2014年夏季長(zhǎng)江流域降水季節(jié)內(nèi)振蕩的環(huán)流分析

湯 暢,吳小飛,毛江玉,張冠舜

（1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

引言

我國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū)，夏季風(fēng)活動(dòng)異常往往會(huì)導(dǎo)致降水時(shí)空分布以及總雨量的異常。特別是我國(guó)東部地區(qū)，幾乎每年夏季都會(huì)發(fā)生一系列強(qiáng)降水及暴雨事件，并引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，其中持續(xù)性暴雨事件所造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失尤為嚴(yán)重[1-3]。例如，1991年夏季江淮流域發(fā)生了3次持續(xù)性特大暴雨過程[4]，暴雨期間多數(shù)站點(diǎn)的總降水量超過600mm，長(zhǎng)江中下游部分地區(qū)甚至超過1000mm；1998年夏季長(zhǎng)江流域發(fā)生了2次持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的暴雨事件，即“二度梅”[5- 6]，降水量超過同期氣候平均值1～1.5倍，由此引發(fā)的嚴(yán)重洪澇災(zāi)害導(dǎo)致約3700人員傷亡和2500億直接經(jīng)濟(jì)損失[7]；2014年夏季，長(zhǎng)江中下游及其上游的四川、重慶和貴州等省市也出現(xiàn)了持續(xù)性暴雨事件，造成了包括西南地區(qū)在內(nèi)的長(zhǎng)江流域大范圍的夏季總降水量異常偏多。因此，有必要探究長(zhǎng)江流域這種大范圍階段性強(qiáng)降水事件的成因。

大量研究表明，長(zhǎng)江流域階段性強(qiáng)降水事件的發(fā)生依賴于大氣環(huán)流的季節(jié)內(nèi)振蕩（Intraseasonal Oscillation，以下簡(jiǎn)稱ISO）[8- 9]，且多受熱帶和中緯度大氣環(huán)流ISO共同作用[6, 9- 10]。東亞夏季風(fēng)ISO在時(shí)間尺度上主要存在10～20d（也稱作10～30d或15～35d）和30～60d這兩種顯著頻率[10-13]。實(shí)際上，1991年夏季江淮流域發(fā)生的3次持續(xù)性強(qiáng)降水事件主要受15～35d時(shí)間尺度的大氣ISO調(diào)制[4]，而1998年夏季長(zhǎng)江流域的“二度梅”則主要受30～60d時(shí)間尺度的ISO影響[6]。Li and Mao[10]基于1979～2017年夏季降水資料的研究發(fā)現(xiàn)：長(zhǎng)江中下游及華南地區(qū)夏季降水的季節(jié)內(nèi)變化以10～30d的準(zhǔn)雙周振蕩為主，方差貢獻(xiàn)約占10～90d時(shí)間尺度ISO總方差的33%；夏季長(zhǎng)江中下游降水主要依賴于熱帶和中高緯10～30d大氣環(huán)流ISO的協(xié)同作用，其中對(duì)流層高層準(zhǔn)雙周Rossby波列自中高緯度向東南方向的中國(guó)東南沿海（長(zhǎng)江中下游地區(qū)）傳播，而熱帶地區(qū)的環(huán)流異常ISO自西太平洋向北傳播至菲律賓-南海一帶；長(zhǎng)江中下游和菲律賓海形成蹺蹺板對(duì)流模式，在長(zhǎng)江中下游形成上升支（下沉支），在其南部形成下沉支（上升支），觸發(fā)經(jīng)向的垂直環(huán)流圈，該環(huán)流圈進(jìn)一步增強(qiáng)了長(zhǎng)江中下游地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)（下沉運(yùn)動(dòng)），形成了10～30d降水異常的濕（干）位相。

亞洲夏季對(duì)流層中高層大氣ISO的一個(gè)主要特征表現(xiàn)為南亞高壓環(huán)流系統(tǒng)中心位置和強(qiáng)度顯著的季節(jié)內(nèi)變化[14-16]。由于南亞高壓是聯(lián)結(jié)熱帶和中高緯環(huán)流的紐帶，因此其強(qiáng)度、范圍或者結(jié)構(gòu)的季節(jié)內(nèi)變化很大程度受到熱帶和中高緯環(huán)流異常的強(qiáng)迫[17]，使得東亞和南亞季風(fēng)區(qū)上空的輻散條件和相應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，造成局地降水出現(xiàn)季節(jié)內(nèi)振蕩[6, 10]。夏季青藏高原上空的南亞高壓作為一個(gè)強(qiáng)大反氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，在等熵面位勢(shì)渦度（位渦）場(chǎng)上表現(xiàn)為一個(gè)顯著的低位渦區(qū)[17, 18]，而其北側(cè)的中高緯地區(qū)則是高位渦區(qū)。在以往的研究中，位渦不但被廣泛地應(yīng)用到極端天氣過程的研究中[19-21]，也常用來追蹤中緯度地區(qū)與熱帶地區(qū)大氣天氣系統(tǒng)的傳播和演變[17, 18, 22]。Ortega等[17]利用370K等熵位渦資料，發(fā)現(xiàn)南亞高壓確實(shí)存在顯著的10～20d準(zhǔn)雙周振蕩，且與對(duì)流層低層水汽輸送及對(duì)流活動(dòng)是協(xié)同變化的。這事實(shí)上與Liu等[16]指出的南亞高壓中心位置“東部型”與“西部型”呈準(zhǔn)雙周轉(zhuǎn)換是一致的。Liu等[16]還指出南亞高壓的季節(jié)內(nèi)東西振蕩與中緯度高層大氣位渦異常向低緯度入侵有關(guān)。Ortega等[17]發(fā)現(xiàn)與印度地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩降水有關(guān)的位渦異常信號(hào)實(shí)際來自中高緯，南亞高壓北側(cè)的位渦異常首先向東傳播至太平洋中部，再沿著高壓東南側(cè)的東北氣流向西南傳播進(jìn)入我國(guó)南海，最后經(jīng)中南半島和孟加拉灣到達(dá)印度半島上空。在此基礎(chǔ)上，Zhang等[23]揭示了青藏高原東側(cè)位渦異常以及南亞高壓準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)2016年夏季我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)季節(jié)內(nèi)降水的影響。因此，從對(duì)流層高層位渦異常的角度來探究東亞夏季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩，可以更清楚地揭示長(zhǎng)江流域階段性強(qiáng)降水事件有關(guān)的ISO成因。2014年夏季長(zhǎng)江流域降水也呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩，其中幾次強(qiáng)降水事件的干濕期振蕩與10～20d時(shí)間尺度的ISO密切相關(guān)。因此，有必要進(jìn)一步探究與2014年夏季長(zhǎng)江流域準(zhǔn)雙周降水有關(guān)的物理過程。

