广西持续性区域暴雨对热带季节内振荡的响应特征

覃卫坚，何莉阳，蔡悦幸

（广西壮族自治区气候中心，南宁 530022）

引言

局部地区暴雨过程易引起当地洪涝灾害，区域性暴雨会使洪涝灾害加重、范围加大，而持续性区域暴雨会使江河水位暴涨、洪涝灾害的危害性剧增。如2020 年5 月30 日—6 月10 日广西发生了历史罕见的、持续性区域暴雨天气过程，桂北出现了严重洪涝灾害，直接经济损失达102 亿元。过去人们更多关注持续性暴雨过程的天气形势和诊断分析［1-11］及暴雨时空分布特征［12-13］，而广西持续性暴雨极端特征研究还不多见。Madden and Julian［14-15］最早发现热带地区存在时间尺度为30～60d 低频振荡现象，称为热带季节内振荡（MJO），是短期天气变化到季节变化等多尺度振荡链条中的重要一环，它的变化反映了未来几周内大尺度天气系统生消、维持和衰减的循环过程。研究表明MJO 对中国降水影响显著，如琚建华等［16-17］、李崇银等［18］、陶诗言等［19］指出赤道MJO引起南海地区西风的加强，触发中国南部大陆出现季风涌，造成南方暴雨发生；Yao et al.［20］指出10%的华南冬季降水由于MJO 造成的。覃卫坚等［21-23］、何洁琳等［24］分析了MJO 各位相时广西降水异常特征，指出广西持续性区域性暴雨异常多（少）的年份低纬度地区向外长波辐射（Outgoing Long -wave Radiation，OLR）30—60d 周期振荡有明显（相对不明显或不连续）的向东传播，而广西汛期持续性区域暴雨发生前期MJO 所处位相情况如何，还少见有关方面的研究，有必要就该问题展开研究，为延伸期持续性区域暴雨预报提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料

使用1951 年1 月—2021 年10 月广西90 个地面气象观测站逐日降水资料，美国国家气象环境预测中心／国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP／National Center for Atmospheric Research，NCAR）高度场、风场、相对湿度再分析资料，1978—2020 年美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）MJO 指数资料。当某个地面气象站，如果连续2d 及以上，且每日累积降水量≥50mm 的降水过程，则定义为一次单站持续性暴雨过程。由于一些地面气象站建站时间晚于1961 年，2021 年还未结束，因此在分析持续性区域暴雨气候变化特征中只使用了78 个地面气象站，分析时间段为1961—2020 年。在78 个气象站中，连续有3d 及以上、且每天出现4 个站以上暴雨的降水过程，其中至少有1d出现9 个站以上暴雨，定义为持续性区域暴雨过程。

2.2 方法

NOAA CPC MJO 指数是利用200hPa 速度势，经过EEOF 计算，由第一个EEOF 特征函数（EEOF1）的10 个时间滞后模来确定十个指数，描述了约50d周期纬向1 波的东传振荡，10 个时间滞后模的200hPa 速度势异常中心分别位于10 个不同的位置（分别位于20°E，70°E，80°E，100°E，120°E，140°E，160°E，120°W，40°W，10°W）代表了10 个位相，由左到右，分别为第1 位相、第2 位相、第3 位相……。每一候MJO 负指数的最大绝对值所处的位相定义为MJO 在该候所处位相。

采用的统计方法包括一元线性回归方程、Morlet 小波分析、合成分析等。合成分析是对历年MJO 所处某个位相广西发生的所有持续性区域暴雨过程第一天的高度场、风场、水汽通量进行合成。

