2014年夏季長江流域降水季節內振蕩的環流分析

湯 暢,吳小飛,毛江玉,張冠舜

（1.成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610225；2.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029）

引言

我國地處東亞季風區，夏季風活動異常往往會導致降水時空分布以及總雨量的異常。特別是我國東部地區，幾乎每年夏季都會發生一系列強降水及暴雨事件，并引發嚴重的洪澇災害，其中持續性暴雨事件所造成人員傷亡和經濟損失尤為嚴重[1-3]。例如，1991年夏季江淮流域發生了3次持續性特大暴雨過程[4]，暴雨期間多數站點的總降水量超過600mm，長江中下游部分地區甚至超過1000mm；1998年夏季長江流域發生了2次持續時間更長的暴雨事件，即“二度梅”[5- 6]，降水量超過同期氣候平均值1～1.5倍，由此引發的嚴重洪澇災害導致約3700人員傷亡和2500億直接經濟損失[7]；2014年夏季，長江中下游及其上游的四川、重慶和貴州等省市也出現了持續性暴雨事件，造成了包括西南地區在內的長江流域大范圍的夏季總降水量異常偏多。因此，有必要探究長江流域這種大范圍階段性強降水事件的成因。

大量研究表明，長江流域階段性強降水事件的發生依賴于大氣環流的季節內振蕩（Intraseasonal Oscillation，以下簡稱ISO）[8- 9]，且多受熱帶和中緯度大氣環流ISO共同作用[6, 9- 10]。東亞夏季風ISO在時間尺度上主要存在10～20d（也稱作10～30d或15～35d）和30～60d這兩種顯著頻率[10-13]。實際上，1991年夏季江淮流域發生的3次持續性強降水事件主要受15～35d時間尺度的大氣ISO調制[4]，而1998年夏季長江流域的“二度梅”則主要受30～60d時間尺度的ISO影響[6]。Li and Mao[10]基于1979～2017年夏季降水資料的研究發現：長江中下游及華南地區夏季降水的季節內變化以10～30d的準雙周振蕩為主，方差貢獻約占10～90d時間尺度ISO總方差的33%；夏季長江中下游降水主要依賴于熱帶和中高緯10～30d大氣環流ISO的協同作用，其中對流層高層準雙周Rossby波列自中高緯度向東南方向的中國東南沿海（長江中下游地區）傳播，而熱帶地區的環流異常ISO自西太平洋向北傳播至菲律賓-南海一帶；長江中下游和菲律賓海形成蹺蹺板對流模式，在長江中下游形成上升支（下沉支），在其南部形成下沉支（上升支），觸發經向的垂直環流圈，該環流圈進一步增強了長江中下游地區的上升運動（下沉運動），形成了10～30d降水異常的濕（干）位相。

亞洲夏季對流層中高層大氣ISO的一個主要特征表現為南亞高壓環流系統中心位置和強度顯著的季節內變化[14-16]。由于南亞高壓是聯結熱帶和中高緯環流的紐帶，因此其強度、范圍或者結構的季節內變化很大程度受到熱帶和中高緯環流異常的強迫[17]，使得東亞和南亞季風區上空的輻散條件和相應的垂直運動發生變化，造成局地降水出現季節內振蕩[6, 10]。夏季青藏高原上空的南亞高壓作為一個強大反氣旋性環流系統，在等熵面位勢渦度（位渦）場上表現為一個顯著的低位渦區[17, 18]，而其北側的中高緯地區則是高位渦區。在以往的研究中，位渦不但被廣泛地應用到極端天氣過程的研究中[19-21]，也常用來追蹤中緯度地區與熱帶地區大氣天氣系統的傳播和演變[17, 18, 22]。Ortega等[17]利用370K等熵位渦資料，發現南亞高壓確實存在顯著的10～20d準雙周振蕩，且與對流層低層水汽輸送及對流活動是協同變化的。這事實上與Liu等[16]指出的南亞高壓中心位置“東部型”與“西部型”呈準雙周轉換是一致的。Liu等[16]還指出南亞高壓的季節內東西振蕩與中緯度高層大氣位渦異常向低緯度入侵有關。Ortega等[17]發現與印度地區季節內振蕩降水有關的位渦異常信號實際來自中高緯，南亞高壓北側的位渦異常首先向東傳播至太平洋中部，再沿著高壓東南側的東北氣流向西南傳播進入我國南海，最后經中南半島和孟加拉灣到達印度半島上空。在此基礎上，Zhang等[23]揭示了青藏高原東側位渦異常以及南亞高壓準雙周振蕩對2016年夏季我國長江中下游地區季節內降水的影響。因此，從對流層高層位渦異常的角度來探究東亞夏季風的季節內振蕩，可以更清楚地揭示長江流域階段性強降水事件有關的ISO成因。2014年夏季長江流域降水也呈現出顯著的季節內振蕩，其中幾次強降水事件的干濕期振蕩與10～20d時間尺度的ISO密切相關。因此，有必要進一步探究與2014年夏季長江流域準雙周降水有關的物理過程。

