热带MJO关联的低频主模态及其与中国东部夏季降水的关系

陈晶 彭英超

摘要 通过对夏季西太平洋到印度洋MJO动能的低频资料作EOF分解，得到其2个主要模态，并通过相关回归等方法分析了热带MJO关联的低频主模态演变特征及其与中国东部夏季降水的关系。结果表明，季节内振荡动能的低频第一模态的主要特征表现为在低纬度到热带西太平洋与热带印度洋反相变化，且主要的大值荷载中心在西太平洋到印度洋，而第二模态则表现为热带西太平洋地区西部与东北部中低纬度反相变化特征。正异常对应热带西太平洋地区和印度尼西亚附近地区的对流上升运动，这2个模态均与我国东部夏季降水异常有一定的联系，MJO异常偏强时，有利于我国东北地区降水偏多。

关键词 热带大气；MJO；夏季降水；正交分解；相关回归；中国东部

中图分类号 P432+.2；P426.61 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）03-0209-04

在20世纪70年代初，美国科学家Madden和Julian发现了在赤道附近地区风场及其异常变化存在着时间尺度为40 d左右的准周期振荡现象[1-2]。其后李崇银等研究表明，整个热带及全球大气中均存在30～60 d的低频振荡，称为季节内振荡（Intraseasonal Oscillation，简称ISO）。目前此振荡已被列为世界上重要的大尺度环流系统之一，此后又将赤道附近的大气季节内振荡称为Madden Julian Oscillation，即MJO。目前国内外学者针对MJO对热带及热带以外地区影响的研究较多，在MJO对我国降水的影响方面，已有学者对我国东部春季、冬季的降水影响开展了相关研究[3]，但对我国东部夏季降水影响的相关研究较少。我国东部地区人口密集，科技文化和经济发达，同时也是我国较容易发生旱涝灾害的地区，研究旱涝成因对防灾减灾具有重要意义。因此，本文将从MJO季节内的异常对流活动来分析研究MJO活动对我国东部夏季降水的影响，并为其监测和预测提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究资料

本文所使用的资料包括NCEP/NCAR提供的再分析月平均海平面气压场、位势高度场和u、v风场等资料（网格密度均为2.5°×2.5°）以及国家气候中心提供的全国160个站逐月降水数据。文中所用数据时间长度为1951—2011年，将6—8月的平均数据作为夏季平均数据，而夏季降水则为6—8月的总降水量。采用Lanzcos滤波器，先对u、v做10～90 d滤波，然后计算动能，再对动能做10～90 d滤波，取月平均值得到低频部分的动能。

1.2 研究方法

本文使用的研究方法主要有经验正交分解（EOF）、相关分析、回归分析、合成分析及显著性检验等统计和检验方法。

2 结果与分析

2.1 夏季MJO的时空分布特征

将近61年MJO滤波后的逐月夏季MJO动能数据进行EOF分解，得到2个主要模态的MJO时空分布特征（图1）。其中第一模态的分布特征主要表现为在120°～140°E的西太平洋地區一致的变化特征，见图1（a），其方差贡献率为18.24%；第二模态则表现为我国南海地区与日本以南太平洋海域东西向反相变化特征，见图1（b），其方差贡献率为8.65%。

特征向量所对应的时间系数代表区域特征向量所表征的分布型随时间的变化特征，时间系数的绝对值越大，表明该时段内这一分布型越典型。图2（a）（b）分别给出了MJO 2个模态所对应的时间系数序列，从时间系数变化可以看出，这2个模态均具有显著的年际变化特征。第一模态中，在1951—1958年期间，MJO有连续的正异常，其后一直为正负异常交替，在1975年有绝对值最大的负异常，就第一模态时间系数总体而言，MJO正异常年份相对较多，见图2（a）。在第二模态中，以1980年作为时间节点，1980年前以负异常居多，1980年后以正异常居多，见图2（b）。1977年、1973年、1990年、2010年的时间系数绝对值>5，MJO为较典型的负异常，对应空间特征在中国东南部及南海地区为正距平区域，而在西北太平洋地区为反相的负距平区域。

