2016, Vol. 31
2. 中国科学院大气物理研究所, 东亚区域气候环境重点实验室, 北京 100029
3. 海南92810部队气象台, 三亚 572000
2. Key Laboratory of Regional Climate-Environment Research for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
3. PLA Unite 92810 meteorological office, Sanya 572000, China
华南前汛期是大范围降水雨季，降水强度大，持续时间长，每年都会造成洪涝灾害，因此华南前汛期的预报成为是气象工作者的研究重点，也是水利工作者关注的重要课题，信飞等(2007)曾对华南前汛期降水异常与大气低频振荡存在一定的关系，发现低频纬向风的传播变化与降水的时间分布有较好的对应，章丽娜等(2011)发现热带大气季节内振荡亦对华南前汛期降水有影响，温之平等(2007)对大气30~60 d振荡特征与广东持续性强降水进行研究，认为6月初副高上的西太平洋地球低压扰动可能是广东地区低频气旋和低频对流扰动的源，其中低频气旋北移和西太平洋上低频反气旋的发展促使广东地区上空低频对流发展和加强的重要原因，以上研究均反映了大气环流对华南前汛期降水的影响，说明大气环流形势场的预报是降水量预报的重要背景，而大气环流的形成与维持最主要的因子是太阳辐射、地球自转、地球表面不均匀和地面摩擦，本文旨在探讨地球章动的变化对大气环流产生的影响，进而对大范围降水量产生的影响.章动是指在行星或陀螺仪的自转运动中，轴在进动中一种轻微不规则运动，由于地球的转轴在运行中有晃动，使极点偏离正常位置而导致地球以摇摆方式进行，并影响地球的转速，其中平稳于某一角度会利于转速加快；欧阳首承等(2009)认为频繁改变则会使转速减慢，这将导致或引发大气、海洋乃至于地壳的非规则运动，或气流、海流或地壳的非正常变化；若持续某种运动方式也会引发某种持续形式的非正常自然现象.虽然地球的章动很小，但由于地球半径很大，所以章动力矩很大，相应的地球转速也发生变化，配合地球半径的尺度，其可变化的力矩不可抗拒.地球章动幅度小或趋于不变，则对应的地球转速趋于加快，大气变化具有滞后性，则大气纬向气流还将相对盛行，从而影响天气变化，因此地球的章动变化可以作为大气变化的超前信息，进行天气的长期预测.本文正是基于此观点，试图通过对地球章动变化的分析研究，发现其对华南前汛期降水量的预测意义.
1 资料选取章动资料仅有1984-至今，本文选取1984-2012年IERS(国际地球自转和参考体系工作机构)逐日观测资料，气象信息源于国家气象局1984-2012年逐日地面常规观测资料，以及美国国家大气科学研究中心和环境预报中心(NCEP/NCAR)的1984-2012年月月平均高度场资料，网格局为2.5°×2.5°.
2 4-6月旬极端降水与地球章动的相关性由于华南前汛期沿海有三个多雨中心，分别为粤东沿海、粤西沿海、北部湾沿海，本文以广西东兴港、广东阳江、汕尾做为华南沿海代表站，利用逐日观测资料，计算三站1984-2012年4-6月上旬、中旬、下旬总降水量，选取各旬的最大降水量与最小降水量对应的年份，将其定义为极端降水量年，再对极端降水年份对应的各旬前60天逐日章动变化进行分析，结果如下，图中1旬代表上旬，2旬为中旬，3旬为下旬，其中蓝线为旬最大降水年份对应的章动变化，绿线为旬最小降水量对应的章动变化，左图为地球x方向章动变化，右图为地球y方向章动变化，本文选取了2-6月逐日章动资料，共150天，每旬仅分析此旬前60天资料，故4月上旬对应天数为1~59，4月中旬对应11~69，以此类推6月下旬对应为80~140.
从图中可以看出极端降水年份对应的章动变化具有明显差异，随着时间改变，差异也发生变化，4月份各旬最大降水年对应的章动变化，波动频繁，振荡幅度大，而到了6月份各旬最大降水年对应的章动变化，振荡幅度明显减小，甚至趋于平直，或波动次数减少，当章动频繁，且振幅偏大，则经向气流盛行，当章动幅度小，波动少，则纬向气流盛行，图 1中章动对比，说明4月强降水形成的大气环流背景与6月强降水背景，性质不同，强学民曾对华南前汛期开始和结束日期进行划分，在研究中指出，从4月1侯开始，主要为锋面降水，5月夏季风爆发，进入季风降水阶段，夏季风降水盛期主要集中在6月(强学民和杨修群，2008)，而图 1的章动变化这也证明了此观点，因为章动变化的不同，形成的大气环流有差异，故形成的降水性质存在差异，所以4月与6月降水性质有差异，.
