1998年夏季長(zhǎng)江流域大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的結(jié)構(gòu)演變及其對(duì)降水的影響

齊艷軍 張人禾 Tim LI

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1998年夏季長(zhǎng)江流域大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的結(jié)構(gòu)演變及其對(duì)降水的影響

齊艷軍1張人禾1Tim LI2

1中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081,2,,,96822,

利用中國(guó)逐日降水格點(diǎn)資料和NCAR/NCEP再分析資料，對(duì)1998年發(fā)生在我國(guó)東部長(zhǎng)江中下游流域的夏季持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程中顯著的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO）的三維結(jié)構(gòu)演變等活動(dòng)特征進(jìn)行了分析。1998年夏季長(zhǎng)江及江南地區(qū)的異常強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)著該地區(qū)強(qiáng)的ISO活動(dòng)。利用位相合成方法，對(duì)長(zhǎng)江流域兩個(gè)典型的季節(jié)內(nèi)循環(huán)周期的ISO降水、850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)以及水汽和垂直速度等循環(huán)過(guò)程的時(shí)空分布特征進(jìn)行了診斷分析。在低頻環(huán)流場(chǎng)上，對(duì)流層低層的低頻氣旋和反氣旋環(huán)流表現(xiàn)出交替在熱帶西北太平洋增強(qiáng)并向西偏北方向移動(dòng)發(fā)展的特征，當(dāng)異常氣旋環(huán)流移動(dòng)到長(zhǎng)江流域上空時(shí)，長(zhǎng)江流域正好位于氣旋環(huán)流西南側(cè)的東北風(fēng)異常和西北太平洋上向西移動(dòng)的反氣旋環(huán)流西北側(cè)的西南風(fēng)異常環(huán)流匯合處的下方，引起該地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生。在強(qiáng)降水階段的ISO的垂直結(jié)構(gòu)上，上升運(yùn)動(dòng)和水汽表現(xiàn)出從華南到長(zhǎng)江流域自南向北移動(dòng)的特征，強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng)以及來(lái)自南方充足的水汽為增強(qiáng)長(zhǎng)江流域地區(qū)的降水起到了重要作用。

中國(guó)東部夏季降水 大氣季節(jié)內(nèi)振蕩 結(jié)構(gòu)演變特征

1 引言

在北半球夏季，大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（ISO, Intraseasonal Oscillation）活動(dòng)與亞洲夏季風(fēng)循環(huán)的密切聯(lián)系自從上世紀(jì)七十年代末被人們發(fā)現(xiàn)以來(lái)（Yasunari, 1979），隨著診斷方法的不斷改進(jìn)和完善，以及各種觀測(cè)資料尤其是高分辨率衛(wèi)星資料 的不斷補(bǔ)充和豐富，人們對(duì)ISO的產(chǎn)生源地及其 傳播規(guī)律和發(fā)展演變等活動(dòng)特征有了更深入的認(rèn)識(shí)和研究（Krishnamurti and Subrahmanyam, 1982; Murakami et al., 1984; 李崇銀, 1995; Jiang and Li, 2005; Li and Wang, 2005; Wang et al., 2005; 琚建華等, 2008; Qi et al., 2008, 2013; Hsu and Li, 2012; Li, 2014）。由于ISO活動(dòng)對(duì)季風(fēng)區(qū)的天氣氣候異常有直接的影響，在天氣業(yè)務(wù)的延伸期預(yù)報(bào)中，ISO的異常變化逐漸被視為一個(gè)重要的考慮因素。世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）下屬的氣候變化及可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃（CLIVAR）將大氣季節(jié)內(nèi)振蕩作為它的主要研究?jī)?nèi)容之一，在CLIVAR的積極組織與倡導(dǎo)下于2006年成立的MJO（Madden-Julian Oscillation）工作組的主要任務(wù)就是藉助于數(shù)值模 式將大氣季節(jié)內(nèi)振蕩研究應(yīng)用于長(zhǎng)期天氣和短 期氣候的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中（Seo et al.，2007；Vitart et al.，2007；賈小龍等，2012；梁萍和丁一匯，2012）。尤其日前，在WMO/WWRP-THORPEX (World Meteorological Organization/World Weather Research Programme – The Observing System Research and Predictability Experiment) 和WCRP的共同協(xié)作下開(kāi)展并實(shí)施了“次季節(jié)—季節(jié)預(yù)測(cè)研究計(jì)劃”，在該計(jì)劃項(xiàng)目中作為熱帶大氣季節(jié)內(nèi)變率的主要模態(tài)，MJO被認(rèn)為是預(yù)測(cè)全球次季節(jié)時(shí)間尺度的主要來(lái)源（齊艷軍和容新堯，2014）。因此，深入研究大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的活動(dòng)及其規(guī)律，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)亞洲季風(fēng)系統(tǒng)極為重要，而且對(duì)于季風(fēng)區(qū)的天氣氣候預(yù)測(cè)都具有實(shí)際意義。