考慮到Ortega等[17]僅僅分析了高空370K位渦異常信號(hào)沿著南亞高壓南側(cè)向西傳播對(duì)印度降水準(zhǔn)雙周的影響，而沒有研究其對(duì)東亞天氣異常的影響。鑒于2014年夏季我國(guó)長(zhǎng)江流域發(fā)生的準(zhǔn)雙周強(qiáng)降水過程，本文以此開展個(gè)例分析，從中緯度位渦異常南侵而改變南亞高壓結(jié)構(gòu)的角度，揭示長(zhǎng)江流域大范圍降水季節(jié)內(nèi)振蕩的特征和演變規(guī)律，從而認(rèn)識(shí)準(zhǔn)雙周強(qiáng)降水事件的成因，為強(qiáng)降水事件的延伸期預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用的資料包括：（1）基于2416個(gè)中國(guó)地面氣象臺(tái)站逐日觀測(cè)資料，通過“距平逼近”方法空間插值建立的一套逐日格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)集CN05.1[24]，其水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間范圍為1961～2017年，該資料已被廣泛用于季節(jié)內(nèi)振蕩等氣候研究領(lǐng)域[10, 25]；（2）美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）提供的MERRA-2逐日環(huán)流再分析資料[26]，包括等壓面層上的位渦、溫度場(chǎng)、三維風(fēng)場(chǎng)、比濕等，其水平分辨率為0.625°×0.5°，垂直范圍從0.1～1000hPa。為了更好地追蹤位渦異常的準(zhǔn)雙周振蕩，本文將等壓面上的位渦資料線性插值到等熵面（等位溫面）上[27]，并選取370K等熵面（與等壓面150hPa近似）作為東亞地區(qū)對(duì)流層高層位渦場(chǎng)的代表層，以更好地辨別水平位渦在對(duì)流層高層的準(zhǔn)雙周振蕩演變特征。

1.2 方法

由于2014年長(zhǎng)江流域持續(xù)性降水事件主要發(fā)生在5～9月，因此本文中夏季特指5～9月這一時(shí)段。文中采用降水距平百分率（D）作為2014年夏季降水異常的指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

其中P為2014年5～9月總降水量，P為1961～2017年同時(shí)期的氣候平均降水量。

小波變換是一種常用的時(shí)間-頻率信號(hào)分析方法，相對(duì)于Fourier變換，其優(yōu)勢(shì)在于能夠同時(shí)表征時(shí)域和頻域的局部化性質(zhì)[28]。由于小波變換采用逐步精細(xì)的時(shí)域和頻域取樣，從而可以清楚地反映時(shí)間序列的頻率隨時(shí)間的變化特征，因此被廣泛用于天氣氣候變率分析中，例如季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)提取[12, 29- 30]。為 了準(zhǔn)確地識(shí)別出長(zhǎng)江流域降水季節(jié)內(nèi)振蕩的主導(dǎo)周期，本文對(duì)2014年5～9月長(zhǎng)江流域區(qū)域平均的逐日降水時(shí)間序列進(jìn)行小波分析。小波母函數(shù)的選取對(duì)小波變換的結(jié)果有重要影響，需要根據(jù)具體問題決定?？紤]到長(zhǎng)江流域日降水時(shí)間序列具有階段性突變特征，因此參考前人研究[23, 30]，使用高斯函數(shù)六階導(dǎo)數(shù)形式（sixth-order derivative of a Gaussian function）作為小波母函數(shù)。

為了獲取2014年夏季降水的ISO相關(guān)異常周期信號(hào)，具體操作步驟為：（1）2014年夏季逐日降水資料減去1961～2017年氣候平均的逐日降水以得到2014年夏季逐日降水距平序列。（2）使用10～20d的Lanczos帶通濾波器[31]對(duì)逐日降水距平時(shí)間序列進(jìn)行濾波處理，以提取準(zhǔn)雙周振蕩信號(hào)；對(duì)其它相關(guān)物理量也進(jìn)行同樣的處理，如位渦和風(fēng)場(chǎng)。（3）針對(duì)10～20d濾波后的降水異常時(shí)間序列，以1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為閾值，挑選出振幅大于閾值的顯著準(zhǔn)雙周振蕩循環(huán)。（4）參考Mao and Chan[12]的做法，將每個(gè)循環(huán)分為8個(gè)位相，再進(jìn)行位相合成分析；位相1表示從干位相到濕位相的過渡，位相3（波峰）是極端濕位相，位相5表示從濕位相到干位相的過渡，位相7（波谷）是極端干位相，第2、4、6和8位相表示振蕩達(dá)到極端位相最大值或最小值一半的時(shí)間；位相合成中，如無特別說明，所有物理量均為經(jīng)過10～20d帶通濾波的低頻分量。（5）對(duì)于位相合成后的異常要素場(chǎng)，采用雙總體Studentt檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[32]。