2.2 夏季MJO对应的热带环流特征

为了得到热带季节内振荡动能的低频主模态对应的热带环流特征并揭示MJO对我国东部夏季降水的影响，通过计算MJO 2个模态下的时间系数与500 hPa垂直风场、850 hPa势函数、200 hPa势函数的超前相关回归，与500 hPa流函数、850 hPa经纬向风场的相关回归，得到热带季节内振荡动能的低频主模态对应的热带环流特征和东亚环流的环流特征，进一步了解MJO异常活动影响对我国东部夏季降水的影响。现根据以上分析结果，以2个主要模态的时间系数对前期12月至翌年5月逐月的环流场进行超前相关和回归分析。

2.2.1 第一模态。首先以第一模态的时间系数与前期冬季和春季逐月的500 hPa垂直速度场进行超前相关和回归分析，结果如图3所示。从图3（a）可以看到，在超前6个月时，在西印度洋、南海和印度尼西亚地区存在显著的正相关，即为下沉区，在印度洋中部有显著的负异常，为上升运动；从图3（b）可知，当超前5个月时，在我国东南部和俄罗斯西部地区存在正相关，做下沉运动，亚洲的中部地区为负相关，为上升区；从图3（c）可知，超前4个月时，在中国东北地区与孟加拉湾地区为负相关，做上升运动，西印度洋与亚洲北部地区正相关，做上升运动；由图3（d）可知，超前3个月时，我国北部与印度洋西北地区为负相关，有下沉运动，与西太平洋地区为正相关，做上升运动；由图3（f）可知，超前1个月时，集中在西太平洋地区的正相关对应上升运动，其两侧地区为下沉运动。

图4给出了第一模态下MJO时间系数和200 hPa势函数的超前相关。由图4（a）可知，当超前6个月时，在非洲和亚欧西部地区有着显著性的正相关，相关度可达到4，对应为上升运动的辐散区，在日本东南部的西北太平洋地区有负相关，为辐合运动；由图4（b）可知，当超前5个月时，在西太印度洋有较好的正相关，对应上升运动的辐散区；超前1个月时，整个东亚地区为大面积的负相关，其中亚洲西部和阿拉伯海地区的负相关最为显著，结合第一模态的垂直风场得到在印度尼西亚地区上升辐散区。

200 hPa的势函数分析了高空对应的运动特征，图5给出了第一模态下MJO时间系数与850 hPa势函数的超前相关以分析对应的低空环流特征。由图5（a）可知，当超前6个月时，在非洲地区为负相关，上升运动对应的低空辐合区；由图5（b）可知，当超前3个月时，在欧洲地区有着显著的正相关，为上升运动的低层辐合区，在西太平洋地区为负相关，为下沉运动的辐散区。第二模态在超前4～6个月时其相关性不显著，可以得出，在东印度洋地区有显著的正相关，对应为下沉运动辐散区。

综合以上环流特征的分析可看出，MJO的第一模态环流特征较为显著，其模态的主要特征表现为在热带西太平洋地区和印度尼西亚附近地区的热带对流活动强烈，做上升运动并释放大量的潜热，低层热带强烈对流的动能通过上升运动造成大气环流异常，进而影响天气气候变化[4]。

2.2.2 第二模态。第二模态时间系数与500 hPa垂直风场的超前相关性研究与第一模态方式相同。经研究后再结合第一、二模态的垂直运动分析，在印度尼西亚地区与西太平洋地区正相关对应的上升运动及其两侧负相关对应的下沉运动显示出热带洋面上的MJO在纬向与沃克环流有密切的关系。