起源于熱帶地區(qū)的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)西北太平洋的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)具有調(diào)節(jié)作用（李崇銀等，2013），同時(shí)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的發(fā)展強(qiáng)度與傳播也和南海夏季風(fēng)活動(dòng)有著密切聯(lián)系（穆明權(quán)和李崇銀，2000；Lin et al.，2006；琚建華等，2010；陳尚鋒等，2011），ISO通過(guò)對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)和南海夏季風(fēng)活動(dòng)的影響引起我國(guó)華南氣候的異常。在我國(guó)東部地區(qū)，東亞副熱帶夏季風(fēng)的異常降水往往會(huì)導(dǎo)致東部地區(qū)的洪澇或干旱等極端天氣和氣候事件發(fā)生，以長(zhǎng)江中下游流域?yàn)榇淼闹袊?guó)東部地區(qū)的夏季降水異常變化除了直接與東亞地區(qū)的環(huán)流異常和水汽輸送外（Zhang，2001），也常常受到大氣季節(jié)內(nèi)振蕩ISO活動(dòng)的影響（Lau and Chan, 1986；Yang and Li, 2003）。例如，1991年夏季江淮流域的強(qiáng)降水，1998年長(zhǎng)江流域的特大洪澇以及2003年江淮流域強(qiáng)降水都與ISO活動(dòng)密切相關(guān)（Zhu et al.，2003；毛江玉和吳國(guó)雄，2005；夏蕓等，2008），研究表明在夏季降水較強(qiáng)的年份ISO活動(dòng)尤其活躍，對(duì)我國(guó)東部地區(qū)的強(qiáng)降水有重要的貢獻(xiàn)。Yang et al.（2013）從中高緯對(duì)流層高層風(fēng)場(chǎng)的低頻波列活動(dòng)解釋了大氣季節(jié)內(nèi)振蕩在2011年6月初長(zhǎng)江中下游地區(qū)的旱澇轉(zhuǎn)折過(guò)程中的作用。從氣候意義上，ISO活動(dòng)對(duì)東亞夏季風(fēng)也具有顯著的調(diào)制作用（Wang and Xu，1997），特別是我國(guó)東部長(zhǎng)江中下游及淮河地區(qū)的降水與ISO的強(qiáng)度及其傳播有著密切的聯(lián)系（琚建華等，2005；王遵婭和丁一匯，2008；Yang et al.，2010）。Lau and Chan（1986，1988）的研究顯示，我國(guó)長(zhǎng)江流域梅雨雨帶的南北移動(dòng)與南海地區(qū)40～50天的ISO從南向北的傳播有密切聯(lián)系。東部地區(qū)夏季降水的多寡不僅受到從南海向北傳播的ISO的調(diào)制作用，同時(shí)也受到來(lái)自赤道印度洋和青藏高原南麓印度季風(fēng)區(qū)自西向東北傳播的ISO以及從西太平洋自東向西北傳播的ISO的影響（何金海等，1984；Chen et al.，2001；韓榮青等，2006）。近年來(lái)的研究結(jié)果顯示長(zhǎng)江中下游夏季降水的活躍期與中斷期的交替出現(xiàn)源自于西太平洋副高的季節(jié)變化，而副高的季節(jié)變化受到南海和菲律賓海附近類似于Rossby波向北和向西北傳播的低頻對(duì)流—環(huán)流耦合系統(tǒng)的影響（Mao et al.，2010）。楊秋明等（2012）對(duì)影響長(zhǎng)江流域持續(xù)性暴雨的全球大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧，概括性地評(píng)述了全球熱帶內(nèi)外不同時(shí)間尺度的大氣ISO的空間變化和年際變化與長(zhǎng)江流域持續(xù)性降水之間的緊密聯(lián)系。

以上研究結(jié)果表明，ISO活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江流域地區(qū)夏季降水異常有著重要的影響。1998年夏季長(zhǎng)江中下游流域發(fā)生的持續(xù)性強(qiáng)降水具有顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩特征，ISO循環(huán)在強(qiáng)降水過(guò)程階段的水平和垂直結(jié)構(gòu)分布特征如何，以及ISO活動(dòng)又將如何對(duì)長(zhǎng)江流域的降水產(chǎn)生影響。本文將利用位相合成等診斷方法對(duì)1998年與我國(guó)東部夏季強(qiáng)降水相聯(lián)系的ISO三維時(shí)空結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，并通過(guò)ISO水平和垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變來(lái)揭示對(duì)流層低層風(fēng)場(chǎng)以及水汽和垂直運(yùn)動(dòng)的低頻環(huán)境場(chǎng)在長(zhǎng)江流域強(qiáng)降水的產(chǎn)生和維持過(guò)程中所起的作用。

