楊素雨, 李 汀, 牛法寶, 琚建華

(1.云南省氣象臺,云南昆明 650034;2.云南大學(xué)大氣科學(xué)系,云南 昆明650091;3.云南省氣象局,云南昆明650034)

0 引言

2009年秋季以來,云南遭受了百年不遇的干旱,2011年初云南東部地區(qū)遭受了極端低溫冰凍災(zāi)害[1]之后干旱持續(xù),入汛以來降水仍持續(xù)偏少,特別是主汛期7～8月降水異常偏少,抗旱形勢十分嚴(yán)峻。未來一周的天氣預(yù)報(bào),特別是10～30天的延伸期天氣過程的預(yù)報(bào)對提前做好防災(zāi)減災(zāi)工作尤為重要。云南地處低緯,靠近熱帶海洋,熱帶對流特別是印度洋地區(qū)的熱帶對流云團(tuán)在偏南氣流(南支槽前西南氣流或副高外圍西南氣流)的引導(dǎo)下源源不斷的向云南輸送水汽,常造成云南的降水過程,甚至出現(xiàn)暴雨天氣。關(guān)于熱帶對流的研究,20世紀(jì)70年代初,Madden等[2-3]首先發(fā)現(xiàn)熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩明顯,并指出熱帶低頻振蕩(Madden-Julian Oscillation,MJO)向東傳播,周期為40～50天,之后許多學(xué)者開展了對季節(jié)內(nèi)振蕩與天氣氣候事件關(guān)系的研究。李崇銀等[4-6]揭示了其特征及變化規(guī)律,指出季節(jié)內(nèi)振蕩在天氣氣候的演變中扮演了重要角色,對階段性、持續(xù)性異常、極端事件、高影響事件的發(fā)生具有重要作用。通過對流強(qiáng)迫和遙相關(guān),MJO在不同季節(jié)不同的傳播位相可以對很多地區(qū)的降水產(chǎn)生影響,如印度降水[7],新加坡[8]、美國極端降水[9-10]、澳大利亞[11]極端降水,中國降水[12-13]都與MJO存在密切聯(lián)系。

為探索云南延伸期天氣預(yù)報(bào)的線索,云南氣象工作者把焦點(diǎn)放在MJO。琚建華等在研究東亞季風(fēng)、南海季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩的基礎(chǔ)上[14-16],2011年進(jìn)一步開展了基于MJO的云南延伸期天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn),多次預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明[17-19],當(dāng)MJO活動(dòng)中心進(jìn)入孟加拉灣及西太平洋熱帶地區(qū)(稱之為MJO“濕窗口”)后將會(huì)充分激發(fā)這些地區(qū)的對流活動(dòng),云南的降水日數(shù)及降水強(qiáng)度明顯增多、增強(qiáng),反之當(dāng)MJO活動(dòng)不在上述兩個(gè)地區(qū)(稱之為MJO“干窗口”)時(shí)不能充分激發(fā)云南上游熱帶地區(qū)對流的活動(dòng),云南的降水極不明顯?？梢?利用MJO的活動(dòng),可為云南冬半年干濕預(yù)報(bào)和雨雪天氣的預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

2011年10月中旬熱帶地區(qū)恰是一次強(qiáng)MJO在印度洋形成,并加強(qiáng)向西太平洋東傳。10月26～30日云南南部的強(qiáng)降水過程就發(fā)生在此次MJO東傳的過程中。從大氣環(huán)流特征、物理量診斷分析以及降水與OLR的關(guān)系,分析了MJO是否是此次強(qiáng)降水過程的一個(gè)重要影響因子,MJO的強(qiáng)度和位相變化與此次強(qiáng)降水過程有什么聯(lián)系。