本文在計(jì)算氣壓層單層水汽條件時(shí)所采用的水汽通量（FH）和水汽通量散度（DH）[33]計(jì)算公式分別為：

其中q表示比濕，單位為g/kg；V表示風(fēng)矢量，單位為m/s；g表示重力加速度，單位為m/s2。因此，氣壓層單層的水汽通量FH單位 為g·m-1·Pa-1·s-1,水汽通量散度DH的單位為g·m-2·Pa-1·s-1。

2 2014年長(zhǎng)江流域降水的準(zhǔn)雙周振蕩特征

圖1a為2014年我國(guó)東南部夏季降水總量的距平百分率和經(jīng)過10～20d濾波的降水標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布。長(zhǎng)江流域包括其上游的重慶、貴州和四川東部，大部分地區(qū)降水距平百分率超過20%，部分地區(qū)甚至超過40%。同時(shí)，經(jīng)10～20d濾波后的降水標(biāo)準(zhǔn)差大值區(qū)同樣集中在長(zhǎng)江流域，部分地區(qū)超過5mm/d?？梢?，2014年夏季包括重慶、貴州和四川東部在內(nèi)的長(zhǎng)江流域大范圍均出現(xiàn)降水異常偏多，且具有10～20d準(zhǔn)雙周振蕩特征。因此，本文選取降水距平大值區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)差大值區(qū)的重合部分（如圖1a中的紅色矩形所示，范圍是25°～32°N、 104°～120°E）作為該研究的關(guān)鍵區(qū)，簡(jiǎn)稱為長(zhǎng)江流域（后文附圖中紅框均為此區(qū)域），并將區(qū)域平均的逐日降水異常定義為降水異常指數(shù)，來進(jìn)一步研究2014年夏季長(zhǎng)江流域降水的季節(jié)內(nèi)振蕩特征。

由圖1b可見，2014年夏季長(zhǎng)江流域降水呈現(xiàn)出顯著干、濕交替的演變特征，其中濕期的降水量明顯大于相鄰的干期。小波分析結(jié)果（圖2）顯示，在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度范圍，降水異常時(shí)間序列最顯著的周期為10～20d，可見2014年夏季長(zhǎng)江流域降水異常確實(shí)存在10～20d的準(zhǔn)雙周振蕩特征。為了提取降水的準(zhǔn)雙周振蕩低頻信號(hào)，本文對(duì)異常降水指數(shù)進(jìn)行了10～20d濾波。根據(jù)Mao and Chan[12]定義的判據(jù)，以濾波后異常振幅超過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為閾值，選出了7個(gè)最顯著的準(zhǔn)雙周過程，分別為：5月19～30日、5月31日～6月13日、6月16～29日、6月30日～7月9日、7月10～23日、8月27日～9月10日和9月12～25日，如圖1b中的E1～E7所示。再運(yùn)用前文所述的位相合成方法，對(duì)這7個(gè)過程進(jìn)行位相合成分析，以研究準(zhǔn)雙周振蕩降水及其相關(guān)環(huán)流的演變特征。

圖1 （a）2014年夏季降水總量距平百分率和10～20d濾波的低頻降水標(biāo)準(zhǔn)差（等值線表示降水距平百分率，單位：%；填色區(qū)表示低頻降水標(biāo)準(zhǔn)差，單位：mm/d；紅框表示長(zhǎng)江流域關(guān)鍵區(qū)；藍(lán)色曲線表示長(zhǎng)江和黃河），（b）長(zhǎng)江流域區(qū)域平均的降水異常及10～20d濾波的低頻降水序列（黑色實(shí)線表示降水異常，藍(lán)色實(shí)線表示低頻降水，橙色虛線為低頻降水序列異常振幅為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)識(shí)線，E1～E7為顯著準(zhǔn)雙周過程，數(shù)字1～8代表準(zhǔn)雙周振蕩的8個(gè)位相）

圖2 2014年夏季長(zhǎng)江流域區(qū)域平均降水序列的小波分析（實(shí)（虛）線表示正（負(fù)）值，陰影表示譜系數(shù)通過95%置信度的紅噪聲檢驗(yàn)，粗虛線以外的區(qū)域受邊緣效應(yīng)的影響）

圖3為基于準(zhǔn)雙周振蕩位相合成的低頻降水異常演變圖。在位相1（圖3a），四川東北部首先出現(xiàn)較弱的降水正異常，此外長(zhǎng)江流域大部分地區(qū)為降水負(fù)異常；到達(dá)位相2（圖3b）時(shí)，降水正異常向南擴(kuò)展到幾乎整個(gè)長(zhǎng)江流域，同時(shí)在長(zhǎng)江上游和下游分別出現(xiàn)了一個(gè)降水異常的大值中心，強(qiáng)度超過2mm/d；進(jìn)一步發(fā)展至極端濕位相（圖3c）時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)江流域均出現(xiàn)了顯著的降水正異常，且大部分地區(qū)降水正異常超過4mm/d；隨后，在位相4（圖3d），長(zhǎng)江以北開始出現(xiàn)了降水負(fù)異常，但西南地區(qū)的正異常降水仍很好地維持；位相5～8（圖3e～h）的演變基本與位相1～4相反，但長(zhǎng)江流域降水呈負(fù)異常，對(duì)應(yīng)準(zhǔn)雙周降水干位相。