2 資料和方法

文中采用的資料包括：（1）中國(guó)氣象局信息中心提供的中國(guó)逐日降水格點(diǎn)資料（Shen and Xiong，2015），分辨率為0.25°×0.25°，這套分析資料是基于全國(guó)加密觀測(cè)網(wǎng)的逐日2400個(gè)雨量計(jì)觀測(cè)，通過(guò)最優(yōu)插值算法建立的一套融合降水資料；（2）NCEP/NCAR的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)、垂直速度、比濕等在各標(biāo)準(zhǔn)等壓面層上的資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。以上變量資料的時(shí)間序列長(zhǎng)度均為1979～2007年共29年。

文中主要采用位相合成等方法對(duì)ISO的時(shí)空演變及其三維結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。

3 1998年夏季降水分布及其季節(jié)內(nèi)活動(dòng)特征

1998年夏季中國(guó)長(zhǎng)江流域發(fā)生了四十多年以來(lái)全流域性的特大洪水，同年夏季在東北地區(qū)的嫩江和松花江流域也頻降大雨和暴雨，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)了百年不遇的大洪水。圖1a所示是1998年夏季5～8月累積降水分布，在四川東部、重慶、湖北西南、湖南北部、江南北部等地區(qū)5～8月的降水量一般都達(dá)到800～1000 mm，尤其是長(zhǎng)江中下游的江南地區(qū)，降水量超過(guò)1200 mm，湖北東南部和江西北部地區(qū)的5～8月份累積降水甚至高達(dá)1600 mm以上。和常年相比，1998年夏季長(zhǎng)江全流域的降水都是正距平，特別是110°E以東的江南地區(qū)比氣候平均的降水偏多400 mm以上，在湖南東北部和江西北部的降水偏多600 mm及以上，持續(xù)的強(qiáng)降雨帶穩(wěn)定地維持在江西、湖南、浙江、廣西和福建等省區(qū)，造成這些區(qū)域連續(xù)性的暴雨至特大暴雨天氣（圖1b）。

圖1 （a）1998年夏季5～8月份的累積降水（單位：mm），（b）1998年相對(duì)于1979～2007年夏季5～8月份累積降水的偏差（單位：mm）

1998年夏季，顯著地降水正距平主要分布在110°E以東長(zhǎng)江中下游流域的江南地區(qū)，從緯度—時(shí)間的經(jīng)向剖面圖上看出，長(zhǎng)江流域地區(qū)經(jīng)歷了兩次強(qiáng)持續(xù)性降水過(guò)程（圖2），第一降水階段，雨帶從我國(guó)華南地區(qū)有明顯的向北移動(dòng)，在5月中旬到6月初，雨帶位于大約22°N的華南地區(qū)，6月11～12日開(kāi)始，雨帶突然向北推進(jìn)到30°N以南的長(zhǎng)江流域，6月中下旬雨帶穩(wěn)定地維持在江南地區(qū)，降水增幅，致使包括湖南、江西、安徽、浙江、福建等地在內(nèi)的江南地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)性暴雨或大暴雨天氣過(guò)程。7月下旬開(kāi)始，長(zhǎng)江流域再次出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨，和第一次降雨過(guò)程相比，本次降雨過(guò)程具有局地突發(fā)性的特點(diǎn)，而不是由華南地區(qū)向北傳播的雨帶。該雨帶從8月初到8月中旬向北移動(dòng)到35°N的位置。

圖2 1998年夏季逐日降水經(jīng)過(guò)110°～120°E的緯度—時(shí)間剖面

以上分析可看出，1998年我國(guó)東部地區(qū)的長(zhǎng)江中下游流域夏季降水具有明顯的季節(jié)內(nèi)變化特征。利用1998年的逐日降水資料對(duì)長(zhǎng)江中下游流域做功率譜分析，如圖3所示，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水具有顯著的周期為30～60天的季節(jié)內(nèi)振蕩特征，這一典型的30～60天季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)與該地區(qū)的持續(xù)性強(qiáng)降水之間的聯(lián)系以及季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生有著怎樣的促進(jìn)作用。以下所分析的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（以下簡(jiǎn)稱為ISO）都將指經(jīng)過(guò) 30～60天帶通濾波這一頻段范圍內(nèi)的振蕩。

圖3 長(zhǎng)江中下游地區(qū)（27°～30°N，110°～120°E）1998年夏季降水量的功率譜分布（帶圓圈的曲線）。虛線代表紅噪音譜，實(shí)線是紅噪音譜的95%檢驗(yàn)水平

