李曄

持續(xù)性暴雨過程的低頻振蕩特征與分析

李曄

河南省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心, 河南 鄭州 450003

采用1954~2018年NCEP/NCAR逐日再分析資料，利用主振蕩型分析（POP）方法和合成分析研究4~8月全球大氣10~20 d低頻主振蕩型及其在江淮流域持續(xù)性暴雨過程發(fā)生前的傳播特征。結(jié)果表明：4~8月全球850 hPa環(huán)流存在兩個(gè)10~20 d主振蕩型，即南半球繞球遙相關(guān)型（SCGT型）和南太平洋-南大西洋型（SPSA型）。SCGT型與南半球熱帶外地區(qū)大氣內(nèi)部非線性相互作用過程有關(guān)，反映了南北半球環(huán)流之間的相互關(guān)系影響了東亞夏季風(fēng)的氣候變化；SPSA型與El Nino等影響有關(guān)，反映了南太平洋和南大西洋低頻擾動(dòng)的徑向和緯向傳播對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)的影響?！半p阻型”過程發(fā)生在SCGT虛部正位相的概率為77.8%，“單阻型”過程主要發(fā)生在SCGT實(shí)部正位相、SPSA虛部負(fù)位相概率為66.7%，利用POP型位相合成分析兩種類型的江淮流域持續(xù)性暴雨過程的低頻環(huán)流特征為持續(xù)性暴雨過程預(yù)報(bào)提供參考。

持續(xù)性暴雨; 振蕩型; 環(huán)流

持續(xù)性暴雨過程（Persistent Heavy Rainfall，簡(jiǎn)稱PHR）是大范圍的強(qiáng)雨帶長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持在同一區(qū)域的東亞地區(qū)特有的一種強(qiáng)影響極端天氣事件[1]，容易引起洪澇、泥石流等重大自然災(zāi)害，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來重大傷害[2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究表明，全球大氣環(huán)流不同周期帶季內(nèi)振蕩對(duì)持續(xù)性暴雨過程有重要影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在探討季節(jié)內(nèi)振蕩時(shí)，常常結(jié)合天氣過程的周期變化特征選取某個(gè)或幾個(gè)周期帶進(jìn)行分析。丁一匯等在小結(jié)低頻振蕩與季風(fēng)的關(guān)系時(shí)，提出在東亞地區(qū)，10~20 d、30~60 d振蕩是影響東亞地區(qū)的兩個(gè)主要模態(tài)[3]。這兩個(gè)周期帶的低頻振蕩對(duì)東亞降水尤其是長(zhǎng)江流域的降水形勢(shì)起重要作用[4,5]。也有學(xué)者指出相對(duì)于30~60 d低頻振蕩，30 d以內(nèi)的大氣低頻振蕩對(duì)夏季淮河流域強(qiáng)降水有更為重要的作用[6]。當(dāng)前，主振蕩分析方法（POP方法）常被用來分析和探討降水過程和低頻振蕩的關(guān)系，以提高降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)20~30 d、30~60 d低頻主振蕩型均有所研究[7,8]，但尚缺10~20 d低頻主振蕩型的探討。為彌補(bǔ)這一空白，進(jìn)一步加深對(duì)持續(xù)性暴雨過程形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，本文以最為典型的江淮流域持續(xù)性暴雨過程為例，在全球主要環(huán)流范圍內(nèi)探究大氣10~20 d低頻主振蕩型特征，探究主振蕩型在持續(xù)性暴雨過程前的位相變化特征，以期為提高持續(xù)性暴雨過程的延伸期預(yù)報(bào)水平提供參考。

1 材料與方法

采用1954~2018年NCEP/NCAR逐日再分析資料，數(shù)據(jù)時(shí)間為1954~2018年每年4月1日~8月31日（每年153 d，共65年）。參照Tang等[9]對(duì)持續(xù)性暴雨過程的相關(guān)定義,選取15個(gè)發(fā)生在1954~2018年夏季6~8月期間的江淮流域持續(xù)性暴雨過程（表1），過程發(fā)生時(shí)的環(huán)流背景可分兩種，一種是北半球中高緯度呈現(xiàn)兩脊一槽的環(huán)流背景（簡(jiǎn)稱“雙阻型”），另一種是北半球中高緯度呈現(xiàn)兩槽一脊的環(huán)流背景（簡(jiǎn)稱“單阻型”），這些個(gè)例過程強(qiáng)度達(dá)到較強(qiáng)以上。

