引 言

华北夏季降水量占全年降水量的50%以上，主要由几次暴雨造成，是我国降水集中程度最大的地区(“华北暴雨”编写组，1992)。自20世纪60年代开始，华北地区降水量呈现减少趋势(郝立生等，2010；2012)，而2010年以来华北降水连续偏多，暴雨过程频发，降水强度增强，尤其是2012年7月21—22日京津翼地区的特大暴雨过程，降水持续时间长，降水强度大，属历史罕见。暴雨过程造成了城市交通拥堵、人员伤亡、城市渍涝，经济损失严重。针对这次极端降雨过程，利用多种常规和非常规资料已对降水过程的降水特点、中尺度系统以及天气形势特点进行了细致的研究(谌芸等，2012；孙军等，2012；方翀等，2012；周宁芳，2012)。

异常的大气环流是造成强降水过程的主要原因，而大气低频振荡对异常环流的形成和维持具有十分重要的作用。已有的研究(Lau et al, 1998；李崇银等，2003)指出，大气低频振荡是中国东部降水的主要模态，我国东部洪涝很大程度上与大气低频有关(贾小龙等，2011；Jia et al, 2011；占瑞芬等，2008)。国内学者对江淮流域(陆尔等，1996；毛江玉等，2005)、长江中下游地区(琚建华等，2005；王遵娅等，2008)以及华南地区(朱乾根等，2000；纪忠萍等，2012)的降水和主要影响系统的低频振荡及其传播特征进行了大量研究，而关于华北降水的研究多是针对其年际-年代际变化和相应大气环流演变特点以及物理成因的分析，或者是针对华北暴雨过程的天气学特点研究，而对于华北夏季降水的低频振荡的特征研究较少。有研究指出(Zhang et al, 2001)分析了冬、春亚洲季风区赤道辐合带(ITCZ)的活动对华北夏季降水的影响，表明多雨年南北两个半球的低频振荡强度较大，范围较广，并不断由南向北传播，在华北夏季降水过程中起着重要的作用。因此，本文将针对2012年华北夏季降水和相应大气环流的低频特征进行详细分析，了解低频振荡对2012年夏季华北暴雨形成和维持中的重要性，进一步加深对于华北地区暴雨的认识。

1 资料和方法 1.1 资料

本文使用的逐日降水资料来自国家气象信息中心提供的中国台站观测资料，再分析资料取自美国国家环境预报中心(NCEP)的逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。所有变量的气候态(常年值)均是1981—2010年平均值，距平场为原始值减去气候态。研究的华北区域是结合实际业务，选取包括山西、河北、山东大部和辽宁西部，共计66站(图 1)，华北区域逐日降水是将这66站逐日降水求和并做66站平均之后所得。

1.2 Butterworth滤波

文中对2012年夏季共计92 d的逐日资料均采用了Butterworth带通滤波器进行滤波，该方法在大气科学领域得到比较广泛的应用。

通常时间滤波器的输入和输出信号的关系为：

${{y}_{b}}\left( t \right)=a\left[ x\left( t \right)-x\left( t-2 \right) \right]-{{b}_{1}}y\left( t-1 \right)-{{b}_{2}}y\left( t-2 \right)\\ \quad\quad t=1,2,\cdots,N\quad(N\text{为序列长度})$

(1)

响应函数为：

${{R}_{B}}\left( f \right)=\left| \frac{a\left( 1-{{Z}^{2}} \right)}{1+{{b}_{1}}Z+{{b}_{2}}{{Z}^{2}}} \right|$

(2)

式中：Z=e^-2πfΔT，f是频率。

$a=\frac{2q}{4+2q+p}$

${{b}_{1}}=\frac{2\left( p-4 \right)}{4+2q+p}$

${{b}_{2}}=\frac{4-2q+p}{4+2q+p}$

$q=2\left| \frac{\sin 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{1}}\Delta T}{1+\cos 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{1}}\Delta T}-\frac{\sin 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{2}}\Delta T}{1+\cos 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{2}}\Delta T} \right|$

$p=\frac{4\sin 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{1}}\Delta T\sin 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\Delta T}{\left( 1+\cos 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{1}}\Delta T \right)\left( 1+\cos 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }{{f}_{2}}\Delta T \right)}$

本文中ΔT取为1 d，滤出10~13 d的信息，其响应函数，通过带中心约为11 d。

2 2012年华北夏季降水的低频特征

2012年夏季华北地区降水自6月下旬开始明显增多，6月28—29日有一次大范围中到大雨过程，7月降水强度增大，8—10日有一次大范围的大到暴雨过程，下旬降水最集中，强度也最大，21—22日和7月31日至8月2日分别出现两次大到暴雨，部分地区特大暴雨的强降水过程。7月26日在部分地区(河北和天津)也出现大到暴雨过程，但降雨范围较上述4次过程要小。对华北区域降水距平序列进行Morlet小波分析(Torrence et al, 1998)得到2012年华北地区夏季降水的主要周期特征(图 2)，可以看到除了显著的2~6 d天气尺度的周期之外，在准双周的时间尺度上也存在显著周期，典型周期为10~13 d，其在7—8月初最为显著。此外，还存在20~25 d的振荡周期，但没有通过0.05显著性水平检验。