3 準(zhǔn)雙周振蕩降水相關(guān)的位渦分析

3.1 中緯度波列和副熱帶高壓對(duì)中低層環(huán)流的影響

眾所周知，對(duì)流層低層的水汽輸送和散度條件對(duì)降水具有重要影響，而我國(guó)處于東亞季風(fēng)區(qū)，對(duì)流層中層500hPa西北太平洋副熱帶高壓（副高）的位置對(duì)長(zhǎng)江流域雨帶位置有著重要的指示作用。因此，本節(jié)將首先分析對(duì)流層中低層環(huán)流異常對(duì)長(zhǎng)江流域降水準(zhǔn)雙周振蕩的影響。夏季副高位置通常用500hPa高度層上的5880或5870gpm等位勢(shì)高度線來表示。在位相1（圖4a），5870gpm等位勢(shì)高度線向西延伸至100°E附近，受副高西伸影響，我國(guó)東南部及西北太平洋上空為異常反氣旋性環(huán)流，而長(zhǎng)江以北、青藏高原以東及以北上空為中緯度異常氣旋性環(huán)流，二者呈西北-東南向偶極型分布，長(zhǎng)江流域恰好受二者之間的偏西風(fēng)異常氣流控制。因此，在對(duì)流層低層850hPa建立了一條自南海向長(zhǎng)江流域到西北太平洋的暖濕帶（圖5a）。到了位相2（圖4b），對(duì)流層中層中緯度氣旋異常向東南移動(dòng)，5870gpm等高線和反氣旋異常均開始向東南延伸，長(zhǎng)江流域上空變?yōu)槲髂巷L(fēng)異常。西南風(fēng)異常更有利于自南海向長(zhǎng)江流域的水汽輸送，低空的西南水汽通量異常與中緯度的西北風(fēng)異常在長(zhǎng)江流域西部匯合，導(dǎo)致長(zhǎng)江流域出現(xiàn)明顯的水汽輻合區(qū)（圖5b）。在極端濕位相3（圖4c），對(duì)流層中層中緯度異常氣旋繼續(xù)向南移動(dòng)，其南側(cè)此時(shí)位于長(zhǎng)江流域上空；而副高繼續(xù)向東南延伸至我國(guó)東南沿海上空，西太平洋異常反氣旋緯向范圍受異常氣旋南移擠壓影響變得狹窄，在我國(guó)東南沿海地區(qū)及鄰近海域上空呈西南-東北走向分布，對(duì)流層低層西南水汽通量異常增強(qiáng)，更多的水汽被輸送至長(zhǎng)江流域（圖5c）。此時(shí)，中緯度異常氣旋的偏北風(fēng)異常與西北太平洋異常反氣旋的西南風(fēng)異常恰好在長(zhǎng)江流域上空匯合，導(dǎo)致低層水汽輻合加強(qiáng)（圖5c），進(jìn)而引發(fā)大范圍強(qiáng)烈的異常上升運(yùn)動(dòng)（圖4c），有利于強(qiáng)降水的發(fā)生（圖3c）。同時(shí)，西北太平洋下沉運(yùn)動(dòng)也顯著加強(qiáng)，通過補(bǔ)償效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)和維持長(zhǎng)江流域的異常上升運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)江流域垂直速可達(dá)-6×10-2Pa/s，有利于持續(xù)性強(qiáng)降水發(fā)生。

在位相4（圖4d），對(duì)流層中層中緯度異常氣旋繼續(xù)南移，而西北太平洋異常反氣旋已經(jīng)消亡，因此中國(guó)東部西南方向的水汽帶有所削弱（圖5d），此時(shí)菲律賓以東洋面開始出現(xiàn)氣旋性異常環(huán)流。西北太平洋異常反氣旋消亡造成西太平洋補(bǔ)償性下沉運(yùn)動(dòng)減弱，因此長(zhǎng)江流域的上升運(yùn)動(dòng)和水汽輻合開始減弱（圖4d和圖5d），降水強(qiáng)度隨之減弱（圖3d）。位相5～8（圖4e～h）的環(huán)流情況與位相1～4（圖4a～d）基本相反，500hPa副高位置異常東撤，在850hPa西太平洋上表現(xiàn)為異常氣旋，異常氣旋北側(cè)的的東北向水汽通量異常，而500hPa長(zhǎng)江流域北部中緯度異常反氣旋向東南移動(dòng)，因此在長(zhǎng)江流域上空造成明顯的輻散，且受下沉運(yùn)動(dòng)的控制。中國(guó)東部與西太平洋表現(xiàn)出顯著的斜壓散度，通過補(bǔ)償效應(yīng)在長(zhǎng)江流域低層激發(fā)出強(qiáng)烈的水汽輻散（圖5e～h），長(zhǎng)江流域降水轉(zhuǎn)為干位相。

圖3 2014年夏季準(zhǔn)雙周振蕩位相合成的10～20d濾波的低頻降水異常（a～h.第1～8位相，單位：mm/d；藍(lán)色曲線表示長(zhǎng)江和黃河；加點(diǎn)區(qū)域表示降水異常通過95%的置信度檢驗(yàn)）