2 广西持续性暴雨气候特征

2.1 广西单站持续性暴雨过程气候特征

广西各地从建站到2021 年10 月历史最长的暴雨持续天数如图1a 所示，暴雨历史持续时间最长的是东兴市，高达8d，出现在1994 年7 月14—21 日；其次是防城港市，达到6d，出现在2001 年6 月25—30 日；忻城、天峨、隆林、乐业、西林、田阳、苍梧、宾阳、大新、崇左、龙州、宁明暴雨历史最长持续时间最短，仅为2d。在广西90 个站中有62.2%气象站暴雨历史最长持续日数为3d，16.7%气象站暴雨历史最长持续日数为4d，12.2%气象站暴雨历史最长持续日数为2d，6.7%气象站暴雨历史最长持续日数达到5d。从建站到2021 年10 月持续2d 及以上暴雨过程次数分布来看，较多的区域为桂南沿海地区、以桂林和柳州北部为中心的桂东北地区，以都安和凌云为中心的桂西山区和以昭平为中心的大瑶山东侧，均在30 次以上，其中沿海地区最多，达到60 次以上；持续3d 及以上暴雨次数沿海地区最多，达到10 次以上，其次是湘桂走廊及桂西山区，在5 次以上；持续4d 及以上暴雨过程主要集中在防城港市，在3 次以上。图1b 给出了年平均持续性暴雨过程次数的分布，广西各站在0.1～2 次之间，全区平均为0.5 次，其中最少为隆林，仅为0.1 次；最多为桂林和柳州二市北部、昭平、蒙山、都安、凌云、玉林市及沿海地区，在0.5 次以上，沿海三市年平均出现1 次以上，而东兴多达2 次；其余地区为0.1～0.5 次之间。

图1 （a）广西各地建站到2021 年暴雨持续历史最长天数（单位：d），（b）年平均持续性暴雨次数（1961—2020 年平均；单位：次）

2.2 广西持续性区域暴雨过程频次的气候特征

1961—2020 年广西持续性区域暴雨过程年际变化略有增多趋势，虽然没有通过显著性检验，但有明显的阶段性变化特征：1961—1968 年为迅速增多的变化趋势，1969—1983 年为平稳变化阶段，1984—1993 年为偏少期，1994—2008 年为偏多期，2009—2020 年为平稳期（图2a）。持续性区域暴雨过程每年平均有2.8 次，1968、2008 年最多，达到7 次，1963 年、1989 年、2018 年最少，无持续性区域暴雨过程发生。从小波分析图可以看出，1964—1970、2002—2009 年持续性区域暴雨过程次数有最强的2a 周期性变化规律，2006—2010 年存在着较强的4a 周期振荡信号，1966—1986 年为16～32a 周期振荡，均通过了置信度为0.05 的显著性检验（图2b）。广西持续性区域暴雨主要发生在汛期（4—9 月），占全年的92.6%，其中前汛期（4—6 月）和后汛期（7—9 月）分别占45.%、47.1%，前汛期和后汛期持续性区域暴雨的影响天气系统有明显的差别，前汛期主要影响天气系统为低涡、急流、高空槽、切变线、地面锋面等，后汛期为热带气旋、西南低涡、高空槽、热带辐合线等。

图2 （a）1961—2020 年广西历年持续性区域暴雨过程次数（黑实线为区域持续性暴雨频数；红实线为一元线性回归线；单位：次）及其（b）小波分析（图中等值线为功率谱；阴影区表示通过了置信度a＝0.05 的显著性水平检验的区域；粗实线弧以外是小波变换受边界影响的区域）

3 广西汛期持续性区域暴雨对MJO 的响应特征

3.1 前汛期响应特征

1978—2020 年前汛期总共发生了55 次持续性区域暴雨过程，暴雨过程发生前10dMJO 所处位相次数距平值从非洲大陆到大西洋中部的分布：MJO处于第1、2、3、4 位相（非洲大陆到海洋性大陆西部）次数偏多，处于第5、6、7 位相（海洋性大陆到西太平洋）次数偏少，第8、9 位相（东太平洋到西大西洋）次数偏多，第10 位相次数偏少（图3a）。暴雨过程发生前5dMJO 处于非洲大陆和印度洋西部次数较前10d 明显减少，而处于第3 位相（印度洋中东部）次数异常增多，第5、7 位相（海洋性大陆东部到西太平洋）次数偏少，其余位相接近平均值（图3b）。暴雨过程发生时MJO 处于第1 位相（非洲大陆）次数偏少，第2、3、4 位相（印度洋中东部到海洋性大陆西部）偏多，其中处于第3 位相（印度洋中部）次数最多，第5、6、7、8、9 位相（海洋性大陆东部到大西洋西部）偏少，其中第5 位相（海洋性大陆东部）最少（图3c）。可见，前汛期持续性区域暴雨发生前期MJO 多处于上游，暴雨发生时MJO 处于第3 位相次数最多，即印度洋中东部对流增强。为了分析MJO 处于第3 位相对持续性区域暴雨的影响机制，对前汛期MJO 处于第3 位相时所有持续性区域暴雨第一天的500hPa 高度场及850hPa 风场和水汽通量进行合成（图4a），当MJO 处于第3 位相（印度洋中东部）时副热带高压西伸到南海区域，广西处于副热带高压边沿，索马里越赤道气流夹带着水汽穿过印度洋，向东向北移动，经过孟加拉湾和中南半岛北部，进入广西，源源不断给广西送来丰富的水汽，有利于持续性区域暴雨发生。

