热带大气季节内振荡与南方雪灾

热带大气季节内振荡与南方雪灾

气候异常变化2008年初，中国经历了罕见的低温降雨冷气候灾害。这次雪灾影响范围广,持续时间长,强度大,而且是多种灾害并发,既有暴雪、低温、冰冻,也有大雾天气,对中国南方交通运输、能源供应、电力传输和通讯设施以及农业和人民群众的生活造成了严重影响和重大损失。低温、雨雪冰冻灾害形成的原因不是单一的,而是多种因素在同一时段同一地区相互配合和迭加的结果,其中LaNi珘na事件是灾害发生的气候背景。欧亚大气环流异常持续性是造成冷空气不断侵袭中国南方的直接原因;孟加拉湾和南海地区暖湿气流北上是大范围冻雨和降雪形成并在中国南方持续的必要条件。MJO(Madden-JulianOscillation)即大气的30—60d振荡是高、低纬大气环流持续异常同时发生的纽带,它通过调控西风带、亚洲夏季风活动和西太平洋副热带高压的进退,影响中国的天气和气候。已有研究表明,中国气候异常变化同热带地区大气季节内振荡有关,MJO对中国东部地区降水具有一定的调控作用,对北方冬春干旱、低温雨雪有重要的影响。李崇银等指出,大气MJO对东亚季风和中国气候有重要影响。黄荣辉等研究指出,大气MJO对西太平洋地区的非绝热加热有重要影响,而这种热源异常可通过大气遥相关作用影响东亚和中国的气候。韩荣青,李维京等研究表明,东亚夏季旱涝不但与西南季风有关,而且与热带、副热带中东太平洋副热带东风系统中的大气季节内振荡向西传播,以及中高纬度长波调整时低频扰动向西南,经副热带北太平洋的传入密切相关。琚建华等研究了东亚夏季风的季节内振荡,发现东亚夏季风区的低频振荡及其传播对中国长江中下游旱涝有显著的影响。可见,MJO与中国气候有着显著的联系,可作为中国气候异常变化的影响因子。本文以2008年冬季中国南方雪灾为研究对象,用Wheeler和Hendon提出的逐日MJO指数以及(outgoinglongwaveradiation)资料表征MJO的变化,根据MJO指数资料、OLR资料和雪灾期间降水资料,分析MJO与中国南方雪灾的关系,进而从MJO角度分析此次过程的成因。近期研究表明,MJO具有明显的可预报性,因此可为中国南方地区降水监测提供重要的预报依据,对中国经济发展、防灾减灾有着重要的意义。1世界时间序列及位置测量本文所用资料包括:1979年1月1日至2008年12月31日,Wheeler和Hendon提出的逐日MJO指数资料(包括RMM1,RMM2,振幅,位相),资料由http://ww.au/bmrc/clfor/cfstaff/matw/maproom/RMM/获得;中国东部(105°E以东地区)550个台站逐日降水资料,资料时间为1979年1月1日至2008年2月2日;由欧洲中心提供的全球OLR资料,资料时间为1974年6月1日至2008年2月29日逐日再分析资料;NCEP/NCAR全球逐日再分析资料:850hPa风场(u、v)(水平分辨率均为2.5°×2.5°经纬度)。Wheeler和Hendon利用近赤道地区(15°S—15°N)850hPa、200hPa平均纬向风以及向外长波辐射资料场作联合EOF,取前两个主分量时间序列组成MJO指数向量,并记为RMM。两个分量分别记为RMM1和RMM2。RMM1和RMM2相差四分之一位相,变化时间尺度为30—80d。图1为2007年11月1日至12月31日,RMM1和RMM2构成二维位相空间。可以看出,利用RMM1、RMM2可确定MJO的8个不同位相,从而确定MJO的空间位置。MJO指数向量一方面定量地描述了MJO的强度,如图1中MJO弱活动区域为振幅小于1的区域,MJO弱活动区以外区域即为MJO活跃区;另一方面它还具有方向性,可以描述MJO的位置并反映出MJO沿赤道向东传送的特征。本文在研究MJO与中国南方雪灾关系的过程中,采用合成分析方法,分析4次过程的MJO指数及OLR变化特征,从MJO的角度研究雪灾成因。2日雪灾主要信息雪灾过程为2008年1月10日至2月2日,主要集中在中国长江中下游至华南地区,日平均降水距平为4.0—6.0mm。统计中国南方降水集中区(22°—32°N,110°—122°E)日平均降水量可以发现,雪灾主要由4次降水过程造成。时间段分别为1月10—16日、18—22日、25—29日和1月31日至2月2日。第1次过程为强冷空气过程,之后呈现冷空气不强,但维持雨雪天气,主要影响的强中心位于长江中游地区;第2次过程强中心位于长江中下游地区,冻雨范围几乎覆盖贵州、湖南;第3次过程暴雪强度增强,强中心位于华南—长江地区;第4次过程整体强中心位于华南—江南地区。3日本的降水过程雪地3.1中国东部地区为了弄清楚MJO与此次降水(雪)过程的关系,首先分析在MJO不同位相上中国东部冬季降水多年平均变化。