梅雨鋒云系的模態(tài)研究II：出現(xiàn)頻率及轉換特點

方宗義 覃丹宇, 黃勇 李博,

1國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081

2中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室，北京100081

3安徽省氣象科學研究所, 安徽省大氣科學與衛(wèi)星遙感重點實驗室, 合肥230001

1 引言

作為東亞夏季風系統(tǒng)帶來的典型天氣和氣候現(xiàn)象，梅雨控制范圍大，持續(xù)時間長，降水次數(shù)頻繁，對從我國江淮流域一直到日本南部每年夏季的天氣和氣候有重要影響，長期以來，一直是氣象研究的重要對象，在氣候學、天氣學和中尺度氣象學上均取得了豐碩成果（Ninomiya，1984；斯公望，1989；鄭永光等，2008；梁萍等，2010）。

梅雨鋒是一片包含有強對流降水與云團的近于緯向的寬廣云雨區(qū)，并且鋒區(qū)以南為強的低空偏南急流，鋒前是具有高假相當位溫的高濕空氣柱（丁一匯等，2007）。早在20世紀70年代末期，就有科學家利用靜止氣象衛(wèi)星的云圖來解釋梅雨期間的云系特征（Asakura，1979）。在衛(wèi)星云圖上，與梅雨鋒相關的TBB（云頂亮溫）低值帶從華南和長江流域一直向東北延伸到日本列島，并與北太平洋上的極地鋒面云系相連接（Nagata and Ogura，1991），是西南水汽輸送的大值帶，且云量的大值中心與對流層中層的西風軸有很好的對應關系（Asakura，1979）。

對于梅雨鋒云系的基本形態(tài)（姚秀萍等，2005；覃丹宇等，2006；鄭永光等，2008）、結構特征（王建捷和陶詩言，2002；柳俊杰等，2003；Higashi et al.，2010；趙玉春等，2011）和中尺度對流系統(tǒng)（Yasunari and Miwa, 2006；Sun et al.，2010；Takahashi and Suzuki，2010；傅慎明等，2011）的研究一直以來不斷取得新的進展，但關于梅雨期間云系演變的專門研究相對較少，僅有部分研究涉及云系形態(tài)和強弱變化、云系之間的轉化合并（項續(xù)康等，1994；Ninomiya，1984，2001；Ninomiya and Muraki，1986；Ninomiya and Shibagki，2003；覃丹宇等，2006）。

眾所周知，梅雨鋒的環(huán)流系統(tǒng)包含多個成員。研究表明，梅雨的階段性變化與高層西風、行星鋒區(qū)、高層東風急流和西太平洋副熱帶高壓的變動有密切聯(lián)系，來自西南方的水汽輸送也是影響梅雨雨帶位置的重要因子（丁一匯等，2007；劉丹妮等，2011）。雨帶位于江南的南部和北部時，中緯度低槽和鄂霍次克阻塞高壓是中緯度波列的組成部分，二者的位置變動決定梅雨鋒所在的位置（宗海鋒等，2006）。梅雨期降水多寡還與南半球環(huán)流中高緯環(huán)流尤其是極渦的強弱緊密相關（鮑學俊，2004）。梅雨鋒環(huán)流系統(tǒng)的這些成員強度和位置的互相配置和變化，直接導致梅雨鋒云系形態(tài)位置和強度的變化，即梅雨鋒云系的重構和系統(tǒng)的演變，伴隨著梅雨鋒云系主導模態(tài)的轉化。Qin et al.（2014）就曾詳細討論了梅雨鋒第一主導模態(tài)向其他主導模態(tài)轉化伴隨的環(huán)流配置。梅雨期強降水具有持續(xù)性，梅雨鋒云系在生消演變的過程中會進行重建，重建的過程主要受西太平洋副高、高空槽、阻高、鋒面/切變線和急流等主導天氣系統(tǒng)的共同影響。因此，研究梅雨鋒云系形態(tài)和強度演變，還可以幫助我們了解云系重建的特點。

