mou对华南前汛期降水的影响及其可能机制

mou对华南前汛期降水的影响及其可能机制

1对降水的影响中国的降水具有明显的季节性变化特征。换句话说，在雨季，有一些多雨期和减少雨季的现象。这可导致短时间内的旱涝极端天气,对社会和经济活动产生重要影响。然而,当今常规天气预报主要着眼于10d内的预报,短期气候预测主要解决月时间尺度以上的预测,介于两者时间尺度之间的10~30d预报(即延伸期预报)就成为“预报缝隙”,使预报降水的季节内变化成为难题,是目前尚未解决而又急需解决的问题之一。寻找到有效的预报因子是做好延伸期预报的前提。研究表明,MJO(Madden-JulianOscillation)可以为延伸期预报提供预报信号,MJO的活动规律是制作延伸期预报的有效方法之一。MJO最早由Madden等发现,是热带地区季节内变化最主要的成分,它沿赤道自印度洋向太平洋东移,平均移速为5m/s,振荡周期为30~90d,伴随对流、降水的活跃或受抑。MJO的重要性不仅在其本身,还在于它可以影响包括我国在内的接近全球范围的天气,例如,MJO影响我国春季降水、夏季降水、冬季降水和近地层气温(SAT)的季节内变化。因此,研究MJO对降水的影响有利于提高延伸期预报水平,具有理论和现实意义。华南地区是中国雨量最充沛的一个区域,易受热带大气变化的影响,4—6月为华南前汛期,降水丰沛、洪涝灾害多发。研究MJO对华南前汛期降水的影响,不仅有利于理解华南前汛期降水的季节内变化,还有助于制作好华南前汛期降水的延伸期预报。章丽娜等研究了MJO对华南前汛期降水的影响,指出MJO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,最显著的降水正负异常分别位于第4和第7位相,且相应的大尺度背景场也发生季节内变化。但仍有一些问题值得继续讨论,例如,MJO活动中心以外地区的天气对MJO的响应需要一定时间,那么华南前汛期降水对MJO的响应过程是怎样的?MJO影响华南前汛期降水的可能机制又是什么?本文将围绕上述问题,进一步研究MJO对华南前汛期降水的影响,为华南前汛期降水的季节内变化寻找预报信号和科学依据。2资料处理与分析方法本文采用的资料包括:(1)中国753个地面气象观测站的逐日降水资料;(2)实时多变量MJO指数(Real-TimeMultivariateMJOIndex,RMM指数);(3)美国NOAA提供的逐日向外长波辐射(OutgoingLongwaveRadiation,OLR)资料,水平分辨率为2.5uf0b0×2.5uf0b0;(4)美国NCEP/NCAR提供的逐日全球再分析资料,水平分辨率为2.5uf0b0×2.5uf0b0,垂直方向为17层。以上资料的时间范围为1975—2011年,但由于OLR资料在1978年有缺测,为统一起见均不包含1978年,共计36年。为了滤除高频变化成分,本文使用逐候资料,处理方法是对上述资料依次求得4月1日—6月29日期间各候平均值(即4月1—5日、……、5月31日—6月4日、……、6月25—29日分别求平均)。再对逐候降水资料、OLR资料和再分析资料进行如下处理:(1)减去对应候的36年气候均值,以移除季节循环;(2)减去对应年期间华南前汛期均值,以移除年际、年代际变化。以下分析均采用经过处理后的资料。本文用RMM指数描述MJO活动,有关该指数的定义和意义参见文献或文献。RMM指数以表示强MJO,否则为弱MJO。弱MJO更接近MJO生成时的随机变化,章丽娜等研究表明,弱MJO对华南前汛期降水没有显著的影响,因而本文只考虑强MJO事件,即的情况。本文采用合成分析方法,包括同期和滞后合成。具体做法:根据RMM指数(时段范围为4月1日—6月19日)确定的MJO的8个位相,将各候归类为第8~1位相、第2~3位相、第4~5位相、第6~7位相,共4类,36年间各类别对应的总候数见表1,同类别候及其滞后1、2候的降水或其它气象要素分别求平均。之所以分析MJO与降水或环流的滞后关系,是因为MJO活动中心以外地区的大气环流及天气变化对MJO的响应需要一定时间,例如Lin等指出当MJO对流活动进入印度洋或西太平洋后5~15d,北大西洋涛动的强度发生显著改变,He等发现东亚地区冬季降水、SAT对MJO的响应具有1周左右的滞后。