mou對(duì)華南前汛期降水的影響及其可能機(jī)制

mou對(duì)華南前汛期降水的影響及其可能機(jī)制

1對(duì)降水的影響中國(guó)的降水具有明顯的季節(jié)性變化特征。換句話說(shuō)，在雨季，有一些多雨期和減少雨季的現(xiàn)象。這可導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)的旱澇極端天氣,對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生重要影響。然而,當(dāng)今常規(guī)天氣預(yù)報(bào)主要著眼于10d內(nèi)的預(yù)報(bào),短期氣候預(yù)測(cè)主要解決月時(shí)間尺度以上的預(yù)測(cè),介于兩者時(shí)間尺度之間的10~30d預(yù)報(bào)(即延伸期預(yù)報(bào))就成為“預(yù)報(bào)縫隙”,使預(yù)報(bào)降水的季節(jié)內(nèi)變化成為難題,是目前尚未解決而又急需解決的問(wèn)題之一。尋找到有效的預(yù)報(bào)因子是做好延伸期預(yù)報(bào)的前提。研究表明,MJO(Madden-JulianOscillation)可以為延伸期預(yù)報(bào)提供預(yù)報(bào)信號(hào),MJO的活動(dòng)規(guī)律是制作延伸期預(yù)報(bào)的有效方法之一。MJO最早由Madden等發(fā)現(xiàn),是熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)變化最主要的成分,它沿赤道自印度洋向太平洋東移,平均移速為5m/s,振蕩周期為30~90d,伴隨對(duì)流、降水的活躍或受抑。MJO的重要性不僅在其本身,還在于它可以影響包括我國(guó)在內(nèi)的接近全球范圍的天氣,例如,MJO影響我國(guó)春季降水、夏季降水、冬季降水和近地層氣溫(SAT)的季節(jié)內(nèi)變化。因此,研究MJO對(duì)降水的影響有利于提高延伸期預(yù)報(bào)水平,具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。華南地區(qū)是中國(guó)雨量最充沛的一個(gè)區(qū)域,易受熱帶大氣變化的影響,4—6月為華南前汛期,降水豐沛、洪澇災(zāi)害多發(fā)。研究MJO對(duì)華南前汛期降水的影響,不僅有利于理解華南前汛期降水的季節(jié)內(nèi)變化,還有助于制作好華南前汛期降水的延伸期預(yù)報(bào)。章麗娜等研究了MJO對(duì)華南前汛期降水的影響,指出MJO的活躍中心從印度洋進(jìn)入西太平洋,華南地區(qū)的降水由偏多轉(zhuǎn)為偏少,最顯著的降水正負(fù)異常分別位于第4和第7位相,且相應(yīng)的大尺度背景場(chǎng)也發(fā)生季節(jié)內(nèi)變化。但仍有一些問(wèn)題值得繼續(xù)討論,例如,MJO活動(dòng)中心以外地區(qū)的天氣對(duì)MJO的響應(yīng)需要一定時(shí)間,那么華南前汛期降水對(duì)MJO的響應(yīng)過(guò)程是怎樣的?MJO影響華南前汛期降水的可能機(jī)制又是什么?本文將圍繞上述問(wèn)題,進(jìn)一步研究MJO對(duì)華南前汛期降水的影響,為華南前汛期降水的季節(jié)內(nèi)變化尋找預(yù)報(bào)信號(hào)和科學(xué)依據(jù)。2資料處理與分析方法本文采用的資料包括:(1)中國(guó)753個(gè)地面氣象觀測(cè)站的逐日降水資料;(2)實(shí)時(shí)多變量MJO指數(shù)(Real-TimeMultivariateMJOIndex,RMM指數(shù));(3)美國(guó)NOAA提供的逐日向外長(zhǎng)波輻射(OutgoingLongwaveRadiation,OLR)資料,水平分辨率為2.5uf0b0×2.5uf0b0;(4)美國(guó)NCEP/NCAR提供的逐日全球再分析資料,水平分辨率為2.5uf0b0×2.5uf0b0,垂直方向?yàn)?7層。以上資料的時(shí)間范圍為1975—2011年,但由于OLR資料在1978年有缺測(cè),為統(tǒng)一起見(jiàn)均不包含1978年,共計(jì)36年。為了濾除高頻變化成分,本文使用逐候資料,處理方法是對(duì)上述資料依次求得4月1日—6月29日期間各候平均值(即4月1—5日、……、5月31日—6月4日、……、6月25—29日分別求平均)。再對(duì)逐候降水資料、OLR資料和再分析資料進(jìn)行如下處理:(1)減去對(duì)應(yīng)候的36年氣候均值,以移除季節(jié)循環(huán);(2)減去對(duì)應(yīng)年期間華南前汛期均值,以移除年際、年代際變化。