青藏高原夏季高層緯向風季節內振蕩特征

王珺雨 陳丹

摘要 ?利用1979—2019年ECMWF提供的ERA-Interim逐日再分析資料，采用Morlet小波分析、濾波及合成分析等方法，探究了青藏高原夏季對流層高層緯向風季節內振蕩（IntraSeasonal Oscillation，ISO）的主要周期及其傳播特征。結果表明：青藏高原夏季高層緯向風季節內振蕩的主要周期為10～30 d，其強度存在明顯的年際差異。在緯向風ISO強年，振蕩過程持續時間長、振幅強，ISO方差中心從對流層高層向下影響到對流層中層，表現為相當正壓結構。其傳播在緯向上主要表現為ISO中心從高原東部3次向東傳，可達西太平洋地區;經向上分別有4次自中高緯向南傳播的10～30 d ISO中心與來自低緯地區的ISO中心在高原南側匯合，其強度在高原南側有所加強，強振蕩中心可向南傳播到達低緯地區。ISO的位相演變主要表現為低頻反氣旋和低頻氣旋中心在高原東部交替出現，引起東部地區上空低頻東風和低頻西風的強度變化。在ISO極端活躍位相，高原東部低頻西風達最強。

關鍵詞 ?青藏高原; 季節內振蕩; 緯向風; 10～30 d

大氣季節內振蕩（Intraseasonal Oscillation，ISO）現象作為大氣科學的重要前沿課題之一，受到國內外學者的高度重視（苗青等，2016;Yang et al.，2017;李文鎧和郭維棟，2022）。研究表明，不僅熱帶地區（魏蕾等，2017），中高緯地區也存在大氣ISO（謝安等，1989;章基嘉等，1991;朱毓穎和江靜，2013）。青藏高原作為大氣ISO的活躍區和重要源地之一（章基嘉等，1984;段麗君等，2017），對我國天氣氣候產生重要影響（Peng et al.，2014;張超等，2018;魯萌萌等，2020;劉屹岷等，2020）。因此該地區的ISO活動也受到了廣泛關注（李文鎧和郭維棟，2022）。一些學者針對青藏高原ISO進行研究（岑思弦，2011;姚秀萍等，2019），尋找高原地區ISO信號。高原地區ISO主要有準雙周振蕩（楊嚴和徐海明，2015）和30～60 d振蕩（楊蓉等，2015），準雙周振蕩對降水影響最為顯著（劉煒等，2016）。除降水外，高原對流（賀懿華等，2006）、大氣熱源（羅會邦等，1995）、高原高度場活動（王文等，2016）也與準雙周振蕩存在密切聯系。高原地區10～30 d低頻振蕩有利于高原低值系統的發生與發展（Zhang et al.，2014）。青藏高原地區熱源的主要振蕩周期為10～20 d的準雙周振蕩（王黎娟和葛靜，2016）。高原地區低頻信號會影響下游地區旱澇災害的發生（楊嚴和徐海明，2015;王文等，2016），風場作為能量傳輸的載體，對低頻信號向下游的傳播起到不可或缺的作用。

緯向風是表征大氣ISO的重要物理量之一，與大氣環流之間存在密切聯系（Wang and Duan，2015;周兵等，2000）。朱麗華等（2012）從高原緯向風增強年和減弱年入手，分析了對應年份的低頻振蕩過程及其對下游地區降水的影響，他們指出，高原緯向風的增強和減弱對我國夏季降水與大氣環流有重要影響。然而現階段關于高原ISO的研究大多集中在對高原熱源、高原對流等方面的低頻振蕩上，關于高原緯向風ISO的研究還未引起足夠重視。為了加深對高原ISO特征的認識，為分析高原ISO與中國東部持續性降水的關系提供理論支撐，有必要針對高原地區緯向風的季節內變化進行研究，分析其振蕩周期及傳播特征，為進一步探究高原大氣低頻振蕩的活動提供參考，這也是第三次青藏高原科學試驗的研究目標之一。

1 資料和方法

青藏高原地形復雜，幅員遼闊，其南北和東西部天氣氣候差異很大，徐國強和朱乾根（2002）發現高原不同區域低頻振蕩特征明顯不同，尤其高原東部和西部的低頻振蕩存在差異。因此本文參考趙平和陳隆勛（2001）的方法對青藏高原進行分區，以90°E為界對青藏高原進行東西區域劃分（圖1），將90°E以東且海拔高度大于3 000 m的區域作為本文的研究區域。

