多要素表征的东亚季风区准双周振荡特征

李靖怡 王遵娅 温 敏

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081) 2)(国家气候中心，北京 100081)

引 言

大气低频振荡是热带大气变化的重要组成部分之一，通常包括两种主要振荡：以30～60 d为主周期的季节内振荡[1-4]和以10～20 d为主周期的准双周振荡[5-12]。无论冬季、夏季，热带大气10～20 d振荡动能均高于30～60 d振荡，其结构和活动又与30～60 d振荡有所不同[13]。准双周振荡作为最重要的季节内信号之一，对季风活动和热带气旋的生成等天气气候异常事件有重要影响[14-20]。因而，准双周振荡特征、机理和影响等一直是学术研究的热点和难点，而选取何种指标表征准双周振荡、不同指标表征有何异同是研究的重要基础，也是本文的主要出发点。

Fukutomi等[8]对初夏(6—7月)西北太平洋10～25 d对流和大气环流异常的时空演变进行研究后指出，南海是10～25 d对流活动的中心。Ko等[21]分析东亚季风区7—8月月内振荡与热带气旋联系时指出，这一区域存在明显的准双周振荡。Chen等[22]基于850 hPa涡度资料分析夏季西北太平洋的准双周振荡特征后发现，除去天气尺度(6～10 d)扰动，10～20 d振荡是夏季西北太平洋的重要低频系统。Jia等[23]基于向外长波辐射(outgoing longwave radiation, OLR)资料分析得出，准双周振荡是东亚季风区夏季对流的一个重要的次季节振荡信号，且该信号在南海表现尤为明显。陶丽等[18]通过研究热带大气准双周振荡对西北太平洋地区热带气旋路径影响发现，西北太平洋地区存在准双周振荡现象。Kikuchi 等[12]和Wang等[24]研究表明：在北半球夏季亚洲季风区，赤道西太平洋是准双周振荡对流信号的主要源地。准双周振荡与亚洲夏季风的活跃和中断也有密切联系。12～24 d振荡变化在东亚夏季风和南海夏季风相互作用中起重要作用[25]。Mao等[26]研究南海夏季风的季节内变化后指出，10～20 d振荡对南海夏季风活动有一定调制作用。由此可见，包括南海和西北太平洋在内的东亚季风区是最重要的准双周振荡特征区域之一，且该区域的准双周振荡与我国的天气气候密切相关[27-32]。因此本文选取该区域进行分析。

不同学者采用不同要素讨论准双周振荡现象。Numaguti[33]分析200 hPa和850 hPa纬向风发现，在赤道太平洋上存在明显的15～20 d振荡信号，且主要表现为向西传播特征。Fukutomi等[8]基于OLR和纬向风分析发现，10～25 d振荡在热带季风区表现出西传特征。陈隆勋等[34]指出，850 hPa 动能和云顶黑体温度(TBB)存在准双周振荡现象，扰动均起源于140°～160°E的西太平洋并向西传播，经南海到达孟加拉湾。Zhang等[35]对季风爆发期850 hPa风场和750 hPa垂直速度分析发现，12～25 d 的准双周振荡与中南半岛夏季风爆发有关，且均表现出西传特征。但同一地区不同要素所表征的准双周振荡特征存在差异。李丽平等[36]对比OLR和风场(200 hPa和850 hPa)季节内振荡强度与热带海表温度异常间的年际异常关系发现，OLR季节内振荡强度与热带海表温度异常存在显著局地正相关关系，而风场的季节内振荡强度与热带海表温度异常联系不紧密。Li等[37]对东亚季风区准双周振荡的垂直热力结构进行分析后指出，位势涡度在500 hPa存在一个异常中心，相对涡度和比湿的异常中心分别位于850 hPa和750 hPa。且850 hPa纬向风和850 hPa经向风分别在赤道太平洋和南海地区也存在明显的准双周振荡的信号[33,35]。可见，人们采用多种要素研究准双周振荡，即准双周振荡是一种普遍存在于各种要素和现象中的大气内部振荡，但不同要素表征的准双周振荡特征是否一致，正是本文重点讨论的问题。

