吳建金

(浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310027)

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江淮持續(xù)性暴雨過(guò)程前30～60 d低頻主振蕩型特征

吳建金

(浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310027)

利用1951～2010年NCEP/NCAR逐日再分析資料，采用改進(jìn)后的一階Butterworth帶通濾波、主振蕩分析(POP)和合成分析，研究了近60年4～8月全球大氣低頻主振蕩型特征及其與江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程的關(guān)系。結(jié)果表明，4～8月全球850 hPa高度場(chǎng)存在IN-WPO型(赤道印度洋-西太平洋型)和TA-WE型(熱帶大西洋-西歐型)2個(gè)30～60 d主振蕩型。過(guò)程前，不同振蕩型的時(shí)域變化特征明顯，反映了全球大氣30～60 d低頻振蕩的顯著變化。位相合成分析顯示，持續(xù)性暴雨過(guò)程主要發(fā)生在IN-WPO的位相7和TA-WE的位相5后，過(guò)程前，當(dāng)IN-WPO型循環(huán)到位相4時(shí)，850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)中我國(guó)南海、華南等地開始存在顯著30～60 d低頻風(fēng)變化，西北太平洋低頻氣旋和北太平洋低頻反氣旋的形成和發(fā)展，這些低頻特征有利于江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程形成。

全球大氣低頻振蕩；30～60 d；持續(xù)性暴雨過(guò)程；POP分析；江淮流域

持續(xù)性降水事件(PHR)是東亞季風(fēng)區(qū)最典型的高影響極端事件，夏季出現(xiàn)在我國(guó)江淮流域的持續(xù)性暴雨過(guò)程具有強(qiáng)度大、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)有重要影響。季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)是全球大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征之一，近幾年來(lái)，關(guān)于持續(xù)性降水年代際尺度特征及其與大氣低頻振蕩的關(guān)系研究與延伸期預(yù)報(bào)探討取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[2-4]，30～60 d ISO是4～8月全球大氣(尤其是東亞地區(qū))環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化的重要分量之一[5]，對(duì)持續(xù)性暴雨有顯著影響[6]。為了加深認(rèn)識(shí)夏季我國(guó)江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程的形成機(jī)理，該研究將在全球主要環(huán)流范圍內(nèi)探究大氣30～60 d低頻主振蕩型模態(tài)(POP型)的特征，并根據(jù)POP型的位相變化特征初步探究江淮持續(xù)性暴雨過(guò)程前的低頻主振蕩型傳播特征，為提高該事件的10～30 d延伸期預(yù)報(bào)水平提供參考。

1　資料與方法

1.1資料選取采用1951～2010年的4月1日～8月31日NCEP/NCAR逐日再分析資料，每年序列的時(shí)間長(zhǎng)度為153 d。同時(shí)，基于Tang等[1]的研究成果，選取1951～2010年夏季(4～8月)期間發(fā)生在我國(guó)江淮流域且強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)和較強(qiáng)的持續(xù)性暴雨過(guò)程個(gè)例共9個(gè)(表1)，這些過(guò)程發(fā)生時(shí)均具有相似的大尺度環(huán)流背景。

1.2分析方法利用一階Butterworth帶通濾波方法和POP方法探究4～8月全球850 hPa不同低頻振蕩周期帶的低頻高度場(chǎng)主要傳播模態(tài)變化的循環(huán)過(guò)程。主振蕩分析(POP)的研究對(duì)象是隨時(shí)間變化和空間變化的復(fù)雜系統(tǒng)，目的是將系統(tǒng)分離成僅依賴于時(shí)間和僅依賴于空間變化的部分，對(duì)時(shí)空演變分開考察。POP分析的價(jià)值主要在于它的傳播型，其原理及應(yīng)用實(shí)例可參考章基嘉等[7]、楊秋明[8]的研究。

表1江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程個(gè)例信息

Table 1The case information of persistent heavy rainfall in the Yangtze River valley

