2019年2—3月中國南方持續性降水成因及其與MJO的關系*

李力鋒 陳 雄 李崇銀,2 黎 鑫 林毅鑫 楊明浩

1 國防科技大學氣象海洋學院，長沙 410073 2 中國科學院大氣物理研究所大氣科學與地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029 3 中國人民解放軍94755部隊，福建漳州 363000

提 要： 基于再分析資料揭示了2019年2—3月中國南方持續性降水事件的成因及其與Madden-Julian Oscillation(MJO)的關系。此次持續性降水事件可以分為兩個階段：第一階段降水覆蓋了整個南方地區，第二階段降水主要出現在華南地區，且降水強度比第一階段更強。大尺度環流分析表明，此次降水事件中，中國南方和西太平洋的位勢高度異常呈現出西低東高的形勢，有利于南方地區出現偏南氣流和水汽輻合。在第一階段，整個南方地區都出現明顯的水汽輻合和上升運動；而第二階段，僅在華南地區出現顯著的水汽輻合和上升運動。水汽收支診斷分析發現兩個階段中的水汽通量散度異常主要是經向水汽輻合所導致，它對水汽通量散度的貢獻率達到70%以上。通過對比分析降水和MJO活動演變，發現降水的變化與MJO位相和振幅的演變有著緊密的聯系。當MJO振幅明顯增強(減弱)時，南方地區的降水異常顯著增加(減少)。經向水汽輻合的尺度分析表明，低頻尺度(大于90 d)和季節內尺度(30～90 d)的水汽和環流的相互作用對經向水汽輻合起到決定性作用，尤其是季節內經向風對大于90 d低頻水汽的輻合。因此，熱帶地區MJO的活動可通過調節季節內經向風對低頻水汽的輸送，從而對此次南方地區的持續性降水事件產生重要影響。

引 言

冬季中國受東亞冬季風的影響，盛行偏北風，冬季降水量相比夏季明顯偏少(Li and Ma,2012;姚世博等,2017)。但是，中國冬季的降水異常仍能對農業生產、國民經濟和人民安全產生重要的影響，特別是冬季持續性的雨雪天氣，例如2008年冰凍雨雪災害(陶詩言和衛捷,2008;Zhou et al,2009;Wu et al,2011)和2009年大范圍雨雪天氣(Jia and Liang,2013)，這兩次異常降水事件都造成了數以億計的經濟損失和幾千萬人受災。鑒于中國南方在農業、水資源管理和防災減災方面面臨的挑戰，近年來冬季降水的變化已經引起了社會和國家的廣泛關注。

在季節內尺度上，Madden-Julian Oscillation(MJO)對中國冬季降水有著重要影響(Jia et al,2011;馮俊陽和肖子牛，2012;吳俊杰等,2009;吳捷等,2018)。MJO是熱帶大氣季節內變化的最主要的信號，它是大尺度東傳的熱帶對流 (Madden and Julian,1971;1972;李崇銀等,2014;2016)。MJO一般從熱帶印度洋生成，然后緩慢東傳至中太平洋附近消亡，其東傳的周期約為30～90 d(Madden and Julian,1994;Zhang,2013)。由于中國的降水主要集中在夏季，以往大部分的研究都關注于MJO與中國夏季降水的關系(林愛蘭等,2013;李永華等,2016;沈雨等,2016;郝立生等,2021;紀忠萍等,2021)。而相比夏季，冬季的MJO活動更強，對中國降水的影響更顯著。

