熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水的影響及其可能機(jī)制

李永華　向波　盧楚翰　琚建華　王娜重慶市氣候中心，重慶07南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京00云南省氣象局，昆明6500南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京00

熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水的影響及其可能機(jī)制

李永華1向波1盧楚翰2琚建華3王娜4
1重慶市氣候中心，重慶401147
2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044
3云南省氣象局，昆明650034
4南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210023

李永華, 向波, 盧楚翰，等. 2016. 熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水的影響及其可能機(jī)制 [J]. 大氣科學(xué), 40 (2): 437–450.Li Yonghua, Xiang Bo, Lu Chuhan, et al. 2016. Impact of Madden-Julian oscillation activities on precipitation in summer over the east of Southwest China and its possible mechanism [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 437–450, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1506.15134.

利用1979～2013年6～8月的西南地區(qū)東部20個(gè)臺(tái)站日降水量資料、逐日MJO（Madden-Julian Oscillation）指數(shù)、全球OLR（Outgoing Longwave Radiation）逐日格點(diǎn)資料以及NCEP/NCAR再分析日資料，采用合成分析和線性回歸等方法，對(duì)夏季MJO不同位相活動(dòng)影響西南地區(qū)東部夏季降水的原因及其可能機(jī)制進(jìn)行了初步分析。研究表明，MJO與西南地區(qū)東部夏季降水之間存在著顯著的關(guān)系，當(dāng)MJO處于第4（第6）位相時(shí)，由于西太平洋副高位置偏南（偏北）、向西南地區(qū)東部的水汽輸送偏多（偏少），在異常上升（下沉）氣流影響下，西南地區(qū)東部夏季降水偏多（偏少）。MJO影響西南地區(qū)東部夏季降水的可能原因是：當(dāng)MJO處于第4位相時(shí)，赤道東印度洋地區(qū)上空大氣釋放凝結(jié)潛熱，其激發(fā)東北向傳播的異常波動(dòng)，進(jìn)而影響東亞環(huán)流，使得西南地區(qū)東部出現(xiàn)夏季降水偏多的環(huán)流形勢(shì)，西南地區(qū)東部夏季降水增多；但在第6位相時(shí)，西太平洋地區(qū)上空對(duì)流釋放的凝結(jié)潛熱，其激發(fā)PJ（太平洋—日本）型Rossby波列，出現(xiàn)不利于西南地區(qū)東部夏季降水的環(huán)流形勢(shì)，西南地區(qū)東部夏季降水偏少。

1　引言

自Madden and Julian（1971, 1972）發(fā)現(xiàn)MJO （Madden-Julian Oscillation）以來(lái)，國(guó)內(nèi)外從上個(gè)世紀(jì)80年代開始對(duì)ISO（Intraseasonal Oscillation）特別是MJO進(jìn)行了研究（Anderson and Rosen, 1983；李崇銀，1990；李崇銀等，2003，2013；何潔琳等，2013）。已有研究表明，MJO和短期氣候異常有著密切的聯(lián)系。如Jeong et al.（2005）分析了MJO對(duì)東亞冬季地表溫度及冷涌的影響，發(fā)現(xiàn)絕大部分冬季冷涌事件均發(fā)生在MJO對(duì)流中心位于印度洋的時(shí)候，由MJO激發(fā)的環(huán)流異?？赡軙?huì)加強(qiáng)冷涌，從而造成極端寒冷事件。近些年來(lái)，MJO在延伸期降水預(yù)報(bào)方面已經(jīng)開始研究和應(yīng)用。如丁一匯和梁萍（2010）從MJO與中緯度相互作用的角度討論了制作延伸預(yù)報(bào)的理論依據(jù)，并以江淮梅雨為例探討了我國(guó)延伸預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性及信號(hào)；梁萍和丁一匯（2012）根據(jù)梅雨區(qū)降水及其影響系統(tǒng)的低頻信號(hào)（MJO），對(duì)梅雨區(qū)降水的延伸預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了探索和試驗(yàn)；賈小龍和梁蕭云（2011）研究了2009年11月熱帶地區(qū)一次強(qiáng)的MJO過(guò)程與我國(guó)11月東部大范圍雨雪天氣的可能聯(lián)系，認(rèn)為強(qiáng)MJO過(guò)程是我國(guó)東部大范圍雨雪天氣的一個(gè)重要影響因子；牛法寶等（2013）分析了MJO不同活動(dòng)中心位置對(duì)云南冬半年降水過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)利用MJO的東傳規(guī)律可以有效地進(jìn)行云南冬半年降水的延伸期天氣預(yù)報(bào)。這些研究表明，利用MJO信號(hào)進(jìn)行延伸期降水預(yù)報(bào)具有重要的意義。