考慮到Ortega等[17]僅僅分析了高空370K位渦異常信號沿著南亞高壓南側向西傳播對印度降水準雙周的影響，而沒有研究其對東亞天氣異常的影響。鑒于2014年夏季我國長江流域發生的準雙周強降水過程，本文以此開展個例分析，從中緯度位渦異常南侵而改變南亞高壓結構的角度，揭示長江流域大范圍降水季節內振蕩的特征和演變規律，從而認識準雙周強降水事件的成因，為強降水事件的延伸期預測提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料

本文使用的資料包括：（1）基于2416個中國地面氣象臺站逐日觀測資料，通過“距平逼近”方法空間插值建立的一套逐日格點降水數據集CN05.1[24]，其水平分辨率為0.25°×0.25°，時間范圍為1961～2017年，該資料已被廣泛用于季節內振蕩等氣候研究領域[10, 25]；（2）美國國家航空和宇宙航行局（NASA）提供的MERRA-2逐日環流再分析資料[26]，包括等壓面層上的位渦、溫度場、三維風場、比濕等，其水平分辨率為0.625°×0.5°，垂直范圍從0.1～1000hPa。為了更好地追蹤位渦異常的準雙周振蕩，本文將等壓面上的位渦資料線性插值到等熵面（等位溫面）上[27]，并選取370K等熵面（與等壓面150hPa近似）作為東亞地區對流層高層位渦場的代表層，以更好地辨別水平位渦在對流層高層的準雙周振蕩演變特征。

1.2 方法

由于2014年長江流域持續性降水事件主要發生在5～9月，因此本文中夏季特指5～9月這一時段。文中采用降水距平百分率（D）作為2014年夏季降水異常的指標，其計算公式為：

其中P為2014年5～9月總降水量，P為1961～2017年同時期的氣候平均降水量。

小波變換是一種常用的時間-頻率信號分析方法，相對于Fourier變換，其優勢在于能夠同時表征時域和頻域的局部化性質[28]。由于小波變換采用逐步精細的時域和頻域取樣，從而可以清楚地反映時間序列的頻率隨時間的變化特征，因此被廣泛用于天氣氣候變率分析中，例如季節內振蕩信號提取[12, 29- 30]。為 了準確地識別出長江流域降水季節內振蕩的主導周期，本文對2014年5～9月長江流域區域平均的逐日降水時間序列進行小波分析。小波母函數的選取對小波變換的結果有重要影響，需要根據具體問題決定。考慮到長江流域日降水時間序列具有階段性突變特征，因此參考前人研究[23, 30]，使用高斯函數六階導數形式（sixth-order derivative of a Gaussian function）作為小波母函數。

