（气象学专业论文）夏季江淮流域强降水过程与低频振荡的联系.pdf

夏季江淮流域强降水过程与低频振荡的联系 摘要 利用2 0 0 3 年和2 0 0 1 年n c e w n c a r 再分析和地面观测站逐日降水资料，经l a n c z o s 带 透滤波，研究了2 0 0 3 年涝年不同时闻尺度的低频振荡特征的差异及其与强降水过程的联 系。对比分析了季节内振荡特征在2 0 0 1 年早年和2 0 0 3 年涝年夏季江淮流域降水过程的异 同。结果表明： ( 1 ) 季节内振荡( 3 0 7 0 天) 和准双周振荡( 8 1 5 天) 在2 0 0 3 年( 涝年) 江淮梅雨期明 显。季节内振荡强于准双周振荡。总低频降水对总降水具有显著贡献且不同时间尺度的 低频降水扰动具有很强的局地性与互补性。两个尺度的低频涡度在江淮地区降水期的对流 层高、低层大都呈负、正配置，具有斜压结构。利于降水发生。不同时间尺度高低空的环 流有差异：季节内振荡主要以对流层低层存在于西太平洋、西北太平洋及其以东地区的低 频波列( p - - j ) 的活动过程影响副高的变动进而影响强降水的形成；准双周振荡则以对流 层高层中纬气旋反气旋沿纬圈方向的持续东移及r o s s b y 波的能置传播影响江淮降水过 程。整层水汽通量显示两个时间尺度上来自副热带高压外围的西南季风对水汽输送贡献都 较为显著，3 0 7 0 天低频降水的水汽来源为南海，而8 1 5 天低频降水的水汽源地主要是 南海和西太平洋地区。 ( 2 ) 季节内( 3 0 7 0 天) 低频振荡在早年( 2 0 0 1 年) 江淮梅雨期亦很显著，且具有较强 的局地性。与涝年对比发现：早年，低频涡度在江淮流域对流层高、低层呈同号配置，与 涝年相反，不利于降水的形成。存在于西太平洋3 0 7 0 天低频波列( p j 型) 的活动过 程影响了副高变动，该年副高位置较常年偏北、偏东，且高、低层在同位相上具有相同的 环流形异常，不利于降水的形成。有趣的是，水汽的聚积与降水量呈负相关。由于5 0 0 h p a 东亚中高纬地区高压脊不断出现，阻挡了冷空气的南侵，即使大气运动有利于江淮上空聚 积水汽，但不一定有利于降水的发生来自副熟带高压外围的西南季风输送的水汽到达不 了江淮地区。因为环流的结构异常，只存在较弱的降水，其水汽源自渤海湾和西太平洋。 这些与2 0 0 3 年涝年的低频水汽主要源自南海有很大差别。 关键词；江淮降水；季节内振荡；准双周振荡：低频环流；水汽输送 i l l r o l eo ft h el o w f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n si nt h eh e a v y r a i n f a l lp r o c e s s e si nt h ey a n g t z e h u a i h er i v e r v a l l e yd u r i n gb o r e a ls u m m e r a b s t r a c t u s i n gt h en c e p n c a rr e a n a l y s i sa n di ns i t up r e c i p i t a t i o nd a i l yd a t ai n2 0 0 3a n d2 0 0 1 ，t h e d i f f e r e n tr o l e so fl o w f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n si na n o m a l o u sf l o o d d r o u g h t y e a r si n t h e y a n g t z e - h u a i h er i v e rv a l l e yd u r i n gj u nt oa u g u s th a v eb e e ns t u d i e di nt h ep r e s e n tp a p e r t h e r e s u l t se r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b o t h3 0 7 0 d ( i n n a s e a s o a a l ) a n ds 1 5 d ( b i - w e e k l y ) o s c i l l a t i o n sh a v ei m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n st ot h et o t a lp r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o n si nt h ey a n g t z e h u a i h er i v e rv a l l e yi nt h e s u n l n l e ro f 2 0 0 3 t h e s et w ok i n d so f o s c i l l a t i o n ss e e mt ob el o c a l i z e di