MJO除了用于延伸期降水預(yù)報(bào)以外，MJO位于不同的地理位置，對(duì)區(qū)域氣候也有重要影響。如Zhang et al.（2009）指出，當(dāng)MJO位于印度洋時(shí)，我國(guó)東南降水增加，而當(dāng)MJO位于西太平洋時(shí)，降水減少；劉冬晴和楊修群（2010）進(jìn)一步從MJO影響中國(guó)東部冬季降水的機(jī)制方面進(jìn)行了較好的探討，認(rèn)為熱帶對(duì)流活動(dòng)通過(guò)對(duì)東移性赤道熱源的Rossby波型的響應(yīng)影響中國(guó)東部冬季降水；Hidayat and Kizu（2010）發(fā)現(xiàn)東傳MJO的位相不同，將明顯影響印尼群島夏季降水變率；白旭旭和李崇銀等（2011）通過(guò)位相合成及對(duì)比分析，研究了MJO對(duì)我國(guó)東部春季降水的影響，指出當(dāng)MJO傳播至中東印度洋時(shí)，我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)春季降水為正異常，當(dāng)其進(jìn)一步東傳至中南半島—印尼群島一帶時(shí)，我國(guó)華南地區(qū)春季降水為正異常，而在其他活動(dòng)階段不利于我國(guó)東部的春季降水；琚建華等（2011）發(fā)現(xiàn)當(dāng)MJO和北極濤動(dòng)（Arctic Oscillation，AO）兩者持續(xù)異常時(shí)會(huì)對(duì)云南的降水產(chǎn)生影響；呂俊梅等（2012）指出熱帶大氣MJO活動(dòng)的持續(xù)性異常是2009年夏季至2010年春季云南極端干旱事件發(fā)生的重要原因之一；Matthews et al.（2013）發(fā)現(xiàn)MJO是預(yù)報(bào)巴布亞新幾內(nèi)亞弗萊河降水和水位的一個(gè)顯著信號(hào)；李文鎧等（2014）指出第2～3位相和第6～7位相分別是影響華南前汛期降水的典型“濕位相”和“干位相”。

西南地區(qū)東部夏季降水變率大，旱澇頻繁，季內(nèi)往往也會(huì)出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，給該區(qū)域經(jīng)濟(jì)和人民生產(chǎn)生活造成影響（李永華等，2009a，2010a，2011）。由上分析可知，MJO對(duì)我國(guó)區(qū)域氣候有著重要影響，問(wèn)題是，當(dāng)MJO處于不同的位相以及和MJO相對(duì)應(yīng)的熱帶對(duì)流活動(dòng)處于不同的海域時(shí)其與西南地區(qū)東部的天氣氣候是否有關(guān)系，如果有關(guān)系，MJO不同的位相通過(guò)何種機(jī)制影響我國(guó)西南地區(qū)東部的天氣氣候，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，目前研究尚不多見(jiàn)。因此本文將研究MJO的不同位相與西南地區(qū)東部夏季（6～8月）降水的可能聯(lián)系，并對(duì)其影響的可能機(jī)制進(jìn)行初步探討，這對(duì)我國(guó)西南地區(qū)東部夏季旱澇的短期氣候預(yù)測(cè)，有著十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2　資料和方法

參照李永華等（2010a）對(duì)西南地區(qū)東部的選取范圍，選取（27°～32°N，105°～110°E）所包含的矩形區(qū)域?yàn)槲髂系貐^(qū)東部，其所包含的區(qū)域涵蓋了四川東部、重慶、貴州北部以及湖南西部和湖北西部地區(qū)。

本文使用的資料包括1979～2013年6～8月的NCEP/NCAR全球逐日的2.5°×2.5°再分析資料、1979～2013年美國(guó)NOAA提供的全球逐日OLR （Outgoing Longwave Radiation）場(chǎng)（分辨率為2.5° ×2.5°）資料以及西南地區(qū)東部20個(gè)臺(tái)站（測(cè)站見(jiàn)表1）逐日降水資料。所用的MJO指數(shù)從http://www. bom.gov.au/bmrc/clfor/cfstaf/matw/maproom/RMM/[ 2015-02-22]獲得。該指數(shù)是由Wheeler and Hendon （2004）基于850 hPa緯向風(fēng)、200 hPa緯向風(fēng)和大氣向外長(zhǎng)波輻射3個(gè)變量，利用EOF分解方法而建立的逐日獨(dú)立指數(shù)RMM，RMM包括RMM1（RMM指數(shù)序列1）、RMM2（RMM指數(shù)序列2）、MJO振幅和位相。Wheeler and Hendon（2004）和Wheeler et al.（2009）根據(jù)RMM1與RMM2在復(fù)平面上的位置把MJO分成8個(gè)相位，相位的變化代表MJO從西印度洋產(chǎn)生，向東傳播，最后在中太平洋消失的整個(gè)過(guò)程?？紤]MJO的逐日平均強(qiáng)度為0.9（Pohl and Mathews，2007），因此將MJO強(qiáng)度不小于0.9的劃分為強(qiáng)MJO，本文僅對(duì)強(qiáng)MJO進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。另外，下文除特別說(shuō)明外，均采用1981～2010年的平均值作為氣候平均值。