為了獲取2014年夏季降水的ISO相關異常周期信號，具體操作步驟為：（1）2014年夏季逐日降水資料減去1961～2017年氣候平均的逐日降水以得到2014年夏季逐日降水距平序列。（2）使用10～20d的Lanczos帶通濾波器[31]對逐日降水距平時間序列進行濾波處理，以提取準雙周振蕩信號；對其它相關物理量也進行同樣的處理，如位渦和風場。（3）針對10～20d濾波后的降水異常時間序列，以1個標準差為閾值，挑選出振幅大于閾值的顯著準雙周振蕩循環。（4）參考Mao and Chan[12]的做法，將每個循環分為8個位相，再進行位相合成分析；位相1表示從干位相到濕位相的過渡，位相3（波峰）是極端濕位相，位相5表示從濕位相到干位相的過渡，位相7（波谷）是極端干位相，第2、4、6和8位相表示振蕩達到極端位相最大值或最小值一半的時間；位相合成中，如無特別說明，所有物理量均為經過10～20d帶通濾波的低頻分量。（5）對于位相合成后的異常要素場，采用雙總體Studentt檢驗進行顯著性檢驗[32]。

本文在計算氣壓層單層水汽條件時所采用的水汽通量（FH）和水汽通量散度（DH）[33]計算公式分別為：

其中q表示比濕，單位為g/kg；V表示風矢量，單位為m/s；g表示重力加速度，單位為m/s2。因此，氣壓層單層的水汽通量FH單位 為g·m-1·Pa-1·s-1,水汽通量散度DH的單位為g·m-2·Pa-1·s-1。

2 2014年長江流域降水的準雙周振蕩特征

圖1a為2014年我國東南部夏季降水總量的距平百分率和經過10～20d濾波的降水標準差的空間分布。長江流域包括其上游的重慶、貴州和四川東部，大部分地區降水距平百分率超過20%，部分地區甚至超過40%。同時，經10～20d濾波后的降水標準差大值區同樣集中在長江流域，部分地區超過5mm/d。可見，2014年夏季包括重慶、貴州和四川東部在內的長江流域大范圍均出現降水異常偏多，且具有10～20d準雙周振蕩特征。因此，本文選取降水距平大值區與標準差大值區的重合部分（如圖1a中的紅色矩形所示，范圍是25°～32°N、 104°～120°E）作為該研究的關鍵區，簡稱為長江流域（后文附圖中紅框均為此區域），并將區域平均的逐日降水異常定義為降水異常指數，來進一步研究2014年夏季長江流域降水的季節內振蕩特征。

由圖1b可見，2014年夏季長江流域降水呈現出顯著干、濕交替的演變特征，其中濕期的降水量明顯大于相鄰的干期。小波分析結果（圖2）顯示，在季節內時間尺度范圍，降水異常時間序列最顯著的周期為10～20d，可見2014年夏季長江流域降水異常確實存在10～20d的準雙周振蕩特征。為了提取降水的準雙周振蕩低頻信號，本文對異常降水指數進行了10～20d濾波。根據Mao and Chan[12]定義的判據，以濾波后異常振幅超過一個標準差為閾值，選出了7個最顯著的準雙周過程，分別為：5月19～30日、5月31日～6月13日、6月16～29日、6月30日～7月9日、7月10～23日、8月27日～9月10日和9月12～25日，如圖1b中的E1～E7所示。再運用前文所述的位相合成方法，對這7個過程進行位相合成分析，以研究準雙周振蕩降水及其相關環流的演變特征。

圖1 （a）2014年夏季降水總量距平百分率和10～20d濾波的低頻降水標準差（等值線表示降水距平百分率，單位：%；填色區表示低頻降水標準差，單位：mm/d；紅框表示長江流域關鍵區；藍色曲線表示長江和黃河），（b）長江流域區域平均的降水異常及10～20d濾波的低頻降水序列（黑色實線表示降水異常，藍色實線表示低頻降水，橙色虛線為低頻降水序列異常振幅為1個標準差的標識線，E1～E7為顯著準雙周過程，數字1～8代表準雙周振蕩的8個位相）