圖5 2014年夏季準(zhǔn)雙周振蕩位相合成的10～20d濾波的的850hPa水汽通量和水汽通量散度異常（矢量表示水汽通量異常，單位：g·m-1·Pa-1·s-1；填色表示水汽通量散度異常，單位：10-6 g·m-2·Pa-1·s-1；藍(lán)色曲線表示長(zhǎng)江和黃河；黑色矢量代表水汽通量異常至少有一個(gè)分量通過95%的置信度檢驗(yàn)；加點(diǎn)區(qū)域表示水汽通量散度異常通過95%的置信度檢驗(yàn)）

3.2 對(duì)流層高層位渦異常對(duì)環(huán)流的影響

針對(duì)準(zhǔn)雙周環(huán)流異常的研究，前人更多地聚焦在對(duì)流層低層環(huán)流對(duì)高層環(huán)流的影響。而Ortega等[17]指出，夏季南亞高壓這一對(duì)流層高層行星尺度系統(tǒng)的準(zhǔn)雙周振蕩會(huì)對(duì)低層環(huán)流產(chǎn)生影響。但Ortega等[17]僅討論了與南亞高壓相關(guān)的370K位渦異常對(duì)印度地區(qū)水汽輸送和對(duì)流發(fā)展的影響，并未分析位渦異常對(duì)東亞地區(qū)異常天氣的影響。因此，有必要通過準(zhǔn)雙周位渦的演變，探究對(duì)流層高層位渦振蕩在東亞地區(qū)準(zhǔn)雙周降水中的調(diào)制作用，進(jìn)而更好地理解長(zhǎng)江流域降水準(zhǔn)雙周振蕩的形成及演變機(jī)制。

為了追蹤對(duì)流層高層位渦系統(tǒng)的準(zhǔn)雙周振蕩信號(hào)，圖6給出了370K等熵面上低頻位渦異常的合成演變。370K等熵面在對(duì)流層中的高度大致相當(dāng)于150hPa等壓面，而150hPa高度層恰好對(duì)應(yīng)南亞高壓系統(tǒng)中心位置的高度，以及長(zhǎng)江流域上空最顯著的位渦異常信號(hào)（圖7），因此本文選取370K等熵面作為高空位渦的代表層。在位相1（圖6a），南亞高壓北側(cè)中緯度地區(qū)存在著一組正、負(fù)位渦異常交替排列的波列，此時(shí)長(zhǎng)江流域西北側(cè)受該波列中的正位渦異?？刂疲洚惓Ｖ行膹?qiáng)度可達(dá)1PVU；在該異常正位渦（氣旋性）的影響下，14340gpm特征線表征的南亞高壓緯向位置偏南；同時(shí)可以觀察到在該中緯度正位渦異常的上游地區(qū)有一個(gè)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)漠惓Ｘ?fù)位渦中心，以往的研究[10]指出該波列源區(qū)可以追溯到大西洋北部。在位相2（圖6b），中緯度位渦異常波列向東傳播，而南亞高壓東側(cè)西北太平洋上空也存在著強(qiáng)度較弱且不連續(xù)的正渦度異常，自位相1（圖6a）到位相2（圖6b）開始顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致南亞高壓經(jīng)向范圍向西回縮。到了極端濕位相3（圖6c），中緯度氣旋性位渦異常到達(dá)長(zhǎng)江流域以北上空，同時(shí)西太平洋菲律賓海的正位渦異常范圍在南亞高壓東側(cè)顯著擴(kuò)大，自中緯度到低緯度呈東北-西南向分布；該正位渦異常限制了南亞高壓的緯向范圍和強(qiáng)度，此時(shí)表征南亞高壓主體范圍的14340gpm等位勢(shì)高度線西撤至臺(tái)灣上空，與中緯度位渦正異常中心共同形成“馬鞍型”的環(huán)流分布；中緯度異常氣旋東側(cè)的西南氣流和南亞高壓東南側(cè)異常西北氣流在長(zhǎng)江流域高空形成了類似于“喇叭口”的輻散氣流，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)（圖4c），有利于長(zhǎng)江流域降水發(fā)生（圖3c）。在位相4（圖6d），伴隨著中緯度異常氣旋開始減弱并繼續(xù)東移，長(zhǎng)江流域高空輻散開始減弱，降水同時(shí)減弱；在中緯度上游巴爾喀什湖的異常反氣旋開始發(fā)展，導(dǎo)致南亞高壓范圍顯著北抬。同樣，從位相5到位相8的環(huán)流演變（圖6e～h）與位相1～4（圖6a～d）基本相反，表現(xiàn)為長(zhǎng)江流域關(guān)鍵區(qū)北部被原來中緯度上游異常反氣旋位渦東移所替代，高空形成輻合氣流，伴隨著下沉運(yùn)動(dòng)（圖4e～h），長(zhǎng)江流域產(chǎn)生降水負(fù)異常（圖3e～h）。此外，相較于濕位相（圖6c），干位相中（圖6g）由于中緯度負(fù)位渦的存在，表征南亞高壓主體范圍的14340gpm等位勢(shì)高度線有明顯向北伸展的趨勢(shì)，同時(shí)在南亞高壓東西兩側(cè)受反氣旋性位渦異常影響，有利于南亞高壓的東西向延伸，東側(cè)可達(dá)150°E，西側(cè)可達(dá)20°E，說明南亞高壓結(jié)構(gòu)變化存在著顯著的準(zhǔn)雙周振蕩特征。在準(zhǔn)雙周尺度范圍內(nèi)，中緯度位渦異常一部分進(jìn)入西北太平洋，途經(jīng)日本海、西太平洋，在洋面上發(fā)生Rossby波破碎；另一部分沿南亞高壓邊緣反氣旋東北向氣流出現(xiàn)在南海、菲律賓及孟加拉灣沿岸，繼而在熱帶低緯度向西傳播，到達(dá)南亞高壓西部轉(zhuǎn)而向北傳播，最后回到中緯度波列中。在南亞高壓反氣旋性環(huán)流的大背景下，當(dāng)準(zhǔn)雙周異常位渦傳播至關(guān)鍵區(qū)高空時(shí)，散度條件發(fā)生變化，最終導(dǎo)致局地降水出現(xiàn)準(zhǔn)雙周振蕩。

