楊素雨, 李 汀, 牛法寶, 琚建華

(1.云南省氣象臺,云南昆明 650034;2.云南大學大氣科學系,云南 昆明650091;3.云南省氣象局,云南昆明650034)

0 引言

2009年秋季以來,云南遭受了百年不遇的干旱,2011年初云南東部地區(qū)遭受了極端低溫冰凍災害[1]之后干旱持續(xù),入汛以來降水仍持續(xù)偏少,特別是主汛期7～8月降水異常偏少,抗旱形勢十分嚴峻。未來一周的天氣預報,特別是10～30天的延伸期天氣過程的預報對提前做好防災減災工作尤為重要。云南地處低緯,靠近熱帶海洋,熱帶對流特別是印度洋地區(qū)的熱帶對流云團在偏南氣流(南支槽前西南氣流或副高外圍西南氣流)的引導下源源不斷的向云南輸送水汽,常造成云南的降水過程,甚至出現暴雨天氣。關于熱帶對流的研究,20世紀70年代初,Madden等[2-3]首先發(fā)現熱帶地區(qū)季節(jié)內振蕩明顯,并指出熱帶低頻振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO)向東傳播,周期為40～50天,之后許多學者開展了對季節(jié)內振蕩與天氣氣候事件關系的研究。李崇銀等[4-6]揭示了其特征及變化規(guī)律,指出季節(jié)內振蕩在天氣氣候的演變中扮演了重要角色,對階段性、持續(xù)性異常、極端事件、高影響事件的發(fā)生具有重要作用。通過對流強迫和遙相關,MJO在不同季節(jié)不同的傳播位相可以對很多地區(qū)的降水產生影響,如印度降水[7],新加坡[8]、美國極端降水[9-10]、澳大利亞[11]極端降水,中國降水[12-13]都與MJO存在密切聯系。

為探索云南延伸期天氣預報的線索,云南氣象工作者把焦點放在MJO。琚建華等在研究東亞季風、南海季風的季節(jié)內振蕩的基礎上[14-16],2011年進一步開展了基于MJO的云南延伸期天氣預報試驗,多次預報試驗表明[17-19],當MJO活動中心進入孟加拉灣及西太平洋熱帶地區(qū)(稱之為MJO“濕窗口”)后將會充分激發(fā)這些地區(qū)的對流活動,云南的降水日數及降水強度明顯增多、增強,反之當MJO活動不在上述兩個地區(qū)(稱之為MJO“干窗口”)時不能充分激發(fā)云南上游熱帶地區(qū)對流的活動,云南的降水極不明顯。可見,利用MJO的活動,可為云南冬半年干濕預報和雨雪天氣的預報提供依據。

2011年10月中旬熱帶地區(qū)恰是一次強MJO在印度洋形成,并加強向西太平洋東傳。10月26～30日云南南部的強降水過程就發(fā)生在此次MJO東傳的過程中。從大氣環(huán)流特征、物理量診斷分析以及降水與OLR的關系,分析了MJO是否是此次強降水過程的一個重要影響因子,MJO的強度和位相變化與此次強降水過程有什么聯系。

1 資料和方法

使用的MJO指數資料來自澳大利亞氣象局,澳大利亞氣象局和NCEP/CPC等多個國外氣候中心主要用該指數對MJO進行監(jiān)測診斷,并應用到業(yè)務中,對該指數的詳細介紹參考文獻[20-22]。設MJO指數的兩個主成分分別為 RMM1和 RMM2,指數的強弱和位相分別定義為:為強的MJO,定義為弱的MJO。位相分為8個位相(圖1),分別位于西半球非洲東部、印度洋西部、海洋大陸西部、海洋大陸東部、西太平洋西部、西太平洋東部、西半球和非洲西部。文中使用的MJO指數長度為1979～2011年逐日資料。

降水資料為1979～2011年云南125個縣站逐日觀測資料。環(huán)流資料為NCEP/NCAR逐日平均再分析資料,分辨率為2.5°×2.5°以及NOAA的逐日OLR資料。應用的方法有診斷分析、合成分析和相關性分析等。