nac o m p l e m e n t a r yw a y ； t h ep l a c ew h e r et h e3 0 7 0 do s c i l l a t i o ni ss t r o n g e rs h o w st h ew e a k e r8 1 5 do s c i l l a t i o n , a n d v i s ev e r s a t h el o wf r e q u e n c yc i r c u l a t i o n so nt h e s et w ot i m es c a l e smo fh a r o c l i n i cs t r u c t u r e ； t h e yh a v et h ep o s i t i v ev o n i c i t i yi nt h el o w e rt r o p o s p h e r e ，c o u p l e dw i t ht h en e g a t i v eo n ei nt h e u p p e rt r o p o s p h e r ed u r i n gt h et o r r e n t i a lr a i np e r i o d s t h ep o s i t i v ea n o m a l i e so f t h ep r e c i p i t a t i o ni n t h ey a n g t z e - h u a l h er i v e rv a l l e ya r es t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h e3 0 7 0 dl o wf r e q u e n c yw a v e p r o p a g a t i o n s ( p jl i k e ) o v e rt 1 1 ew e s ta n dn o r t h w e s tp a c i f i cr e g i o n sa t8 5 0 h p a ，w h e r e a sa t 2 0 0 h p aa r eb yt h e8 1 5 dl o wf r e q u e n c yc y c l o n e s a n t i c y c l o n e st h a tm o v ez o n a l l ye a s t w a r di n t h em i d - l a t i t u d e ，s h o w i n gt h ee a s t w a r dp r o p a g a t i o n so f r o s s b y - w a v ee n e r g y f l u x e so f t h ew u l e r v a p o ri n t e g r a t e dv e r t i c a l l yf r o mt h ee a r t hs u r f a c et ot h et o po ft h et r o p o s p h e r eo l l3 0 7 0 da n d 8 1 5 dt i m es c a l e si n d i c a t et h a ts o u t h w e s t l ym o n s o o n a lw i n d sa l o n gt h ee d g eo ft h ew e s t e r n p a c i f i cs u b t r o p i c a la n t i c y c l o n ea r er e s p o n s i b l ef o rt h ew a t e rv a p o rt r a n s p o r t t h em o i s t u r eo n 3 0 7 0 dt i m es c a l ei sf o u n d1 0b et r a n s p o r t e df r o mt h es o u t h c h i n as e a t h a t0 1 1a n o t h e rt i m e s c a l ei sf r o mb o t ht h es o u t hc h i n as e aa n dt h ew e s tp a c i f i c ( 2 ) t h e3 0 7 0 do s c i l l a t i o ni so b s e r v e dc l e a r l ya n dl o c a l i z e di nt h ey a n g t z e h u a l h er i v e r v a l l e y i n t h es u m m e r o f d r o u g h t y e a r 2 0 0 t i n t h i s y e a r , t h e3 0 7 0 d l o w f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n a s i n d i c a t e db yt h ev o r t i c i t i ya n o m