從1998年夏季降水的ISO標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上（圖4a），110°E以東長(zhǎng)江以南的我國(guó)東南部地區(qū)都是ISO振蕩強(qiáng)度較大的地區(qū)，ISO最為活躍的區(qū)域不僅僅局限于沿長(zhǎng)江流域及其以南的鄰近地區(qū)，同時(shí)在湖南東部、江西和福建北部也是ISO的活動(dòng)中心。對(duì)比圖1b和圖4b可以看到，1998年夏季降水異常偏多的地區(qū)長(zhǎng)江中下游及其以南地區(qū)，也是ISO活動(dòng)異常偏強(qiáng)的地區(qū)，這說(shuō)明1998年夏季降水異常偏多可能與該地區(qū)的ISO振蕩偏強(qiáng)有密切聯(lián)系。下面我們從揭示沿長(zhǎng)江流域兩次大暴雨過(guò)程期間的ISO位相的發(fā)展演變等三維結(jié)構(gòu)來(lái)分析ISO在1998年持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程中的作用。

圖4 （a）經(jīng)過(guò)30～60天濾波的1998年夏季（5～8月）降水標(biāo)準(zhǔn)差分布；（b）1998年夏季降水的標(biāo)準(zhǔn)差分布。單位：mm d?1

圖5 1998年長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季（5～8月）逐日降水量（細(xì)實(shí)線，y軸右側(cè)坐標(biāo)，單位：mm d?1）和經(jīng)過(guò)30～60天濾波的ISO異常降水量（粗實(shí)線，y軸左側(cè)坐標(biāo)，單位：mm d?1）時(shí)間序列，圖中帶圓圈的數(shù)字表示ISO的8個(gè)連續(xù)位相

4 ISO循環(huán)的三維結(jié)構(gòu)特征

以上的分析結(jié)果顯示，長(zhǎng)江中下游及其以南地區(qū)夏季降水異常偏多的地區(qū)也是ISO振蕩最為活躍的地區(qū)，為了解強(qiáng)降雨過(guò)程中ISO的時(shí)間和空間演變結(jié)構(gòu)以及ISO對(duì)強(qiáng)降雨的影響，對(duì)該地區(qū)ISO的周期循環(huán)進(jìn)行位相合成，分析降水過(guò)程中ISO的時(shí)空分布特征及其三維結(jié)構(gòu)演變對(duì)強(qiáng)降雨的產(chǎn)生和維持所起到的作用。

4.1 ISO循環(huán)位相的選取

在1998夏半年（5～10月），長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降水主要經(jīng)歷了2個(gè)完整且振蕩顯著的周期循環(huán)，選擇這兩個(gè)振蕩循環(huán)并將每一個(gè)循環(huán)分成8個(gè)連續(xù)位相，對(duì)每個(gè)循環(huán)中的各個(gè)位相做合成來(lái)分析ISO各要素在1998年夏季的位相發(fā)展及結(jié)構(gòu)演變特征。8個(gè)連續(xù)位相的定義如下：以1998年夏季第一個(gè)最大正位相（波峰）為參考點(diǎn)（如圖5所示），其前一個(gè)最小值到緊鄰其后的一個(gè)最小值之間的時(shí)間間隔為一個(gè)振蕩周期。對(duì)一個(gè)選中的ISO循環(huán)，選取降水異常的最大負(fù)位相為其第1位相，接著每隔八分之一周期依次選取第2、3、…、8位相（圖5中所標(biāo)數(shù)字）。位相1、3、5和7分別對(duì)應(yīng)著當(dāng)降水異常在最小值、由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值、最大值和由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值的時(shí)間。因此，第1位相和第5位相分別代表長(zhǎng)江中下游地區(qū)ISO的最干和最濕位相。從圖5中可以看出，每個(gè)ISO循環(huán)的周期沒(méi)有一定的規(guī)律，這兩個(gè)循環(huán)的振蕩周期分別為32天和33天，平均每個(gè)位相之間大約相差4天左右。

4.2 ISO異常降水和850 hPa環(huán)流場(chǎng)的周期演變特征

根據(jù)以上ISO周期循環(huán)的選取和位相定義，對(duì)1998年長(zhǎng)江中下游流域地區(qū)ISO各位相的降水、850 hPa風(fēng)場(chǎng)以及垂直速度、水汽等氣象要素進(jìn)行位相合成，來(lái)診斷和分析該地區(qū)ISO的發(fā)生、發(fā)展及傳播演變等三維結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布特征。