表1　西南地區(qū)東部20個(gè)測(cè)站Table 1　Details of 20 observation stations in eastern Southwest China

參照文獻(xiàn)（Yanai et al., 1992；孫穎和丁一匯，2002）關(guān)于大氣熱源（匯）的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

在分析計(jì)算關(guān)鍵區(qū)OLR的30～60天低頻分量序列時(shí)，采用lanczos帶通濾波器（姚菊香等，2005）。

3　MJO活動(dòng)對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水的影響

3.1MJO不同位相下的降水量及雨日的統(tǒng)計(jì)特征分析

為了分析MJO不同位相對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水的影響，圖1給出了1979～2013年6～8月MJO在1～8位相出現(xiàn)的累積天數(shù)（d）以及西南地區(qū)東部20站日降水量降水距平百分率。由圖可見(jiàn)，1979～2013年6～8月MJO第1位相出現(xiàn)的天數(shù)最多，達(dá)到404 d，其次是第2、5、6位相，而第3、4、7、8位相出現(xiàn)的天數(shù)較少，尤其是第3位相僅出現(xiàn)176 d。從MJO不同位相下的各站日平均降水距平百分率分布來(lái)看，MJO 1～8位相下降水距平百分率分布有明顯差異。當(dāng)MJO為第1位相時(shí)，以萬(wàn)州為中心的東北部地區(qū)日平均降水距平百分率為負(fù)而其余地區(qū)為正；第2位相下，沙坪壩、習(xí)水、遵義等地日平均降水距平百分率為負(fù)，其余大部地區(qū)為正；第3位相下，降水距平百分率中部為負(fù)值；第4位相下，降水距平百分率全區(qū)域?yàn)檎?；?位相下，降水距平百分率北部為負(fù)值南部為正值；第6位相下，大部地區(qū)為負(fù)值，僅沙坪壩、習(xí)水、遵義等地日平均降水距平百分率為正；第7位相下，東北部及南部日平均降水距平百分率為負(fù)，其余地區(qū)為正；第8位相下，日平均降水距平百分率體現(xiàn)為西北部為負(fù)東南部為正。從上面的分析來(lái)看，當(dāng)MJO處于第4位相，西南地區(qū)東部降水量一致偏多，而MJO處于第6位相時(shí)，西南地區(qū)東部降水量大部分地區(qū)偏少，其他位相下分布不一致，偏多偏少的區(qū)域均有。為了進(jìn)一步分析MJO不同位相下西南地區(qū)東部整個(gè)區(qū)域夏季降水的總體情況，計(jì)算了MJO的8個(gè)位相區(qū)域平均降水距平百分率（圖2）。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)MJO活動(dòng)中心處于第4位相時(shí)，西南地區(qū)東部夏季日平均降水量偏多18.4%；而當(dāng)MJO活動(dòng)中心處于第6位相時(shí)，西南地區(qū)東部夏季日平均降水量偏少19.4%；當(dāng)MJO活動(dòng)中心位于第1、2、7、8位相時(shí)，西南地區(qū)東部夏季日平均降水量略有偏多；而位于第3和第5位相時(shí)則略有偏少。結(jié)合圖1和圖2可見(jiàn)，相對(duì)而言，當(dāng)MJO活動(dòng)中心處于第4位相和第6位相時(shí)，西南地區(qū)東部夏季降水與之有較顯著的關(guān)系。

圖1　西南地區(qū)東部夏季降水距平百分率（單位：%）在MJO 1～8位相的合成。括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為1979～2013年6～8月發(fā)生在該位相的降水天數(shù)累計(jì)值Fig. 1　Percentage of rainfall anomalies (units: %) in summer during MJO (Madden-Julian Oscillation) phases 1–8, 1979–2013, in eastern Southwest China. The numbers in parentheses are the days of precipitation corresponding to MJO phases from June to August 1979–2013

圖1 （續(xù)）Fig. 1　(Continued)

為進(jìn)一步分析MJO處于不同活動(dòng)中心下西南地區(qū)東部夏季降水情況，計(jì)算了MJO不同位相下的西南地區(qū)東部20站出現(xiàn)雨日（降水量≥0.1 mm）的平均概率（%）及其與氣候平均概率相比的增加概率（%），表征在該位相時(shí)雨日概率偏多和偏少的程度，同樣計(jì)算了中雨以上（降水量≥10 mm）及大雨以上（降水量≥25 mm）相應(yīng)的概率（%）及相對(duì)氣候概率的增加值（%），結(jié)果如表2。從表2可見(jiàn)，當(dāng)MJO處于第4位相時(shí)，有雨（即有降水）、中雨以上及大雨以上的出現(xiàn)日數(shù)的概率均比其他位相大，且較氣候概率的增幅也是各位相中最大的，說(shuō)明MJO處于該位相時(shí)，有利于西南地區(qū)東部夏季出現(xiàn)降水且出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性也較其他位相大；而當(dāng)MJO處于第6位相時(shí)，有雨、中雨以上及大雨以上的出現(xiàn)概率均比其他位相小，且較氣候概率的減幅是各位相中最大的，說(shuō)明MJO處于該位相時(shí)，不利于西南地區(qū)東部夏季出現(xiàn)降水且出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性也較其他位相小。這與圖1和圖2的分析結(jié)果比較一致。

