2011年春夏長江中下游旱澇急轉的低頻環流系統變化

劉佩佩，鞏遠發，李 妍，連 帆

(成都信息工程學院大氣科學學院，高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川成都610225)

0 引言

大氣低頻振蕩(MJO)最早是由Madden和Julian[1－2]在1971年發現，他們利用坎頓島上風場和地面氣壓場的觀測資料，通過譜分析發現了熱帶大氣中存在40～50d周期的低頻振蕩，1979年，Yasunari[3]在研究印度季風區的云量時也發現了這種30～40天的周期變化特征。后來研究分析，低頻振蕩不僅存在于熱帶大氣中，中高緯地區大氣中也存在明顯的低頻變化特征，Kishnamurtietal[4]和李崇銀[5]的研究還證明了低頻振蕩的全球性;之后的幾十年中，大氣低頻振蕩受到國內外氣象學者的廣泛關注，目前對于大氣低頻振蕩的結構、傳播以及變化特征都有了一些新的認識。

大氣低頻振蕩的時間尺度是延伸期天氣預報的重要信號，2004年Wheeler和Hendon[6]利用熱帶地區(15°S～15°N)的向外長波輻射、850hPa緯向風和200hPa緯向風進行多變量EOF展開，將逐日資料投影到前兩個EOF主模態上提取包含MJO信號的一對主成分，并定義MJO指數RMM，此指數能反映熱帶大氣低頻振蕩的主要特征。澳大利亞、美國等國家利用這個指數進行延伸期的天氣預報，取得較好效果。中國的氣象工作者也對延伸期的預報進行了一些試驗，丁一匯等[7－8]利用梅雨區季節內振蕩信號建立最優子集回歸模型，進行汛期梅雨區逐候降水量延伸預報試驗，結果表明梅雨區逐候降水量預報是有可能的;朱紅蕊等[9]利用SSA-AR方法對MJO指數進行預報試驗也取得很好效果。

近年來，越來越多的研究發現，大氣低頻振蕩(30～60天)與中國東部的降水有很大關系。琚建華等[10]的研究表明，季風涌的傳播表現為很強的低頻波動特征，重要表現為低頻波動的波峰(波谷)對應中國江淮地區的降水集中期(間歇期);黃菲等[11]發現，氣候態下的降水季節內振蕩在長江中下游地區尤其顯著;夏蕓等[12]的結果是2003年江淮地區的強降水過程表現為很強的30～70天周期;岑思弦等[13]也發現，2007發生在淮河流域的洪澇有明顯的低頻變化特征，與此同時，大氣熱源、垂直環流、水汽輸送等也都有相對應的低頻變化特征;章麗娜等[14]的研究也表明，華南前汛期的降水與熱帶大氣季節內振蕩有很好的關聯等。

綜上所述，大氣低頻振蕩對長江中下游地區的降水有重要的影響，2011年春末夏初長江中下游地區發生了很明顯的旱澇急轉現象，給這一地區帶來了巨大經濟損失，此次旱澇急轉表現十分迅速，3～5月是大范圍干旱，整個6月的降水量甚至超過往年整個夏季(6～8月)的總降水量。封國林[15]、沈柏竹等[16]從大氣環流、海溫、水汽輸送、風場等方面分析了這次旱澇急轉事件發生的原因。文中主要從對流層低層－高層的低頻振蕩環流系統進一步分析旱澇急轉形成的可能原因。

文中研究所用包括:(1)國家氣象信息中心的全國753站的逐日降水數據，時間長度為1960～2011年;(2)NCEP/NCAR全球再分析資料中的U、V風場和垂直速度ω，水平分辨率為2.5*2.5經緯度、垂直方向有17層。選用Butterworth帶通濾波器。

1 2011年春夏長江中下游旱澇急轉概況

圖1和圖2是2011年春夏旱澇急轉前干旱期5月中國南方地區降水量距平和距平百分率。從圖1可以看到，5月長江中下游地區降水量距平值均為負值，大多地區達到－60mm以上，江淮、黃淮、江漢、江南以及西南地區的貴州省等地區降水較同期偏少，其中江西北部降水量與常年同期相比最少，降水負距平超過－100mm，而華南北部少部分地區降水與同期相比較多。同時由圖2可以看出以上地區的降水距平百分率都達到－40%，表明5月整個長江中下游地區較常年同期來說甚是干旱。

圖3和圖4是2011年春夏旱澇急轉后洪澇期6月中國南方地區降水量的距平和距平百分率，從圖3可以看出，進入6月長江中下游地區降水量距平值發生了迅速轉變，整個長江中下游地區都為降水正距平，江南地區北部、江淮地區、江漢地區東部的降水正距平都超過100mm，其中浙江西北部、安徽南部地區達到200mm以上，最高中心強度值更是超過240mm，6月長江中下游地區降水量大大超出常年同期水平。從圖4中的6月降水量距平百分率來看，降水正距平超過100mm的地區降水距平百分率也都大于40%，在浙江西北部、安徽南部地區降水距平百分率甚至達到80%以上。由此可見，與5月降水量偏少的干旱狀況相比，6月長江中下游地區降水異常偏多出現洪澇狀況，此次旱澇急轉的狀況十分明顯。