個(gè)例Case開始時(shí)間Starttime結(jié)束時(shí)間Endtime持續(xù)時(shí)間Durationd過(guò)程強(qiáng)度Processintensity11991-06-2907-1112強(qiáng)21954-07-0207-1312強(qiáng) 31996-06-2707-0610強(qiáng) 42007-06-3007-1011強(qiáng) 51954-07-1607-3015較強(qiáng)61975-06-2007-0112較強(qiáng)71965-07-0807-169較強(qiáng)81995-06-1906-2810較強(qiáng)91998-07-2007-267較強(qiáng)

2　全球主要ISO型及其主要振蕩模態(tài)特征

將1951～2010年每年4月1日～8月31日全球850 hPa高度逐日距平序列，用一階Butterworth濾波器進(jìn)行30～60 d帶通濾波，對(duì)850 hPa高度場(chǎng)逐日距平序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到850 hPa低頻高度距平場(chǎng)，并進(jìn)行EOF分析，選取占總方差60%～70%的主成分進(jìn)行主振蕩分析(POP)得到主要的全球環(huán)流ISO模態(tài)。全球逐日850 hPa 30～60 d低頻高度場(chǎng)存在2個(gè)顯著的主振蕩型，2個(gè)POP型空間分布的實(shí)部pr和虛部pi分別見圖a1、a2、b1、b2，解釋方差分別為11.6%和12.10%,空間波傳播周期分別為49.76和58.00 d，衰減時(shí)間分別為106.99和64.90 d。主振蕩型的循環(huán)過(guò)程是…→pi→pr→-pi→-pr→pi，根據(jù)循環(huán)過(guò)程可以看出這2個(gè)主要振蕩型的實(shí)/虛部的主要擾動(dòng)區(qū)以及這些擾動(dòng)隨著循環(huán)過(guò)程的演變情況。

第1個(gè)POP型在循環(huán)過(guò)程中主要表現(xiàn)為熱帶地區(qū)低頻擾動(dòng)向東傳播的緯向過(guò)程，且在赤道印度洋和熱帶西太平洋地區(qū)達(dá)到峰值狀態(tài)，最大解釋方差達(dá)60%以上(圖1a)，因此定義這個(gè)低頻波列為熱帶印度洋-西太平洋型(IN-WPO)。虛部型中赤道西印度洋區(qū)域出現(xiàn)高度負(fù)距平中心，與Kayano等[9]描述的夏季熱帶大氣低頻振蕩(MJO)循環(huán)過(guò)程中位相1的特征一致，此時(shí)赤道西印度洋對(duì)流加強(qiáng)；正的虛部型經(jīng)過(guò)周期轉(zhuǎn)變成正的實(shí)部型，低頻擾動(dòng)由赤道西印度洋轉(zhuǎn)為赤道東印度洋和赤道西太平洋，對(duì)應(yīng)于夏季MJO循環(huán)過(guò)程的位相3；繼續(xù)經(jīng)過(guò)周期，正的實(shí)部型轉(zhuǎn)為負(fù)的虛部型，赤道西印度洋轉(zhuǎn)為正值中心，對(duì)應(yīng)于夏季MJO循環(huán)過(guò)程的位相5；又繼續(xù)經(jīng)過(guò)周期，負(fù)的虛部型轉(zhuǎn)為負(fù)的實(shí)部型，正值中心向東傳播到赤道東印度洋和赤道西太平洋，對(duì)應(yīng)于夏季MJO循環(huán)過(guò)程的位相7。如此往復(fù)，反映了西半球的低頻擾動(dòng)不斷向赤道印度洋和赤道太平洋傳播的位相變化，此POP型對(duì)我國(guó)江淮流域的影響與MJO向東傳播過(guò)程中赤道附近的對(duì)流強(qiáng)迫作用激發(fā)羅斯貝波和開爾文波列影響江淮區(qū)域有關(guān)。

第2個(gè)主振蕩型在循環(huán)過(guò)程中主要表現(xiàn)為熱帶大西洋和西歐的低頻擾動(dòng)對(duì)東亞及赤道太平洋地區(qū)的影響(圖1b)，因此定義這個(gè)低頻波列為熱帶大西洋-西歐型(TA-WE)。特別是虛部中西歐—東亞—赤道太平洋以及南太平洋—南大西洋等地表現(xiàn)出正負(fù)相間的低頻波列，體現(xiàn)了大西洋、西歐等地與東亞地區(qū)的相關(guān)性，具體的影響機(jī)制目前并不清楚，可能與全球大氣遙相關(guān)型有關(guān)。

