郝立生 馬寧 何麗燁 梁蘇潔 孫樹鵬

天津市氣候中心, 天津 300074

1 引言

次季節(jié)和延伸期可預(yù)報(bào)性的主要來源在于大氣季節(jié)內(nèi)振蕩ISO（Intraseasonal Oscillation），特別是沿赤道向東傳播具有30～60 d 周期的熱帶大氣低頻振蕩 MJO（ Madden-Julian oscillation）（Madden and Julian 1971, 1972）。ISO/MJO 是熱帶次季節(jié)變化的主要分量，氣象學(xué)家已開展了大量關(guān)于ISO/MJO 演變特征及影響研究（Jones et al.,2004; Donald et al., 2006; Lin and Brunet, 2009;Zhang et al., 2009; Pai et al., 2011; Jia et al., 2011;Matsueda and Takaya, 2015; Alvarez et al., 2016; Chu et al., 2017; 余汶檣和高慶九, 2020; 楊秋明, 2021）。研究表明，ISO/MJO 不僅通過對(duì)流和環(huán)流異常直接影響熱帶地區(qū)的天氣與氣候（Zhang, 2005;Donald et al., 2006; Pai et al., 2011），還可以通過激發(fā)的羅斯貝波列或ENSO 變化對(duì)中緯度地區(qū)的大氣環(huán)流和天氣產(chǎn)生影響（Jones et al., 2004; Lin and Brunet, 2009; Jones et al., 2011; Alvarez et al.,2016; Hsu et al., 2017; Hao et al., 2020; Arcodia et al.,2020）。

研究發(fā)現(xiàn)，ISO 具有顯著的季節(jié)變化特征（Julian and Madden, 1981; Madden, 1986; Wang and Rui, 1990; Salby and Hendon, 1994; Hendon and Salby, 1994; Zhang and Dong, 2004; Kikuchi et al.,2012），在北半球冬季ISO 主要表現(xiàn)為對(duì)流區(qū)沿赤道向東傳播（Madden and Julian, 1971, 1972,1994），而在北半球夏季ISO 對(duì)流中心從赤道北移到10°～20°N，在南亞季風(fēng)區(qū)有顯著的北傳特征（Lau and Chan, 1986; Wang and Rui, 1990; Li and Wang, 1994）。為了便于區(qū)分，氣象學(xué)家把北半球冬季東傳的ISO 信號(hào)稱為MJO，把北半球夏季東亞季風(fēng)區(qū)的ISO 信號(hào)稱為BSISO（Boreal Summer Intraseasonal Oscillation）。這樣就可以把熱帶大氣低頻振蕩信號(hào)ISO 分為MJO 和BSISO 兩個(gè)模態(tài)，MJO 在北半球冬季（12 月至次年4 月）起主導(dǎo)作用，BSISO 在夏季（6～10 月）起主導(dǎo)作用，在5 月、11 月兩個(gè)模態(tài)都有可能起主導(dǎo)作用（Kikuchi et al., 2012）。實(shí)際上，MJO 信號(hào)在所有季節(jié)都是存在的，只是在北半球夏季表現(xiàn)較弱（ Madden and Julian, 1972, 1994; Wheeler and Hendon, 2004; Zhang, 2005）。 所以， 常常把BSISO 看作是北半球夏季盛行的特殊模態(tài)（Wang and Xie, 1997; Lee et al., 2013）。

BSISO 傳播特征比MJO 復(fù)雜得多，許多學(xué)者對(duì)BSISO 產(chǎn)生機(jī)制和影響開展了研究（Wang and Xie, 1997; Lawrence and Webster, 2001, 2002; Hu et al., 2020）。Jiang and Li（2005）采用異常大氣環(huán)流模式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大氣底層比濕輻合、輻散是BSISO 重啟的重要前兆信號(hào)；BSISO 可以影響季風(fēng)爆發(fā)（Wang and Xie, 1996; Kang et al., 1999）、活躍/中斷（Annamalai and Slingo, 2001; Hoyos and Webster, 2007; Ding and Wang, 2009），其與南亞季風(fēng)降水活躍/中斷密切相關(guān)（Cadet, 1986; Lau and Chan, 1986; Gadgil and Asha, 1992; Lawrence and Webster, 2001, 2002）；BSISO 處于不同的干期或濕期會(huì)對(duì)大氣水文過程產(chǎn)生重要影響（Lau and Waliser, 2005; Lee et al., 2017b）。

