大氣低頻主振蕩模態(tài)特征及其在農(nóng)業(yè)防災(zāi)中的應(yīng)用

劉艷群,劉樹鋒,趙佩紅,于洲

大氣低頻主振蕩模態(tài)特征及其在農(nóng)業(yè)防災(zāi)中的應(yīng)用

劉艷群1,劉樹鋒1,趙佩紅2,于洲3

1. 廣東省韶關(guān)市氣象局, 廣東 韶關(guān) 512028 2. 廣東省江門市新會區(qū)氣象局, 廣東 江門 529000 3. 廣東省湛江市氣象局, 廣東 湛江 524001

大氣低頻振蕩（季節(jié)內(nèi)10~90 d振蕩）是全球大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征之一，與洪澇災(zāi)害等高影響天氣息息相關(guān)，影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文利用1961~2019年NCEP/NCAR逐日再分析資料，采用一階Butterworth帶通濾波、主振蕩（POP）分析方法研究了近59年4~8月全球大氣低頻振蕩的主要特征。結(jié)果表明，全球大氣以10~20 d，30~60 d兩個(gè)周期帶的低頻振蕩為主，4~8月850 hPa高度層上，全球大氣10~20 d低頻振蕩以南半球繞球遙相關(guān)型為主振蕩型（SCGT_10~20 d）；而30~60 d存在兩個(gè)低頻主振蕩型：赤道印度洋和西太平洋地區(qū)東傳的低頻振蕩型（IN-WPO_30~60 d）、熱帶大西洋低頻振蕩型（TA_30~60 d）。通過對高影響天氣發(fā)生前各POP型位相循環(huán)環(huán)流特征的分析，可分析和預(yù)測過程發(fā)生前后的大氣低頻振蕩特征，為其在農(nóng)業(yè)防災(zāi)扛災(zāi)上的應(yīng)用提供一定參考。

大氣; 低頻振蕩; 農(nóng)業(yè)防災(zāi)

洪澇、干旱等氣象災(zāi)害是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]，加強(qiáng)對極端、高影響天氣的分析和預(yù)測，有利于降低氣象災(zāi)害對農(nóng)業(yè)的影響程度。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物產(chǎn)量的波動(dòng)與大氣環(huán)流波動(dòng)信號有關(guān)[2]，東亞冬季風(fēng)等大氣環(huán)流特征與寒潮和干旱也存在不同的相關(guān)程度[3]。大氣低頻振蕩（季節(jié)內(nèi)10~90 d振蕩）是全球大氣運(yùn)動(dòng)的基本特征之一。自上個(gè)世紀(jì)70年代初，Madden和Julian[4]發(fā)現(xiàn)了熱帶大氣低頻振蕩（MJO）以來，環(huán)流背景場的大氣低頻振蕩研究常被用于分析強(qiáng)降水、持續(xù)性暴雨等高影響天氣，而這些高影響天氣通常是造成洪澇災(zāi)害的重要原因，與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)[5]。楊秋明等用低頻振蕩分析方法研究我國尤其是東亞一帶的降水[6]、高低溫[7]、汛期[8]特征，其中要到的主要方法是主振蕩型（Principal Oscillation Pattern,簡稱POP）分析方法[9]，但對其模態(tài)和特征的研究基本是針對月內(nèi)（10~30 d）低頻振蕩。吳建金等通過對全球大氣季節(jié)內(nèi)低頻主振蕩特征的分析，研究了江淮持續(xù)性暴雨過程前大氣低頻振蕩特征[10]，但是對低頻振蕩型的具體循環(huán)和物理特征有待進(jìn)一步研究考證。本文將在國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，在全球主要環(huán)流范圍內(nèi)探究全球低頻振蕩型及其主要模態(tài)的循環(huán)特征，為10~30 d延伸期預(yù)報(bào)及其對高影響天氣的關(guān)系研究提供方法和路徑，為其在農(nóng)業(yè)防災(zāi)扛災(zāi)上的應(yīng)用提供一定指示作用。