图 3是2012年夏季华北区域平均降水量的逐日变化和10~13 d以及20~25 d的带通滤波后的时间序列。从图中可见10~13 d的振荡从7月初开始明显增强，8月中旬开始减弱，振荡的演变和降水有很好的对应关系，几次强降水过程基本都发生在振荡的波峰处。此外还可以看到，降水集中且降水强度大的6月下旬至8月上旬，20~25 d振荡幅度要弱于10~13 d振荡，其随时间的演变和降水的关系不如10~13 d那样显著，只是在7月4—5和26日两次降水过程时20~25 d振荡处于正位相，而10~13 d的振荡是位于负位相, 表明20~25 d的振荡在这两次相对较弱的降水过程中起到一定作用。

鉴于10~13 d低频振荡和强降水的关系更为密切，因此下文仅针对10~13 d低频环流形势的演变特征和机理进行分析。

3 低频振荡的传播特征

华北夏季降水涉及不同纬度的天气系统以及它们的相互作用，下面对对流层低层和高层相应的低频环流的传播特征进行分析。

3.1 200 hPa高空急流传播

东亚高空西风急流是影响整个东亚地区天气、气候异常的重要系统之一，我国大部地区的降水都与高空西风急流的变化密切相关。图 4是35°~45°N平均的200 hPa纬向风(U₂₀₀)距平的时间-经度剖面图，反映了高空西风急流的纬向传播特点。图 4a是未作滤波的U₂₀₀距平，可以看到华北降水强度较大的6月下旬和7月在105°~120°E均对应U分量距平正值，表明高空急流较常年同期偏强。从正值中心的传播看，可以看到4次能量从上游地区向东传播的过程，分别对应4次强降水过程。图 4b是10~13 d滤波后的U₂₀₀，可以看到6月下旬至7月底有4次来自上游的低频西风的东传，时间上对应4次强降水过程，表明低频西风加强了华北上空的高空西风急流，使得高空急流较常年偏强，尤其是图 4a中7月20日前后，U₂₀₀在105°E附近的距平达到6 m·s^-1以上，较常年同期明显偏强。

3.2 850 hPa经向风传播特

低空急流加强也是华北降水发生、发展的重要条件之一，比较105°~122.5°E平均850 hPa经向风(V₈₅₀)距平的经向传播特点可以反映出低空急流的南北传播特点。从图 5a中没有滤波的V₈₅₀传播可以发现自6月中旬至8月上旬主要有3次明显的南风从低纬度加强向北传播的过程，分别对应3个多雨时段。在低纬度南风加强北送的同时，华北地区的几次强降水过程中都伴有来自35°N以北地区的南风加强。从10~13 d滤波的风场距平来看(图 5b)，存在明显的准双周振荡从低纬度向高纬传播的过程，其强度在7月中旬后明显增强，传播的范围逐渐向北推进，但是从4次强降水过程看，并不是每次过程都伴有相应的低频传播过程，例如7月21日前后和31日前后的强降水过程中10~13 d振荡均表现为低频北风，因此可以说明这两次过程直接来自105°~122.5°E低纬度的低频振荡的水汽贡献不是主要和直接的。

有研究(梁萍等，2007)指出，来自西太平洋和中高纬西风带的水汽变化及其异常对华北暴雨的产生有重要影响。因此进一步分析35°~45°N平均的850 hPa V风距平的纬向传播(图 6)，图中可以清楚看到，4次强降水过程都伴有西风东传，且在华北地区增强。从10~13 d滤波后的V₈₅₀(图 6b)可以看到，除了强度较明显的自西向东传播之外，6月14日、6月28—29日及8月2日前后的降水过程中同时存在自东向西传播的过程，表明35°N以北地区的南风加强不仅是西风带槽前偏南风增强造成，来自西北太平洋的偏南风增强也同样起到一定作用。

4 华北暴雨伴随的低频大气环流时间演变

下文将针对2012年华北10~13 d低频降水和相应环流形势的演变特征和机理进行进一步分析。从图 3中可以看到2012年华北暴雨集中在6月下旬至8月初，此期间有4个完整的10~13 d低频循环，且低频振荡的幅度较其他时段显著偏强，因此将该时段一个振荡周期划分为6个位相，其中第一位相是10~13 d低频强度最弱的位相，对应华北降水较弱，第四位相是低频强度最强的位相，其时间和华北的4次暴雨过程时间基本一致，第二、三和五、六位相是低频振荡由弱(强)变强(弱)的位相，这6个位相包含了低频降水的整个周期。

