大气低频振荡对2019 年春季云南4 次降水过程的影响

罗冬莉，赵尔旭**，陈 艳，琚建华

(1.云南省气象服务中心，云南 昆明 650034；2.云南省气象局，云南 昆明 650034)

大气运动错综复杂，不仅在空间上存在各种尺度系统的运动和变化，在时间上也有不同尺度系统的运动变化.大气低频振荡（Intraseasonal Oscillation，简称ISO）最早是由Madden 和Julian 在1971年提出[1-2]，并将赤道地区的大气季节内振荡称为MJO（Madden-Julian Oscillation）.ISO 不仅是热带大气中信号最强的振荡，也是全球大气对流场和环流场的主要部分，由于其时间尺度介于月和季之间，与中长期天气预报和短期气候预测都具有密切联系，自20 世纪80 年代以来一直被全球大气科学研究专家所关注.研究探讨ISO 的特征、传播情况和演变规律等，其研究结果不仅对于认识大气运动的特征和规律十分重要，而且对于提高和改进数值天气预报和短期气候预报极具应用价值.李崇银等[3-4]研究得出赤道东太平洋30～60 d 大气振荡非常突出和显著，热带30～60 d 振荡的涡度和散度的纬向尺度都比纬向l 波小得多.30～60 d 振荡在北半球高纬度地区达到极值，在20°～40°N 纬带则处于波谷；中高纬度30～60 d 振荡垂直结构有清楚的正压模结构，其纬向尺度比赤道附近小.何志学等[5]认为亚洲季风区的季节内振荡非常显著.1998 年夏季亚洲季风区以30～60 d 振荡为主，850 hPa 季节内振荡纬向风的经向传播揭示出南海地区的西风振荡受南北两支西风的共同影响.杨辉等[6]的研究结果显示，热带大气ISO 的经向传播在北半球以由赤道向北为主要特征，但某些地方的某些时间也可看到南传的情况.全球很多地区的天气和气候都会受到MJO 活动的影响，特别是对全球的不同区域的降水有着各种程度的影响和作用.王祉苏等[7]研究发现2016 年夏季，长江中下游流域和东北区域降水都有明显的30～60 d 的季节内振荡，2 个地区的低频降水在夏季呈反位相变化，当长江中下游流域低频降水增多（减少）时，东北区域低频降水减少（增多）.周莉等[8]通过对强低频振荡年进行合成发现，在活跃位相，南亚高压偏强偏东，副热带高压偏西偏强，这种环流配置导致中国南方大部分地区的高层环流为辐散，底层环流为辐合，有利于降水的产生.何洁琳等[9]研究发现，当MJO异常对流在印度洋东部热带地区产生，中南半岛地区到华南地区上空为异常低频偏南和偏西南气流，有利于降水形成；当印度洋东部热带地区为MJO对流抑制区，华南地区上空为异常低频偏东气流控制，不利于降水产生.云南的学者也针对MJO 的特征及对云南天气气候的影响展开了研究.琚建华等[10]研究2009—2010 年秋、冬、春 3 季连旱时，发现此次干旱是由MJO 和AO 出现极端异常（MJO 异常不活跃；AO 异常偏弱）造成的.2011 年云南主汛期极端伏旱的产生则是由于 MJO 持续不活跃和西太平洋高压脊异常偏北造成的.肖子牛等[11]研究发现冬季印度洋赤道地区季节内振荡活动的强弱与次年5 月云南地区的降雨量有着密切的联系，即当冬季印度洋赤道地区季节内振荡活动较强时，次年云南地区5 月降雨量较常年偏多；反之，则偏少.李汀等[12]研究得出在MJO 不同位相上，云南5 月降水呈现出明显差异.赵尔旭等[13]研究热带低频振荡MJO 的强度和位相变化对5 月降水的影响发现，当强MJO 持续位于第4～6 位相时，是造成云南5月降水偏多的有利条件.杞明辉等[14]利用MJO 活动规律进行云南冬半年延伸期降水预测试验，得出根据MJO 活动中心位置对应的影响云南水汽输送的干、湿窗口期，较好地预测延伸期时段内云南的降水趋势.牛法宝等[15]根据第1～8 位相与云南无雨和多雨的联系，利用MJO 指数作了2011 年云南延伸期天气预测试验.杨素雨等[16]研究发现热带低频振荡进入第2 位相后，云南上游（孟加拉湾地区）开始出现持续稳定的水汽通量和水汽通量辐合，随着南支槽的东移和副高的缓慢东移，水汽在槽前西南气流和副高外围气流的引导下源源不断向云南南部输送水汽，是南部出现强降水过程的直接原因.陈艳等[17]研究了2015 年春季10～30 d 大气低频振荡特征及其对云南东部降水异常的影响，发现在低频振荡影响下，云南东部先后出现了3 次明显的降水过程，每一次过程都与欧亚型低频波列上低频冷位相的南压密切相关.

