江淮持續(xù)性暴雨過程前30～60 d低頻主振蕩型特征

吳建金

(浙江大學地球科學學院，浙江杭州 310027)

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江淮持續(xù)性暴雨過程前30～60 d低頻主振蕩型特征

吳建金

(浙江大學地球科學學院，浙江杭州 310027)

利用1951～2010年NCEP/NCAR逐日再分析資料，采用改進后的一階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)性暴雨過程的關(guān)系。結(jié)果表明，4～8月全球850 hPa高度場存在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30～60 d主振蕩型。過程前，不同振蕩型的時域變化特征明顯，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)性暴雨過程主要發(fā)生在IN-WPO的位相7和TA-WE的位相5后，過程前，當IN-WPO型循環(huán)到位相4時，850 hPa低頻風場中我國南海、華南等地開始存在顯著30～60 d低頻風變化，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)性暴雨過程形成。

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

持續(xù)性降水事件(PHR)是東亞季風區(qū)最典型的高影響極端事件，夏季出現(xiàn)在我國江淮流域的持續(xù)性暴雨過程具有強度大、范圍廣、持續(xù)時間長和穩(wěn)定性強等特點[1]，對我國經(jīng)濟和社會有重要影響。季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)是全球大氣運動的基本特征之一，近幾年來，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)系研究與延伸期預報探討取得了實質(zhì)性的進展[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]，對持續(xù)性暴雨有顯著影響[6]。為了加深認識夏季我國江淮流域持續(xù)性暴雨過程的形成機理，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延伸期預報水平提供參考。

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，每年序列的時間長度為153 d。同時，基于Tang等[1]的研究成果，選取1951～2010年夏季(4～8月)期間發(fā)生在我國江淮流域且強度達到強和較強的持續(xù)性暴雨過程個例共9個(表1)，這些過程發(fā)生時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主要傳播模態(tài)變化的循環(huán)過程。主振蕩分析(POP)的研究對象是隨時間變化和空間變化的復雜系統(tǒng)，目的是將系統(tǒng)分離成僅依賴于時間和僅依賴于空間變化的部分，對時空演變分開考察。POP分析的價值主要在于它的傳播型，其原理及應(yīng)用實例可參考章基嘉等[7]、楊秋明[8]的研究。

表1江淮流域持續(xù)性暴雨過程個例信息

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

個例Case開始時間Starttime結(jié)束時間Endtime持續(xù)時間Durationd過程強度Processintensity11991-06-2907-1112強21954-07-0207-1312強 31996-06-2707-0610強 42007-06-3007-1011強 51954-07-1607-3015較強61975-06-2007-0112較強71965-07-0807-169較強81995-06-1906-2810較強91998-07-2007-267較強

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濾波器進行30～60 d帶通濾波，對850 hPa高度場逐日距平序列進行標準化處理，得到850 hPa低頻高度距平場，并進行EOF分析，選取占總方差60%～70%的主成分進行主振蕩分析(POP)得到主要的全球環(huán)流ISO模態(tài)。全球逐日850 hPa 30～60 d低頻高度場存在2個顯著的主振蕩型，2個POP型空間分布的實部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，衰減時間分別為106.99和64.90 d。主振蕩型的循環(huán)過程是…→pi→pr→-pi→-pr→pi，根據(jù)循環(huán)過程可以看出這2個主要振蕩型的實/虛部的主要擾動區(qū)以及這些擾動隨著循環(huán)過程的演變情況。

