华南夏季多年平均降水低频特征及其与低频水汽输送关系

李丽平，白婷

(1．南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044;

2．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏 南京 210044;3．南京信息工程大学大气科学学院，江苏 南京 210044)

华南夏季多年平均降水低频特征及其与低频水汽输送关系

李丽平1，2，3，白婷1，2，3

(1．南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044;

2．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏 南京 210044;3．南京信息工程大学大气科学学院，江苏 南京 210044)

利用中国国家气象信息中心提供的1961—2011年753站逐日降水资料、NECP/NCAR逐日再分析风场和比湿资料，研究了华南夏季多年平均降水低频特征及其与低频水汽输送的相关关系。结果表明，华南夏季降水量呈增多趋势，1992年之后(1993—2011年，时段Ⅱ)比之前(1961—1992年，时段Ⅰ)明显偏多，尤以广西大部、广东北部、闽赣交界处增幅最大。无论时段Ⅰ或时段Ⅱ，华南多年平均夏季降水均呈显著的10～20 d低频振荡，但时段Ⅱ比时段Ⅰ的低频周期更显著。影响10～20 d低频降水的10～20 d低频水汽输送环流系统，在时段Ⅰ主要为西北太平洋反气旋式水汽环流和中南半岛东部、南海南部的一对气旋、反气旋式水汽环流，水汽来自孟加拉湾、南海和西太平洋，冷空气来自里海附近和贝加尔湖以东;在时段Ⅱ主要为西北太平洋反气旋式—气旋式水汽环流对、印尼以东洋面的气旋式、反气旋式水汽环流对，水汽来自南海和西太平洋，冷空气来自贝加尔湖以东。

华南;多年平均夏季降水;低频特征;水汽输送

0 引言

大气低频变化是指时间尺度在7～10 d以上、100 d以内的大气运动变化，包括季节内振荡(30～60 d，Intraseasonal Oscillation，简记为 ISO)和准双周振荡(10 ～20 d，Quasi-biweekly Oscillation，简记为QBW)(李崇银，1991)。

自20世纪70年代初Madden and Julian(1971，1972)首先发现热带大气纬向风和气压场存在40～50 d周期的低频振荡以来，低频振荡现象一直受到国内外气象学家的高度重视。Krishnamurti and Bhalme(1976)对南亚季风区的云量和降水进行了周期分析，指出这两者都存在10～20 d的低频振荡。Barlow et al.(2005)分析指出，印度洋东部的ISO活动可调控西南亚冬季降水，并存在显著的年际变化特征。Wheeler et al.(2009)的研究表明，在澳大利亚南部，除冬季外，影响降水最直接的因素为ISO的热带对流异常，且ISO指数在不同的传播位相对澳大利亚降水产生不同影响。琚建华和赵尔旭(2005)研究指出，东亚强季风涌年，准30～60 d振荡的影响显著，易造成长江中下游多雨;弱季风涌年，准30～60 d振荡减弱，10～20 d低频振荡为主要的周期振荡，易造成长江中下游干旱。徐敏等(2010)利用淮河流域1994和2003年两年的资料，分析了淮河流域典型旱涝年夏季逐日降水的主要周期，发现涝年30 d以上低频振荡的方差贡献大于旱年。刘冬晴和杨修群(2010)揭示了热带低频振荡影响中国东部冬季降水的机理，指出:热带对流活动从赤道印度洋西部东移至赤道西太平洋，中国东部冬季降水先后经历了长江流域多雨、整个南方多雨、华南多雨而长江流域少雨的过程，该过程约为20 d。吕俊梅等(2012)发现，热带大气ISO活动的持续性异常是2009—2010年云南极端干旱事件发生的重要原因之一。

华南地处我国大陆最南端，是我国雨量最充沛且气象灾害频发的区域(李丽平等，2010，2012;张旭斌和张熠，2011;何编等，2012)。汛期从4月开始直到9月甚至10月才结束。4—6月称为前汛期，此时的强降水多属极锋性质的降水;7—9月称为后汛期，此时的强降水主要是受台风和热带辐合带(ITCZ)等热带天气系统的影响(覃武等，1994;郭其蕴和沙万英，1998)。许多学者对华南低频降水及相关大气低频要素场进行了研究。如:信飞等(2007)发现，1997年华南汛期降水周期有明显的阶段性，前汛期(主要为5—7月)降水表现出明显的准双周(10～20 d)振荡特征，而后汛期降水主要为5～10 d的周期振荡，低频特征不明显;纪忠萍等(2010)指出，广东前汛期降水与500 hPa高度场关键区在大多数年份均存在显著的准双周振荡及较弱的季节内振荡。高斯等(2010)利用1958—2000年NCEP/NCAR再分析资料和华南降水资料，分析了大气热源30～60 d振荡对华南6月旱涝的影响。章丽娜等(2011)研究了季节内振荡对华南前汛期降水的影响，认为随着ISO的活跃中心从印度洋进入西太平洋，华南地区的降水由偏多转为偏少。张婷等(2011)指出，华南汛期降水具有30～60 d低频周期，南半球马斯克林高压和澳大利亚高压系统由强(弱)到弱(强)的演变过程，对应华南降水的多雨带由西南(东北)向东北(西南)的转移。