2019 年3 月1 日至5 月31 日云南全省平均降水仅91.4 mm，较常年同期偏少，2019 年春季云南全省平均气温较常年偏高1.5 ℃，是2009 至2019 年以来云南最严重的一次春旱，对人们的生产、生活造成了很大的影响.本文从大气低频振荡的变化情况，对云南2019 年春季降水过程的影响进行研究，以期能找到一些影响云南春旱期间降水的因素.

1 资料和方法

本文基于云南125 个气象站降水资料、美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）的再分析数据（经纬度网络为2.5°×2.5°）和澳大利亚天气和气候研究中心开发的多变量实时MJO 指数（简称RMM指数），运用一阶Butterworth 带通滤波、相关分析及合成分析等统计分析方法展开研究.本文的地图数据来源于中国气象局气象信息综合分析处理MICAPS4 系统，即中国气象数据网的国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）.

2 2019 年云南春季气候实况

2019 年入春以来，云南省降水持续偏少、气温异常偏高.图1 是1961—2019 年云南125 个站春季3—5 月平均降水距平图.从图1 中可看出，云南2019 年的春旱很严重，春季降水量与1961 年以来的历史同期降水最少的年份基本持平.2019 年春季云南降水过程主要受什么因素影响，仍有待进一步研究，本文主要从低频振荡的角度进行探讨.

图1 1961—2019 年云南125 站春季3—5 月平均降水距平图Fig.1 Average precipitation anomaly from March to May in spring at 125 stations in Yunnan during 1961−2019

3 MJO 位相变化对云南春季降水的影响

为了表现MJO 活动中心位置与云南春季降水量的关系，利用云南125 站日降水资料计算得到1980—2019 年云南3—5 月测站日平均降水距平百分率，与MJO 的1～8 位相进行合成（图2）.从图2 可知，在云南春季MJO 活动中心位置处于第2、第5、第6 及第7 位相时，云南春季测站降水距平为负距平，说明此时云南春季降水量较常年同期偏少，可能是因为云南春季的降水受西太平洋的影响较小，故云南春季降水在MJO 位于西太平洋的位相时降水较少.MJO 在第2 位相时，云南春季降水负距平最大，可能是由于此时MJO 对流距离云南还比较远的缘故.从云南全省春季的降水情况与强MJO 活动中心位相关系分析，降水也存在正距平的分布，MJO 中心在第1、第3、第4 及第8 位相时，云南春季降水均处于正距平，特别是当MJO 活动中心处于第3、第4 位相时，降水正距平百分率最为明显.降水正距平主要出现在MJO 活动中心位于第3、第4 位相，可能是因为云南春季的降水主要与来自孟加拉湾的水汽及南支槽的影响有关，MJO 的第3 和第4 位相正好处于印度洋与中南半岛之间，孟加拉湾是云南春季降水的主要水汽源地，但是MJO 处于第1 位相及第8 位相时，热带MJO对流主体的位置远在西半球，此时MJO 对云南降水的影响不大，但事实上此时云南春季的降水为正距平.这也说明云南春季降水的影响因素较复杂，MJO 位相只是影响因素之一，其它影响原因还有待进一步研究.

