江淮持續性暴雨過程前MJO熱帶低頻信號初探

吳建金

摘要我國江淮流域持續性暴雨過程發生前，熱帶大氣30～60天低頻振蕩特征明顯。選取近35年的21個典型的江淮持續性暴雨過程，基于位相統計及合成分析方法，探討了與過程相關的熱帶大氣低頻振蕩特征以及相關低頻系統的傳播特征。結果表明，MJO的位相1、2可作為江淮流域持續性暴雨過程發生的熱帶信號，熱帶印度洋北側一熱帶西太平洋一帶受低頻東風以及我國東南沿海低頻反氣sga-利于副高的西伸。

關鍵詞持續性暴雨過程；30一60天低頻振蕩；But terworth；MJO

夏季出現在我國江淮流域的持續性暴雨過程具有強度大、范圍廣、持續時間長和穩定性強等特點，極易造成大范圍洪澇災害，給經濟建設和人民生命財產帶來巨大損失。20世紀70年代初，Madden and Julian發現了熱帶地區緯向風具有自西向東周期性傳播特征（MJO）后，眾多學者對大氣低頻振蕩活動（Intraseasonal Oscillation，）尤其是30d～60d低頻振蕩做了大量的研究，并取得了階段性的成果。熱帶低頻對流中心從熱帶印度洋向熱帶西太平洋移動過程中引起西太平洋副高、水汽輸送和垂直運動的變化，引起長江流域和華南地區降水的變化。熱帶MJO的不同位相可作為江淮地區夏季降水的延伸預報信號，而且基于澳大利亞氣象局的MJO指數進行MJO實時監測與診斷，可以避開傳統上采用時間濾波提取M.J0信號不能用于實時預測的弊端。本文利用改進后的Butterworth帶通濾波方法、累計頻率法并結合合成分析等方法探究江淮持續性暴雨過程發生的熱帶MJO信號以及與過程相關的熱帶大氣30～60d低頻振蕩特征。

1資料和方法

統計分析中所用的MJO指數是Wheeler和Hendon提出的雙變量MJO指數（RMMl和RMM2，從澳大利亞氣象網站獲得實時逐日數據，時間長度為1975年～2011年）。向外長波輻射（OLR）資料采用1975—2011年4—8月的NOAA全球逐日平均資料（2.5。×2.5。），每年序列的時間長度為153d。環流場數據采用1975—2011年4—8月NCEP/NCAR全球逐日再分析資料（2.5°x2.5°）。綜合Tang等以及汪匯潔等對江淮流域持續性暴雨過程的研究成果，選取21個發生在1975—2011年6月中下旬及7月中下旬之間且持續時間在7天以上的持續性暴雨過程作為本文研究的樣本，具體信息見表1。根據中高緯度的大尺度環流背景將持續性暴雨過程分為3類：具有“兩脊一槽”環流背景特征的“雙阻型”，“兩槽一脊”環流背景特征的“單阻型”，以及存在多個高低壓中心的“多波型”。

采用一階Butterworth帶通濾波方法得到氣象要素的低頻場。在探討持續性暴雨過程前MJO指數的變化特征時，首先利用累計頻率法，分兩個時間段（過程發生前4d～id和發生時0d～+3d）落在MJO各位相的總天數，再統計35d～+6d期間，處于MJO不同位相的個例總數隨時間變化情況，用以探討過程前MJ0位相循環軌跡。

2過程發生時的環流背景特征

對比低頻天氣圖和實況/原始環流場可以判斷不同低頻系統與環流背景的聯系。因此，分析大氣30d～60d低頻振蕩之前，要先分析過程發生時的大尺度環流背景。以“雙阻型”為例，圖1為持續性暴雨過程開始0d～3d的環流特征合成圖，由圖可知：對流層高層南亞高壓呈帶狀分布，東緣位置偏東，而對流層中低層西太平洋副高位置偏西，副高西側的中低層偏南風與南亞高壓東南側的高層偏北風在我國江南地區疊置，構成穩定持續的季風垂直環流。陶詩言和朱福康的研究表明南亞高壓和西太副高存在“相向而行”和“相背而去”的關系，從本文所選過程前的逐日合成圖（圖略）也可以看出這點。南亞高壓主體東擴、西太副高西伸可以說是江淮流域持續性暴雨過程發生的“必要條件”。

圖1發生在江淮流域的“雙阻型”持續性暴雨過程在Od～3d期間的平均環流特征圖：500hPa等高線（灰實線，間隔40gpm）和高度標準化距平（彩色陰影）、500hPa.上.5880gpm等高線（粗的紅色實線）及200hPa上12520gpm等高線（粗的綠色實線）、200hPa高空急流區（粗黑實線，風速大于30m/s）、藍色箭矢和黑色箭矢分別表示850hPa和200hPa標準化距平風矢量，其中850hPa標準化風矢量均顯著異常（0.1信度）