1 材料及方法

本研究涉及的高度場數(shù)據(jù)資料是采用1961~2019年4~8月NCEP/NCAR逐日再分析數(shù)據(jù)，每年時(shí)間長度為4月1日~8月31日（153 d），共59年；向外長波輻射（OLR）資料采用的是1975~2019年每年4~8月NCEP/NCAR逐日再分析數(shù)據(jù)（2.5°×2.5°），每年時(shí)間長度與高度場數(shù)據(jù)相同，但年份長度為45年。因考慮低層大氣對農(nóng)作物及人民生成生活更有相關(guān)性，本文選取850 hPa作為主要高度層進(jìn)行計(jì)算和分析。

本文主要研究方法包括Butterworth帶通濾波和POP分析方法。帶通濾波常用于獲取周期帶之間的低頻場，而得到的低頻場用來其他分析，特別是探討大氣低頻振蕩對異常天氣現(xiàn)象的影響。根據(jù)章基嘉等人的介紹，POP分析方法是將既隨時(shí)間變化又隨空間變化的復(fù)雜系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分離成僅依賴于時(shí)間和僅依賴于空間變化的部分，并進(jìn)行分開考察，POP分析常被應(yīng)用于ENSO事件等準(zhǔn)振蕩周期過程的分析[11]。

2 大氣低頻振蕩型

大量的研究以10~20 d、30~60 d低頻振蕩活動(dòng)作為4~8月全球大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化的主要分量[9]，同時(shí)20~30 d全球大氣季節(jié)內(nèi)振蕩也越來越引起人們的重視，在許多低頻振蕩的研究當(dāng)中都提到20~30 d是南北半球（尤其是南半球）顯著的低頻振蕩周期帶，本研究通過查看不同周期帶低頻高度距平和原始高度距平標(biāo)準(zhǔn)差的比值來比較10~20 d，20~30 d，30~60 d全球大氣低頻振蕩的顯著性。如圖1所示，850 hPa高度層上，10~20 d低頻振蕩標(biāo)準(zhǔn)差比值的大值區(qū)域分別位于歐亞、亞洲北部及東北部地區(qū)、北美大陸中高緯度、東大西洋中高緯度地區(qū)、東太平洋中高緯度地區(qū)、南太平洋中高緯度地區(qū)，最大值中心在亞洲北部、加拿大北部地區(qū)。全球格點(diǎn)中數(shù)值大于30%的格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)數(shù)的94%；20~30 d低頻周期帶標(biāo)準(zhǔn)差比值的大值區(qū)域分別位于東北亞北部、北半球中緯度東太平洋地區(qū)、大西洋中緯度及北部地區(qū)，最大值中心在東亞以北、中緯度大西洋東部。全球格點(diǎn)中數(shù)值大于30%的格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)數(shù)的60%；30~60 d低頻周期帶標(biāo)準(zhǔn)差比值的大值區(qū)域分別位于印度半島以北、歐亞、亞洲東北部的北邊區(qū)域，赤道太平洋、印度洋區(qū)域，北半球中緯度東太平洋、中高緯度大西洋地區(qū)，最大值中心在北大西洋中高緯度地區(qū)、赤道太平洋地區(qū)。全球格點(diǎn)中數(shù)值大于30%的格點(diǎn)數(shù)占總格點(diǎn)數(shù)的96%。因此，10~20 d，30~60 d低頻振蕩活動(dòng)是4~8月全球大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化的主要分量之一?；谶@樣的討論，本章將利用POP分析方法探究10~20 d，30~60 d這兩個(gè)全球主要低頻振蕩周期帶的低頻振蕩模態(tài)，得到全球主要低頻振蕩型并探究他們的循環(huán)特征。

圖1 850 hPa高度矩平經(jīng)周期帶通濾波后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差比值/%

3 大氣低頻主振蕩型模態(tài)特征

3.1 大氣10~20 d低頻主振蕩型

計(jì)算結(jié)果可得，全球逐日850 hPa 10~20 d低頻高度場僅存在1個(gè)顯著的主振蕩型1/2（對偶復(fù)特征值），暫命名其為10~20 d POP1，其空間分布的實(shí)部P和虛部P如圖2(a)和圖2(b)所示，其解釋方差為11.53%，空間波傳播周期為15.21，衰減時(shí)間為36.81，均符合主振蕩模態(tài)要求。該主振蕩型的循環(huán)過程是…→P→P→-P→-P→P，通過分析主振蕩型的實(shí)、虛部主要擾動(dòng)區(qū)隨位相變化而循環(huán)往復(fù)傳播的特征，可對該主振蕩型進(jìn)行定義和解釋。

