2011年春夏长江中下游旱涝急转的低频环流系统变化

刘佩佩，巩远发，李 妍，连 帆

(成都信息工程学院大气科学学院，高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225)

0 引言

大气低频振荡(MJO)最早是由Madden和Julian[1－2]在1971年发现，他们利用坎顿岛上风场和地面气压场的观测资料，通过谱分析发现了热带大气中存在40～50d周期的低频振荡，1979年，Yasunari[3]在研究印度季风区的云量时也发现了这种30～40天的周期变化特征。后来研究分析，低频振荡不仅存在于热带大气中，中高纬地区大气中也存在明显的低频变化特征，Kishnamurtietal[4]和李崇银[5]的研究还证明了低频振荡的全球性;之后的几十年中，大气低频振荡受到国内外气象学者的广泛关注，目前对于大气低频振荡的结构、传播以及变化特征都有了一些新的认识。

大气低频振荡的时间尺度是延伸期天气预报的重要信号，2004年Wheeler和Hendon[6]利用热带地区(15°S～15°N)的向外长波辐射、850hPa纬向风和200hPa纬向风进行多变量EOF展开，将逐日资料投影到前两个EOF主模态上提取包含MJO信号的一对主成分，并定义MJO指数RMM，此指数能反映热带大气低频振荡的主要特征。澳大利亚、美国等国家利用这个指数进行延伸期的天气预报，取得较好效果。中国的气象工作者也对延伸期的预报进行了一些试验，丁一汇等[7－8]利用梅雨区季节内振荡信号建立最优子集回归模型，进行汛期梅雨区逐候降水量延伸预报试验，结果表明梅雨区逐候降水量预报是有可能的;朱红蕊等[9]利用SSA-AR方法对MJO指数进行预报试验也取得很好效果。

近年来，越来越多的研究发现，大气低频振荡(30～60天)与中国东部的降水有很大关系。琚建华等[10]的研究表明，季风涌的传播表现为很强的低频波动特征，重要表现为低频波动的波峰(波谷)对应中国江淮地区的降水集中期(间歇期);黄菲等[11]发现，气候态下的降水季节内振荡在长江中下游地区尤其显著;夏芸等[12]的结果是2003年江淮地区的强降水过程表现为很强的30～70天周期;岑思弦等[13]也发现，2007发生在淮河流域的洪涝有明显的低频变化特征，与此同时，大气热源、垂直环流、水汽输送等也都有相对应的低频变化特征;章丽娜等[14]的研究也表明，华南前汛期的降水与热带大气季节内振荡有很好的关联等。

综上所述，大气低频振荡对长江中下游地区的降水有重要的影响，2011年春末夏初长江中下游地区发生了很明显的旱涝急转现象，给这一地区带来了巨大经济损失，此次旱涝急转表现十分迅速，3～5月是大范围干旱，整个6月的降水量甚至超过往年整个夏季(6～8月)的总降水量。封国林[15]、沈柏竹等[16]从大气环流、海温、水汽输送、风场等方面分析了这次旱涝急转事件发生的原因。文中主要从对流层低层－高层的低频振荡环流系统进一步分析旱涝急转形成的可能原因。

文中研究所用包括:(1)国家气象信息中心的全国753站的逐日降水数据，时间长度为1960～2011年;(2)NCEP/NCAR全球再分析资料中的U、V风场和垂直速度ω，水平分辨率为2.5*2.5经纬度、垂直方向有17层。选用Butterworth带通滤波器。

1 2011年春夏长江中下游旱涝急转概况

图1和图2是2011年春夏旱涝急转前干旱期5月中国南方地区降水量距平和距平百分率。从图1可以看到，5月长江中下游地区降水量距平值均为负值，大多地区达到－60mm以上，江淮、黄淮、江汉、江南以及西南地区的贵州省等地区降水较同期偏少，其中江西北部降水量与常年同期相比最少，降水负距平超过－100mm，而华南北部少部分地区降水与同期相比较多。同时由图2可以看出以上地区的降水距平百分率都达到－40%，表明5月整个长江中下游地区较常年同期来说甚是干旱。

图3和图4是2011年春夏旱涝急转后洪涝期6月中国南方地区降水量的距平和距平百分率，从图3可以看出，进入6月长江中下游地区降水量距平值发生了迅速转变，整个长江中下游地区都为降水正距平，江南地区北部、江淮地区、江汉地区东部的降水正距平都超过100mm，其中浙江西北部、安徽南部地区达到200mm以上，最高中心强度值更是超过240mm，6月长江中下游地区降水量大大超出常年同期水平。从图4中的6月降水量距平百分率来看，降水正距平超过100mm的地区降水距平百分率也都大于40%，在浙江西北部、安徽南部地区降水距平百分率甚至达到80%以上。由此可见，与5月降水量偏少的干旱状况相比，6月长江中下游地区降水异常偏多出现洪涝状况，此次旱涝急转的状况十分明显。

