广东汛期降水的大气环流低频特征分析

广东汛期降水的大气环流低频特征分析

（2）水的低频空气循环特征。结果表明,华南汛期的降水主要有7~20天和60天左右的周期振荡,广东汛期的明显降水过程主要出现在60天左右低频振荡的正位相中,当7~20天振荡与60天左右的低频振荡正位相同相叠加时,广东降水明显增强。前汛期华南及其附近地区的低频系统配置和气旋性涡旋有联系,850和500hPa上,在华南及其邻近地区都存在一个气旋性涡旋,涡旋中心位于华东沿海,广东受其环流南侧的影响,有利于低层西南风带来的水汽在华南汇合从而产生降水;200hPa亚洲大陆上气旋和反气旋涡旋在100~110°E地区形成较一致的西北风场,在华南地区转辐散的偏西风场。间歇期的低频系统及其配置和前汛期的相似,但气旋性和反气旋性涡旋的位置正好相反。后汛期的低频系统配置与前汛期的相似,但系统的位置总体偏西、偏南。前汛期850hPa正涡度主要是由南往北传播到达华南,后汛期正涡度源于自东往西和南北方向传播的波列;前后汛期降水盛期500hPa正涡度的传播方向在纬向上是相反的,前汛期有自西往东传播的特征;200hPa散度在前汛期有自南往北传播的特征,在后汛期在华南上空近乎静止。1暴雨传播与天气条件的关系2006年我国南方出现了严重的洪涝。以广东为例,梅州、惠州、东莞、中山、清远等市因暴雨引发的洪涝灾害造成了13人死亡,全省直接经济损失12多亿元;6月鹤山市月雨量破历史同期最高记录;7月广东受强热带风暴“碧利斯”和台风“格美”的影响,出现了历年罕见的强降水天气,共出现暴雨133个站次、大暴雨68个站次,特大暴雨3个站次。2006年我国南方暴雨过程的频发性和致灾严重性,引发了一系列暴雨的相关研究,并得到了一些有意义的结果。陈红等分析了2006年夏季的主要天气过程和形势,认为6月造成华南地区强降雨的天气系统为切变线和地面静止锋,7、8月则为台风。陶诗言等的研究表明,2006年中国南方流域致洪暴雨和东亚季风涌以及赤道附近大气环流的30~60天振荡(MJO)活动有关系,来自赤道印度洋的MJO可引起南海地区西风的加强,进而触使中国南部大陆出现季风涌,季风涌与来自北方的冷空气交绥,造成静止锋上的致洪暴雨。自从Madden等发现低频振荡以来,人们对低频振荡及其与降水的关系做了大量的研究,表明我国东部的暴雨特别是长江中下游、华南地区暴雨与大气低频振荡及其传播有密切联系[2,4,5,6,7,8,9,10,11]。已有研究表明,西太平洋副高、印度季风、副热带西风急流上的长波扰动均有显著的低频分量,它们都对应有明显的低频环流系统活动,并与长江上游大范围降雨之间有较密切关系。江淮流域涝年,南海地区TBB30~60天和10~20天振荡十分活跃,向北传播非常明显。低频波的不同位相与降水之间有较好的对应关系,而且在时间上有5~10天的先兆性。毛江玉等从低频流场的分析表明,1991年江淮梅雨期间低空15~35天振荡以异常反气旋(气旋)的形式在中国东南沿海地区交替出现,配合高空的偶极型涡旋对,形成有利(不利)于江淮流域降水的环流形势。至于华南暴雨方面,对1994年华南大范围暴雨过程的分析认为,南海夏季风的异常活跃及其以低频振荡形式(周期约为30~60天)传播到暴雨区,与暴雨的发生有着密切的联系,强暴雨过程对应着季风的脉动或加强期。1999年广东汛期降水的10~20天振荡与850hPa上自热带地区传来的低频环流系统的活动密切相关。2005年6月18—23日华南持续性暴雨也与热带季风季节内振荡(ISO)向北传播到华南有关。