圖1 2011年5月降水距平(單位:mm，實線為正距平，虛線為負距平，等值線間隔為20mm)

圖2 2011年5月降水距平百分率(實線為正距平，虛線為負距平，等值線間隔為20%)

圖3 2011年6月降水距平(單位:mm)

圖4 2011年6月降水距平百分率

2 2011年3～8月長江中下游低頻環流系統特征

2.1 長江中下游地區3～8月降水和垂直速度的變化

圖5(a)和圖5(b)直方圖分別是3～8月長江中下游地區(110°E～120°E，27.5°N～32.5°N)逐日降水變化和其對應區域平均的500hPa垂直速度逐日變化。可以發現長江中下游地區在整個春季(3～5月)降水總體較少，在6月4日開始降水突然增加，6月5日區域平均降水量接近40mm，6月8日和9日降水有短暫間歇，10日降水又急劇加強，15日達65mm，直到6月底降水過程才結束，而整個夏季(6～8月)降水中6月降水強度最強。通過計算降水變化與區域平均500hPa垂直速度可以發現，二者有很好的相關關系，3月1日到8月31日期間的相關系數為－0.289，4月1日到7月31日的相關系數為－0.305，都通過信度為99%的顯著性檢驗。對比圖5(a)和圖5(b)也可以直觀地看到，在5月底到6月初旱澇轉換期間二者的對應關系很明顯，在6月初降水出現的階段，區域平均垂直速度為負，而在6月8日和9日的降水間歇期，區域平均垂直速度為正，隨后的連續降水階段，區域平均垂直速度一直保持為負值。

圖5 2011年3～8月平均的逐日降水和平均的500hPa逐日垂直速度

進一步對區域平均的500hPa垂直速度進行30～60天帶通濾波，結果如圖6所示。從圖可以看到，500hPa垂直速度在5月到6月旱澇急轉期間30～60天的低頻振蕩顯著加強，急轉前的干旱期，是強的低頻垂直速度正位相(下沉運動);急轉后的洪澇期，是強的低頻垂直速度負位相(上升運動);垂直速度由正(下沉運動)轉負(上升運動)的時間也幾乎對應由旱轉澇的時間。3～4月和7～8月的低頻振蕩相對較弱。說明大氣低頻振蕩可能對2011年春夏旱澇急轉的發生有重要影響。

圖6 2011年3～8月區域(110°E～120°E，27.5°N～32.5°N)平均的500hPa逐日垂直速度30～60天的帶通濾波時間序列(曲線)及原始序列(直方圖)(單位:Pa/s)。

圖7 2011年3～8月區域(110～120°E，27.5～32.5°N)平均的500hPa逐日垂直速度的小波變換和不同頻域小波方差圖

對2011年3～8月區域(110°E～120°E，27.5°N～32.5°N)平均的500hPa逐日垂直速度做小波變換，從圖7(a)可以看出:在5月初到7月底這段時期，長江中下游地區的垂直速度存在尺度因子a≈10為主要周期的低頻振蕩，在這個尺度上，6月上中旬長江中下游地區負的低頻垂直速度最強，與長江中下游地區降水最強的時期相對應，可見此低頻序列對長江中下游地區該時期的降水有重要影響。再從各頻域小波方差圖(圖7b)也可以看出2011年春夏季長江中下游地區3～8月垂直速度的小波方差在尺度因子a≈10處有極大值，可見2011年春夏30～60天的低頻振蕩是引起長江中下游地區旱澇急轉的重要原因之一。

為了更清楚地看到30～60天各要素低頻變化特征，參照岑思弦等[13]的方法，將圖6中30～60天低頻垂直速度時間序列中5月中旬到6月下旬這個循環分為9個位相(具體對應時間如圖6所示)，其中位相3、7分別代表垂直速度低頻振蕩的下沉速度最強的波峰與上升速度最強的波谷;位相1、5、9為垂直速度轉換期，其中位相1代表振蕩由正的垂直速度向負的垂直速度的過渡，位相5與1相反，代表由中斷期向活躍期轉變，而位相9與1相同;位相2、4、6、8表示低頻振蕩的振幅值達到循環最小值或最大值一半的時間。可以很清楚的看出垂直速度位相轉變與降水的轉變表現幾乎一致，在1～4位相，垂直速度低頻結果為正的垂直速度，而此時長江中下游地區的降水也十分少，而在第5位相轉換期，從6月3日開始垂直速度低頻位相轉變為負的垂直速度位相，同時長江中下游地區由旱轉為澇，隨后的6、7、8位相垂直速度保持為負，降水也一直很強，垂直速度向上最強的第7位相也是降水最強的階段，到第9位相垂直速度由負轉為正，降水開始減弱。