以下分析均采用經(jīng)過(guò)處理后的資料。本文用RMM指數(shù)描述MJO活動(dòng),有關(guān)該指數(shù)的定義和意義參見(jiàn)文獻(xiàn)或文獻(xiàn)。RMM指數(shù)以表示強(qiáng)MJO,否則為弱MJO。弱MJO更接近MJO生成時(shí)的隨機(jī)變化,章麗娜等研究表明,弱MJO對(duì)華南前汛期降水沒(méi)有顯著的影響,因而本文只考慮強(qiáng)MJO事件,即的情況。本文采用合成分析方法,包括同期和滯后合成。具體做法:根據(jù)RMM指數(shù)(時(shí)段范圍為4月1日—6月19日)確定的MJO的8個(gè)位相,將各候歸類為第8~1位相、第2~3位相、第4~5位相、第6~7位相,共4類,36年間各類別對(duì)應(yīng)的總候數(shù)見(jiàn)表1,同類別候及其滯后1、2候的降水或其它氣象要素分別求平均。之所以分析MJO與降水或環(huán)流的滯后關(guān)系,是因?yàn)镸JO活動(dòng)中心以外地區(qū)的大氣環(huán)流及天氣變化對(duì)MJO的響應(yīng)需要一定時(shí)間,例如Lin等指出當(dāng)MJO對(duì)流活動(dòng)進(jìn)入印度洋或西太平洋后5~15d,北大西洋濤動(dòng)的強(qiáng)度發(fā)生顯著改變,He等發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)冬季降水、SAT對(duì)MJO的響應(yīng)具有1周左右的滯后。同期合成得到的結(jié)果實(shí)際上是依賴于MJO周期性的間接聯(lián)系,但考慮到MJO并非嚴(yán)格的周期振蕩,每個(gè)位相持續(xù)時(shí)間并不固定,甚至可以從任意位相開(kāi)始或結(jié)束,因此有必要研究MJO與天氣變化的超前、滯后關(guān)系,建立MJO與天氣變化的直接聯(lián)系,更充分理解MJO影響天氣變化的機(jī)制。此外基于對(duì)MJO的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),這種超前、滯后關(guān)系還可以直接作為預(yù)報(bào)信號(hào)。本文對(duì)合成結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)以確定其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。降水距平資料不滿足正態(tài)分布,對(duì)其檢驗(yàn)時(shí)采用非參數(shù)估計(jì)的蒙特卡洛方法,每次檢驗(yàn)均進(jìn)行10000次隨機(jī)試驗(yàn)。其它氣象要素近似滿足正態(tài)分布則使用t檢驗(yàn)。3m長(zhǎng)期民法影響區(qū)域降水的特征在分析華南前汛期降水與MJO的關(guān)系之前,先選取華南前汛期降水代表站。參考Ting等劃分降水區(qū)的方法,計(jì)算得到華南地區(qū)36年間4月1日—6月29日逐候降水量標(biāo)準(zhǔn)差最大的站點(diǎn)為陽(yáng)江站,再求出陽(yáng)江站與所有站點(diǎn)在華南前汛期期間逐候降水量的相關(guān)系數(shù),選取相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)、空間分布連續(xù)、具有相對(duì)一致的降水變率的站點(diǎn)作為華南前汛期降水的代表站,共57站(圖1),與文獻(xiàn)[28-29]研究華南前汛期降水時(shí)選取的代表站的空間分布相似。對(duì)57個(gè)代表站的逐候降水距平按上述介紹的方法分別進(jìn)行合成,再對(duì)合成結(jié)果做如下分析:(1)計(jì)算得到區(qū)域平均降水距平(指平均每站的降水距平,圖2);(2)統(tǒng)計(jì)合成結(jié)果中超過(guò)0.1顯著性水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)(表2)。圖2所示的區(qū)域平均降水距平反映了不同MJO位相期間或滯后1、2候時(shí)華南地區(qū)降水的總體異常情況。在滯后時(shí)長(zhǎng)為0候(Lag=0)時(shí),MJO的第2~3位相、第4~5位相對(duì)應(yīng)降水正異常,而第6~7位相、第8~1位相對(duì)應(yīng)降水負(fù)異常,這與文獻(xiàn)[14,16-17]的研究結(jié)論相符。