图3 广西持续性区域暴雨过程发生前10d（a，d）、5d（b，e）、0d（c，f）MJO 所处位相的次数距平值（a—c：前汛期；d—f：后汛期）

图4 （a）前汛期MJO 处于第3 位相、（b）后汛期MJO 处于第4 位相持续性区域暴雨第一天的500hPa 高度场及850hPa 风场和水汽通量合成

3.2 后汛期响应特征

1978—2020 年后汛期发生了57 次持续性区域暴雨过程，暴雨过程发生前10dMJO 处于第5、6 位相（海洋性大陆东部）次数偏少，第7、8 位相（太平洋）次数偏多（图3d）。暴雨过程发生前5dMJO 处于第3、4、8、10 位相（东印度洋到海洋性大陆西部、东太平洋、大西洋中部）次数偏多，第2、5、6 位相（西印度洋、海洋性大陆东部）偏少（图3e）。暴雨过程发生时处于第1、4、7、9、10 位相（非洲大陆、海洋性大陆西部、太平洋中西部、大西洋中西部）次数偏多，第5、6 位相（印度洋中东部、海洋性大陆东部到西太平洋）偏少，其他接近平均值（图3f）。后汛期持续性区域暴雨发生前MJO 所处位相跟前汛期相比有了一些变化，持续性区域暴雨发生前MJO 位于第4 位相（海洋性大陆西部）次数随时间临近而增多，即海洋性大陆西部对流增强，而暴雨发生时位于印度洋中东部次数略偏少。对后汛期MJO 处于第4 位相时所有持续性区域暴雨过程第一天的500hPa 高度场及850hPa 风场和水汽通量进行合成，如图4b 所示，MJO 位于第4 位相（海洋性大陆西部）时副热带高压偏弱，广西为明显的气旋性环流，索马里越赤道气流夹带着水汽穿过印度洋，水汽输送带明显比前汛期第3 位相时宽大、偏强，覆盖了印度洋北部地区和中南半岛，给广西送来丰富的水汽，有利于持续性区域暴雨维持。

4 结论和讨论

通过分析研究得到以下结论：

（1）沿海地区受十万大山地形的显著影响，暴雨过程持续天数历史最长、持续性暴雨过程次数最多。1964—1970 年、2002—2009 年持续性区域暴雨过程次数有较强的2a 周期性变化规律，2006—2010 年存在着4a 周期振荡信号，1966—1986 年为16～32a 周期振荡，均通过了置信度为0.05 的显著性检验。

（2）前汛期持续性区域暴雨发生前期MJO 多处于上游，暴雨发生时MJO 处于第3 位（印度洋中东部）相次数最多，此时副热带高压西伸到南海区域，广西处于副热带高压边沿，索马里越赤道气流夹带着水汽穿过印度洋，向东向北移动，经过孟加拉湾和中南半岛北部进入广西，源源不断给广西送来丰富的水汽，使持续性区域暴雨得以维持和发展。

（3）后汛期持续性区域暴雨发生前期MJO 位于海洋性大陆次数随时间临近增多，暴雨发生时MJO 位于海洋性大陆西部次数偏多，此时副热带高压很弱，广西上空为气旋性环流，越赤道水汽输送带明显比前汛期第3 位相时宽大、偏强，在西南风引导下向广西移动，利于广西持续性区域暴雨维持。