a l i e di nt h el o w e ra n du p p e rt r o p o s p h e r ed i s p l a y saf e a t u r eo f ，t o s o m ee x t e n t , b e r o t r o p i cs t r u c t u r e w h i c hk a d st om u c hl e s sr a i n f a l li n2 0 0 1 t h ew e s t e r np a c i f i c s u b t r o p i c a la n t i c y c l o n ei sm o r en o r t h e r na n de a s t e r nt h a nn o r m a l , r e l a t i n gt ot h ea b n o r m a ll o w f r e q u e n c yw k v ep r o p a g a t i o n s ( p j ) o v e rt h ew e s ta n dn o r t h w e s tp a c i f i cr e g i o n s i n t e r e s t i n g l y , i v t h er i d g eo fh i g hp r e s s u r e 融5 0 0 h p aa p p e a r si nt h em i d d l ea n dh i g hl a t i t u d e s v e r yo f t e n , p r e v e n t i n gt h ec o l da i rf r o mm o v i n gs o u t h w a r d , r e s u a t i n gh it h el e s st h a nn o r m a lr a i n f a l lh it h e y a n g t z e h u a i h er i v e rv a l l e y , a l t h o u g ht h em o i s t u r ei sr i c hi nr i d sr e g i o n i nv j 1 t u eo ft h e a n o m a l i e so f l o w f r e q u e n c yc i r c u l a t i o n t h em o i s t u r ef o r 也ew e a k p r e e i p i r a t i o ni sf r o mt h eb o h a i b a ra n dt h ew e s tp a c i f i c ，w h i c hi sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h em o i s t u r es o u r c eh it h ef l o o dy e a r2 0 0 3 k e yw o r d s ：r a i n f a l lh it h ey a n g t z e h u a l h er i v e rv a l l e y ；i n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n ；b i - w e e k l y o s c i l l a t i o n ；l o wf r e q u e n c yc i r c u l a t i o n ；w a t e rv a p o rt r a n s p o r t v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表 或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声骧并表示了谢意。 作者签名：重莹 日期：绌：兰：! ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版； 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索i 有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：二良 日期： 翻：兰：f 竺 第一章绪论 1 1 大气低频振荡的研究进展 地球大气的运动是极其复杂的，在空间上有各种不同尺度的运动系统，在时间变化方 面也是多种多样的。可以粗略地把大气运动的时问变化分为高频变化、天气变化、低频变 化、季节变化、甚低频变化、年代际变化和地质纪变化。其中时间尺度在7 l o 天以上， 1 0 0 天以内的大气运动变化称为大气低频变化。它包括引起大家普遍注意的季节内( 3 0 6 0 天) 振荡和准双周( 1 0 2 0 天) 振荡“。 1 1 1 季节内( 3 0 - 一6 0 天) 低频振荡的研究回顾 2 0 世纪7 0 年代初m a d d e n 等”利用坎顿岛的观测资料，通过谱分析方法首先发现热带 大气纬向风和气压场存在4 0 5 0 天周期的低频振荡( 简称为大气季节内振荡m j o 或i s o ) ， 后来他们”又进一步分析证实了全球热带地区都存在这种振荡，并指出其是具有行星尺度 ( 1 波) 的纬向环流单体沿赤道向东移动造成的局地效应，且振荡起源于热带印度洋和西太 平洋与移动性w a i k 日环流有联系。