MJO 对2011年秋季云南干旱期间一次强降水过程的可能影响

杨素雨, 李 汀, 牛法宝, 琚建华

(1.云南省气象台,云南昆明 650034;2.云南大学大气科学系,云南 昆明650091;3.云南省气象局,云南昆明650034)

0 引言

2009年秋季以来,云南遭受了百年不遇的干旱,2011年初云南东部地区遭受了极端低温冰冻灾害[1]之后干旱持续,入汛以来降水仍持续偏少,特别是主汛期7～8月降水异常偏少,抗旱形势十分严峻。未来一周的天气预报,特别是10～30天的延伸期天气过程的预报对提前做好防灾减灾工作尤为重要。云南地处低纬,靠近热带海洋,热带对流特别是印度洋地区的热带对流云团在偏南气流(南支槽前西南气流或副高外围西南气流)的引导下源源不断的向云南输送水汽,常造成云南的降水过程,甚至出现暴雨天气。关于热带对流的研究,20世纪70年代初,Madden等[2-3]首先发现热带地区季节内振荡明显,并指出热带低频振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)向东传播,周期为40～50天,之后许多学者开展了对季节内振荡与天气气候事件关系的研究。李崇银等[4-6]揭示了其特征及变化规律,指出季节内振荡在天气气候的演变中扮演了重要角色,对阶段性、持续性异常、极端事件、高影响事件的发生具有重要作用。通过对流强迫和遥相关,MJO在不同季节不同的传播位相可以对很多地区的降水产生影响,如印度降水[7],新加坡[8]、美国极端降水[9-10]、澳大利亚[11]极端降水,中国降水[12-13]都与MJO存在密切联系。

为探索云南延伸期天气预报的线索,云南气象工作者把焦点放在MJO。琚建华等在研究东亚季风、南海季风的季节内振荡的基础上[14-16],2011年进一步开展了基于MJO的云南延伸期天气预报试验,多次预报试验表明[17-19],当MJO活动中心进入孟加拉湾及西太平洋热带地区(称之为MJO“湿窗口”)后将会充分激发这些地区的对流活动,云南的降水日数及降水强度明显增多、增强,反之当MJO活动不在上述两个地区(称之为MJO“干窗口”)时不能充分激发云南上游热带地区对流的活动,云南的降水极不明显。可见,利用MJO的活动,可为云南冬半年干湿预报和雨雪天气的预报提供依据。

2011年10月中旬热带地区恰是一次强MJO在印度洋形成,并加强向西太平洋东传。10月26～30日云南南部的强降水过程就发生在此次MJO东传的过程中。从大气环流特征、物理量诊断分析以及降水与OLR的关系,分析了MJO是否是此次强降水过程的一个重要影响因子,MJO的强度和位相变化与此次强降水过程有什么联系。

1 资料和方法

使用的MJO指数资料来自澳大利亚气象局,澳大利亚气象局和NCEP/CPC等多个国外气候中心主要用该指数对MJO进行监测诊断,并应用到业务中,对该指数的详细介绍参考文献[20-22]。设MJO指数的两个主成分分别为 RMM1和 RMM2,指数的强弱和位相分别定义为:为强的MJO,定义为弱的MJO。位相分为8个位相(图1),分别位于西半球非洲东部、印度洋西部、海洋大陆西部、海洋大陆东部、西太平洋西部、西太平洋东部、西半球和非洲西部。文中使用的MJO指数长度为1979～2011年逐日资料。

降水资料为1979～2011年云南125个县站逐日观测资料。环流资料为NCEP/NCAR逐日平均再分析资料,分辨率为2.5°×2.5°以及NOAA的逐日OLR资料。应用的方法有诊断分析、合成分析和相关性分析等。

