冯俊阳,主要从事大气季节内振荡方面的研究
利用NOAA的逐日向外长波辐射 (简称OLR) 资料、NCEP/NCAR资料和中国台站降水资料,初步研究了热带地区低频振荡与我国南方冬季降水的关系,并分析了低频振荡不同位相对降水的影响。对低频振荡不同位相的合成分析表明:热带低频振荡的相位变化与位于副热带和菲律宾地区的环流系统的低频变化密切相关,并会影响到我国南方地区降水的演变。在低频振荡强度的高指数年,当对流活跃中心位于热带印度洋 (热带西太平洋) 时,副热带地区的阿拉伯海槽和孟加拉湾槽加深 (减弱),菲律宾附近表现为反气旋 (气旋) 式环流,导致我国南方地区南 (北) 风异常,同时水汽输送和上升运动增强 (减弱),从而导致降水偏多 (少)。低指数年各位相的对流、降水以及其他要素的异常均不明显。
The relationship of the low-frequency oscillation (LFO) intensity and phases in tropics and the winter precipitation in southern China has been investigated based on the NOAA outgoing longwave radiation (OLR) data, NCAR/NCEP data and observed precipitation data in China. The phase composites of the low-frequency precipitation for the high-index years show that the phase changes are significantly correlated with the low-frequency changes of the circulation systems in the subtropical and Philippines and they can affect the precipitation in southern China for different phases. For the high-index years when the active convection center is located in tropical Indian Ocean (western Pacific), the Arabian trough and the Bay of Bengal trough are deepened (weakened), and the anticyclone (cyclone) circulation appears near Philippines. Such environment leads to the south (north) wind anomaly to appear in southern China, the moisture and upward motion are increased (decreased) and the precipitation is more (less). The anomalies in convection, precipitation and other factors are not obvious in each phase for the low-index years.
自从Madden等[
关于热带大气低频振荡的强度,学者们也做了很多研究。李崇银[
热带大气低频振荡强度与中国降水的联系也非常紧密。目前的研究主要关注于夏季降水的情况,Zhang等[
可以看出,热带低频振荡强度对我国降水的影响是显著的。但值得注意的是,这些研究主要是在实时MJO指数的基础上,依据MJO振荡 (30~60天周期) 的传播[
采用水平分辨率为2.5°×2.5°的NCEP/NOAA的OLR逐日资料和NCEP/NCAR的水平风场、垂直速度等逐日再分析资料,以及中国气象局提供的743站的逐日降水资料 (考虑站点的迁移、缺测等原因,选取了其中的572站)。所有资料的时间序列长度均为1979—2008共30年。
采用Butterworth滤波器[
首先定义一个热带低频振荡强度指数。以前的研究已经给出了许多不同的低频振荡强度指数[
其定义方法为:取12月1日、3月1日、6月1日和9月1日为北半球冬、春、夏、秋季开始日,各季长
以及总能量:
由式 (1) 和式 (2) 可得到
它们的比值为:
其中
利用式 (5) 求出OLR的低频振荡强度后,给出OLR多年季节平均低频振荡强度分布图 (
OLR低频振荡强度季节平均分布图 (单位:%,未画小于10的等值线)
Seasonal mean of OLR low-frequency oscillation intensity (unit: %, the values less than 10 not shown)
从4个季节的OLR低频振荡强度分布图可以看出,强的低频振荡活动主要存在于热带印度洋和热带西太平洋区域,并且其强度中心位置从冬季到夏季向北移动。利用同样的方法,用850 hPa纬向风资料经过计算后得到的4个季节的热带低频振荡强度分布图 (图略) 与
为了研究我国南方冬季降水与热带低频振荡强度指数的关系,我们取长江以南的区域 (21°~30°N、110°~120°E) 作为研究的对象。
对上述所选区域 (我国南方地区) 的降水作区域平均后,得到逐年的冬季降水时间序列。利用该序列和同期的热带低频振荡强度场进行逐点相关计算,相关系数分布图如
1979—2007年冬季我国南方地区降水与热带低频振荡强度的相关分布
Correlations between the wintertime rainfall in southern China and the LFO intensity during 1979—2007
1979—2007年冬季热带低频振荡强度指数与我国南方冬季降水的标准化时间序列
Standardized time coefficients of the LFO intensity index and the wintertime rainfall in southern China during 1979—2007
在2.2节的分析看到,低频振荡的强度与我国南方冬季降水的多少有密切的联系,为了分析我国南方冬季降水异常与热带低频振荡不同相位之间的联系,采用位相合成方法对环流场等要素进行分析。首先将上述冬季低频振荡强度指数标准化后 (