使用歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的1979—2019年分辨率為2.5°×2.5°的ERA-Interim逐日水平風場再分析資料，利用Morlet小波分析方法和功率譜分析方法探究低頻振蕩主要周期并通過Lanczos濾波器提取低頻分量，進一步采用合成分析方法對青藏高原東部夏季200 hPa緯向風季節內振蕩特征進行診斷分析。

2 ?青藏高原夏季高層緯向風季節內振蕩周期特征

利用Morlet小波和功率譜方法，分析高原東部夏季對流層高層200 hPa緯向風季節內振蕩的主要周期，鑒于兩種方法所得結果一致性較高，僅給出通過Morlet小波分析方法得到的各年夏季高原東部緯向風通過90％置信度檢驗周期的年份數情況（圖2）。從圖2可得，200 hPa緯向風的10～30 d季節內振蕩周期在高原東部地區普遍存在，30～60 d周期通過信度檢驗的年份次之，20～40 d周期通過信度檢驗的年份最少。從方差貢獻來（圖略）看，10～30 d季節內振蕩在多數年份可以達到20％以上，個別年份方差貢獻可達40％以上，而30～60 d低頻振蕩方差貢獻多數表現在10％左右。

3 ?青藏高原高層緯向風季節內振蕩異常年的確定及差異

上述結果表明，10～30 d季節內振蕩是青藏高原地區200 hPa緯向風低頻振蕩的主要周期，為了進一步討論其變化特征，選取10～30 d季節內振蕩方差表征季節內振蕩強度，這也是氣象中常用的表示低頻振蕩強度的方法之一（賈燕和管兆勇，2010）。對高原東部200 hPa緯向風ISO方差進行標準化（圖3）并計算高原東部地區熱源與緯向風ISO強度之間的相關性，發現二者之間因果關系并不顯著，說明緯向風的低頻變化不僅僅是高原熱源低頻變化的結果，因此有必要對高原緯向風ISO進行研究。從圖3可以看出，1995—1996年高原東部200 hPa緯向風10～30 d季節內振蕩強度發生了轉折。1995年之前標準差大于0的只有5 a，總體ISO強度較弱。但1995年之后標準差大于0的有14 a，季節內振蕩增強，而且21世紀后ISO強弱年交替出現，年際差異明顯。為了進一步分析高原季節內振蕩特征，選取標準差大于等于1的1986、1999、2000、2002、2011和2013年作為ISO強年，標準差小于等于-1的1985、1990、1993、1994、2007和2012年作為ISO弱年。可以看出20世紀90年代末期以后，ISO強年明顯增多。

對上述ISO強年和弱年分別進行合成后濾波（圖4）。在高原東部夏季200 hPa緯向風10～30 d季節內振蕩強年，有5個完整周期，平均周期長度為17.5 d，最長周期持續時間從6月下旬至7月中旬以及8月上旬至8月下旬，持續時間達22 d;最短周期出現在6月，持續時間約為13 d;7月下旬至8月上旬ISO的振幅達10 m／s，在5個周期內最強;6月初的振幅約為3 m／s。比較而言，夏季ISO弱年約有7個周期，平均周期長度為12.5 d。最長周期持續時間出現在6月下旬至7月中旬，約為15 d;最短周期分別出現在6月中旬和8月上旬，持續時間為10 d;6月下旬至7月中旬ISO相對最強，振幅為6 m／s，約為ISO強年最大振幅的一半;7月下旬至8月上旬的ISO強度較弱，振幅僅為1.5 m／s。就季節內振蕩強度而言，ISO強年從6月至8月強度逐漸增強，8月達峰值;而ISO弱年其強度在6月下旬至7月上旬達到峰值，隨后迅速減弱;就平均周期而言，ISO強年的持續時間較弱年長5～6 d。綜上，在高原東部夏季200 hPa緯向風10～30 d季節內振蕩顯著年，ISO持續時間長、振幅強。

4 ?青藏高原高層緯向風季節內振蕩及傳播特征

4.1 高層緯向風季節內振蕩方差的空間分布

如上可知，高原東部200 hPa緯向風10～30 d振蕩存在顯著的年際變化，在ISO強年，10～30 d振蕩方差貢獻較大，緯向風的變化與其相關性更好，因此選取ISO強年為研究對象，分析其空間分布特征。