1 資料和方法

使用的MJO指數(shù)資料來自澳大利亞氣象局,澳大利亞氣象局和NCEP/CPC等多個(gè)國外氣候中心主要用該指數(shù)對MJO進(jìn)行監(jiān)測診斷,并應(yīng)用到業(yè)務(wù)中,對該指數(shù)的詳細(xì)介紹參考文獻(xiàn)[20-22]。設(shè)MJO指數(shù)的兩個(gè)主成分分別為 RMM1和 RMM2,指數(shù)的強(qiáng)弱和位相分別定義為:為強(qiáng)的MJO,定義為弱的MJO。位相分為8個(gè)位相(圖1),分別位于西半球非洲東部、印度洋西部、海洋大陸西部、海洋大陸東部、西太平洋西部、西太平洋東部、西半球和非洲西部。文中使用的MJO指數(shù)長度為1979～2011年逐日資料。

降水資料為1979～2011年云南125個(gè)縣站逐日觀測資料。環(huán)流資料為NCEP/NCAR逐日平均再分析資料,分辨率為2.5°×2.5°以及NOAA的逐日OLR資料。應(yīng)用的方法有診斷分析、合成分析和相關(guān)性分析等。

2 前期旱情及過程降水特征分析

2011年云南旱情持續(xù)發(fā)展,根據(jù)云南氣象干旱監(jiān)測[23],截止10月25日云南中部及以南地區(qū)達(dá)到了重旱甚至特旱,10月26～30日云南南部地區(qū)出現(xiàn)一次中到大雨局部暴雨強(qiáng)降水天氣過程,旱情得到明顯緩解。圖2為此次強(qiáng)降水過程的時(shí)空分布,選取2011年10月云南25°N以南的31個(gè)縣站的逐日降水量,計(jì)算31站的總降水逐日變化及其距平百分率(平均場為歷史同期10月南部31站逐日平均降水)見圖2(a)。由圖可以看出,強(qiáng)降水主要發(fā)生在云南南部,與歷史同期10月日平均降水量相比,26～30日云南南部的降水明顯偏多,局部地區(qū)5天累計(jì)100mm以上。10月25日以前云南南部降水一直異常偏少,之后明顯偏多,降水最強(qiáng)在27日,此次降水過程持續(xù)近5天,對緩解南部的旱情十分有利。

圖1 RMM1和RMM2定義的MJO活動(dòng)的8個(gè)空間位相

圖2 2011年10月強(qiáng)降水過程的時(shí)空分布

3 環(huán)流形式及診斷分析

3.1 大氣環(huán)流特征

一次明顯的天氣過程總要有一定的水汽源地和水汽輸送條件,特別是秋冬季降水,水汽充分與否對降水強(qiáng)弱至關(guān)重要。南支槽是秋冬季節(jié)為云南輸送水汽的主要天氣系統(tǒng),熱帶印度洋的水汽常在南支槽槽前西南暖濕氣流引導(dǎo)下經(jīng)孟加拉灣(以下簡稱孟灣)源源不斷帶到云南,有時(shí)配合副高外圍西南氣流的引導(dǎo)水汽更為充分。但2011年10月中上旬,副熱帶高壓異常偏強(qiáng)偏西,長時(shí)間控制云南南部及孟灣地區(qū),阻斷了云南的水汽來源。10月下旬,熱帶MJO開始在印度洋西部活躍,此時(shí)10月26日影響云南的環(huán)流形勢也開始有調(diào)整,西風(fēng)帶上有南支波動(dòng)?xùn)|移,并在孟灣地區(qū)加深南壓。

圖3為云南南部降水最強(qiáng)時(shí)期27日的高低層風(fēng)場和水汽通量場,由圖可見,孟灣地區(qū)500hPa高700hPa上空都為低槽控制,副高中心位于中南半島,在熱帶印度洋地區(qū)水汽通量較大,特別是在MJO活躍的中西印度洋附近,水汽通量值最大,這些地區(qū)正是云南水汽來源的上游地區(qū),在副高外圍和南支槽偏南氣流的引導(dǎo)下,熱帶地區(qū)的水汽被輸送到云南(圖3中箭頭),受地形抬升作用的影響形成強(qiáng)降水,局地還伴有雷電等強(qiáng)對流天氣。

