2013, 24 (1): 32-42
2. 北京市通州区气象局，北京 101100;
3. 中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州 510080
2. Tongzhou Meteorological Bureau of Beijing, Beijing 101100;
3. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510080
低温阴雨是广东的主要灾害性天气之一，是指每年2—3月在北方冷空气南下过程中，常与北上的暖空气形成对峙局面，出现长时间低温并伴有连绵阴雨、少日照的天气。由于它对早稻的安全育秧影响甚大，常可导致不同程度的烂秧或死苗，严重影响早稻的产量[1]。另外，严重的低温阴雨对后期晚稻的生产也有很大影响。因此，研究掌握广东春季低温阴雨的变化规律，尤其是长低温阴雨酝酿—开始—维持—结束的环流演变特征，不仅有利于做好低温阴雨的中期与延伸期预报，而且对防灾减灾、合理安排农业生产具有重要意义。
广东地处低纬度地区，大气环流的演变具有明显的阶段性和准周期性等变化规律，与之密切联系的冷暖、旱涝等变化也具有明显的阶段性和准周期性特征，即具有明显的低频振荡特征[2-5]。国内在春季低温阴雨的环流特征及与大气低频振荡的关系研究方面早已开展，如刘延英等[6]分析了长江中下游春季连晴和连阴雨前700 hPa流场及青藏高原东北侧和东南侧两支气流变化的一般特点。施宁等[7]研究了春季热带地区向外长波辐射低频振荡及其与长江中下游连阴雨的关系。欧阳玫君等[8]研究了春运期间大气15~25 d振荡的传播与江苏连阴雨 (雪) 过程，得到110°E和35°N剖面的低频波与江苏连阴雨 (雪) 过程有较好的对应关系。马宁等[9]研究了2008年初我国南方低温雨雪冰冻天气的季节内振荡特征，得到2008年初的雨雪灾害伴有异常的季节内振荡特征，热带季节内振荡的活动对该次低温冰冻雨雪也有一定影响。
有关华南低温阴雨的气候变化特征及其环流特征、预测模型已有一些研究[10-13]，关于低温阴雨的天气分析及中短期预报也有一些报道[14-17]，然而较全面地研究近几十年华南尤其是广东低温阴雨与低频振荡的关系及其不同位相环流演变特征的研究仍较少见。本文首先分析了1953—2011年广州低温阴雨年景变化与广东低温阴雨年景变化的关系，其次分析了12月—次年4月广州逐日气温的低频振荡与低温阴雨的关系，最后对长低温阴雨处于低频振荡不同位相的大气环流场进行合成，建立长低温阴雨季节内振荡的天气概念模型，以了解广东长低温阴雨酝酿—开始—维持—结束的环流演变特征，为今后更好地结合数值预报产品做好长低温阴雨的中期与延伸期预报提供参考。
1 资料与方法选用来自广东省气候中心的1953—2011年广东省各站逐日气温与日照资料，来自中国气象科学数据共享服务网 (http://cdc.cma.gov.cn/) 的1960—2010年广西、海南各站逐日气温资料，还选用水平分辨率为2.5°×2.5°的NCEP/NCAR 500 hPa高度场、850 hPa风场及海平面气压等逐日再分析资料。
采用墨西哥帽 (Mexican hat) 小波分析[18]研究广州逐日气温的低频振荡特征，采用小波反演即小波逆变换[19-20]对广州逐日气温进行10~30 d与30~90 d滤波，并采用合成分析方法建立广东长低温阴雨不同演变阶段的天气概念模型。
2 广东低温阴雨年景规定及变化根据业务预报服务的需要，广东低温阴雨的年景分北、中、南以及全省的趋势进行评定，分别以韶关、广州、阳江作为广东的北部、中部、南部的代表站，计算各站2月、3月低温阴雨总日数或2—3月最长一段低温阴雨日数，具体计算方法为
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(1) |
式 (1) 中，n1为日平均气温不超过12℃的日数；n2为日平均气温为12.1~15.0℃，且日照不超过2 h的日数。
参照表 1，根据所计算的各站2月、3月低温阴雨总日数或2—3月最长一段低温阴雨天数，确定广东各部低温阴雨年景。
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表 1 广东各部低温阴雨的强度规定 Table 1 The regulation of cold rainy weather intensity for different regions of Guangdong |
广东各部低温阴雨年景标准：按2月、3月低温阴雨总日数、2—3月最长一段低温阴雨日数所对应的低温阴雨强度的2/3为年景，如中-轻-轻为轻，重-中-轻为中。广东省年景标准也取北、中、南3部分的2/3为全省年景，如重-轻-轻为轻，重-中-中为中，重-重-轻为重，重-中-轻为中。
