between  NPM  SST  anomalies  and  winter  weather  in  the  past,  346  

the  extreme  amplitude  of  the  SST  anomalies  in  2013-­‐14,  and  the  similarly  of  the  347  

2014  winter  anomalies  to  the  historical  pattern,  all  suggest  that  the  warm  SST  in  the  348  

Page 17: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  17  

North  Pacific  could  have  made  a  significant  contribution  to  the  cold  winter  in  central  349  

North  America  in  2013-­‐14.    Fixed  SST  simulations  with  three  models  confirm  the  350  

causal  relationship  between  the  NPM  mode  and  winter  weather  in  North  America.    351  

 352  

 353  

Aknowledgments:    The  SST  data  were  obtained  from  the  NOAA  ERSST  data  set  at  354  

http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.ersst.html.    The altimeter 355  

products were produced by Ssalto/Duacs and distributed by Aviso, with support from 356  

Cnes (http://www.aviso.altimetry.fr/duacs/). 20th Century Reanalysis and NCEP/NCAR 357  

Reanalysis products were obtained from the NOAA web sites 358  

http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/20thC_Rean/ and 359  

http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html. AMIP simulations 360  

from the NOAA web site http://www.esrl.noaa.gov/psd/repository/alias/facts/    361  

were  crucial  to  this  analysis.    This  work  was  supported  by  NSF  grant  AGS-­‐0960497.    362  

The  author  gratefully  acknowledges  colleagues,  Nick  Bond,  Paulo  Ceppi,  Greg  363  

Johnson,  Todd  Mitchell,  LuAnne  Thompson,  and  Mike  Wallace,  whose  generous  364  

advice  and  comments  greatly  improved  this  contribution.    The  comments  of  two  365  

anonymous  reviewers  of  an  earlier  version  of  this  work  were  extremely  helpful.  366  

 367  

 368  

References:  369  

 370  

Page 18: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  18  

Alexander,  M.  A.,  I.  Blade,  M.  Newman,  J.  R.  Lanzante,  N.  C.  Lau,  and  J.  D.  Scott  (2002),  371  

The  atmospheric  bridge:  The  influence  of  ENSO  teleconnections  on  air-­‐sea  372  

interaction  over  the  global  oceans,  J.  Climate,  15(16),  2205-­‐2231.  373  

Barlow,  M.,  S.  Nigam,  and  E.  H.  Berbery  (2001),  ENSO,  Pacific  decadal  variability,  and  374  

US  summertime  precipitation,  drought,  and  stream  flow,  J.  Climate,  14(2001),  375  

2105-­‐2128.  376  

Barnes,  E.  A.  (2013),  Revisiting  the  evidence  linking  Arctic  amplification  to  extreme  377  

weather  in  midlatitudes,  Geophys.  Rese.  Lett.,  40(17),  4734-­‐4739.  378  

Barsugli,  J.  J.,  and  D.  S.  Battisti  (1998),  The  basic  effects  of  atmosphere-­‐ocean  379  

thermal  coupling  on  midlatitude  variability,  J.  Atmos.  Sci.,  55(4),  477-­‐493.  380  

Blunden,  J.,  and  D.  S.  Arndt  (2014),  State  of  the  Climate  in  2013,  Bull.    Amer.  Meteorol.  381  

Soc.,  95(7),  S1-­‐S257.  382  

Bond,  N.  A.,  J.  E.  Overland,  M.  Spillane,  and  P.  Stabeno  (2003),  Recent  shifts  in  the  383  

state  of  the  North  Pacific,  Geophys.  Res.  Lett.,  30(23),  384  

doi:10.1029/2003gl018597.  385  

Bretherton,  C.  S.,  M.  Widmann,  V.  P.  Dymnikov,  J.  M.  Wallace,  and  I.  Blade  (1999),  The  386  

effective  number  of  spatial  degrees  of  freedom  of  a  time-­‐varying  field,  J.  387  

Climate,  12(JUL  1999),  1990-­‐2009.  388  

Ceballos,  L.  I.,  E.  Di  Lorenzo,  C.  D.  Hoyos,  N.  Schneider,  and  B.  Taguchi  (2009),  North  389  

Pacific  Gyre  Oscillation  Synchronizes  Climate  Fluctuations  in  the  Eastern  and  390  