可见,华南暴雨与大气低频振荡的传播联系密切。深入了解与暴雨相联系的低频大气环流演变特征及其传播特征,对暴雨的中短期预报有很好的指示意义。广东暴雨在南方暴雨中具有代表性,因此,本文将针对2006年广东汛期降水过程,尤其是暴雨过程的低频大气环流特征及其传播进行研究,以期为暴雨过程的中期预报提供思路。2嫌犯降水资料(1)2006年NCEP/NCAR全球逐日4时次的再分析资料,分辨率为1°×1°。(2)2006年广东省86个测站的逐日降水资料。采用墨西哥帽小波分析方法,对广东86站平均逐日降水进行时频分析。利用一阶的Butterworth带通滤波器得到资料原始序列的低频分量。320前汛期7天左右的周期活动主要表现为党的720天图1是2006年3月1日—10月31日广东省86个站平均日雨量的逐日变化及其墨西哥帽小波分析。由图1a可见,3—10月广东有两个降水比较集中的时段,分别是5月17日—6月15日和7月15日—8月5日,它们分别代表着广东前、后汛期的盛期。6月17日—7月14日是前后汛期过渡的间歇期,日平均降水在12mm以下,甚至无雨。由图1b可见2006年广东汛期的降水有7天左右、10~20天和60天左右的周期活动。5—8月60天左右低频活动通过了α=0.05的显著性水平检验。5月中旬末—6月中旬初、7月中旬—8月上旬分别是60天左右周期的两个正位相,6月中旬—7月上旬是60天左右周期的负位相,60天左右周期的正负位相分别对应着前后汛期的盛期和间歇期。7天左右的周期活动在3—10月较活跃,其中5月—6月上旬和7月中旬—8月上旬7天左右的周期活动又较其他时间明显,出现在60天左右周期的正位相中。7月中旬—8月上旬,10~20天的周期活动较其他月份明显,与60天左右周期的第二个正位相出现的时间重合。根据图1b的分析,将2006年3—10月的全省平均逐日降水序列分别以7~20天和40~80天进行带通滤波,40~80天低频振荡序列(以下简称为60天左右低频振荡)如图2粗实线所示。可见,大于25mm的降水主要出现在60天左右低频振荡的正位相中,并且振荡的振幅越大,对应的日降水量越大、大于25mm的降水日出现得越集中。3—10月广东平均日雨量达到25mm以上的降水日共20天,主要分布在12个天气过程中。按低频位相来看,出现在5月中旬末—6月中旬初60天左右低频振荡正位相中的有5个天气过程,除了5月中旬末由0601号热带气旋“珍珠”外围环流影响的天气过程外,其余4个天气过程主要是由西风带系统造成;7月中旬—8月上旬的60天左右低频振荡正位相期间共有3个天气过程,分别是0604“碧利斯”、0605“格美”和0606“派比安”热带气旋过程。从图2的带通滤波曲线还可见,7~20天振荡(虚线)的正位相都对应着一次降水过程,振幅明显的几个正位相,其对应的降水量也较大,较大的正位相振幅都出现在60天左右低频振荡的正位相中,如3月下旬、7月中下旬。7~20天振荡的负位相和60天左右低频负位相同相叠加时,降水偏少甚至无雨,如4月19日前后、7月14日前后和6月下旬末。可见,广东汛期的明显降水过程主要出现在60天左右低频振荡的正位相中,当7~20天振荡与60天左右的低频振荡正位相同相叠加时,广东降水明显增强,负位相同相叠加时降水偏少甚至无雨。已有的研究表明副高的活动除了季节性北跳外,还有10天以上的长周期活动和几天的短周期活动。后汛期副热带高压位于30°N附近,华南受副高南侧环流影响。因此,7~20天尤其是10~20天的周期在后汛期比其他月份明显的现象可能和副高在这期间对华南的影响有关。