將選定時(shí)間內(nèi)的大氣對(duì)流層低層（850 hPa高度層）逐日距平序列，依次利用Butterworth帶通濾波分析、主成分分析（EOF）、主振蕩分析（POP）得到主要的全球環(huán)流POP模態(tài)，統(tǒng)計(jì)分析近65年來江淮流域PHR過程發(fā)生前全球大氣低頻主振蕩型位相變化過程，探究10~20 d低頻振蕩主要傳播模態(tài)變化的循環(huán)過程。

表1 1954~2018年間江淮流域持續(xù)性暴雨過程個(gè)例信息表

2 POP型及其特征

計(jì)算結(jié)果顯示，10~20 d周期帶上，全球逐日850 hPa低頻高度場(chǎng)存在2個(gè)顯著的主振蕩型POP1（圖1）和POP2（圖2），根據(jù)POP型循環(huán)特征，當(dāng)其實(shí)/虛部按照?pi?pr?pi?pr?pi的順序周期性循環(huán)時(shí)，可觀察低頻場(chǎng)上的主要擾動(dòng)區(qū)沿著緯向或徑向傳播的具體特征。

圖1 1954~2018年4~8月全球10~20 d POP1（SCGT）實(shí)虛部特征

(a)pr, (b)pi, (a,b)呈現(xiàn)值均已放大1000倍。The pictures on (a) pr, (b) pi and (a,b) were magnified 1000×.

圖2 1954~2018年4~8月全球10~20 d POP2（SPSA）實(shí)虛部特征

(a)pr, (b)pi, (a,b)呈現(xiàn)值均已放大1000倍。The pictures on (a) pr, (b) pi and (a,b) were magnified 1000×.

第一個(gè)主振蕩型POP1，解釋方差為7.53%，周期約為15 d，衰減時(shí)間約為37 d，POP1的實(shí)部和虛部特征見圖1a,b所示，循環(huán)過程中，南半球中緯度地區(qū)呈現(xiàn)繞球緯向傳播的正負(fù)相間的波列結(jié)構(gòu)，此空間傳播特征與楊秋明[8]定義的20~30 d第一個(gè)低頻主振蕩型南半球繞球遙相關(guān)型SCGT極為相似，可見在整個(gè)10~30 d周期帶上，SCGT都為第一低頻主振蕩型。SCGT沿著南半球中緯度西風(fēng)急流傳播，與南半球熱帶外地區(qū)大氣內(nèi)部非線性相互作用過程有關(guān)[8,10]，反映南北半球之間的一些間接影響。

第二個(gè)主振蕩型POP2，解釋方差為7.64%，周期約為16 d，衰減時(shí)間約為24 d，周期與POP1相似，但是衰減更快，POP2的實(shí)部和虛部特征見圖2a,b所示，實(shí)部和虛部在循環(huán)過程中，南半球南太平洋和大西洋南部等地呈現(xiàn)緯向傳播波列，根據(jù)擾動(dòng)主要出現(xiàn)的區(qū)域，定義POP2為南太平洋-南大西洋（SPSA）型，根據(jù)擾動(dòng)所在位置，可推測(cè)該P(yáng)OP型與厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)，SPSA型循環(huán)過程顯示，擾動(dòng)自西向東傳播且在印度洋海域有中斷的趨勢(shì)，這與南印度洋擾動(dòng)的徑向傳播有關(guān)，這些特征共同反映了SPSA對(duì)東亞季風(fēng)帶10~20 d低頻振蕩的影響。

3 討論

統(tǒng)計(jì)1954~2018年間夏季江淮流域持續(xù)性暴雨過程發(fā)生前10~20 d POP型（SCGT，SPSA），可以發(fā)現(xiàn)：“雙阻型”過程發(fā)生在SCGT虛部正位相之后的個(gè)例數(shù)占比77.8%（通過0.05顯著性檢驗(yàn)），表明利用SCGT全球POP型正負(fù)位相變化來對(duì)未來30 d內(nèi)江淮流域是否發(fā)生“雙阻型”持續(xù)性暴雨過程具有一定的參考性；“單阻型”過程發(fā)生在SCGT實(shí)部正位相、SPSA虛部負(fù)位相之后的個(gè)例占比均為66.7%（通過0.05顯著性檢驗(yàn)），表明利用這兩種全球ISO型正負(fù)位相變化來對(duì)未來30 d內(nèi)江淮流域是否發(fā)生“雙阻型”持續(xù)性暴雨過程均具有一定的參考性。