注：a1、b1為實(shí)部；a2、b2為虛部；a3、b3為解釋方差(%)。a1、b1、a2、b2中數(shù)值已擴(kuò)大1 000倍；a3、b3中陰影區(qū)表示>30%的區(qū)域。Note: a1,a2.Real part;a2,b2.Imaginary part;a3,b3.Explained variance(%).Numerical value in a1,b1,a2,b2 has been expanded 1 000 times;shadow region in a3,b3 stands for >30% region.圖1　1951～2010年4～8月全球850 hPa 30～60 d低頻高度場(chǎng)第1(a)和第2(b)振蕩模態(tài)Fig.1　The first(a) and second(b) oscillation mode in the 30-60 d low frequency geopotential height over 850 hPa from Apr.to Aug.During 1951-2010

3　過(guò)程前30～60 d主振蕩型傳播特征

30～60 d全球大氣低頻振蕩的主振蕩模態(tài)是IN-WPO型和TA-WE型。統(tǒng)計(jì)表1中持續(xù)性暴雨過(guò)程發(fā)生前25 d到過(guò)程前1 d位相傳播特征發(fā)現(xiàn)，IN-WPO型位相循環(huán)特征表現(xiàn)為從虛部正位相開始循環(huán)到位相7(虛部負(fù)位相)后過(guò)程開始，TA-WE型從實(shí)部負(fù)位相開始循環(huán)到位相5(實(shí)部正位相)后過(guò)程開始。在此以IN-WPO型位相變化進(jìn)行分析。

從IN-WPO循環(huán)過(guò)程時(shí)位相4、5、6、7對(duì)應(yīng)的全球850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)的空間分布(圖2)可看出，IN-WPO循環(huán)到位相4(過(guò)程發(fā)生前18 d左右)的時(shí)候，我國(guó)華南及南海地區(qū)為弱的低頻氣旋，我國(guó)南?！《纫粠б燥@著偏東氣流為主，說(shuō)明印度季風(fēng)對(duì)我國(guó)南部影響較??；到位相5(過(guò)程發(fā)生前18 d至過(guò)程前12 d)時(shí)，MJO活躍中心向赤道東印度洋和西太平洋移動(dòng)，北太平洋暴發(fā)強(qiáng)的低頻反氣旋，此反氣旋在北太平洋持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，之后有往西移動(dòng)的趨勢(shì)，在這過(guò)程中鄂霍次克海一帶出現(xiàn)低頻氣旋，孟加拉灣形成弱的低頻氣旋；到位相6時(shí)，鄂霍次克海附近低頻氣旋擴(kuò)大影響范圍，江淮、日本以南受西南風(fēng)控制，我國(guó)東南沿海由低頻東風(fēng)控制，表現(xiàn)為西太平洋過(guò)來(lái)的低頻反氣旋西伸開始影響我國(guó)東部，同時(shí)，印度半島-孟加拉灣出現(xiàn)低頻西風(fēng)帶；直到位相7(過(guò)程發(fā)生前6 d至過(guò)程前1 d，位相6中以鄂霍次克海為中心的低頻系統(tǒng)逐步穩(wěn)定，同時(shí)印度半島北部形成的低頻氣旋略微北移。在位相循環(huán)過(guò)程中，500 hPa我國(guó)華北、東北和日本海及鄂霍次克海地區(qū)低頻高低壓中心的形成及演變與850 hPa是相互對(duì)應(yīng)的。綜上所述，850 hPa與江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程有密切關(guān)系的低頻特征主要表現(xiàn)為：①我國(guó)南海、華南等地低頻風(fēng)變化；②西北太平洋低頻氣旋和北太平洋低頻反氣旋的形成與發(fā)展;③西太平洋低頻反氣旋西伸北移并穩(wěn)定。