圖5是ISO強年水平和垂直方向上ISO方差分布，可以發現ISO強年水平方向上有三個方差大值中心（圖5a），分別位于伊朗高原北部（65°E）、青藏高原東北至東南部（100°E）以及日本以東的西北太平洋上空（170°E），三個中心均超過70 m 2／s 2，其中青藏高原東部ISO強度相對較強。

垂直方向上ISO方差大值中心位于對流層高層200 hPa 附近（圖5b），這表明200 hPa是緯向風ISO最為活躍的高度。方差大值中心分別位于高原西部、東部以及西北太平洋，其中高原東部上空的ISO方差大值中心超過75 m 2／s 2，并向東延伸至江淮流域。高原東部和西北太平洋地區的ISO方差大值中心均強于高原西部。還可以看出，位于高原東部的ISO空間尺度最大，影響范圍也廣。此外，高原東部地區ISO方差中心可以從對流層高層向下影響到對流層中層，呈現相當正壓結構特征。

4.2 高層緯向風季節內振蕩傳播特征

青藏高原作為季節內振蕩的活躍區之一，既有ISO中心在高原形成并向外傳播，也有ISO中心移動至高原（鞏遠發等，2007）。那么高原200 hPa緯向風10～30 d季節內振蕩傳播特征如何？

由圖6可以看出，夏季200 hPa緯向風10～30 d季節內振蕩主要表現為向東傳播，7月初至7月中旬末可以東傳至130°E附近，傳播速度較快，其向東傳播過程中，低頻中心強度有所增強。8月初至8月中旬，再次出現低頻東傳增強過程，其東傳可達135°E的西太平洋地區。八月中下旬，低頻振蕩中心在東傳過程中強度逐漸減弱。

從高原200 hPa緯向風10～30 d振蕩的經向傳播（圖7）可以發現，自高緯向南傳播的緯向風10～30 d ISO大值中心影響到了高原東部地區，從6月至8月，分別有4次自中高緯向南傳播的10～30 d ISO中心與來自低緯地區的ISO中心在高原南側匯合，其強度在高原南側有所加強，隨后繼續向南傳播，強ISO可向南傳播到達低緯地區。

5 青藏高原高層低頻環流演變特征

為了進一步揭示高原200 hPa 10～30 d低頻環流的演變特征，對濾波后的每個緯向風演變周期劃分為9個位相（Chan et al.，2002）。其中第3位相對應ISO極端中斷位相，低頻西風最弱，而低頻東風最強。第7位相對應ISO極端活躍位相，低頻東風最弱，但低頻西風最強。

位相1對應ISO極端中斷位相向極端活躍位相的轉換，位相5則與之相反，對應ISO極端活躍位相向極端中斷位相的轉換。 位相2、位相4、位相6和位相8分別對應低頻振蕩強度達到振幅一半所對應的位相，第9位相和第1位相類似。由此將夏季高原ISO強年的200 hPa緯向風10～30 d振蕩強度超過該年低頻振蕩分量1個標準差的過程逐位相進行流場合成，以揭示低頻環流的演變過程（圖8）。

如圖8所示，轉換位相1時（圖8a）低頻反氣旋控制高原東北部，低頻氣旋位于高原東部上空，高原北側為低頻東風中心，此時低頻東風強度較弱，風速小于8 m／s。位相2時（圖8b），高原東北部的低頻反氣旋增強南移，其南側的低頻東風強度也增強，位置南移，出現風速大于8 m／s的區域，高原東部地區上空受低頻東風控制。其上空原低頻氣旋減弱，略向東移動。位相3時（圖8c），即極端中斷位相，低頻反氣旋進一步向南移動，中心到達高原北側，同時高原南部上空的低頻東風加強，經向上影響約10個緯度，緯向上影響約25個經度，低頻東風控制整個高原東部至江淮流域，在此位相高原東部緯向風ISO達最強。可以看出，在極端中斷位相，高原東部的低頻緯向風一方面強度增強，另一方面其影響范圍也在擴大并逐漸向東南方向擴展。

位相4時（圖8d），高原東部的低頻東風隨著低頻反氣旋向東移動，低頻東風大值中心影響江淮流域。低頻氣旋中心在貝湖東部發展加強，低頻氣旋和低頻反氣旋之間的兩股低頻西風匯合，導致低頻西風明顯增強。在轉換位相5（圖8e），低頻氣旋則開始發展加強，并向東南移動，其南側的低頻西風增強，影響高原以北地區。而南部的低頻反氣旋繼續向東移動，低頻中心移出高原東部地區，高原南側的低頻東風有所減弱，在此位相，高原上低頻緯向風減弱，低頻東風開始向低頻西風的轉換。位相6時低頻反氣旋向東移出大陸，高原東部上空受低頻氣旋控制，并且影響范圍擴大，低頻西風逐漸增強（ 圖8f ）。