根据以上标准确定1953年以来广东各部及全省低温阴雨的强度，近59年来，以广州为代表站的中部低温阴雨的年景除1958，1961，1996年与广东年景不一致外，其余56年均一致，年景相同率达94.9%，因此，可用广州低温阴雨的年景变化来代表广东低温阴雨的年景变化。
另外，为了说明广州逐日资料对于整个华南的代表性，又计算了1961—2010年逐年2—3月广州逐日气温与华南三省 (广东、广西、海南)49个站2—3月逐日气温的相关系数，然后再进行历年平均 (图略)。结果显示，广州2—3月逐日气温与广东—广西西部的相关系数在0.9以上，与广西其余站的相关系数均在0.7以上，与海南北部的相关系数在0.7以上，与海南中南部的相关系数为0.5~0.7，均超过0.001显著性水平。另外，由于华南低温阴雨过程出现次数的地区分布总趋势为自北向南减少，而在海南的东方—乐东—琼海一线以南 (即海南的中南部) 基本未出现[1]。因此，广州2—3月逐日气温的变化与华南三省逐日气温的变化基本一致，也可以较好地反映华南低温阴雨的变化。
3 广东低温阴雨与低频振荡的关系 3.1 广东逐日气温的低频振荡与低温阴雨的关系为了全面了解广东逐日气温的低频振荡与低温阴雨的关系，对广州1952—2011年逐年12月—次年4月逐日气温距平序列进行小波分析。表 2给出了1953—2011年广州低温阴雨年景及12月—次年4月逐日气温的主要振荡周期。1953—2011年，达到0.05显著性水平的显著周期为6.9~9.2 d的准单周振荡及10.3~20.4 d的准双周振荡，而25.0~89.6 d振荡未达到0.05显著性水平。这与纪忠萍等[2]利用功率谱分析1951—2005年冬半年 (10月—次年3月) 广州逐日气温所得结论一致。另外，低温阴雨年景为轻度的年份共有19年，有18年存在8.0~20.3 d的周期振荡 (其中8.0~18.3 d的周期振荡均达到0.05显著性水平)，另外有5年 (1955，1975，1981，1999，2004年) 同时存在24.4~28.4 d及准52 d左右的周期振荡；低温阴雨年景为中等的年份共有26年，其中有12年只存在1个周期振荡 (12年中有10年存在12.9~27.8 d的周期振荡、2年存在32.2~48.8 d的周期振荡)，14年存在2个周期振荡 (14年中有11年存在10.1~17.0 d与26.6~81.5 d的周期振荡、3年存在6.9~9.2 d与15.9~20.4 d或49 d的周期振荡)；低温阴雨年景为重的年份共有14年，其中有8年只存在1个周期振荡且均为10.4~21.4 d的周期振荡、6年存在2个周期振荡 (其中3年存在8.4~8.8 d与25.5~26.1 d或63.2 d的振荡、3年存在14.5~18.7 d与47.2~89.6 d的周期振荡)。因此，轻度低温阴雨年份，12月—次年4月广州逐日气温主要存在8.0~18.3 d显著周期振荡，而中等及严重低温阴雨年份，主要存在10.1~28.0 d及30.0~89.6 d的周期振荡。广东地处低纬度热带地区，冬春逐日气温变化既受来自北方冷空气的影响，又受来自南方暖湿气流的影响。研究表明，东亚冬季风活动具有6~30 d，30~60 d等多种周期振荡[2, 9, 21-23]；影响暖湿气流变化的热带大气系统不仅具有明显的准双周振荡，也具有明显的30~60 d振荡，且准双周振荡明显较30~60 d振荡更为突出[24]。因此，它们的共同作用导致了广州逐日气温存在8.0~18.3 d，10.1~28 d及30.0~89.6 d的多种周期振荡。
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表 2 1953—2011年广州低温阴雨年景及12月—次年4月逐日气温的主要振荡周期 Table 2 The annual intensity of Guangzhou cold rainy weather and the main oscillation periods from December to the next April during 1953—2011 |
3.2 2—3月最长一段低温阴雨变化与低频振荡的关系
由于长低温阴雨持续时间长，所以影响严重。图 1a给出了广州1953—2011年最长一段低温阴雨日数的逐年变化。可见，2—3月广州最长一段低温阴雨日数具有明显的阶段性变化，20世纪50年代后期、20世纪60年代末至70年代初、80年代前期、90年代中期广州2—3月低温阴雨最长一段日数以偏多为主，其余时段以偏少为主，尤其是90年代末至2007年处于明显的年代际偏少阶段，2008年至今转为正常略多。
