中国气象学会主办。
文章信息
- 曹 鑫, 任雪娟, 杨修群, 房佳蓓. 2012.
- CAO Xin, REN Xuejuan, YANG Xiuqun, FANG Jiabei. 2012.
- 中国东南部5—8月持续性强降水和环流异常的准双周振荡
- The quasi-biweekly oscillation characteristics of persistent severe rain and its general circulation anomaly over southeast China from May to August
- 气象学报, 70(4): 766-778
- Acta Meteorologica Sinica, 70(4): 766-778.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.062
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文章历史
- 收稿日期:2011-07-03
- 改回日期:2011-11-22
持续性强降水是对中国影响范围大、影响程度深的灾害性气象事件之一。如1991年江淮持续性暴雨长达13 d之久(丁一汇,1993);1998年夏季,长江流域先后发生了两次分别长达10和6 d的持续性强降水(周兵等,2007)。鲍名(2007)通过分析近50 a中国持续性暴雨时空特征表明,中国持续性强降水最易发生在东南部的5—8月,多数持续3—5 d,个别可长达8—13 d。持续性强降水最易造成大范围严重洪涝,给国民经济和人民生产生活带来的损失无法估量。持续性强降水具有显著的低频振荡特征,通常位于低频振荡的活跃位相(Yang et al,2010),因而对持续性强降水的研究,可以通过提取低频降水的活跃位相(低频降水事件)来进行。Lau等(1988)指出,15—20 d准双周低频振荡是中国东部降水的主要模态。这一结论在随后许多年的降水低频特征分析中得到证实(丁一汇,1993;朱乾根等,2000;Yang et al,2003;陈晓红等,2005;周兵等,2007;Liu et al,2008)。李崇银等(1995)在对全球热带大气中季节内振荡进行较系统的研究后指出,热带大气准双周振荡是一种重要低频系统,其动能可能比30—60 d振荡还要大。Lau等(1996)利用气候的10 d平均降水量分析了东亚季风降水的周期特征,发现东亚夏季风降水具有明显的40和20 d振荡。占瑞芬等(2008)指出中国东部副热带夏季风降水具有显著的准双周振荡特征,在年际尺度上,准双周振荡偏强,则中国东部副热带夏季风降水偏多,反之亦然。Yang等(2010)对长江中下游地区1979—2002年夏季季节内尺度的降水进行功率谱分析,结果表明在15 d准双周尺度以及20—30 d尺度上有两个峰值,且占总低频降水的57%,以上研究都充分说明了准双周低频降水的重要性。
大气环流的持续性异常是造成持续性强降水的主要原因,而大气低频振荡对持续性异常环流的形成和维持具有十分重要的作用(Lau et al,1988;朱乾根等,2000;周兵等,2007;Liu et al,2008;Yang et al,2010;刘冬晴等,2010;Jia et al,2011;章丽娜等,2011;He et al,2011)。占瑞芬等(2008)的研究表明,中国东部副热带夏季风降水的准双周振荡特征与西太平洋对流扰动及其激发的低层低频环流有密切关系。黄静等(1996,1997)讨论了与长江流域旱涝相联系的低频环流场的分布和差异,指出长江流域涝年是由南北方低频涡旋相向运动,旱年降水则由热带西太平洋低频涡旋西北向移动影响长江流域所造成的。