同期合成得到的结果实际上是依赖于MJO周期性的间接联系,但考虑到MJO并非严格的周期振荡,每个位相持续时间并不固定,甚至可以从任意位相开始或结束,因此有必要研究MJO与天气变化的超前、滞后关系,建立MJO与天气变化的直接联系,更充分理解MJO影响天气变化的机制。此外基于对MJO的实时监测,这种超前、滞后关系还可以直接作为预报信号。本文对合成结果进行显著性检验以确定其统计学意义。降水距平资料不满足正态分布,对其检验时采用非参数估计的蒙特卡洛方法,每次检验均进行10000次随机试验。其它气象要素近似满足正态分布则使用t检验。3m长期民法影响区域降水的特征在分析华南前汛期降水与MJO的关系之前,先选取华南前汛期降水代表站。参考Ting等划分降水区的方法,计算得到华南地区36年间4月1日—6月29日逐候降水量标准差最大的站点为阳江站,再求出阳江站与所有站点在华南前汛期期间逐候降水量的相关系数,选取相关系数超过0.05的显著性水平检验、空间分布连续、具有相对一致的降水变率的站点作为华南前汛期降水的代表站,共57站(图1),与文献[28-29]研究华南前汛期降水时选取的代表站的空间分布相似。对57个代表站的逐候降水距平按上述介绍的方法分别进行合成,再对合成结果做如下分析:(1)计算得到区域平均降水距平(指平均每站的降水距平,图2);(2)统计合成结果中超过0.1显著性水平检验的站点个数(表2)。图2所示的区域平均降水距平反映了不同MJO位相期间或滞后1、2候时华南地区降水的总体异常情况。在滞后时长为0候(Lag=0)时,MJO的第2~3位相、第4~5位相对应降水正异常,而第6~7位相、第8~1位相对应降水负异常,这与文献[14,16-17]的研究结论相符。在滞后1候(Lag=1)时,MJO的第2~3位相、第4~5位相仍然对应降水正异常,且第2~3位相对应的降水正异常值比Lag=0时增大,而第6~7位相、第8~1位相仍对应降水负异常,且第6~7位相对应的降水负异常值比Lag=0时减小。在滞后2候(Lag=2)时,MJO的第8~1位相、第2~3位相对应降水正异常,而第4~5位相、第6~7位相对应降水负异常,且第6~7位相对应的降水负异常值比Lag=1时略减小。可见,在MJO不同位相,华南前汛期降水异常有明显差异,并且这种差异随滞后时长而发生变化。第2~3位相和第6~7位相分别有降水正、负异常随时间滞后的增强过程,且对应降水正、负异常的峰值、谷值,而第8~1位相、第4~5位相分别是降水负异常向正异常、正异常向负异常的过渡期,表明每次完整的MJO周期分别有一次促进和一次抑制华南前汛期降水的过程,两次过程主要发生在第2~3位相和第6~7位相。因此第2~3位相和第6~7位相可被认为是MJO影响华南前汛期降水的典型“湿位相”和“干位相”,作为MJO影响华南前汛期降水的关键位相。区域平均降水距平合成的峰值和谷值分别对应MJO第2~3位相滞后1候(异常值为1.5mm/d)和MJO第6~7位相滞后2候(异常值为-1.1mm/d),而非关于MJO位相的同期合成,这反映出华南前汛期降水对“湿位相”和“干位相”的响应需要一定时间,滞后时长约为1~2候。表2是合成结果中超过0.1显著性水平检验的站点个数,站点个数越多表示受到MJO影响且显著的站点越多。该结果揭示的MJO影响华南前汛期降水的关键位相、影响结果与上述分析基本一致。4mrad异常场及土壤侵风险分析为了进一步理解上述预报信号的物理本质,下面将分析与MJO第2~3位相和第6~7位相(典型“湿位相”和“干位相”)活动相联系的大尺度环流变化,以讨论MJO影响华南前汛期降水的可能机制。MJO对流中心释放凝结潜热对大气是一个外强迫热源,可引起全球大气变化,本文将从这个角度出发,解释MJO影响华南前汛期降水的可能机制。图3是OLR异常场在MJO第2~3位相、第6~7位相的合成。在MJO第2~3位相,MJO对流中心位于印度洋,而西太平洋、东太平洋有受抑对流,但分布分散,且强度较弱。在MJO第6~7位相,印度洋地区为受抑对流,而西太平洋、东太平洋有异常对流,但分散且强度弱。