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| 图 1. 1953—2011年2—3月广州最长一段低温阴雨日数的逐年变化 (a) 及与12月—次年4月广州逐日气温不同频率的小波功率谱的相关分布 (b) (图 1a中实横线代表历年平均值为8.3 d, 虚线为高斯九点平滑滤波；图 1b中粗、细断线分别表示0.10和0.05的显著性水平) Fig 1. The number of the longest cold rainy weather day from February to March during1953—2011(a) and its correlation with wavelet power spectrum of Guangzhou daily temperature at different frequency from December to the next April (b) ( the horizontal solid line denotes 8.3 d, the mean number of the longest cold rainy weather day from February to March during 1953—2011, and dashed line denotes smoothed filtered by 9-point Gaussian smoothing in Fig. 1a; the thin and thick long-dashed lines denote the level of 0.10 and 0.05, respectively in Fig. 1b) | |
由表 1可见，2—3月广州最长一段低温阴雨日数不小于11.0 d为严重。因此，又分析了历年2—3月广州最长一段低温阴雨不小于11.0 d在小波分析图中对应的主要周期振荡 (表 3)。可见，最长一段低温阴雨对应的主要周期，15年中有7年对应18~28 d振荡，8年对应30~64 d周期振荡。因此，11 d以上的长低温阴雨主要与18~28 d及30~64 d的振荡有关。
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表 3 1953年以来不小于11.0 d的最长一段低温阴雨出现的时间、日数及对应周期 Table 3 The occurrence time, number of days and corresponding period for the longest cold rainy weather more than 11 days since 1953 |
为了进一步了解广州逐日气温不同频率范围低频振荡强度的年际变化与2—3月最长一段低温阴雨日数的关系，计算了1953—2011年12月—次年4月广州逐日气温不同频率的小波功率谱的年际变化与2—3月最长一段低温阴雨日数之间的相关系数 (图 1b)。由图 1b可见，2—3月最长一段低温阴雨日数与44.5~98.1 d左右周期振荡的强度变化具有显著的正相关关系 (相关系数为0.22~0.35，达到0.10显著性水平)，尤其是与49~92.4 d左右的周期振荡强度也具有显著正相关关系 (相关系数为0.26~0.35，达到0.05显著性水平)；另外，与2~8.2 d左右的周期振荡强度变化具有显著的负相关关系 (相关系数为-0.25~-0.22，达到0.10显著性水平)。因此，2—3月最长一段低温阴雨日数与45 d以上的季节内振荡强度变化具有显著正相关关系，与2~8 d左右的准单周振荡强度变化具有明显的负相关关系。另外，2—3月最长一段低温阴雨日数与17 d以上的周期振荡强度变化具有正相关关系，与17 d以下的振荡强度变化具有负相关关系，这与前面统计的11 d以上的长低温阴雨主要与18~28 d及30~64 d振荡有关相一致。因此，2—3月长低温阴雨主要与18 d以上的周期振荡有关，尤其与45 d以上的季节内振荡强度变化密切相关。
4 长低温阴雨季节内振荡的天气概念模型由前面的分析可知，11 d以上的长低温阴雨主要与18~28 d及30~64 d的振荡关系密切，由于30~64 d的振荡持续时间长，其中往往又包含1个以上的准双周振荡，其环流演变特征在实际预报中较难把握。为了在实际业务预报中更好地结合数值预报产品做好广东长低温阴雨的中期与延伸期预报，通过选取长低温阴雨年的典型个例，利用合成分析的方法, 建立了长低温阴雨年30~64 d季节内振荡的天气概念模型，了解长低温阴雨酝酿—开始—维持—结束的大气环流演变特征。
考虑到2007年12月—2008年4月存在89.6 d的主要周期，采用小波反演技术分别对历年12月—次年4月广州逐日气温进行30~90 d的滤波，选取长低温阴雨年 (表 3) 最长一段低温阴雨对应的周期在30 d以上且30~90 d振荡滤波曲线中波峰与波谷的振幅不小于1倍标准差的6个典型个例，参考毛江玉等[25]的做法, 将每个循环分为9个位相 (图略), 位相3表示波峰, 位相7表示波谷, 1, 5, 9为转换位相, 位相1表示振荡由谷值向峰值的过渡, 位相5与位相1相反, 表示振荡由峰值向谷值的过渡，位相9同位相1。对所选取的6个典型个例30~90 d振荡不同位相对应日期的500 hPa高度场、850 hPa风场、海平面气压场分别进行合成，可得到图 2~4。