陈丽臻等(1994)发现长江流域典型旱涝年在低频流场的配置和低频波的传播方向上均有明显的差异。陆尔等(1996)对1991年江淮大暴雨期间东亚大气低频振荡活动分析后发现,低纬度地区低频波虽有不同的传播方向,但都将暖湿空气以低频形式输送到江淮以南,并与北侧的低频冷空气在江淮地区相互作用,从而导致该地区以低频形势出现3场特大暴雨。张庆云等(2003)的研究也指出夏季东亚中高纬度环流系统出现20—30 d的低频振荡,有利于中高纬度冷空气南下到长江流域,是长江流域暴雨洪涝的重要原因之一。
目前有关持续性强降水的低频特征及其相伴随的低频环流形式研究多为个例年研究,本文则利用1979—2009年NCEP/NCAR再分析资料、中国站点降水资料以及向外长波辐射(OLR)资料,在气候意义上分析了中国东南部地区5—8月持续性强降水的准双周特征,在此基础上研究了与低频降水事件相伴随的大气低频环流特征,特别揭示了这些低频环流的演变和传播情况。 2 资料和方法 2.1 资 料
本文所使用的资料包括:美国环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)发布的全球再分析日平均资料、NOAA逐日向外长波辐射资料集以及中国国家气象信息中心提供的全中国756站的地面气候资料日值数据。其中,NCEP/NCAR再分析资料的水平分辨率为2.5°×2.5°,包括水平风(u,v)场、垂直速度(ω)场、比湿(q)、10 m水平风场以及地表的气压场。所有资料使用的时间范围为1979—2009年夏季,本文中夏季是指5—8月。另外,为了保证数据的连续性,对有缺测降水资料的站点进行了剔除,用于分析的共有461个站点逐日降水资料。 2.2 方 法
为了得到中国东南部地区夏季降水的显著性周期,首先对1979—2009年中国东南部逐年5—8月降水分别进行功率谱分析,然后再对得到的31 a(1979—2009年)的结果取平均(图 1)。对降水资料进行功率谱分析之前,去除了其气候态,即去掉了季节循环的影响,然后又进行8 d的滑动平均,滤掉了高频天气时间尺度的影响。可以看到,10—45 d周期都非常显著,且通过了红噪声检验,在16和30 d左右有两个峰值。表明中国东南部夏季降水具有显著的准双周振荡以及季节内振荡。本文只针对中国东南部夏季降水显著的准双周特征进行研究,因而利用傅里叶带通滤波对原始降水资料进行了10—30 d滤波,以便突出准双周振荡。对其他常规要素场同样进行了10—30 d滤波。在此基础上,利用经验正交函数(EOF)分析和合成分析揭示持续性强降水的低频特征以及相应的大气低频环流型。
在分析大气水汽输送时,利用以下公式计算水汽含量(W)以及水汽输送通量(Fx,Fy):
其中,g为重力加速度,q为某一气压面p上的比湿,ps是地面气压,pt是大气层顶气压(取为300 hPa),u、v分别是纬向和经向风速。所有计算都采用国际制单位。水汽含量的单位是kg/m2,水汽输送通量的单位是kg/(m·s)。Fx、Fy分别是东西和南北方向的水汽输送通量。下文给出的水汽输送通量以及水汽含量都是整层积分的结果,即从地表到300 hPa的积分。 3 中国东南部低频降水特征
为了揭示中国区域准双周低频降水的时空特征,对1979—2009年夏季低频降水资料进行经验正交函数分解,得出前两个模态的方差贡献分别为20.2%和9.7%。图 2给出了经验正交函数分解得到的前两个模态的空间分布。可以看到,第1模态的低频降水主要集中分布在长江以南整个中国东南部区域,且为一致性变化,第2模态的低频降水主要分布在长江中下游和华南地区,这两个区域呈反相变化。对这两个模态的时间系数(称为PC1和PC2)分别求超前滞后自相关后(图略)表明,两者都在超前或滞后7 d左右时自相关系数为负的最大值,表明两者都具有显著的准双周振荡周期,但对PC1同PC2求超前滞后相关则发现两者并没有很好的超前滞后关系,说明这两个模态是相对独立的,不是传播模态。由于第1模态所占方差贡献远大于第2模态,因此,本文针对第1模态进行研究。