圖2 2014年夏季長江流域區域平均降水序列的小波分析（實（虛）線表示正（負）值，陰影表示譜系數通過95%置信度的紅噪聲檢驗，粗虛線以外的區域受邊緣效應的影響）

圖3為基于準雙周振蕩位相合成的低頻降水異常演變圖。在位相1（圖3a），四川東北部首先出現較弱的降水正異常，此外長江流域大部分地區為降水負異常；到達位相2（圖3b）時，降水正異常向南擴展到幾乎整個長江流域，同時在長江上游和下游分別出現了一個降水異常的大值中心，強度超過2mm/d；進一步發展至極端濕位相（圖3c）時，整個長江流域均出現了顯著的降水正異常，且大部分地區降水正異常超過4mm/d；隨后，在位相4（圖3d），長江以北開始出現了降水負異常，但西南地區的正異常降水仍很好地維持；位相5～8（圖3e～h）的演變基本與位相1～4相反，但長江流域降水呈負異常，對應準雙周降水干位相。

3 準雙周振蕩降水相關的位渦分析

3.1 中緯度波列和副熱帶高壓對中低層環流的影響

眾所周知，對流層低層的水汽輸送和散度條件對降水具有重要影響，而我國處于東亞季風區，對流層中層500hPa西北太平洋副熱帶高壓（副高）的位置對長江流域雨帶位置有著重要的指示作用。因此，本節將首先分析對流層中低層環流異常對長江流域降水準雙周振蕩的影響。夏季副高位置通常用500hPa高度層上的5880或5870gpm等位勢高度線來表示。在位相1（圖4a），5870gpm等位勢高度線向西延伸至100°E附近，受副高西伸影響，我國東南部及西北太平洋上空為異常反氣旋性環流，而長江以北、青藏高原以東及以北上空為中緯度異常氣旋性環流，二者呈西北-東南向偶極型分布，長江流域恰好受二者之間的偏西風異常氣流控制。因此，在對流層低層850hPa建立了一條自南海向長江流域到西北太平洋的暖濕帶（圖5a）。到了位相2（圖4b），對流層中層中緯度氣旋異常向東南移動，5870gpm等高線和反氣旋異常均開始向東南延伸，長江流域上空變為西南風異常。西南風異常更有利于自南海向長江流域的水汽輸送，低空的西南水汽通量異常與中緯度的西北風異常在長江流域西部匯合，導致長江流域出現明顯的水汽輻合區（圖5b）。在極端濕位相3（圖4c），對流層中層中緯度異常氣旋繼續向南移動，其南側此時位于長江流域上空；而副高繼續向東南延伸至我國東南沿海上空，西太平洋異常反氣旋緯向范圍受異常氣旋南移擠壓影響變得狹窄，在我國東南沿海地區及鄰近海域上空呈西南-東北走向分布，對流層低層西南水汽通量異常增強，更多的水汽被輸送至長江流域（圖5c）。此時，中緯度異常氣旋的偏北風異常與西北太平洋異常反氣旋的西南風異常恰好在長江流域上空匯合，導致低層水汽輻合加強（圖5c），進而引發大范圍強烈的異常上升運動（圖4c），有利于強降水的發生（圖3c）。同時，西北太平洋下沉運動也顯著加強，通過補償效應進一步加強和維持長江流域的異常上升運動，長江流域垂直速可達-6×10-2Pa/s，有利于持續性強降水發生。

在位相4（圖4d），對流層中層中緯度異常氣旋繼續南移，而西北太平洋異常反氣旋已經消亡，因此中國東部西南方向的水汽帶有所削弱（圖5d），此時菲律賓以東洋面開始出現氣旋性異常環流。西北太平洋異常反氣旋消亡造成西太平洋補償性下沉運動減弱，因此長江流域的上升運動和水汽輻合開始減弱（圖4d和圖5d），降水強度隨之減弱（圖3d）。位相5～8（圖4e～h）的環流情況與位相1～4（圖4a～d）基本相反，500hPa副高位置異常東撤，在850hPa西太平洋上表現為異常氣旋，異常氣旋北側的的東北向水汽通量異常，而500hPa長江流域北部中緯度異常反氣旋向東南移動，因此在長江流域上空造成明顯的輻散，且受下沉運動的控制。中國東部與西太平洋表現出顯著的斜壓散度，通過補償效應在長江流域低層激發出強烈的水汽輻散（圖5e～h），長江流域降水轉為干位相。

