熱帶MJO關(guān)聯(lián)的低頻主模態(tài)及其與中國(guó)東部夏季降水的關(guān)系

陳晶 彭英超

摘要 通過(guò)對(duì)夏季西太平洋到印度洋MJO動(dòng)能的低頻資料作EOF分解，得到其2個(gè)主要模態(tài)，并通過(guò)相關(guān)回歸等方法分析了熱帶MJO關(guān)聯(lián)的低頻主模態(tài)演變特征及其與中國(guó)東部夏季降水的關(guān)系。結(jié)果表明，季節(jié)內(nèi)振蕩動(dòng)能的低頻第一模態(tài)的主要特征表現(xiàn)為在低緯度到熱帶西太平洋與熱帶印度洋反相變化，且主要的大值荷載中心在西太平洋到印度洋，而第二模態(tài)則表現(xiàn)為熱帶西太平洋地區(qū)西部與東北部中低緯度反相變化特征。正異常對(duì)應(yīng)熱帶西太平洋地區(qū)和印度尼西亞附近地區(qū)的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，這2個(gè)模態(tài)均與我國(guó)東部夏季降水異常有一定的聯(lián)系，MJO異常偏強(qiáng)時(shí)，有利于我國(guó)東北地區(qū)降水偏多。

關(guān)鍵詞 熱帶大氣；MJO；夏季降水；正交分解；相關(guān)回歸；中國(guó)東部

中圖分類(lèi)號(hào) P432+.2；P426.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）03-0209-04

在20世紀(jì)70年代初，美國(guó)科學(xué)家Madden和Julian發(fā)現(xiàn)了在赤道附近地區(qū)風(fēng)場(chǎng)及其異常變化存在著時(shí)間尺度為40 d左右的準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象[1-2]。其后李崇銀等研究表明，整個(gè)熱帶及全球大氣中均存在30～60 d的低頻振蕩，稱(chēng)為季節(jié)內(nèi)振蕩（Intraseasonal Oscillation，簡(jiǎn)稱(chēng)ISO）。目前此振蕩已被列為世界上重要的大尺度環(huán)流系統(tǒng)之一，此后又將赤道附近的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩稱(chēng)為Madden Julian Oscillation，即MJO。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)MJO對(duì)熱帶及熱帶以外地區(qū)影響的研究較多，在MJO對(duì)我國(guó)降水的影響方面，已有學(xué)者對(duì)我國(guó)東部春季、冬季的降水影響開(kāi)展了相關(guān)研究[3]，但對(duì)我國(guó)東部夏季降水影響的相關(guān)研究較少。我國(guó)東部地區(qū)人口密集，科技文化和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，同時(shí)也是我國(guó)較容易發(fā)生旱澇災(zāi)害的地區(qū)，研究旱澇成因?qū)Ψ罏?zāi)減災(zāi)具有重要意義。因此，本文將從MJO季節(jié)內(nèi)的異常對(duì)流活動(dòng)來(lái)分析研究MJO活動(dòng)對(duì)我國(guó)東部夏季降水的影響，并為其監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文所使用的資料包括NCEP/NCAR提供的再分析月平均海平面氣壓場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)和u、v風(fēng)場(chǎng)等資料（網(wǎng)格密度均為2.5°×2.5°）以及國(guó)家氣候中心提供的全國(guó)160個(gè)站逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。文中所用數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度為1951—2011年，將6—8月的平均數(shù)據(jù)作為夏季平均數(shù)據(jù)，而夏季降水則為6—8月的總降水量。采用Lanzcos濾波器，先對(duì)u、v做10～90 d濾波，然后計(jì)算動(dòng)能，再對(duì)動(dòng)能做10～90 d濾波，取月平均值得到低頻部分的動(dòng)能。

1.2 研究方法

本文使用的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)正交分解（EOF）、相關(guān)分析、回歸分析、合成分析及顯著性檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季MJO的時(shí)空分布特征