隨著MJO系統性東傳的演變，中國東南地區的降水經歷了長江流域多雨、整個南方多雨、華南多雨而長江流域少雨的演變過程(劉冬晴和楊修群,2010;Chen et al,2020)。MJO的位置、強度和演變都能對中國降水產生不同的影響(牛法寶等,2013;何潔琳等,2019)。許多研究分析了MJO不同位置對中國降水的影響，發現當冬季MJO位于印度洋時，中國東南地區的降水顯著增加，而當MJO活躍于西太平洋時，中國東南地區的降水顯著減少(Jia et al,2011)。并且MJO分別位于印度洋和西太平洋引起東南地區的降水差異能達到3～4 mm·d-1，這個值相當于冬季氣候態的降水(Jeong et al,2008)。通過對季節內降水使用EOF分解，Yao et al(2015) 指出主導中國冬季降水的主要兩個模態分別與MJO的第3位相和第5位相有著緊密的聯系。MJO對冬季持續性強降水也有一定的調制作用，當MJO對流活躍于印度洋地區時，其引發的水汽通量異常造成華南持續性強降水增加；而當MJO對流活躍于西太平洋時，長江流域持續性強降水顯示出正異常 (Liu and Hsu,2019)。MJO主要通過兩種方式來影響中高緯度的天氣氣候。第一，與MJO相關的熱帶對流通過局地動力機制直接影響熱帶外的環流(Hong and Li,2009;Zhang et al,2009)。第二，MJO能夠作為熱帶非絕熱加熱源來激發Rossby波列來間接調節中高緯的環流，當Rossby波列傳播到中高緯度時，它能夠調節中高緯度環流，進而來影響熱帶外的天氣氣候(Matthews et al,2004;Song and Wu,2019;Zheng and Chang,2019；崔靜等，2021)。從2019年2月初開始，中國南方地區出現了持續約一個半月的降水異常，尤其是從2月中旬到3月上旬(圖1)。導致如此長時間的降水異常的原因是什么？Wang et al(2020)研究發現高緯準定常波的出現和西太平洋副熱帶高壓的發展，是導致長江流域持續性降水事件發生的主要原因。圖1展示了2019年2月1日至3月15日中國南方地區逐日降水和低頻降水，明顯可以看到南方地區的降水呈季節內特征，低頻降水出現兩個波峰，這表明大氣季節內振蕩可能存在一定的作用。本文將圍繞此次南方持續性降水異常的成因及其與大氣季節內振蕩的關系展開研究。

圖1 2019年2月1日至3月15日的中國南方地區(22°～30°N、110°～122°E)平均的逐日降水(柱狀)和低頻降水強度(曲線,7 d滑動平均)Fig.1 Averaged daily precipitation (bar) and low-frequency precipitation (curve, 7 d moving average) over the southern China (22°-30°N,110°-122°E) from 1 February to 15 March 2019

1 數據和方法

本文所用的資料主要有：歐洲中期預報中心(European Centre for Mediem-Range Weather Forecasts,ECMWF)1979年1月1日至2019年8月31日逐日的再分析資料(ERA-Interim；Dee et al,2011)，包括風場、位勢高度場和比濕場，水平分辨率為1.5°×1.5°，垂直方向為1 000～200 hPa，共23層；美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Research,NOAA) 1979年1月1日至2019年8月31日逐日的向外長波輻射資料(outgoing longwave radiation,OLR;Liebmann and Smith,1996)，水平分辨率為2.5°×2.5°。降水資料是由NOAA 氣候預測中心 (Climate Prediction Center,CPC) 提供的降水數據(Xie et al,2007)，分辨率為0.5°×0.5°。澳大利亞氣象局提供的逐日多變量MJO指數(RMM指數；Wheeler and Hendon，2004)，該指數使用15°S～15°N 平均的OLR，850 hPa和200 hPa上緯向風的多變量聯合經驗正交分解得到，可實時反映MJO活動強度和位置的變化。文中所有數據的異常值都通過去除其氣候態和線性趨勢得到，為了濾去天氣尺度擾動，進一步對異常值做了7 d滑動平均。各物理量中季節內(30～90 d)信號使用Lanczos帶通濾波器獲得(Duchon,1979)。

2 持續性降水特征分析

圖2是2019年2月14日至3月10日中國南方地區的累計降水異常和降水距平百分率(降水距平相對于氣候態降水的百分比)。可以看到，此次持續性降水異常主要集中在華南地區和長江中下游地區(圖2a)，最強的降水異常出現在廣東北部，超過240 mm。此外，江西東北部也存在一個降水異常超過160 mm的大值中心(圖2a)。降水距平百分率和降水異常的空間分布比較類似，主要集中在長江中下游地區和華南地區，降水距平百分率平均達到80%以上，也就是說比常年同期降水多出80%以上。廣西和廣東等地甚至達到了200%，表明這些地區降水量是常年同期的3倍以上(圖2b)。圖3給出了多年2月14日至3月10日的累計降水異常和強降水日數(降水大于1倍標準差的降水日)。可以看到，2019年是中國南方降水近40年來同期降水正異常最強、強降水日數最多的年份。