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| 图 2. 长低温阴雨季节内振荡的500 hPa高度场位相2~9的合成场 (粗线) 及距平场 (细线) 分布(单位：dagpm, 阴影区表示正距平) Fig 2. The composition field (thick line) and anomalies (thin line) of 500 hPa height field (unit: dagpm) for phase 2—9 associated with intraseasonal oscillation of long cold rainy weather(the shaded denotes the anomaly is greater than 0 ) | |
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| 图 3. 长低温阴雨季节内振荡的850 hPa风场位相2~9的合成场分布 Fig 3. The composition of 850 hPa wind field for phase 2—9 associated with intraseasonal oscillation of long cold rainy weather | |
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| 图 4. 长低温阴雨季节内振荡的海平面气压场位相2~9的合成场分布 (单位：hPa) Fig 4. The composition of sea level presure field (unit: hPa) for phase 2—9 associated with intraseasonal oscillation of long cold rainy weather | |
由图 2~4可见，低温阴雨开始前的回暖期 (位相2~3)，500 hPa高度场上，从位相2~3来看，随着欧洲高压脊的东移，乌拉尔山—贝加尔湖以西转为明显的高压脊控制，中高纬度欧亚上空转为明显的两槽一脊型，欧洲转为明显的低槽控制，鄂霍次克海附近的低涡减弱北抬；亚洲中低纬度环流相对平直，江南—华南由平直的西风气流转为弱脊控制并出现明显的正距平。850 hPa风场上，从位相2~3来看，江南—华南上空由出海高压环流转为从青藏高原南下及经中南半岛—南海转向的偏西—西南气流控制。海平面气压场上，从位相2~3来看，蒙古高压逐渐加强东移南压，冷高压中心强度最强在1037.5 hPa以上, 华南由出海高压转为弱的低槽控制，冷空气堆积在江南—南岭以北。
低温阴雨开始前的降温期 (位相4)，500 hPa中高纬度欧亚上空维持两槽一脊型，乌拉尔山—贝加尔湖以西维持明显的阻塞高压控制，鄂霍次克海附近的低槽或低涡明显加深南压，中纬度地区从巴尔喀什湖到30°N以北的我国中东部地区仍为高压脊控制。由于中高纬度地区盛行经向环流，有利于较强冷空气沿着高压脊前南下影响广东。低纬度地区为平直强盛而多波动的副热带锋区，由于锋区上不断有小波动东移，华南转为平直多波动的西风气流并为-1 dagpm的高度负距平控制。由850 hPa风场可知，我国长江以南—南海转为一致的东北风。由海平面气压场可知，蒙古高压强度加强，中心强度达1040 hPa以上，我国东部—南海均转为庞大的冷高压脊控制，较强冷空气南下影响到广东—南海。经统计，长低温阴雨开始前，从位相3到位相4，均伴有1次中等或强冷空气南下影响广东，这是导致长低温阴雨开始前强降温的直接原因。
低温阴雨开始时 (位相5)，500 hPa中高纬度欧亚上空仍维持两槽一脊型，乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压及鄂霍次克海附近的低压槽或低涡仍维持，中纬度地区从巴尔喀什湖—贝加尔湖以南转为横槽控制，我国华北—长江流域仍为弱的高压脊控制，有利于冷空气的补充南下影响广东。低纬度地区仍为平直多波动的副热带锋区，华南的位势高度场继续降低并转为-3~-2 dagpm的高度负距平。850 hPa风场上，强盛的西南暖湿气流控制江南，切变线也北推到江南。海平面气压场上，蒙古高压强度继续加强，中心强度达1042.5 hPa以上，我国东部—南海仍为庞大的冷高压脊控制，冷空气不断补充南下影响广东—南海。由于500 hPa华南上空多波动，850 hPa冷暖气流交汇在江南，地面有弱冷空气的补充，低温阴雨天气开始。郑芙蓉[26]对1965—1996年广东江门地区低温阴雨与冷空气活动的统计也表明，有相当多长过程的低温阴雨，往往是一次冷空气南下后，不断有新的冷空气补充影响的结果。另外，从前面的分析可知，低温阴雨回暖—降温—开始时，乌拉尔山—贝加尔湖以西一直维持明显的阻塞高压，这与前人总结广东[14, 27]或广西[16-17]出现长低温阴雨的500 hPa前兆信号一致。杨贵名等[28]、高安宁等[29]对2008年初我国低温雨雪冰冻天气持续性成因的分析也表明，乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压是2008年初我国低温雨雪冰冻天气持续的主要成因之一。以上说明可将乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压作为广东出现长低温阴雨的500 hPa前兆信号。