本文将对不同热力和动力要素所反映的东亚地区大气准双周振荡活动特征进行分析，对比表征性能，为合理选取指标探讨大气准双周振荡提供参考，并以此加深对东亚季风区准双周振荡特征的认识和理解。

1 资料和方法

1.1 资 料

本文以1979—2018年5—10月为研究时段，使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的逐日向外长波辐射(OLR)资料，水平分辨率为2.5°×2.5°[38]。此外，还采用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-Interim再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，时间分辨率为6 h，所用要素包括位势涡度、相对涡度、比湿、纬向风、经向风等[39]。降水资料为日本气象厅(JMA)提供的JRA55(Japanese 55-year Reanalysis)逐日再分析资料，水平分辨率为1.25°×1.25°[40]。

1.2 方 法

本文采用Lanczos带通滤波方法[41]对全年逐日气象要素进行低频带通滤波以获得次季节振荡信号，提取5—10月次季节振荡信号以去除滤波所产生的边界效应影响。利用EOF分析方法获得东亚季风区大气准双周振荡的前两个模态，以此定义准双周振荡的8个位相[23,42-43]。将要素进行位相合成，以揭示准双周振荡传播特征。本文采用单样本t检验方法对合成场进行显著性检验[44]，由于带通滤波后的时间序列不满足独立性假设，不能通过计算一阶自回归得到有效样本量，因此通过引进方差膨胀系数V估计方差，详细步骤可参考Wilks[44]的研究。

如前所述，有很多研究者采用不同要素表征准双周振荡。本文选取的要素，包括OLR和500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风、850 hPa 经向风、750 hPa比湿等进行对比分析，这些要素分布于不同层次，也兼顾动力和热力因子。另外，本文以10～20 d振荡作为准双周振荡，以30～60 d振荡作为季节内振荡。

2 不同要素准双周振荡分布特征对比

图1显示OLR所反映的亚洲季风区10～20 d 振荡和30～60 d振荡的方差占比。由图1可以看到，在东亚季风区，10～20 d振荡方差占比明显高于30～60 d振荡，表明准双周振荡比季节内振荡更为显著，这与前人的研究一致[6,8,12,21-23]。同时，还可以发现，无论是准双周振荡还是季节内振荡，均显示出南亚季风区和东亚季风区各具有1个独立的低频活动中心，这与东亚季风区、南亚季风区相对独立的认识一致[45-46]。

图1 1979—2018年5—10月OLR的方差分布(a)未滤波的OLR，(b)10～20 d滤波的OLR，(c)30～60 d滤波的OLR，(d)10～20 d滤波与30～60 d滤波的OLR方差之比

采用500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa 纬向风、850 hPa经向风和750 hPa比湿等不同要素对亚洲季风区准双周振荡分布特征(图略)进行分析，结果与OLR基本一致：以100°E为界，东亚季风区和南亚季风区相对独立；东亚季风区方差大值中心从南海向东北方向延伸。表明各要素均能表征东亚季风区明显的准双周振荡的活动现象，同时，750 hPa比湿表征的东亚季风区准双周振荡中心位置与其他几个要素相比略偏北。

3 不同要素准双周振荡位相循环和传播特征

对东亚季风区10～20 d滤波的逐日OLR(1979—2018年5—10月)进行EOF分解。第1模态(EOF1)的方差贡献为7.5%(图略)，对流旺盛和对流抑制中心分别位于赤道西太平洋和南海至菲律宾一带，从而形成西北—东南向的偶极型。第2模态(EOF2)的方差贡献为6.4%(图略),其正负中心均较EOF1偏西、偏北，同时在日界线以西的赤道太平洋上空维持一弱对流抑制区，从而形成一条西北—东南的对流“抑制-活跃-抑制”波列。本文主要以5—10月为研究时段，与前人进行EOF分析的时段相比较长[18,22-23]，因此EOF1和EOF2的方差贡献略小于前人研究结果。求取EOF1和EOF2的主成分(PC1,PC2)的超前和滞后相关，发现PC1超前于PC2大约4 d时相关系数达最大，这大约为1/4个准双周活动周期(图略)。

