熱帶MJO關聯(lián)的低頻主模態(tài)及其與中國東部夏季降水的關系

陳晶 彭英超

摘要 通過對夏季西太平洋到印度洋MJO動能的低頻資料作EOF分解，得到其2個主要模態(tài)，并通過相關回歸等方法分析了熱帶MJO關聯(lián)的低頻主模態(tài)演變特征及其與中國東部夏季降水的關系。結果表明，季節(jié)內(nèi)振蕩動能的低頻第一模態(tài)的主要特征表現(xiàn)為在低緯度到熱帶西太平洋與熱帶印度洋反相變化，且主要的大值荷載中心在西太平洋到印度洋，而第二模態(tài)則表現(xiàn)為熱帶西太平洋地區(qū)西部與東北部中低緯度反相變化特征。正異常對應熱帶西太平洋地區(qū)和印度尼西亞附近地區(qū)的對流上升運動，這2個模態(tài)均與我國東部夏季降水異常有一定的聯(lián)系，MJO異常偏強時，有利于我國東北地區(qū)降水偏多。

關鍵詞 熱帶大氣；MJO；夏季降水；正交分解；相關回歸；中國東部

中圖分類號 P432+.2；P426.61 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）03-0209-04

在20世紀70年代初，美國科學家Madden和Julian發(fā)現(xiàn)了在赤道附近地區(qū)風場及其異常變化存在著時間尺度為40 d左右的準周期振蕩現(xiàn)象[1-2]。其后李崇銀等研究表明，整個熱帶及全球大氣中均存在30～60 d的低頻振蕩，稱為季節(jié)內(nèi)振蕩（Intraseasonal Oscillation，簡稱ISO）。目前此振蕩已被列為世界上重要的大尺度環(huán)流系統(tǒng)之一，此后又將赤道附近的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩稱為Madden Julian Oscillation，即MJO。目前國內(nèi)外學者針對MJO對熱帶及熱帶以外地區(qū)影響的研究較多，在MJO對我國降水的影響方面，已有學者對我國東部春季、冬季的降水影響開展了相關研究[3]，但對我國東部夏季降水影響的相關研究較少。我國東部地區(qū)人口密集，科技文化和經(jīng)濟發(fā)達，同時也是我國較容易發(fā)生旱澇災害的地區(qū)，研究旱澇成因?qū)Ψ罏臏p災具有重要意義。因此，本文將從MJO季節(jié)內(nèi)的異常對流活動來分析研究MJO活動對我國東部夏季降水的影響，并為其監(jiān)測和預測提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文所使用的資料包括NCEP/NCAR提供的再分析月平均海平面氣壓場、位勢高度場和u、v風場等資料（網(wǎng)格密度均為2.5°×2.5°）以及國家氣候中心提供的全國160個站逐月降水數(shù)據(jù)。文中所用數(shù)據(jù)時間長度為1951—2011年，將6—8月的平均數(shù)據(jù)作為夏季平均數(shù)據(jù)，而夏季降水則為6—8月的總降水量。采用Lanzcos濾波器，先對u、v做10～90 d濾波，然后計算動能，再對動能做10～90 d濾波，取月平均值得到低頻部分的動能。

1.2 研究方法

本文使用的研究方法主要有經(jīng)驗正交分解（EOF）、相關分析、回歸分析、合成分析及顯著性檢驗等統(tǒng)計和檢驗方法。

2 結果與分析

2.1 夏季MJO的時空分布特征

將近61年MJO濾波后的逐月夏季MJO動能數(shù)據(jù)進行EOF分解，得到2個主要模態(tài)的MJO時空分布特征（圖1）。其中第一模態(tài)的分布特征主要表現(xiàn)為在120°～140°E的西太平洋地區(qū)一致的變化特征，見圖1（a），其方差貢獻率為18.24%；第二模態(tài)則表現(xiàn)為我國南海地區(qū)與日本以南太平洋海域東西向反相變化特征，見圖1（b），其方差貢獻率為8.65%。

特征向量所對應的時間系數(shù)代表區(qū)域特征向量所表征的分布型隨時間的變化特征，時間系數(shù)的絕對值越大，表明該時段內(nèi)這一分布型越典型。圖2（a）（b）分別給出了MJO 2個模態(tài)所對應的時間系數(shù)序列，從時間系數(shù)變化可以看出，這2個模態(tài)均具有顯著的年際變化特征。第一模態(tài)中，在1951—1958年期間，MJO有連續(xù)的正異常，其后一直為正負異常交替，在1975年有絕對值最大的負異常，就第一模態(tài)時間系數(shù)總體而言，MJO正異常年份相對較多，見圖2（a）。在第二模態(tài)中，以1980年作為時間節(jié)點，1980年前以負異常居多，1980年后以正異常居多，見圖2（b）。1977年、1973年、1990年、2010年的時間系數(shù)絕對值>5，MJO為較典型的負異常，對應空間特征在中國東南部及南海地區(qū)為正距平區(qū)域，而在西北太平洋地區(qū)為反相的負距平區(qū)域。