在極端活躍位相7（圖8g），低頻環流的分布與位相3（極端中斷位相）大致相反，隨低頻氣旋向南移動至高原東部上空的低頻西風強度逐漸增至最強，影響范圍進一步擴大至整個高原東部乃至我國東部，低頻西風中心主要位于高原東部，達最活躍階段。第8位相（圖8h），低頻氣旋繼續東移增強，南側低頻西風中心移至江淮流域，北側低頻東風的強度變化更明顯。轉換位相9的環流形勢與轉換位相1類似，南部的低頻氣旋東移并減弱，其北側的低頻反氣旋向南移動，完成一次ISO演變過程（圖略）。

6 討論和結論

利用1979—2019年ERA-Interim逐日水平風場再分析資料，從低頻振蕩的周期、強度、低頻方差空間分布及傳播特征等方面對青藏高原夏季對流層高層200 hPa緯向風的季節內振蕩進行了分析，得到如下結論：

1）青藏高原夏季對流層高層緯向風存在顯著的10～30 d季節內振蕩周期且其強度存在明顯的年際差異。ISO強年振幅大，周期長。水平方向上自西向東存在三個ISO方差大值中心，分別位于伊朗高原北部、青藏高原東部以及日本以東的西北太平洋上空，其中青藏高原東部低頻振蕩中心強度相對較強，影響范圍廣。此外，高原東部地區ISO方差中心可以從對流層高層向下影響到對流層中層，表現為相當正壓結構。

2）青藏高原東部夏季200 hPa緯向風10～30 d季節內振蕩中心在緯向上主要表現為從高原東部3次向東傳播，其東傳可達西太平洋地區;在經向上分別有4次自中高緯向南傳播的10～30 d ISO中心與來自低緯地區的ISO中心在高原南側匯合，其強度在高原南側有所加強，強振蕩中心可向南傳播到達低緯地區。

3）青藏高原東部主要受北方向南移動的低頻反氣旋和低頻氣旋交替影響，從而導致高原東部受不同強度的低頻東風和低頻西風的控制，在極端活躍位相，高原東部低頻西風達最強。

本文主要分析了青藏高原東部夏季高層緯向風10～30 d季節內振蕩強年的ISO特征，但低頻振蕩偏弱的年份也是高原地區ISO變化的一部分，ISO強弱差異的形成原因也需進一步分析，我們將在今后的工作中進行研究。

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Intraseasonal oscillation characteristics of zonal wind at upper troposphere over Tibetan Plateau in summer

WANG Junyu，CHEN Dan

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）／Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD）／Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the ERA-Interim reanalysis data four times a day provided by ECMWF from 1979 to 2019，the main period of the intraseasonal oscillation and its propagation characteristics of zonal wind at upper troposphere over the eastern Tibetan Plateau in summer are studied by the Morlet wavelet，filtering and composite analysis methods.Results show that the 10—30 d is the main period of intraseasonal oscillation of zonal wind at upper troposphere over the eastern Tibetan Plateau in summer and its intensity has significant interannual difference.In the strong intraseasonal oscillation years，the low-frequency oscillation process lasts for a long time and has a large amplitude.The center of variance of intraseasonal oscillation influences the mid-troposphere from the upper troposphere，which shows an equivalent barotropic structure.In zonal propagation，the intraseasonal oscillation centers mainly propagate eastward from the eastern Tibetan Plateau for three times and reach the Western Pacific region.In meridional propagation，10—30 d intraseasonal oscillation centers propagating southward from the mid and higher latitudes converge with centers from the lower latitude on the south side of the Plateau for four times from June to August，and their intensities are strengthened.The strong oscillation centers can propagate southward to the lower latitude areas.The phase evolution of intraseasonal oscillation is mainly manifested in the alternation of the low-frequency anticyclone and the low-frequency cyclone center over the eastern Tibetan Plateau，which leads to the intensity change of low-frequency easterly wind and low-frequency westerly wind over the eastern Tibetan Plateau.In the extremely active phase of ISO，the low-frequency westerly wind over the eastern Tibetan Plateau is the strongest.

Tibetan Plateau;intraseasonal oscillation;zonal wind; 10—30 d

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210707010

（責任編輯：張福穎）