依照前人的方法[23,42-43,47]，本文利用EOF1和EOF2的主成分(PC1,PC2)定义东亚季风区准双周振荡的振幅和位相。简而言之，将PC1和PC2根据PC1的标准差进行标准化，将准双周振荡用一个二维相空间矢量Z表示。

为了减少噪声信号，在进行位相合成时只采用振幅大于1的值。对于OLR场，850 hPa风场和500 hPa位势涡度进行位相合成，位相1时，对流异常型与OLR准双周分量的EOF2相似，自南海经热带西太平洋到日界线以西的赤道西太平洋维持西北—东南向的对流“活跃-抑制-活跃”区，分别对应“+-+”的异常位势涡度场和“气旋-反气旋-气旋”的低层波列(图2)。上述环流系统随位相向西并向北移动，至位相5时，旺盛的对流中心完全替代原位于热带西太平洋的对流衰减区，而一个新的活跃对流伴随着热带西风异常在热带太平洋上形成。位相1～8的环流演变揭示了一次准双周振荡自东南向西北的活动过程。

图2 根据10～20 d滤波的OLR进行EOF分析结果对10～20 d滤波的850 hPa风场(矢量)、OLR距平场(填色)和500 hPa位势涡度(绿色等值线，单位：10-2 PVU，1 PVU=10-6·K·m2·kg-1·s)在准双周振荡不同位相合成图(图中所示的850 hPa风场、OLR距平场和500 hPa位势涡度均达到0.05显著性水平)

对500 hPa位势涡度的准双周振荡分量进行EOF分解，EOF1表现为南北反位相的经向型偶极子，两个纬向型位势涡度中心分别位于副热带西太平洋和菲律宾以东洋面。EOF2为“+-+”的经向型波列，位势涡度中心自南向北分别位于热带西太平洋，南海及中国华南。EOF2的位势涡度中心位置较EOF1偏西、偏北。很明显，与OLR准双周分量的主要模态分布特征相比，500 hPa位势涡度准双周振荡中心位置更为偏东，且更倾向于经向型分布(图略)。

由500 hPa位势涡度表征的东亚季风区准双周振荡位相循环如图3所示，在位相1时，赤道西太平洋、南海及其以东洋面、中国华南自南向北维持一对流“抑制-活跃-抑制”分布，其上空分别对应着“-+-”的异常500 hPa位势涡度及“反气旋-气旋-反气旋”的异常环流波列。伴随位相循环，环流系统出现明显的北移和较弱的西移，这与OLR表现出的明显的西北移动特征有差异。

图3 同图2，但为10～20 d滤波的500 hPa位势涡度EOF分析结果

850 hPa相对涡度EOF分解所得EOF1，EOF2空间分布与500 hPa位势涡度相似，但经向性稍弱，表现出一定的西北—东南向特征(图略)。与OLR相比，850 hPa相对涡度活动中心偏东，也更偏经向型分布。与500 hPa位势涡度相同，850 hPa相对涡度表征的东亚季风区准双周振荡也表现出更为明显的北移特征而西移特征相对较弱(图4)。总体而言，850 hPa相对涡度和500 hPa位势涡度表征的东亚季风区准双周振荡无论在时空分布还是位相循环均表现出较高的相似性，这可能源于两者均是表征涡旋结构的要素。

图4 同图2，但为10～20 d滤波的850 hPa相对涡度EOF分析结果

与850 hPa相对涡度和500 hPa位势涡度相似的还有850 hPa纬向风。850 hPa纬向风准双周分量EOF分析的前两个模态与500 hPa位势涡度基本一致(图略)。图5所描绘的位相循环特征也反映更明显的准双周振荡北移特征，而西移特征不明显。