研究還發(fā)現(xiàn)，BSISO 信號(hào)在印度夏季風(fēng)區(qū)域向東北方向傳播（Yasunari, 1979, 1980; Krishnamurti and Subrahmanyam, 1982; Lau and Chan, 1986;Annamalai and Slingo, 2001; Jiang et al., 2004; Wang et al., 2005; Annamalai and Sperber, 2005），具有30～60 d 振蕩周期（Wang et al., 2005; Lee et al.,2013）；在西北太平洋地區(qū)向西北方向傳播（Murakami, 1984; Lau and Chan, 1986; Chen and Chen, 1993; Kemball-Cook and Wang, 2001; Hsu and Weng, 2001; Kajikawa and Yasunari, 2005; Yun et al.,2008, 2009, 2010; Chu et al., 2012; Lee et al., 2013），具有10～30 d 振蕩周期（Kikuchi and Wang, 2010;Lee et al., 2013）。BSISO 可以通過調(diào)整大尺度環(huán)流和水汽分布而對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)降水產(chǎn)生明顯影響（Webster et al., 1998; Mao and Wu, 2006; Yang et al., 2010; Moon et al., 2013; Chen et al., 2015; Hsu et al., 2016; Lee et al., 2017a, 2017b），它已成為亞洲季風(fēng)區(qū)開展短期和延伸期氣候預(yù)測(cè)的主要信號(hào)源（Webster et al., 1998; Ding and Wang, 2005; Wang and Ding, 2008; Lee et al., 2011, 2013; Wang et al.,2012）。

鑒于BSISO 的重要影響，開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)BSISO 變化以及改進(jìn)基于BSISO 的延伸期預(yù)測(cè)技術(shù)的研究非常有意義，以往研究已取得一些進(jìn)展（Lau and Chan, 1986; Waliser et al., 2004; Annamalai and Sperber, 2005; Kikuchi et al., 2012），大多是針對(duì)長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)降水，缺乏對(duì)華北夏季季節(jié)內(nèi)降水的影響研究，而且也不能很好描述北半球夏季BSISO 變化特征。Lee et al.（2013）采用（10°S～40°N、40°E～160°E）范圍內(nèi)的夏季5～10 月向外長(zhǎng)波輻射OLR（Outgoing Longwave Radiation）資料和850 hPa 層緯向風(fēng)速（U850）的日資料作經(jīng)驗(yàn)正交EOF（Empirical Orthogonal Function）分解，并參照MJO 的定義方法，將前兩個(gè)特征向量EOF1、EOF2 聯(lián)合定義為振蕩模態(tài)BSISO1，將特征向量EOF3、EOF4 聯(lián)合定義為BSISO2，其中BSISO1 振蕩周期約30～60 d，具有由赤道印度洋向東北方向傳播特征，BSISO2 振蕩周期約10～30 d，具有由西北太平洋向西北方向傳播特征。BSISO 指數(shù)很大程度上可以描述亞洲季風(fēng)區(qū)的季節(jié)內(nèi)變化部分，而且比MJO（RMM）指數(shù)（Wheeler and Hendon, 2004）更好地刻畫東亞夏季大氣低頻振蕩的北傳特征，實(shí)際應(yīng)用效果較好（Hsu et al., 2016, 2017; Ren et al., 2018）。

本文參考Lee et al.（2013）的定義方法，把范圍擴(kuò)大到華北地區(qū)，改進(jìn)計(jì)算方法，進(jìn)一步分析北半球夏季東亞熱帶地區(qū)BSISO 演變特征及對(duì)華北夏季降水的影響，為改進(jìn)延伸期降水預(yù)測(cè)技術(shù)提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文所用資料：（1）日降水量資料。使用國(guó)家氣象信息中心提供的1980～2019 年全國(guó)1700 站逐日降水資料，作11 d 滑動(dòng)平均處理，濾掉天氣尺度擾動(dòng)成分。其中，2018 年華北夏季逐日降水量序列是148 站（圖1）平均值。（2）環(huán)流資料。使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research， 簡(jiǎn)稱NCEP/NCAR）聯(lián)合制作的再分析資料（Kalnay et al., 1996），從美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的官方網(wǎng)站 https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/index.html [2020-09-15]下載。資料水平分辨率2.5°×2.5°，選用時(shí)段為1980～2019 年1～12月逐日資料，要素為850 hPa 層的水平風(fēng)速（u、v）和比濕q，500 hPa 層的高度場(chǎng)等。（3）向外長(zhǎng)波輻射資料。資料水平分辨率2.5°×2.5°，選用時(shí)段為1980～2019 年1～12 月逐日資料，從NOAA 的官方網(wǎng)站https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/index.html [2020-09-15]下載。（4）MJO 指數(shù)資料。采用澳大利亞氣象局的RMM 實(shí)時(shí)多變量MJO 指數(shù)（All-Season Real-Time Multivariate MJO index），該指數(shù)從澳大利亞氣象局官方網(wǎng)站http://www.bom.gov.au/climate/mjo/ [2020-09-15]下載。