對于該主振蕩型的實(shí)部（圖2(a)）和虛部（圖2(b))，由圖可知，10~20 d低頻振蕩的實(shí)部和虛部在南半球中緯度地區(qū)均表現(xiàn)出繞球緯向傳播的波列結(jié)構(gòu)，該結(jié)果和楊秋明[12]分析20~30 d低頻主振蕩型特征的研究結(jié)果類似，參照這種定義方式，本研究也將該主振蕩型定義為10~20 d周期帶上的南半球繞球遙相關(guān)型（SCGT_10-20 d）。該主振蕩型可解釋為南半球中高緯度低頻擾動(dòng)波列沿著南半球中緯度西風(fēng)急流傳播，與南半球熱帶外地區(qū)大氣內(nèi)部非線性相互作用過程有關(guān)[12]。

圖2 1961~2019年4~8月850 hPa 10~20 d低頻高度場主振蕩型（SCGT_10-20 d）的實(shí)部和虛部分布圖

(a) 實(shí)部；（b）虛部 數(shù)值×1000

3.2 大氣30~60 d低頻主振蕩型

30~60 d POP1的實(shí)部和虛部特征，如圖3所示，根據(jù)主振蕩型循環(huán)的位相變化特征推演其位相的循環(huán)過程，主要表現(xiàn)出低頻擾動(dòng)的緯向傳播特征，而且是沿著熱帶區(qū)域自西向東傳播的。觀察實(shí)部和虛部的峰值區(qū)域，主要位于赤道印度洋和西太平洋地區(qū)，與李曄的研究結(jié)果[15]相似，因此本文亦定義該低頻主振蕩型為印度洋-西太平洋型（IN-WPO_30~60 d）。這一主振蕩型與MJO密切相關(guān)，表現(xiàn)為大西洋熱帶擾動(dòng)向赤道印度洋和赤道太平洋低頻擾動(dòng)的緯向傳播及影響，有學(xué)者推測其是在MJO向東傳播過程中，赤道附近的對流強(qiáng)迫作用激發(fā)羅斯貝波和開爾文波列所引起的這種振蕩[13,15]。圖3b（IN-WPO_30~60 d）也能看出南印度洋副高和澳大利亞高壓對赤道一帶環(huán)流擾動(dòng)的影響。

30~60 d POP2的實(shí)部和虛部特征，如圖4所示，根據(jù)位相循環(huán)過程可看出，熱帶大西洋一帶的低頻擾動(dòng)對東亞及西北太平洋等地的影響，因此我們定義該低頻主振蕩型為熱帶大西洋型（TA_30~60 d）。熱帶大西洋一帶低頻擾動(dòng)與東亞和西北太平洋之間的相互影響可能和全球大氣遙相關(guān)型有關(guān)，虛部圖（圖4b）上，中西歐到南大西洋一帶呈現(xiàn)經(jīng)向正負(fù)相間的低頻波列形態(tài)特征，但因后者距離相距太遠(yuǎn)，對東亞一帶將會是間接影響。具體的影響機(jī)制有待結(jié)合其他天氣圖進(jìn)一步分析，本文僅提供方法和路徑，在此就不再展開詳述。