到2 0 世纪8 0 年代初，先后发现印度季风区云量有3 0 4 0 天的周期变化”、印度季风区槽脊活动有3 0 6 0 天振荡的北传”、2 0 0 h p a 辐散场有3 0 6 0 天振荡的东传，至此，大气季节内振荡的研究得到蓬勃开展。有关热带大气季节内振 荡的结构特征和基本活动规律已经有了较为清楚的认识”：热带大气i s o 主要表现为对 流层上、下呈反相的斜压结构，有纬向东传和经向北传的活动特征。但在赤道以外的热带， 尤其是在副热带地区，大气i s o 的西传也十分明显；并发现即使在赤道地区，大气季i s o 也存在西传的情况”。 同热带大气一样，在中高纬度大气中也存在季节内振荡“，但热带大气i s o 与中高 纬度大气i s o 在结构和活动方面有着显著差异；全球大气中以热带地区和高纬度地区的 大气i s o 相对最为显著和重要且高纬度地区动能要比赤道地区大得多；而热带大气i s o 和中高纬度大气i s o 的联系及相互影响主要通过大气低频遥相关波列“。资料分析清楚地 表明，全球大气i s o 存在着明显的4 个遥相关型( 波列) ，而这些波列可以呈不同方式彼此 相互衔接和影响。南北半球的大气i s o 也可以通过低频波列而实现跨赤道相互影响。这种 跨赤道相互作用主要在中太平洋和中大西洋地区发生，尤其是在中太平洋地区。另外，资 料分析清楚地表明，全球大气i s o 的时闻变化在不同纬度带有所不同，热带大气i s o 在冬 季和夏季的强度没有很明显的差别，但却有极为清楚的年际变化；而中高纬度的大气i s o 有极显著的年变化( 冬季强而夏季弱) ，但年际变化相对其年变化却显得弱一些。 1 1 2 准双周( 1 0 2 0 天) 低频振荡的研究回顾 准双周振荡首先在印度季风的谱分析中“被发现，k r s h n a m u r t m 1 等对南亚季风区的云 量和降水进行了周期分析时发现这两者都存在1 0 2 0 天的低频振荡。孙淑清”通过对副热 带高压进行波谱分析，发现其存在i 0 2 0 天的周期，并且指出南海及其附近地区的位势高 度场、水平风场、垂直运动和加热场都显著存在1 0 2 0 天的周期振荡。b l a c k m o n m 2 3 3 对 2 0 天左右的振荡的研究表明，其扰动起源于中纬度地区，并有西北一东南向的波导存在。 在东南亚及嚣太平洋地区的大气环流和天气研究中，杨义碧。和陈于湘”也发现存在着明 显的1 0 2 0 天振荡。武培立、李崇银研究发现。大气中的1 0 2 0 天振荡同纬向西风有 密切关系在4 0 。e 和1 1 0 。e 附近的2 0 0 h p a 高空存在两支明显的跨赤道波导，可以从一 个半球的中纬度地区影响另一个半球。李崇银等”对全球热带大气中的准双周振荡进行了 较系统的研究，指出热带大气1 0 2 0 天振荡是热带大气中另一重要低频系统，其动能比 3 0 6 0 天振荡还要大，其结构和活动同3 0 6 0 天振荡很不样，1 0 2 0 天振荡主要表现 为纬向波数2 4 ，垂直结构以正压特征更显著，主要表现为向西传播，其经向风分量与纬 向风分量同等重要。需要指出的是同热带大气3 0 6 0 天振荡相比，对i 0 2 0 天振荡的研 究相对还比较少。 1 1 3 大气低频振荡与其他时间尺度的相互作用 低频振荡的重要性不仅在于它本身，还因为它直接同大范围天气和气候异常有关，并 同时与其他时间尺度的变化相互作用导致天气气候异常。对此。李崇银“和陈隆勋等”分 别作过较为系统的总结比如：它在季风地区的向北传播可以导致印度季风的活跃与中断以 及我国东部雨带的季节性北跳，它和季节变化的结合可以影响季风的建立与撤退的年际变 化，它和e n s 0 现象之间也具有重要的相互作用。因此，对于低频振荡的研究有助于增进对 大气环流变化机制的理解，也有助于迸一步改善中国东部早涝的中长期预报。 1 2 中国降水与低频振荡关系的研究现状 我国处在亚洲季风区，受季风活动影响很大。热带大气低频振荡( 主要是3 0 6 0d 的 季节内振荡) 是调控季风活动的重要机制，其振荡特征很大程度上决定亚洲季风活动的异 2 常，进而引起我国天气气候的异常。近年来有很多研究揭示夏季风期的低频振荡与我国东 部降水异常的关系。l 在对中国东部雨带的研究中强调雨带的变化受4 0 天振荡的制约， 并指出夏季降水的变化可能与东传的4 0 5 0 天波同大尺度季风环流的相互作用有关。琚建 华等”1 指出东亚夏季风区内低频振荡主要是以3 0 6 0 天周期的振荡为主，东亚夏季风的季 节内振荡在东亚沿海呈波列的形式，并表现为随时间向北传播的季风涌，对长江中下游降 水产生影响。徐国强等用m o r l e t 小波分析表明在南海地区存在以准4 5 天为显著周期的 低频振荡，并且低频振荡向北、向东传递。江宁波等“1 发现在亚洲季风区大气的热源和 水汽汇存在着3 0 6 0 天的低频振荡。