2 前期旱情及過程降水特征分析

2011年云南旱情持續(xù)發(fā)展,根據云南氣象干旱監(jiān)測[23],截止10月25日云南中部及以南地區(qū)達到了重旱甚至特旱,10月26～30日云南南部地區(qū)出現一次中到大雨局部暴雨強降水天氣過程,旱情得到明顯緩解。圖2為此次強降水過程的時空分布,選取2011年10月云南25°N以南的31個縣站的逐日降水量,計算31站的總降水逐日變化及其距平百分率(平均場為歷史同期10月南部31站逐日平均降水)見圖2(a)。由圖可以看出,強降水主要發(fā)生在云南南部,與歷史同期10月日平均降水量相比,26～30日云南南部的降水明顯偏多,局部地區(qū)5天累計100mm以上。10月25日以前云南南部降水一直異常偏少,之后明顯偏多,降水最強在27日,此次降水過程持續(xù)近5天,對緩解南部的旱情十分有利。

圖1 RMM1和RMM2定義的MJO活動的8個空間位相

圖2 2011年10月強降水過程的時空分布

3 環(huán)流形式及診斷分析

3.1 大氣環(huán)流特征

一次明顯的天氣過程總要有一定的水汽源地和水汽輸送條件,特別是秋冬季降水,水汽充分與否對降水強弱至關重要。南支槽是秋冬季節(jié)為云南輸送水汽的主要天氣系統(tǒng),熱帶印度洋的水汽常在南支槽槽前西南暖濕氣流引導下經孟加拉灣(以下簡稱孟灣)源源不斷帶到云南,有時配合副高外圍西南氣流的引導水汽更為充分。但2011年10月中上旬,副熱帶高壓異常偏強偏西,長時間控制云南南部及孟灣地區(qū),阻斷了云南的水汽來源。10月下旬,熱帶MJO開始在印度洋西部活躍,此時10月26日影響云南的環(huán)流形勢也開始有調整,西風帶上有南支波動東移,并在孟灣地區(qū)加深南壓。

圖3為云南南部降水最強時期27日的高低層風場和水汽通量場,由圖可見,孟灣地區(qū)500hPa高700hPa上空都為低槽控制,副高中心位于中南半島,在熱帶印度洋地區(qū)水汽通量較大,特別是在MJO活躍的中西印度洋附近,水汽通量值最大,這些地區(qū)正是云南水汽來源的上游地區(qū),在副高外圍和南支槽偏南氣流的引導下,熱帶地區(qū)的水汽被輸送到云南(圖3中箭頭),受地形抬升作用的影響形成強降水,局地還伴有雷電等強對流天氣。

以上分析可以看出,此次強降水過程中高緯地區(qū)并沒有大槽的東移,低層700hPa上也沒有偏北氣流帶來冷空氣影響云南,說明此次過程沒有明顯冷空氣配合,強降水的主要原因是10月下旬,熱帶MJO活躍在印度洋西部,使云南上游地區(qū)水汽條件較好,水汽在南支槽和副高外圍偏南氣流引導下源源不斷輸送到云南,云南南部受到地形抬升作用影響產生強降水。

圖3 2011年10月27日風場(單位:m/s)和水汽通量(單位:g/(cm·hPa·s))(陰影區(qū)為＞3 g/(cm·hPa·s)

3.2 物理量診斷

秋冬季冷空氣相對活躍,出現強降水過程一般都有明顯冷空氣的配合,為進一步說明此次強降水過程冷空氣和水汽的活動情況,制作850hPa經向風的時間-經度剖面圖(沿27°N)和云南南部及上游地區(qū)10°N ～24°N,80°E～105°E的水汽通量和水汽通量散度圖(圖4)。

圖4 2011年10月云南南部強降水過程物理量診斷

東亞中東部地區(qū)850hPa經向風一定程度上能反映東亞冬季風的強弱,根據云南預報冷空氣的經驗,云南東部105°E～110°E地區(qū)經向風的強弱往往能反映出冷空氣對云南影響的強度。由圖4(a)可以看出,10月有兩次相對較強的冷空氣,一次發(fā)生在10月1～3日,另一次發(fā)生在13～15日,經向風都達到了-4m/s,說明偏北風較強,但兩次強冷空氣,云南都沒有出現明顯降水過程,結合圖4(b)可以看出,兩次冷空氣影響下,云南上游雖然有一定的水汽通量,但水汽通量散度為正值,為水汽的輻散區(qū),而且水汽通量散度的日變化波動很大,沒有持續(xù)的水汽輻合條件。比較而言,10月26～30日,105°E～110°E地區(qū)為很弱的偏北風,冷空氣較弱,但自23日后云南上游地區(qū)的水汽通量散度值就開始持續(xù)為負值,說明有穩(wěn)定的水汽輻合,此時水汽通量也穩(wěn)定在3g/(cm·hPa·s)左右,由前面的環(huán)流分析可知,26日開始孟灣北部有南支波動,在副高外圍西南氣流的共同引導下水汽被輸送到云南南部造成強降水。

