2014年夏季长江流域降水季节内振荡的环流分析

汤 畅,吴小飞,毛江玉,张冠舜

（1.成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，成都 610225；2.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029）

引言

我国地处东亚季风区，夏季风活动异常往往会导致降水时空分布以及总雨量的异常。特别是我国东部地区，几乎每年夏季都会发生一系列强降水及暴雨事件，并引发严重的洪涝灾害，其中持续性暴雨事件所造成人员伤亡和经济损失尤为严重[1-3]。例如，1991年夏季江淮流域发生了3次持续性特大暴雨过程[4]，暴雨期间多数站点的总降水量超过600mm，长江中下游部分地区甚至超过1000mm；1998年夏季长江流域发生了2次持续时间更长的暴雨事件，即“二度梅”[5- 6]，降水量超过同期气候平均值1～1.5倍，由此引发的严重洪涝灾害导致约3700人员伤亡和2500亿直接经济损失[7]；2014年夏季，长江中下游及其上游的四川、重庆和贵州等省市也出现了持续性暴雨事件，造成了包括西南地区在内的长江流域大范围的夏季总降水量异常偏多。因此，有必要探究长江流域这种大范围阶段性强降水事件的成因。

大量研究表明，长江流域阶段性强降水事件的发生依赖于大气环流的季节内振荡（Intraseasonal Oscillation，以下简称ISO）[8- 9]，且多受热带和中纬度大气环流ISO共同作用[6, 9- 10]。东亚夏季风ISO在时间尺度上主要存在10～20d（也称作10～30d或15～35d）和30～60d这两种显著频率[10-13]。实际上，1991年夏季江淮流域发生的3次持续性强降水事件主要受15～35d时间尺度的大气ISO调制[4]，而1998年夏季长江流域的“二度梅”则主要受30～60d时间尺度的ISO影响[6]。Li and Mao[10]基于1979～2017年夏季降水资料的研究发现：长江中下游及华南地区夏季降水的季节内变化以10～30d的准双周振荡为主，方差贡献约占10～90d时间尺度ISO总方差的33%；夏季长江中下游降水主要依赖于热带和中高纬10～30d大气环流ISO的协同作用，其中对流层高层准双周Rossby波列自中高纬度向东南方向的中国东南沿海（长江中下游地区）传播，而热带地区的环流异常ISO自西太平洋向北传播至菲律宾-南海一带；长江中下游和菲律宾海形成跷跷板对流模式，在长江中下游形成上升支（下沉支），在其南部形成下沉支（上升支），触发经向的垂直环流圈，该环流圈进一步增强了长江中下游地区的上升运动（下沉运动），形成了10～30d降水异常的湿（干）位相。

亚洲夏季对流层中高层大气ISO的一个主要特征表现为南亚高压环流系统中心位置和强度显著的季节内变化[14-16]。由于南亚高压是联结热带和中高纬环流的纽带，因此其强度、范围或者结构的季节内变化很大程度受到热带和中高纬环流异常的强迫[17]，使得东亚和南亚季风区上空的辐散条件和相应的垂直运动发生变化，造成局地降水出现季节内振荡[6, 10]。夏季青藏高原上空的南亚高压作为一个强大反气旋性环流系统，在等熵面位势涡度（位涡）场上表现为一个显著的低位涡区[17, 18]，而其北侧的中高纬地区则是高位涡区。在以往的研究中，位涡不但被广泛地应用到极端天气过程的研究中[19-21]，也常用来追踪中纬度地区与热带地区大气天气系统的传播和演变[17, 18, 22]。Ortega等[17]利用370K等熵位涡资料，发现南亚高压确实存在显著的10～20d准双周振荡，且与对流层低层水汽输送及对流活动是协同变化的。这事实上与Liu等[16]指出的南亚高压中心位置“东部型”与“西部型”呈准双周转换是一致的。Liu等[16]还指出南亚高压的季节内东西振荡与中纬度高层大气位涡异常向低纬度入侵有关。Ortega等[17]发现与印度地区季节内振荡降水有关的位涡异常信号实际来自中高纬，南亚高压北侧的位涡异常首先向东传播至太平洋中部，再沿着高压东南侧的东北气流向西南传播进入我国南海，最后经中南半岛和孟加拉湾到达印度半岛上空。在此基础上，Zhang等[23]揭示了青藏高原东侧位涡异常以及南亚高压准双周振荡对2016年夏季我国长江中下游地区季节内降水的影响。因此，从对流层高层位涡异常的角度来探究东亚夏季风的季节内振荡，可以更清楚地揭示长江流域阶段性强降水事件有关的ISO成因。2014年夏季长江流域降水也呈现出显著的季节内振荡，其中几次强降水事件的干湿期振荡与10～20d时间尺度的ISO密切相关。因此，有必要进一步探究与2014年夏季长江流域准双周降水有关的物理过程。

