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摘要 我国江淮流域持续性暴雨过程发生前，热带大气30～60天低频振荡特征明显。选取近35年的21个典型的江淮持续性暴雨过程，基于位相统计及合成分析方法，探讨了与过程相关的热带大气低频振荡特征以及相关低频系统的传播特征。结果表明，MJO的位相1、2可作为江淮流域持续性暴雨过程发生的热带信号，热带印度洋北侧一热带西太平洋一带受低频东风以及我国东南沿海低频反气旋有利于副高的西伸。
关键词 持续性暴雨过程；30-60天低频振荡；But terworth；MJO
夏季出现在我国江淮流域的持续性暴雨过程具有强度大、范围广、持续时间长和稳定性强等特点，极易造成大范围洪涝灾害，给经济建设和人民生命财产带来巨大损失。20世纪70年代初，Madden and JulJan发现了热带地区纬向风具有自西向东周期性传播特征（MJ0）后，众多学者对大气低频振荡活动（Intraseasonal Oscillation，）尤其是30d～60d低频振荡做了大量的研究，并取得了阶段性的成果。热带低频对流中心从热带印度洋向热带西太平洋移动过程中引起西太平洋副高、水汽输送和垂直运动的变化，引起长江流域和华南地区降水的变化。热带MJ0的不同位相可作为江淮地区夏季降水的延伸预报信号，而且基于澳大利亚气象局的M-J0指数进行MJ0实时监测与诊斷，可以避开传统上采用时间滤波提取MJ0信号不能用于实时预测的弊端。本文利用改进后的Butterworth带通滤波方法、累计频率法并结合合成分析等方法探究江淮持续性暴雨过程发生的热带MJ0信号以及与过程相关的热带大气30～60d低频振荡特征。
1资料和方法
统计分析中所用的MJ0指数是WheeIer和Hendon提出的双变量MJ0指数（RMM1和RMM2，从澳大利亚气象网站获得实时逐日数据，时间长度为1975年～2011年）。向外长波辐射（OLR）资料采用1975-2011年4-8月的NOAA全球逐日平均资料（2.5°×2.5°），每年序列的时间长度为153d。环流场数据采用1975-2011年4-8月NCEP/NCAR全球逐日再分析资料（2.5°×2.5°）。综合Tang等以及汪汇洁等对江淮流域持续性暴雨过程的研究成果，选取21个发生在1975-2011年6月中下旬及7月中下旬之间且持续时间在7天以上的持续性暴雨过程作为本文研究的样本，具体信息见表1。根据中高纬度的大尺度环流背景将持续性暴雨过程分为3类：具有“两脊一槽”环流背景特征的“双阻型”，“两槽一脊”环流背景特征的“单阻型”，以及存在多个高低压中心的“多波型”。
采用一阶Butterworth带通滤波方法得到气象要素的低频场。在探讨持续性暴雨过程前MJ0指数的变化特征时，首先利用累计频率法，分两个时间段（过程发生前-4d～id和发生时0d～+3d）落在MJ0各位相的总天数，再统计35d～+6d期间，处于MJ0不同位相的个例总数随时间变化情况，用以探讨过程前MJ0位相循环轨迹。
2过程发生时的环流背景特征
对比低频天气图和实况/原始环流场可以判断不同低频系统与环流背景的联系。因此，分析大气30d～60d低频振荡之前，要先分析过程发生时的大尺度环流背景。以“双阻型”为例，图1为持续性暴雨过程开始0d～3d的环流特征合成图，由图可知：对流层高层南亚高压呈带状分布，东缘位置偏东，而对流层中低层西太平洋副高位置偏西，副高西侧的中低层偏南风与南亚高压东南侧的高层偏北风在我国江南地区叠置，构成稳定持续的季风垂直环流。陶诗言和朱福康的研究表明南亚高压和西太副高存在“相向而行”和“相背而去”的关系，从本文所选过程前的逐日合成图（图略）也可以看出这点。南亚高压主体东扩、西太副高西伸可以说是江淮流域持续性暴雨过程发生的“必要条件”。
3热带MJO信号及相关的30d-60d低频振荡特征