2.3 MJO与我国夏季降水的关系

已有研究表明，MJO活动对我国夏季降水变化有一定的影响，热带对流活动从热带印度洋向西太平洋移动过程中，西太平洋副热带高压和垂直运动变化，从而影响中国东部夏季降水。我国最容易发生降水的季节为夏季，而我国东部地区的降水率占全国的大部分比例。为了分析我国东部地区降水异常与MJO低频活动之间的联系，以其2个主要模态的时间系数与我国夏季降水作相关分析，结果如图6所示。可以看出，第一模态与我国东北地区的夏季降水有较为显著的正相关关系，即该模态MJO活动偏强时，有利于该地区的降水偏多。同時，第二模态与我国东北地区的降水也成正相关关系[5]。

从以上对夏季降水的相关分析可以看出，MJO的活动异常对我国东部的降水有一定的调控作用，其活动偏强时，均可以造成我国东北地区的降水异常偏多。

为了进一步分析MJO对夏季降水的影响，分别以2个模态的时间系数与同期夏季的500 hPa流函数场及850 hPa风场进行相关分析和回归分析，结果如图7所示。对于第一模态，MJO活动偏强时，中南半岛的负异常有利于印缅槽加强，这从其与印缅槽指数的关系也可以看出，2个指数相关系数为0.76；而第二模态的时间系数与印缅槽则为负相关关系，相关系数为-0.24。此外，从850 hPa风场也可以看出，我国西南地区及东部地区均为显著的南风异常。因此，在这种环流配置影响下，偏南风气流可以将来自孟加拉湾及太平洋上的水汽输送到我国大陆，有利于我国降水异常偏多。

3 结论与讨论

通过对热带季节内振荡能量EOF分析以及与东亚环流的相关分析可以归纳出以下结论。

（1）本文通过对夏季西太平洋到印度洋MJO动能的低频资料作EOF分解，得到2个主要模态，分析得到热带季节内振荡动能的低频第一模态的主要特征，表现为在低纬度到热带西太平洋与热带印度洋反相变化，且主要大值荷载中心在西太平洋到印度洋；而第二模态则表现为热带西太平洋地区西部与东北部中低纬度反相变化特征。热带季节内振荡动能的低频MJO的第一模态环流特征较为显著。

（2）MJO与我国东部夏季降水异常有一定关系，MJO时间系数与降水有显著正相关（>0.25），而在长江中下游地区MJO时间系数与降水为显著负异常（>-0.25），不利于长江中下游地区的降水。当MJO的主要对流活动在赤道印度洋时，西北太平洋副高位置偏西，同时中国东南部地区的垂直上升运动增强，有利于降水，MJO可以通过低层的西风急流的波导效应影响我国东北部地区，造成该地区降水偏多。而当MJO的对流活动中心移动到西太平洋地区时，可造成经向环流的上升支向北偏移，则西北太平洋的副高位置偏东，中国东南部地区的垂直上升运动减弱，不利于降水的发生，降水减少。

（3）正异常对应热带西太平洋地区和印度尼西亚附近地区的对流上升运动，这2个模态均与我国东部夏季降水异常有一定的联系，MJO异常偏强时，有利于我国东北地区降水偏多。

（4）MJO是热带大气的重要系统，其活动和异常对天气和气候变化均有显著影响。对MJO活动的影响及其机理进行深入研究，并将结果应用到实际预测预报业务中，对提高延伸期的天气预报和短期气候预测具有重要作用。

4 参考文献

[1] MDDEN R A，JULIAN P R.Detection of a 40-50 day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific[J].J AtmosSci，1971，28：702-708.

[2] MADDEN R A，JULIAN P R.Description of global-scale circulation cells in the tropics with a 40-50 day period[J].J AtmosSci，1972，29：1109-1123.

[3] 白旭旭，李崇银，谭言科，等.MJO对我国东部春季降水影响的分析[J].热带气象学报，2011，27（6）：814-822.

[4] 陈隆勋，朱乾根，罗会邦.东亚季风[M].北京：气象出版社，1991.

[5] 何金海.亚洲季风研究的新进展[M].北京：气象出版社，1996.