圖3 2014年夏季準雙周振蕩位相合成的10～20d濾波的低頻降水異常（a～h.第1～8位相，單位：mm/d；藍色曲線表示長江和黃河；加點區域表示降水異常通過95%的置信度檢驗）

圖5 2014年夏季準雙周振蕩位相合成的10～20d濾波的的850hPa水汽通量和水汽通量散度異常（矢量表示水汽通量異常，單位：g·m-1·Pa-1·s-1；填色表示水汽通量散度異常，單位：10-6 g·m-2·Pa-1·s-1；藍色曲線表示長江和黃河；黑色矢量代表水汽通量異常至少有一個分量通過95%的置信度檢驗；加點區域表示水汽通量散度異常通過95%的置信度檢驗）

3.2 對流層高層位渦異常對環流的影響

針對準雙周環流異常的研究，前人更多地聚焦在對流層低層環流對高層環流的影響。而Ortega等[17]指出，夏季南亞高壓這一對流層高層行星尺度系統的準雙周振蕩會對低層環流產生影響。但Ortega等[17]僅討論了與南亞高壓相關的370K位渦異常對印度地區水汽輸送和對流發展的影響，并未分析位渦異常對東亞地區異常天氣的影響。因此，有必要通過準雙周位渦的演變，探究對流層高層位渦振蕩在東亞地區準雙周降水中的調制作用，進而更好地理解長江流域降水準雙周振蕩的形成及演變機制。

為了追蹤對流層高層位渦系統的準雙周振蕩信號，圖6給出了370K等熵面上低頻位渦異常的合成演變。370K等熵面在對流層中的高度大致相當于150hPa等壓面，而150hPa高度層恰好對應南亞高壓系統中心位置的高度，以及長江流域上空最顯著的位渦異常信號（圖7），因此本文選取370K等熵面作為高空位渦的代表層。在位相1（圖6a），南亞高壓北側中緯度地區存在著一組正、負位渦異常交替排列的波列，此時長江流域西北側受該波列中的正位渦異常控制，其異常中心強度可達1PVU；在該異常正位渦（氣旋性）的影響下，14340gpm特征線表征的南亞高壓緯向位置偏南；同時可以觀察到在該中緯度正位渦異常的上游地區有一個強度相當的異常負位渦中心，以往的研究[10]指出該波列源區可以追溯到大西洋北部。在位相2（圖6b），中緯度位渦異常波列向東傳播，而南亞高壓東側西北太平洋上空也存在著強度較弱且不連續的正渦度異常，自位相1（圖6a）到位相2（圖6b）開始顯著增強，導致南亞高壓經向范圍向西回縮。到了極端濕位相3（圖6c），中緯度氣旋性位渦異常到達長江流域以北上空，同時西太平洋菲律賓海的正位渦異常范圍在南亞高壓東側顯著擴大，自中緯度到低緯度呈東北-西南向分布；該正位渦異常限制了南亞高壓的緯向范圍和強度，此時表征南亞高壓主體范圍的14340gpm等位勢高度線西撤至臺灣上空，與中緯度位渦正異常中心共同形成“馬鞍型”的環流分布；中緯度異常氣旋東側的西南氣流和南亞高壓東南側異常西北氣流在長江流域高空形成了類似于“喇叭口”的輻散氣流，進而引發強烈的垂直上升運動（圖4c），有利于長江流域降水發生（圖3c）。在位相4（圖6d），伴隨著中緯度異常氣旋開始減弱并繼續東移，長江流域高空輻散開始減弱，降水同時減弱；在中緯度上游巴爾喀什湖的異常反氣旋開始發展，導致南亞高壓范圍顯著北抬。同樣，從位相5到位相8的環流演變（圖6e～h）與位相1～4（圖6a～d）基本相反，表現為長江流域關鍵區北部被原來中緯度上游異常反氣旋位渦東移所替代，高空形成輻合氣流，伴隨著下沉運動（圖4e～h），長江流域產生降水負異常（圖3e～h）。此外，相較于濕位相（圖6c），干位相中（圖6g）由于中緯度負位渦的存在，表征南亞高壓主體范圍的14340gpm等位勢高度線有明顯向北伸展的趨勢，同時在南亞高壓東西兩側受反氣旋性位渦異常影響，有利于南亞高壓的東西向延伸，東側可達150°E，西側可達20°E，說明南亞高壓結構變化存在著顯著的準雙周振蕩特征。在準雙周尺度范圍內，中緯度位渦異常一部分進入西北太平洋，途經日本海、西太平洋，在洋面上發生Rossby波破碎；另一部分沿南亞高壓邊緣反氣旋東北向氣流出現在南海、菲律賓及孟加拉灣沿岸，繼而在熱帶低緯度向西傳播，到達南亞高壓西部轉而向北傳播，最后回到中緯度波列中。在南亞高壓反氣旋性環流的大背景下，當準雙周異常位渦傳播至關鍵區高空時，散度條件發生變化，最終導致局地降水出現準雙周振蕩。