Western  Boundary  Systems,  J.  Climate,  22(19),  5163-­‐5174,  391  

doi:5110.1175/2009jcli2848.5161.  392  

Page 19: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  19  

Chhak,  K.  C.,  E.  Di  Lorenzo,  N.  Schneider,  and  P.  F.  Cummins  (2009),  Forcing  of  Low-­‐393  

Frequency  Ocean  Variability  in  the  Northeast  Pacific,  J.  Climate,  22(5),  1255-­‐394  

1276,  doi:1210.1175/2008jcli2639.1251.  395  

Compo,  G.  P.,  et  al.  (2011),  The  Twentieth  Century  Reanalysis  Project,  Quart.  J.  Royal  396  

Meteorol.  Soc.,  137(654),  1-­‐28,  doi;  10.1002/qj.1776.  397  

Cummins,  P.  F.,  and  H.  J.  Freeland  (2007),  Variability  of  the  North  Pacific  current  and  398  

its  bifurcation,  Progr.  Oceanography,  75(2),  253-­‐265,  doi:  399  

210.1016/j.pocean.2007.1008.1006.  400  

Deser,  C.,  and  M.  L.  Blackmon  (1995),  On  the  relationship  between  tropical  and  401  

North  Pacific  Sea-­‐Surface  Temperature  Variations,  J.  Climate,  8(6),  1677-­‐402  

1680.  403  

Deser,  C.,  A.  Phillips,  V.  Bourdette,  and  H.  Y.  Teng  (2012),  Uncertainty  in  climate  404  

change  projections:  the  role  of  internal  variability,  Clim.  Dyn.,  38(3-­‐4),  527-­‐405  

546,  doi:510.1007/s00382-­‐00010-­‐00977-­‐x.  406  

Di  Lorenzo,  E.,  et  al.  (2008),  North  Pacific  Gyre  Oscillation  links  ocean  climate  and  407  

ecosystem  change,  Geophys.  Res.  Lett.,  35(8),  doi:  10.1029/2007gl032838.  408  

Ding,  Q.  H.,  J.  M.  Wallace,  D.  S.  Battisti,  E.  J.  Steig,  A.  J.  E.  Gallant,  H.  J.  Kim,  and  L.  Geng  409  

(2014),  Tropical  forcing  of  the  recent  rapid  Arctic  warming  in  northeastern  410  

Canada  and  Greenland,  Nature,  509(7499),  doi  10.1038/nature13260.  411  

Eade,  R.,  D.  Smith,  A.  Scaife,  E.  Wallace,  N.  Dunstone,  L.  Hermanson,  and  N.  Robinson  412  

(2014),  Do  seasonal-­‐to-­‐decadal  climate  predictions  underestimate  the  413  

predictability  of  the  real  world?,  Geophys.  Res.  Lett.,  41(15),  5620-­‐5628.  414  

Page 20: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  20  

Francis,  J.  A.,  and  S.  J.  Vavrus  (2012),  Evidence  linking  Arctic  amplification  to  415  

extreme  weather  in  mid-­‐latitudes,  Geophys.    Res.  Lett.,  39.  416  

Frankignoul,  C.,  N.  Sennechael,  Y.  O.  Kwon,  and  M.  A.  Alexander  (2011),  Influence  of  417  

the  Meridional  Shifts  of  the  Kuroshio  and  the  Oyashio  Extensions  on  the  418  

Atmospheric  Circulation,  J.  Climate,  24(3),  762-­‐777.  419  

Huber,  M.,  and  R.  Knutti  (2014),  Natural  variability,  radiative  forcing  and  climate  420  

response  in  the  recent  hiatus  reconciled,  Nature  Geosci,  7(9),  651-­‐656,  421  

doi:610.1038/ngeo2228.  422  

Kalnay,  E.,  et  al.  (1996),  The  NCEP/NCAR  40-­‐year  Reanalysis  Project,  Bull.  Amer.  423  

Meteor.  Soc.,  77(March),  437-­‐471.  424  

Kim,  B.-­‐M.,  S.-­‐W.  Son,  S.-­‐K.  Min,  J.-­‐H.  Jeong,  S.-­‐J.  Kim,  X.  Zhang,  T.  Shim,  and  J.-­‐H.  Yoon  425  

(2014),  Weakening  of  the  stratospheric  polar  vortex  by  Arctic  sea-­‐ice  loss,  426  

Nature  Com.,  5,  doi:10.1038/ncomms5646.  427  

Kosaka,  Y.,  and  S.  P.  Xie  (2013),  Recent  global-­‐warming  hiatus  tied  to  equatorial  428  