根据经验正交函数分解得到第1模态的时间序列选取低频降水事件,事件选取的方法是:将PC1进行标准化,若标准化后的时间序列中连续不小于3 d时间系数不小于1,则定义为一个低频降水事件。利用该方法,从31 a夏季共得到126个低频降水事件。为了进一步分析降水事件主要发生在什么时间,将低频降水事件发生的日期记为1,未发生的则为0,对1979—2009年夏季的结果取气候平均,如图 3所示。从图 3中可以看到,低频降水事件在6月10日和7月1日前后有两个峰值,分别对应于前汛期末期和梅雨期,其他时间段发生次数差异不大。
对上述126个低频降水事件进行统计发现,低频降水事件对应的原始降水量占夏季总降水的26.2%。平均而言,一个低频降水事件持续4.5 d,其平均降水强度(长江以南地区105个站点(图 2a)的红色实心圆圈示的降水平均)是12.3 mm/d。实际上,各低频降水事件的持续时间和强度有差别,表 1进一步统计了不同持续天数的低频降水事件的特征,低频降水事件持续天数的范围为3—7 d,持续3—5 d的低频降水事件发生的次数较多,6和7 d的较少。从不同持续天数的低频事件的降水量来看,持续5 d的低频事件的降水量占总低频事件降水量的比例最大,达到33.4%,而持续3和7 d低频事件的降水量所占比例很小。持续3 d的低频事件主要发生在5月,而6月发生次数最少;持续4 d的低频事件则在8月发生次数最多,6月最少;降水量最大的持续5 d的低频事件则集中在6和7月,5和8月发生很少;持续6 d的低频事件5和6月发生相对较多,持续7 d的低频事件发生次数较少。从表中还可以看到,每次低频降水事件的降水强度,随着持续天数的增加而递增,持续6和7 d的低频降水事件降水强度很大,这说明依本文的统计标准,持续降水的天数越长,低频降水事件越极端,长江以南整个地区的总降雨量也越大。
持续天数(d) | 总次数 | 5月 | 6月 | 7月 | 8月 | 每次事件降水强度(mm/d) | 降水量占总事件降水量的比例 |
3 | 30 | 12 | 4 | 7 | 7 | 9.7 | 12.5% |
4 | 37 | 9 | 5 | 10 | 13 | 11.7 | 24.7% |
5 | 36 | 4 | 14 | 10 | 8 | 13.0 | 33.4% |
6 | 17 | 7 | 5 | 2 | 3 | 13.9 | 20.4% |
7 | 6 | 0 | 2 | 3 | 1 | 14.9 | 9.0% |
图 4给出了不同持续天数低频降水事件降水强度的空间分布。可以看到,无论是所有低频降水事件的平均,还是不同持续天数的低频降水事件,其降水强度的大值区都分布在长江以南,长江以北非常小,这与图 2a得到的结果非常一致。从降水强度上看,从长江中下游到华南沿海都呈现递增的趋势,最大值中心位于华南沿海地区。还可以看到,从持续3到7 d降水强度有一个明显的增强过程,在持续7 d的低频事件中部分地区降水强度达到27 mm/d,这在一定意义上验证了表 1中降水强度的变化。另外,从持续3到7 d的低频降水事件降水强度的大值区由华南地区向长江中下游地区扩展,在持续3 d的低频降水事件中,大于12 mm/d的区域位于华南沿海很小的一部分地区,而后随着持续时间的增长,华南沿海地区的降水强度逐渐增加并且向北扩展。