注：陰影區(qū)表示低頻u分量(單位：m/s)異常通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域，藍(lán)(黃)色表示東(西)風(fēng)異常。Note: The shadow area indicates the region of the low frequency u component anomaly through the 95% significance test,blue(yellow) color indicates anomalies of east(west) wind.圖2　IN-WPO循環(huán)過(guò)程中位相4(a)、5(b)、6(c)和7(d)全球850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)的空間分布Fig.2　The spatial distributionm of phase 4(a),5(b),6(c) and 7(d) on low frequency wind field over 850 hPa in IN-WPO circulation process

4　總結(jié)與討論

該研究利用一階Butterworth帶通濾波及POP分析方法研究了1951～2010年4～8月江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程發(fā)生前全球大氣30～60 d低頻主振蕩型傳播特征，得到以下結(jié)論：

(1) 4～8月全球850 hPa環(huán)流存在以赤道印度洋-西太平洋型(IN-WPO)、熱帶大西洋-西歐型(TA-WE)2個(gè)30～60 d主振蕩型。IN-WPO型反映了30～60 d時(shí)間尺度上熱帶印度洋和赤道太平洋等地低頻擾動(dòng)的傳播，此POP型對(duì)我國(guó)江淮流域的影響與MJO向東傳播過(guò)程中赤道附近的對(duì)流強(qiáng)迫作用激發(fā)羅斯貝波和開爾文波列影響江淮區(qū)域有關(guān)[9]；TA-WE型反映了30～60 d時(shí)間尺度上熱帶大西洋和西歐等地大氣環(huán)流與江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程的關(guān)系，可能與北半球大氣遙相關(guān)型有關(guān)。

(2) 根據(jù)IN-WPO和TA-WE型的位相變化合成分析了過(guò)程前全球大氣30～60 d季內(nèi)振蕩特征：過(guò)程發(fā)生在IN-WPO的位相7和TA-WE的位相5后，IN-WPO型循環(huán)到位相4時(shí)，850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)中我國(guó)南海、華南等地開始存在顯著30～60 d低頻風(fēng)變化，西北太平洋低頻氣旋和北太平洋低頻反氣旋的形成和發(fā)展，這些低頻特征有利于江淮流域持續(xù)性暴雨過(guò)程形成，這些低頻特征與MJO擾動(dòng)中心自赤道印度洋開始向東傳播并使得對(duì)流中心加強(qiáng)并北移有關(guān)。

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The Characteristics of the Principal Oscillation Patterns of the 30-60 d Intra-seasonal Oscillation before the Persistent Heavy Rainfall (PHR) Events over the Vicinity of the Yangtze River Valley

WU Jian-jin

(School of Earth Sciences,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027)

The principal oscillation patterns of global atmospheric intra-seasonal oscillation (ISO),and its relation to the persistent heavy rainfall (PHR) events over the vicinity of the Yangtze River valley(YR) from Apr.to Aug.during 1951-2010 were analyzed statistically based on the NCEP/NCAR reanalysis data and the first-order Butterworth function,the principal oscillation pattern (POP) analysis and composite analysis.The results showed that two dominant POP pairs are found when the POP analysis is applied to the 30-60 d low frequency geopotential heightover 850 hPa: IN-WPO and TA-WE.Before the PHR,the variation characteristics of different POPs differ significantly,which reflect the global atmospheric 30-60 d low frequency oscillation in significant change.Composite analyses the global atmospheric 30-60 d low frequency oscillation characteristics based on the change of phases of IN-WPO and TA- WE: most of PHRs happened after the 7 of IN-WPO pattern and phase 5 of TA-WE pattern.Before PHR happens over YR,enhanced 850 hPa low-frequency wind occur over southern part of China,anda low-frequency cyclone is located over WNP over 850 hPa while a low-frequency anticyclone located over northern Pacific in the circulation of the IN-WPO.

Global atmospheric low frequency oscillation;30-60 d;Persistent heavy rainfall (PHR);Principal oscillation pattern(POP) analysis;Yangtze River valley(YR)

吳建金(1988- )，男，浙江慶元人，碩士研究生，研究方向：災(zāi)害性天氣過(guò)程及其統(tǒng)計(jì)分析。

2016-07-13

S 161

A

0517-6611(2016)25-146-03