基于主振蕩型的循環(huán)特征，結(jié)合低頻天氣圖的變化，為江淮持續(xù)性暴雨過程的預(yù)測(cè)提供了可能方案。以“雙阻型”過程為例，探討SCGT型在過程發(fā)生前兩周（-14 d~0 d）大氣低頻振蕩變化情況。根據(jù)POP分析結(jié)果，SCGT振蕩周期為15 d，分8個(gè)位相，每個(gè)位相大約持續(xù)2 d，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，過程發(fā)生-14 d左右，SCGT型從p4開始循環(huán)，分別經(jīng)過位相4、5、…1、2、3，循環(huán)至p3時(shí)，持續(xù)性暴雨過程開始。對(duì)比分析對(duì)流層高低層（200 hPa和850 hPa）全球低頻風(fēng)場(chǎng)合成圖（圖略），從低頻風(fēng)場(chǎng)的循環(huán)過程可看到，對(duì)流層高層北半球東亞和西歐等地受氣旋-反氣旋交替影響的現(xiàn)象明顯，而在對(duì)流層低層，當(dāng)SCGT循環(huán)至位相2后，阿拉伯海到我國(guó)南海一帶出現(xiàn)顯著西風(fēng)帶，該西風(fēng)帶與受副高影響的西太平洋反氣旋相互作用，形成有利于水汽輸送的西南氣流，這一特征穩(wěn)定存在時(shí)，可為PHR持續(xù)提供水汽條件。

4 結(jié)論

本文利用POP方法研究了1954~2018年4~8月全球大氣10~20 d低頻主振蕩型及其在江淮流域持續(xù)性暴雨過程發(fā)生前的傳播特征，主要結(jié)論如下：

（1）4~8月全球850 hPa環(huán)流存在兩個(gè)10~20 d主振蕩型：南半球繞球遙相關(guān)型（SCGT型）和南太平洋-南大西洋型（SPSA型）。SCGT型與南半球熱帶外地區(qū)大氣內(nèi)部非線性相互作用過程有關(guān)，反映了南北半球環(huán)流之間的相互關(guān)系影響了東亞夏季風(fēng)的氣候變化；SPSA型與厄爾尼諾等影響有關(guān)，反映了南太平洋和南大西洋低頻擾動(dòng)通過緯向和徑向傳播對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)的影響；

（2）SCGT和SPSA型的位相變化特征為持續(xù)性暴雨過程預(yù)報(bào)提供可能方案?！半p阻型”過程主要發(fā)生在SCGT虛部正位相，過程發(fā)生-14 d（前兩周）左右，SCGT型處于位相4，隨著位相的推移，對(duì)流層低層上，阿拉伯海到我國(guó)南海一帶出現(xiàn)顯著西風(fēng)帶，該西風(fēng)與西太平洋反氣旋相互作用，形成有利于水汽輸送的西南氣流，與高層低頻環(huán)流相互配合，共同構(gòu)成有利于過程發(fā)生的環(huán)流背景?！皢巫栊汀边^程主要發(fā)生在SCGT實(shí)部正位相、SPSA虛部負(fù)位相。

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Characteristics and Analysis of the Low Frequency Oscillation during the Persistent Heavy Rainfall

LI Ye

450003,

Based on the NCEP/NCAR reanalysis data from 1954 to 2018, the Principal Oscillation Pattern (POP) analysis and the Synthetic analysis are adopted to calculate the dominant POP pairs from April to August, and composite analyze the characteristics of global atmospheric 10-20d low frequency oscillation before the persistent heavy rainfall (PHR) events over the Yangtze-Huaihe River Valley (YHRV). There are two dominant POP patterns found in 10-20 day oscillation when the POP analysis is applied to the 850-hPa geo-potential height: the first pattern is the Southern hemisphere Crossing Globe Teleconnection Pattern (SCGT Pattern), which relates to the non-linear interaction process in the atmosphere outside the tropical zone of the southern hemisphere and reflect that the interaction between the circulation of the northern and southern hemispheres affects the climate change of the East Asian summer monsoon; the second pattern is the Southeast Pacific-South Atlantic Pattern(SPSA Pattern), which relates to El Nino's influence and reflects the influence of low-frequency disturbances in the Southeast Pacific and South Atlantic on East Asia and Northwest Pacific through zonal and radial propagation. 77.8 percentages of D-PHR happened when the image of SCGT changed into a positive phase; 66.7 percentages of S-PHR happened when the real of SCGT changed into a positive phase, the image of SPSA changed into a negative phase. By using the POP phase synthesis, the low-frequency circulation characteristics of two types of persistent rainstorm processes on the YHRV can be analyzed, which provide reference for the prediction of PHR.

Persistent heavy rainfall (PHR); oscillation pattern; circulation

P434

A

1000-2324(2019)05-0801-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.013

2018-10-23

2019-02-15

李曄(1980-),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樘鞖饫走_(dá)技術(shù). E-mail:13937117535@139.com