4 持续性强降水伴随的低频大气环流场时间演变分析图 5是850 hPa低频风场以及低频向外长波辐射场对降水事件的超前滞后合成,给出了从超前降水10 d到滞后8 d的时间演变,包括了低频降水的整个周期。在合成时,同期是对低频降水事件发 生时段的要素场取平均,例如一个持续时间为3 d的低频降水事件,则取这3 d要素场的平均;超前于降水场,是将同期时段向前平移所要超前的天数后进行平均得到的;滞后时段则与超前时段相反。
从图 5a可见,在超前10 d至超前8 d时,中国长江以南区域850 hPa由一个较强的低频反气旋控制,整个中国东南部对流活动均不活跃,此时,在中国东南沿海上空存在一个弱的低频气旋式环流,伴随较旺盛的对流活动,与此低频气旋紧邻的东南侧是一个弱的低频反气旋,在西北太平洋同样为一个弱的低频反气旋。至超前6 d时(图 5c),长江以南的低频反气旋和中国东南沿海上空的低频气旋均减弱,而菲律宾群岛以东洋面以及西北太平洋上的低频反气旋仍存在并略有加强。在超前4 d时(图 5d),长江以南的低频反气旋已消失,其上空变为由来自中国东南沿海弱的低频南风控制,且对流开始异常活跃,而在超前10—6 d盘踞在菲律宾群岛以东洋面上的低频反气旋与西北太平洋上空的低频反气旋融合为一个低频反气旋,并西移北抬到了接近南海一带,范围和强度均加大。在随后的3 d里长江以南上空迅速形成一个低频气旋,西移来到南海一带的低频反气旋也逐渐加强,同时这两个区域的对流活动分别加强和抑制,到达同期时(图 5f),以上的低频气旋和低频反气旋都达到最强,由低频气旋和低频反气旋汇聚成的低频西南风正好位于长江以南至东南沿海,其上空是异常活跃的对流,为降水提供了有利的环流条件。在低频降水发生期间,长江以南地区强大的低频气旋式环流以及南海地区的低频反气旋式环流始终维持,直到滞后4 d左右时(图 5h)才衰亡消散,维持持续性降水的低频风场和向外长波辐射场形势也不复存在。从滞后6到8 d时(图 5i、j),环流形势又逐渐变为超前8—10 d时的状态。
对图 5的分析表明,长江以南地区的低频风场信号在低层主要来源于西北太平洋的西传,以及菲律宾海、赤道太平洋低频信号的西北向传播。为了进一步揭示低频风场信号的来源以及传播路径,图 6给出了850 hPa低频相对涡度场的时间-经度(图 6a,沿25°N)和时间-纬度剖面(图 6b,沿120°E)。
从图 6a可以看到低频涡度明显的西传现象,西北太平洋上的低频负涡度(低频反气旋)从超前7 d左右由150°E开始向西传播,直至传播到中国东南沿海一带并出现一次增强过程,其发生的时间超前于低频降水1—2 d,在低频降水发生后,此低频负涡度继续向西传播,一直延伸到103°E,达到中国中部地区。在其西侧,有一个低频正涡度(低频气旋)的西传,这种传播对应的是图 5a南海上空的低频气旋在随后时间的西北向传播。这种传播到同期降水时,达到最大值,其所处经纬度刚好是长江以南降水发生区域,而后该低频正涡度一直在此处维持至滞后4 d,之后不再向西传播。
图 6b旨在揭示图 5a—c中,中国东南沿海上空低频气旋及其南侧的低频反气旋的北传过程,在超前10 d时,沿120°E 的约10°—25°N均为低频正涡度控制,这正是中国东南沿海上空低频气旋对应的低频涡度,此低频正涡度随时间向北传播并且逐渐加强,在超前8 d至超前6 d和超前3 d至同期里都有明显的增强过程,随后迅速减弱。在以上低频正涡度北传的超前低频降水事件6—4 d里,其紧邻的南侧的低频负涡度也很快进入南海所处的纬度,在超前2 d至滞后2 d时已北传到达长江以南所处的纬度并达到最强,在低频降水发生后继续北传,强度也迅速减弱。