根據低頻降水的兩個波峰，此次持續性降水事件可以分為兩個階段，即2月14—24日(第一階段)和2月26日至3月10日(第二階段)。圖4給出了兩個階段合成的降水異常。可以看到兩個階段降水異常的強度和范圍有一定的差異，第一階段降水異常幾乎覆蓋整個南方地區；第二階段降水異常主要集中于華南地區，且降水強度比第一階段更強。

圖2 2019年2月14日至3月10日累計降水異常(a)和降水距平百分率(b)(矩形框為南方地區：22°～30°N、110°～122°E，下同)Fig.2 Accumulated anomalous precipitation (a) and percentage of precipitation anomaly (b) from 14 February to 10 March 2019(Rectangle represents southern China: 22°-30°N, 110°-122°E， the same below)

圖3 1979—2019年2月14日至3月10日南方地區的累計降水異常(a)和強降水日數(b)Fig.3 Accumulated anomalous precipitation (a) and the days of severe precipitation (b) over southern China from 14 February to 10 March of 1979-2019

圖4 第一階段(2019年2月14—24日，下同)(a)和第二階段(2019年2月26日至3月10日，下同)(b)合成的降水異常Fig.4 Composite anomalous precipitation during the first (from 14 to 24 February 2019, the same below) (a) and second (from 26 February to 10 March 2019, the same below) (b) episodes

3 持續性降水異常成因分析

3.1 大氣環流異常特征

圖5是兩個階段合成的500 hPa異常水平環流和位勢高度。從圖中可以看到，在兩個階段中，中國大陸至貝加爾湖地區都呈現出北高南低的異常形態，在貝加爾湖地區上空有位勢高度正異常和反氣旋式環流。在第一階段中，我國南方地區西側出現弱的位勢高度負異常，而西北太平洋出現位勢高度正異常，呈現出西低東高的位勢高度異常，有利于中國東部地區異常偏南氣流的出現(圖5a)。而在第二階段中，整個南方地區及其以西都是明顯較強的位勢高度負異常，且位勢高度的東西梯度更大，這導致偏南氣流和向北的水汽輸送更強。

圖6給出了兩個階段合成的850 hPa上異常水平環流和散度。可以看到，在第一階段，中國南方地區對流層低層是顯著的氣旋式環流異常，而西北太平洋有異常的反氣旋環流，從而導致中國南方地區出現較強的西南氣流和水平輻合(圖6a)。這種低層異常水平環流和輻合有利于整個南方地區出現較強的異常上升運動(圖7a)，這和降水主要集中在南方地區是一致的。在第二階段，異常氣旋式環流東移，中國南方地區對流層低層處于異常氣旋式環流的南部，異常氣流在華南輻合，而在江淮流域輻散(圖6b)。相比第一階段，第二階段在華南地區出現很強的上升運動(圖7b)，華南地區低層的異常氣流輻合與中層異常強垂直速度相結合，導致華南地區出現比第一階段更強的降水。

圖5 第一階段(a)和第二階段(b)合成的500 hPa上異常水平環流(矢量，單位：m·s-1)和位勢高度(填色)(黑色箭頭和填色分別表示通過0.10顯著性水平檢驗的風場和位勢高度)Fig.5 Composite anomalous horizontal circulation (vector, unit: m·s-1) and geopotential height (colored) at 500 hPa during the first (a) and second (b) episodes(Black arrow and colored shadow indicate the wind field and geopotential height having passed the 0.10 significance test, respectively)

圖6 第一階段(a)和第二階段(b)合成的850 hPa異常水平環流(矢量，單位：m·s-1)和散度(填色)(黑色箭頭和打點分別表示通過0.10顯著性水平檢驗的風場和散度)Fig.6 Composite anomalous horizontal circulation (vector, unit: m·s-1) and divergence (colored) at 850 hPa during the first (a) and second (b) episodes(Black arrows and stippling indicate the wind field and divergence having passed the 0.10 significance test, respectively)