將近61年MJO濾波后的逐月夏季MJO動(dòng)能數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF分解，得到2個(gè)主要模態(tài)的MJO時(shí)空分布特征（圖1）。其中第一模態(tài)的分布特征主要表現(xiàn)為在120°～140°E的西太平洋地區(qū)一致的變化特征，見(jiàn)圖1（a），其方差貢獻(xiàn)率為18.24%；第二模態(tài)則表現(xiàn)為我國(guó)南海地區(qū)與日本以南太平洋海域東西向反相變化特征，見(jiàn)圖1（b），其方差貢獻(xiàn)率為8.65%。

特征向量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)代表區(qū)域特征向量所表征的分布型隨時(shí)間的變化特征，時(shí)間系數(shù)的絕對(duì)值越大，表明該時(shí)段內(nèi)這一分布型越典型。圖2（a）（b）分別給出了MJO 2個(gè)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)序列，從時(shí)間系數(shù)變化可以看出，這2個(gè)模態(tài)均具有顯著的年際變化特征。第一模態(tài)中，在1951—1958年期間，MJO有連續(xù)的正異常，其后一直為正負(fù)異常交替，在1975年有絕對(duì)值最大的負(fù)異常，就第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)總體而言，MJO正異常年份相對(duì)較多，見(jiàn)圖2（a）。在第二模態(tài)中，以1980年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，1980年前以負(fù)異常居多，1980年后以正異常居多，見(jiàn)圖2（b）。1977年、1973年、1990年、2010年的時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值>5，MJO為較典型的負(fù)異常，對(duì)應(yīng)空間特征在中國(guó)東南部及南海地區(qū)為正距平區(qū)域，而在西北太平洋地區(qū)為反相的負(fù)距平區(qū)域。

2.2 夏季MJO對(duì)應(yīng)的熱帶環(huán)流特征

為了得到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動(dòng)能的低頻主模態(tài)對(duì)應(yīng)的熱帶環(huán)流特征并揭示MJO對(duì)我國(guó)東部夏季降水的影響，通過(guò)計(jì)算MJO 2個(gè)模態(tài)下的時(shí)間系數(shù)與500 hPa垂直風(fēng)場(chǎng)、850 hPa勢(shì)函數(shù)、200 hPa勢(shì)函數(shù)的超前相關(guān)回歸，與500 hPa流函數(shù)、850 hPa經(jīng)緯向風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)回歸，得到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動(dòng)能的低頻主模態(tài)對(duì)應(yīng)的熱帶環(huán)流特征和東亞環(huán)流的環(huán)流特征，進(jìn)一步了解MJO異?；顒?dòng)影響對(duì)我國(guó)東部夏季降水的影響?，F(xiàn)根據(jù)以上分析結(jié)果，以2個(gè)主要模態(tài)的時(shí)間系數(shù)對(duì)前期12月至翌年5月逐月的環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行超前相關(guān)和回歸分析。

2.2.1 第一模態(tài)。首先以第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與前期冬季和春季逐月的500 hPa垂直速度場(chǎng)進(jìn)行超前相關(guān)和回歸分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）可以看到，在超前6個(gè)月時(shí)，在西印度洋、南海和印度尼西亞地區(qū)存在顯著的正相關(guān)，即為下沉區(qū)，在印度洋中部有顯著的負(fù)異常，為上升運(yùn)動(dòng)；從圖3（b）可知，當(dāng)超前5個(gè)月時(shí)，在我國(guó)東南部和俄羅斯西部地區(qū)存在正相關(guān)，做下沉運(yùn)動(dòng)，亞洲的中部地區(qū)為負(fù)相關(guān)，為上升區(qū)；從圖3（c）可知，超前4個(gè)月時(shí)，在中國(guó)東北地區(qū)與孟加拉灣地區(qū)為負(fù)相關(guān)，做上升運(yùn)動(dòng)，西印度洋與亞洲北部地區(qū)正相關(guān)，做上升運(yùn)動(dòng)；由圖3（d）可知，超前3個(gè)月時(shí)，我國(guó)北部與印度洋西北地區(qū)為負(fù)相關(guān)，有下沉運(yùn)動(dòng)，與西太平洋地區(qū)為正相關(guān)，做上升運(yùn)動(dòng)；由圖3（f）可知，超前1個(gè)月時(shí)，集中在西太平洋地區(qū)的正相關(guān)對(duì)應(yīng)上升運(yùn)動(dòng)，其兩側(cè)地區(qū)為下沉運(yùn)動(dòng)。