2 前期旱情及过程降水特征分析

2011年云南旱情持续发展,根据云南气象干旱监测[23],截止10月25日云南中部及以南地区达到了重旱甚至特旱,10月26～30日云南南部地区出现一次中到大雨局部暴雨强降水天气过程,旱情得到明显缓解。图2为此次强降水过程的时空分布,选取2011年10月云南25°N以南的31个县站的逐日降水量,计算31站的总降水逐日变化及其距平百分率(平均场为历史同期10月南部31站逐日平均降水)见图2(a)。由图可以看出,强降水主要发生在云南南部,与历史同期10月日平均降水量相比,26～30日云南南部的降水明显偏多,局部地区5天累计100mm以上。10月25日以前云南南部降水一直异常偏少,之后明显偏多,降水最强在27日,此次降水过程持续近5天,对缓解南部的旱情十分有利。

图1 RMM1和RMM2定义的MJO活动的8个空间位相

图2 2011年10月强降水过程的时空分布

3 环流形式及诊断分析

3.1 大气环流特征

一次明显的天气过程总要有一定的水汽源地和水汽输送条件,特别是秋冬季降水,水汽充分与否对降水强弱至关重要。南支槽是秋冬季节为云南输送水汽的主要天气系统,热带印度洋的水汽常在南支槽槽前西南暖湿气流引导下经孟加拉湾(以下简称孟湾)源源不断带到云南,有时配合副高外围西南气流的引导水汽更为充分。但2011年10月中上旬,副热带高压异常偏强偏西,长时间控制云南南部及孟湾地区,阻断了云南的水汽来源。10月下旬,热带MJO开始在印度洋西部活跃,此时10月26日影响云南的环流形势也开始有调整,西风带上有南支波动东移,并在孟湾地区加深南压。

图3为云南南部降水最强时期27日的高低层风场和水汽通量场,由图可见,孟湾地区500hPa高700hPa上空都为低槽控制,副高中心位于中南半岛,在热带印度洋地区水汽通量较大,特别是在MJO活跃的中西印度洋附近,水汽通量值最大,这些地区正是云南水汽来源的上游地区,在副高外围和南支槽偏南气流的引导下,热带地区的水汽被输送到云南(图3中箭头),受地形抬升作用的影响形成强降水,局地还伴有雷电等强对流天气。

以上分析可以看出,此次强降水过程中高纬地区并没有大槽的东移,低层700hPa上也没有偏北气流带来冷空气影响云南,说明此次过程没有明显冷空气配合,强降水的主要原因是10月下旬,热带MJO活跃在印度洋西部,使云南上游地区水汽条件较好,水汽在南支槽和副高外围偏南气流引导下源源不断输送到云南,云南南部受到地形抬升作用影响产生强降水。

图3 2011年10月27日风场(单位:m/s)和水汽通量(单位:g/(cm·hPa·s))(阴影区为＞3 g/(cm·hPa·s)

3.2 物理量诊断

秋冬季冷空气相对活跃,出现强降水过程一般都有明显冷空气的配合,为进一步说明此次强降水过程冷空气和水汽的活动情况,制作850hPa经向风的时间-经度剖面图(沿27°N)和云南南部及上游地区10°N ～24°N,80°E～105°E的水汽通量和水汽通量散度图(图4)。

图4 2011年10月云南南部强降水过程物理量诊断

东亚中东部地区850hPa经向风一定程度上能反映东亚冬季风的强弱,根据云南预报冷空气的经验,云南东部105°E～110°E地区经向风的强弱往往能反映出冷空气对云南影响的强度。由图4(a)可以看出,10月有两次相对较强的冷空气,一次发生在10月1～3日,另一次发生在13～15日,经向风都达到了-4m/s,说明偏北风较强,但两次强冷空气,云南都没有出现明显降水过程,结合图4(b)可以看出,两次冷空气影响下,云南上游虽然有一定的水汽通量,但水汽通量散度为正值,为水汽的辐散区,而且水汽通量散度的日变化波动很大,没有持续的水汽辐合条件。比较而言,10月26～30日,105°E～110°E地区为很弱的偏北风,冷空气较弱,但自23日后云南上游地区的水汽通量散度值就开始持续为负值,说明有稳定的水汽辐合,此时水汽通量也稳定在3g/(cm·hPa·s)左右,由前面的环流分析可知,26日开始孟湾北部有南支波动,在副高外围西南气流的共同引导下水汽被输送到云南南部造成强降水。