圖8是兩個階段110°～122°E平均的經圈環流和垂直運動。在第一階段，20°～35°N有大范圍的異常上升運動，而在熱帶赤道地區出現異常下沉運動，形成了一個局地的異常經圈環流，這種環流有利于整個南方地區出現降水增強。而在第二階段，異常的上升運動主要出現在28°N以南，并且上升運動的強度明顯比第一階段要強，導致第二階段的降水主要集中在華南地區，相應的降水強度也更強。水平環流和垂直環流的分析表明兩個階段的環流形勢有著一定的差異，第一階段的異常環流有利于整個南方地區的降水，而第二階段的環流形勢僅有利于華南地區的降水加強。

圖7 第一階段(a)和第二階段(b)合成的500 hPa異常垂直速度(打點表示通過0.10顯著性水平檢驗)Fig.7 Composite anomalous vertical velocity at 500 hPa during the first (a) and second (b) episodes(Stippling indicates the result having passed the 0.10 significance test)

圖8 第一階段(a)和第二階段(b)合成的110°～122°E平均的異常經圈環流(矢量，垂直速度放大100倍)和垂直速度(填色)(黑色箭頭和打點分別表示通過0.10顯著性水平檢驗的垂直環流和垂直速度)Fig.8 Composite anomalous meridional circulation (vector, vertical velocity magnified 100 times) and vertical velocity (colored) averaged over the 110°-122°E during the first (a) and second (b) episodes(Black arrow and stippling indicate the vertical circulation and vertical velocity having passed the 0.10 significance test, respectively)

3.2 水汽輸送異常特征

圖9給出了兩個階段合成的異常水汽通量及其散度。在第一階段，西太平洋地區有異常的反氣旋式環流，中國大陸位于反氣旋式環流西側，有較強的水汽從南海和西太平洋向北輸送，在長江中下游地區和華南地區都有明顯的水汽輻合(圖9a)。西北太平洋的異常反氣旋在2019年2月南方持續性降水中起到重要的水汽輸送作用，這和Wang et al (2020) 分析的結果是一致的。而在第二階段，西北太平洋的異常反氣旋消失，中國大陸主要受西南氣流的影響，有較強的水汽由孟加拉灣至南海向北輸送，在華南地區有明顯的水汽輻合，強度比第一階段的水汽輻合更強，而長江中下游地區則無明顯的水汽輻合(圖9b)。

水汽通量散度主要由水汽平流和水汽散度組成：

圖9 第一階段(a)和第二階段(b)合成的1 000～500 hPa平均的異常水汽通量(矢量，單位：10-2 kg·kg-1·m·s-1)和水汽通量散度(填色，單位：10-8 kg·kg-1·s-1)(黑色箭頭和打點分別表示通過0.10顯著性水平檢驗的水汽通量和水汽通量散度)Fig.9 Composite anomalous moisture flux (vector, unit: 10-2 kg·kg-1·m·s-1) and moisture flux divergence (colored， unit: 10-8 kg·kg-1·s-1) averaged over the 1 000-500 hPa region during the first (a) and second (b) episodes(Black arrows and stippling represent the moisture flux and moisture flux divergence having passed the 0.10 significance test, respectively)

(1)

式中:q，u和v分別表示比濕、緯向風和經向風，Mdiv表示水汽通量散度。式(1)右側從左至右分別表示的是緯向水汽輻合、緯向水汽平流、經向水汽輻合和經向水汽平流。分別對第一階段南方地區和第二階段華南地區的水汽通量散度診斷，發現第二階段的水汽通量散度大約是第一階段的兩倍，這說明盡管第一階段降水的降水范圍廣，但是第二階段降水更集中，這也導致第二階段在華南地區的降水強度遠比第一階段強(圖10)。第一階段和第二階段的水汽通量輻合主要都是受經向水汽輻合的控制，兩個降水階段的經向水汽輻合項對水汽通量輻合的貢獻率都達到70%以上，而緯向水汽輻合項、緯向水汽平流項和經向水汽平流項對水汽通量輻合的貢獻都較小。