Pacific  surface  cooling,  Nature,  501(7467),  doi  10.1038/nature12534.  429  

Kushnir,  Y.,  W.  A.  Robinson,  I.  Blade,  N.  M.  J.  Hall,  S.  Peng,  and  R.  Sutton  (2002),  430  

Atmospheric  GCM  response  to  extratropical  SST  anomalies:  Synthesis  and  431  

evaluation,  J.  Climate,  15(16),  2233-­‐2256.  432  

Kwon,  Y.  O.,  M.  A.  Alexander,  N.  A.  Bond,  C.  Frankignoul,  H.  Nakamura,  B.  Qiu,  and  L.  433  

Thompson  (2010),  Role  of  the  Gulf  Stream  and  Kuroshio-­‐Oyashio  Systems  in  434  

Large-­‐Scale  Atmosphere-­‐Ocean  Interaction:  A  Review,  J.  Climate,  23(12),  435  

3249-­‐3281.  436  

Page 21: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  21  

Liu,  Z.  Y.,  and  M.  Alexander  (2007),  Atmospheric  bridge,  oceanic  tunnel,  and  global  437  

climatic  teleconnections,  Rev.  Geophys.,  45(2),  doi  10.1029/2005RG000172.  438  

Mantua,  N.  J.,  and  S.  R.  Hare  (2002),  The  Pacific  decadal  oscillation,  J.  Oceanography,  439  

58(1),  35-­‐44.  440  

Mantua,  N.  J.,  S.  R.  Hare,  Y.  Zhang,  J.  M.  Wallace,  and  R.  C.  Francis  (1997),  A  Pacific  441  

interdecadal  climate  oscillation  with  impacts  on  salmon  production,  Bull.  442  

Amer.  Meteorolog.  Soc.,  78(6),  1069-­‐1079.  443  

Miller,  A.  J.,  D.  R.  Cayan,  and  W.  B.  White  (1998),  A  westward-­‐intensified  decadal  444  

change  in  the  North  Pacific  thermocline  and  gyre-­‐scale  circulation,  J,  Climate,  445  

11(12),  3112-­‐3127.  446  

Neelin,  J.  D.,  D.  S.  Battisti,  A.  C.  Hirst,  F.-­‐J.  Fei,  Y.  Wakata,  T.  Yamagata,  and  S.  E.  Zebiak  447  

(1998),  ENSO  theory,  J.  Geophys.  Res.,  103(C7),  14261-­‐14290.  448  

Newlin,  M.  L.,  and  M.  C.  Gregg  (2014),  Global  Oceans  [in  “State  of  the  Climate  in  449  

2013”],  Bull.  Amer.  Meteor.  Soc.,  95(7),  S51–S78.  450  

North,  G.  T.,  Bell,  R.  Cahalan,  and  F.  Moeng  (1982),  Sampling  errors  in  the  estimation  451  

of  empirical  orthogonal  functions,  Mon.  Wea.  Rev.,  110,  699-­‐706.  452  

Palmer,  T.  N.,  and  D.  L.  T.  Anderson  (1994),  The  prospects  for  seasonal  forecasting-­‐a  453  

review  paper,  Quart.  J.  Roy.  Meteorol.  Soc.,  120(518),  755-­‐793.  454  

Qiu,  B.  (2000),  Interannual  variability  of  the  Kuroshio  Extension  system  and  its  455  

impact  on  the  wintertime  SST  field,  J.  Phys.  Ocean.,  30(6),  1486-­‐1502.  456  

Rasmusson,  E.  M.,  and  J.  M.  Wallace  (1983),  Meteorological  aspects  of  the  El  457  

Niño/Southern  Oscillation.,  Science,  222,  1195-­‐1202.  458  

Page 22: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  22  

Rayner,  N.  A.,  D.  E.  Parker,  E.  B.  Horton,  C.  K.  Folland,  L.  V.  Alexander,  D.  P.  Rowell,  E.  459  

C.  Kent,  and  A.  Kaplan  (2003),  Global  analyses  of  sea  surface  temperature,  sea  460  

ice,  and  night  marine  air  temperature  since  the  late  nineteenth  century,  J.  461  

Geophys.  Re.-­Atmos.,  108(D14),  doi10.1029/2002jd002670.  462  

Smirnov,  D.,  M.  Newman,  and  M.  A.  Alexander  (2014),  Investigating  the  Role  of  463  