利用1979—2008年中国东部550个台站逐日降水资料与MJO指数进行合成分析,发现MJO不同位相上,中国东部冬季降水变化各异,第2与第3位相的降水分布形式相似,第4与第5位相相似,第6和第7位相形式相似,第8和第1位相相似,从而可将MJO的8个位相分成4种情况进行讨论。图2给出了MJO分别在第2—3位相、4—5位相、6—7位相和8—1位相上,中国东部冬季降水变化情况。MJO位于第2—3位相时(图2a)降水变化最为显著,中国东部大部分地区呈正的降水距平,尤其在长江以南一些地区,正降水异常为0.5—1.5mm。这种信号特征在中国东部大部分地区通过了信度为95%的显著性检验。同时由图1可知,此时MJO的位置位于印度洋附近。在第4—5位相中,对流中心大致位于印度尼西亚,中国东部正降水异常向南移动,主要位于华南地区,而其以北大部分地区均呈现负的降水距平(图2b),而且该位相中降水异常信号很弱,只有华南地区通过了信度为95%的显著性检验。第6—7位相上,降水变化与第2—3位相对应,呈现相反变化形式,中国东部大部分地区呈降水负距平(图2c),而此时与MJO有关的对流中心位于西太平洋附近。在第8—1位相上,对流中心在东太平洋至非洲,表现出MJO与降水的关系较弱,而其降水分布的形式与第4—5位相情况相对应,成相反状况,中国华南地区呈降水负异常,而其以北地区为正降水距平(图2d)。参考上述结果,分析MJO指数在雪灾过程中的变化情况。由图3可以看出,1月10日至2月2日MJO存在明显的东传现象,即由西太平洋向东传送至印度洋附近。整个过程经过MJO指数的第7、8、1、2、3位相,与雪灾降水过程相对应。第1次降水过程处于MJO第7位相中,表现出开始伴随强冷空气,之后呈现冷空气不强,但维持雨雪天气,主要影响的强中心位于中国长江中游地区。第2次降水过程MJO已由第7位相向东传送,处于第7、8、1位相,此时强中心位于长江中下游地区,冻雨范围几乎覆盖贵州、湖南。第3和第4次降水过程MJO已由第1位相东传至第2至第3位相附近,对应此时暴雪强度增强,强中心位于华南—江南地区。可见,除第1次降水过程MJO处于第7位相与图2c的结果有差异外,其余3次过程与MJO对中国冬季降水影响的多年平均状况基本一致。伴随着MJO的向东传送,雪灾过程中国南方降水强度及集中区也在随之变化,MJO在一定程度上对雪灾过程有调制作用。3.2mrae回归并在不同季节内发生了多次液压扰动为了进一步探讨MJO的变化如何影响4次降雪过程,利用OLR资料表征MJO的变化,分析OLR与雪灾过程的关系。图4a为2007年12月1日至2008年2月29日中国南方地区的降水距平。图4b为15°S—15°N的OLR纬向平均距平。从图4b可以看出,OLR的2次东传过程,第1次为12月初至翌年1月下旬,第2次为1月下旬至2月中旬,正好与4次降水时间相配合。第1次降雪过程(1月10—16日)对应MJO第1次东传结束阶段。第2次降雪过程(1月18—22日)对应MJO第1次东传末至第2次东传初阶段,后两次降雪过程(1月25日至2月2日)对应第2次东传过程。为了更清楚地研究MJO对异常降雪的影响,分别对4次过程进行分析。图5和图6分别给出了2007年末至2008年初OLR在不同时间段的距平以及4次降雪过程的850hPa风场距平。图5a至图5e表现出了MJO的第一次传播过程,可以看出MJO大致由印度洋附近经过中南半岛,东传至西太平洋附近。图5c中在(160°E,20°N)以北附近有一个明显的正距平区域,代表着副热带高压的位置。对应图6a和图6b也可以看出,伴随着MJO的东传,副热带高压明显偏北偏强,副热带高压西侧的西南气流将大量水汽带到中国,在中国长江中游地区形成对流区,引起长江流域持续降雪,形成第1次和第2次降雪过程。图5e至图5g表征MJO第2次传送过程,对流扰动大致由非洲经过印度洋东传至中国南海附近。由图6c和图6d可以看出,与之配合的南支槽变得活跃,从西南方向向中国南方带来大量水汽。与此同时,副热带高压主体明显南移,使得中国对流区域逐渐由长江中下游扩展到整个华南—江南地区,形成后2次的强降水过程。可见,热带大气环流异常是影响2008年中国南方冬季持续性降雪的一个重要因素,热带西太平洋至印度洋MJO异常活跃,发生2次对流扰动东传过程,第1次导致西太平洋副热带高压持续偏强,第2次导致南支槽活跃。副热带高压西侧偏南风带来的暖湿气流,以及南支槽带来的印度洋和孟加拉湾的暖湿气流不断向中国输送,为中国长江流域及南部地区的强降雪天气提供了更加充沛的水汽来源。4异常降水过程(1)利用MJO指数分析时发现,在降水(雪)过程中,MJO存在明显的东传现象,即由西太平洋向东传送至印度洋附近。伴随着MJO的向东传播,MJO处于不同位相时,降雪过程的强度和范围也存在显著的差异。MJO逐渐由第7、8、1位相向第2、3位相转变,对应降雪过程也逐渐由中国长江流域向华南地区扩展。MJO在一定程度上对此次降水过程有调制作用。(2)利用OLR资料表征MJO的变化,分析发现4