圖2　1979～2013年西南地區(qū)東部夏季區(qū)域平均降水距平百分率（單位：%）在MJO 1～8位相的柱狀圖Fig. 2　Histogram of average percentage of rainfall anomaly (units: %) in summer during MJO phases 1–8, 1979–2013, in eastern Southwest China

表2　1979～2013年，MJO不同位相下雨日概率（單位：%）及其較氣候概率的變化值（單位：%）Table 2　Probability (%) and increased (decreased) probability (%) compared with the climatic value of rainfall days in eastern Southwest China, synthesized during phases 1–8 of the MJO, 1979–2013

由上可見(jiàn)，MJO處于不同活動(dòng)中心下西南地區(qū)東部夏季降水特征是有差異的，總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)MJO處于第4位相和第6位相時(shí)，西南地區(qū)東部夏季降水分別具有較明顯的偏多和偏少的特征，因此在作西南地區(qū)東部降水量短期氣候預(yù)測(cè)及延伸期降水過(guò)程預(yù)報(bào)時(shí)，MJO活動(dòng)強(qiáng)度中心的位置在第4位相和第6位相時(shí)可能有一定的指示意義。

3.2MJO處于第4位相和第6位相的環(huán)流特征分析

為了分析MJO活動(dòng)對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水的影響，選取MJO位于第4位相和第6位相時(shí)對(duì)應(yīng)的500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)進(jìn)行合成（圖3）。從圖3可見(jiàn)，當(dāng)MJO活動(dòng)中心位于第4位相（圖3a）和第6位相（圖3b）的環(huán)流距平場(chǎng)在東亞和南亞、印度洋和西太平洋地區(qū)呈基本相反的分布。當(dāng)MJO位于第4位相時(shí)，25°N以南的南亞—印度洋—中南半島—西太平洋地區(qū)夏季500 hPa位勢(shì)高度為正距平，在貝加爾湖及其附近地區(qū)和鄂霍次克海南部地區(qū)也為正距平區(qū)，在我國(guó)長(zhǎng)江流域（含西南地區(qū)東部地區(qū)）、西北、華北及東北偏南地區(qū)為負(fù)距平區(qū)，另外在55°N以北為負(fù)距平區(qū)，在40°E～60°E負(fù)距平區(qū)甚至伸展到了里海以南地區(qū)，這樣的環(huán)流形勢(shì)表明，西太平洋副熱帶高壓偏南偏東，在鄂霍次克海及其附近地區(qū)有阻塞高壓存在，偏西偏北地區(qū)多低值系統(tǒng)活動(dòng)；而當(dāng)MJO位于第6位相時(shí)500 hPa環(huán)流形勢(shì)則相反，體現(xiàn)為夏季西太平洋副高偏北，偏西偏北地區(qū)低值系統(tǒng)不活躍。圖4表示的是西南地區(qū)東部夏季降水量與500 hPa環(huán)流場(chǎng)的相關(guān)分布，可見(jiàn)，西南地區(qū)東部夏季多雨與MJO位于第4位相時(shí)的環(huán)流形勢(shì)基本一致，而與MJO位于第6位相時(shí)的環(huán)流形勢(shì)基本相反，這表明當(dāng)MJO位于第4位相時(shí)有利于西南地區(qū)東部夏季多雨，而位于第6位相時(shí)則不利于該區(qū)域的降水。

水汽輸送是產(chǎn)生降水的重要條件之一。圖5給出了1979～2013年夏季850 hPa水汽通量距平及水汽通量散度距平在MJO第4位相和第6位相的合成。由圖5a可以看到，MJO活動(dòng)中心位于第4位相時(shí)，西南地區(qū)東部為增強(qiáng)的西南—東北向水汽輸送，同時(shí)水汽通量散度為負(fù)值，表明該區(qū)域?yàn)樗椇蠀^(qū)；而當(dāng)MJO活動(dòng)中心位于第6位相時(shí)（圖5b），西南地區(qū)東部西南—東北向水汽輸送減弱，同時(shí)水汽通量散度為正值，表明該區(qū)域?yàn)樗椛^(qū)。李永華等（2009a，2010b）的研究表明，MJO活動(dòng)中心位于第4位相時(shí)的水汽輸送特征有利于西南地區(qū)東部夏季降水增加，而MJO活動(dòng)中心位于第6位相時(shí)則該區(qū)域降水通常偏少。