根据华北降水10~13 d振荡的6个不同位相合成4次低频循环的850 hPa低频距平风场和整层低频水汽距平场可以看到(图 7)，华北地区在第一位相时为一个反气旋式环流控制，水汽含量较常年偏少。随着华北低频降水从弱位相变为强位相，可以看到首先是孟加拉湾地区由南风异常变为低频反气旋式环流，2位相开始我国南海至菲律宾以东的低频系统逐渐向西北方向传播，南海至台湾地区第一位相时的低频反气旋式环流在第四位相时已变为低频气旋环流，该气旋环流东侧的西南风异常可以将来自孟加拉湾和南海的异常暖湿水汽输送到更加偏北的东部海域。与此同时，中高纬低频环流调整，西北太平洋的低频气旋式环流逐渐北抬，其南侧低频偏东风和南海的低频气旋北侧的东南风异常汇合，华北地区变为低频南风异常影响。此外来自孟加拉湾北部的低频西南风和来自西亚的低频西风异常在西北地区东部汇合，使得华北暴雨前，西北地区东部的低频水汽也较常年明显偏多。华北降水最强的第四位相时，西北地区东部至华北一带为低频水汽偏多区。表明来自西部的低频水汽输送对于华北强降水的发生有一定的贡献。随着降水低频振荡逐渐减弱，孟加拉湾的低频反气旋首先减弱，南海的低频气旋继续西移，强度减弱，西北太平洋的低频反气旋式环流重新建立，华北地区重新处于低频偏北风异常的控制，水汽含量减小，因此降水强度减弱。分析中可以发现，孟加拉湾地区低频系统的变化要早于其他低频系统的变化，具有一定先兆性意义。

中高纬大气环流对华北的夏季降水有直接的影响，图 8是根据华北降水10~13 d低频位相合成的500 hPa高度场和低频高度距平场，用来解释中高纬环流和副热带高压的低频活动演变，可以看到第一位相时我国中高纬是较平直的纬向环流，高纬度大部地区都是正的低频高度距平。华北地区受一个弱脊影响，其上游新疆北部有一个低频高度负距平中心，随着这个低频中心东移增强，伴随一个西风槽的东移加深。同时位于东北地区的高空槽东移至西北太平洋面后，东亚槽加深，东段副热带高压强度减弱，西段副热带高压和西风带高压脊“打通”，使得我国中高纬度调整为两脊一槽型，有利于华北暴雨的产生，这与李崇银等(1992)的研究结果较一致。第四位相时，华北地区正处于来自新疆北部西风槽前，槽后携带的冷空气和槽前暖湿气体交汇与华北地区，造成明显的降水天气过程。随着西风带高空槽东移减弱，华北地区再次为一个弱脊控制。

图 9是200 hPa低频风场距平以及相应低频散度距平场的合成图，从第一位相可以看到，伊朗高原上空为低频气旋式环流，中南半岛北部至青藏高原东部为弱的低频反气旋式环流，华北—黄淮—东北上空为低频气旋式环流，华北大部地区高空为偏强的低频偏北风，低频辐散较常年偏弱；随着10~13 d降水低频强度由弱变强，伊朗高原上空的低频气旋环流减弱消失，青藏高原东部的低频反气旋式环流加强，位置有所东移，华北上空的低频气旋式环流异常东移减弱，华北地区上空的低频西风异常加强，低频散度显著增大。在第四位相时，华北至东北地区低频散度值达到最大，高空非常强的辐散环境有利于低层辐合加强。随着降水低频强度减弱，青藏高原东部的低频反气旋式环流继续东移减弱，伊朗高原上空再次出现低频气旋式环流。由此可以说明，青藏高原东部反气旋式低频环流的加强东移，使得高空急流的位置北抬，东亚高空急流加强，造成强烈的高空辐散，为华北地区的降水提供很好的动力条件，而伊朗高原上空的低频气旋式环流的建立和消失提前其他系统的变化，具有一定的预报指示意义。

5 结 论

本文对2012年华北夏季降水的低频振荡特征及其相应的低频大气环流进行了分析，结果表明：

(1) 2012年华北夏季降水存在显著的10~13 d低频振荡周期，振荡的演变和降水有很好的对应关系，大的降水过程基本发生在振荡的波峰处。

(2) 对流层中低层直接来自南海的低频南风对华北降水的贡献不是直接的。低频强降水发生前，首先在孟加拉湾地区的低频反气旋出现并逐渐加强，随之菲律宾至我国南海地区的低频环流系统逐渐向西北方向传播。同时由于和中高纬度低频系统的相互作用，东段西北太平洋副热带高压的强度减弱，日本海地区高压脊发展，来自西太平洋的低频西南风和西段高压底部的低频东南气流汇合加强，华北地区变为受低频南风异常影响。同时，35°N以北西风槽前的低频偏南风东传，携带多路低频水汽为华北强降水的发生提供充沛的水汽条件。

(3) 伴随每次华北强降水过程，中高纬低频高度距平大值中心东移，西风槽在河套地区加深，并继续东移至华北地区，中高纬环流形势由较平直纬向环流调整为两脊一槽型。对流层上层位于伊朗高原的低频气旋式环流减弱，随后青藏高原东部的低频反气旋加强东移，使得东侧高空急流加强，位置明显北抬，华北大部正好位于高空低频辐散大值区附近，这种强烈的低频辐散场为华北降雨的提供一定的动力抬升条件。