圖4給出了第一模態(tài)下MJO時(shí)間系數(shù)和200 hPa勢(shì)函數(shù)的超前相關(guān)。由圖4（a）可知，當(dāng)超前6個(gè)月時(shí)，在非洲和亞歐西部地區(qū)有著顯著性的正相關(guān)，相關(guān)度可達(dá)到4，對(duì)應(yīng)為上升運(yùn)動(dòng)的輻散區(qū)，在日本東南部的西北太平洋地區(qū)有負(fù)相關(guān)，為輻合運(yùn)動(dòng)；由圖4（b）可知，當(dāng)超前5個(gè)月時(shí)，在西太印度洋有較好的正相關(guān)，對(duì)應(yīng)上升運(yùn)動(dòng)的輻散區(qū)；超前1個(gè)月時(shí)，整個(gè)東亞地區(qū)為大面積的負(fù)相關(guān)，其中亞洲西部和阿拉伯海地區(qū)的負(fù)相關(guān)最為顯著，結(jié)合第一模態(tài)的垂直風(fēng)場(chǎng)得到在印度尼西亞地區(qū)上升輻散區(qū)。

200 hPa的勢(shì)函數(shù)分析了高空對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特征，圖5給出了第一模態(tài)下MJO時(shí)間系數(shù)與850 hPa勢(shì)函數(shù)的超前相關(guān)以分析對(duì)應(yīng)的低空環(huán)流特征。由圖5（a）可知，當(dāng)超前6個(gè)月時(shí)，在非洲地區(qū)為負(fù)相關(guān)，上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的低空輻合區(qū)；由圖5（b）可知，當(dāng)超前3個(gè)月時(shí)，在歐洲地區(qū)有著顯著的正相關(guān)，為上升運(yùn)動(dòng)的低層輻合區(qū)，在西太平洋地區(qū)為負(fù)相關(guān)，為下沉運(yùn)動(dòng)的輻散區(qū)。第二模態(tài)在超前4～6個(gè)月時(shí)其相關(guān)性不顯著，可以得出，在東印度洋地區(qū)有顯著的正相關(guān)，對(duì)應(yīng)為下沉運(yùn)動(dòng)輻散區(qū)。

綜合以上環(huán)流特征的分析可看出，MJO的第一模態(tài)環(huán)流特征較為顯著，其模態(tài)的主要特征表現(xiàn)為在熱帶西太平洋地區(qū)和印度尼西亞附近地區(qū)的熱帶對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)烈，做上升運(yùn)動(dòng)并釋放大量的潛熱，低層熱帶強(qiáng)烈對(duì)流的動(dòng)能通過(guò)上升運(yùn)動(dòng)造成大氣環(huán)流異常，進(jìn)而影響天氣氣候變化[4]。

2.2.2 第二模態(tài)。第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)與500 hPa垂直風(fēng)場(chǎng)的超前相關(guān)性研究與第一模態(tài)方式相同。經(jīng)研究后再結(jié)合第一、二模態(tài)的垂直運(yùn)動(dòng)分析，在印度尼西亞地區(qū)與西太平洋地區(qū)正相關(guān)對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)及其兩側(cè)負(fù)相關(guān)對(duì)應(yīng)的下沉運(yùn)動(dòng)顯示出熱帶洋面上的MJO在緯向與沃克環(huán)流有密切的關(guān)系。