4.2.1 ISO異常降水的初始生成階段（第1～3位相）

在夏季長(zhǎng)江流域降水異常偏多的1998年，30～60天ISO循環(huán)的降水和850 hPa風(fēng)場(chǎng)的連續(xù)8個(gè)位相合成圖如圖6所示。在第1位相，長(zhǎng)江中下游及其以南地區(qū)處于干旱少雨階段，江南大部被負(fù)降水異常所控制，最大的負(fù)降水異常主要分布在110°E以東的江南地區(qū)，此時(shí)該地區(qū)處于最大干位相階段（圖6中第1位相），日本島南部也有明顯的負(fù)降水異常。從風(fēng)場(chǎng)上看，江南地區(qū)和日本南部正好處于該地區(qū)上空對(duì)流層低層850 hPa上一個(gè)弱的反氣旋式環(huán)流異常的控制下，在日本東南方向的西北太平洋上是一個(gè)較強(qiáng)的氣旋式環(huán)流異常，長(zhǎng)江下游及其以南地區(qū)的東部邊緣正好位于東西方向上這兩個(gè)異常環(huán)流接壤處東北氣流的下方，在浙江、江西和湖南北部的江南地區(qū)則是一致的東風(fēng)異常，而長(zhǎng)江以北是西風(fēng)異常，這種環(huán)流形勢(shì)的分布解釋了長(zhǎng)江流域處于最大干位相的原因。第2位相，長(zhǎng)江中下游流域和日本的負(fù)降水異常有明顯的減弱并伴隨有向北移動(dòng)。該地區(qū)上空850 hPa的反氣旋異常環(huán)流減弱消失，西北太平洋上氣旋式異常環(huán)流明顯向西移動(dòng)同時(shí)增強(qiáng)，但中國(guó)大陸東部地區(qū)仍然處在東北風(fēng)異常環(huán)流的控制下（圖6中第2位相）。到第3位相階段，負(fù)降水異常繼續(xù)向北移動(dòng)，同時(shí)長(zhǎng)江以南地區(qū)和日本島南部出現(xiàn)了正降水異常，西北太平洋上的氣旋式異常環(huán)流繼續(xù)向西移動(dòng)增強(qiáng)，并伴有緩慢的北移（圖6中第3位相），氣旋中心移到日本大陸最南端。

圖6 1998年30～60天濾波的降水量和850 hPa風(fēng)場(chǎng)的位相合成演變。陰影代表ISO降水異常（單位：mm d?1），箭頭是850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常（單位：m s?1）

4.2.2 ISO異常降水的發(fā)展及成熟階段（第4～5位相）

在ISO降水發(fā)展的第3位相，負(fù)降水異常已經(jīng)北移到長(zhǎng)江以北地區(qū)，干旱的強(qiáng)度有所減弱，面積收縮，日本南部的負(fù)降水異常也減弱，同時(shí)向北偏西移動(dòng)到朝鮮半島南部。在江南地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)度為3 mm d?1，甚至6 mm d?1的降水，在日本南端的正降水異常也同時(shí)出現(xiàn)。我們注意到，長(zhǎng)江中下游流域和日本島南部地區(qū)的ISO負(fù)、正降水異常同步變化，說(shuō)明這一緯度帶的季節(jié)內(nèi)降水變化受到同一種天氣系統(tǒng)或者擾動(dòng)的調(diào)制作用。從一個(gè)ISO循環(huán)的8個(gè)連續(xù)位相看，第4～5位相是ISO降水的成熟位相階段，也是最大濕位相階段，即在該位相長(zhǎng)江流域地區(qū)的正降水異常處于這一循環(huán)的最大峰值階段。如圖6所示，第4位相長(zhǎng)江以北的負(fù)降水異常繼續(xù)向北減弱，江南和日本南部地區(qū)的降水區(qū)域增大，強(qiáng)度開(kāi)始增強(qiáng)。對(duì)流層低層850 hPa上的氣旋式環(huán)流異常進(jìn)一步增強(qiáng)，其中心向西偏北移到130°E的日本最南端西側(cè)，此時(shí)江南降水區(qū)域上空主要是氣旋式環(huán)流西側(cè)的東北風(fēng)異常。從第4到第5位相，長(zhǎng)江中下游以北的負(fù)降水異常減弱并消失，預(yù)示著長(zhǎng)江以北地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降水，但顯著的強(qiáng)降水仍然分布在江南地區(qū)，最強(qiáng)的降水出現(xiàn)在長(zhǎng)江中下游的湖北、江西北部及浙江一帶，強(qiáng)度達(dá)到最大，中心值超過(guò)15 mm d?1，主要分布在110°E以東的江南地區(qū)（圖6中第5位相）。第5位相的正降水異常與第1位相的負(fù)異常所覆蓋的區(qū)域范圍以及最大或最小的降水異常值相一致，只是符號(hào)相反。本文中第5位相是ISO振蕩的最強(qiáng)正位相，也是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的最大濕位相，此階段對(duì)流層低層的環(huán)流形勢(shì)與最大干位相的第1位相的環(huán)流形勢(shì)相反。從第4到第5位相，中國(guó)東部地區(qū)到朝鮮半島和日本上空的氣旋環(huán)流向西快速收縮并減弱，同時(shí)西北太平洋上反氣旋異常環(huán)流逐漸形成，長(zhǎng)江中下游及其以南地區(qū)最強(qiáng)的降水正好位于對(duì)流層低層減弱的氣旋環(huán)流東北風(fēng)異常轉(zhuǎn)向西南風(fēng)的下方，在長(zhǎng)江中下游流域的緯度上向東延伸一直到日本南部都處于這種有利于降水發(fā)生的環(huán)流形勢(shì)下。