圖1 華北地區(qū)148 個(gè)氣象站點(diǎn)分布。方框區(qū)域表示華北區(qū)域，下同F(xiàn)ig. 1 Spatial distribution of 148 meteorological stations in North China. The boxed area represents the North China area, the same below

BSISO 指數(shù)的建立，參考Lee et al.（2013）文獻(xiàn)，考慮到對(duì)華北的影響，這里選擇采用1981～2010 年30 年夏季5～10 月逐日的（10°S～50°N、40°～160°E）范圍內(nèi)向外長(zhǎng)波輻射OLR 和850 hPa 層緯向風(fēng)速U850 聯(lián)合放到一起作經(jīng)驗(yàn)正交EOF 分解。分解前先把資料作預(yù)處理：第一步，把每個(gè)格點(diǎn)日值OLR、U850 資料減去該點(diǎn)該日30 a的平均值，去掉年變化和季節(jié)變化成分；第二步，將得到的數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上作 10～80 天Butterworth 帶通濾波，去掉天氣尺度和季節(jié)以上尺度的變化成分；第三步，計(jì)算出第二步得到的數(shù)據(jù)30 年（10°S～50°N、40°～160°E）范圍的平均值和均方差，將每個(gè)格點(diǎn)數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理。然后將標(biāo)準(zhǔn)化的OLR、U850 格點(diǎn)數(shù)據(jù)放在一個(gè)矩陣?yán)镒髀?lián)合EOF 分解，得到若干個(gè)空間特征向量場(chǎng)EOFs 和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)PCs?？蓪⑶皟蓚€(gè)特征向量EOF1、EOF2 聯(lián)合定義為振蕩模態(tài)BSISO1，將EOF3、EOF4 聯(lián)合定義為振蕩模態(tài)BSISO2，對(duì)應(yīng)四個(gè)特征向量EOF1、EOF2、EOF3、EOF4 的時(shí)間系數(shù)分別為PC1、PC2、PC3、PC4。另外，對(duì)于任何一年，時(shí)間系數(shù)PC1、PC2、PC3、PC4 可以由1981～2010 年分解得到的特征向量場(chǎng)EOF1、EOF2、EOF3、EOF4 分別乘以該年空間場(chǎng)得到，而對(duì)應(yīng)的四個(gè)特征向量場(chǎng)EOF1、EOF2、EOF3、EOF4 可由該年空間場(chǎng)分別對(duì)時(shí)間系數(shù)PC1、PC2、PC3、PC4 回歸重構(gòu)得到。關(guān)于EOF1、EOF2 可聯(lián)合定義為BSISO1，而EOF3、EOF4 可聯(lián)合定義為BSISO2，Lee et al.（2013）中已作了檢驗(yàn)和說明，這里不再重復(fù)敘述。

本文還用到相關(guān)分析、Morlet 小波分析、環(huán)流異?；貧w重構(gòu)等方法（Torrence and Compo, 1998;Wang et al., 2008; 郝立生和侯威, 2018）。