圖4 2014年夏季準(zhǔn)雙周振蕩位相合成的10～20d濾波的500hPa垂直速度和風(fēng)場(chǎng)異常（填色表示垂直速度異常，單位：10-2Pa/s；矢量表示風(fēng)場(chǎng)異常，單位：m/s；綠色實(shí)線表示未濾波的5870gpm等位勢(shì)高度線；藍(lán)色曲線表示長(zhǎng)江和黃河；加點(diǎn)區(qū)域表示垂直速度異常通過95%的置信度檢驗(yàn)；黑色箭頭表示風(fēng)速異常至少一個(gè)分量通過95%的置信度檢驗(yàn)）

圖6 2014年夏季準(zhǔn)雙周降水事件位相合成的10～20d濾波的370K位渦和150hPa風(fēng)場(chǎng)異常（填色表示位渦異常，單位：PVU；矢量表示風(fēng)場(chǎng)異常，單位：m/s；藍(lán)色虛線表示150hPa上未濾波的14310gpm、14340gpm和14370gpm等位勢(shì)高度線；黃色曲線表示長(zhǎng)江和黃河；加點(diǎn)區(qū)域表示位渦異常通過95%的置信度檢驗(yàn)；黑色矢量表示風(fēng)場(chǎng)異常至少有一個(gè)分量通過95%的置信度檢驗(yàn)）

3.3 對(duì)流層高層位渦異常對(duì)垂直環(huán)流的強(qiáng)迫作用

垂直上升運(yùn)動(dòng)是降水發(fā)生的重要條件，因此本節(jié)將進(jìn)一步分析長(zhǎng)江流域?qū)α鲗痈邔游粶u異常對(duì)垂直環(huán)流的強(qiáng)迫作用。Popovic and Plumb[18]指出，位渦異常脫落現(xiàn)象的垂直影響范圍較為淺薄，主要局限于對(duì)流層400hPa以上至對(duì)流層頂。Zhu and Mao[25]定義了平流層區(qū)域位渦下侵指數(shù)，分析指出在高（低）指數(shù)年，位渦異常向下侵入到對(duì)流層300hPa附近時(shí)會(huì)在低層強(qiáng)迫出異常氣旋（反氣旋），從而將高層位渦強(qiáng)迫與低層異常環(huán)流聯(lián)系在一起。

圖7給出了2014年夏季準(zhǔn)雙周降水事件位相合成的位渦和風(fēng)場(chǎng)異常沿降水關(guān)鍵區(qū)（104°～120°E）平均的緯度-氣壓垂直剖面。為了簡(jiǎn)明起見，圖7只重點(diǎn)顯示了準(zhǔn)雙周期間的過渡位相（位相1、5）和極端位相（位相3、7）。在過渡位相1（圖7a），中緯度地區(qū)250hPa以上存在一個(gè)強(qiáng)度較弱的位渦正異常，高層水平風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為較為一致的南風(fēng)異常，此時(shí)中緯度正位渦異常中心位于關(guān)鍵區(qū)剖面的西側(cè)（如圖6a）。隨著中緯度波列的東移，對(duì)流層高層的氣旋性位渦異常逐漸加強(qiáng)。到了極端濕位相3（圖7b），150hPa高度附近的異常位渦中心強(qiáng)度可達(dá)0.6PVU；隨著中緯度地區(qū)的氣旋性異常加強(qiáng)，南亞高壓經(jīng)向收縮且位置偏南，25°～30°N范圍內(nèi)的長(zhǎng)江流域?qū)α鲗痈邔訛樨?fù)位渦異常的輻散氣流，有利于長(zhǎng)江流域上空出現(xiàn)整層一致的上升運(yùn)動(dòng)（圖7b）。同時(shí)對(duì)流層低層盛行偏南氣流，將水汽從南海輸送至長(zhǎng)江流域，最終導(dǎo)致長(zhǎng)江流域的濕位相（圖3c）。此外，長(zhǎng)江流域的上升氣流與15°N以南的南海上空的下沉氣流形成一個(gè)明顯的經(jīng)向垂直環(huán)流系統(tǒng)，該垂直環(huán)流系統(tǒng)可進(jìn)一步維持長(zhǎng)江流域異常降水過程。到了位相5（圖7c），中緯度反氣旋異常向東發(fā)展（圖6e），對(duì)流層高層北部表現(xiàn)為弱的負(fù)位渦異常，因此中緯度波列中的位渦正異常減弱南移，30°N附近的上升運(yùn)動(dòng)受到抑制，降水減弱（圖3e）。最后，隨著負(fù)位渦在中緯度高層?xùn)|移加強(qiáng)（圖6g），長(zhǎng)江流域北部150hPa高層附近受反氣旋位渦異?？刂疲▓D7d），南亞高壓的經(jīng)向范圍向北擴(kuò)展（圖6g）；長(zhǎng)江流域高層出現(xiàn)異常輻合氣流，而低層受異常輻散控制，氣流下沉，降水減弱（圖3g）。通過質(zhì)量補(bǔ)償效應(yīng)，長(zhǎng)江流域南側(cè)的低緯度洋面上空則出現(xiàn)異常上升運(yùn)動(dòng)，形成了與位相1～3方向相反的經(jīng)向垂直環(huán)流系統(tǒng)（圖7d）；在這一反向的經(jīng)向垂直環(huán)流系統(tǒng)的控制下，長(zhǎng)江流域降水準(zhǔn)雙周振蕩轉(zhuǎn)換為干位相。