2.3 MJO與我國(guó)夏季降水的關(guān)系

已有研究表明，MJO活動(dòng)對(duì)我國(guó)夏季降水變化有一定的影響，熱帶對(duì)流活動(dòng)從熱帶印度洋向西太平洋移動(dòng)過(guò)程中，西太平洋副熱帶高壓和垂直運(yùn)動(dòng)變化，從而影響中國(guó)東部夏季降水。我國(guó)最容易發(fā)生降水的季節(jié)為夏季，而我國(guó)東部地區(qū)的降水率占全國(guó)的大部分比例。為了分析我國(guó)東部地區(qū)降水異常與MJO低頻活動(dòng)之間的聯(lián)系，以其2個(gè)主要模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與我國(guó)夏季降水作相關(guān)分析，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯谝荒B(tài)與我國(guó)東北地區(qū)的夏季降水有較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，即該模態(tài)MJO活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí)，有利于該地區(qū)的降水偏多。同時(shí)，第二模態(tài)與我國(guó)東北地區(qū)的降水也成正相關(guān)關(guān)系[5]。

從以上對(duì)夏季降水的相關(guān)分析可以看出，MJO的活動(dòng)異常對(duì)我國(guó)東部的降水有一定的調(diào)控作用，其活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí)，均可以造成我國(guó)東北地區(qū)的降水異常偏多。

為了進(jìn)一步分析MJO對(duì)夏季降水的影響，分別以2個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與同期夏季的500 hPa流函數(shù)場(chǎng)及850 hPa風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，結(jié)果如圖7所示。對(duì)于第一模態(tài)，MJO活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí)，中南半島的負(fù)異常有利于印緬槽加強(qiáng)，這從其與印緬槽指數(shù)的關(guān)系也可以看出，2個(gè)指數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.76；而第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)與印緬槽則為負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.24。此外，從850 hPa風(fēng)場(chǎng)也可以看出，我國(guó)西南地區(qū)及東部地區(qū)均為顯著的南風(fēng)異常。因此，在這種環(huán)流配置影響下，偏南風(fēng)氣流可以將來(lái)自孟加拉灣及太平洋上的水汽輸送到我國(guó)大陸，有利于我國(guó)降水異常偏多。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩能量EOF分析以及與東亞環(huán)流的相關(guān)分析可以歸納出以下結(jié)論。

（1）本文通過(guò)對(duì)夏季西太平洋到印度洋MJO動(dòng)能的低頻資料作EOF分解，得到2個(gè)主要模態(tài)，分析得到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動(dòng)能的低頻第一模態(tài)的主要特征，表現(xiàn)為在低緯度到熱帶西太平洋與熱帶印度洋反相變化，且主要大值荷載中心在西太平洋到印度洋；而第二模態(tài)則表現(xiàn)為熱帶西太平洋地區(qū)西部與東北部中低緯度反相變化特征。熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動(dòng)能的低頻MJO的第一模態(tài)環(huán)流特征較為顯著。

（2）MJO與我國(guó)東部夏季降水異常有一定關(guān)系，MJO時(shí)間系數(shù)與降水有顯著正相關(guān)（>0.25），而在長(zhǎng)江中下游地區(qū)MJO時(shí)間系數(shù)與降水為顯著負(fù)異常（>-0.25），不利于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降水。當(dāng)MJO的主要對(duì)流活動(dòng)在赤道印度洋時(shí)，西北太平洋副高位置偏西，同時(shí)中國(guó)東南部地區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于降水，MJO可以通過(guò)低層的西風(fēng)急流的波導(dǎo)效應(yīng)影響我國(guó)東北部地區(qū)，造成該地區(qū)降水偏多。而當(dāng)MJO的對(duì)流活動(dòng)中心移動(dòng)到西太平洋地區(qū)時(shí)，可造成經(jīng)向環(huán)流的上升支向北偏移，則西北太平洋的副高位置偏東，中國(guó)東南部地區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)減弱，不利于降水的發(fā)生，降水減少。

（3）正異常對(duì)應(yīng)熱帶西太平洋地區(qū)和印度尼西亞附近地區(qū)的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，這2個(gè)模態(tài)均與我國(guó)東部夏季降水異常有一定的聯(lián)系，MJO異常偏強(qiáng)時(shí)，有利于我國(guó)東北地區(qū)降水偏多。

（4）MJO是熱帶大氣的重要系統(tǒng)，其活動(dòng)和異常對(duì)天氣和氣候變化均有顯著影響。對(duì)MJO活動(dòng)的影響及其機(jī)理進(jìn)行深入研究，并將結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，對(duì)提高延伸期的天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)具有重要作用。

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