3 BSISO 演變特征

3.1 BSISO 的兩個(gè)模態(tài)

將1981～2010 年（30 年）5～10 月逐日（10°S～50°N、40°～160°E）范圍內(nèi)的向外長(zhǎng)波輻射OLR資料和U850 資料作經(jīng)驗(yàn)EOF 分解。圖2 是前4個(gè)特征向量場(chǎng)EOF1、EOF2、EOF3、EOF4 的空間分布，分別解釋空間變化方差的9.5%、6.0%、5.0%、4.3%，累計(jì)24.8%，大于Lee et al.（2013）分解得到的主模態(tài)方差，表明這里得到空間模態(tài)可能有更好的代表性?？梢钥吹?，特征向量場(chǎng)EOF1與EOF2 有著相似的特征，空間分布都是呈西北—東南傾斜狀；特征向量場(chǎng)EOF3 與EOF4 也有著相似的特征，但與EOF1、EOF2 空間分布相反，呈西南—東北傾斜狀。研究（Lee et al., 2013）表明，EOF1、EOF2 兩者具有相似的振蕩周期，分別是30～60 d 低頻信號(hào)在不同位相的表現(xiàn)形式；EOF3、EOF4 兩者也具有相似的振蕩周期，是10～30 d 低頻信號(hào)在不同位相的表現(xiàn)形式。參考低頻振蕩信號(hào)MJO 的定義方法（Wheeler and Hendon, 2004），可將EOF1、EOF2 聯(lián)合起來定義為BSISO1，將EOF3、EOF4 聯(lián)合起來定義為BSISO2。

圖2 1981～2010 年5～10 月逐日OLR、U850 經(jīng)驗(yàn)EOF 分解得到的特征向量場(chǎng)（a）EOF1、（b）EOF2、（c）EOF3、（d）EOF4 的空間分布。OLR 異常（陰影，單位：W m-2）、水平風(fēng)速的異常（箭頭，單位：m s-1）是對(duì)時(shí)間系數(shù)（PC1、PC2、PC3、PC4）回歸重構(gòu)得到的Fig. 2 Spatial structures of the (a) EOF1 (the first mode of empirical orthogonal function), (b) EOF2, (c) EOF3, and (d) EOF4 of the daily OLR(Outgoing Longwave Radiation) and U850 (850-hPa zonal wind). EOF modes were obtained within 5-10 months from 1981 to 2010. OLR anomalies(shadings, units: W m-2), horizontal wind speed anomalies (arrows, units: m s-1) were obtained by regressing them onto PCs (principal components)

3.2 BSISO 的振蕩周期

下面分析BSISO 主要模態(tài)的變化周期，這里采用Morlet 小波分析方法。圖3 是時(shí)間系數(shù)PC1、PC2、PC3、PC4 的小波功率譜分布，橫軸對(duì)應(yīng)的是時(shí)間，縱軸對(duì)應(yīng)的是振蕩周期?？梢钥吹剑琍C1存在10～70 d 周期變化，PC2 存在10～60 d 周期變化，而PC3、PC4 主要存在10～30 d 周期變化。為了便于分析和比較，下面對(duì)PC1、PC2 作30～60 d 濾波處理，對(duì)PC3、PC4 作10～30 d 濾波處理。

圖3 1981～2010 年5～10 月時(shí)間系數(shù)PC1、PC2、PC3、PC4 的Morlet 小波功率譜分布。陰影區(qū)通過了95%信度水平的顯著性檢驗(yàn)，顏色越深可信度越高Fig. 3 Morlet wavelet power spectrum distribution of the time series PC1 (the first principal component), PC2, PC3, and PC4 during 5-10 months from 1981 to 2010. The shaded area passed the test at 95% confidence level, and the darker the color, the higher the reliability

圖4 是PC1（PC3）相對(duì)于PC2（PC4）超前滯后相關(guān)系數(shù)，黑（綠）色線是濾波前PC1（PC2）、PC3（PC4）超前滯后的自相關(guān)系數(shù)，藍(lán)（紅）色線是濾波前（濾波后）PC1 相對(duì)于PC2，PC3 相對(duì)于PC4 的超前滯后的相關(guān)系數(shù)。從圖4a上可以看到，濾波前PC1（PC2）超前滯后自相關(guān)系數(shù)存在約45 d 的周期變化；作30～60 d 濾波后，PC1 超前PC2 約13 d 時(shí)相關(guān)系數(shù)最大，這表明PC1 出現(xiàn)13 d 后PC2 才發(fā)生，也就是空間模態(tài)EOF1 出現(xiàn)13 d 后，EOF2 才出現(xiàn)。從圖4b 上可以看到，濾波前PC3（PC4）超前滯后自相關(guān)系數(shù)存在約20 d 的周期變化；作10～30 d 濾波后，PC3超前PC4 約5 d 時(shí)正相關(guān)系數(shù)最大，這表明PC3出現(xiàn)5 d 后PC4 才發(fā)生，也就是空間模態(tài)EOF3 出現(xiàn)5 d 后，EOF4 才出現(xiàn)。因此，BSISO1 具有約45 d 的振蕩周期，其包含的兩個(gè)空間模態(tài)EOF1、EOF2 出現(xiàn)時(shí)間前后相差約13 d，即約四分之一位相；BSISO2 具有約20 d 的振蕩周期，其包含的兩個(gè)空間模態(tài)EOF3、EOF4 出現(xiàn)時(shí)間前后相差約5 d，也是約四分之一位相。