图5 同图2，但为10～20 d滤波的850 hPa纬向风EOF分析结果

850 hPa经向风所描述的东亚季风区准双周振荡活动特征则表现出明显差异。850 hPa经向风准双周分量前两个主模态呈明显的纬向型分布特征(图略)。EOF1表现为中国华南及副热带西太平洋上空的纬向偶极型分布，EOF2为中国华南、副热带西太平洋及其以西洋面的“-+-”波列，EOF2的振荡中心位置较EOF1偏西。850 hPa经向风及其描述的东亚季风区准双周振荡的位相循环特征也不同，表现出明显的西移特征，但北移特征不明显(图6)。相较前述其他要素，850 hPa经向风表征的准双周振荡无论在空间分布还是位相循环，均表现出更强的纬向型特征。

图6 同图2，但为10～20 d滤波的850 hPa经向风EOF分析结果

750 hPa比湿场准双周振荡的前两个模态方差贡献分别为6.1%和4.9%，比湿中心更为偏北，达到30°N附近(图略)。准双周振荡在各合成场上通过显著性检验的区域相对较少，表明750 hPa比湿并不能很好地描述东亚季风区的准双周振荡。且从位相循环特征看，活跃的对流主要表现为从中国大陆向东南方向移动，消失在赤道太平洋附近(图7)。很明显，无论是时空特征还是位相循环，750 hPa 比湿所描述的东亚季风区准双周振荡特征均与前述要素不同，不能较好地表征准双周振荡特征。Sun等[48]指出对流层的温度会影响同一层比湿变化，且湿度会涉及降水相态转化等复杂的物理过程影响。复杂的热动力相互作用可能影响比湿场对东亚季风区准双周振荡的表征能力。

图7 同图2，但为10～20 d滤波的750 hPa比湿EOF分析结果

前述分析表明：不同要素表征的东亚季风区准双周振荡的传播方向大体一致，但西传和北传程度有所不同，这反映了准双周振荡传播速度的差异。根据不同要素的位相-纬度剖面(100°～130°E平均)及位相-经度剖面(0°～20°N平均)，将不同要素在纬向和经向的传播特征进行定性对比。由图8和图9可知, OLR表征的准双周振荡表现出明显的北传和西传(图8a和图9a)。500 hPa位势涡度、850 hPa 相对涡度和850 hPa纬向风准双周分量以北传为主，西传较弱(图8b，8c，8d和图9b，9c，9d)。850 hPa经向风描述的准双周振荡以西传为主，北传不明显(图8e和图9e)。而750 hPa比湿所描述的准双周振荡特征与前述要素不同，表现出明显的东南向传播特征(图8f和图9f)。就传播速度而言，若波动带的倾斜轴越靠近垂直方向则表明传播速度越快，反之，越靠近水平方向则表明传播速度越慢。可以看到，OLR，850 hPa相对涡度和850 hPa经向风的西传速度相近，传播速度均高于500 hPa位势涡度和850 hPa纬向风。500 hPa位势涡度、850 hPa 相对涡度和850 hPa纬向风的北传速度最快，OLR较之略慢，850 hPa经向风北传速度最慢。传播速度的快慢，影响准双周振荡传播在某个方向上明显与否。

图8 10～20 d滤波的OLR 根据OLR(a)、500 hPa位势涡度(b)、850 hPa相对涡度(c)、850 hPa纬向风(d)、850 hPa经向风(e)和750 hPa比湿(f)准双周振荡主成分进行合成的的经度-位相剖面(单位：W·m-2，填色区表示达到0.05显著性水平)

图9 10～20 d滤波的OLR 根据OLR(a)、500 hPa位势涡度(b)、850 hPa相对涡度(c)、850 hPa纬向风(d)、850 hPa经向风(e)和750 hPa比湿(f)准双周振荡主成分进行合成的的纬度-位相剖面(单位：W·m-2，填色区表示达到0.05显著性水平)

