持续性暴雨过程的低频振荡特征与分析

李晔

持续性暴雨过程的低频振荡特征与分析

李晔

河南省气象探测数据中心, 河南 郑州 450003

采用1954~2018年NCEP/NCAR逐日再分析资料，利用主振荡型分析（POP）方法和合成分析研究4~8月全球大气10~20 d低频主振荡型及其在江淮流域持续性暴雨过程发生前的传播特征。结果表明：4~8月全球850 hPa环流存在两个10~20 d主振荡型，即南半球绕球遥相关型（SCGT型）和南太平洋-南大西洋型（SPSA型）。SCGT型与南半球热带外地区大气内部非线性相互作用过程有关，反映了南北半球环流之间的相互关系影响了东亚夏季风的气候变化；SPSA型与El Nino等影响有关，反映了南太平洋和南大西洋低频扰动的径向和纬向传播对东亚季风区的影响。“双阻型”过程发生在SCGT虚部正位相的概率为77.8%，“单阻型”过程主要发生在SCGT实部正位相、SPSA虚部负位相概率为66.7%，利用POP型位相合成分析两种类型的江淮流域持续性暴雨过程的低频环流特征为持续性暴雨过程预报提供参考。

持续性暴雨; 振荡型; 环流

持续性暴雨过程（Persistent Heavy Rainfall，简称PHR）是大范围的强雨带长时间稳定维持在同一区域的东亚地区特有的一种强影响极端天气事件[1]，容易引起洪涝、泥石流等重大自然灾害，对经济发展和人民生命财产带来重大伤害[2]。当前国内外研究表明，全球大气环流不同周期带季内振荡对持续性暴雨过程有重要影响。国内外学者在探讨季节内振荡时，常常结合天气过程的周期变化特征选取某个或几个周期带进行分析。丁一汇等在小结低频振荡与季风的关系时，提出在东亚地区，10~20 d、30~60 d振荡是影响东亚地区的两个主要模态[3]。这两个周期带的低频振荡对东亚降水尤其是长江流域的降水形势起重要作用[4,5]。也有学者指出相对于30~60 d低频振荡，30 d以内的大气低频振荡对夏季淮河流域强降水有更为重要的作用[6]。当前，主振荡分析方法（POP方法）常被用来分析和探讨降水过程和低频振荡的关系，以提高降水预报的准确性。国内外学者对20~30 d、30~60 d低频主振荡型均有所研究[7,8]，但尚缺10~20 d低频主振荡型的探讨。为弥补这一空白，进一步加深对持续性暴雨过程形成机理的认识，本文以最为典型的江淮流域持续性暴雨过程为例，在全球主要环流范围内探究大气10~20 d低频主振荡型特征，探究主振荡型在持续性暴雨过程前的位相变化特征，以期为提高持续性暴雨过程的延伸期预报水平提供参考。

1 材料与方法

采用1954~2018年NCEP/NCAR逐日再分析资料，数据时间为1954~2018年每年4月1日~8月31日（每年153 d，共65年）。参照Tang等[9]对持续性暴雨过程的相关定义,选取15个发生在1954~2018年夏季6~8月期间的江淮流域持续性暴雨过程（表1），过程发生时的环流背景可分两种，一种是北半球中高纬度呈现两脊一槽的环流背景（简称“双阻型”），另一种是北半球中高纬度呈现两槽一脊的环流背景（简称“单阻型”），这些个例过程强度达到较强以上。

将选定时间内的大气对流层低层（850 hPa高度层）逐日距平序列，依次利用Butterworth带通滤波分析、主成分分析（EOF）、主振荡分析（POP）得到主要的全球环流POP模态，统计分析近65年来江淮流域PHR过程发生前全球大气低频主振荡型位相变化过程，探究10~20 d低频振荡主要传播模态变化的循环过程。

表1 1954~2018年间江淮流域持续性暴雨过程个例信息表

2 POP型及其特征

计算结果显示，10~20 d周期带上，全球逐日850 hPa低频高度场存在2个显著的主振荡型POP1（图1）和POP2（图2），根据POP型循环特征，当其实/虚部按照®pi®pr®pi®pr®pi的顺序周期性循环时，可观察低频场上的主要扰动区沿着纬向或径向传播的具体特征。

图1 1954~2018年4~8月全球10~20 d POP1（SCGT）实虚部特征

(a)pr, (b)pi, (a,b)呈现值均已放大1000倍。The pictures on (a) pr, (b) pi and (a,b) were magnified 1000×.

图2 1954~2018年4~8月全球10~20 d POP2（SPSA）实虚部特征

(a)pr, (b)pi, (a,b)呈现值均已放大1000倍。The pictures on (a) pr, (b) pi and (a,b) were magnified 1000×.

第一个主振荡型POP1，解释方差为7.53%，周期约为15 d，衰减时间约为37 d，POP1的实部和虚部特征见图1a,b所示，循环过程中，南半球中纬度地区呈现绕球纬向传播的正负相间的波列结构，此空间传播特征与杨秋明[8]定义的20~30 d第一个低频主振荡型南半球绕球遥相关型SCGT极为相似，可见在整个10~30 d周期带上，SCGT都为第一低频主振荡型。SCGT沿着南半球中纬度西风急流传播，与南半球热带外地区大气内部非线性相互作用过程有关[8,10]，反映南北半球之间的一些间接影响。

第二个主振荡型POP2，解释方差为7.64%，周期约为16 d，衰减时间约为24 d，周期与POP1相似，但是衰减更快，POP2的实部和虚部特征见图2a,b所示，实部和虚部在循环过程中，南半球南太平洋和大西洋南部等地呈现纬向传播波列，根据扰动主要出现的区域，定义POP2为南太平洋-南大西洋（SPSA）型，根据扰动所在位置，可推测该POP型与厄尔尼诺现象有关，SPSA型循环过程显示，扰动自西向东传播且在印度洋海域有中断的趋势，这与南印度洋扰动的径向传播有关，这些特征共同反映了SPSA对东亚季风带10~20 d低频振荡的影响。