圖4 1981～2010 年5～10 月（a）PC1 對(duì)PC2、（b）PC3 對(duì)PC4 的超前滯后的相關(guān)系數(shù)。黑色線是濾波前PC1（PC3）本身超前和滯后的自相關(guān)系數(shù)，綠色線是濾波前PC2（PC4）本身超前和滯后的自相關(guān)系數(shù)，藍(lán)色線是濾波前PC1 對(duì)PC2、PC3 對(duì)PC4 的超前滯后相關(guān)系數(shù)，紅色線是濾波后PC1 對(duì)PC2（30～60 d）、PC3 對(duì)PC4（10～30 d）的超前滯后相關(guān)系數(shù)Fig. 4 Lead-lag correlation coefficient of (a) PC1 relative to PC2, (b) PC3 relative to PC4 during 5-10 months from 1981 to 2010. The black line is the lead-lag autocorrelation coefficient of PC1 (PC3) before filtering, the green line is the lead-lag autocorrelation coefficient of PC2 (PC4) before filtering, the blue line is the lead-lag correlation coefficient of PC1 to PC2, PC3 to PC4 before filtering, and the red line is the lead-lag correlation coefficient of PC1 to PC2 (30-60 d filtered), PC3 to PC4 (10-30 d filtered) after filtering

綜合以上可知，特征向量場(chǎng)EOF1、EOF2 具有空間分布相似性，都表現(xiàn)為西北—東南向的傾斜狀，具有30～60 d 振蕩周期，由熱帶印度洋向東北方向傳播，兩者出現(xiàn)時(shí)間前后相差13 d 左右，這兩個(gè)模態(tài)代表了30～60 d 的大氣低頻信號(hào)?？蓪OF1、EOF2 聯(lián)合起來定義為BSISO1，具有約45 d 的振蕩周期，兩個(gè)空間場(chǎng)前后相差約13 d，即相差約四分之一位相。特征向量場(chǎng)EOF3、EOF4 也具有空間分布相似性，但與EOF1、EOF2分布相反，都表現(xiàn)為西南—東北向的傾斜狀，具有10～30 d 振蕩周期，由西北太平洋向西北方向傳播，兩空間場(chǎng)前后相差5 d 左右，這兩個(gè)模態(tài)代表了10～30 d 的大氣低頻信號(hào)?？蓪OF3、EOF4 聯(lián)合起來定義為BSISO2，具有約20 d 的振蕩周期，兩個(gè)模態(tài)前后相差約5 d，即相差約四分之一位相。BSISO1、BSISO2 這兩種低頻信號(hào)可以用于延伸期預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中，尤其對(duì)于東亞夏季風(fēng)和東亞夏季降水的預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)。

3.3 BSISO 的位相變化

參考熱帶大氣低頻振蕩MJO 的定義方法（ Wheeler and Hendon, 2004）， 結(jié)合 Lee et al.（2013），將以上的EOF1、EOF2 聯(lián)合定義為BSISO1，將EOF3、EOF4 聯(lián)合定義為BSISO2。圖5 是BSISO1、BSISO2 的位相變化示意圖。為更清楚看到空間分布演變情況，將1981～2010 年分解得到的空間主要模態(tài)EOF1、EOF2、EOF3、EOF4（圖2）乘以圖5 中對(duì)應(yīng)的各個(gè)位相的時(shí)間系數(shù)，得到BSISO1、BSISO2 隨時(shí)間的空間演變情況（圖6、圖7）。

圖5 1981～2010 年5～10 月（a）BSISO1、（b）BSISO2 位相變化。數(shù)字1、2、3、4、5、6、7、8 代表8 個(gè)位相Fig. 5 Phase change of the (a) BSISO1 (Mode 1 of Boreal Summer Intraseasonal Oscillation) and (b) BSISO2 (Mode 2 of Boreal Summer Intraseasonal Oscillation) during 5-10 months from 1981 to 2010. The numbers 1-8 represent the eight phases