以上分析可以看出,此次強(qiáng)降水過程中高緯地區(qū)并沒有大槽的東移,低層700hPa上也沒有偏北氣流帶來冷空氣影響云南,說明此次過程沒有明顯冷空氣配合,強(qiáng)降水的主要原因是10月下旬,熱帶MJO活躍在印度洋西部,使云南上游地區(qū)水汽條件較好,水汽在南支槽和副高外圍偏南氣流引導(dǎo)下源源不斷輸送到云南,云南南部受到地形抬升作用影響產(chǎn)生強(qiáng)降水。

圖3 2011年10月27日風(fēng)場(單位:m/s)和水汽通量(單位:g/(cm·hPa·s))(陰影區(qū)為＞3 g/(cm·hPa·s)

3.2 物理量診斷

秋冬季冷空氣相對活躍,出現(xiàn)強(qiáng)降水過程一般都有明顯冷空氣的配合,為進(jìn)一步說明此次強(qiáng)降水過程冷空氣和水汽的活動(dòng)情況,制作850hPa經(jīng)向風(fēng)的時(shí)間-經(jīng)度剖面圖(沿27°N)和云南南部及上游地區(qū)10°N ～24°N,80°E～105°E的水汽通量和水汽通量散度圖(圖4)。

圖4 2011年10月云南南部強(qiáng)降水過程物理量診斷

東亞中東部地區(qū)850hPa經(jīng)向風(fēng)一定程度上能反映東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)弱,根據(jù)云南預(yù)報(bào)冷空氣的經(jīng)驗(yàn),云南東部105°E～110°E地區(qū)經(jīng)向風(fēng)的強(qiáng)弱往往能反映出冷空氣對云南影響的強(qiáng)度。由圖4(a)可以看出,10月有兩次相對較強(qiáng)的冷空氣,一次發(fā)生在10月1～3日,另一次發(fā)生在13～15日,經(jīng)向風(fēng)都達(dá)到了-4m/s,說明偏北風(fēng)較強(qiáng),但兩次強(qiáng)冷空氣,云南都沒有出現(xiàn)明顯降水過程,結(jié)合圖4(b)可以看出,兩次冷空氣影響下,云南上游雖然有一定的水汽通量,但水汽通量散度為正值,為水汽的輻散區(qū),而且水汽通量散度的日變化波動(dòng)很大,沒有持續(xù)的水汽輻合條件。比較而言,10月26～30日,105°E～110°E地區(qū)為很弱的偏北風(fēng),冷空氣較弱,但自23日后云南上游地區(qū)的水汽通量散度值就開始持續(xù)為負(fù)值,說明有穩(wěn)定的水汽輻合,此時(shí)水汽通量也穩(wěn)定在3g/(cm·hPa·s)左右,由前面的環(huán)流分析可知,26日開始孟灣北部有南支波動(dòng),在副高外圍西南氣流的共同引導(dǎo)下水汽被輸送到云南南部造成強(qiáng)降水。

可見,秋冬季節(jié)造成云南的強(qiáng)降水過程,水汽條件是關(guān)鍵的因素,且云南上游地區(qū)要有一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的水汽輻合,在一定的環(huán)流條件下,水汽才能被持續(xù)輸送到云南。而在相對夏季熱帶對流不夠活躍的秋冬季節(jié),什么時(shí)候才能在云南南部上游地區(qū)(孟灣地區(qū))有持續(xù)的水汽輻合?這種穩(wěn)定的水汽輻合是否與熱帶印度洋地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)活躍的對流有關(guān)?將從MJO的活動(dòng)位相和強(qiáng)度上做進(jìn)一步探討。