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图 1 4-6月各旬极端降水年份对应的前60天逐日X与Y方向章动变化(蓝线：最大值年，绿线：最小值年，单位：10-6弧度/s) (a1)1992-2011x方向；(a2)1992-2011y方向；(b1)1997-2002x方向；(b2)1997-2002y方向；(c1)1993-2004x方向；(c2)1993-2004y方向；(d1)2006-2009x方向；(d2)2006-2009y方向；(e1)1988-1985x方向；(e2)1988-1985y方向；(f1)1998-1991x方向；(f2)1998-1991y方向；(g1)2001-1988x方向；(g2)2001-1988y方向；(h1)1994-1989x方向；(h2)1994-1989y方向；(i1)2011-1989x方向；(i2)2011-1989y方向. Figure 1 Daily nutation of earth variation in X and Y orientation for 60 days in the year of every 10 days extreme precipitation of APR-JUN (a1)1992-2011x direction；(a2)1992-2011y direction； (b1)1997-2002x direction；(b2)1997-2002y direction； (c1)1993-2004x direction；(c2)1993-2004y direction；(d1)2006-2009x direction；(d2)2006-2009y direction；(e1)1988-1985x direction；(e2)1988-1985y direction； (f1)1998-1991x direction；(f2)1998-1991y direction；(g1)2001-1988x direction；(g2)2001-1988y direction； (h1)1994-1989x direction；(h2)1994-1989y direction； (i1)2011-1989x direction；(i2)2011-1989y direction. |
5月是锋面降水转为季风降水的过渡期，所以极端降水年份对应的章动变化，在波动幅度和波动次数上的差异不是很明显，但是可以从图中发现以下趋势，即在x方向5月上旬最大降水量年份相对最小年份波动频繁，振荡幅度大，5月中旬最大年份与最小年份呈明显的反相，5月下旬，可以较明显地看出x方向章动幅度明显减小；y方向5月上旬呈明显的反相，5月中旬前期振荡幅度大，后期振荡幅度明显减小，5月下旬波动次数明显减少；5月下旬特征与6月章动特征相一致，即最大降水年份对应的章动幅度偏小，波动较少，说明形成5月下旬的极端降水性质与6月基本一致.另可以发现反相章动是章动特征变化的一个转折期，之前最大年份对应的章动幅度大，波动多，之后章动幅度减小，波动减少，说明此转折期也是环流变化的一个转折期，之前产生的降水经向环流占优势，之后强降水纬向环流占优势，经向环流容易引导高纬度冷空气入侵低纬地区，形成锋面降水，纬向环流利于急流生成，触发暴雨，朱乾根等(2007)曾指出5月中旬后，东亚季风盛行，大雨带移至华南沿海，降水量增大，5月章动变化证实了此观点.
3 4-6月月极端降水与地球章动的相关性上一节分析了各旬极端降水年份对应的逐日章动变化，不仅发现4月各旬极端降水年份对应的前60天章动差异，还发现此差异与6月各旬前60天的极端降水年份对应的章动特征明显不同，说明章动特征的确可以反映降水性质，并根据此特征判断旬降水量大小.本节在此探讨月极端降水量对应的章动变化有何特征，本文仍以广西东兴港、广东阳江、汕尾做为华南沿海代表站，计算三站1984-2012年4-6月每月总降水量，选取各月的最大降水量与最小降水量对应的年份，将其定义为极端降水量年，再对极端降水年份对应的各月前两个月逐日章动变化进行分析，结果如图 2所示，4至6月最大降水量年对应的x方向章动与最小降水量年对比，特征为波动幅度逐渐减小，至6月最大降水量对应的x方向章动变化，振荡明显减弱；而y方向特征为，波动次数逐渐减少，振荡幅度也逐渐减弱，至6月趋于平直，此特征与上一节反映特征相一致.