4 MJO在此次持續性降水事件的作用

4.1 MJO活動的異常

圖11給出了2019年2—3月MJO活動強度和位相分布特征。可以看到，從2月中旬到3月上旬，熱帶MJO位相和振幅與中國南方持續性降水有著很好的對應關系。當MJO振幅明顯增強時，南方地區降水也出現明顯的增強。在第一階段，MJO活動主要位于第8和第1位相；在第二階段，MJO活動主要位于第2～4位相。MJO活動異常可以通過影響水汽輸送進而影響中國南方的降水(Chen et al,2020)，下面將通過水汽輸送尺度分析來揭示MJO在此次南方持續性降水事件的作用。

圖10 第一階段南方地區(22°～30°N、110°～122°E)和第二階段華南地區(22°～26°N、110°～122°E)1 000～500 hPa平均的水汽通量散度各項(單位：10-8 kg·kg-1·s-1)[橫坐標數字：1表示的是水汽通量散度，2～5表示的是式(1)右側的第1～4項]Fig.10 Composite moisture flux divergence budgets (unit: 10-8 kg·kg-1·s-1) averaged over the 1 000-500 hPa region over southern China (22°-30°N, 110°-122°E) in the first episode (red) and South China (22°-26°N, 110°-122°E) in the second episode (blue)[The 1 indicates the moisture flux divergence, and 2-5 indicate the first to fourth terms on the right side of Eq.(1)]

圖11 2019年2月1日至3月31日MJO位相-強度分布(2月為紫色，3月為綠色)Fig.11 MJO phase-intensity diagram from 1 February to 31 March 2019 (Purple represents February and green for March)

4.2 不同尺度環流對水汽輸送的作用

根據Chen et al(2020)的研究，按照時間尺度的不同可將水平風場和比濕分解為高頻部分(周期小于30 d)，季節內部分(周期在30～90 d)和低頻部分(周期大于90 d)：

(2)

式中：上角“-”“′”“*”分別表示的是低頻部分、季節內部分和高頻部分。根據之前的分析，將對水汽通量輻合貢獻最大的經向水汽輻合項進一步分解為：

(3)

圖12給出了兩個階段中經向水汽輻合各項。結果表明，在第一階段，高頻經向風、季節內經向風和低頻經向風對低頻水汽的輻合以及低頻經向風對季節內水汽的輻合都起到一定的作用，尤其是季節內經向風對低頻水汽的輻合。而在第二階段，低頻經向風和季節內經向風對低頻水汽的輻合起到最重要的作用，其他項的作用都較小。在兩個階段的經向水汽輸送中，季節內經向風對低頻水汽的輻合貢獻都是最大，特別是在第二階段，季節內經向風對低頻水汽的輻合起到決定性作用。這表明MJO可通過調節季節內經向風對水汽的輸送，從而調節中國南方的持續性降水。

劉冬晴和楊修群(2010)、Jia et al(2011)、Chen et al(2020)研究指出通常當MJO位于第8和第1位相時，華南地區的降水異常偏少，而當MJO位于第2～5位相時，華南地區的降水都是偏多。第二階段的降水分布與前人的研究基本一致，但是在第一階段，MJO主要位于第8和第1位相，不僅導致長江流域的降水異常偏多，而華南地區的降水也異常偏多。那么是什么原因導致降水出現如此明顯的差異呢？通過比較冬季MJO第8和第1位相氣候態與第一階段的850 hPa季節內環流異常和OLR可知，第一階段中海洋性大陸地區出現很強的MJO對流抑制，激發了南海地區較強的南風異常，從而導致華南出現明顯的水汽輻合，而氣候態上的MJO對流未能在海洋性大陸激發出很強的對流抑制和南海的南風異常(圖13)。