圖4 2014年夏季準雙周振蕩位相合成的10～20d濾波的500hPa垂直速度和風場異常（填色表示垂直速度異常，單位：10-2Pa/s；矢量表示風場異常，單位：m/s；綠色實線表示未濾波的5870gpm等位勢高度線；藍色曲線表示長江和黃河；加點區域表示垂直速度異常通過95%的置信度檢驗；黑色箭頭表示風速異常至少一個分量通過95%的置信度檢驗）

圖6 2014年夏季準雙周降水事件位相合成的10～20d濾波的370K位渦和150hPa風場異常（填色表示位渦異常，單位：PVU；矢量表示風場異常，單位：m/s；藍色虛線表示150hPa上未濾波的14310gpm、14340gpm和14370gpm等位勢高度線；黃色曲線表示長江和黃河；加點區域表示位渦異常通過95%的置信度檢驗；黑色矢量表示風場異常至少有一個分量通過95%的置信度檢驗）

3.3 對流層高層位渦異常對垂直環流的強迫作用

垂直上升運動是降水發生的重要條件，因此本節將進一步分析長江流域對流層高層位渦異常對垂直環流的強迫作用。Popovic and Plumb[18]指出，位渦異常脫落現象的垂直影響范圍較為淺薄，主要局限于對流層400hPa以上至對流層頂。Zhu and Mao[25]定義了平流層區域位渦下侵指數，分析指出在高（低）指數年，位渦異常向下侵入到對流層300hPa附近時會在低層強迫出異常氣旋（反氣旋），從而將高層位渦強迫與低層異常環流聯系在一起。

圖7給出了2014年夏季準雙周降水事件位相合成的位渦和風場異常沿降水關鍵區（104°～120°E）平均的緯度-氣壓垂直剖面。為了簡明起見，圖7只重點顯示了準雙周期間的過渡位相（位相1、5）和極端位相（位相3、7）。在過渡位相1（圖7a），中緯度地區250hPa以上存在一個強度較弱的位渦正異常，高層水平風場表現為較為一致的南風異常，此時中緯度正位渦異常中心位于關鍵區剖面的西側（如圖6a）。隨著中緯度波列的東移，對流層高層的氣旋性位渦異常逐漸加強。到了極端濕位相3（圖7b），150hPa高度附近的異常位渦中心強度可達0.6PVU；隨著中緯度地區的氣旋性異常加強，南亞高壓經向收縮且位置偏南，25°～30°N范圍內的長江流域對流層高層為負位渦異常的輻散氣流，有利于長江流域上空出現整層一致的上升運動（圖7b）。同時對流層低層盛行偏南氣流，將水汽從南海輸送至長江流域，最終導致長江流域的濕位相（圖3c）。此外，長江流域的上升氣流與15°N以南的南海上空的下沉氣流形成一個明顯的經向垂直環流系統，該垂直環流系統可進一步維持長江流域異常降水過程。到了位相5（圖7c），中緯度反氣旋異常向東發展（圖6e），對流層高層北部表現為弱的負位渦異常，因此中緯度波列中的位渦正異常減弱南移，30°N附近的上升運動受到抑制，降水減弱（圖3e）。最后，隨著負位渦在中緯度高層東移加強（圖6g），長江流域北部150hPa高層附近受反氣旋位渦異常控制（圖7d），南亞高壓的經向范圍向北擴展（圖6g）；長江流域高層出現異常輻合氣流，而低層受異常輻散控制，氣流下沉，降水減弱（圖3g）。通過質量補償效應，長江流域南側的低緯度洋面上空則出現異常上升運動，形成了與位相1～3方向相反的經向垂直環流系統（圖7d）；在這一反向的經向垂直環流系統的控制下，長江流域降水準雙周振蕩轉換為干位相。