西风槽脊的活动具有准单周特征,前汛期降水盛期的4个主要降水过程主要是由西风带系统造成的。因此,前汛期7天左右的周期活动明显与西风槽系统的活跃有关。纵坐标自左到右分别表示原降水序列、7~20天和60天左右周期的雨量,单位:mm,细/粗箭头指示前/后汛期60天左右低频振荡的0位相,横坐标是日期:mm-dd。将60天左右低频降水序列标准化(图3)后发现,前汛期5月中旬末—6月中旬初和后汛期7月中旬—8月上旬的两个正位相及其随后的两个负位相都超过了1个标准差,是3—10月显著的低频周期,主要讨论前汛期及其对应的60天左右低频振荡的环流形势,并与后汛期的进行比较。420环流场对比分析对前汛期中对应60天左右低频周期正位相的时段5月15日—6月13日(如图2细线箭头所指)分别求取平均的850、500、200hPa环流及其对应的60天左右低频流场(图4)。850hPa源自索马里附近的西南风和副高西侧的南-东南风在华南沿海地区汇合,南岭以北有弱的西北风,西南风和西北风在南岭附近有切变型辐合(图4a)。低频场上,气旋性涡旋中心位于台湾海峡,华南受气旋性涡旋西南侧的环流影响(图4b),这个气旋性环流有利于西南风带来的水汽在华南上空产生辐合。500hPa(图4c)副高脊线在20°N附近的西北太平洋上,华南位于西风槽底和副高西北侧之间较平直的西-西南风场中。低频流场上(图4d),华南到华东是负的高度低频位相中心,对应着气旋性的涡旋,涡旋中心位于长江口附近,华南受气旋性涡旋南侧的环流影响。200hPa副热带高空急流位于35°N附近,南亚高压脊线位于急流南侧、22°N附近的青藏高原南麓,华南处于南亚高压东部西北风的辐散场中(图4e)。低频流场上(图4f),在副热带急流轴线及其南侧自西往东是气旋/反气旋相间出现的5个涡旋,其中在南亚高压中心西北侧30°N附近有反气旋性涡旋,位于山东半岛有气旋性涡旋,这两个气旋/反气旋的涡旋之间、位于100~110°E地区受较一致的西北风场影响,在华南地区转辐散的偏西风场。这个气旋/反气旋涡旋对的维持,有利于南亚高压在22°N附近维持,并加强了南亚高压东北部的西北风,从而加强了华南地区的高层辐散场,有利于降水的维持。考虑到前汛期5月中旬—下旬初有热带气旋“珍珠”造成的降水,故剔除“珍珠”影响时间,对5月下旬—6月中旬同样做了环流及其低频分量的平均场分析,得到与上述几乎一致的结论。前后汛期之间的间歇期(6月中旬末—7月中旬初)是60天左右低频振荡的负位相期(图2),这期间平均的850、500、200hPa环流及其低频流场如图5所示。850hPa源于索马里附近的西南风和副高西北侧的西南风在30°N以北地区汇合,华南受一致的南-西南风场影响(图5a),风场的辐合较北,不利于华南的降水。相应的低频流场(图5b)显示,反气旋涡旋中心位于台湾海峡,华南受反气旋环流影响。500hPa(图5c)副热带高压脊线在25°N附近,西脊点位于110°E,反气旋环流控制华南。低频场上(图5d),华南位于位势高度低频正位相中,对应着反气旋性的低频风场环流,环流中心位于台湾海峡附近,华南受反气旋西南侧的东南气流影响,但风场呈辐散型,不容易产生降水。200hPa(图5e)副热带高空急流位于40°N附近,南亚高压中心在28°N附近的青藏高原上,华南上空是南亚高压南侧的东北风场。低频分量上(图5f),副热带急流轴线及其南侧自西往东有5个气旋/反气旋相间出现的涡旋,其中高原西北侧35°N附近是气旋性涡旋,华东沿海-四川地区有反气旋涡旋,两涡旋之间、位于95~110°E的地区受较一致的南到西南风影响,华南处在反气旋性涡旋南侧的偏东风场中。