总之,不同MJO位相反映MJO活跃或受抑对流活动的差异,从第2~3位相到第6~7位相的活跃或受抑对流的区域发生了显著改变。那么,与MJO对流活动区域发生变化的同时,大气环流场发生了怎样的变化?又如何影响华南前汛期降水?下文将就此进行分析讨论。4.1基于是否本底物的rossby波与反气旋式MJO第2~3位相时,对流中心位于印度洋(图3a),对流中心释放凝结潜热,相对大气来说是一个异常非绝热热源。图4是700hPa和200hPa位势高度异常场及异常风场在MJO第2~3位相的合成(包括滞后0候和滞后1候)。在700hPa上(图4a),热源西北侧和西南侧有两个位势高度负异常中心,伴随气旋式异常风场,且在滞后1候时(图4b)更明显,这些异常是非绝热加热引起的赤道Rossby波响应,符合Gill提出的响应模型。热源东侧的海洋大陆地区,位势高度异常场表现为低压舌的东伸,异常风场表现为东风异常,是赤道Kelvin波响应。西北太平洋地区(150uf0b0E,30uf0b0N附近)、澳大利亚东侧地区(170uf0b0E,35uf0b0N附近)有位势高度正异常及反气旋式异常风场,这些异常是非绝热加热激发的Rossby波响应,符合Matthews等和白旭旭等通过数值试验证明的响应模型。该Rossby波向东北方向传播,表现为波列形式,这在200hPa(图4c)上表现得更为明显,西太平洋地区为正P-J型(太平洋-日本型)Rossby波列,通过北太平洋向北美传播。Lin等研究表明,MJO可通过此波列影响北美大气环流及天气。华南地区显然在此波列的影响范围内。滞后1候时,整个异常系统向东移动(图4b、4d)。上述分析表明,Rossby波到达华南地区后,西北太平洋地区低空出现了位势高度正异常和反气旋式异常风场,这些异常将增强西北太平洋副热带高压(简称“西太副高”)的强度,从而使华南地区来自西太副高南侧转向的西南风输送水汽增多,最终促进华南地区降水。4.2位势高度异常与rossby波第6~7位相时,印度洋地区为受抑的对流中心(图3b),受抑对流相对大气是一个异常非绝热冷源,若仅考虑影响过程中线性部分,4.1节中讨论的环流异常在此时应是正负号相反的情形。图5是700hPa和200hPa位势高度异常场及异常风场在MJO第6~7位相的合成(包括滞后0候和滞后1候)。在700hPa上(图5a),冷源东侧的海洋大陆地区表现为位势高度异常场上的高压舌及西风异常,为赤道Kelvin波响应。北太平洋地区(145uf0b0E,35uf0b0N附近)、澳大利亚东侧地区(160uf0b0E,35uf0b0N附近)分别有位势高度负异常及气旋式异常风场,为Rossby波响应。该Rossby波向东北方向传播,表现为波列形式,在200hPa(图5c)上表现得更明显,西太平洋地区为负P-J型Rossby波列。但波列较第2~3位相时东移了,即便如此,200hPa上华南地区还是被位势高度正异常和反气旋式异常风场控制,表明Rossby波再次传播到华南地区。滞后1候时,整个异常系统向东移动(图5b、5d)。上述分析表明,Rossby波到达华南地区后,西北太平洋地区低空出现了位势高度负异常和气旋式异常风场,这些异常将减弱西太副高的强度,从而使华南地区来自西太副高南侧转向的西南风输送水汽减少,最终抑制华南地区降水。5mrae的表现本文利用站点降水资料、RMM指数、OLR资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用合成分析方法研究了MJO对华南前汛期降水的影响,并讨论其可能机制。(1)在MJO不同位相,华南前汛期降水异常有明显差异,并且这种差异随滞后时长而发生变化。每次完整的MJO周期分别有一次促进和一次抑制华南前汛期降水的过程,主要发生在第2~3位相和第6~7位相,它们可被认为是MJO影响华南前汛期降水的典型“湿位相”和“干位相”。(2)华南前汛期区域平均降水距平合成的峰值和谷值分别对应“湿位相”滞后1候和“干位相”滞后2候,反映出华南前汛期降水对“湿位相和“干位相”的响应需要一定时间,滞后时长约为1~2候。(3)MJO活跃(受抑)对流区相对大气来说是一个异常热源(冷源),可通过激发的