可見,秋冬季節(jié)造成云南的強降水過程,水汽條件是關鍵的因素,且云南上游地區(qū)要有一個持續(xù)穩(wěn)定的水汽輻合,在一定的環(huán)流條件下,水汽才能被持續(xù)輸送到云南。而在相對夏季熱帶對流不夠活躍的秋冬季節(jié),什么時候才能在云南南部上游地區(qū)(孟灣地區(qū))有持續(xù)的水汽輻合?這種穩(wěn)定的水汽輻合是否與熱帶印度洋地區(qū)出現持續(xù)活躍的對流有關?將從MJO的活動位相和強度上做進一步探討。

4 MJO活動與降水的可能聯系

圖5(a)為2011年10月MJO強度指數和位相變化的監(jiān)測,可以看到10月15日MJO從第1位相(非洲地區(qū))開始發(fā)展向東傳播,整個過程MJO都維持較強的強度(MJO強度指數≥1),20日MJO活動進入第2位相(印度西海岸)并長時間維持。從熱帶地區(qū)平均的OLR場的時間-經度剖面圖(圖5b)也可以清楚地看到此次MJO東傳的過程,MJO從10月15日開始在非洲東海岸露頭,之后逐漸加強向東傳,MJO對流活動長時間活躍在印度洋地區(qū),10月26日前后又開始加強向東傳(見圖5(b)圖中箭頭),中心最大強度為-40W/m2。云南南部降水與熱帶OLR場的相關性分析發(fā)現(圖略),熱帶印度洋-5°S～5°N,65°E～90°E的熱帶對流與云南南部降水存在顯著正相關關系,即該區(qū)域內對流旺盛時,降水偏多,反之降水偏少。

圖5 2011年10月熱帶印度洋對流情況

值得關注的是,在20～28日MJO持續(xù)活躍在第2位相時,云南南部上游地區(qū)出現持續(xù)穩(wěn)定的水汽通量和水汽通量輻合(圖4b),這種異常在MJO活動在第1位相之前都沒有出現。統(tǒng)計發(fā)現,在1979～2011年10月的1023天中,MJO活躍在第2位相共132天,由圖6可以看出,10月MJO活躍在第2位相時,云南24°N以南的逐日降水明顯偏多,其空間分布與此次降水過程非常相似。

可見MJO長時間活躍在第2位相時,熱帶印度洋對流異?；钴S,云南南部上游的水汽條件改善明顯,即使沒有明顯冷空氣的配合,在有利的偏南氣流引導下也會造成云南南部的降水偏多。因此,2011年10月26～30日云南南部強降水過程與MJO長時間活躍在熱帶印度洋密切相關的。

圖6 10月MJO傳播位于第2位相時,合成的云南日平均降水相對于10月日平均降水的距平分布(單位:mm/d,平均場取1981～2010年)

5 總結與討論

綜合以上分析,得到以下結論:

(1)2011年10月26～30日云南南部出現的強降水天氣過程有力地緩解了日趨嚴重的旱情。此次強降水過程沒有明顯的冷空氣配合,但在南支槽前和西副高外圍西南氣流的引導下從孟加拉灣地區(qū)有持續(xù)的水汽輸送到云南。

(2)熱帶地區(qū)MJO的一次明顯東傳,并長時間維持在第2位相(9天),對流穩(wěn)定地活躍在印度洋地區(qū),使云南南部上游(孟加拉灣地區(qū))具有穩(wěn)定的水汽通量和水汽輻合,為此次強降水過程提供了有利的水汽條件。

(3)熱帶MJO 活躍在熱帶印度洋-5°S～5°N,65°E～90°E地區(qū),是此次降水過程的主要水汽源地,南支槽槽前西南氣流和副高外圍氣流,是此次云南南部強降水過程的水汽輸送條件。

(4)對MJO歷史事件的合成分析顯示,當其對流位于第2位相(印度洋中西部),云南南部降水異常偏多,且空間分布與2011年10月26～30日南部的強降水過程非常相似?？梢?011年10月的強MJO過程是此次云南南部強降水的一個重要影響因子。

可見,目前國際上對MJO的預測可用時效已經達到15天,可以根據MJO的位相、強度等相關因子的預測判斷云南上游地區(qū)水汽條件的改善情況,特別是針對長期干旱的情況,可以提前做好決策服務。因此,熱帶 MJO是進行10～30天的延伸期預報預測的重要可預報性依據,如何更準確的預報MJO的演變和發(fā)展,對于把握類似2011年秋季這樣的強降水過程預報,特別是延伸期預報是很有幫助的。

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