為了了解梅雨鋒云系具有哪些主要模態(tài)，以及與之對應的天氣系統(tǒng)和環(huán)流特征，覃丹宇等（2014）利用EOF分析方法，獲得了梅雨鋒云系的氣候態(tài)和主導模態(tài)，并對其空間分布、時間系數(shù)特征及對應的環(huán)流配置進行了分析研究。結果表明，梅雨鋒云系的主導模態(tài)共有7個，分別反映了梅雨期間云系主要的異常特征，揭示了梅雨鋒云系隨主導天氣環(huán)流系統(tǒng)的演變而發(fā)生斷裂、減弱、消散和重建的具體過程。顯然，這7個主導模態(tài)在梅雨活躍期的重要性是不一樣的，有一些是典型梅雨鋒云系的主導模態(tài)，而另外一些則是梅雨鋒云系重建過程中的過渡模態(tài)。

為了弄清哪些是典型梅雨鋒云系的模態(tài)，需要進一步研究其出現(xiàn)頻率、持續(xù)時間和相互轉換的特點。本文的目的就是在梅雨鋒云系主導模態(tài)的研究基礎上，統(tǒng)計分析各主導模態(tài)的出現(xiàn)頻率、持續(xù)時間和相互轉換情況，了解梅雨鋒云系主導模態(tài)的活躍程度，便于進一步研究導致模態(tài)影響差異的天氣系統(tǒng)相互作用關系，深入理解梅雨鋒云系建立、演變和重建的特點。

2 資料和方法

覃丹宇等（2014）利用EOF分析方法，獲得了1998～2008年的梅雨活躍期內梅雨鋒云系的氣候態(tài)和7個主導模態(tài)、以及各主導模態(tài)主分量時間序列的解釋方差。在研究梅雨鋒云系主導模態(tài)的出現(xiàn)頻率時，以各模態(tài)主分量的標準差是否大于1.8（小于－1.8）來作為判斷各模態(tài)正位相（負位相）是否出現(xiàn)的標準，即：若當前時刻某一主導模態(tài)的主分量大于1.8個標準差，則我們稱當前時刻出現(xiàn)了這個模態(tài)。這樣做既能挑選出模態(tài)最顯著的時次，也能夠使得到的樣本數(shù)滿足分析需要。在判斷主導模態(tài)是否出現(xiàn)的過程中，若同一時次有兩個或多個主導模態(tài)的時間系數(shù)同時滿足判斷的閾值條件，我們即認為該時刻有多個模態(tài)同時出現(xiàn)，稱之為混合模態(tài)。

在1998～2008年10年（2004年因資料質量控制被剔除）共 16次梅雨活躍期中，我們將每個梅雨過程第一次出現(xiàn)的模態(tài)稱為 “首次出現(xiàn)模態(tài)”。據(jù)此可以統(tǒng)計所有梅雨過程中首次出現(xiàn)的模態(tài)。另外，梅雨鋒云系主導模態(tài)的轉化過程中隨著云系的發(fā)展演變，往往伴隨著梅雨過程的衰減或重建，以及不同類型梅雨鋒活動系統(tǒng)的演變。假設有兩種模態(tài)a和b，如果當前時刻主分量大于1.8個標準差的模態(tài)是a并持續(xù)若干個時次，之后其主分量標準差小于1.8，同時模態(tài)b的標準差開始大于1.8，則我們把這個過程當作是模態(tài) a向模態(tài) b的轉化過程。以此類推，可以統(tǒng)計所有梅雨過程中主導模態(tài)的轉化情況。

3 梅雨鋒云系主導模態(tài)的出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間

3.1 出現(xiàn)頻率

從統(tǒng)計結果（圖1）來看，在所有的1728個梅雨時次中，有48.73%（842個時次）的樣本中出現(xiàn)了前 7個模態(tài)的正負位相，其中包含 8.26%（141個時次）的混合模態(tài)。在所有模態(tài)中，第1模態(tài)正位相出現(xiàn)的頻率最高，達6.37%；第5模態(tài)正位相出現(xiàn)的頻率最低，僅為1.27%。其余各模態(tài)根據(jù)出現(xiàn)頻率的大小可以劃分為三類：平均型（與出現(xiàn)頻率的平均值相比，偏差不超過10%，即出現(xiàn)頻率在2.78%～4.28%之間）、偏多型（出現(xiàn)頻率大于4.28%）和偏少型（出現(xiàn)頻率小于2.78%）。其中，第1模態(tài)正位相（出現(xiàn)頻率為6.37%）、第3模態(tài)正位相（出現(xiàn)頻率為4.40%）和第6模態(tài)正位相（出現(xiàn)頻率為4.57%）屬于偏多型，第 1模態(tài)負位相（出現(xiàn)頻率為1.68%）、第3模態(tài)負位相（出現(xiàn)頻率為2.31%）、第5模態(tài)正位相（出現(xiàn)頻率為1.27%）、第6模態(tài)負位相（出現(xiàn)頻率為1.97%）和第7模態(tài)正位相（出現(xiàn)頻率為2.72%）屬于偏少型，其他模態(tài)屬于平均型。此外，從統(tǒng)計中還發(fā)現(xiàn)第2模態(tài)正位相和負位相的出現(xiàn)頻率相同，均為3.82%。