圖7 2014年夏季準(zhǔn)雙周降水事件位相合成的10～20d濾波的低頻位渦和風(fēng)場(chǎng)異常沿104°～120°E平均的緯度-氣壓垂直剖面（a.位相1，b.位相3，c.位相5，d.位相7；填色表示位渦異常，單位：PVU；矢量表示風(fēng)場(chǎng)異常，經(jīng)向風(fēng)單位：m/s；垂直速度擴(kuò)大了-50倍，單位：Pa/s；虛線表示未濾波的位溫，單位：K；黑色陰影表示地形；加點(diǎn)區(qū)域表示位渦異常通過95%的置信度檢驗(yàn)；黑色矢量表示風(fēng)場(chǎng)異常至少有一個(gè)分量通過95%的置信度檢驗(yàn)）

為了進(jìn)一步探究準(zhǔn)雙周振蕩的垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)和干濕位相轉(zhuǎn)換熱力學(xué)機(jī)制，圖8給出了2014年夏季準(zhǔn)雙周降水事件位相合成的溫度和風(fēng)場(chǎng)異常沿降水關(guān)鍵區(qū)（104°～120°E）平均的緯度-氣壓垂直剖面。在位相1（圖8a），30°N以北的溫度異常以150hPa為界，上部為暖異常中心，下部為冷異常中心；在位渦垂直異常場(chǎng)上（圖7），150hPa高度層中緯度恰好對(duì)應(yīng)的位渦異常中心，這種正位渦異常中心下方配合冷異常的溫壓分布結(jié)構(gòu)，反映了中緯度大氣的斜壓性。在極端濕位相3（圖8b），隨著低頻波列位渦槽區(qū)的南移加強(qiáng)（圖7b），150hPa以下的冷異常氣團(tuán)也隨之南移，在槽前對(duì)流層低層引導(dǎo)暖空氣上升，使150hPa以下的對(duì)流層出現(xiàn)一致的上升運(yùn)動(dòng)。上升氣流在長(zhǎng)江流域高空輻散，在南海中部下沉，經(jīng)向垂直環(huán)流圈建立。到了位相5（圖8c），對(duì)流層150hPa以上出現(xiàn)溫度冷異常，且伴隨著異常偏北風(fēng)，這種高層冷平流會(huì)抑制上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，且40°N以北150hPa以下的對(duì)流層開始出現(xiàn)異常暖中心，槽后冷空氣受到抑制，該暖中心正好位于反氣旋性位渦異常的正下方（圖7c），這種高層暖脊結(jié)構(gòu)會(huì)激發(fā)反氣旋性位渦中心的南部產(chǎn)生下沉運(yùn)動(dòng)，因此長(zhǎng)江流域上升運(yùn)動(dòng)隨之減弱。最后，隨著暖性反氣旋環(huán)流南移，長(zhǎng)江流域下沉運(yùn)動(dòng)達(dá)到極大值（圖8d），高層氣流在長(zhǎng)江流域輻合下沉而在熱帶地區(qū)上升，形成了與位相3反向的垂直環(huán)流圈，不利于降水發(fā)展（圖3g）。

圖8 同圖7，但為溫度和風(fēng)場(chǎng)異常的緯度-氣壓垂直剖面（填色表示溫度異常，單位：K）

這種熱力與動(dòng)力結(jié)構(gòu)相耦合的規(guī)律可以通過熱成風(fēng)關(guān)系來解釋。在極端濕位相，對(duì)流層高層受氣旋性位渦異?？刂疲▓D7b），由于在位渦中心下方的下游盛行偏南風(fēng)，此時(shí)水平溫度異常分布會(huì)發(fā)生改變：隨著緯度的增加，溫度逐漸升高，即在位渦中心下方會(huì)激發(fā)出異常冷中心，位渦中心上方則與之相反（圖8b）；最后形成了濕位相上暖下冷的溫度異常分布，氣旋性正位渦中心的上層對(duì)應(yīng)暖中心，等熵面（等位溫面）向下凹，其下層為冷中心，等熵面向上凸，等熵面表現(xiàn)為向位渦中心收縮傾斜（圖7b和圖8b）；當(dāng)來自低緯度地區(qū)的暖空氣沿等熵面上升，與南下冷空氣匯合，容易在中緯度地區(qū)觸發(fā)異常上升運(yùn)動(dòng)。干位相則相反，受對(duì)流層高層負(fù)位渦中心下方北風(fēng)氣流影響（圖7d），在負(fù)位渦中心下方（上方）形成暖（冷）異常，等熵面向下凹（上凸），不利于對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展（圖8d）。