上述研究表明，大气低频振荡对华南低频降水有重要影响。但研究大多针对华南前汛期或个例年份进行，很少针对华南夏季低频降水特征及成因进行研究，而对华南多年平均夏季降水低频特征的研究则更鲜见。为此，本文将重点分析华南多年平均夏季降水的低频特征，并进一步讨论低频水汽输送的影响，为华南夏季降水预测提供参考。

1 资料与方法

所用资料包括:中国国家气候中心提供的1961—2011年753站逐日降水资料;1961—2011年NCEP/NCAR全球逐日再分析资料，包括风场、比湿和高度场，水平分辨率为2.5°×2.5°(Kistler et al.，2001)。

采用Morlet小波分析(吴洪宝和吴蕾，2005)、Butterworth带通滤波(吴洪宝和吴蕾，2005)、合成分析等气象统计方法(黄嘉佑，1990)。选取(105～120°E，20 ～27.5°N)作为研究的华南区域，剔除降水资料长度不足51 a的站点，共选取76个测站代表华南地区，站点分布如图1所示。

图1 华南地区76个代表站点分布Fig.1 Distribution of76 representative stations in South China

2 华南汛期总降水量趋势特征分析

由1961—2011年华南区域平均夏季(6—8月)降水量及相应的滑动t检验曲线(图2)可知，华南区域平均夏季总降水量具有明显的年代际转折特征，1992年以前(1961—1992年，简称为时段Ⅰ)总降水量比之后(1993—2011年，简称为时段Ⅱ)明显偏少，滑动t检验结果进一步证实1992年为年代际转折时间点。下文重点对比分析年代际转折前后华南夏季降水低频特征的异同，并对比分析相关水汽输送特征的差异。

3 两个时段多年平均夏季降水低频特征对比分析

3.1 代表站选取

由时段Ⅰ和时段Ⅱ华南多年平均夏季总降水量(图3a、3b)可见，两个时段中，降水大值区(≥600 mm)均主要位于广东、广西两省，但时段Ⅱ全区域多年平均夏季总降水量明显多于时段Ⅰ，特别是广西大部、广东北部、福建和江西交界处降水偏多40 mm以上(图3c)。另外，研究表明，华南地区夏季降水量呈增多趋势、雨涝范围也呈增大趋势(任嵩，2002;王志伟等，2005;罗碧瑜等，2008)，本文结论也证实了这一点。

3.2 两个时段降水低频特征对比分析

根据两个时段多年平均夏季总降水量大值区及其差值显著区域(图3)，从76站中选取32个代表站作为重点研究对象(图3c)，并对两个时段夏季降水低频特征进行研究，比较它们的差异。

图2 1961—2011年华南区域平均夏季总降水量(实线;单位:mm)及滑动t检验曲线(点线)(长虚线是两个时期的均值)Fig.2 Regional mean total precipitation(solid line;units:mm)in summer from 1961 to 2011 in South China and moving t-test line(dotted line)(the long dashed lines are average for the two periods，respectively)

为了解时段Ⅰ和时段Ⅱ多年平均夏季总降水量是否存在显著低频周期，分别对两个时段各代表站多年平均逐日降水序列作Morlet小波分析，其显著周期的统计结果如表1、表2所示。可见:10 d以上的低频周期十分显著;虽然不同站点的显著周期有一定差异，但总体而言，10～20 d是华南两个时段夏季降水的显著振荡周期。

图3 时段Ⅰ(a)、时段Ⅱ(b)多年平均夏季总降水量分布(阴影值≥600 mm)以及两时段的差值分布(c;时段Ⅱ减时段Ⅰ;阴影值≥40 mm;·表示代表站)Fig.3 Multi-year mean total summer precipitation in(a)period I and(b)period II(shadings≥600 mm)，and(c)the precipitation difference between the two periods(period II minus period I;shadings≥40 mm;·denotes the representative stations)