3熱帶MJO信號及相關的30d～60d低頻振蕩特征

首先探討江淮持續性暴雨過程發生時以及發生前的MJO循環特征。圖2（a）（b）展示了持續性暴雨過程發生前（-4～ld）和發生時（0～+3d）落在MJO各位相的總天數，持續性暴雨過程發生前（4～1d）和發生時（0～+3d）落在M.J0各位相的總天數。過程開始前4天（-4～1d），MJO主要位于第8和第1位相，其次是位相4，處于第8、1位相的時間里，MJO振幅大于1（強M-J0，Amplitude>1）的天數約占66%；過程開始后的0～+3d內，MJO主要位于第1、第2位相，其次是位相5，處于第1、2位相的時間里，強MJO的天數約占58%。過程開始前一個月內，位相循環速度減緩，MJO主要位于位相8、1、2，過程開始于位相1或位相2的概率約為其他位相的兩倍以上。Zhang等的研究也表示，在MJO活動的前4個位相，MJO的主要對流活動中心位于熱帶印度洋，對流擾動可以通過低層西風急流的波導效應一路向下游影響到中國東南部地區，使得西北太平洋副高位置偏西，同時中國東南部地區的水汽輸送和垂直上升運動增強，有利降水偏多。可將MJO的位相1、2作為江淮流域持續性暴雨過程發生的熱帶信號。

圖2（a）4～ld，（b）0～+3d這兩個時間段內，MJO位相分布情況，藍色柱狀條表示全部MJO處于各位相的天數，橙色柱狀條表示強MJO（MJO>1，表示指數的振幅>1）的天數

35d～+6d，MJO主要經歷了第4位相第五位相第8位相第1位相第2位相第3位相的演變。而15d～+3d，MJO主要經歷了第7位相第8位相第1位相第2位相的演變。位相合成分析15d～+3d這段時間內低頻風場、低頻OLR場（低頻對流擾動）以及異常環流場的演變過程（圖3）。當MJO處于位相7時，熱帶低頻對流擾動主要集中在海陸區赤道西太平洋或者更加偏東的海域，赤道西太平洋一帶受低頻西風控制，隨著低頻對流擾動的東傳，菲律賓東側出現異常氣旋并向北移動，當異常氣旋移動到西北太平洋一帶時，副高主體東退，異常氣旋繼續向北向東移動后，副高開始西伸；當熱帶低頻對流擾動繼續東傳并重新進入赤道印度洋后，MJO循環至位相8、1、2，熱帶印度洋北側熱帶西太平洋一帶受低頻東風影響，距平場上也表現為東風異常（圖略），西北太平洋出現異常反氣旋，隨著熱帶低頻對流擾動的東傳，異常反氣旋轉為東北西南方向并向我國東南部及南海一帶延伸，有利于副高的進一步西伸。

圖3過程15～+3dMJO八位相（a～d分別表示位相7、8、1、2）低頻合成圖。流線表示850hPa距平風場，紅色（黑色）矢量線為低頻u（v）分量（m·s）異常通過90%顯著性檢驗（空間顯著）的850hPa低頻風，陰影區表示低頻OLR（w·m2），紅色粗實線為500hPa高度層上5880gpm等高線

過程發生時，我國東南沿海一西北太平洋一帶低頻反氣旋以及孟加拉灣低頻反氣旋是低層上兩個明顯的低頻系統。從逐日合成圖（圖略）看出，孟加拉灣低頻反氣旋的強度和位置受到赤道印度洋一帶異常緯向風的影響。

進一步分析孟加拉灣低頻反氣旋的傳播特征。從逐日合成圖（圖略）可以看出，孟加拉灣低頻反氣旋的振蕩周期約為50d，過程25d左右，該區域出現低頻氣旋，然后緩慢轉變為低頻反氣旋直至過程結束。該低頻反氣旋的強度和位置受到其南部（赤道印度洋一帶）緯向風的影響，結合前面熱帶大氣低頻振蕩的結果可知，當MJO處于位相8和位相1時，孟加拉灣一帶受低頻反氣旋控制，進一步說明了當熱帶低頻對流擾動傳播至熱帶印度洋時，孟加拉灣和我國東南沿海一西北太平洋一帶同時受低頻反氣旋控制，有利于副高的西伸并增強。

4結論

江淮持續性暴雨過程受熱帶低頻擾動的影響，尤其是熱帶印度洋一西太平洋的低頻振蕩影響我國東南沿海一西北太平洋異常環流系統的變化。主要的低頻系統及傳播特征表現為：1）可將M-J0的位相1、2作為江淮流域持續性暴雨過程發生的熱帶信號。過程前，當MJO循環至位相1、2時，熱帶低頻對流擾動進入赤道印度洋，熱帶印度洋北側一熱帶西太平洋一帶受低頻東風影響，西北太平洋出現異常反氣旋，隨著位相的循環，該異常反氣旋向北移動并向我國東南部及南海一帶延伸，有利于副高的西伸；2）低頻場上，伴隨著M.J0的傳播，我國東南沿海和孟加拉灣一帶周期性地受低頻反氣旋/氣旋控制，影響副高的西伸東退。