從1979～2013年夏季105°E～110°E平均的垂直速度緯度—高度剖面在MJO第4位相和第6位相的合成圖（圖6）可見(jiàn)，當(dāng)MJO活動(dòng)中心位于第4位相時(shí)，從105°E～110°E之間的北半球赤道到34°N的對(duì)流比較旺盛，在西南地區(qū)東部為深厚的上升氣流，而34°N～40°N區(qū)域?qū)α鲗又邢聦觿t盛行下沉氣流（圖6a）；而當(dāng)MJO活動(dòng)中心位于第6位相時(shí)，10°N以南地區(qū)盛行下沉氣流，10°N～27°N區(qū)域中高層則為上升氣流，27°N～34°N左右區(qū)域（包括西南地區(qū)東部上空區(qū)域）則為深厚的下沉氣流，34°N～40°N區(qū)域中高層則為深厚的上升氣流（圖6b）。由此可見(jiàn)，從垂直速度分布來(lái)看，當(dāng)MJO活動(dòng)中心位于第4位相時(shí)利于西南地區(qū)東部夏季多雨，而第6位相則相反。

3.3MJO處于第4位相和第6位相影響西南地區(qū)

東部夏季降水的可能機(jī)制

通常MJO位于第4位相時(shí)對(duì)流中心位于90°E及其附近地區(qū)，即孟加拉灣南部赤道東印度洋地區(qū)，而第6位相時(shí)MJO對(duì)流主體位于西太平洋及其附近地區(qū)，MJO從第4位相到第6位相，熱帶對(duì)流表現(xiàn)為東傳的過(guò)程（丁一匯和梁萍，2010；李汀等，2012）。張凈雯等（2015）的研究表明，不同季節(jié)赤道東印度洋和西北太平洋對(duì)流活動(dòng)均存在反相變化的關(guān)系，這也表明MJO位于第4位相和第6位相時(shí)對(duì)流強(qiáng)中心具有顯著的相反的變化特征。圖7表示的1979～2013年夏季OLR距平場(chǎng)和850 hPa矢量風(fēng)距平場(chǎng)在MJO第4位相和第6位相的合成。由圖7a可見(jiàn)，MJO活動(dòng)中心位于第4位相時(shí)，阿拉伯海東部、孟加拉灣南部、赤道印度洋東部及南海南部為OLR負(fù)距平區(qū)，表明該區(qū)域?qū)α髌珡?qiáng)，西南地區(qū)東部也為負(fù)距平區(qū)，表明該區(qū)域盛行上升氣流，對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，同時(shí)向西南地區(qū)東部的水汽輸送增強(qiáng)，而菲律賓及其附近地區(qū)對(duì)流偏弱（為OLR正距平區(qū)）；MJO活動(dòng)中心位于第6位相時(shí)（圖7b）恰與第4位相相反，赤道印度洋為OLR正距平區(qū)，對(duì)流偏弱，西南地區(qū)東部也為OLR正距平區(qū)，表明該區(qū)域盛行下沉氣流，同時(shí)向西南地區(qū)東部的水汽輸送偏弱，而菲律賓及其附近地區(qū)為OLR負(fù)距平區(qū)，表明該區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)偏強(qiáng)。從作者采用相關(guān)分析方法的研究結(jié)果（李永華等，2009b）表明，孟加拉灣南部及赤道東印度洋地區(qū)OLR值偏低（高），而菲律賓及其附近地區(qū)OLR值偏高（偏低），有利于西南地區(qū)東部夏季降水偏多（偏少）。因此，MJO活動(dòng)中心位于第4位相與第6位相時(shí)西南地區(qū)東部夏季降水量距平呈現(xiàn)相反的特征，即第4位相時(shí)可能偏多，而第6位相時(shí)可能偏少。

圖3　1979～2013年夏季500 hPa位勢(shì)高度距平（陰影，單位：gpm）在MJO（a）第4位相和（b）第6位相的合成。圖中方框區(qū)域?yàn)槲髂系貐^(qū)東部Fig. 3　Composite of the 500-hPa geopotential height anomaly (color scale; units: gpm) in summer during (a) phase 4 and (b) phase 6 of the MJO, 1979–2013. Rectangular area in figure represents eastern Southwest China

圖4　1979～2013年西南地區(qū)東部夏季降水量與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系分布場(chǎng)。填色區(qū)通過(guò)95%信度檢驗(yàn)Fig. 4　Correlation field between summer rainfall in eastern Southwest China and 500-hPa geopotential height, 1979–2013. The areas above 95% confidence level are shaded