把 (10°S~10°N、120°~160°E) 区域的低频OLR做区域平均,分别得到高、低指数年热带冬季低频OLR的逐日序列,如
热带低频振荡强度高指数年 (a) 和低指数年 (b) 热带低频OLR标准化时间序列
The standardized time coefficients of low-frequency winter precipitation in southern China in high index years (a) and low index years (b)
由于采用了OLR资料来表示低频振荡,因此有必要首先考察低频OLR的位相演变。
热带地区低频振荡不同相位OLR的合成 (单位:W·m-2)
The phase composites (phases 1-8) of low-frequency OLR in tropics (unit: W·m-2)
与低频OLR传播的8个位相相对应,下面讨论我国南方冬季降水异常在各个位相上的特征。
热带低频振荡不同相位我国南方冬季降水的合成
The phase composites (phases 1-8) of the precipitation in southern China
综合3.1和3.2节可以得到,当低频振荡的活跃中心位于热带印度洋,减弱中心位于热带西太平洋时,即位相3到位相5时,我国南方地区降水相应偏多,并且位相4时的降水最强,降水最大正异常值达到4 mm·d-1;而当低频振荡的活跃中心位于西太平洋,减弱中心位于印度洋时,即位相7到位相1时,我国南方地区降水偏少,且位相8时的降水最弱,降水最大负异常值达到3 mm·d-1。
Jia等[
从以上的分析可以看出热带对流变化的同时,我国冬季南方降水也发生了变化。这种变化的背后必然存在着大尺度环流背影场的演变,下面通过对不同相位的风场、水汽场和垂直速度场进行考察,来寻找引起降水位相变化的原因。
利用同样的方法对不同相位的环流场和水汽场进行合成 (如
低频振荡不同相位850 hPa低频风场的合成 (矢量,单位:m·s-1) 和水汽通量散度 (阴影,单位:10-5 kg·m-2·s-1) 的合成
The phase composites (phases 1-8) of 850 hPa low-frequency wind (vector, unit: m·s-1) and moisture flux divergence (shaded, unit: 10-5 kg·m-2·s-1)
从环流场和水汽场的分析可以看出,冬季影响我国南方降水的主要因素为副热带地区的阿拉伯槽、孟加拉湾槽以及我国南海附近的气旋系统。当阿拉伯槽和孟加拉湾槽加强,南海地区为反气旋式环流时,则向我国南方地区的水汽输送增强,导致降水偏多,反之,降水偏少。这也表明了热带OLR低频振荡可能是通过阿拉伯槽以及孟加拉湾槽等的低频振荡进而影响我国南方冬季降水。
随着对流活跃中心从印度洋移向西太平洋,我国南方地区的垂直运动也产生了位相变化 (
不同位相110°~120°E平均的垂直速度经向-高度剖面图 (单位:0.5 hPa·s-1)
Latitude-height cross sections of vertical velocity averaged from 110° to 120°E during eight phases (unit: 0.5 hPa·s-1)
综合以上分析,在热带低频振荡强度的高指数年,冬季,我国南方地区降水的位相变化与热带低频振荡的向东传播具有很好的同步性,并且受到副热带南支槽系统以及菲律宾附近的反气旋或气旋式环流的共同影响。在低频振荡的第3到第5位相,对流活跃中心位于热带印度洋,副热带地区的阿拉伯海槽和孟加拉湾槽加深,菲律宾附近表现为反气旋式环流增强,在它们的共同作用下,我国南方地区南风异常,同时水汽输送增强,上升运动增强,降水偏多;在低频振荡的第7到第1位相,对流活跃中心位于热带西太平洋地区,副热带地区的阿拉伯海槽和孟加拉湾槽减弱,菲律宾附近表现为气旋式环流,这导致我国南方地区北风异常,水汽的输送减弱,上升运动也减弱,从而降水偏少。
热带低频振荡强度低指数年我国南方冬季降水的位相合成
The phase composites (phases 1-8) of winter precipitation in southern China for low index years of the LFO intensity
对低指数年的OLR场、环流场、水汽场以及垂直运动场进行分析 (图略),发现其OLR场各位相的异常值都比高指数年小;850 hPa低频风场中,各个位相的风场异常也均弱于高指数年的风场异常,副热带地区的南支槽系统和菲律宾附近的环流系统也不明显;同样,各位相水汽输送以及垂直运动的异常也弱于高指数年。这就表明:在低频振荡强度高值年时,热带地区的对流传播强,我国南方地区冬季降水主要受到副热带地区和菲律宾地区低频环流系统的影响,而低值年,上述两个系统表现得不明显。
需要注意的是,高指数年和低指数年各要素场异常存在的差异很有可能是热带低频振荡强度的年际变化引起的。至于其年际变化与哪些因素相联系及影响其年际变化的机制是什么,我们会在下一步工作中进行讨论。
本文通过对冬季热带低频振荡强度和相位与中国南方地区降水关系的研究,初步得出以下结论:
(1) 选取了一个热带低频振荡强度指数,并验证了我国南方冬季降水与热带低频振荡强度指数有密切的联系。热带低频振荡强度高,我国南方地区降水偏多;热带低频振荡强度低,我国南方地区降水偏少。
(2) 冬季,热带低频振荡的相位变化与位于副热带和菲律宾地区的环流系统的低频变化密切相关,并会影响到我国南方地区降水的演变。
(3) 在热带低频振荡的第3到第5位相,对流活跃中心位于热带印度洋,副热带地区的阿拉伯海槽和孟加拉湾槽加深,菲律宾附近表现为反气旋式环流增强,在它们的共同作用下,我国南方地区南风异常,同时水汽输送增强,上升运动增强,降水偏多;在低频振荡的第7到第1位相,对流活跃中心位于热带西太平洋地区,副热带地区的阿拉伯海槽和孟加拉湾槽减弱,菲律宾附近表现为气旋式环流,这导致我国南方地区北风异常,水汽的输送减弱,上升运动也减弱,从而降水偏少。
(4) 对比高低指数年我国南方冬季降水的位相合成,高指数年各位相的低频降水异常以及其他要素的异常均强于低指数年。高指数年影响我国南方地区冬季降水的副热带和菲律宾地区的低频环流系统明显,低指数年则不明显。
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