4.2.3 ISO異常降水的減弱階段（第6～8位相）

第6位相開(kāi)始，ISO降水開(kāi)始減弱，并伴隨向北傳播（圖6，第7、8位相），在ISO降水異常向北減弱移動(dòng)的同時(shí)，負(fù)異常從第7位相的長(zhǎng)江以南地區(qū)出現(xiàn)并開(kāi)始發(fā)展增強(qiáng)（第8位相），降水負(fù)異常的演變形勢(shì)與正異常（第3、4位相）非常類似。從環(huán)流場(chǎng)分布形勢(shì)，降水開(kāi)始減弱的第6位相，西北太平洋上形成閉合的反氣旋環(huán)流異常，并向西移動(dòng)增強(qiáng)（第6、7、8位相），大陸上的氣旋環(huán)流完全消失，中國(guó)東部地區(qū)上空是反氣旋環(huán)流西側(cè)的西南風(fēng)氣流，處于高壓控制下（圖略），因此從第7位相開(kāi)始，長(zhǎng)江及其以南地區(qū)開(kāi)始處于降水的間歇期。隨著時(shí)間的推移，海洋上的反氣旋環(huán)流逐漸向西移動(dòng)到我國(guó)大陸的東部地區(qū)上空，開(kāi)始重復(fù)下一個(gè)ISO周期的循環(huán)。

從對(duì)流層低層850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)演變來(lái)看，1998年影響長(zhǎng)江流域地區(qū)夏季降水的環(huán)流主要是來(lái)自西北太平洋上空向西北方向移動(dòng)和發(fā)展的低頻氣旋，并配合其他動(dòng)力和熱力因素，造成長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水增多。以上位相分析顯示，夏季長(zhǎng)江流域降水異常偏多，對(duì)應(yīng)著ISO降水的振蕩幅度增強(qiáng)，熱帶西太平洋熱源激發(fā)的低頻氣旋和反氣旋式環(huán)流交替向西北方向移動(dòng)傳播到我國(guó)東部地區(qū)上空，長(zhǎng)江流域夏季的強(qiáng)降水就是在對(duì)流層低層大陸上氣旋和東南部海洋反氣旋異常的耦合發(fā)展演變過(guò)程中產(chǎn)生的，這樣的環(huán)流背景場(chǎng)為長(zhǎng)江中下游地區(qū)上空南北氣流的匯合提供了有利條件，引起該階段長(zhǎng)江流域的持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生。

4.3 ISO垂直結(jié)構(gòu)的周期演變

通過(guò)合成分析以上30～60天季節(jié)內(nèi)降水和850 hPa風(fēng)場(chǎng)的一個(gè)循環(huán)周期的演變過(guò)程，在長(zhǎng)江流域中下游地區(qū)，低頻降水經(jīng)歷了從最大干位相的負(fù)降水異常到最大濕位相的正降水異常，隨后降水逐漸減弱，再回到干位相的周期循環(huán)。對(duì)流層低層的低頻環(huán)流形勢(shì)的分布與演變對(duì)引起1998年夏季長(zhǎng)江流域降水異常偏多提供了有利的大尺度背景場(chǎng)。下面從季節(jié)內(nèi)的垂直速度、水汽分布以及風(fēng)場(chǎng)的散度、渦度等要素的垂直結(jié)構(gòu)演變來(lái)分析致使長(zhǎng)江流域產(chǎn)生持續(xù)性強(qiáng)降水的動(dòng)力熱力條件。