图 7给出的是伴随低频降水事件的500 hPa上588 dagpm线的时间演变,用来揭示在低频降水事件发生前后西北太平洋副热带高压的变化。图 7a给出的是超前低频降水事件588 dagpm线的演变过程,可以看到,从超前低频降水事件10 d到超前2 d,588 dagpm线明显西伸,即从超前10 d的140°E以东持续西移到接近130°E。从超前2 d至同期,588 dagpm线开始略有东退,这一东退过程一直持续到滞后低频降水事件2 d(图 7b),退到140°E左右,而后至滞后低频降水事件8 d过程中又开始轻微的西伸,该西伸过程相对缓慢且幅度不大。
图 8是200 hPa低频风场以及相应低频散度场的超前滞后合成图。从图 8e(超前2 d)、8f(同期)中可以看到在西太平洋一带存在一个非常强的低频气旋,其西北侧的中国东北部和朝鲜上空则是低频反气旋式环流,在中国东南沿海一带是强烈的低频北风。从超前时刻的图看,降水同期时控制中国东北部上空的低频反气旋来源于超前10—8 d时(图 8a、b)中心位于(30°N,150°E)上空的低频反气旋,其随后到降水前的几天中逐渐西移北上并加强,到超前4 d时已经移到中国东北部上空。而降水同期时位于西太平洋上空的低频气旋,在超前6 d时位于150°E左右菲律宾以东洋面上空,而后同样的西移加强,同期,强度达到最大,维持到大约滞后2 d时开始消亡。
从图 8中还可以看到,在超前10 d时,(30°—45°N,50°—70°E)上空存在一个弱的低频反气旋式环流,从超前8 d到超前4 d时,此低频反气旋在南北方向上位置变动不大,但有向东延伸的趋势,且强度经历了从增强到略微减弱并维持的过程,在超前2 d时,继续东伸,同时南压。该低频反气旋式环流的东移南压使得100°E及其以东地区的自北向南穿越中国中部的低频北风得到维持和加强,从而将中高纬度的冷空气输送到中国东南沿海地区,该低频北风维持时间从超前4 d至滞后2 d,到滞后4 d时已基本消失。该低频反气旋与中国东北部的低频反气旋以及东部沿海上空低频气旋西侧北风相互配合,使得持续性强降水发生期间,中国东南部高空处于非常强的辐散环境中,这种辐散环境不但可以使上升运动更加强烈,又使得低层的辐合得到加强。
高层辐散和低层辐合的配合必然会使得降水区域的上升运动显著,对低频垂直速度ω场的超前合成可以说明降水事件发生之前的垂直运动情况。图 9是对低频垂直速度在100°—120°E取纬向平均后得到的高度-纬度剖面,在超前10—6 d时,长江以南区域都是低频下沉运动,不利于降水,超前6 d时在低频下沉气流的南北两侧都是比较弱的低频上升运动。随后到超前5和4 d时,中国东南部上空的低频下沉气流迅速减弱消失,来自南海北部的低频上升运动增强并向北扩展到中国东南部上空。到超前3—2 d时,该低频上升运动完全北移到中国东南部上空,而此时在中国南海区域则变为低频下沉运动,这意味着来自西北太平洋地区的低频反气旋开始逐渐延伸到中国南海、菲律宾海一带(图 5e),而后该低频下沉运动逐渐增强北移,最后维持在中国南海一带。在同期时,位于中国东南部的低频上升运动和位于中国南海上空的低频下沉运动都达到最强盛。
持续性的降水不但需要强烈的上升运动,充足的水汽同样也是必不可少的条件(Zhou et al,2005;江志红等,2011)。对整层大气从地表到300 hPa的低频水汽输送通量以及低频水汽含量进行超前滞后低频降水事件进行了合成,在这里只给出了超前和同期的结果(图 10)。可以看到,图 10与图 5在空间分布型上非常相似,这说明低频水汽输送以及水汽含量的变化主要集中在对流层低层。在超前6 d时,中国东南部地区低频水汽含量为负异常,低频水汽输送通量方向为自东北向西南输送,在孟加拉湾和中国南海一带低频水汽输送通量是低频气旋式环流的形式,且低频水汽含量为正异常,而后该处的低频气旋以及正异常的低频水汽含量逐渐向中国东南部北移同时增强。与之相配合的西北太平洋处的低频反气旋形式的水汽输送通量和负异常的低频水汽含量在超前4 d时开始加强西移。到降水同期时,长江以南整个区域低频水汽含量为显著的正异常,而在其东南侧,即中国南海、西太平洋一带刚好与之相反。在长江以南地区的低频水汽输送的气旋式环流表明该处水汽的强烈的辐合,中国南海一带低频水汽输送强烈辐散。这样就使得水汽源源不断的从孟加拉湾北部—中国南海以及西太平洋上空输送到长江以南地区,从而使低频降水得以维持。