為尋找梅雨過程中通常最先出現(xiàn)的云系主導模態(tài)，對所研究的 16次梅雨過程中首次出現(xiàn)的模態(tài)進行統(tǒng)計（圖1右）。結果發(fā)現(xiàn)，第1模態(tài)正位相作為首次出現(xiàn)模態(tài)的比重最高，達25%。研究指出，第1模態(tài)正相位的天氣學意義是：梅雨鋒云系主要位于江南和華南的廣大地區(qū)，這里也是低層切變線和低渦活躍的區(qū)域，同時，副高位置偏南，強度偏弱，冷空氣主體偏北（覃丹宇等，2012）。其次為第 2模態(tài)負位相和第 3模態(tài)正位相，均為12.5%。而第5模態(tài)正、負位相在這16次過程中，均沒有以首次出現(xiàn)模態(tài)的方式出現(xiàn)過。除此之外的其他模態(tài)作為首次出現(xiàn)模態(tài)的幾率均為6.25%（1次）。

在所有梅雨過程中，共有141個時次出現(xiàn)了混合模態(tài)。統(tǒng)計結果表明（圖2），第1模態(tài)正位相與其他模態(tài)混合出現(xiàn)的次數(shù)最多，為 41次，占第 1模態(tài)出現(xiàn)總次數(shù)的 37.27%。從出現(xiàn)混合模態(tài)次數(shù)占該模態(tài)出現(xiàn)總次數(shù)的比重（簡稱混合模態(tài)占比）來看，第5模態(tài)正位相作為混合模態(tài)出現(xiàn)的比重最高，為68.18%。另外，第3模態(tài)負位相和第7模態(tài)負位相也有半數(shù)以上（超過50%）的時次以混合模態(tài)的方式出現(xiàn)。計算表明，混合模態(tài)占比的平均數(shù)為36.93%。與平均數(shù)相比，第1模態(tài)負位相、第2模態(tài)正/負位相以及第4模態(tài)正位相和第7模態(tài)正位相的占比均偏小，分別為27.59%、15.15%、27.27%、19.18%、14.89%。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，第1模態(tài)正位相在所有梅雨時次中出現(xiàn)的頻率最高，而且也有25%的梅雨活躍過程中梅雨鋒云系首先出現(xiàn)第1模態(tài)正位相的空間分布類型。在所有梅雨時次中，出現(xiàn)頻率最低的是第5模態(tài)正位相，并且該模態(tài)出現(xiàn)時多半伴隨著其他模態(tài)一同出現(xiàn)（混合模態(tài)占比為68.18%）。

3.2 持續(xù)時間

由于使用的衛(wèi)星TBB資料為3 h的時間間隔，因此將各主導模態(tài)持續(xù)的次數(shù)乘以 3，就得到各模態(tài)出現(xiàn)的持續(xù)小時數(shù)。對所研究的 16次梅雨過程中第 1～7云系主導模態(tài)正位相和負位相持續(xù)時間（持續(xù)小時數(shù)）的最大值、最小值和平均值進行統(tǒng)計。從結果（圖3）看，第2模態(tài)負位相持續(xù)時間的最大值要高于其他模態(tài)，達到了81 h。第5模態(tài)正位相的最大持續(xù)時間最短，僅為18 h。平均持續(xù)時間最長的是第6模態(tài)負位相，為20 h；而第1模態(tài)負位相、第5模態(tài)負位相和第6模態(tài)負位相的平均持續(xù)時間最短，均只有8 h。另外，第1～7模態(tài)正、負位相均出現(xiàn)僅維持1個時次的情況，即最短持續(xù)時間為3 h（將衛(wèi)星資料的時間間隔3 h作為最短持續(xù)時間）。