4.3.1 風(fēng)場(chǎng)的散度和渦度

為了了解在1998年夏季長(zhǎng)江中下游地區(qū)強(qiáng)降水期間ISO的垂直結(jié)構(gòu)，制作1998年經(jīng)過(guò)我國(guó)東部地區(qū)的30～60天濾波的風(fēng)場(chǎng)散度和渦度的8個(gè)連續(xù)位相的高度—緯向垂直剖面圖（圖7）。在ISO循環(huán)的初始位相階段（圖7，第1、2位相），30°N附近的長(zhǎng)江流域地區(qū)對(duì)流層低層呈現(xiàn)出負(fù)渦度異常以及低層輻散高層輻合的分布特征，從第1到第2位相，低層的負(fù)渦度以及低層輻散高層輻合的這種分布逐漸減弱。第3位相開(kāi)始，伴隨著對(duì)流層低層長(zhǎng)江以南地區(qū)正渦度異常和弱的風(fēng)場(chǎng)輻合的出現(xiàn)，長(zhǎng)江地區(qū)開(kāi)始產(chǎn)生降水（圖7和圖6，第3位相）。第4～5位相，長(zhǎng)江及江南地區(qū)對(duì)流層低層的正渦度繼續(xù)增強(qiáng)并達(dá)到最大值，該位相階段低空輻合高空輻散的配置為長(zhǎng)江流域降水的發(fā)生提供了有利的動(dòng)力條件。在ISO的衰減階段，長(zhǎng)江地區(qū)上空的正渦度以及低空輻合高空輻散都減弱，并在第7位相取而代之的是負(fù)渦度異常及低空出現(xiàn)輻散特征。從風(fēng)場(chǎng)的輻合輻散及渦度場(chǎng)的各位相演變來(lái)看，配合ISO降水自南向北的移動(dòng)傳播（圖6），低頻散度場(chǎng)和渦度場(chǎng)也有自南略微北移的特征。

圖7 經(jīng)過(guò)（110°～120°E）剖面的30～60天的風(fēng)場(chǎng)渦度場(chǎng)和散度場(chǎng)的位相合成演變。陰影是渦度（單位：10?5 s?1），等值線是輻散/輻合（單位：10?6 s?1）

4.3.2 垂直速度和水汽

除了風(fēng)場(chǎng)的輻合輻散及渦度場(chǎng)是降水產(chǎn)生的重要?jiǎng)恿l件外，垂直上升運(yùn)動(dòng)和水汽條件也是降水產(chǎn)生和得以維持的必不可少的重要?jiǎng)恿蜔崃l件。為此，我們給出垂直運(yùn)動(dòng)和水汽的ISO位相發(fā)展及垂直結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)江流域的演變情況。圖8是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江中下游流域經(jīng)度范圍的30～60天濾波的垂直速度和比濕在各位相的高度—緯向垂直剖面圖。在初始階段的第1位相，長(zhǎng)江及其以南地區(qū)處于大面積干旱和大范圍的下沉運(yùn)動(dòng)階段，到第2位相，30°N附近的長(zhǎng)江流域地區(qū)干旱強(qiáng)度有所減弱，同時(shí)干旱面積向北收縮，下沉運(yùn)動(dòng)也明顯減弱并表現(xiàn)出略微北移的特征，同時(shí)注意到，長(zhǎng)江以南地區(qū)的邊界層出現(xiàn)少許水汽（圖8，第2位相）。第3位相，下沉運(yùn)動(dòng)和水汽負(fù)異常繼續(xù)向長(zhǎng)江以北移動(dòng)，此時(shí)長(zhǎng)江及其以南地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)開(kāi)始增強(qiáng)，并伴隨著充足的水汽從邊界層迅速向高空發(fā)展增加。到長(zhǎng)江流域降水強(qiáng)盛的第4～5位相，長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)迅速增加達(dá)到最大強(qiáng)度，強(qiáng)烈的上升氣流攜帶著大量的水汽繼續(xù)向高空發(fā)展，水汽層次變得深厚，最大的上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在對(duì)流層中層的500 hPa附近，最大的比濕分布在700～850 hPa，此時(shí)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)與豐富的水汽覆蓋了中國(guó)東部長(zhǎng)江中下游及其以南的大部分地區(qū)，配合低空輻合高空輻散的動(dòng)力條件，引起該時(shí)段長(zhǎng)江流域持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生。在ISO降水的減弱階段（第6、7、8位相），長(zhǎng)江地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，水汽層變得淺薄，并向北傳播，該地區(qū)的降水逐漸減少直到停止。

圖8 經(jīng)過(guò)（110°～120°E）剖面的30～60天濾波的比濕（陰影，單位：g kg?1）和垂直運(yùn)動(dòng)（箭頭，單位：10?2 Pa s?1）的位相合成演變

5 總結(jié)和討論

1998年夏季發(fā)生在我國(guó)東部長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)的持續(xù)性強(qiáng)降水具有顯著的30～60天大氣季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)（ISO）特征，長(zhǎng)江中下游以南地區(qū)最大的降水正距平和最強(qiáng)的ISO活動(dòng)區(qū)域重合，說(shuō)明1998年夏季長(zhǎng)江地區(qū)的強(qiáng)降水對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)的ISO活動(dòng)。