何金海等“1 和l a ukm 等”1 发现夏季降水主要受 1 0 2 0 天和3 0 6 0 天低频振荡的影响。李崇银。研究了华北地区的汛期降雨量同低频振 荡的关系，指出华北汛期降雨偏少的年份，低频振荡不十分清楚；降雨量偏多的年份，降 雨量3 0 6 0 天的振荡相当明显。金祖辉等”1 指出南海强对流区的位置，3 0 6 0 天低频波 的强弱和传播方向与江淮地区旱涝气候异常有密切关系。很多其他研究也表明大气季节内 振荡对江淮流域的降水有一定的影响：3 ”1 ，早年和涝年的低频环流形势基本相反“”。 目前，高影响天气研究受到国际广泛关注( t h o r p e x ) ，我国启动了相应的工作。国家 重大基础研究计划项目( 2 0 0 4 c b 4 1 8 3 0 2 ) ，集中对我国南方强降水过程的发生机理进行研究。 本工作在这一计划框架下进行，以期对我国南方强降水过程从低频振荡角度进行研究。 1 3 本文的主要研究内容 本文利用天气诊断方法研究同一涝年不同时间尺度的低频振荡与强降水的联系以及旱 涝年季节内振荡特征的差异。这要有以下几个方面的内容： ( 1 ) 梅雨期各低频降水分量( 季节内和准双周振荡) 对总降水的贡献有多大。 ( 2 ) 分别研究季节内和准双周振荡低频涡度场的结构，并通过对低频环流在对流层高、 低层的演变和差异的分析来了解同一涝年不同时间尺度的低频环流对降水的影响及早涝年 在季节内时间尺度上环流的差异。 ( ”分别探讨江淮流域同一涝年不同时间尺度低频水汽的来源及早涝年在季节内时问 尺度上低频水汽的来源的不同。 1 4 研究特色和创新之处 ( 1 ) 对2 0 0 3 年江淮流域致洪暴雨南研究，以往的文章多是侧重降水过程的大尺度环流 背景、前兆信号等，或是对暴雨的中尺度特征进行分析，而从大气低频振荡的角度来研究 3 的不多。尤其是对这次降水过程中准双周振荡的研究在刊出文章中尚未发现。本文正是要 分析2 0 0 3 年夏季江淮强降水过程中季节内振荡和准双周振荡所起的作用，同时与2 0 0 1 年 江淮早年季节内振荡特征作对比，找出早涝年大气低频振荡的差异。 ( 2 ) 在研究降水过程中低频水汽的来源时，分析从地面层到3 0 0 h p a 的水汽水平输送通 量，将水汽g 分为虿、g 、擘罡三部分r 分别表示平均水汽量、3 0 7 0 天( 或8 1 5 天) ： 一一 水汽扰动和剩余部分，同样地，风场也分为v ，攻、三部分，那么，由此水汽水平 输送通量( g 矿) ，展开后有六个部分，分别考虑不同部分的低频贡献，最后将贡献较大的三 项相加( 其余项很小，可忽略) ，来研究不同位相的水汽通量演变，以找出低频水汽的源。 4 第二章资料和方法 2 1 资料说明 ( 1 ) 2 0 0 3 年和2 0 0 1 年n c e p n c a r 全球再分析资料：1 7 层逐日风场( u 、v ) 、8 层逐日比 湿场和逐日地面气压资料( 水平分辨率均为2 5 4x 2 5 。) ； ( 2 ) 2 0 0 3 年和2 0 0 1 年中国7 4 0 观测站日平均降水资料( 中国气象局国家气象信息中心提供) 。 2 2 方法说明 本文主要使用以下几种： ( 1 ) m o r l e t 小波分析 傅立叶变换方法是将时间序列在频率域上展开。将时间序列分解成不同的波动，但其 局限性是不能给出各种频率波动的能量随时问的变化。小波分析”是傅立叶分析方法的 突破性进展，对时间序列既可以对时间展开，也可以对频率展开，因而能更有效地从信号 中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度分析。应用到气象领域， 小波分析不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出各频率随时问的变化和不同频 率之间的关系，并且具有分析函数奇异性的能力。可以用来分析气候变化中的突变。m o d e t 小波是复数形式的小波，一般写为 f 2 产产 y ( r ) # g 吖p 了- - - - p 2c o s c o o t + i e ls i n a o t ( 2 1 ) 复数形式的小波由于实部和虚部位相相差州2 ，可以消除实数形式小波变换系数模的振荡。 因此比实数形式的小波在应用上有更多有点。本文采用气象上常用的标准m o r l e t 小波，就 是将( 2 1 ) 式中n k 取为2 万，( 2 1 ) 式变为 上 ( f ) = e i 2 x e 2 ( 2 2 ) 使基小波缈( f ) 的中心周期为1 。这种取法在应用中比较方便，因为尺度参数是周期的放大 倍数，当基小g ec v ( t ) 的中心周期为l ，小 g , b ( f ) 的中心周期就是a 。 本文用这种标准m o r l e t 小波来分析2 0 0 3 年和2 0 0 1 年夏季6 8 月江淮地区 1 1 2 5 1 2 0 。e 、3 0 3 5 。n 降水、8 5 0 h p a 风场、整层水汽的主要周期。 ( 2 ) l a n c z o $ 滤波 为了从实际观测要素时间序列中分离出大气低频分量l a l g z o $ 滤波器和b u t t e r w o r t h 滤波器是两种常用的滤波工具。