3 讨论

统计1954~2018年间夏季江淮流域持续性暴雨过程发生前10~20 d POP型（SCGT，SPSA），可以发现：“双阻型”过程发生在SCGT虚部正位相之后的个例数占比77.8%（通过0.05显著性检验），表明利用SCGT全球POP型正负位相变化来对未来30 d内江淮流域是否发生“双阻型”持续性暴雨过程具有一定的参考性；“单阻型”过程发生在SCGT实部正位相、SPSA虚部负位相之后的个例占比均为66.7%（通过0.05显著性检验），表明利用这两种全球ISO型正负位相变化来对未来30 d内江淮流域是否发生“双阻型”持续性暴雨过程均具有一定的参考性。

基于主振荡型的循环特征，结合低频天气图的变化，为江淮持续性暴雨过程的预测提供了可能方案。以“双阻型”过程为例，探讨SCGT型在过程发生前两周（-14 d~0 d）大气低频振荡变化情况。根据POP分析结果，SCGT振荡周期为15 d，分8个位相，每个位相大约持续2 d，根据统计结果，过程发生-14 d左右，SCGT型从p4开始循环，分别经过位相4、5、…1、2、3，循环至p3时，持续性暴雨过程开始。对比分析对流层高低层（200 hPa和850 hPa）全球低频风场合成图（图略），从低频风场的循环过程可看到，对流层高层北半球东亚和西欧等地受气旋-反气旋交替影响的现象明显，而在对流层低层，当SCGT循环至位相2后，阿拉伯海到我国南海一带出现显著西风带，该西风带与受副高影响的西太平洋反气旋相互作用，形成有利于水汽输送的西南气流，这一特征稳定存在时，可为PHR持续提供水汽条件。

4 结论

本文利用POP方法研究了1954~2018年4~8月全球大气10~20 d低频主振荡型及其在江淮流域持续性暴雨过程发生前的传播特征，主要结论如下：

（1）4~8月全球850 hPa环流存在两个10~20 d主振荡型：南半球绕球遥相关型（SCGT型）和南太平洋-南大西洋型（SPSA型）。SCGT型与南半球热带外地区大气内部非线性相互作用过程有关，反映了南北半球环流之间的相互关系影响了东亚夏季风的气候变化；SPSA型与厄尔尼诺等影响有关，反映了南太平洋和南大西洋低频扰动通过纬向和径向传播对东亚季风区的影响；

（2）SCGT和SPSA型的位相变化特征为持续性暴雨过程预报提供可能方案。“双阻型”过程主要发生在SCGT虚部正位相，过程发生-14 d（前两周）左右，SCGT型处于位相4，随着位相的推移，对流层低层上，阿拉伯海到我国南海一带出现显著西风带，该西风与西太平洋反气旋相互作用，形成有利于水汽输送的西南气流，与高层低频环流相互配合，共同构成有利于过程发生的环流背景。“单阻型”过程主要发生在SCGT实部正位相、SPSA虚部负位相。

[1] 甘晶晶,汤燕冰.江淮流域持续性暴雨过程的中期信号初析[J].浙江大学学报(理学版),2009,36(4):477-486

[2] 孙建华,卫捷,傅慎明,等.江淮流域持续性强降水过程的多尺度物理模型[J].大气科学,2018,42(4):741-754

[3] 丁一汇.高等天气学[D].北京:气象出版社,2005

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[5] 王允.东亚夏季风季节内振荡及其与长江流域旱涝之间的联系[D].北京:中国科学院大气物理研究所,2008

[6] 李勇,周兵,金荣花.2007年淮河强降水时期低频环流特征[J].气象学报,2008,68(5):0740-0747

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Characteristics and Analysis of the Low Frequency Oscillation during the Persistent Heavy Rainfall

LI Ye

450003,

Based on the NCEP/NCAR reanalysis data from 1954 to 2018, the Principal Oscillation Pattern (POP) analysis and the Synthetic analysis are adopted to calculate the dominant POP pairs from April to August, and composite analyze the characteristics of global atmospheric 10-20d low frequency oscillation before the persistent heavy rainfall (PHR) events over the Yangtze-Huaihe River Valley (YHRV). There are two dominant POP patterns found in 10-20 day oscillation when the POP analysis is applied to the 850-hPa geo-potential height: the first pattern is the Southern hemisphere Crossing Globe Teleconnection Pattern (SCGT Pattern), which relates to the non-linear interaction process in the atmosphere outside the tropical zone of the southern hemisphere and reflect that the interaction between the circulation of the northern and southern hemispheres affects the climate change of the East Asian summer monsoon; the second pattern is the Southeast Pacific-South Atlantic Pattern(SPSA Pattern), which relates to El Nino's influence and reflects the influence of low-frequency disturbances in the Southeast Pacific and South Atlantic on East Asia and Northwest Pacific through zonal and radial propagation. 77.8 percentages of D-PHR happened when the image of SCGT changed into a positive phase; 66.7 percentages of S-PHR happened when the real of SCGT changed into a positive phase, the image of SPSA changed into a negative phase. By using the POP phase synthesis, the low-frequency circulation characteristics of two types of persistent rainstorm processes on the YHRV can be analyzed, which provide reference for the prediction of PHR.

Persistent heavy rainfall (PHR); oscillation pattern; circulation

P434

A

1000-2324(2019)05-0801-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.013

2018-10-23

2019-02-15

李晔(1980-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为天气雷达技术. E-mail:13937117535@139.com