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图 2 4-6月各月极端降水量对应年份的前两月X与Y方向章动变化(蓝线：最大值年，绿线：最小值年，单位：10-6弧度/s) (a)1993-1991x方向；(b)1993-1991y方向；(c)1998-1995x方向; (d)1998-1995y方向；(e)2001-1989x方向；(f)2001-1989y方向. Figure 2 Daily nutation of earth variation in X and Y orientation for two months in the year of monthly extreme precipitation of APR-JUN (a)1993-1991x direction；(b)1993-1991y direction；(c)1998-1995x direction; (d)1998-1995y direction；(e)2001-1989x direction；(f)2001-1989y direction. |
但是4月月降水量最大值年份对应的章动变化与最小年份比较，差异并不明显，在x方向振荡幅度相对较小，在y方向波动次数相对较少，此特征与旬降水量最大值对应的章动变化相反，说明决定4月总降水量的环流形势与旬降水量是有差别的，至5月章动差异更明显，即最大值降水量年份其x方向振荡幅度明显减小，y方向波动次数也明显减少，至6月章动差异非常明显.以上结果反映了各月极端年份章动是有差异的，随着时间递增，差异越来越明显，总的来说，月降水量最大值年对应的章动变化，其振幅相对较小，或波动相对较少，这也反映了决定月降水量大小的环流以纬向环流占优势，纬向环流形成的高低空急流，触发的暴雨强度，大于经向环流形成的锋面降水强度，纬向环流越强，降水量越大，这与朱乾根等(2007)在天气学原理和方法中的论述一致，即4月初降水量开始缓慢增大，5月中旬雨量迅速增大进入华南前汛期盛期.
4 4-6月月极端降水对应的100 hPa月平均环流场上一节探讨了月极端降水年份的章动特征，由章动特征发现，影响月极端降水量年份对应的环流场以纬向气流占优势，本节分析是否月最大降水量年对应的环流场纬向特征更为明显，利用NCEP2.5°×2.5°月平均高度场资料显示100 hPa的位势高度场，结果如图 3所示，左图为最大降水年，右图为最小降水年，可以看出4-6月月最大降水年与最小年相比，位势高度场纬向特征更明显，这也证实了章动变化，影响大气环流的改变，由于大气环流改变滞后于章动变化，所以章动变化既可以预测气压系统的变化，也能够较气压系统更提前预测天气的变化，也让我们至少可以认识到，大气变化的背后还有更根本的变化因素，为极端天气预测提供一个新的思路.
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图 3 4-6月月极端降水年份对应的100 hPa位势高度场(单位：gpm) (a)1993年;(b)1991年;(c)1998年;(d)1995年;(e)2001年;(f)1989年. Figure 3 The geopotential height field of 100hPa in the year of monthly extreme precipitation for APR-JUN (a)1993;(b)1991;(c)1998;(d)1995;(e)2001;(f)1989. |
5.1 地球的章动变化会影响地球的转速，从而改变大气环流场，进而会对天气产生影响，当章动幅度减小且波动次数少，则地球大气盛行纬向气流，由于大气环流改变滞后于章动变化，所以章动变化可以用于对天气的预测.
5.2 4-6月华南沿海旬极端降水量年份对应的章动变化特征为：4月旬降水量最大值年份对应的章动较最小年份，其振幅大或波动频繁；6月降水量最大值年份对应的章动较最小年份，其振幅明显较小或波动减少；5月为转折期，章动反相之后，其章动特征与6月趋于一致.
5.3 由旬极端降水年份对应的章动变化，可以看出，4月各旬极端降水形成的大气环流背景与6月各旬极端降水背景，性质不同，4月各旬以经向环流主导，形成锋面降水为主，6月以纬向环流为主导，形成季风性降水，5月为过渡期.
5.4 由月极端降水年份对应的章动变化，可以看出，月降水量最大值年对应的章动变化，其振幅相对较小，或波动相对较少，这也反映了决定月降水量大小的环流以纬向环流占优势，纬向环流形成的高低空急流，触发的暴雨强度，大于经向环流形成的锋面降水强度，纬向环流越强，降水量越大.
5.5 月极端降水年份对应的100 hPa位势高度场，表明最大值降水年对应的大气环流纬向特征更明显，这与章动变化造成的环流场变化结果相一致，章动变化可以更早于环流场对天气进行预测.
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