首先探讨江淮持续性暴雨过程发生时以及发生前的MJO循环特征。图2（a）（b）展示了持续性暴雨过程发生前（-4～1d）和发生时（0～+3d）落在MJO各位相的总天数，持续性暴雨过程发生前（4～1d）和发生时（0～+3d）落在MJ0各位相的总天数。过程开始前4天（-4～1d），MJO主要位于第8和第1位相，其次是位相4，处于第8、1位相的时间里，MJ0振幅大于1（强MJO，Amplitude>1）的天数约占66%；过程开始后的0～+3d内，MJO主要位于第1、第2位相，其次是位相5，处于第1、2位相的时间里，强MJO的天数约占58%。过程开始前一个月内，位相循环速度减缓，MJO主要位于位相8、1、2，过程开始于位相1或位相2的概率约为其他位相的两倍以上。Zhang等的研究也表示，在MJO活动的前4个位相，MJO的主要对流活动中心位于热带印度洋，对流扰动可以通过低层西风急流的波导效应一路向下游影响到中国东南部地区，使得西北太平洋副高位置偏西，同时中国东南部地区的水汽输送和垂直上升运动增强，有利降水偏多。可将MJO的位相1、2作为江淮流域持续性暴雨过程发生的热带信号。
图2（a）-4～1d，（b）0～+3d这两个时间段内，MJO位相分布情况，蓝色柱状条表示全部MJO处于各位相的天数，橙色柱状条表示强MJO（MJO>1，表示指数的振幅>1）的天数
-35d～+6d，MJ0主要经历了第4位相第五位相第8位相第1位相第2位相第3位相的演变。而-15d～+3d，MJO主要经历了第7位相第8位相第1位相第2位相的演变。位相合成分析-15d～+3d这段时间内低频风场、低频OLR场（低频对流扰动）以及异常环流场的演变过程（图3）。当MJO处于位相7时，热带低频对流扰动主要集中在海陆区-赤道西太平洋或者更加偏东的海域，赤道西太平洋一带受低频西风控制，随着低频对流扰动的东传，菲律宾东侧出现异常气旋并向北移动，当异常气旋移动到西北太平洋一带时，副高主体东退，异常气旋继续向北向东移动后，副高开始西伸；当热带低频对流扰动继续东传并重新进入赤道印度洋后，MJO循环至位相8、1、2，热带印度洋北侧-热带西太平洋一带受低频东风影响，距平场上也表现为东风异常（图略），西北太平洋出现异常反气旋，随着热带低频对流扰动的东传，异常反气旋转为东北西南方向并向我国东南部及南海一带延伸，有利于副高的进一步西伸。
图3过程15～+3d MJO八位相（a～d分别表示位相7、8、1、2）低频合成图。流线表示850hPa距平风场，红色（黑色）矢量线为低频u（v）分量（m·s-1）异常通过90%显著性检验（空间显著）的850hPa低频风，阴影区表示低频OLR（w·m-2），红色粗实线为500hPa高度层上5 880gpm等高线
过程发生时，我国东南沿海一西北太平洋一带低频反气旋以及孟加拉湾低频反气旋是低层上两个明显的低频系统。从逐日合成图（图略）看出，孟加拉湾低频反气旋的强度和位置受到赤道印度洋一带异常纬向风的影响。
进一步分析孟加拉湾低频反气旋的传播特征。从逐日合成图（图略）可以看出，孟加拉湾低频反气旋的振荡周期约为50d，过程25d左右，该区域出现低频气旋，然后缓慢转变为低频反气旋直至过程结束。该低频反气旋的强度和位置受到其南部（赤道印度洋一带）纬向风的影响，结合前面热带大气低频振荡的结果可知，当MJO处于位相8和位相1时，孟加拉湾一带受低频反气旋控制，进一步说明了当热带低频对流扰动传播至热带印度洋时，孟加拉湾和我国东南沿海一西北太平洋一带同时受低频反气旋控制，有利于副高的西伸并增强。
4结论
江淮持续性暴雨过程受热带低频扰动的影响，尤其是热带印度洋一西太平洋的低频振荡影响我国东南沿海一西北太平洋异常环流系统的变化。主要的低频系统及传播特征表现为：1）可将MJO的位相1、2作为江淮流域持续性暴雨过程发生的热带信号。过程前，当MJO循环至位相1、2时，热带低频对流扰动进入赤道印度洋，热带印度洋北侧一热带西太平洋一带受低频东风影响，西北太平洋出现异常反气旋，随着位相的循环，该异常反气旋向北移动并向我国东南部及南海一带延伸，有利于副高的西伸；2）低频场上，伴随着MJO的传播，我国东南沿海和孟加拉湾一带周期性地受低频反气旋/气旋控制，影响副高的西伸东退。