2.2 夏季MJO對應的熱帶環(huán)流特征

為了得到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動能的低頻主模態(tài)對應的熱帶環(huán)流特征并揭示MJO對我國東部夏季降水的影響，通過計算MJO 2個模態(tài)下的時間系數(shù)與500 hPa垂直風場、850 hPa勢函數(shù)、200 hPa勢函數(shù)的超前相關回歸，與500 hPa流函數(shù)、850 hPa經(jīng)緯向風場的相關回歸，得到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動能的低頻主模態(tài)對應的熱帶環(huán)流特征和東亞環(huán)流的環(huán)流特征，進一步了解MJO異?；顒佑绊憣ξ覈鴸|部夏季降水的影響。現(xiàn)根據(jù)以上分析結果，以2個主要模態(tài)的時間系數(shù)對前期12月至翌年5月逐月的環(huán)流場進行超前相關和回歸分析。

2.2.1 第一模態(tài)。首先以第一模態(tài)的時間系數(shù)與前期冬季和春季逐月的500 hPa垂直速度場進行超前相關和回歸分析，結果如圖3所示。從圖3（a）可以看到，在超前6個月時，在西印度洋、南海和印度尼西亞地區(qū)存在顯著的正相關，即為下沉區(qū)，在印度洋中部有顯著的負異常，為上升運動；從圖3（b）可知，當超前5個月時，在我國東南部和俄羅斯西部地區(qū)存在正相關，做下沉運動，亞洲的中部地區(qū)為負相關，為上升區(qū)；從圖3（c）可知，超前4個月時，在中國東北地區(qū)與孟加拉灣地區(qū)為負相關，做上升運動，西印度洋與亞洲北部地區(qū)正相關，做上升運動；由圖3（d）可知，超前3個月時，我國北部與印度洋西北地區(qū)為負相關，有下沉運動，與西太平洋地區(qū)為正相關，做上升運動；由圖3（f）可知，超前1個月時，集中在西太平洋地區(qū)的正相關對應上升運動，其兩側地區(qū)為下沉運動。

圖4給出了第一模態(tài)下MJO時間系數(shù)和200 hPa勢函數(shù)的超前相關。由圖4（a）可知，當超前6個月時，在非洲和亞歐西部地區(qū)有著顯著性的正相關，相關度可達到4，對應為上升運動的輻散區(qū)，在日本東南部的西北太平洋地區(qū)有負相關，為輻合運動；由圖4（b）可知，當超前5個月時，在西太印度洋有較好的正相關，對應上升運動的輻散區(qū)；超前1個月時，整個東亞地區(qū)為大面積的負相關，其中亞洲西部和阿拉伯海地區(qū)的負相關最為顯著，結合第一模態(tài)的垂直風場得到在印度尼西亞地區(qū)上升輻散區(qū)。

200 hPa的勢函數(shù)分析了高空對應的運動特征，圖5給出了第一模態(tài)下MJO時間系數(shù)與850 hPa勢函數(shù)的超前相關以分析對應的低空環(huán)流特征。由圖5（a）可知，當超前6個月時，在非洲地區(qū)為負相關，上升運動對應的低空輻合區(qū)；由圖5（b）可知，當超前3個月時，在歐洲地區(qū)有著顯著的正相關，為上升運動的低層輻合區(qū)，在西太平洋地區(qū)為負相關，為下沉運動的輻散區(qū)。第二模態(tài)在超前4～6個月時其相關性不顯著，可以得出，在東印度洋地區(qū)有顯著的正相關，對應為下沉運動輻散區(qū)。

綜合以上環(huán)流特征的分析可看出，MJO的第一模態(tài)環(huán)流特征較為顯著，其模態(tài)的主要特征表現(xiàn)為在熱帶西太平洋地區(qū)和印度尼西亞附近地區(qū)的熱帶對流活動強烈，做上升運動并釋放大量的潛熱，低層熱帶強烈對流的動能通過上升運動造成大氣環(huán)流異常，進而影響天氣氣候變化[4]。

2.2.2 第二模態(tài)。第二模態(tài)時間系數(shù)與500 hPa垂直風場的超前相關性研究與第一模態(tài)方式相同。經(jīng)研究后再結合第一、二模態(tài)的垂直運動分析，在印度尼西亞地區(qū)與西太平洋地區(qū)正相關對應的上升運動及其兩側負相關對應的下沉運動顯示出熱帶洋面上的MJO在緯向與沃克環(huán)流有密切的關系。