通過(guò)分析1998年夏季長(zhǎng)江地區(qū)強(qiáng)降水期間30～60天ISO降水的位相合成演變圖，詳細(xì)描述了東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)ISO降水的發(fā)生、發(fā)展演變等循環(huán)過(guò)程的時(shí)空分布特征，從ISO位相的發(fā)展演變等三維結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)江中下游流域強(qiáng)降水的產(chǎn)生和維持進(jìn)行了分析。在環(huán)流場(chǎng)上，對(duì)流層低層的低頻氣旋和反氣旋環(huán)流表現(xiàn)出交替從熱帶西北太平洋向西偏北方向移動(dòng)發(fā)展并增強(qiáng)的特征。當(dāng)中國(guó)大陸東部地區(qū)上空是弱的反氣旋環(huán)流，以東的西北太平洋洋面上是氣旋環(huán)流時(shí)，長(zhǎng)江中下游及其以南地區(qū)處于季節(jié)內(nèi)振蕩降水的間歇期，即最大干位相階段；隨著時(shí)間的推移，當(dāng)向西移動(dòng)的氣旋環(huán)流到達(dá)中國(guó)東部地區(qū)上空時(shí)，西北太平洋上的反氣旋環(huán)流開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，我國(guó)東部地區(qū)正好位于氣旋環(huán)流西南側(cè)的東北風(fēng)異常和西北太平洋上向西移動(dòng)的反氣旋環(huán)流西北側(cè)的西南風(fēng)異常環(huán)流匯合處的下方，引起長(zhǎng)江流域持續(xù)性降水的發(fā)生。

從ISO的垂直結(jié)構(gòu)演變來(lái)看，長(zhǎng)江流域地區(qū)水汽伴隨上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)從邊界層向高空擴(kuò)展，對(duì)流層低層正渦度以及低層輻合高層輻散的低頻環(huán)境場(chǎng)配置有利于該地區(qū)水汽的輻合加深，深厚的水汽層與強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)為1998年夏季長(zhǎng)江流域持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生和維持創(chuàng)造了更為有利的動(dòng)力和熱力條件。本文主要分析和討論了夏季發(fā)生在長(zhǎng)江流域的一個(gè)典型降水異常偏多年ISO的三維結(jié)構(gòu)演變特征，而對(duì)于該地區(qū)降水偏多的其他年份或是干旱少雨年，ISO周期有何變化，以及對(duì)應(yīng)此周期的季節(jié)內(nèi)振蕩三維結(jié)構(gòu)是否仍然遵循本文總結(jié)出的演變特征和規(guī)律，需要進(jìn)一步進(jìn)行分析，此外ISO活動(dòng)通過(guò)何種物理機(jī)制來(lái)影響長(zhǎng)江流域地區(qū)的降水，是重點(diǎn)需要研究的內(nèi)容。

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Structure and Evolution Characteristics of Atmospheric Intraseasonal Oscillation and Its Impact on the Summer Rainfall over the Yangtze River Basin in 1998

QI Yanjun1, ZHANG Renhe1, and Tim LI2

1,100081,2

The spatial and temporal structures of intraseasonal oscillation (ISO) associated with the summer rainfall of 1998 over the middle–lower reaches of the Yangtze River basin (YRB) are investigated using China gauge-based daily precipitation analysis data and NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) reanalysis data. It is found that summer rainfall over the YRB exhibits marked ISO activities in 1998. Based on phase-composite analysis, the alternating cyclonic–anticyclonic circulation pattern propagates northwestward from the western North Pacific. A maximum rainfall anomaly occurs over the YRB when an anomalous low-level cyclone appears in situ. An anticyclonic circulation anomaly, with pronounced southwesterlies, appears to the south of the YRB. The vertical motion and specific humidity anomalies associated with ISO exhibit notable northward propagation from the tropics all the way to the latitude of the Yangtze River during the summer of 1998. The enhanced upward motion, low-level vorticity and moisture favor strong precipitation over the YRB.

Summer rainfall in eastern China, Intraseasonal oscillation, Structure and evolution characteristics

10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15107.

1006-9895(2016)03-0451-12

P466

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15107

2015-01-12；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-07-30

齊艷軍，女，1971年出生，副研究員，主要從事亞洲季風(fēng)及季節(jié)內(nèi)振蕩研究。E-mail: qiyj@camscma. cn

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃）2015CB453203、2012CB417205，中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)2015Z001，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41221064

Funded by National Basic Research Program of China (973 Program, Grants 2015CB453203, 2012CB417205), Basic Research Fund of the Chinese Academy of Meteorological Sciences (Grant 2015Z001), National Nature Science Foundation of China (Grant 41221064)

齊艷軍，張人禾，Tim Li. 2016. 1998年夏季長(zhǎng)江流域大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的結(jié)構(gòu)演變及其對(duì)降水的影響 [J]. 大氣科學(xué), 40 (3): 451-462. Qin Yanjun, Zhang Renhe, Tim Li. 2016. Structure and evolution characteristics of atmospheric intraseasonal oscillation and its impact on the summer rainfall over the Yangtze River basin in 1998 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 451-462,