关键词 持续性暴雨过程；30-60天低频振荡；But terworth；MJO
夏季出现在我国江淮流域的持续性暴雨过程具有强度大、范围广、持续时间长和稳定性强等特点，极易造成大范围洪涝灾害，给经济建设和人民生命财产带来巨大损失。20世纪70年代初，Madden and JulJan发现了热带地区纬向风具有自西向东周期性传播特征（MJ0）后，众多学者对大气低频振荡活动（Intraseasonal Oscillation，）尤其是30d～60d低频振荡做了大量的研究，并取得了阶段性的成果。热带低频对流中心从热带印度洋向热带西太平洋移动过程中引起西太平洋副高、水汽输送和垂直运动的变化，引起长江流域和华南地区降水的变化。热带MJ0的不同位相可作为江淮地区夏季降水的延伸预报信号，而且基于澳大利亚气象局的M-J0指数进行MJ0实时监测与诊斷，可以避开传统上采用时间滤波提取MJ0信号不能用于实时预测的弊端。本文利用改进后的Butterworth带通滤波方法、累计频率法并结合合成分析等方法探究江淮持续性暴雨过程发生的热带MJ0信号以及与过程相关的热带大气30～60d低频振荡特征。
1资料和方法
统计分析中所用的MJ0指数是WheeIer和Hendon提出的双变量MJ0指数（RMM1和RMM2，从澳大利亚气象网站获得实时逐日数据，时间长度为1975年～2011年）。向外长波辐射（OLR）资料采用1975-2011年4-8月的NOAA全球逐日平均资料（2.5°×2.5°），每年序列的时间长度为153d。环流场数据采用1975-2011年4-8月NCEP/NCAR全球逐日再分析资料（2.5°×2.5°）。综合Tang等以及汪汇洁等对江淮流域持续性暴雨过程的研究成果，选取21个发生在1975-2011年6月中下旬及7月中下旬之间且持续时间在7天以上的持续性暴雨过程作为本文研究的样本，具体信息见表1。根据中高纬度的大尺度环流背景将持续性暴雨过程分为3类：具有“两脊一槽”环流背景特征的“双阻型”，“两槽一脊”环流背景特征的“单阻型”，以及存在多个高低压中心的“多波型”。
采用一阶Butterworth带通滤波方法得到气象要素的低频场。在探讨持续性暴雨过程前MJ0指数的变化特征时，首先利用累计频率法，分两个时间段（过程发生前-4d～id和发生时0d～+3d）落在MJ0各位相的总天数，再统计35d～+6d期间，处于MJ0不同位相的个例总数随时间变化情况，用以探讨过程前MJ0位相循环轨迹。
2过程发生时的环流背景特征
对比低频天气图和实况/原始环流场可以判断不同低频系统与环流背景的联系。因此，分析大气30d～60d低频振荡之前，要先分析过程发生时的大尺度环流背景。以“双阻型”为例，图1为持续性暴雨过程开始0d～3d的环流特征合成图，由图可知：对流层高层南亚高压呈带状分布，东缘位置偏东，而对流层中低层西太平洋副高位置偏西，副高西侧的中低层偏南风与南亚高压东南侧的高层偏北风在我国江南地区叠置，构成稳定持续的季风垂直环流。陶诗言和朱福康的研究表明南亚高压和西太副高存在“相向而行”和“相背而去”的关系，从本文所选过程前的逐日合成图（图略）也可以看出这点。南亚高压主体东扩、西太副高西伸可以说是江淮流域持续性暴雨过程发生的“必要条件”。
3热带MJO信号及相关的30d-60d低频振荡特征