图2 1980—2019 年云南3—5 月全省测站日平均降水距平百分率在MJO 1～8 位相的合成Fig.2 Composition of the percentage of daily mean precipitation anomaly at MJO 1−8 phases from March to May in Yunnan during 1980−2019

4 低频振荡对云南2019 年春季降水的影响

本文用IRMM指数表征MJO 的变化，用IRMM指数可以计算得到MJO 的逐日强度（振幅）（近赤道MJO 空间结构的前2 个主模态EOF1 和EOF2 对应的主成分），由于MJO的逐日平均强度为0.9，因此本文将时，定义为为强MJO 事件，强MJO 事件时表明热带地区的对流发展旺盛.IRMM1与IRMM2共同组成一个二维相空间，在这个二维相空间中，根据IRMM1与IRMM2的变化划分为8 个位相（phases1～8），第1 到第8 位相反映了一个完整的MJO 周期，每个位相分别对应着不同的热带区域，用以描述MJO 的传播特征.

从云南2019 年春季（3—5 月）日平均降水分布（图3）分析，云南3—5 月主要出现了4 次主要的降水过程，第1 次出现在3 月上旬，第2 次出现在4 月上旬，第3 次出现在4 月下旬，第4 次出现在5月下旬.由图2 的分析可知，降水量在多年平均的情况下，MJO 位相位于第3、第4 位相时，有利于云南春季降水.为了研究MJO 位相对2019 年云南春季降水的影响，本文中详细分析2019 年3 月（图4（a））、4 月（图4（b））、5 月（图4（c））MJO 指数逐日IRMM1及IRMM2位相分布图.图4 中圆圈里的指数值小于1，表示弱MJO 事件；圈外的值大于1，表示强MJO 事件.从图4（a）中MJO 指数逐日位相可见，2019 年3 月上旬除了3 月1—2 日，3 月上旬大部分时间强MJO 指数逐日位相均落在第3 和第4 位相之间，对照图3 云南春季第1 次3 月上旬的降水过程，可以发现这次降水过程与3 月上旬MJO 指数位相在第3、第4 位相非常吻合.图4（b）中2019 年4 月下旬，强MJO 指数位相在第3 和第4 位相，对照图3 云南春季4 月下旬的降水过程，可以看到这次降水过程与4 月下旬MJO 指数位相在第3、第4 位相也非常吻合.

图3 2019 年春季（3—5 月）云南125 个站日平均降水量Fig.3 Average daily precipitation at 125 stations in Yunnan in spring (March−May),2019

从图3 与图4 的对比分析，云南2019 年春季第2 次4 月上旬的降水过程以及第4 次5 月下旬的降水过程与MJO 位相的对应关系不吻合，下面将研究这两次降水过程的原因.

图4 2019 年春季MJO 指数逐日IRMM1 及IRMM2 位相分布图Fig.4 MJO index daily IRMM1 and IRMM2 phase distribution in spring,2019

MJO 是热带的低频振荡，当MJO 对流主体在沿赤道东传的过程中，同时也会激发ISO 在孟加拉湾的北传[18]，北传的ISO 能够影响到高纬地区的天气变化.低频经向风的变化可以表示出低频振荡南北传递的情况，图5 是经过低频滤波后的2019年3—5 月的700 hPa 经向风V分量沿97.5°E 的时间剖面图.从图5 中可见，3 月底至4 月初有较强的低频V分量向中高纬的传递，低频V分量向北的传递可以把低纬的水汽及对流系统传递到中高纬地区，由此影响到云南的降水，云南2019 年3 月底到4 月初的降水过程（图3）与此次热带低频系统向北传递的时间一致，可见3 月底至4 月初云南这次降水过程中热带低频系统北传是重要的影响因素.2019 年3 月上旬时，有较弱的低频V分量向高纬传递，从图3 可知，虽然此时配合着MJO 位相（位于第3、第4 位相）的有利条件，3 月初的降水过程累计雨量仍小于4 月初的降水过程雨量，说明低纬热带对流的北传强弱对云南的降水影响较大.

图5 2019 年3—5 月的700 hPa 低频经向风V 分量沿97.5°E 的时间剖面图（单位：m/s）Fig.5 Time profile of the low-frequency meridional wind V component along 97.5°E from March to May,2019(unit: m/s)