圖6 是BSISO1 的8 個(gè)位相空間分布情況。BSISO1 描述的主要是30～60 d 低頻信號(hào)?？梢钥吹?，在位相1，低頻信號(hào)首先出現(xiàn)在熱帶印度洋75°E 附近；位相2，低頻信號(hào)進(jìn)一步向東北方向移動(dòng)到印度半島，并加強(qiáng)；位相3，低頻信號(hào)向東北移到孟加拉灣，并向東擴(kuò)展到南海；位相4，低頻信號(hào)主體移到菲律賓附近；位相5，低頻信號(hào)向東北移動(dòng)進(jìn)入菲律賓海，并加強(qiáng)；位相6，低頻信號(hào)向東北移動(dòng)進(jìn)入西北太平洋，開始減弱；位相7，低頻信號(hào)進(jìn)一步減弱；位相8，低頻信號(hào)北移、減弱消失在西北太平洋，這時(shí)，在熱帶印度洋地區(qū)，低頻信號(hào)又開始出現(xiàn)?？傊?，30～60 d 低頻信號(hào)由赤道印度洋產(chǎn)生，逐漸向東北方向傳播、加強(qiáng)，之后減弱、消失在西北太平洋，向東北方向傳播特征非常明顯。

圖6 1981～2010 年5～10 月BSISO1 的8 個(gè)位相OLR 異常（陰影區(qū)，單位：W m-2）、水平風(fēng)速異常（箭頭，單位：m s-1）的空間分布。OLR 異常、水平風(fēng)速異常值分別是對(duì)時(shí)間系數(shù)PC1、PC2 回歸得到的結(jié)果Fig. 6 Spatial distributions of the OLR anomalies (shadings, units: W m-2) and horizontal wind speed anomalies (vectors, units: m s-1) in the eight phases of BSISO1 during 5-10 months from 1981 to 2010. OLR anomalies, horizontal wind speed anomalies reconstructed based on PC1 and PC2,respectively

圖7 是BSISO2 的8 個(gè)位相空間分布情況。BSISO2 描述的主要是10～30 d 低頻信號(hào)。可以看到，在位相1，低頻信號(hào)首先出現(xiàn)在西北太平洋赤道150°E 附近；位相2，低頻信號(hào)進(jìn)一步向西北方向移動(dòng)到（10°N，140°E）附近，并逐漸加強(qiáng)；位相3，低頻信號(hào)向西北移動(dòng)到菲律賓海附近；位相4，低頻信號(hào)進(jìn)一步北移、加強(qiáng)，西南—東北傾斜非常明顯，向西南擴(kuò)展到南海、熱帶印度洋；位相5，低頻信號(hào)進(jìn)一步向西北方向移動(dòng)到中國(guó)華南沿海，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)；位相6，低頻信號(hào)向西北方向移動(dòng)，進(jìn)入到東亞南部和孟加拉灣；位相7、8，低頻信號(hào)繼續(xù)向西北移動(dòng)進(jìn)入到東亞、孟加拉灣較高緯度地區(qū)，信號(hào)明顯減弱，同時(shí)西北太平洋地區(qū)，有新的低頻信號(hào)開始出現(xiàn)?？傊?0～30 d 低頻信號(hào)由西北太平洋產(chǎn)生，逐漸向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度先加強(qiáng)后減弱，最后減弱消失在東亞較高緯度地區(qū)，向西北方向傳播特征非常明顯。這與以往研究（郝立生等, 2015）低頻振蕩信號(hào)傳播所得結(jié)論是一致的。

圖7 1981～2010 年5～10 月BSISO2 的8 個(gè)位相OLR 異常（陰影區(qū)，單位：W m-2）、水平風(fēng)速異常（箭頭，單位：m s-1）的空間分布。OLR 異常、水平風(fēng)速異常值分別是對(duì)時(shí)間系數(shù)PC3、PC4 回歸得到的結(jié)果Fig. 7 Spatial distributions of the OLR anomalies (shadings, units: W m-2) and horizontal wind speed anomalies (vectors, units: m s-1) in the eight phases of BSISO2 during 5-10 months from 1981 to 2010. OLR anomalies, horizontal wind speed anomalies reconstructed based on PC3 and PC4,respectively