2.2 長江中下游地區旱澇急轉的低頻環流系統

為了進一步分析旱澇急轉的低頻環流系統特征，對2011年春夏對流層低層(850hPa)和高層(200hPa)的散度場進行30～60天帶通濾波，選取最有代表性的向下垂直速度最強的第3位相(5月25～27日)、轉換期的第5位相(6月1～3日)、向上垂直速度最強的第7位相(6月12～14日)，并對這3個位相的低頻散度進行合成，結果如圖7、8、9 所示。

圖8(a)和8(b)分別為第3位相(5月25～27日)850hPa和200hPa散度30～60天的濾波平均值。850hPa圖可知5月降水偏少的江淮、黃淮、江漢、江南以及貴州省大部分地區的散度都為正值，表明這些區域都為輻散區，在浙江南部，福建北部有一輻散中心，輻散最強，與最大降水負距平中心基本一致。同時在華南地區為散度輻合區，這也與5月華南地區降水正距平區域相對應。200hPa圖上，低層輻散區所對應地區基本都為散度負值區，表明這些地區在高層都為輻合。由此得出，在第3位相，長江中下游地區為低層輻散，高層輻合的穩定結構，是非常不利于形成降水，導致整個5月的降水偏少。

圖8 第3位相(5月25～27日)平均的低頻散度(單位:10－6s－1)

圖9(a)和9(b)分別為第5位相(6月1～3日)850hPa和200hPa散度30～60天的濾波平均值。由850hPa第5位相的低頻散度可以看出，進入6月的1到3日，在長江中下游地區的低層的低頻散度已經由之前的較強輻散轉變為較弱的狀態，而在200hPa圖上，長江中下游地區高層的低頻散度由之前的輻合轉變為弱輻散。即轉換期的第5位相，長江中下游的低頻散度場從低層到高層均轉變很弱的輻散。

轉換期后，降水急劇增加，向上垂直速度最強的第7位相(6月12～14日)的低頻散度場如圖10所示，圖10(a)的850hPa低頻散度場明顯地從第3位相的輻散轉變為輻合，而且不僅是長江中下游地區，包括華南北部，西南地區東北都為輻合區，最強輻合中心位于湖南和江西兩省中部。同時期高層200hPa(圖10a)低頻散度場上，長江中下游地區均為輻散，輻散中心位于安徽、江西、浙江三省交界地區，而這種低層輻合，高層輻散穩定結構，非常有利于形成降水，并且低層輻合中心、高層輻散中心與6月降水最集中的地區基本一致，集中在安徽、江西、浙江三省交界處。

圖9 第5位相(6月1～3日)平均的低頻散度(單位:10－6s－1)

圖10 第7位相(6月12～14日)平均的低頻散度(單位:10－6s－1)

綜上分析，從對流層低層－高層低頻散度場配置的變化可以看出，在干旱的5月，長江中下游地區穩定維持著低層輻散、高層輻合的環流系統，在旱澇急轉期的6月初，長江中下游地區低層到高層的輻散輻合都較弱，轉入洪澇期之后，長江中下游地區迅速轉為低層輻合、高層輻散環流形勢，非常有利于形成降水。

3 結論與討論

(1)2011年春夏期間發生在長江中下游地區的旱澇急轉現象明顯，旱澇急轉發生在6月第一候，前后降水反差巨大。5月較往年同期偏旱40%以上，而6月較往年同期偏澇60%以上，整個6月的降水量超過往年同期整個夏季(6～8月)的降水量。

(2)2011年春夏長江中下游地區500hPa的垂直速度的低頻振蕩變化特征與旱澇急轉的變化有很好的對應關系，急轉前的干旱期，為低頻垂直速度正位相(下沉運動);急轉后的洪澇期，為低頻垂直速度負位相(上升運動);垂直速度由正(下沉運動)轉負(上升運動)的轉換時間對應由旱轉澇的時間。

(3)對流層低層(850hPa)－高層(200hPa)散度場的低頻變化特征進一步證實低頻環流系統的配置對旱澇急轉的影響。在垂直速度為正的第3位相，長江中下游地區的低頻散度場為低層輻散、高層輻合的低頻環流系統，不利于降水的形成;在垂直速度由正轉負的轉換期第5位相，低層和高層的輻散輻合都較弱;在垂直速度為負的第7位相，低層輻合、高層輻散的低頻環流系統使得降水大幅增加。

影響降水的因素很多，文中僅從垂直速度和散度分析了此次旱澇急轉的低頻環流系統特征，而對于水汽等其他方面的因素尚未考慮，在隨后的研究工作中將進一步分析可能引起此次旱澇急轉的其他低頻振蕩信號。

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