圖7 2014年夏季準雙周降水事件位相合成的10～20d濾波的低頻位渦和風場異常沿104°～120°E平均的緯度-氣壓垂直剖面（a.位相1，b.位相3，c.位相5，d.位相7；填色表示位渦異常，單位：PVU；矢量表示風場異常，經向風單位：m/s；垂直速度擴大了-50倍，單位：Pa/s；虛線表示未濾波的位溫，單位：K；黑色陰影表示地形；加點區域表示位渦異常通過95%的置信度檢驗；黑色矢量表示風場異常至少有一個分量通過95%的置信度檢驗）

為了進一步探究準雙周振蕩的垂直環流結構和干濕位相轉換熱力學機制，圖8給出了2014年夏季準雙周降水事件位相合成的溫度和風場異常沿降水關鍵區（104°～120°E）平均的緯度-氣壓垂直剖面。在位相1（圖8a），30°N以北的溫度異常以150hPa為界，上部為暖異常中心，下部為冷異常中心；在位渦垂直異常場上（圖7），150hPa高度層中緯度恰好對應的位渦異常中心，這種正位渦異常中心下方配合冷異常的溫壓分布結構，反映了中緯度大氣的斜壓性。在極端濕位相3（圖8b），隨著低頻波列位渦槽區的南移加強（圖7b），150hPa以下的冷異常氣團也隨之南移，在槽前對流層低層引導暖空氣上升，使150hPa以下的對流層出現一致的上升運動。上升氣流在長江流域高空輻散，在南海中部下沉，經向垂直環流圈建立。到了位相5（圖8c），對流層150hPa以上出現溫度冷異常，且伴隨著異常偏北風，這種高層冷平流會抑制上升運動的發展，且40°N以北150hPa以下的對流層開始出現異常暖中心，槽后冷空氣受到抑制，該暖中心正好位于反氣旋性位渦異常的正下方（圖7c），這種高層暖脊結構會激發反氣旋性位渦中心的南部產生下沉運動，因此長江流域上升運動隨之減弱。最后，隨著暖性反氣旋環流南移，長江流域下沉運動達到極大值（圖8d），高層氣流在長江流域輻合下沉而在熱帶地區上升，形成了與位相3反向的垂直環流圈，不利于降水發展（圖3g）。

圖8 同圖7，但為溫度和風場異常的緯度-氣壓垂直剖面（填色表示溫度異常，單位：K）

這種熱力與動力結構相耦合的規律可以通過熱成風關系來解釋。在極端濕位相，對流層高層受氣旋性位渦異常控制（圖7b），由于在位渦中心下方的下游盛行偏南風，此時水平溫度異常分布會發生改變：隨著緯度的增加，溫度逐漸升高，即在位渦中心下方會激發出異常冷中心，位渦中心上方則與之相反（圖8b）；最后形成了濕位相上暖下冷的溫度異常分布，氣旋性正位渦中心的上層對應暖中心，等熵面（等位溫面）向下凹，其下層為冷中心，等熵面向上凸，等熵面表現為向位渦中心收縮傾斜（圖7b和圖8b）；當來自低緯度地區的暖空氣沿等熵面上升，與南下冷空氣匯合，容易在中緯度地區觸發異常上升運動。干位相則相反，受對流層高層負位渦中心下方北風氣流影響（圖7d），在負位渦中心下方（上方）形成暖（冷）異常，等熵面向下凹（上凸），不利于對流上升運動發展（圖8d）。