圖5　1979～2013年夏季850 hPa水汽通量距平（箭頭，單位：kg m?1s?1）及水汽通量散度距平（陰影，單位：10?5kg m?2s?1）在MJO（a）第4位相和（b）第6位相的合成。圖中方框區(qū)域?yàn)槲髂系貐^(qū)東部，下同F(xiàn)ig. 5　Composite of water vapor flux anomaly (arrows, units: kg m?1s?1) and water vapor flux divergence anomaly (color scale, units: 10?5kg m?2s?1) at 850 hPa, in summer, during (a) phase 4 and (b) phase 6 of the MJO, 1979–2013. Rectangular area in figure represents eastern Southwest China, the same below

圖6　1979～2013年夏季105°E～110°E平均垂直速度距平（陰影，單位：10?2Pa s?1）的緯度—高度剖面在MJO（a）第4位相和（b）第6位相的合成Fig. 6　Latitude–altitude cross section of the composite of the vertical velocity anomaly (color scale, units: 10?2Pa s?1) averaged over 105°–110°E, in summer, during (a) phase 4 and (b) phase 6 of the MJO, 1979–2013

圖8給出了1979～2013年夏季大氣熱源Q1距平場(chǎng)在MJO第4位相和第6位相的合成，圖8與圖7分布大體一致。當(dāng)MJO活動(dòng)中心從第4位相（圖8a）向第6位相（圖8b）移動(dòng)的時(shí)候，大氣熱源中心也隨之東移。在第4位相時(shí)異常熱源主要位于阿拉伯海、孟加拉灣及南海偏南地區(qū)，西太平洋暖池地區(qū)整層大氣凝結(jié)潛熱釋放較少，在西南地區(qū)東部以及江南、華南大部地區(qū)大氣熱源為正值。而在第6位相時(shí)大氣加熱中心東傳北跳至西太平洋地區(qū)，西太平洋大部分地區(qū)為潛熱大值區(qū)，兩個(gè)大值中心分別位于南海及菲律賓以東地區(qū)，在西南地區(qū)東部大氣熱源為負(fù)值。可見(jiàn)在MJO東傳的兩個(gè)時(shí)期，整層大氣的凝結(jié)潛熱釋放非常強(qiáng)，但熱力狀況的分布變化較大，這就使得通過(guò)熱帶對(duì)流釋放的潛熱強(qiáng)迫實(shí)現(xiàn)的包括西南地區(qū)東部在內(nèi)的熱帶外地區(qū)大氣環(huán)流和降水出現(xiàn)差異。

MJO很大程度上表現(xiàn)為低頻對(duì)流活動(dòng)及其伴隨的熱帶大氣環(huán)流擾動(dòng)的系統(tǒng)性東移（Lau andLau, 1986）。結(jié)合圖7和圖8可見(jiàn)，當(dāng)MJO在第4位相和第6位相時(shí)，夏季對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)且差異大的區(qū)域分別在赤道東印度洋區(qū)（5°～15°N，60°～100°E）和西太平洋區(qū)（10°～20°N，120°～150°E），分別定義為赤道東印度洋關(guān)鍵區(qū)和西太平洋關(guān)鍵區(qū)，對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)OLR的30～60 d低頻分量平均值取負(fù)值（OLR值越小其表征對(duì)流越強(qiáng)）作為其低頻對(duì)流強(qiáng)度值，建立1979～2013年序列值，分別與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（圖9）、850 hPa風(fēng)場(chǎng)（圖10）、27°～32°N緯向平均垂直環(huán)流（圖11）作回歸分析，以考察MJO不同位相下的低頻對(duì)流活動(dòng)對(duì)環(huán)流擾動(dòng)的影響。已有研究表明（李永華等，2009a）西南地區(qū)東部夏季降水的多寡與西太平洋副高的南北位置關(guān)系密切，該區(qū)域夏季降水偏少（偏多）時(shí)西太平洋副高的脊線大部分年份是偏北（偏南）的。當(dāng)MJO處于第4位相時(shí)，赤道東印度洋關(guān)鍵區(qū)低頻對(duì)流活躍而西太平洋區(qū)對(duì)流不活躍，西太平洋副高偏強(qiáng)且位置偏南（圖9a），低層風(fēng)場(chǎng)顯示在赤道東印度洋關(guān)鍵區(qū)靠近對(duì)流（熱源）中心的西北側(cè)和東南側(cè)有氣旋式異常風(fēng)場(chǎng)，而熱源東側(cè)的海洋大陸地區(qū)，風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為東風(fēng)異常，在熱源的西南側(cè)以及西北太平洋東海地區(qū)有反氣旋式異常風(fēng)場(chǎng)，該波列向東北方向傳播，受此影響西南地區(qū)東部出現(xiàn)西南風(fēng)異常（圖10a），同時(shí)850 hPa以上西南地區(qū)東部為深厚的偏西方向的上升氣流（圖11a），這有利于西南地區(qū)東部夏季降水偏多；而當(dāng)MJO處于第6位相時(shí)，赤道東印度洋關(guān)鍵區(qū)低頻對(duì)流相對(duì)第4位相時(shí)有所減弱，而西太平洋區(qū)對(duì)流明顯活躍，其釋放的潛熱有利于激發(fā)PJ（太平洋—日本）型Rossby波列，也使得Hadley環(huán)流下沉支偏北，西太平洋副高偏弱且位置偏北（黃榮輝和孫鳳英，1994）（圖9b），低層風(fēng)場(chǎng)顯示菲律賓及其附近地區(qū)出現(xiàn)氣旋式異常風(fēng)場(chǎng)，西南地區(qū)東部有東北向異常風(fēng)（圖10b），同時(shí)850 hPa以上西南地區(qū)東部為深厚的偏東向的異常下沉氣流（圖11b），這不利于西南地區(qū)東部夏季降水偏多。根據(jù)Gill理論（Gill, 1980；Zhou et al., 2009），西太平洋區(qū)對(duì)流活躍可激發(fā)南海北部異常氣旋從而使西太平洋副高偏北，因此當(dāng)MJO位于第6位相時(shí)，西太平洋副高位置往往偏北。吳國(guó)雄等（2000）則利用熱力適應(yīng)理論討論了赤道東印度洋對(duì)流異常影響西太平洋副熱帶高壓異常的物理機(jī)制，他們認(rèn)為通過(guò)第一級(jí)熱力適應(yīng)，東印度洋上的對(duì)流強(qiáng)時(shí)形成低層氣旋式環(huán)流，并在其東側(cè)的偏南氣流中產(chǎn)生對(duì)流性降水，然后通過(guò)第二級(jí)熱力適應(yīng)，在500 hPa上導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸南壓，西太平洋副高偏南，這表明當(dāng)MJO位于第4位相時(shí)，西太平洋副高位置往往偏南。根據(jù)以上的分析，夏季MJO處于第4位相和第6位相影響西南地區(qū)東部降水的可能機(jī)制可以概括為圖12所示。