a中阴影区表示≥8m/s的风速区,c、e中阴影区表示≥12m/s的风速区,e、d、f中阴影区表示500hPa高度低频场中负位相区。对比前汛期和间歇期的上述环流分析可见,在环流场上前汛期降水盛期和间歇期在系统的影响和配置上完全不同。前汛期降水盛期主要是低层的切变线、500hPa的西风槽和高层的辐散场相配合的典型降水形势。间歇期华南主要受副热带高压控制,低层是西南风控制,但西南风的辐合在30°N以北。低频流场上,前汛期华南及其附近地区的低频系统配置和气旋性涡旋有联系。850和500hPa上,在华南及其邻近地区都存在一个气旋性涡旋,涡旋中心位于华东沿海,广东受其南侧环流影响,有利于低层西南风带来的水汽在华南汇合从而产生降水;200hPa亚洲大陆上气旋和反气旋涡旋在100~110°E地区形成较一致的西北风场,在华南地区为辐散的偏西风场。间歇期的低频环流和反气旋性涡旋有关,850和500hPa上,反气旋性涡旋中心位于台湾海峡,广东受其环流影响;200hPa亚洲大陆上气旋和反气旋涡旋在100~110°E地区形成较一致的南-西南风,华南地区处在反气旋涡旋南侧的偏东风场中。520环流形势对比图6为60天左右低频振荡正位相期间(7月13日—8月7日)平均的850、500、200hPa环流。可见,广东后汛期850hPa源于索马里附近的西南风和105°E附近的越赤道气流在南海汇合,卷入位于北部湾-广西地区的气旋性环流,华南受其东侧环流的影响。低频场上,气旋性涡旋中心位于华南沿岸,华南受涡旋环流影响。500hPa副热带高压脊线位于30°N附近,西脊点位于华东沿海,华南处于东南风场中。低频场上,华南到华东是高度低频的负位相,有气旋性涡旋相配合,涡旋中心位于华南沿岸,中心位置和850hPa的较一致。后汛期华南降水主要是热带气旋的影响造成,热带气旋具有正压结构。低频流场上,850、500hPa影响华南的气旋性涡旋位置在垂直方向上的一致性,就是热带气旋结构在低频分量上的反映。200hPa副热带高空急流位于45°N附近,南亚高压控制青藏高原,华南上空是南亚高压东南部的东北-东风,风向和风速都呈辐散型。低频流场上,急流南侧自西往东是气旋/反气旋相间出现的4个涡旋,其中南亚高压北侧42°N附近有反气旋性涡旋,高原东侧的南亚高压脊线附近有气旋性涡旋,两涡旋之间、位于90~105°E的地区有较一致的东北风场抑制了南亚高压的东扩,有利于热带系统的西移影响华南。在气旋性涡旋的南侧、位于粤东沿海有一个反气旋性弯曲的辐散源,这个辐散源是点源,与热带气旋高层的流出气流相配合,华南处在辐散流场中。从以上对后汛期环流形势及其低频流场的分析可见,后汛期的降水形势是高低层较一致的气旋性环流,与前汛期相比是截然不同的影响系统和环流形势。但在低频场上,后汛期的流场和前汛期有非常相似之处,都和气旋性涡旋有联系,但总体位置较前汛期的偏南、偏西。其中,850和500hPa,气旋性涡旋中心位于华南沿岸,广东受其环流影响。200hPa上的气旋/反气旋涡旋对之间、位于90~105°E为东北气流,华南受气旋性涡旋南侧的辐散流场影响。620月内西传正潮度波列由第4、5节的分析可知,在2006年前、后汛期的低频流场上,华南及其附近地区的系统配置都和涡旋有联系,其中850、500hPa华南及其附近地区主要受气旋性涡旋的环流直接影响,200hPa上,则是气旋/反气旋涡旋对之间与西北(东北)风有联系的辐散场影响华南。