4 BSISO 與華北夏季降水的關(guān)系

因?yàn)?018 年夏季低頻降水特征突出（郝立生等, 2020），這里選擇2018 年作個(gè)例分析。圖8a是2018 年華北降水量和BSISO 的時(shí)間系數(shù)PCs（即PC1、PC2、PC3、PC4）的逐日變化，日降水量數(shù)據(jù)作了11 d 滑動(dòng)平均處理，圖8a 中PCs 系數(shù)作了31 d 滑動(dòng)平均，圖8b 中PCs 系數(shù)未作任何濾波處理。降水振幅與PCs 變化振幅都是在夏季最大，但對(duì)應(yīng)關(guān)系看起來不是很清晰。圖8b 是夏季5～8 月未濾波的時(shí)間系數(shù)PCs 超前日降水量的相關(guān)系數(shù)?？梢钥吹剑琍Cs 在超前一段時(shí)間與日降水過程有很好的相關(guān)性。PC1 在超前降水17 d 為顯著的正相關(guān)、超前33 d 為顯著負(fù)相關(guān)；PC2 在超前12 d 為顯著的正相關(guān)；PC3 在超前14 d 為顯著的正相關(guān)；PC4 在超前15 d 為顯著的負(fù)相關(guān)、超前32 d 為顯著正相關(guān)?？梢姡珺SISO 信號(hào)對(duì)華北夏季延伸期降水過程預(yù)測(cè)有較好的指示意義。

圖8 2018 年夏季（a）逐日降水量（11 d 滑動(dòng)平均）和PCs 系數(shù)（31 d 滑動(dòng)平均）變化，（b）PCs 系數(shù)（未作濾波）超前降水量的相關(guān)系數(shù)變化，灰色虛線是95%信度水平線Fig. 8 Variations of (a) the daily precipitation (11-day running mean) and PCs time series (31-day running mean), (b) correlation coefficients of PCs(no filtered) leading precipitation in summer of 2018. In Fig. b, the gray dashed line represents the 95% confidence level

下面對(duì)BSISO 可能通過什么機(jī)制影響華北夏季降水過程作初步分析。影響華北夏季降水最重要的環(huán)流層是850 hPa 和500 hPa，850 hPa 是主要的水汽輸送層和輻合層，而500 hPa 是產(chǎn)生動(dòng)力上升的關(guān)鍵層。圖9 是對(duì)夏季（6～8 月）BSISO1、BSISO2 振幅（即PC1 與PC2 的均方根，PC3 與PC4 的均方根）同期回歸重構(gòu)的500 hPa 高度場(chǎng)環(huán)流異常情況?？梢钥吹?，BSISO1 會(huì)對(duì)中緯度環(huán)流造成明顯影響，歐洲西海岸正距平、烏拉爾山附近負(fù)距平、中西伯利亞正距平、朝鮮半島附近負(fù)距平（圖9a）。從回歸原理看，這種環(huán)流分布形勢(shì)對(duì)應(yīng)BSISO1 的5～6 位相，不利于華北產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)（圖9a）；BSISO1 的1、2 位相時(shí)間系數(shù)PC1、PC2 與PC5、PC6 正負(fù)相反，所以對(duì)應(yīng)1～2 位相的環(huán)流形勢(shì)是相反的（圖9a），即轉(zhuǎn)變?yōu)闅W洲西海岸負(fù)距平、烏拉爾山附近正距平、中西伯利亞負(fù)距平、朝鮮半島附近正距平，這種形勢(shì)下，西北太平洋副熱帶高壓北移到朝鮮半島附近并加強(qiáng)，對(duì)西來降水系統(tǒng)形成阻擋作用，有利于華北出現(xiàn)降水過程；對(duì)應(yīng)3～4 位相、7～8 位相，由于PC3 與PC4、PC7 與PC8 正負(fù)號(hào)相反，合成的環(huán)流形勢(shì)強(qiáng)度會(huì)明顯減弱。BSISO2 對(duì)500 hPa 環(huán)流的影響與BSISO1 類似，也主要是通過對(duì)西北太平洋副熱帶高壓的影響來影響華北夏季降水過程的?？傊?，BSISO 是通過對(duì)夏季副熱帶高壓位置、強(qiáng)度的調(diào)整而影響華北夏季降水過程的。