为进一步比较时段Ⅰ和时段Ⅱ华南多年平均夏季降水的低频特征，分别对华南区域平均的两时段多年平均逐日降水序列进行小波分析(图4a、4b)。可见，时段Ⅱ比时段Ⅰ的10～20 d振荡周期更显著。时段Ⅰ夏季降水主要低频振荡周期为10～15 d，8月上中旬该低频周期较显著;时段Ⅱ夏季降水在6月、7月和8月上中旬的10～20 d低频周期均显著。从华南区域两时段多年平均的6—8月逐日降水序列及其10～20 d滤波曲线(图4c、4d)可看出，低频分量能反映出降水强度的变化，时段Ⅱ的10～20 d低频周期更明显。

进一步计算华南地区76站在时段Ⅰ和时段Ⅱ10～20 d低频降水量占10～90 d低频降水量的方差百分率分布(图5)。可见，时段Ⅱ方差百分率大值区(≥20%)比时段Ⅰ偏西、偏北，范围更广。其中，时段Ⅰ主要分布在广东、广西中南大部、贵州中南部、福建南部少部地区;时段Ⅱ主要分布广东南部沿海、广西南部、贵州、湖南中东部及福建南部少部地区。

4 两个时段夏季水汽输送低频变化特征对比分析

4.1 水汽通量低频特征

水汽通量作为风场与水汽场相结合的物理量，不仅可以反映大气环流特征，也能表征水汽的分布情况(张婷和魏凤英，2010)，因此，与风场相比，水汽通量在一定程度上能更好地描述降水的低频变化。

表1 时段Ⅰ华南32个代表站夏季降水的主要振荡周期Table 1 Main oscillation periods of summer precipitation for 32 representative stations in South China in periodⅠ

表2 时段Ⅱ华南32个代表站夏季降水的主要振荡周期Table 2 Main oscillation periods of summer precipitation for 32 representative stations in South China in periodⅡ

图4 华南区域平均的多年平均逐日降水序列小波分析(a.时段Ⅰ;b.时段Ⅱ;阴影区通过信度α=0.1的显著性检验)，以及6—8月逐日降水序列(柱状;单位:mm)及其10～20 d滤波曲线(实线;单位:mm)(c.时段Ⅰ;d.时段Ⅱ;数字1、3、5、7表示低频振荡的位相)Fig.4 The wavelet analysis of multi-year mean daily precipitation series averaged in South China(a.period I;b.period II;shaded area is significant at α =0.1 level)，and the daily precipitation series from June to August(histogram;units:mm)and their 10—20 d filtered series(solid line;units:mm)(c.period I;d.period II;1，3，5 and 7 indicates low frequency oscillation phase，respectively)

图5 华南地区夏季降水的10～20 d低频降水占10～90 d低频降水的方差百分率分布(单位:%;阴影值≥20%) a.时段Ⅰ;b.时段ⅡFig.5 Variance percentage distributions of 10—20 d component accounting for 10—90 d summer precipitation in South China(units:%;shadings≥20%) a.period I;b.period Ⅱ

分别对两时段在(105 ～120°E，20 ～27.5°N)区域内的多年平均纬向、经向水汽通量逐日序列做Morlet小波分析(图6)。可见，时段Ⅰ纬向水汽通量在6月、7月下旬以及8月存在显著的10～20 d、20～30 d低频周期，经向水汽通量在6月中下旬到7月初存在10～20 d低频周期、8月存在10～20 d、20～30 d显著低频周期。时段Ⅱ纬向水汽通量在6月下旬至8月存在显著的10～20 d低频周期，7月中旬至8月存在显著的20～30 d低频周期;经向水汽通量在6月上旬、7月中旬至8月存在10～20 d低频周期，6月底至8月中旬还存在20～30 d低频周期。

对比两个时段纬向水汽通量和经向水汽通量的小波分析结果不难发现，不论是纬向还是经向水汽通量，时段Ⅱ比时段Ⅰ的低频振荡周期更加显著。

4.2 时段Ⅰ850 hPa 10～20 d低频水汽通量位相合成分析

为了解华南夏季低频水汽通量与低频降水的关系，根据降水10～20 d的显著周期，对华南水汽通量也作10～20 d滤波。参照Maloney and Hartmann(1998)以及Mao and Chan(2005)的方法，对于某一波动过程f(t)，根据其振幅的大小和对应时间t的位置，可以在一个波动周期中定义8个位相。位相3和位相7对应振幅的波峰和波谷，分别称为波动的活跃位相和中断位相。位相1表示波动中断位相向活跃位相的转变位相，位相5表示波动活跃位相向中断位相的转变位相。位相2、4、6、8为振幅达到极值位相振幅一半时对应的位置。另外将位相1—4称为活动期;将位相5—8称为中断期。时段Ⅰ和时段Ⅱ华南夏季降水10～20 d低频滤波曲线如图4c、4d 所示。