圖12 第一階段南方地區(22°～30°N、110°～122°E)和第二階段華南地區(22°～26°N、110°～122°E)1 000～500 hPa平均的經向水汽輻合各項(單位：10-8 kg·kg-1·s-1)[橫坐標數字：1～9表示的是式(3)右側的第1～9項]Fig.12 Composite meridional moisture convergences (unit: 10-8 kg·kg-1·s-1) averaged over the 1 000-500 hPa region over southern China (22°-30°N, 110°-122°E) in the first episode (red) and South China (22°-26°N, 110°-122°E) in the second episode (blue)[1-9 indicate the first to ninth terms on the right side of Eq.(3)]

圖13 第一階段(a)和冬季MJO第8和第1位相(b)合成的850 hPa季節內環流(矢量，單位：m·s-1)和MJO OLR(填色)(黑色箭頭和打點分別表示通過0.10顯著性水平檢驗的環流和MJO OLR)Fig.13 Composite intraseasonal circulation at 850 hPa (vector, unit: m·s-1) and MJO OLR (colored) during the first episode (a) and the MJO of the phase 8 and phase 1 in winter (b)(Black arrow and stippling represent the circulation and MJO OLR having passed the 0.10 significance test, respectively)

5 結論與討論

2019年2月中旬到3月上旬中國南方地區出現了一次持續性降水事件，該降水事件是近40年來同期降水量最大、強降水日數最多的降水事件。根據降水的演變，此次持續性降水事件可以分為兩個階段。第一階段降水基本上覆蓋了整個中國南方地區，而第二階段降水主要出現在華南地區，且降水強度比第一階段更強。

大尺度環流分析表明，在此次持續性降水事件中，南亞地區都是位勢高度負異常，西北太平洋地區都是位勢高度正異常，導致中國南方呈現出西低東高的位勢高度異常，有利于中國南方地區出現異常偏南氣流和水汽向南方輸送。在第一階段，整個南方地區的對流層低層出現散度負異常，而中層出現較強的上升運動，中低層的環流配置，導致20°～35°N有大范圍的異常上升運動，而在熱帶赤道地區出現異常下沉運動，形成了一個經向局地異常環流，這種環流有利于整個南方地區出現降水。而在第二階段，華南地區的對流層低層出現異常輻合，江淮流域出現異常輻散，而華南地區對流層中層出現很強的上升運動，異常的上升運動主要出現在30°N以南，且上升運動的強度明顯比第一階段偏強，從而導致第二次降水的強度也更強。

通過分析兩個階段的水汽通量及其散度，發現兩個階段的水汽輻合存在明顯差異，在第一階段整個南方地區都出現明顯的水汽輻合，而在第二階段，僅在華南地區出現明顯的水汽輻合，且水汽輻合的強度更強。進一步診斷南方和華南地區的水汽收支，發現引起兩個階段水汽通量散度出現異常的主要是經向水汽輻合項，其他水汽輸送項對水汽通量輻合的總貢獻小于30%。

這次持續性降水事件在時間尺度上屬于季節內尺度的事件，而MJO作為次季節可預報性的來源可能在這次事件中起到一定的作用。通過對南方地區的降水特征分析，發現南方地區出現兩次明顯的低頻降水，低頻降水的變化和MJO位相和振幅的演變有著緊密的聯系。當MJO振幅明顯增強時，南方地區開始出現明顯的降水，而當MJO振幅減弱時，降水迅速減少。在時間尺度上，將兩個階段中起主要貢獻的經向水汽輻合項分解。結果表明，低頻尺度和季節內尺度的相互作用對經向水汽輻合項起到決定性作用，尤其是季節內經向風對低頻水汽的輻合。這說明MJO可通過調節季節內經向風對水汽的輸送，從而影響南方地區的降水。另外，在這次南方持續性降水事件中，中高緯的異常環流也起到一定的作用，中高緯的阻塞高壓不僅造成冷空氣持續向南入侵，為長江—淮河流域持續一個月的降水提供有利的條件(Wang et al,2020)。中高緯的異常環流還可以引起大氣對MJO加熱的不同響應,從而調節MJO活動對南方降水產生不同的影響(Chen et al,2021)。至于冬季中高緯的異常環流是如何引起大氣對MJO加熱的不同響應？我們將在下一步的工作中重點探討，為次季節降水的預測提供更加有力的支撐。