圖9 2018 年夏季對(duì)（a）BSISO1、（b）BSISO2 振幅回歸重構(gòu)的500 hPa 高度異常（陰影，單位：dagpm）。等值線是多年平均7～8 月高度場(chǎng)（單位：dagpm），黑色點(diǎn)區(qū)通過了95%信度水平的顯著性檢驗(yàn)Fig. 9 500-hPa geopotential height anomalies (shadings, units: dagpm) reconstructed by regression onto the amplitude of (a) BSISO1 and (b) BSISO2 in the summer of 2018. The contours are the multi-year mean of the 500-hPa geopotential height (units: dagpm) from July to August. Black dotted areas pass the test at 95% confidence level

圖10 是對(duì)夏季（6～8 月）BSISO1、BSISO2振幅同期回歸重構(gòu)的850 hPa 比濕場(chǎng)、水平風(fēng)場(chǎng)異常分布情況。可以看到，BSISO1 會(huì)對(duì)華北地區(qū)850 hPa 水汽分布和風(fēng)場(chǎng)環(huán)流造成明顯影響，華北為西南風(fēng)異常，水汽明顯減少，不利于華北地區(qū)出現(xiàn)降水過程。從回歸原理看，這種情況對(duì)應(yīng)BSISO1 的5～6 位相，主要對(duì)流區(qū)位于南海北部及以東海面上（圖6e、f），東亞為東北風(fēng)異常環(huán)流，水汽來源不足，不利于華北出現(xiàn)降水過程；而對(duì)應(yīng)1～2 位相的形勢(shì)基本是相反的，華北水汽大量增加（圖10a），對(duì)流區(qū)位于東亞地區(qū)、東亞為西南風(fēng)異常（圖6a、b），華北易出現(xiàn)降水天氣過程；對(duì)應(yīng)3～4 位相、7～8 位相，由于PC3 與PC4、PC7 與PC8 正負(fù)號(hào)相反，合成的850 hPa 水汽場(chǎng)和水平風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)明顯減弱。BSISO2 對(duì)850 hPa 水汽場(chǎng)和水平風(fēng)場(chǎng)與BSISO1 類似，也主要是通過對(duì)華北水汽的影響來影響華北夏季降水過程的?？傊珺SISO 是通過對(duì)華北水汽多少的調(diào)整而影響華北夏季降水過程的。

圖10 2018 年夏季對(duì)（a）BSISO1、（b）BSISO2 振幅回歸重構(gòu)的850 hPa 水平風(fēng)場(chǎng)異常（箭頭，單位：m s-1）和比濕場(chǎng)異常（陰影，單位：g kg-1）Fig. 10 The 850-hPa horizontal wind anomalies (arrows, units: m s-1) and specific humidity anomalies (shadings, units: g kg-1) reconstructed by regression onto the amplitude of (a) BSISO1 and (b) BSISO2 in the summer of 2018

5 結(jié)論與討論

在北半球夏季，印度洋—西北太平洋地區(qū)存在兩種明顯的低頻信號(hào)，一種是BSISO1，空間分布呈西北—東南傾斜狀，從熱帶印度洋向東北方向傳播，振蕩周期約為45 d；另一種是BSISO2，空間分布呈西南—東北傾斜狀，從西北太平洋向西北方向傳播，振蕩周期約為20 d。

北半球夏季，BSISO 主要是通過影響西北太平洋副熱帶高壓位置、強(qiáng)度和華北地區(qū)水汽輸送異常來影響華北夏季降水過程的。在500 hPa 層，BSISO 信號(hào)會(huì)造成華北地區(qū)東部副熱帶高壓位置南北移動(dòng)和強(qiáng)度發(fā)生變化來影響華北夏季降水；在850 hPa 層，BSISO 信號(hào)會(huì)通過伴隨的異常氣旋性或反氣旋性異常環(huán)流影響向華北的水汽輸送來影響華北夏季降水。

雖然MJO 信號(hào)在全年都存在，但其變化在冬半年，尤其冬季振幅最大，在夏季最小。而BSISO信號(hào)變化在夏半年，尤其夏季振幅最大。因此，利用熱帶大氣低頻信號(hào)開展延伸期預(yù)測(cè)，冬半年可以重點(diǎn)考慮MJO 的影響，夏半年重點(diǎn)考慮BSISO 的影響。

東亞夏季的BSISO1、BSISO2 信號(hào)只占變化方差的24.8%，也就是東亞地區(qū)夏季環(huán)流變化比較復(fù)雜，大部分情況不是BSISO 信號(hào)，制作華北夏季延伸期降水預(yù)測(cè)，除了考慮BSISO 信號(hào)外，還要重視其他的環(huán)流異常信號(hào)。