在滯后1候(Lag=1)時(shí),MJO的第2~3位相、第4~5位相仍然對(duì)應(yīng)降水正異常,且第2~3位相對(duì)應(yīng)的降水正異常值比Lag=0時(shí)增大,而第6~7位相、第8~1位相仍對(duì)應(yīng)降水負(fù)異常,且第6~7位相對(duì)應(yīng)的降水負(fù)異常值比Lag=0時(shí)減小。在滯后2候(Lag=2)時(shí),MJO的第8~1位相、第2~3位相對(duì)應(yīng)降水正異常,而第4~5位相、第6~7位相對(duì)應(yīng)降水負(fù)異常,且第6~7位相對(duì)應(yīng)的降水負(fù)異常值比Lag=1時(shí)略減小?？梢?jiàn),在MJO不同位相,華南前汛期降水異常有明顯差異,并且這種差異隨滯后時(shí)長(zhǎng)而發(fā)生變化。第2~3位相和第6~7位相分別有降水正、負(fù)異常隨時(shí)間滯后的增強(qiáng)過(guò)程,且對(duì)應(yīng)降水正、負(fù)異常的峰值、谷值,而第8~1位相、第4~5位相分別是降水負(fù)異常向正異常、正異常向負(fù)異常的過(guò)渡期,表明每次完整的MJO周期分別有一次促進(jìn)和一次抑制華南前汛期降水的過(guò)程,兩次過(guò)程主要發(fā)生在第2~3位相和第6~7位相。因此第2~3位相和第6~7位相可被認(rèn)為是MJO影響華南前汛期降水的典型“濕位相”和“干位相”,作為MJO影響華南前汛期降水的關(guān)鍵位相。區(qū)域平均降水距平合成的峰值和谷值分別對(duì)應(yīng)MJO第2~3位相滯后1候(異常值為1.5mm/d)和MJO第6~7位相滯后2候(異常值為-1.1mm/d),而非關(guān)于MJO位相的同期合成,這反映出華南前汛期降水對(duì)“濕位相”和“干位相”的響應(yīng)需要一定時(shí)間,滯后時(shí)長(zhǎng)約為1~2候。表2是合成結(jié)果中超過(guò)0.1顯著性水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)個(gè)數(shù),站點(diǎn)個(gè)數(shù)越多表示受到MJO影響且顯著的站點(diǎn)越多。該結(jié)果揭示的MJO影響華南前汛期降水的關(guān)鍵位相、影響結(jié)果與上述分析基本一致。4mrad異常場(chǎng)及土壤侵風(fēng)險(xiǎn)分析為了進(jìn)一步理解上述預(yù)報(bào)信號(hào)的物理本質(zhì),下面將分析與MJO第2~3位相和第6~7位相(典型“濕位相”和“干位相”)活動(dòng)相聯(lián)系的大尺度環(huán)流變化,以討論MJO影響華南前汛期降水的可能機(jī)制。MJO對(duì)流中心釋放凝結(jié)潛熱對(duì)大氣是一個(gè)外強(qiáng)迫熱源,可引起全球大氣變化,本文將從這個(gè)角度出發(fā),解釋MJO影響華南前汛期降水的可能機(jī)制。圖3是OLR異常場(chǎng)在MJO第2~3位相、第6~7位相的合成。在MJO第2~3位相,MJO對(duì)流中心位于印度洋,而西太平洋、東太平洋有受抑對(duì)流,但分布分散,且強(qiáng)度較弱。在MJO第6~7位相,印度洋地區(qū)為受抑對(duì)流,而西太平洋、東太平洋有異常對(duì)流,但分散且強(qiáng)度弱?？傊?不同MJO位相反映MJO活躍或受抑對(duì)流活動(dòng)的差異,從第2~3位相到第6~7位相的活躍或受抑對(duì)流的區(qū)域發(fā)生了顯著改變。那么,與MJO對(duì)流活動(dòng)區(qū)域發(fā)生變化的同時(shí),大氣環(huán)流場(chǎng)發(fā)生了怎樣的變化?又如何影響華南前汛期降水?下文將就此進(jìn)行分析討論。4.1基于是否本底物的rossby波與反氣旋式MJO第2~3位相時(shí),對(duì)流中心位于印度洋(圖3a),對(duì)流中心釋放凝結(jié)潛熱,相對(duì)大氣來(lái)說(shuō)是一個(gè)異常非絕熱熱源。圖4是700hPa和200hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)及異常風(fēng)場(chǎng)在MJO第2~3位相的合成(包括滯后0候和滯后1候)。在700hPa上(圖4a),熱源西北側(cè)和西南側(cè)有兩個(gè)位勢(shì)高度負(fù)異常中心,伴隨氣旋式異常風(fēng)場(chǎng),且在滯后1候時(shí)(圖4b)更明顯,這些異常是非絕熱加熱引起的赤道Rossby波響應(yīng),符合Gill提出的響應(yīng)模型。熱源東側(cè)的海洋大陸地區(qū),位勢(shì)高度異常場(chǎng)表現(xiàn)為低壓舌的東伸,異常風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為東風(fēng)異常,是赤道Kelvin波響應(yīng)。