4 結(jié)論與討論

本文以2014年為例，基于臺(tái)站降水觀測(cè)資料和MERRA-2大氣再分析資料，挑選出長(zhǎng)江流域夏季（5～9月）降水最顯著的7個(gè)準(zhǔn)雙周振蕩周期并進(jìn)行位相合成分析，研究了長(zhǎng)江流域夏季降水異常的季節(jié)內(nèi)振蕩特征，分析了對(duì)流層中低空環(huán)流與水汽條件對(duì)長(zhǎng)江流域夏季降水準(zhǔn)雙周振蕩的貢獻(xiàn)，并重點(diǎn)從位渦角度探究了對(duì)流層高層位渦準(zhǔn)雙周振蕩異常通過調(diào)制南亞高壓結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響準(zhǔn)雙周降水干、濕位相下的散度條件和垂直環(huán)流演變的物理過程。主要結(jié)論如下：

（1）2014年夏季長(zhǎng)江流域，包括其上游重慶、貴州和四川東部地區(qū)出現(xiàn)了一系列持續(xù)性降水偏多事件，夏季正降水距平百分率超過20%，具有顯著的10～20d準(zhǔn)雙周振蕩特征。降水準(zhǔn)雙周振蕩演變特征表現(xiàn)為：在過渡位相，降水正（負(fù)）異常首先出現(xiàn)在長(zhǎng)江流域上游四川東部和重慶等地，隨后向南、向東拓展至整個(gè)長(zhǎng)江流域且強(qiáng)度增大，形成長(zhǎng)江流域極端濕位相（干位相）。

（2）對(duì)流層中低層?xùn)|南向傳播的中緯度波列和副熱帶高壓的準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)長(zhǎng)江流域準(zhǔn)雙周降水具有重要影響。在濕位相發(fā)展過程中，中緯度異常氣旋向東南移動(dòng)至江淮流域上空，同時(shí)副高延伸至東南沿海，與之相關(guān)的西北太平洋異常反氣旋在經(jīng)向被壓縮成東北-西南向的帶狀環(huán)流，其西側(cè)來自南海的異常暖濕氣流與中緯度異常氣旋東側(cè)干冷的偏北氣流在長(zhǎng)江流域匯合，形成輻合上升運(yùn)動(dòng)，引發(fā)長(zhǎng)江流域強(qiáng)降水，形成濕位相。之后，副高東撤，菲律賓以東的西北太平洋上空出現(xiàn)異常氣旋，同時(shí)中緯度波列的異常反氣旋傳播至長(zhǎng)江以北區(qū)域，形成向干位相發(fā)展的過渡位相。隨后的準(zhǔn)雙周干位相發(fā)展過程與濕位相基本相反。

（3）對(duì)流層高層中緯度位渦異常與長(zhǎng)江流域準(zhǔn)雙周降水的演變密切相關(guān)。在濕（干）階段，當(dāng)中緯度波列東移過程中正（負(fù)）位渦異常移動(dòng)至長(zhǎng)江流域北部，南亞高壓東南部的正（負(fù)）位渦異常也在西太平洋向赤道地區(qū)發(fā)展，對(duì)流層高層南亞高壓結(jié)構(gòu)向南（北）向西（東）收縮（擴(kuò)張），形成“馬鞍型”的環(huán)流分布。此時(shí)長(zhǎng)江流域高空處在輻散（輻合）氣流控制下，激發(fā)出強(qiáng)烈上升（下沉）運(yùn)動(dòng)，伴隨著低空水汽輻合（輻散），長(zhǎng)江流域降水出現(xiàn)極端濕（干）位相。

（4）垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)上，隨著中緯度波列位渦正異常的東移，極端濕位相在中緯度150hPa附近出現(xiàn)位渦正異常中心，其下方對(duì)應(yīng)冷空氣下沉，進(jìn)而在正位渦異常前方的長(zhǎng)江流域引導(dǎo)出強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，南海地區(qū)異常下沉，激發(fā)出一個(gè)南海-長(zhǎng)江流域的經(jīng)向垂直環(huán)流圈。低空南風(fēng)加強(qiáng)，帶來的南海水汽也隨之增加，有利于降水在長(zhǎng)江流域的維持。溫度異常場(chǎng)上，極端濕位相下位渦異常中心的上、下側(cè)分別對(duì)應(yīng)溫度暖中心和冷中心，使垂直方向上的等熵面發(fā)生變形，同樣有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。因此，在高、低層及垂直環(huán)流的共同作用下，長(zhǎng)江流域降水出現(xiàn)極端濕位相。干位相高低層垂直演變特征則相反。

值得注意的是，本文以2014年作為夏季中國(guó)東部降水研究的代表個(gè)例，該年的最大降水距平以及最大準(zhǔn)雙周季節(jié)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差均出現(xiàn)在長(zhǎng)江流域。雖然本文證明了2014年夏季長(zhǎng)江流域降水準(zhǔn)雙周振蕩與對(duì)流層高層位渦異常準(zhǔn)雙周振蕩相關(guān)的南亞高壓存在密切聯(lián)系，然而這種準(zhǔn)雙周振蕩存在著較為顯著的年際差異，不同年份對(duì)流層上層位渦特征及其對(duì)降水異常的強(qiáng)迫很可能是不同的。因此，有必要檢查更多的個(gè)例，以診斷季節(jié)內(nèi)位渦異常擾動(dòng)對(duì)降水異常振蕩的影響是否在其他年份同樣存在。