从图5 可知，2019 年4 月上旬云南的降水过程与低频V分量向北的传递有关，为了揭示此时中高纬度地区冷空气的活动情况，分别分析了2019年4 月上旬500 hPa 高度场和500 hPa 不同温度平流分布，700 hPa 高度场及700 hPa 温度平流分布情况（图6）.从图6（a）的500 hPa 高度场来看，印度上空是一个较强的高压脊，从20°N 一直到40°N 都在高压脊的控制之下，孟加拉湾两高间辐合区深厚，槽底伸到印度洋洋面，有利于水汽向北输送.但是，由于副高太强大，589 线西伸到了95°E，基本控制了整个中南半岛，导致冷空气主力偏东，对云南影响较小，只有青藏高原上的小波动影响滇中以北地区，云南大部地区主要受西偏南气流控制.从图6（b）的500 hPa 温度平流分布图来看，除了滇东北、滇东南边缘有弱冷平流影响，云南大部都处在暖平流的控制下，说明低频风输送的热带暖湿气流占据了主导，冷空气主力偏东，影响较小.

2019 年4 月上旬的700 hPa 高度场（图6（c）），形势与500 hPa 高度场大体一致，印度高压与副热带高压都较强，导致影响云南的冷空气主力偏东，云南大部主要受偏西气流的影响，两高间辐合区较弱.从700 hPa 温度平流的分布（图6（d））来看，4 月上旬滇中及其以西大部地区在暖平流区的控制之下，受低层回流冷空气的影响，滇东地区有冷平流的影响.总之，2019 年4 月上旬的云南降水过程，主要由低频风传递的低纬热带水汽造成的，冷空气主力偏东，回流的冷空气仅对滇东地区有影响.

图6 2019 年4 月上旬不同高度场（单位：dagpm）、不同温度平流场（单位：10−6 K/s）的平均分布图Fig.6 Average distribution of the advection field at different altitudes (unit: dagpm) and different temperatures (unit: 10−6 K/s) in early April,2019

从图5 中可看出，5 月下旬有明显的中高纬低频系统向低纬的传递，中高纬低频经向风系统，对应的是冷空气系统，低频经向风从中高纬向低纬传递，说明有冷空气影响低纬地区.根据图5 中5 月下旬低频振荡向南传递，为了说明冷空气影响云南的情况，分别分析了2019 年5 月下旬500 hPa 高度场和500 hPa 温度平流场分布，700 hPa 高度场及700 hPa 温度平流分布情况（图7）.从图7（a）可见，2019 年5 月下旬，南亚高压较强，从印度到土耳其抬升为高压脊，副高的位置偏南偏东，有利于南亚高压脊上的西北气流引导冷空气南下，两高间辐合区在孟加拉湾，槽稍浅薄，槽底在洋面上，槽前有弱的西南气流引导水汽北上，青藏高原上的冷空气与辐合区引导的水汽配合有利于云南此次的降水过程.从500 hPa 温度平流分布图上看（图7（b）），滇中及以东大部地区受冷平流的控制，零线的位置已过了哀牢山，说明此次冷空气影响云南较明显，配合西南气流造成了此次云南较强的降水过程.

700 hPa 高度场（图7（c））上，从印度至土耳其是较强的高压脊，副高位置偏南偏东，云南处于高压脊前西北气流控制之下，川藏之间形成一个低涡，有利于引导冷空气影响云南.700 hPa 温度平流场（图7（d））上，滇西北、滇中及以东大部地区受冷平流影响.5 月下旬中高纬低频系统向低纬传递，配合两高间辐合区的西南暖湿水汽的输送，造成了云南此次的降水过程.

图7 2019 年5 月下旬不同高度场（单位：dagpm）、不同温度平流场（单位：10−6 K/s）的平均分布图Fig.7 Average distribution map of the advection field at different altitudes (unit: dagpm) and different temperatures (unit:10−6 K/s)in late May,2019

5 结论

2019 年春季云南4 次较明显的降水过程均与大气低频振荡有关，一方面受MJO 位相的影响，另一方面大气低频振荡的传递对云南降水也有重要的影响.

（1）当强MJO 事件位相位于第3、第4 位相时，有利于云南春季的降水，2019 年春季有2 次明显的降水过程受此影响.

（2）孟加拉湾附近地区的低频系统向北传递，能够把热带地区的对流系统或水汽带到云南地区，2019 年春季云南有2 次明显的降水过程与此有关.

（3）中高纬地区的低频系统向南传递，能够把中高纬的冷空气带到云南地区，2019 年春季云南最强的1 次降水过程就是中高纬的冷空气与较好的水汽条件相结合造成的.