以往低频振荡的研究工作中主要采用的是b u t t e r w o r t h 滤波 器，但由于l 龃c z o s 滤波器表现的优越性”，近年来l a n c e s 滤波器在国内外大气科学 领域得到了日益广泛的应用。以下对l a n c e s 滤波器作简要介绍。 通常，时间滤波器的输入和输出信号的关系为： y ( t ) = w ( k ) x ( t 一_ j ) ( 2 3 ) f ：二 其中，x ( f ) 为输入资料时间序列，y ( f ) 为输出资料对间序列，r 为时间变量，以七) 是时间 滤波器的脉冲响应函数( 或称权重函数) 。 理想低通滤波器的权重函数为： s i n 2 k h ( k ) = l( k = - - o o ，0 ，4 - 0 0 ) ( 2 4 ) 刀 它将频率，厂。的振荡全部滤去，而完整保留 ，。的全部振荡 l a l c z o $ 低通滤波的权重函数为： 破 w ( _ j ) ：s i n 2 = o ek s m r - ；( 七：一h ，o ，疗) ( 2 5 ) 砒脯 其中厂为截断频率 ( 2 n + 1 ) 为权重函数窗宽。可见，其权重函数是理想低通滤波器的 癌 s l n 一 权重函数和生的乘积，这个三坚坚项被l a n c s 称为仃i 玉i - t - 。 压x 撵 l a l l c z o $ 带通滤波器由两个l 柚c z o s 低通滤波器构成，其权重函数为： 蒇庙 啷) ：t s i n 2 0 f2 k 了s m n 一了s i n 2 z fk 莩( k ”一，o ，川( 2 6 ) 其中厂d 、f ，2 为截断频率 输出和输入资料的傅立叶振幅密度x c f ) 和y 扩) 的关系可通过对( 2 3 ) 式进行傅立叶变换 6 获得，即： y c f ) = r ，( 厂( 厂) ( 2 7 ) 这里，r ，矿) 是i m i c z o $ 低通滤波器的频率响应函数，权重函数和频率响应函数互为傅立 叶变换，即 矗( 厂) = _ , w l ( k ) e x p ( i 2 r l k a ) ( 2 8 ) 匕 ) = 责l ( f ) e x p ( - i 2 r f k a ) d f 一玛，o ，川) ( 2 ” 这里是样本间隔，厂。：是n y q u 酞频率，当= ib 寸，l2 去。o 5 日一 理想带遥滤波器的响应频率为： r1 ，当t l ，。2 r ( f 声 ( 2 1 0 ) l 2 ，当， 6 9 时可保证其3 0 6 0 天滤波效果全面优于b u t t e r w o r t h 滤波器。但应用中，增大n 固然可 以提高滤波器的性能，但也将滤波后的资料序列有较大损失( 缩短2 n ) 。所以l a n c z o s 带通 滤波器对长序列更适合。 本文采用( n 2 9 0 、f d = 1 7 0 、f c l = v 3 0 ) 和( n 2 9 0 、f 。l = 1 1 5 、f o , = 1 8 ) 的l a n c z o s 带通滤波器对逐日资料分别进行3 0 7 0 天、8 1 5 天滤波。 对于一年的格点资料，设某格点要素时间序列为： g ( i d ，f ，j ) ，i = 1 n x j = 1 n y ，t = i ，= 1 ： ( 2 1 1 ) 其中，i 、，为经、纬格点序数，饼、n y 分别为纬向和经向的格点总数；t 为日序数，n 为总日数( 3 6 5 天) ；f 为资料的层序数，z 为总层数。 经滤波后，得“) 格点要素序列的低频分量： g ( i d ，f ，) ( 2 1 2 ) 7 享即为进一步研究的基本资料。由上文可知岳会比g 前后各缩短9 0 天。 ( 3 ) 相关分析 衡量两个气象要素时间序列之间的相互关系多使用相关分析的方法。利用公式： 。= 去喜。一习( y ，一刃 ( 2 1 3 ) 在本文中，利用相关分析来判断降水低频分量与实际降水距平、水汽垂直积分与实际 降水是否有较好的对应关系。 ( 4 ) 合成分析 本文使用合成分析的方法来研究8 1 5 天的8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 低频风场、整层低频水 汽通量在低频降水3 个循环合成后的不同位相演变过程，以了解2 0 0 3 年夏季江淮强降水过 程中对流层高、低层低频环流的差异和低频水汽的源。 8 第三章2 0 0 3 年江淮流域强降水过程与3 0 - 7 0 天 低频振荡的联系 3 1 引言 江淮流域地处东亚季风区，受季风活动影响，干旱与洪涝灾害时有发生，对于降东规 律和特征的研究至关重要。近年来有很多研究揭示了季风区内降水变化同大气季节内振荡 关系密切 5 1 - s 4 ) 。t a o 等”指出低纬系统与中商纬系统在季节内时间尺度上的相互作用在东 亚夏季风异常活动中尤为突出，而且是影响东亚地区夏季降水的时间变化及空闯分布的重 要过程。黄静等“+ 讨论了与长江流域旱涝相联系的低频环流场的变化指出涝年降水是 由南北方低频涡旋相向运动在长江流域汇合所形成。陆尔等“”扶位涡场和低频振荡传播 的角度分析了1 9 9 1 年江淮地区暴雨与低频振荡特征，表明低纬地区将暖湿空气以低频形式 输送到江淮以南，并与北侧的低频冷空气在江淮地区相互作用，从而导致该地区以低频形 式出现3 场特大暴雨。