可见,秋冬季节造成云南的强降水过程,水汽条件是关键的因素,且云南上游地区要有一个持续稳定的水汽辐合,在一定的环流条件下,水汽才能被持续输送到云南。而在相对夏季热带对流不够活跃的秋冬季节,什么时候才能在云南南部上游地区(孟湾地区)有持续的水汽辐合?这种稳定的水汽辐合是否与热带印度洋地区出现持续活跃的对流有关?将从MJO的活动位相和强度上做进一步探讨。

4 MJO活动与降水的可能联系

图5(a)为2011年10月MJO强度指数和位相变化的监测,可以看到10月15日MJO从第1位相(非洲地区)开始发展向东传播,整个过程MJO都维持较强的强度(MJO强度指数≥1),20日MJO活动进入第2位相(印度西海岸)并长时间维持。从热带地区平均的OLR场的时间-经度剖面图(图5b)也可以清楚地看到此次MJO东传的过程,MJO从10月15日开始在非洲东海岸露头,之后逐渐加强向东传,MJO对流活动长时间活跃在印度洋地区,10月26日前后又开始加强向东传(见图5(b)图中箭头),中心最大强度为-40W/m2。云南南部降水与热带OLR场的相关性分析发现(图略),热带印度洋-5°S～5°N,65°E～90°E的热带对流与云南南部降水存在显著正相关关系,即该区域内对流旺盛时,降水偏多,反之降水偏少。

图5 2011年10月热带印度洋对流情况

值得关注的是,在20～28日MJO持续活跃在第2位相时,云南南部上游地区出现持续稳定的水汽通量和水汽通量辐合(图4b),这种异常在MJO活动在第1位相之前都没有出现。统计发现,在1979～2011年10月的1023天中,MJO活跃在第2位相共132天,由图6可以看出,10月MJO活跃在第2位相时,云南24°N以南的逐日降水明显偏多,其空间分布与此次降水过程非常相似。

可见MJO长时间活跃在第2位相时,热带印度洋对流异常活跃,云南南部上游的水汽条件改善明显,即使没有明显冷空气的配合,在有利的偏南气流引导下也会造成云南南部的降水偏多。因此,2011年10月26～30日云南南部强降水过程与MJO长时间活跃在热带印度洋密切相关的。

图6 10月MJO传播位于第2位相时,合成的云南日平均降水相对于10月日平均降水的距平分布(单位:mm/d,平均场取1981～2010年)

5 总结与讨论

综合以上分析,得到以下结论:

(1)2011年10月26～30日云南南部出现的强降水天气过程有力地缓解了日趋严重的旱情。此次强降水过程没有明显的冷空气配合,但在南支槽前和西副高外围西南气流的引导下从孟加拉湾地区有持续的水汽输送到云南。

(2)热带地区MJO的一次明显东传,并长时间维持在第2位相(9天),对流稳定地活跃在印度洋地区,使云南南部上游(孟加拉湾地区)具有稳定的水汽通量和水汽辐合,为此次强降水过程提供了有利的水汽条件。

(3)热带MJO 活跃在热带印度洋-5°S～5°N,65°E～90°E地区,是此次降水过程的主要水汽源地,南支槽槽前西南气流和副高外围气流,是此次云南南部强降水过程的水汽输送条件。

(4)对MJO历史事件的合成分析显示,当其对流位于第2位相(印度洋中西部),云南南部降水异常偏多,且空间分布与2011年10月26～30日南部的强降水过程非常相似。可见2011年10月的强MJO过程是此次云南南部强降水的一个重要影响因子。

可见,目前国际上对MJO的预测可用时效已经达到15天,可以根据MJO的位相、强度等相关因子的预测判断云南上游地区水汽条件的改善情况,特别是针对长期干旱的情况,可以提前做好决策服务。因此,热带 MJO是进行10～30天的延伸期预报预测的重要可预报性依据,如何更准确的预报MJO的演变和发展,对于把握类似2011年秋季这样的强降水过程预报,特别是延伸期预报是很有帮助的。

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