第1個POP型在循環(huán)過程中主要表現(xiàn)為熱帶地區(qū)低頻擾動向東傳播的緯向過程，且在赤道印度洋和熱帶西太平洋地區(qū)達到峰值狀態(tài)，最大解釋方差達60%以上(圖1a)，因此定義這個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)過程中位相1的特征一致，此時赤道西印度洋對流加強；正的虛部型經(jīng)過周期轉(zhuǎn)變成正的實部型，低頻擾動由赤道西印度洋轉(zhuǎn)為赤道東印度洋和赤道西太平洋，對應(yīng)于夏季MJO循環(huán)過程的位相3；繼續(xù)經(jīng)過周期，正的實部型轉(zhuǎn)為負的虛部型，赤道西印度洋轉(zhuǎn)為正值中心，對應(yīng)于夏季MJO循環(huán)過程的位相5；又繼續(xù)經(jīng)過周期，負的虛部型轉(zhuǎn)為負的實部型，正值中心向東傳播到赤道東印度洋和赤道西太平洋，對應(yīng)于夏季MJO循環(huán)過程的位相7。如此往復，反映了西半球的低頻擾動不斷向赤道印度洋和赤道太平洋傳播的位相變化，此POP型對我國江淮流域的影響與MJO向東傳播過程中赤道附近的對流強迫作用激發(fā)羅斯貝波和開爾文波列影響江淮區(qū)域有關(guān)。

第2個主振蕩型在循環(huán)過程中主要表現(xiàn)為熱帶大西洋和西歐的低頻擾動對東亞及赤道太平洋地區(qū)的影響(圖1b)，因此定義這個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為實部；a2、b2為虛部；a3、b3為解釋方差(%)。a1、b1、a2、b2中數(shù)值已擴大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)計表1中持續(xù)性暴雨過程發(fā)生前25 d到過程前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(虛部負位相)后過程開始，TA-WE型從實部負位相開始循環(huán)到位相5(實部正位相)后過程開始。在此以IN-WPO型位相變化進行分析。

從IN-WPO循環(huán)過程時位相4、5、6、7對應(yīng)的全球850 hPa低頻風場的空間分布(圖2)可看出，IN-WPO循環(huán)到位相4(過程發(fā)生前18 d左右)的時候，我國華南及南海地區(qū)為弱的低頻氣旋，我國南?！《纫粠б燥@著偏東氣流為主，說明印度季風對我國南部影響較小；到位相5(過程發(fā)生前18 d至過程前12 d)時，MJO活躍中心向赤道東印度洋和西太平洋移動，北太平洋暴發(fā)強的低頻反氣旋，此反氣旋在北太平洋持續(xù)較長的時間，之后有往西移動的趨勢，在這過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，鄂霍次克海附近低頻氣旋擴大影響范圍，江淮、日本以南受西南風控制，我國東南沿海由低頻東風控制，表現(xiàn)為西太平洋過來的低頻反氣旋西伸開始影響我國東部，同時，印度半島-孟加拉灣出現(xiàn)低頻西風帶；直到位相7(過程發(fā)生前6 d至過程前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，同時印度半島北部形成的低頻氣旋略微北移。在位相循環(huán)過程中，500 hPa我國華北、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是相互對應(yīng)的。綜上所述，850 hPa與江淮流域持續(xù)性暴雨過程有密切關(guān)系的低頻特征主要表現(xiàn)為：①我國南海、華南等地低頻風變化；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95%顯著性檢驗的區(qū)域，藍(黃)色表示東(西)風異常。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)過程中位相4(a)、5(b)、6(c)和7(d)全球850 hPa低頻風場的空間分布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30～60 d主振蕩型。IN-WPO型反映了30～60 d時間尺度上熱帶印度洋和赤道太平洋等地低頻擾動的傳播，此POP型對我國江淮流域的影響與MJO向東傳播過程中赤道附近的對流強迫作用激發(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程前全球大氣30～60 d季內(nèi)振蕩特征：過程發(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，850 hPa低頻風場中我國南海、華南等地開始存在顯著30～60 d低頻風變化，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)性暴雨過程形成，這些低頻特征與MJO擾動中心自赤道印度洋開始向東傳播并使得對流中心加強并北移有關(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：災害性天氣過程及其統(tǒng)計分析。

2016-07-13

S 161

A

0517-6611(2016)25-146-03