首先探讨江淮持续性暴雨过程发生时以及发生前的MJO循环特征。图2（a）（b）展示了持续性暴雨过程发生前（-4～1d）和发生时（0～+3d）落在MJO各位相的总天数，持续性暴雨过程发生前（4～1d）和发生时（0～+3d）落在MJ0各位相的总天数。过程开始前4天（-4～1d），MJO主要位于第8和第1位相，其次是位相4，处于第8、1位相的时间里，MJ0振幅大于1（强MJO，Amplitude>1）的天数约占66%；过程开始后的0～+3d内，MJO主要位于第1、第2位相，其次是位相5，处于第1、2位相的时间里，强MJO的天数约占58%。过程开始前一个月内，位相循环速度减缓，MJO主要位于位相8、1、2，过程开始于位相1或位相2的概率约为其他位相的两倍以上。Zhang等的研究也表示，在MJO活动的前4个位相，MJO的主要对流活动中心位于热带印度洋，对流扰动可以通过低层西风急流的波导效应一路向下游影响到中国东南部地区，使得西北太平洋副高位置偏西，同时中国东南部地区的水汽输送和垂直上升运动增强，有利降水偏多。可将MJO的位相1、2作为江淮流域持续性暴雨过程发生的热带信号。
图2（a）-4～1d，（b）0～+3d这两个时间段内，MJO位相分布情况，蓝色柱状条表示全部MJO处于各位相的天数，橙色柱状条表示强MJO（MJO>1，表示指数的振幅>1）的天数
-35d～+6d，MJ0主要经历了第4位相第五位相第8位相第1位相第2位相第3位相的演变。而-15d～+3d，MJO主要经历了第7位相第8位相第1位相第2位相的演变。位相合成分析-15d～+3d这段时间内低频风场、低频OLR场（低频对流扰动）以及异常环流场的演变过程（图3）。当MJO处于位相7时，热带低频对流扰动主要集中在海陆区-赤道西太平洋或者更加偏东的海域，赤道西太平洋一带受低频西风控制，随着低频对流扰动的东传，菲律宾东侧出现异常气旋并向北移动，当异常气旋移动到西北太平洋一带时，副高主体东退，异常气旋继续向北向东移动后，副高开始西伸；当热带低频对流扰动继续东传并重新进入赤道印度洋后，MJO循环至位相8、1、2，热带印度洋北侧-热带西太平洋一带受低频东风影响，距平场上也表现为东风异常（图略），西北太平洋出现异常反气旋，随着热带低频对流扰动的东传，异常反气旋转为东北西南方向并向我国东南部及南海一带延伸，有利于副高的进一步西伸。
图3过程15～+3d MJO八位相（a～d分别表示位相7、8、1、2）低频合成图。流线表示850hPa距平风场，红色（黑色）矢量线为低频u（v）分量（m·s-1）异常通过90%显著性检验（空间显著）的850hPa低频风，阴影区表示低频OLR（w·m-2），红色粗实线为500hPa高度层上5 880gpm等高线
过程发生时，我国东南沿海一西北太平洋一带低频反气旋以及孟加拉湾低频反气旋是低层上两个明显的低频系统。从逐日合成图（图略）看出，孟加拉湾低频反气旋的强度和位置受到赤道印度洋一带异常纬向风的影响。
进一步分析孟加拉湾低频反气旋的传播特征。从逐日合成图（图略）可以看出，孟加拉湾低频反气旋的振荡周期约为50d，过程25d左右，该区域出现低频气旋，然后缓慢转变为低频反气旋直至过程结束。该低频反气旋的强度和位置受到其南部（赤道印度洋一带）纬向风的影响，结合前面热带大气低频振荡的结果可知，当MJO处于位相8和位相1时，孟加拉湾一带受低频反气旋控制，进一步说明了当热带低频对流扰动传播至热带印度洋时，孟加拉湾和我国东南沿海一西北太平洋一带同时受低频反气旋控制，有利于副高的西伸并增强。
4结论
江淮持续性暴雨过程受热带低频扰动的影响，尤其是热带印度洋一西太平洋的低频振荡影响我国东南沿海一西北太平洋异常环流系统的变化。主要的低频系统及传播特征表现为：1）可将MJO的位相1、2作为江淮流域持续性暴雨过程发生的热带信号。过程前，当MJO循环至位相1、2时，热带低频对流扰动进入赤道印度洋，热带印度洋北侧一热带西太平洋一带受低频东风影响，西北太平洋出现异常反气旋，随着位相的循环，该异常反气旋向北移动并向我国东南部及南海一带延伸，有利于副高的西伸；2）低频场上，伴随着MJO的传播，我国东南沿海和孟加拉湾一带周期性地受低频反气旋/气旋控制，影响副高的西伸东退。