圖7　1979～2013年夏季OLR距平場(chǎng)（陰影，單位：W m?2）和850 hPa矢量風(fēng)距平場(chǎng)（箭頭，單位：m s?1）在MJO（a）第4位相和（b）第6位相的合成Fig. 7　Composite of OLR anomaly (color scale, units: W m?2) and 850-hPa wind anomaly (vectors, units: m s?1), in summer, during (a) phase 4 and (b) phase 6 of the MJO, 1979–2013

圖8　1979～2013年夏季大氣熱源Q1距平場(chǎng)（陰影，單位：102W m?2）在MJO（a）第4位相和（b）第6位相的合成Fig. 8　Composite of Q1anomaly (color scale, units: 102W m?2), in summer, during (a) phase 4 and (b) phase 6 of the MJO, 1979–2013

圖9　1979～2013年夏季（a）赤道東印度洋關(guān)鍵區(qū)及（b）西太平洋關(guān)鍵區(qū)對(duì)流強(qiáng)度（單位：W m?2）與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的回歸（單位：gpm）。陰影區(qū)表示數(shù)值通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)Fig. 9　Linear regression correlation between the 500-hPa geopotential height (units: gpm) and convection intensity over (a) the eastern equatorial Indian Ocean and (b) the western Pacific Ocean, in summer, 1979–2013. Shaded areas indicate statistically significant correlation above 95% confidence level, based on the Monte Carlo test

圖10　1979～2013年夏季（a）赤道東印度洋關(guān)鍵區(qū)及（b）西太平洋關(guān)鍵區(qū)對(duì)流強(qiáng)度（單位：W m?2）與850 hPa風(fēng)場(chǎng)的回歸（單位：m s?1）。藍(lán)色箭頭表示數(shù)值通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)Fig. 10　Linear regression correlation between the 850-hPa wind field and convection intensity over (a) the eastern equatorial Indian Ocean and (b) the western Pacific Ocean, in summer, 1979–2013. Blue arrows indicate statistically significant correlation above 95% confidence level, based on the Monte Carlo test

圖11　同圖9，但為與27°～32°N平均垂直環(huán)流的回歸Fig. 11　As in Fig. 9, but for vertical circulation averaged over 27°–32°N

圖12　夏季MJO位于第4位相和第6位相影響西南地區(qū)東部夏季降水的概念圖Fig. 12　Schematic diagram of impact of MJO on summer rainfall over eastern Southwest China during phases 4 and 6 of the MJO

4　結(jié)論與討論

本文在分析了夏季MJO不同位相與西南地區(qū)東部夏季降水的關(guān)系基礎(chǔ)之上，然后對(duì)其影響的可能物理機(jī)制進(jìn)行了初步的探討，得出結(jié)論如下：

（1）MJO位于第4（第6）位相時(shí)對(duì)西南地區(qū)東部夏季降水影響較顯著。當(dāng)MJO處于第4（第6）位相時(shí)，西南地區(qū)東部夏季降水具有較明顯的偏多（偏少）的特征。而且當(dāng)MJO處于第4位相時(shí)，有利于西南地區(qū)東部夏季出現(xiàn)降水且出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性也較其他位相大；而當(dāng)MJO處于第6位相時(shí)，不利于西南地區(qū)東部夏季出現(xiàn)降水且出現(xiàn)較強(qiáng)降水的可能性也較其他位相小。