5 结论和讨论本文利用1979—2009年5—8月的逐日中国站点降水观测资料、NCEP/NCAR大气再分析资料以及向外长波辐射资料等,通过经验正交函数分解、合成分析等统计方法,对中国东南部持续性强降水的低频特征以及伴随的低频大气环流型进行了分析,结果表明:
(1) 中国5—8月在长江以南地区存在显著的准双周低频降水。对准双周低频降水的经验正交函数分解结果表明,第一模态主要分布在长江以南整个地区,且整个区域一致变化,该模态对应的低频降水事件在6月10日和7月1日前后发生的次数较多。低频降水事件中主要为持续3—5 d的事件,且持续5 d的低频降水事件在降水量上所占比重最大。
(2) 对流层低层的准双周低频信号主要来源于西北太平洋以及菲律宾海上空。对低频降水事件所伴随的低层大气低频环流场进行超前滞后合成分析表明,在超前低频降水10—8 d时,西北太平洋出现对流抑制现象,并且存在一个较弱的低频反气旋式环流,而后逐渐加强向西延伸到达中国南海、菲律宾海一带;而与此同时中国东南沿海到菲律宾海上空较弱的低频气旋式环流则是向北移动,在移动过程中同样逐渐增强,最终到达长江以南地区,引起强烈的辐合上升运动。在超前低频降水10—2 d,副热带高压有一个明显的西伸过程,从超前10 d的140°E以东持续西移到接近130°E。
(3) 在对流层高层,超前低频降水10—8 d时位于(30°—45°N,50°—70°E)区域上空的低频反气旋式环流在低频降水发生前东移南压,引导北方的冷空气不断深入到中国长江以南地区。在降水事件发生前夕,中国东北部存在一个低频反气旋式环流,与其西南侧上空东移南压的低频反气旋以及西太平洋上空的低频气旋相互配合使得中国东南部整个地区处在辐散的环境中,这样不但让低层的辐合更强,并且让上升运动也得到加强。
(4) 低频降水的水汽来源主要是孟加拉湾北部—中国南海以及西太平洋一带。对低频水汽输送通量以及水汽含量的超前合成分析可以看到,在低频降水发生之前,长江以南地区低频水汽含量就开始明显增加,且水汽输送为低频气旋式环流的形式,而在中国南海、菲律宾海一带则是刚好相反,水汽含量减少,且为辐散。在东南沿海地区的西南向低频水汽输送将南部的低频水汽源源不断的输送到了长江以南地区,使低频降水得以维持。
本文基于准双周低频降水经验正交函数分解的第1模态,对中国近30年来5—8月持续性强降水低频特征进行了分析,实际上,5—8月包含了如梅雨、前汛期以及台风等降水影响系统,因此今后还需要分别进行深入研究。另外,从功率谱的分析(图 1)中还可以看到显著的季节内振荡(ISO)。琚建华等(2005)指出,季节内振荡的传播对中国长江中下游地区的降水有显著影响。琚建华等(2008)对东亚季风区季节内振荡传播的研究表明,其经向传播主要为热带地区季节内振荡的向北传播,纬向传播则是分别起源于印度季风区的季节内振荡东传和起源于西太平洋海域的季节内振荡西传。而热带太平洋40—50 d振荡是热带大气信号最为显著的季节内振荡,其对中国东南部夏季降水有显著的影响(Jeong et al,2008;Zhang et al,2009;章丽娜等,2011)。因而,中国东南部夏季持续性强降水的季节内振荡特征和热带太平洋40—50 d振荡对中国东南部夏季持续性强降水影响也是需要深入的研究。
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