4 結論與討論

本文以2014年為例，基于臺站降水觀測資料和MERRA-2大氣再分析資料，挑選出長江流域夏季（5～9月）降水最顯著的7個準雙周振蕩周期并進行位相合成分析，研究了長江流域夏季降水異常的季節內振蕩特征，分析了對流層中低空環流與水汽條件對長江流域夏季降水準雙周振蕩的貢獻，并重點從位渦角度探究了對流層高層位渦準雙周振蕩異常通過調制南亞高壓結構，進而影響準雙周降水干、濕位相下的散度條件和垂直環流演變的物理過程。主要結論如下：

（1）2014年夏季長江流域，包括其上游重慶、貴州和四川東部地區出現了一系列持續性降水偏多事件，夏季正降水距平百分率超過20%，具有顯著的10～20d準雙周振蕩特征。降水準雙周振蕩演變特征表現為：在過渡位相，降水正（負）異常首先出現在長江流域上游四川東部和重慶等地，隨后向南、向東拓展至整個長江流域且強度增大，形成長江流域極端濕位相（干位相）。

（2）對流層中低層東南向傳播的中緯度波列和副熱帶高壓的準雙周振蕩對長江流域準雙周降水具有重要影響。在濕位相發展過程中，中緯度異常氣旋向東南移動至江淮流域上空，同時副高延伸至東南沿海，與之相關的西北太平洋異常反氣旋在經向被壓縮成東北-西南向的帶狀環流，其西側來自南海的異常暖濕氣流與中緯度異常氣旋東側干冷的偏北氣流在長江流域匯合，形成輻合上升運動，引發長江流域強降水，形成濕位相。之后，副高東撤，菲律賓以東的西北太平洋上空出現異常氣旋，同時中緯度波列的異常反氣旋傳播至長江以北區域，形成向干位相發展的過渡位相。隨后的準雙周干位相發展過程與濕位相基本相反。

（3）對流層高層中緯度位渦異常與長江流域準雙周降水的演變密切相關。在濕（干）階段，當中緯度波列東移過程中正（負）位渦異常移動至長江流域北部，南亞高壓東南部的正（負）位渦異常也在西太平洋向赤道地區發展，對流層高層南亞高壓結構向南（北）向西（東）收縮（擴張），形成“馬鞍型”的環流分布。此時長江流域高空處在輻散（輻合）氣流控制下，激發出強烈上升（下沉）運動，伴隨著低空水汽輻合（輻散），長江流域降水出現極端濕（干）位相。

（4）垂直環流結構上，隨著中緯度波列位渦正異常的東移，極端濕位相在中緯度150hPa附近出現位渦正異常中心，其下方對應冷空氣下沉，進而在正位渦異常前方的長江流域引導出強烈的上升運動，南海地區異常下沉，激發出一個南海-長江流域的經向垂直環流圈。低空南風加強，帶來的南海水汽也隨之增加，有利于降水在長江流域的維持。溫度異常場上，極端濕位相下位渦異常中心的上、下側分別對應溫度暖中心和冷中心，使垂直方向上的等熵面發生變形，同樣有利于垂直運動的發展。因此，在高、低層及垂直環流的共同作用下，長江流域降水出現極端濕位相。干位相高低層垂直演變特征則相反。

值得注意的是，本文以2014年作為夏季中國東部降水研究的代表個例，該年的最大降水距平以及最大準雙周季節內標準差均出現在長江流域。雖然本文證明了2014年夏季長江流域降水準雙周振蕩與對流層高層位渦異常準雙周振蕩相關的南亞高壓存在密切聯系，然而這種準雙周振蕩存在著較為顯著的年際差異，不同年份對流層上層位渦特征及其對降水異常的強迫很可能是不同的。因此，有必要檢查更多的個例，以診斷季節內位渦異常擾動對降水異常振蕩的影響是否在其他年份同樣存在。