图7给出了时段Ⅰ10～20 d低频降水5次循环合成的相应850 hPa低频水汽通量场。强降水开始前(图7a，位相1)，华南东边的西北太平洋存在一强大的反气旋式水汽环流;中南半岛东部、南海南部存在一气旋式、反气旋式水汽环流对，前者与西太平洋反气旋式水汽环流共同将南海、西太平洋的水汽向华南沿海及华南西部输送。其后(图7b，位相2)，西北太平洋反气旋式水汽环流西移;位于中南半岛和南海的气旋式、反气旋式水汽环流对北上，且前者东侧的偏南水汽流与西太平洋反气旋式水汽环流西侧偏南水汽流汇合，将南海、西太平洋水汽输入华南，与来自里海附近及贝湖以东南下的冷空气交汇，使得华南降水开始增多。到极端活跃位相(图7c，位相3)，西太平洋反气旋式水汽环流继续向西北方向的华南移动，其西侧的水汽环流对继续北上，位于南部的反气旋式水汽环流已盘踞中南半岛，其西北侧来自孟加拉湾的偏西水汽环流汇入西太平洋反气旋式水汽环流的西侧汽流，使得到达华南的水汽更多，与来自里海以东的西北冷空气交汇于华南，使得该地区形成低频强降水。到第4位相(图7d)，西太平洋反气旋式水汽环流开始东撤，其东南的气旋式水汽环流增强并西移到台湾以东洋面，位于华南中西部和中南半岛的水汽环流对减弱西扩，在南海地区形成水汽辐散区，使得到达华南的水汽减少，来自北方的冷空气显著减弱，华南低频降水减少。由活跃期向中断期过渡时(图7e，位相5)，水汽环流形式与位相1几乎相反。其后的演变类似位相2至位相4，但水汽输送方向相反。特别地，对于中断期(图7g，位相7)，华南处在一反气旋式水汽环流的中部，为水汽输送辐散区，低频降水中断。

图6 时段Ⅰ纬向(a)、经向(b)及时段Ⅱ纬向(c)、经向(d)水汽通量逐日序列小波分析(阴影区通过信度α=0.1的显著性检验)Fig.6 The wavelet analysis of daily(a，c)zonal and(b，d)meridional water vapor flux series in(a，b)period I and(c，d)period II(shaded area is significant at α =0.1 level)

4.3 时段Ⅱ850 hPa 10～20 d低频水汽通量位相合成分析

图8给出了时段Ⅱ10～20 d低频降水5次循环合成的相应850 hPa低频水汽通量场。强降水开始前(图8a，位相1)，西北太平洋副热带和中纬度有一反气旋—气旋式水汽环流对;印尼以东洋面存在一呈东北—西南走向排列的气旋式、反气旋式水汽环流对;贝加尔湖附近有一弱气旋式水汽环流。其后(图8b，位相2)，西北太平洋的反气旋—气旋式水汽环流对向西南移动并进一步增强，印尼东边的水汽环流对也加强，呈顺时针方向移动，使得二者沿赤道呈东西向排列，它们共同使得南海、西太平洋的水汽更多被输入到长江以北地区;贝加尔湖附近的气旋式水汽环流向东南移动并加强，使得南下冷空气增强。到极端活跃位相(图8c，位相3)，西北太平洋反气旋—气旋式水汽环流对进一步加强西移，在南海和西北太平洋各分裂出一个反气旋式水汽环流中心;印尼东侧洋面的水汽环流对继续呈顺时针方向移动，使得气旋式(反气旋式)环流到达菲律宾(印尼东部)附近，它们共同将南海、西太平洋的水汽输送到华南地区，此时，贝湖东南的气旋式环流更强，其西侧南下的冷空气与南来的暖湿气流交汇于华南地区，造成华南地区发生低频强降水。到第4位相(图8d，位相4)，副热带和中纬度西北太平洋出现气旋—反气旋式水汽环流对，使得位于南海附近的反气旋式水汽环流迅速减弱，华南地区为较弱的偏北、偏西气流控制，华南低频降水减少。位相5—8的水汽环流形式与位相1—4几乎相反，特别地，对于中断位相(图8g，位相7)，华南为一气旋式水汽环流北侧的东北气流控制，西北太平洋、贝加尔湖东侧分别为一反气旋式水汽环流控制，减弱了输送到华南的水汽，也使得冷空气无法到达华南地区，低频降水中断。