Ocean-­‐Atmosphere  Coupling  in  the  North  Pacific  Ocean,  J.  Climate,  27(2),  464  

592-­‐606.  465  

Smith,  T.  M.,  R.  W.  Reynolds,  T.  C.  Peterson,  and  J.  Lawrimore  (2008),  Improvements  466  

to  NOAA's  historical  merged  land-­‐ocean  surface  temperature  analysis  (1880-­‐467  

2006),  J.  Climate,  21(10),  2283-­‐2296.  468  

Trenberth,  K.  E.,  and  J.  T.  Fasullo  (2013),  An  apparent  hiatus  in  global  warming?,  469  

Earth's  Future,  1(1),  19-­‐32.  470  

Vimont,  D.  J.,  D.  S.  Battisti,  and  A.  C.  Hirst  (2001),  Footprinting:  A  seasonal  471  

connection  between  the  tropics  and  mid-­‐latitudes,  Geophys.  Res.  Lett.,  28(20),  472  

3923-­‐3926.  473  

Vimont,  D.  J.,  J.  M.  Wallace,  and  D.  S.  Battisti  (2003),  The  seasonal  footprinting  474  

mechanism  in  the  Pacific:  Implications  for  ENSO,  J.  Climate,  16(16),  2668-­‐475  

2675.  476  

Vivier,  F.,  K.  A.  Kelly,  and  L.  Thompson  (1999),  Contributions  of  wind  forcing,  waves,  477  

and  surface  heating  to  sea  surface  height  observations  in  the  Pacific  Ocean,  478  

J.Geophys.  Res.-­Oceans,  104(C9),  20767-­‐20788.  479  

Page 23: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  23  

Wang,  F.  Y.,  Z.  Y.  Liu,  and  M.  Notaro  (2013),  Extracting  the  Dominant  SST  Modes  480  

Impacting  North  America's  Observed  Climate,  J.  Climate,  26(15),  5434-­‐5452,  481  

doi:  5410.1175/jcli-­‐d-­‐5412-­‐00583.00581.  482  

Wang,  S.  Y.,  L.  Hipps,  R.  R.  Gillies,  and  J.-­‐H.  Yoon  (2014),  Probable  causes  of  the  483  

abnormal  ridge  accompanying  the  2013–2014  California  drought:  ENSO  484  

precursor  and  anthropogenic  warming  footprint,  Geophys.  Rese.  Lett.,  41(9),  485  

doi:10.1002/2014GL059748.  486  

Zhang,  Y.,  J.  M.  Wallace,  and  D.  S.  Battisti  (1997),  ENSO-­‐like  interdecadal  variability:  487  

1900-­‐93,  J.  Climate,  10(5),  1004-­‐1020.  488  

 489  

 490  

   491  

   492  

Page 24: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  24  

Figure  Captions:  493    494  Fig.  1    The  regressions  of  monthly  mean  anomalies  of  global  SST  for  the  first  three  495  

EOFS  of  SST  for  the  ocean  areas  included  in  the  region  from  30S-­‐65N,  120E-­‐105W  496  

and  the  period  from  January  1900  to  July  2014.    Contour  interval  is  0.1˚C.    Positive  497  

values  are  red  and  negative  values  are  blue,  the  zero  contour  is  white.  Robinson  498  

Projection  from  60S-­‐60N.  499  

 500  

Fig.  2    Time  series  of  the  Principal  Components  of  the  first  three  EOFs  of  monthly  501  

mean  Pacific  SST  poleward  of  30S  as  shown  in  Fig.  1.    Only  values  from  January  1979  502  

to  August  2014  are  shown.    Units  are  standard  deviations.    Values  are  offset  by  four  503  

standard  deviations  for  clearer  viewing.  504  

 505  

Fig.  3  (top)  The  observed  anomaly  in  500hPa  height  for  November  2013  to  March  506  

2014  (contour  interval  is  10m,  positive  is  red  and  negative  is  blue  and  zero  contour  507  

is  white).  (middle)  Regression  of  the  500hPa  height  anomalies  for  the  months  of  508  

November  to  March  for  the  years  from  1948-­‐2014  onto  the  principal  component  509  

time  series  for  the  third  EOF  of  SST  for  the  Pacific  Ocean  north  of  30S  determined  510  

from  the  SST  record  between  1900  and  2014.    (contour  interval  is  3m)    (Bottom)    511  