徐国强等”1 的研究表明南海低频夏季风的向北传播对长江流域降水 具有重要贡献，南海夏季风的低频振荡对南海季风的爆发具有加强的作用，南海海温的低 频振荡对南海季风的爆发具有触发作用，低频sst 与低频降水之闻存在低频耦合作用。 c h e n 等1 指出，来自南海和中高纬地区的大气季节内振荡在长江流域的汇合是造成1 9 9 8 年该地区洪涝灾害的重要原因。这些研究结果表明，不同年份雨带的分布和降水多寡同该 年低频振荡的分布与传播有密切联系；且在不同年份，低频振荡存在着很大差异。此外， 朱乾根等”1 在讨论南海季风与中国南部低频降水的关系时，认为中国的低频降水在全部降 水中占有相当大的比重，并指出研究中国低频降水，对于认识中国降水的时空分布特征、 进而作出预报和预测，有着十分重要的意义。 本章将从环流场、涡旋传播和水汽输送的角度来探究2 0 0 3 年江淮地区降水过程与季节 内低频振荡的关系。 本章已作为。2 0 0 3 年江淮流域强降水过程与3 0 7 0 天低频振荡的联系”一文的主簧内容将发表于 南京气象学院学报( 待刊) 。作者：夏芸，管兆勇。 9 3 2 资料与方法 使用2 0 0 3 年n c e p n c a r 再分析全球逐日风场、比湿和地面气压资料( 水平分辨率均 为2 5 。x 2 5 。) 1 以及2 0 0 3 年中国7 4 0 站日平均降水资料( 中国气象局国家气象信息 中心提供) 。 本章主要采用标准的m o r l e = t 小波分析法”“分析时间序列的周期特征和l m - l c z o s 滤波 器“进行低频滤波。 3 3 2 0 0 3 年夏季降水的基本特征 2 0 0 3 年夏季( 6 8 月) 中国东部地区总降水量超过6 0 0 m m 的测站集中在江淮流域、四 j i 盆地及华南中西部( 图3 1 a ) ，其中江淮流域发生了1 9 9 1 年后的最大洪永。该年雨型一 反常态，出现了近半个世纪从没有过的厄尔尼诺事件发生年次年主要雨带位于黄河至长江 之甸( 类雨型) 的现象。受2 0 0 2 2 0 0 3 年厄尔尼诺事件的影响，西太平洋副热带高压冬、 春、夏、秋季持续偏强，夏季西伸脊点位置偏西。6 、7 月平均脊线位置偏南，江淮流域长 期稳定地处于西太平洋副高脊前西北侧；冷暖空气频繁持续地在淮河流域交汇；初夏6 月 上中旬有贝加尔湖阻高影响，6 月下旬至7 月中旬有鄂霍次克海阻高影响：盛夏东亚夏季 风异常偏强，6 月第4 候以后，西南风向北推进至3 1 3 3 。n 附近，并在此维持1 个月左 右，使2 0 0 3 年江淮流域降水异常偏多。根据每个站的日降水量相对于6 - - 8 月平均值的 偏差而计算得到的均方根分布表明( 图3 i b ) ，季节内扰动的贡献具有较强的局地性，数 值较大的区域位于总降水量大的地区。 图3 12 0 0 3 年6 - 8 月中国东部地区总降水量( a ，单位：硼) 和均方根( b ，单位：m m d ) 分布 f i g 3 1 ( a ) a c c u m u l a t e dr a i n 白| lm i n i s ( m a n d ( b ) r o o to f m e a ns q u a r e dm i a f a l 】t u m i d ) o v 口h ee a s i c l t l c h i n a f o r h ep e r i o d f r o m h u n 3 l a u g ，2 0 0 3 1 0 使用m o r l e t 小波变换进一步分析2 0 0 3 年6 8 月江淮地区 1 1 2 5 1 2 0 。e 、3 0 3 5 。 n 降水的低频变化特征，由图3 2 a 可见，2 0 0 3 年江淮地区夏季降水存在准双周和3 0 7 0 天的低频振荡。根据李崇银“。对大气低频振荡研究的总结：时间尺度在7 1 0 天以上，1 0 0 天以内的大气运动变化称为大气低频变化，它包括引起大家普遍注意的季节内( 3 0 6 0 天) 振荡和准双周( i 0 2 0 天) 振荡，其中季节内振荡是一个相对宽带的现象，周期范围为2 0 9 0 天，但3 0 6 0 天周期特征占优势。本章主要研究3 0 7 0 天的振荡。 从实际降水距平与滤波后的振荡分量曲线( 图3 2 b ) 可看出：降水过程集中出现在6 月2 1 日一7 月2 1 日，降水强度最大、持续时间长。在8 月中和8 月末也分别有两次小的 降水过程，只是这两次过程持续时间短。3 0 7 0 天的低频分量与降水距平有较好的对应关 系，两者的相关系数为0 5 4 6 。 3 0 7 0 天低频降水方差与降水总方差百分比分布( 图3 2 c ) 表明，江淮地区低频降水 方差占总方差的百分比在1 0 左右，其中最大值超过1 6 ，这与6 8 月江淮地区总降水 量最大值区相对应，表明3 0 7 0 天低频降水不仅对总降水贡献较大，且在季节内降水扰动 中也是较大的分量。 