另外，本文还对东亚季风区降水准双周振荡位相循环和传播特征进行分析，发现无论是准双周振荡时空分布、位相循环还是传播特征，东亚季风区降水准双周振荡与OLR基本相同(图略)。再一次印证在中低纬地区OLR可以近似表征降水特征，也很好地验证了OLR分析结果。

4 不同要素准双周振荡的强度对比

在东亚季风区，750 hPa比湿准双周振荡的方差百分比较其他要素总体偏低，为10%～18%，其余要素为14%～24%。就区域平均而言，OLR，500 hPa 位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风、850 hPa经向风和750 hPa比湿准双周振荡的平均方差贡献率分别为16.6%，17.5%，18.2%，18.7%，17.5%和16.1%。可见，850 hPa纬向风准双周振荡的解释方差最高，而由750 hPa比湿表征的准双周振荡相对其他要素更弱。

依照文献[49-50]方法，可利用EOF1和EOF2的主成分(PC1和PC2)计算东亚季风区准双周振荡的强度，为了方便不同要素间比较，将不同要素表征的强度进行标准化(图10)。不同要素准双周振荡强度有一定差异，但大体一致。由不同要素间准双周振荡强度相关关系可知，除750 hPa 比湿外，其余各要素间的相关系数均在0.49 及以上，达到0.01显著性水平，表明这些要素准双周振荡强度变化非常一致。而750 hPa比湿准双周振荡强度与其余各要素的相关系数最小值仅为0.23，最大值为0.45，表明750 hPa比湿的准双周振荡的强度演变特征与其他要素差异大。前述分析已表明：500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度的准双周振荡在时空分布、位相循环及传播特征等方面非常相似，两者强度的相关系数高达0.77。由此，500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡在各方面特征具有高度相似性。

图10 1979—2018年5—10月东亚季风区平均OLR和500 hPa位势涡度、850hPa相对涡度、850 hPa纬向风、850 hPa经向风、750 hPa比湿准双周振荡的强度标准化值演变

5 结论和讨论

本文在对东亚季风区准双周振荡时空特征和位相循环揭示的基础上，对OLR和500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场、750 hPa比湿场等要素描述的东亚季风区准双周振荡活动特征进行对比，结果表明：

1)无论是准双周振荡还是季节内振荡，南亚季风区和东亚季风区存在各自独立的活动中心，准双周振荡普遍强于季节内振荡，且准双周振荡在南海最强，各要素均表现出这种分布特征。

2)OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风描述的准双周振荡能很好地表现出东亚季风区大气准双周振荡向西北方向传播的特征，但500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa 纬向风北传更明显，北传速度更快。相反，850 hPa经向风准双周分量能表现出更明显的大气准双周振荡西移特征，但北移特征不明显，北传速度最慢。而750 hPa比湿的准双周振荡向东南方向传播。

3)不同要素准双周振荡在东亚季风区的解释方差约为18%，但750 hPa比湿准双周振荡强度整体偏小。不同要素准双周振荡强度大体一致，但750 hPa 比湿与其他要素差异大。

4)受到降水相态转化、热量释放等复杂的物理过程影响，750 hPa比湿不能较好地表征东亚季风区大气准双周振荡特征。而OLR和500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场等要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡，其中500 hPa 位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡的特征在各方面都具有很高的一致性。

需要指出的是，导致不同要素表征的东亚季风区准双周振荡具有不同特征的原因仍需深入探讨。作为与东亚季风区相互独立的活动中心，不同要素所表征的南亚季风区低频振荡特征有何异同、南亚季风区和东亚季风区低频振荡有何异同等问题也需要讨论。准双周振荡与亚洲夏季风的活跃、中断联系密切，且对夏季风建立尤为重要[25-26,51]，不同要素表征东亚季风区准双周振荡对东亚夏季风活动的调制作用有待进一步研究。