考虑到Ortega等[17]仅仅分析了高空370K位涡异常信号沿着南亚高压南侧向西传播对印度降水准双周的影响，而没有研究其对东亚天气异常的影响。鉴于2014年夏季我国长江流域发生的准双周强降水过程，本文以此开展个例分析，从中纬度位涡异常南侵而改变南亚高压结构的角度，揭示长江流域大范围降水季节内振荡的特征和演变规律，从而认识准双周强降水事件的成因，为强降水事件的延伸期预测提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本文使用的资料包括：（1）基于2416个中国地面气象台站逐日观测资料，通过“距平逼近”方法空间插值建立的一套逐日格点降水数据集CN05.1[24]，其水平分辨率为0.25°×0.25°，时间范围为1961～2017年，该资料已被广泛用于季节内振荡等气候研究领域[10, 25]；（2）美国国家航空和宇宙航行局（NASA）提供的MERRA-2逐日环流再分析资料[26]，包括等压面层上的位涡、温度场、三维风场、比湿等，其水平分辨率为0.625°×0.5°，垂直范围从0.1～1000hPa。为了更好地追踪位涡异常的准双周振荡，本文将等压面上的位涡资料线性插值到等熵面（等位温面）上[27]，并选取370K等熵面（与等压面150hPa近似）作为东亚地区对流层高层位涡场的代表层，以更好地辨别水平位涡在对流层高层的准双周振荡演变特征。

1.2 方法

由于2014年长江流域持续性降水事件主要发生在5～9月，因此本文中夏季特指5～9月这一时段。文中采用降水距平百分率（D）作为2014年夏季降水异常的指标，其计算公式为：

其中P为2014年5～9月总降水量，P为1961～2017年同时期的气候平均降水量。

小波变换是一种常用的时间-频率信号分析方法，相对于Fourier变换，其优势在于能够同时表征时域和频域的局部化性质[28]。由于小波变换采用逐步精细的时域和频域取样，从而可以清楚地反映时间序列的频率随时间的变化特征，因此被广泛用于天气气候变率分析中，例如季节内振荡信号提取[12, 29- 30]。为 了准确地识别出长江流域降水季节内振荡的主导周期，本文对2014年5～9月长江流域区域平均的逐日降水时间序列进行小波分析。小波母函数的选取对小波变换的结果有重要影响，需要根据具体问题决定。考虑到长江流域日降水时间序列具有阶段性突变特征，因此参考前人研究[23, 30]，使用高斯函数六阶导数形式（sixth-order derivative of a Gaussian function）作为小波母函数。

为了获取2014年夏季降水的ISO相关异常周期信号，具体操作步骤为：（1）2014年夏季逐日降水资料减去1961～2017年气候平均的逐日降水以得到2014年夏季逐日降水距平序列。（2）使用10～20d的Lanczos带通滤波器[31]对逐日降水距平时间序列进行滤波处理，以提取准双周振荡信号；对其它相关物理量也进行同样的处理，如位涡和风场。（3）针对10～20d滤波后的降水异常时间序列，以1个标准差为阈值，挑选出振幅大于阈值的显著准双周振荡循环。（4）参考Mao and Chan[12]的做法，将每个循环分为8个位相，再进行位相合成分析；位相1表示从干位相到湿位相的过渡，位相3（波峰）是极端湿位相，位相5表示从湿位相到干位相的过渡，位相7（波谷）是极端干位相，第2、4、6和8位相表示振荡达到极端位相最大值或最小值一半的时间；位相合成中，如无特别说明，所有物理量均为经过10～20d带通滤波的低频分量。（5）对于位相合成后的异常要素场，采用双总体Studentt检验进行显著性检验[32]。

本文在计算气压层单层水汽条件时所采用的水汽通量（FH）和水汽通量散度（DH）[33]计算公式分别为：

其中q表示比湿，单位为g/kg；V表示风矢量，单位为m/s；g表示重力加速度，单位为m/s2。因此，气压层单层的水汽通量FH单位 为g·m-1·Pa-1·s-1,水汽通量散度DH的单位为g·m-2·Pa-1·s-1。

2 2014年长江流域降水的准双周振荡特征

图1a为2014年我国东南部夏季降水总量的距平百分率和经过10～20d滤波的降水标准差的空间分布。长江流域包括其上游的重庆、贵州和四川东部，大部分地区降水距平百分率超过20%，部分地区甚至超过40%。同时，经10～20d滤波后的降水标准差大值区同样集中在长江流域，部分地区超过5mm/d。可见，2014年夏季包括重庆、贵州和四川东部在内的长江流域大范围均出现降水异常偏多，且具有10～20d准双周振荡特征。因此，本文选取降水距平大值区与标准差大值区的重合部分（如图1a中的红色矩形所示，范围是25°～32°N、 104°～120°E）作为该研究的关键区，简称为长江流域（后文附图中红框均为此区域），并将区域平均的逐日降水异常定义为降水异常指数，来进一步研究2014年夏季长江流域降水的季节内振荡特征。