图1 2011年5月降水距平(单位:mm，实线为正距平，虚线为负距平，等值线间隔为20mm)

图2 2011年5月降水距平百分率(实线为正距平，虚线为负距平，等值线间隔为20%)

图3 2011年6月降水距平(单位:mm)

图4 2011年6月降水距平百分率

2 2011年3～8月长江中下游低频环流系统特征

2.1 长江中下游地区3～8月降水和垂直速度的变化

图5(a)和图5(b)直方图分别是3～8月长江中下游地区(110°E～120°E，27.5°N～32.5°N)逐日降水变化和其对应区域平均的500hPa垂直速度逐日变化。可以发现长江中下游地区在整个春季(3～5月)降水总体较少，在6月4日开始降水突然增加，6月5日区域平均降水量接近40mm，6月8日和9日降水有短暂间歇，10日降水又急剧加强，15日达65mm，直到6月底降水过程才结束，而整个夏季(6～8月)降水中6月降水强度最强。通过计算降水变化与区域平均500hPa垂直速度可以发现，二者有很好的相关关系，3月1日到8月31日期间的相关系数为－0.289，4月1日到7月31日的相关系数为－0.305，都通过信度为99%的显著性检验。对比图5(a)和图5(b)也可以直观地看到，在5月底到6月初旱涝转换期间二者的对应关系很明显，在6月初降水出现的阶段，区域平均垂直速度为负，而在6月8日和9日的降水间歇期，区域平均垂直速度为正，随后的连续降水阶段，区域平均垂直速度一直保持为负值。

图5 2011年3～8月平均的逐日降水和平均的500hPa逐日垂直速度

进一步对区域平均的500hPa垂直速度进行30～60天带通滤波，结果如图6所示。从图可以看到，500hPa垂直速度在5月到6月旱涝急转期间30～60天的低频振荡显著加强，急转前的干旱期，是强的低频垂直速度正位相(下沉运动);急转后的洪涝期，是强的低频垂直速度负位相(上升运动);垂直速度由正(下沉运动)转负(上升运动)的时间也几乎对应由旱转涝的时间。3～4月和7～8月的低频振荡相对较弱。说明大气低频振荡可能对2011年春夏旱涝急转的发生有重要影响。

图6 2011年3～8月区域(110°E～120°E，27.5°N～32.5°N)平均的500hPa逐日垂直速度30～60天的带通滤波时间序列(曲线)及原始序列(直方图)(单位:Pa/s)。

图7 2011年3～8月区域(110～120°E，27.5～32.5°N)平均的500hPa逐日垂直速度的小波变换和不同频域小波方差图

对2011年3～8月区域(110°E～120°E，27.5°N～32.5°N)平均的500hPa逐日垂直速度做小波变换，从图7(a)可以看出:在5月初到7月底这段时期，长江中下游地区的垂直速度存在尺度因子a≈10为主要周期的低频振荡，在这个尺度上，6月上中旬长江中下游地区负的低频垂直速度最强，与长江中下游地区降水最强的时期相对应，可见此低频序列对长江中下游地区该时期的降水有重要影响。再从各频域小波方差图(图7b)也可以看出2011年春夏季长江中下游地区3～8月垂直速度的小波方差在尺度因子a≈10处有极大值，可见2011年春夏30～60天的低频振荡是引起长江中下游地区旱涝急转的重要原因之一。

为了更清楚地看到30～60天各要素低频变化特征，参照岑思弦等[13]的方法，将图6中30～60天低频垂直速度时间序列中5月中旬到6月下旬这个循环分为9个位相(具体对应时间如图6所示)，其中位相3、7分别代表垂直速度低频振荡的下沉速度最强的波峰与上升速度最强的波谷;位相1、5、9为垂直速度转换期，其中位相1代表振荡由正的垂直速度向负的垂直速度的过渡，位相5与1相反，代表由中断期向活跃期转变，而位相9与1相同;位相2、4、6、8表示低频振荡的振幅值达到循环最小值或最大值一半的时间。可以很清楚的看出垂直速度位相转变与降水的转变表现几乎一致，在1～4位相，垂直速度低频结果为正的垂直速度，而此时长江中下游地区的降水也十分少，而在第5位相转换期，从6月3日开始垂直速度低频位相转变为负的垂直速度位相，同时长江中下游地区由旱转为涝，随后的6、7、8位相垂直速度保持为负，降水也一直很强，垂直速度向上最强的第7位相也是降水最强的阶段，到第9位相垂直速度由负转为正，降水开始减弱。