4 MJO活動(dòng)與降水的可能聯(lián)系

圖5(a)為2011年10月MJO強(qiáng)度指數(shù)和位相變化的監(jiān)測,可以看到10月15日MJO從第1位相(非洲地區(qū))開始發(fā)展向東傳播,整個(gè)過程MJO都維持較強(qiáng)的強(qiáng)度(MJO強(qiáng)度指數(shù)≥1),20日MJO活動(dòng)進(jìn)入第2位相(印度西海岸)并長時(shí)間維持。從熱帶地區(qū)平均的OLR場的時(shí)間-經(jīng)度剖面圖(圖5b)也可以清楚地看到此次MJO東傳的過程,MJO從10月15日開始在非洲東海岸露頭,之后逐漸加強(qiáng)向東傳,MJO對流活動(dòng)長時(shí)間活躍在印度洋地區(qū),10月26日前后又開始加強(qiáng)向東傳(見圖5(b)圖中箭頭),中心最大強(qiáng)度為-40W/m2。云南南部降水與熱帶OLR場的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(圖略),熱帶印度洋-5°S～5°N,65°E～90°E的熱帶對流與云南南部降水存在顯著正相關(guān)關(guān)系,即該區(qū)域內(nèi)對流旺盛時(shí),降水偏多,反之降水偏少。

圖5 2011年10月熱帶印度洋對流情況

值得關(guān)注的是,在20～28日MJO持續(xù)活躍在第2位相時(shí),云南南部上游地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的水汽通量和水汽通量輻合(圖4b),這種異常在MJO活動(dòng)在第1位相之前都沒有出現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在1979～2011年10月的1023天中,MJO活躍在第2位相共132天,由圖6可以看出,10月MJO活躍在第2位相時(shí),云南24°N以南的逐日降水明顯偏多,其空間分布與此次降水過程非常相似。

可見MJO長時(shí)間活躍在第2位相時(shí),熱帶印度洋對流異?；钴S,云南南部上游的水汽條件改善明顯,即使沒有明顯冷空氣的配合,在有利的偏南氣流引導(dǎo)下也會(huì)造成云南南部的降水偏多。因此,2011年10月26～30日云南南部強(qiáng)降水過程與MJO長時(shí)間活躍在熱帶印度洋密切相關(guān)的。

圖6 10月MJO傳播位于第2位相時(shí),合成的云南日平均降水相對于10月日平均降水的距平分布(單位:mm/d,平均場取1981～2010年)

5 總結(jié)與討論

綜合以上分析,得到以下結(jié)論:

(1)2011年10月26～30日云南南部出現(xiàn)的強(qiáng)降水天氣過程有力地緩解了日趨嚴(yán)重的旱情。此次強(qiáng)降水過程沒有明顯的冷空氣配合,但在南支槽前和西副高外圍西南氣流的引導(dǎo)下從孟加拉灣地區(qū)有持續(xù)的水汽輸送到云南。

(2)熱帶地區(qū)MJO的一次明顯東傳,并長時(shí)間維持在第2位相(9天),對流穩(wěn)定地活躍在印度洋地區(qū),使云南南部上游(孟加拉灣地區(qū))具有穩(wěn)定的水汽通量和水汽輻合,為此次強(qiáng)降水過程提供了有利的水汽條件。

(3)熱帶MJO 活躍在熱帶印度洋-5°S～5°N,65°E～90°E地區(qū),是此次降水過程的主要水汽源地,南支槽槽前西南氣流和副高外圍氣流,是此次云南南部強(qiáng)降水過程的水汽輸送條件。

(4)對MJO歷史事件的合成分析顯示,當(dāng)其對流位于第2位相(印度洋中西部),云南南部降水異常偏多,且空間分布與2011年10月26～30日南部的強(qiáng)降水過程非常相似?？梢?011年10月的強(qiáng)MJO過程是此次云南南部強(qiáng)降水的一個(gè)重要影響因子。

可見,目前國際上對MJO的預(yù)測可用時(shí)效已經(jīng)達(dá)到15天,可以根據(jù)MJO的位相、強(qiáng)度等相關(guān)因子的預(yù)測判斷云南上游地區(qū)水汽條件的改善情況,特別是針對長期干旱的情況,可以提前做好決策服務(wù)。因此,熱帶 MJO是進(jìn)行10～30天的延伸期預(yù)報(bào)預(yù)測的重要可預(yù)報(bào)性依據(jù),如何更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)MJO的演變和發(fā)展,對于把握類似2011年秋季這樣的強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào),特別是延伸期預(yù)報(bào)是很有幫助的。

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