2.3 MJO與我國夏季降水的關系

已有研究表明，MJO活動對我國夏季降水變化有一定的影響，熱帶對流活動從熱帶印度洋向西太平洋移動過程中，西太平洋副熱帶高壓和垂直運動變化，從而影響中國東部夏季降水。我國最容易發(fā)生降水的季節(jié)為夏季，而我國東部地區(qū)的降水率占全國的大部分比例。為了分析我國東部地區(qū)降水異常與MJO低頻活動之間的聯(lián)系，以其2個主要模態(tài)的時間系數(shù)與我國夏季降水作相關分析，結果如圖6所示?？梢钥闯觯谝荒B(tài)與我國東北地區(qū)的夏季降水有較為顯著的正相關關系，即該模態(tài)MJO活動偏強時，有利于該地區(qū)的降水偏多。同時，第二模態(tài)與我國東北地區(qū)的降水也成正相關關系[5]。

從以上對夏季降水的相關分析可以看出，MJO的活動異常對我國東部的降水有一定的調(diào)控作用，其活動偏強時，均可以造成我國東北地區(qū)的降水異常偏多。

為了進一步分析MJO對夏季降水的影響，分別以2個模態(tài)的時間系數(shù)與同期夏季的500 hPa流函數(shù)場及850 hPa風場進行相關分析和回歸分析，結果如圖7所示。對于第一模態(tài)，MJO活動偏強時，中南半島的負異常有利于印緬槽加強，這從其與印緬槽指數(shù)的關系也可以看出，2個指數(shù)相關系數(shù)為0.76；而第二模態(tài)的時間系數(shù)與印緬槽則為負相關關系，相關系數(shù)為-0.24。此外，從850 hPa風場也可以看出，我國西南地區(qū)及東部地區(qū)均為顯著的南風異常。因此，在這種環(huán)流配置影響下，偏南風氣流可以將來自孟加拉灣及太平洋上的水汽輸送到我國大陸，有利于我國降水異常偏多。

3 結論與討論

通過對熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩能量EOF分析以及與東亞環(huán)流的相關分析可以歸納出以下結論。

（1）本文通過對夏季西太平洋到印度洋MJO動能的低頻資料作EOF分解，得到2個主要模態(tài)，分析得到熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動能的低頻第一模態(tài)的主要特征，表現(xiàn)為在低緯度到熱帶西太平洋與熱帶印度洋反相變化，且主要大值荷載中心在西太平洋到印度洋；而第二模態(tài)則表現(xiàn)為熱帶西太平洋地區(qū)西部與東北部中低緯度反相變化特征。熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩動能的低頻MJO的第一模態(tài)環(huán)流特征較為顯著。

（2）MJO與我國東部夏季降水異常有一定關系，MJO時間系數(shù)與降水有顯著正相關（>0.25），而在長江中下游地區(qū)MJO時間系數(shù)與降水為顯著負異常（>-0.25），不利于長江中下游地區(qū)的降水。當MJO的主要對流活動在赤道印度洋時，西北太平洋副高位置偏西，同時中國東南部地區(qū)的垂直上升運動增強，有利于降水，MJO可以通過低層的西風急流的波導效應影響我國東北部地區(qū)，造成該地區(qū)降水偏多。而當MJO的對流活動中心移動到西太平洋地區(qū)時，可造成經(jīng)向環(huán)流的上升支向北偏移，則西北太平洋的副高位置偏東，中國東南部地區(qū)的垂直上升運動減弱，不利于降水的發(fā)生，降水減少。

（3）正異常對應熱帶西太平洋地區(qū)和印度尼西亞附近地區(qū)的對流上升運動，這2個模態(tài)均與我國東部夏季降水異常有一定的聯(lián)系，MJO異常偏強時，有利于我國東北地區(qū)降水偏多。

（4）MJO是熱帶大氣的重要系統(tǒng)，其活動和異常對天氣和氣候變化均有顯著影響。對MJO活動的影響及其機理進行深入研究，并將結果應用到實際預測預報業(yè)務中，對提高延伸期的天氣預報和短期氣候預測具有重要作用。

4 參考文獻

[1] MDDEN R A，JULIAN P R.Detection of a 40-50 day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific[J].J AtmosSci，1971，28：702-708.

[2] MADDEN R A，JULIAN P R.Description of global-scale circulation cells in the tropics with a 40-50 day period[J].J AtmosSci，1972，29：1109-1123.

[3] 白旭旭，李崇銀，譚言科，等.MJO對我國東部春季降水影響的分析[J].熱帶氣象學報，2011，27（6）：814-822.

[4] 陳隆勛，朱乾根，羅會邦.東亞季風[M].北京：氣象出版社，1991.

[5] 何金海.亞洲季風研究的新進展[M].北京：氣象出版社，1996.