低温阴雨维持期 (位相6~8)，500 hPa中高纬度地区乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压减弱、崩溃，但仍为明显的高压脊及正距平控制，使得海平面气压场上巴尔喀什湖—贝加尔湖之间的冷高压强度虽有所减弱，但仍维持在1037.5 hPa以上。在中纬度地区我国中东部仍由高压脊控制，有利于冷空气不断补充南下。低纬度地区仍为平直强盛而多波动的副热带锋区，华南位势高度场维持明显的-4~-2 dagpm的高度负距平。850 hPa风场上，切变线徘徊在江南—华南沿海。海平面气压场上，蒙古高压强度虽有所减弱，但中心强度仍在1037.5 hPa以上，我国东部—南海仍为庞大的冷高压脊控制，由于500 hPa华南上空环流平直多波动，850 hPa冷暖气流交汇在江南—华南，地面弱冷空气不断补充南下影响，导致广东低温阴雨天气的持续。
低温阴雨结束期 (位相9)，高纬度地区喀拉海—鄂霍次克海转为明显的低压槽控制，乌拉尔山—贝加尔湖以北转为弱的低压槽控制，中纬度地区我国中东部虽仍为弱高压脊所控制，低纬度地区的副热带锋区明显减弱，华南上空转为弱高压脊控制。850 hPa风场上，暖湿气流北抬至长江以北，广东上空逐渐转为高压出海后部的西南风控制；地面上蒙古高压强度明显减弱，中心强度约为1027.5 hPa。华南为由东海出海的弱冷高压脊控制，广东转为均压场控制。由于500 hPa华南上空转为弱高压脊控制，850 hPa暖湿气流北抬至长江以北，地面转为东移出海的冷高压脊控制，气温回升，低温阴雨结束。这与郑芙蓉[26]统计得到华南低温阴雨的结束大多取决于南方暖湿气流的加强，冷空气东移变性一致。
由上面的分析可见，由于500 hPa欧洲高压脊的东移，使乌拉尔山—贝加尔湖以西转为明显的高压脊控制，华南由平直的西风环流转为弱脊控制，地面上蒙古高压逐渐加强并南压，华南转为弱低槽控制，广东出现低温阴雨开始前明显的回暖期。当500 hPa乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压稳定维持，华南转为平直而多波动的西风气流并为明显的高度负距平控制，850 hPa我国长江以南—南海由一致的东北风转为冷暖气流交汇在江南，地面上蒙古高压继续加强并南压，华南转为庞大的冷高压脊控制，较强冷空气南下并有弱冷空气不断补充，导致低温阴雨开始前的强降温及低温阴雨开始。当500 hPa乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压减弱、崩溃，但仍为明显的高压脊及正距平控制，华南上空环流仍平直多波动，850 hPa冷暖气流交汇在江南—华南一带，地面蒙古高压强度虽有所减弱却仍较强，弱冷空气不断补充，低温阴雨持续。当500 hPa乌拉尔山—贝加尔湖以北转为弱低槽控制，华南上空转为弱脊控制，850 hPa暖湿气流北抬至长江以北，地面转为东移出海的冷高压脊控制，气温回升，低温阴雨结束。
5 小结通过分析广东低温阴雨的年景变化及与低频振荡的关系，重点分析了长低温阴雨与低频振荡的关系，建立了长低温阴雨的天气概念模型，得到以下主要结论：
1) 广州低温阴雨的年景变化与广东年景一致的相同率达94.9%，可用广州低温阴雨的年景变化来代表广东低温阴雨的年景变化。广州2—3月逐日气温的变化与华南逐日气温的变化基本一致，可以较好地反映华南低温阴雨的变化。
2) 轻度低温阴雨年份，12月—次年4月广州逐日气温主要存在8.0~18.3 d显著周期振荡，而中等及严重年份，主要存在10.1~28.4 d及30~89.6 d的周期振荡。2—3月长低温阴雨主要与18 d以上的周期振荡有关，尤其与45 d以上的季节内振荡强度变化密切相关。
3) 利用典型个例的合成分析，建立了长低温阴雨30~64 d季节内振荡的天气概念模型，它们反映了长低温阴雨回暖—降温—开始—维持—结束的大气环流演变特征。
4) 乌拉尔山—贝加尔湖以西的阻塞高压可作为预报广东出现长低温阴雨的500 hPa前兆信号。当此前兆信号稳定维持，且华南转为平直而多波动的西风气流，地面上蒙古高压逐渐加强南压，可预报广东出现长低温阴雨。
以上所建立的长低温阴雨30~64 d季节内振荡的天气概念模型及其前兆信号，可为广东长低温阴雨的中期与延伸期预报提供参考。
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