Same  as  middle  panel,  except  that  the  height  data  is  limited  to  1979-­‐2014  and  512  

regressed  on  the  principal  component  of  the  second  EOF  of  the  global  SST  513  

determined  from  the  SST  record  between  1979  and  2014.  514  

 515  

Page 25: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  25  

Fig.  4  (top)    The  November  2013  to  March  2014  anomaly  of  the  500hPa  height  for  516  

the  50-­‐member  AMIP  ensemble  for  the  ESRL-­‐GFSv2  model.    (contour  interval  is  10m  517  

and  zero  contour  is  white).    (bottom)    Regression  of  500hPa  height  anomalies  from  518  

the  50-­‐member  AMIP  ensemble  for  the  ESRL-­‐GFSv2  model  regressed  onto  the  519  

principal  component  time  series  for  the  Pacific  SST  based  on  the  period  from  1900  520  

to  2014.    (contour  interval  is  3m).    521  

 522      523  

Page 26: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  26  

 524  Figures  to  go  with:  “Pacific  Sea  Surface  Temperature  and  the  Winter  of  2014”  525  

 526  

 527    528  

 529  Fig.  1    The  regressions  of  monthly  mean  anomalies  of  global  SST  onto  the  first  three  530  EOFS  of  SST  for  the  ocean  areas  included  in  the  region  from  30S-­‐65N,  120E-­‐105W  531  and  the  period  from  January  1900  to  July  2014.    Contour  interval  is  0.1˚C.    Positive  532  values  are  red  and  negative  values  are  blue,  the  zero  contour  is  white.  Robinson  533  Projection  from  60S-­‐60N.  534    535  

EOF 1

EOF 2

EOF 3

Page 27: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  27  

 536    537  

 538  Fig.  2    Time  series  of  the  Principal  Components  of  the  first  three  EOFs  of  monthly  539  mean  Pacific  SST  poleward  of  30S  as  shown  in  Fig.  1.    Only  values  from  January  1979  540  to  August  2014  are  shown.    Units  are  standard  deviations.    Values  are  offset  by  four  541  standard  deviations  for  clearer  viewing.  542    543  

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015−8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

Year

Stan

dard

Dev

iation

s

PC1

PC3

PC2

Page 28: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  28  

 544    545  Fig.  3  (top)  The  observed  anomaly  in  500hPa  height  for  November  2013  to  March  546  2014  (contour  interval  is  10m,  positive  is  red  and  negative  is  blue  and  zero  contour  547  is  white).  (middle)  Regression  of  the  500hPa  height  anomalies  for  the  months  of  548  November  to  March  for  the  years  from  1948-­‐2014  onto  the  principal  component  549  time  series  for  the  third  EOF  of  SST  for  the  Pacific  Ocean  north  of  30S  determined  550  from  the  SST  record  between  1900  and  2014.    (contour  interval  is  3m)    (Bottom)    551  Same  as  middle  panel,  except  that  the  height  data  is  limited  to  1979-­‐2014  and  552  regressed  on  the  principal  component  of  the  second  EOF  of  the  global  SST  553  determined  from  the  SST  record  between  1979  and  2014.  554    555    556  

Observed Anomaly Nov-March 2013-14

Pacific Mode-3 Regression Nov-March 1948-2014

Global Mode-2 Regression Nov-March 1979-2014

Page 29: NPM Paper 150105 - Department of Atmospheric …dennis/NPM_Paper_150105.pdf! 3! 31! 1.Introduction& 32! Muchinteresthasfocusedontheverycoldwinterinthe centralandeastern!USand 33! Canada!in!2013U14(hereafterthewinterof2014).!It!hasbeen

  29  

 557  

 558    559  Fig.  4  (top)    The  November  2013  to  March  2014  anomaly  of  the  500hPa  height  for  560  the  50-­‐member  AMIP  ensemble  for  the  ESRL-­‐GFSv2  model.    (contour  interval  is  10m  561  and  zero  contour  is  white).    (bottom)    Regression  of  500hPa  height  anomalies  from  562  the  50-­‐member  AMIP  ensemble  for  the  ESRL-­‐GFSv2  model    regressed  onto  the  563  principal  component  time  series  for  the  Pacific  SST  based  on  the  period  from  1900  564  to  2014.    (contour  interval  is  3m).    565    566    567    568    569  

2014 Winter Anomaly - ESRL-GFSv2 Ensemble

Regression onto EOF3 of SST - ESRL-GFSv2 Ensemble