西北太平洋地區(qū)(150uf0b0E,30uf0b0N附近)、澳大利亞?wèn)|側(cè)地區(qū)(170uf0b0E,35uf0b0N附近)有位勢(shì)高度正異常及反氣旋式異常風(fēng)場(chǎng),這些異常是非絕熱加熱激發(fā)的Rossby波響應(yīng),符合Matthews等和白旭旭等通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)證明的響應(yīng)模型。該Rossby波向東北方向傳播,表現(xiàn)為波列形式,這在200hPa(圖4c)上表現(xiàn)得更為明顯,西太平洋地區(qū)為正P-J型(太平洋-日本型)Rossby波列,通過(guò)北太平洋向北美傳播。Lin等研究表明,MJO可通過(guò)此波列影響北美大氣環(huán)流及天氣。華南地區(qū)顯然在此波列的影響范圍內(nèi)。滯后1候時(shí),整個(gè)異常系統(tǒng)向東移動(dòng)(圖4b、4d)。上述分析表明,Rossby波到達(dá)華南地區(qū)后,西北太平洋地區(qū)低空出現(xiàn)了位勢(shì)高度正異常和反氣旋式異常風(fēng)場(chǎng),這些異常將增強(qiáng)西北太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱“西太副高”)的強(qiáng)度,從而使華南地區(qū)來(lái)自西太副高南側(cè)轉(zhuǎn)向的西南風(fēng)輸送水汽增多,最終促進(jìn)華南地區(qū)降水。4.2位勢(shì)高度異常與rossby波第6~7位相時(shí),印度洋地區(qū)為受抑的對(duì)流中心(圖3b),受抑對(duì)流相對(duì)大氣是一個(gè)異常非絕熱冷源,若僅考慮影響過(guò)程中線性部分,4.1節(jié)中討論的環(huán)流異常在此時(shí)應(yīng)是正負(fù)號(hào)相反的情形。圖5是700hPa和200hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)及異常風(fēng)場(chǎng)在MJO第6~7位相的合成(包括滯后0候和滯后1候)。在700hPa上(圖5a),冷源東側(cè)的海洋大陸地區(qū)表現(xiàn)為位勢(shì)高度異常場(chǎng)上的高壓舌及西風(fēng)異常,為赤道Kelvin波響應(yīng)。北太平洋地區(qū)(145uf0b0E,35uf0b0N附近)、澳大利亞?wèn)|側(cè)地區(qū)(160uf0b0E,35uf0b0N附近)分別有位勢(shì)高度負(fù)異常及氣旋式異常風(fēng)場(chǎng),為Rossby波響應(yīng)。該Rossby波向東北方向傳播,表現(xiàn)為波列形式,在200hPa(圖5c)上表現(xiàn)得更明顯,西太平洋地區(qū)為負(fù)P-J型Rossby波列。但波列較第2~3位相時(shí)東移了,即便如此,200hPa上華南地區(qū)還是被位勢(shì)高度正異常和反氣旋式異常風(fēng)場(chǎng)控制,表明Rossby波再次傳播到華南地區(qū)。滯后1候時(shí),整個(gè)異常系統(tǒng)向東移動(dòng)(圖5b、5d)。上述分析表明,Rossby波到達(dá)華南地區(qū)后,西北太平洋地區(qū)低空出現(xiàn)了位勢(shì)高度負(fù)異常和氣旋式異常風(fēng)場(chǎng),這些異常將減弱西太副高的強(qiáng)度,從而使華南地區(qū)來(lái)自西太副高南側(cè)轉(zhuǎn)向的西南風(fēng)輸送水汽減少,最終抑制華南地區(qū)降水。5mrae的表現(xiàn)本文利用站點(diǎn)降水資料、RMM指數(shù)、OLR資料和NCEP/NCAR再分析資料,采用合成分析方法研究了MJO對(duì)華南前汛期降水的影響,并討論其可能機(jī)制。(1)在MJO不同位相,華南前汛期降水異常有明顯差異,并且這種差異隨滯后時(shí)長(zhǎng)而發(fā)生變化。每次完整的MJO周期分別有一次促進(jìn)和一次抑制華南前汛期降水的過(guò)程,主要發(fā)生在第2~3位相和第6~7位相,它們可被認(rèn)為是MJO影響華南前汛期降水的典型“濕位相”和“干位相”。(2)華南前汛期區(qū)域平均降水距平合成的峰值和谷值分別對(duì)應(yīng)“濕位相”滯后1候和“干位相”滯后2候,反映出華南前汛期降水對(duì)“濕位相和“干位相”的響應(yīng)需要一定時(shí)間,滯后時(shí)長(zhǎng)約為1~2候。(3)MJO活躍(受抑)對(duì)流區(qū)相對(duì)大氣來(lái)說(shuō)是一個(gè)異常熱源(冷源),可通過(guò)激發(fā)的