2.2 长江中下游地区旱涝急转的低频环流系统

为了进一步分析旱涝急转的低频环流系统特征，对2011年春夏对流层低层(850hPa)和高层(200hPa)的散度场进行30～60天带通滤波，选取最有代表性的向下垂直速度最强的第3位相(5月25～27日)、转换期的第5位相(6月1～3日)、向上垂直速度最强的第7位相(6月12～14日)，并对这3个位相的低频散度进行合成，结果如图7、8、9 所示。

图8(a)和8(b)分别为第3位相(5月25～27日)850hPa和200hPa散度30～60天的滤波平均值。850hPa图可知5月降水偏少的江淮、黄淮、江汉、江南以及贵州省大部分地区的散度都为正值，表明这些区域都为辐散区，在浙江南部，福建北部有一辐散中心，辐散最强，与最大降水负距平中心基本一致。同时在华南地区为散度辐合区，这也与5月华南地区降水正距平区域相对应。200hPa图上，低层辐散区所对应地区基本都为散度负值区，表明这些地区在高层都为辐合。由此得出，在第3位相，长江中下游地区为低层辐散，高层辐合的稳定结构，是非常不利于形成降水，导致整个5月的降水偏少。

图8 第3位相(5月25～27日)平均的低频散度(单位:10－6s－1)

图9(a)和9(b)分别为第5位相(6月1～3日)850hPa和200hPa散度30～60天的滤波平均值。由850hPa第5位相的低频散度可以看出，进入6月的1到3日，在长江中下游地区的低层的低频散度已经由之前的较强辐散转变为较弱的状态，而在200hPa图上，长江中下游地区高层的低频散度由之前的辐合转变为弱辐散。即转换期的第5位相，长江中下游的低频散度场从低层到高层均转变很弱的辐散。

转换期后，降水急剧增加，向上垂直速度最强的第7位相(6月12～14日)的低频散度场如图10所示，图10(a)的850hPa低频散度场明显地从第3位相的辐散转变为辐合，而且不仅是长江中下游地区，包括华南北部，西南地区东北都为辐合区，最强辐合中心位于湖南和江西两省中部。同时期高层200hPa(图10a)低频散度场上，长江中下游地区均为辐散，辐散中心位于安徽、江西、浙江三省交界地区，而这种低层辐合，高层辐散稳定结构，非常有利于形成降水，并且低层辐合中心、高层辐散中心与6月降水最集中的地区基本一致，集中在安徽、江西、浙江三省交界处。

图9 第5位相(6月1～3日)平均的低频散度(单位:10－6s－1)

图10 第7位相(6月12～14日)平均的低频散度(单位:10－6s－1)

综上分析，从对流层低层－高层低频散度场配置的变化可以看出，在干旱的5月，长江中下游地区稳定维持着低层辐散、高层辐合的环流系统，在旱涝急转期的6月初，长江中下游地区低层到高层的辐散辐合都较弱，转入洪涝期之后，长江中下游地区迅速转为低层辐合、高层辐散环流形势，非常有利于形成降水。

3 结论与讨论

(1)2011年春夏期间发生在长江中下游地区的旱涝急转现象明显，旱涝急转发生在6月第一候，前后降水反差巨大。5月较往年同期偏旱40%以上，而6月较往年同期偏涝60%以上，整个6月的降水量超过往年同期整个夏季(6～8月)的降水量。

(2)2011年春夏长江中下游地区500hPa的垂直速度的低频振荡变化特征与旱涝急转的变化有很好的对应关系，急转前的干旱期，为低频垂直速度正位相(下沉运动);急转后的洪涝期，为低频垂直速度负位相(上升运动);垂直速度由正(下沉运动)转负(上升运动)的转换时间对应由旱转涝的时间。

(3)对流层低层(850hPa)－高层(200hPa)散度场的低频变化特征进一步证实低频环流系统的配置对旱涝急转的影响。在垂直速度为正的第3位相，长江中下游地区的低频散度场为低层辐散、高层辐合的低频环流系统，不利于降水的形成;在垂直速度由正转负的转换期第5位相，低层和高层的辐散辐合都较弱;在垂直速度为负的第7位相，低层辐合、高层辐散的低频环流系统使得降水大幅增加。

影响降水的因素很多，文中仅从垂直速度和散度分析了此次旱涝急转的低频环流系统特征，而对于水汽等其他方面的因素尚未考虑，在随后的研究工作中将进一步分析可能引起此次旱涝急转的其他低频振荡信号。

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