（2）當(dāng)MJO處于第4（第6）位相時(shí)，由于西太平洋副高偏南（偏北）、向西南地區(qū)東部的水汽輸送增強(qiáng)（減弱）且為上升（下沉）氣流，因此有利于（不利于）西南地區(qū)東部夏季降水偏多。

（3）MJO從第4位相到第6位相，熱帶低頻對(duì)流中心從赤道東印度洋地區(qū)東移到西太平洋地區(qū)。在第4位相時(shí)，赤道東印度洋地區(qū)上空低頻對(duì)流凝結(jié)潛熱釋放可激發(fā)東北向傳播的波動(dòng)影響東亞環(huán)流，同時(shí)通過(guò)二級(jí)熱力適應(yīng)影響西太平洋副高，出現(xiàn)有利于西南地區(qū)東部夏季降水的環(huán)流形勢(shì)，使得西南地區(qū)東部夏季降水增多；在第6位相時(shí)，西太平洋地區(qū)上空低頻對(duì)流凝結(jié)潛熱有利于激發(fā)PJ型Rossby波影響東亞環(huán)流，同時(shí)激發(fā)南海北部異常氣旋進(jìn)而影響西太平洋副高，出現(xiàn)不利于西南地區(qū)東部夏季降水的環(huán)流形勢(shì)，使得西南地區(qū)東部夏季降水減少。

本文基于1979～2013年的資料，主要采用了合成分析、線性回歸方法對(duì)MJO與西南地區(qū)東部夏季降水的關(guān)系進(jìn)行了初步探討，至于利用MJO指數(shù)來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用，還需要更多的天氣過(guò)程個(gè)例來(lái)進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

致謝兩位匿名審稿專家和《大氣科學(xué)》編輯為本文提出了寶貴意見(jiàn)和建議，特此感謝！

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Impact of Madden-Julian Oscillation Activities on Precipitation in Summer over the East of Southwest China and Its Possible Mechanism

LI Yonghua1, XIANG Bo1, LU Chuhan2, JU Jianhua3, and WANG Na4
1 Chongqing Climate Center, Chongqing 401147
2 Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
3 Yunnan Meteorological Bureau, Kunming 650034
4 School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023

Based on the daily precipitation data of 20 stations in eastern Southwest China, real-time multivariateMadden-Julian oscillation (MJO) index, Outgoing Longwave Radiation (OLR) grid data, and NCEP/NCAR reanalysis daily data in summer from 1979 to 2013, the relationships between the different MJO phases and the summertime precipitation over the east of Southwest China and its possible mechanism were investigated using composite and linear regression analysis. The results showed that phase 4 of the MJO is propitious to the appearance of circulation that is conducive to more summer rainfall over eastern Southwest China; the vapor transport and convergent upward velocity are strengthened, and the ridge position of the western Pacific subtropical high leans to the south. The opposite was found to be the case for phase 6 of the MJO. The tropical low-frequency convection center moves eastward from the eastern equatorial Indian Ocean to the western Pacific Ocean area while MJO phase 4 moves to phase 6. When the MJO is located over the North Indian Ocean, the energy of waves forced by the MJO-related convective heating can propagate northeastward and affect the circulation pattern, resulting in increased precipitation over eastern Southwest China. But when the MJO enters the western Pacific, the energy of convective heating can stimulate Pacific–Japan-type waves and cause decreased precipitation.

Madden-Julian oscillation, Eastern Southwest China, Summer rainfall, Mechanism

Funded bySpecial Project of the China Meteorological Administration (Grant No. GYHY201306022), National Natural Science Foundation of China (Grants 40975058 and 91337215), Special Fund for Core Operational Development of Forecast and Prediction of the China Meteorological Administration (Grant No. CMAHX20160405), the Sci. & Tech. Climbing Project of Chongqing Municipal (Grant No. CSTC,2008BA0022), Key Research Program of Business and Technology of Chongqing Meteorological Service in 2015 (Grant No. ywgg-201508)

MJO西南地區(qū)東部夏季降水影響機(jī)制

1006-9895(2016)02-0437-14

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1506.15134

2015-02-26；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2015-07-07

李永華，男，1972年出生，博士、正研級(jí)高工，主要從事氣候診斷預(yù)測(cè)與區(qū)域氣候變化研究。E-mail: lyhcq@163.com

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目GYHY201306022，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目40975058、91337215，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)核心業(yè)務(wù)發(fā)展專項(xiàng)CMAHX20160405，重慶市自然科學(xué)基金計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目CSTC2008BA0022，重慶市氣象局2015年業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)（團(tuán)隊(duì)）項(xiàng)目ywgg-201508