圖 3 1961~2019年4~8月850 hPa 30~60 d低頻高度場主振蕩型POP1（IN-WPO_30~60 d）的實(shí)部和虛部分布圖

(b) 實(shí)部；（b）虛部 數(shù)值×1000

圖 4 1961~2019年4~8月850 hPa 30~60 d低頻高度場主振蕩型POP2（TA_30~60 d）的實(shí)部和虛部分布圖

(c) 實(shí)部；（b）虛部 數(shù)值×1000

4 在農(nóng)業(yè)防災(zāi)上的應(yīng)用

本文定義的大氣低頻主振蕩型及其循環(huán)特征，對于研究并提高對局部極端天氣的可預(yù)測性具有現(xiàn)實(shí)意義。以我國東部的持續(xù)性暴雨過程為例，持續(xù)性暴雨過程強(qiáng)度大、范圍廣，一旦發(fā)生，極易造成大范圍洪澇災(zāi)害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來較大影響[16]。2007年6月30日至2007年7月10日，在我國江淮流域發(fā)生連續(xù)11 d的持續(xù)性暴雨過程，過程面雨量達(dá)到10143.6 cm/m2，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)帶來了巨大損失。根據(jù)POP型位相周期及循環(huán)特征，過程前SCGT_10~20 d、IN-WPO_30~60 d、TA_30~60 d位相變化情況如圖5所示。

循環(huán)過程可知，該過程開始于SCGT_10~20 d第三位相、IN-WPO_30~60 d第七位相、TA_30~60 d第六位相。結(jié)合這三個(gè)POP型的主振蕩型特征，反映了赤道西太平洋等地10~20 d低頻活動(dòng)、赤道印度洋、赤道西太平洋和南太平洋等地30~60 d低頻活動(dòng)對此次持續(xù)性暴雨過程的影響，這為預(yù)測和進(jìn)一步合成分析研究過程發(fā)生前后的大氣低頻振蕩特征提供了可能性。

圖5 2007年持續(xù)性暴雨過程發(fā)生前一個(gè)月內(nèi)的振蕩型復(fù)時(shí)間系數(shù)位相和振幅變化

a) SCGT_10~20 d, b) IN-WPO_30~60 d, c) TA_30~60 d

5 結(jié)論

本文利用1961~2019年NCEP/NCAR逐日再分析資料，采用改進(jìn)后的Butterworth帶通濾波、POP分析方法研究了近59年4~8月全球大氣低頻主振蕩型，計(jì)算結(jié)果表明，850 hPa高度層上全球大氣以10~20 d、30~60 d兩種低頻振蕩為主，其中4~8月全球850 hPa環(huán)流存在一個(gè)10~20 d主振蕩型（SCGT_10~20 d，南半球繞球遙相關(guān)型）和兩個(gè)30~60 d主振蕩型（IN-WPO_30~60 d，赤道印度洋和西太平洋地區(qū)東傳的低頻振蕩型；TA_30~60 d，熱帶大西洋低頻振蕩型）。通過分析洪澇、暴雨、持續(xù)性降水過程等高影響前的POP型位相變化特征，對于深入分析大氣低頻振蕩與這些天氣過程的關(guān)系，或者與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量等現(xiàn)實(shí)問題的研究提供路徑和方法。

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The Characteristics of the Atmospheric Low Frequency Principal Oscillation Patterns and Their Application in Agricultural Disaster Prevention

LIU Yan-qun1, LIU Shu-feng1, ZHAO Pei-hong2, YU Zhou3

1.512028,2.529000,3.524001,

Atmospheric Intra-seasonal Oscillation (ISO) is one of the basic characteristics of global atmospheric motion, which is closely related to high impact weather such as flood disaster, and affects the development of agricultural economy and the safety of people's lives and property. The characteristics of global atmospheric motion during April to September of 1961 a-2019 a are analyzed statistically based on the NCEP/NCAR reanalysis data and the modified recursive band-pass filter based on the first –order Butterworth function, the principal oscillation pattern (POP) analysis and composite analysis. The results show that global atmospheric ISO have two main oscillations: 10-20 d and 30-60 d oscillation. Three dominant POP pairs are found when the POP analysis is applied to the 850 hPa geo-potential height: SCGT_10-20 d in 10-20 d oscillation; IN-WPO_30-60 d and TA_30-60 d in 30-60 d oscillation. According to the analysis of the circulation characteristics of POP phase circulation and the characteristics of atmospheric low frequency oscillation before the occurrence of high impact weather will provides a certain indication for its application in agricultural disaster prevention.

Atmoshpere; low frequency oscillation; agricultural disaster prevention

P401

A

1000-2324(2021)02-0261-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.018

2020-09-25

2020-12-04

劉艷群(1974-),女,碩士,高級工程師,主要研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)和應(yīng)用氣象研究. E-mail:596120124@qq.com