圖1 各模態(tài)出現(xiàn)的頻率（左）及在16次過程中作為首次出現(xiàn)模態(tài)的頻率（右）Fig. 1 The frequencies for each of the first seven leading modes of TBB anomalies (left)and the frequencies for the modes appearing earliest in one active Meiyu phase (right)

圖2 混合模態(tài)中第1～7模態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)（左）及其占對應模態(tài)出現(xiàn)總次數(shù)的比例（右）Fig. 2 The total numbers for the first seven leading modes in all the mixed modes (left)and their corresponding ratios to the total appearance numbers (right)

圖3 各模態(tài)持續(xù)時間（豎線的上下位置分別表示模態(tài)的最大和最小持續(xù)時間，灰色三角表示各正負位相的平均持續(xù)時間）Fig. 3 The persistence time for each of the first seven leading modes (The top and bottom of the line denotes respectively the maximum and minimum persistence time for each mode. The grey marks denote the mean persistence time for each positive and negative modes)

4 梅雨鋒云系主導模態(tài)間的轉換特點

梅雨鋒云系的分布形態(tài)隨主導天氣系統(tǒng)的演變而改變，表現(xiàn)為各主導模態(tài)之間會發(fā)生相互轉換。本節(jié)統(tǒng)計梅雨期云系主導模態(tài)之間轉化的方向和頻率，以求為今后研究梅雨鋒云系的重建和演變提供研究基礎，對導致云系模態(tài)轉化的大氣環(huán)流配置本文暫不作過多討論。

在16次梅雨過程中，第1模態(tài)正位相（圖4a）共計向9種其他的模態(tài)進行了轉換。其中，向第2模態(tài)正位相、第5模態(tài)負位相和第7模態(tài)負位相進行轉換的比例最高，均為15%。第1模態(tài)負位相（圖4b）出現(xiàn)了向其他8種模態(tài)進行轉換的過程，比例最高的是向第3模態(tài)負位相和第4模態(tài)正位相，均為18.18%。

圖4 各模態(tài)向其他模態(tài)轉換比例分布圖Fig. 4 The proportion transition diagrams for each of the first seven leading modes

第2模態(tài)正位相（圖4c）出現(xiàn)了向第1模態(tài)負位相、第3模態(tài)負位相、第4模態(tài)正位相、第5模態(tài)負位相以及第7模態(tài)正位相等5種模態(tài)的轉換。其中向第4模態(tài)正位相和第5模態(tài)負位相進行轉換的比例最高，達到了33.33%。第2模態(tài)負位相（圖4d）則向第1模態(tài)正位相、第4模態(tài)負位相、第5模態(tài)正位相和第6模態(tài)正位相的轉換，而且以向第1模態(tài)正位相和第4模態(tài)負位相轉換為主，兩種轉換的比例均占到了36.36%。

第3模態(tài)正位相（圖4e）可向9種其他的模態(tài)發(fā)生轉換，其中，向第2模態(tài)負位相轉換的比例最高，達到了23.08%。其次，為向第5模態(tài)正位相轉換，比例為15.38%。第3模態(tài)負位相（圖4f）共計向7種其他模態(tài)進行轉換，其中有一半是向第6模態(tài)負位相和第1模態(tài)負位相進行轉換，所占比例分別為30%和20%。

第4模態(tài)正位相（圖4g）發(fā)生了向其他9種模態(tài)的轉換，其中向第1模態(tài)正位相、第2模態(tài)正位相和負位相進行轉換的比例最高，均為16.67%。第4模態(tài)負位相（圖4h）共計向其他8種模態(tài)發(fā)生了轉換，其中向第3模態(tài)負位相和第5模態(tài)負位相進行轉換的比例最高，均為20%。

第5模態(tài)正位相（圖4i）可向第1模態(tài)正位相、第4模態(tài)負位相和第6模態(tài)正位相進行轉換，三種轉換過程的比例分別為40%、40%和20%。第5模態(tài)負位相（圖4j）則會向其他8種模態(tài)進行轉換，但是以向第3模態(tài)正位相和第1模態(tài)負位相進行轉換的比例最高，分別為35%和20%。