本节将探讨汛期影响华南降水的低频振荡传播特征,分别以涡度和散度描述低层850、500hPa和高层200hPa的流场情况。以21~25°N平均的情况来分析纬向活动,以110~118°E平均的情况来分析经向活动。图7给出了850hPa涡度的经向和纬向的时间剖面图。从图7a可见,3月有正的涡度自105°E逐渐东传,于4月到达115°E附近,东传到110°E附近的时间对应着广东3月底的第一次降水过程。5月—7月初位于105~125°E之间的正负低频涡度几乎是静止的,没有明显的纬向传播,林爱兰等的研究也表明,2006年大气季节内振荡(ISO)在华南地区的纬向东传波和静止波偏强。5月中旬—6月中旬的正涡度对应着前汛期的降水盛期,随后的负涡度期对应着降水的间歇期。7、8月,有涡度低频波列自东往西传播到华南地区,最大的涡度中心位于125~130°E的西北太平洋上,涡度波列的传播速度较3月的明显加快。7月中旬—8月上旬到达华南的正涡度与后汛期的降水盛期相对应。9月分别有波列从东西两个方向传播到华南地区,在110°E附近有最大的涡度低频振幅。经向上(图7b),从4月开始有涡度低频波列自低纬度向北传播,正涡度于5月上旬—6月上旬到达华南,正涡度在北传的过程中增强,两个强中心分别位于南海中部和广东上空,正涡度到达华南的时间较前汛期盛期的降水时间略早。后汛期位于广东上空的正涡度中心源于两个方向,一个是在6月初越过赤道向北传播的波列,另一个是自高纬度往南传播的波列,两个传播方向的正涡度都可以往前追溯1个月左右。7月中旬—8月上旬,两个方向的正涡度汇合到广东,对应着后汛期的降水盛期,之后正涡度继续往南传播,9月到达赤道地区。9月在华南上空有最强的正涡度中心,波列源于北方,在南传的过程中加强。b.110~118°E平均的纬度-时间。阴影区为正的涡度区,等值线间隔2,单位:10-6s-1。5月中旬—6月中旬500hPa位于华南的正涡度(图8a)主要源于自西往东传播的波列,与南支西风槽的移动方向一致,6月初正涡度中心位于115°E附近,与前汛期的降水盛期相对应。对应后汛期降水盛期7月中旬—8月上旬的正涡度源于130°E以东的西北太平洋,自6月开始往西传播的正涡度波,在西传过程中强度逐渐减弱。1个多月后的9月中旬,西传的正涡度波列再次抵达华南,对应着较弱的华南降水过程。后汛期华南主要受副热带高压西南侧的东南风场影响,这自东往西传播的正涡度可能与副热带高压有关。降水间歇期对应的华南负涡度主要源于自东往西传播的波列,但波列较弱。经向上(图8b),前汛期南北两个方向的涡度波列于5月中旬—6月中旬到达广东,并在广东沿海到南海中北部海域出现最强的正涡度中心;7月中旬前后正涡度首先出现在25~30°N附近,然后分别往南、往北传播,其中往南传播的波列于7月中旬—8月上旬到达华南上空,对应着后汛期的降水盛期,之后继续南传,可到达赤道地区。间歇期华南上空的负涡度波列主要由35°N附近的中纬度地区往南传播经过华南上空。200hPa散度(图9),在华南上空的正/负散度分别出现在前后汛期降水盛期/间歇期,纬向上几乎是静止的。经向上,7月中旬之前,22°N以南地区有自南往北的散度传播到华南上空,可能和南亚高压的季节性北移有联系。综合以上的分析可见,前汛期的5月中旬—6月中旬850hPa华南上空的正涡度纬向上几乎静止的,经向上主要是自南往北由南海海域传播到达华南;500hPa正涡度以东传和南北向传播为主;200hPa华南上空的散度纬向上几乎是静止的,经向上源于自南往北传播的波列。后汛期的7月中旬—8月上旬,850hPa华南上空的正涡度纬