图3 22 0 0 3 年6 8 月江淮地区降水的小波分析实部( a ) ，降水距平( 虚线) 与降水3 0 7 0 天滤波( 实 线) 的低频分量( b ；单位：m m ) 及3 0 7 0 天低频降水方差与降水总方差百分比( c ) 分布 f i g32( a ) w a v e l e t a n a l y s i so f r m n f a l l ，( b ) r a i n f a l la n o m a l y ( d a s h e dl i n e ) a n di t s3 0 7 0 dl o wf r e q u e n c y c o m p o n e n t ( s o l i dl i n e ) ( m m ) i n t h ey a n g t z e - h u a i h er i v e rv a l l e yi nt h es a n x m e ro f 2 0 0 3 ，a n d ( c ) t h ep e r c e n t a g e s o f t h ev a r i a n c eo f 3 0 7 0 dc o m p o n e n tt ot h ev a r i a n c eo f t h ei n t r a - s e a s o n a lv a r i a t i o n so fr a i n f a l 3 4 3 0 7 0 天低频环流结构 3 4 1 风场的低频特征 为了解降水低频变化的成因，需对环流进行分析。区域1 1 1 2 5 1 2 0 。e 、2 5 3 5 6 n 平均的8 5 0 h p a 经向风的小波分析( 图3 3 a ) 表明，东亚地区副热带经向风具有明显的低 频振荡特征，主要表现为准双周、准3 0 天和准6 0 天三个低频波段，其中准3 0 天和准6 0 天这两个低频波段与降水3 0 7 0 天振荡周期相比，尽管较为复杂，但低频时间尺度仍然 一致。图3 3 b 显示该区域3 0 7 0 天8 5 0 h p a 经向风沿i 1 5 。e 的时间一纬度割面，在6 月 下旬到7 月上旬，低频南风和北风在3 0 3 5 。n 之间交汇，形成强烈的南北向幅合，为江 淮地区的强降水过程提供了有利条件。 图332 0 0 3 年6 8 月区域 1 1 2 5 1 2 0 。e 、2 5 3 5 。n ：平均的8 5 0 h p a 经向风的小波分析实部( a ) 和8 5 0 h p a3 0 - - 7 0 天经向风沿儿5 。e 的时间一纬度剖面图( b ) ( 单位：m s ) f i g 3 3( a ) w a v e l e t - a n a l y s i so f z o n a l w i n d a t8 5 0 h p a i n t h e y a n g t z e - h u a i h e r i v e r v a l l e y i n t h es u m m e ro f 2 0 0 3 a n d ( b ) t h et i m e l a t i t u d es e c t i o n so f3 0 7 0 dz o n a lw i n dc o m p o n e n ta t8 5 0 h p a ( n v s ) 3 4 2 低频涡度场 从时间一经度剖面看，江淮地区6 月2 1 日一7 月2 1 日强降水过程对应低层( 图3 4 a ) 正涡度系统沿中纬度西太平洋地区自东向谣传入1 1 5 1 2 0 。e 附近并有所加强，而高层( 图 3 4 c ) 则处于自东向西传播的负涡度系统中，高低层系统的斜压性非常强。时间一纬度剖 面显示在这次降水过程中低层( 图3 4 b ) 正涡度系统由低纬南海地区向北传播到江淮地区， 而高层( 图3 4 d ) 正处于负涡度系统中。区域：1 1 5 1 2 0 。e 、3 0 3 5 。n ( 低频降水方差 百分比较大) 平均的低频涡度时间高度剖面( 图3 d e ) 更清楚地表明，在江淮降水过程中 对流层高、低层低频涡度呈负、正配置。这些结果说明，江淮地区3 0 7 0 天低频环流系统 是呈斜压性的，这样的低频斜压系统为江淮地区6 月2 1 日- - 7 月2 1 日强降水过程的发生 起到了重要作用。 图3 43 0 7 0 天低频涡度场沿3 2 5 。n 的时间一经度刳面( a ：8 5 0 h p a ；c ：2 0 0 h p a ) 和沿1 1 5 e 的时间 一纬度剖面( b ：8 5 0 h p a ；d ；2 0 0 h p a ) 及区域 1 1 5 1 2 0 e 、3 0 3 5 。蛔平均的时间一高度剖面( e ) ( 阴 影区为正涡度，单位：1 0 1 ，1 ) f i g 3 4 ( 扎c ) l o n g i t u d e - t i m es e c t i o n sa l o n g3 2 5 喇( b , d ) l a t i t u d e t i m es e c t i o r t sa l o n g1 1 5 。ef o rl o w 蛔u e n c yc o m p o n e n t o f v o r t t i c i t y , a n d ( e ) h e i g h t - t i m e $ c c t i