第6模態(tài)正位相（圖4k）向其他7種模態(tài)進行轉換，其中以向第1模態(tài)正位相和第3模態(tài)負位相進行轉換的比例最高，占到23.08%。第6模態(tài)負位相（圖4l）可向第3模態(tài)正位相、第4模態(tài)正位相、第5模態(tài)負位相和第7模態(tài)負位相進行轉換，并且以向第5模態(tài)負位相進行轉換為主，所占比例高達66.67%。

第7模態(tài)正位相（圖4m）共計向9種其他模態(tài)進行轉換，其中向第1模態(tài)正位相、第5模態(tài)負位相和第 6模態(tài)正位相進行轉換的比例最高，為16.67%，而向其余 6種模態(tài)進行轉換的比例均為8.33%。第7模態(tài)負位相（圖4n）共計向6種其他模態(tài)進行轉換，所占比例分別為20%和10%。

從模態(tài)間轉換的情況來看，各個相位的模態(tài)最多向9種其他模態(tài)進行轉換，而最少的也能向3種其他的模態(tài)進行轉換。為考察不同模態(tài)向其他模態(tài)轉換的方向性，我們計算了各模態(tài)向其他模態(tài)轉換次數(shù)的標準偏差。結果表明，第6模態(tài)負位相和第5模態(tài)負位相的數(shù)值最大，分別為 2.89次和 2.07次。而標準偏差小于0.5次的有第1模態(tài)正、負位相，第3模態(tài)正、負位相、第4模態(tài)正、負位相、第5模態(tài)正位相、第6模態(tài)正位相、第7模態(tài)正、負位相；其中第 4模態(tài)負位相的數(shù)值最低，僅為0.4次。這說明，模態(tài)間的相互轉換多數(shù)表現(xiàn)出了隨機性，而只有第6模態(tài)負位相和第5模態(tài)負位相具有較好的確定性。從轉換比例的分布來看，第 6模態(tài)負位相的確定性最強，向第5模態(tài)負位相進行轉換的比例高達 66.67%。與此成鮮明對比，第 4模態(tài)負位相的隨機性最強。

5 結論

基于利用EOF分析方法提取的1998～2008年梅雨活躍期內的衛(wèi)星 TBB距平的前 7個主導模態(tài)，本文統(tǒng)計了這些模態(tài)的出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間特征，計算了各梅雨過程的首次出現(xiàn)模態(tài)頻率和混合模態(tài)次數(shù)，并總結了不同模態(tài)向其他模態(tài)的轉化情況。得到的主要結論如下：

（1）在16個梅雨活躍期內，云系的第1主導模態(tài)正相位出現(xiàn)的頻率最高，并且作為首次出現(xiàn)模態(tài)的比重也最高，在其中的 4個活躍期內率先出現(xiàn)。第5模態(tài)正位相的出現(xiàn)頻率最低，但作為混合模態(tài)出現(xiàn)的比重最高，說明該模態(tài)多數(shù)伴隨其他模態(tài)一同出現(xiàn)，為過渡模態(tài)。

（2）對模態(tài)持續(xù)時間的統(tǒng)計表明，各主導模態(tài)的持續(xù)時間差別較大，其中，第2模態(tài)負位相持續(xù)時間的最長，為81 h。第5模態(tài)正位相的最大持續(xù)時間最短，僅為18 h。

（3）從模態(tài)間轉換的情況來看，各個位相的模態(tài)最多向 9種（含正負位相）其他的模態(tài)進行轉換，而最少的也能向3種其他的模態(tài)進行轉換。模態(tài)間的相互轉換多數(shù)表現(xiàn)出了隨機性，而只有第 6模態(tài)負位相和第5模態(tài)負位相具有較好的方向性。第6模態(tài)負位相超過半數(shù)（66.67%）的可能是向第5模態(tài)負位相進行轉換，而第5模態(tài)負位相向第3模態(tài)正位相和第1模態(tài)負位相進行轉換的可能性最大。

總的來看，研究梅雨鋒云系的主導模態(tài)的維持時間以及相互轉化規(guī)律，可幫助我們了解與之密切相關的天氣系統(tǒng)的變化以及天氣系統(tǒng)之間相互作用和轉化的情況。通過統(tǒng)計各種云系主導模態(tài)的出現(xiàn)頻率，還可以幫助我們了解梅雨期不同降水類型發(fā)生的地點以及出現(xiàn)持續(xù)性降水的可能性。

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