5 结论

本文对比分析了1961—1992年和1993—2011年两个时段华南多年平均夏季降水低频特征的异同，并研究了与之相关的水汽输送低频特征，揭示了影响两个时段低频降水的低频水汽输送环流系统的差异，得到以下主要结论:

1)华南地区夏季降水量呈增多趋势，尤以广西大部、广东北部、福建和江西交界处增幅最大。时段Ⅰ(1961—1992年)和时段Ⅱ(1993—2011年)多年平均夏季降水均以10～20 d为主要低频振荡周期，时段Ⅱ振荡更明显，且其振荡强的区域分布比时段Ⅰ偏西、偏北，范围更广。

图7 时段Ⅰ合成的850 hPa 10～20 d低频水汽通量场(单位:kg·(hPa·cm·s)-1;a—h分别对应1—8位相10～20 d低频水汽通量场;阴影区表示通过信度α=0.05的显著性检验;A、C分别表示反气旋和气旋式水汽环流)Fig.7 Composite 10—20 d low frequency water vapor flux field at 850 hPa in period I(units:kg·(hPa·cm·s)-1;a—h corresponds to phase 1—8，respectively;shaded area is significant at α =0.05 level;A and C denotes anticyclonic and cyclonic water circulation，respectively)

2)华南地区纬向和经向水汽通量在夏季均存在显著的10～20 d、20～30 d低频周期。时段Ⅰ影响10～20 d低频降水的低频水汽输送环流系统主要有西太平洋反气旋式水汽环流，以及中南半岛东部、南海南部的气旋式、反气旋式水汽环流对，它们相互作用，将来自孟加拉湾、南海和西太平洋的水汽输送到华南地区，与来自里海以东的西北冷空气交汇，使得该地区形成低频强降水。时段Ⅱ影响10～20 d低频降水的低频水汽输送环流系统为西北太平洋的反气旋—气旋式水汽环流对、印尼东侧洋面的气旋式、反气旋式水汽环流对，它们共同作用，将南海、西太平洋的水汽输送到华南地区，与贝加尔湖以东加强并南下的冷空气交汇，造成华南地区发生低频强降水。

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(责任编辑:倪东鸿)

Low-frequency characteristic of multi-year mean summer precipitation in South China and its relationships with low-frequency water vapor transport

LI Li-ping1，2，3，BAI Ting1，2，3
(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，NUIST，Nanjing 210044，China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST)，Ministry of Education，Nanjing 210044，China;3.School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China)

Based on the daily precipitation data of 753 stations during 1961—2011 provided by National Meteorological Information Center of China and the NCEP/NCAR 1961—2011 daily wind and specific humidity data，this paper investigates low-frequency characteristic of the multi-year mean summer precipitation in South China and its relationships with low-frequency water vapor transport.Results show that summer precipitation in South China has the tendency of increasing，and is obviously more after 1992(1993—2011，period Ⅱ)than before(1961—1992，periodⅠ)，especially in most Guangxi，northern Guangdong and the boundary beteen Fujian and Jiangxi.Summer precipitation in South China shows significant 10—20 d low-frequency oscillation，which is more significant in the period Ⅱ than in the periodⅠ.In periodⅠ，the anticyclonic water circulation in northwest Pacific and a pair of cyclonic and anticyclonic water circulations in east of the Indo-China Peninsula and south of South China Sea are the main systems affecting 10—20 d summer rainfall，with water vapor mainly from the bay of Bengal，South China Sea and west Pacific，and cold air from Caspian Sea and east of Lake Baikal.In period Ⅱ，a pair of cyclonic and anticyclonic water circulations in northwest Pacific and in east of Indonesia are the main systems influencing the low frequency rainfall，with water vapor from South China Sea and west Pacific and cold air from east of Lake Baikal.

South China;multi-year mean summer precipitation;low frequency characteristic;water vapor transport

P468

A

1674-7097(2014)03-0323-10

李丽平，白婷.2014.华南夏季多年平均降水低频特征及其与低频水汽输送关系［J］.大气科学学报，37(3):323-332.

Li Li-ping，Bai Ting.2014.Low-frequency characteristic of multi-year mean summer precipitation in South China and its relationships with low-frequency water vapor transport［J］.Trans Atmos Sci，37(3):323-332.(in Chinese)

2013-07-08;改回日期:2013-10-04

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB430202);国家自然科学基金重点项目(41330425);公益性行业(气象)科研专项经费项目(GYHY201406024);江苏省第四期“333工程”第三层次人才培养项目;江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

李丽平，博士，副教授，研究方向为区域气候与海气相互作用及低频振荡，li.liping@163.com.