由图1b可见，2014年夏季长江流域降水呈现出显著干、湿交替的演变特征，其中湿期的降水量明显大于相邻的干期。小波分析结果（图2）显示，在季节内时间尺度范围，降水异常时间序列最显著的周期为10～20d，可见2014年夏季长江流域降水异常确实存在10～20d的准双周振荡特征。为了提取降水的准双周振荡低频信号，本文对异常降水指数进行了10～20d滤波。根据Mao and Chan[12]定义的判据，以滤波后异常振幅超过一个标准差为阈值，选出了7个最显著的准双周过程，分别为：5月19～30日、5月31日～6月13日、6月16～29日、6月30日～7月9日、7月10～23日、8月27日～9月10日和9月12～25日，如图1b中的E1～E7所示。再运用前文所述的位相合成方法，对这7个过程进行位相合成分析，以研究准双周振荡降水及其相关环流的演变特征。

图1 （a）2014年夏季降水总量距平百分率和10～20d滤波的低频降水标准差（等值线表示降水距平百分率，单位：%；填色区表示低频降水标准差，单位：mm/d；红框表示长江流域关键区；蓝色曲线表示长江和黄河），（b）长江流域区域平均的降水异常及10～20d滤波的低频降水序列（黑色实线表示降水异常，蓝色实线表示低频降水，橙色虚线为低频降水序列异常振幅为1个标准差的标识线，E1～E7为显著准双周过程，数字1～8代表准双周振荡的8个位相）

图2 2014年夏季长江流域区域平均降水序列的小波分析（实（虚）线表示正（负）值，阴影表示谱系数通过95%置信度的红噪声检验，粗虚线以外的区域受边缘效应的影响）

图3为基于准双周振荡位相合成的低频降水异常演变图。在位相1（图3a），四川东北部首先出现较弱的降水正异常，此外长江流域大部分地区为降水负异常；到达位相2（图3b）时，降水正异常向南扩展到几乎整个长江流域，同时在长江上游和下游分别出现了一个降水异常的大值中心，强度超过2mm/d；进一步发展至极端湿位相（图3c）时，整个长江流域均出现了显著的降水正异常，且大部分地区降水正异常超过4mm/d；随后，在位相4（图3d），长江以北开始出现了降水负异常，但西南地区的正异常降水仍很好地维持；位相5～8（图3e～h）的演变基本与位相1～4相反，但长江流域降水呈负异常，对应准双周降水干位相。

3 准双周振荡降水相关的位涡分析

3.1 中纬度波列和副热带高压对中低层环流的影响

众所周知，对流层低层的水汽输送和散度条件对降水具有重要影响，而我国处于东亚季风区，对流层中层500hPa西北太平洋副热带高压（副高）的位置对长江流域雨带位置有着重要的指示作用。因此，本节将首先分析对流层中低层环流异常对长江流域降水准双周振荡的影响。夏季副高位置通常用500hPa高度层上的5880或5870gpm等位势高度线来表示。在位相1（图4a），5870gpm等位势高度线向西延伸至100°E附近，受副高西伸影响，我国东南部及西北太平洋上空为异常反气旋性环流，而长江以北、青藏高原以东及以北上空为中纬度异常气旋性环流，二者呈西北-东南向偶极型分布，长江流域恰好受二者之间的偏西风异常气流控制。因此，在对流层低层850hPa建立了一条自南海向长江流域到西北太平洋的暖湿带（图5a）。到了位相2（图4b），对流层中层中纬度气旋异常向东南移动，5870gpm等高线和反气旋异常均开始向东南延伸，长江流域上空变为西南风异常。西南风异常更有利于自南海向长江流域的水汽输送，低空的西南水汽通量异常与中纬度的西北风异常在长江流域西部汇合，导致长江流域出现明显的水汽辐合区（图5b）。在极端湿位相3（图4c），对流层中层中纬度异常气旋继续向南移动，其南侧此时位于长江流域上空；而副高继续向东南延伸至我国东南沿海上空，西太平洋异常反气旋纬向范围受异常气旋南移挤压影响变得狭窄，在我国东南沿海地区及邻近海域上空呈西南-东北走向分布，对流层低层西南水汽通量异常增强，更多的水汽被输送至长江流域（图5c）。此时，中纬度异常气旋的偏北风异常与西北太平洋异常反气旋的西南风异常恰好在长江流域上空汇合，导致低层水汽辐合加强（图5c），进而引发大范围强烈的异常上升运动（图4c），有利于强降水的发生（图3c）。同时，西北太平洋下沉运动也显著加强，通过补偿效应进一步加强和维持长江流域的异常上升运动，长江流域垂直速可达-6×10-2Pa/s，有利于持续性强降水发生。

在位相4（图4d），对流层中层中纬度异常气旋继续南移，而西北太平洋异常反气旋已经消亡，因此中国东部西南方向的水汽带有所削弱（图5d），此时菲律宾以东洋面开始出现气旋性异常环流。西北太平洋异常反气旋消亡造成西太平洋补偿性下沉运动减弱，因此长江流域的上升运动和水汽辐合开始减弱（图4d和图5d），降水强度随之减弱（图3d）。位相5～8（图4e～h）的环流情况与位相1～4（图4a～d）基本相反，500hPa副高位置异常东撤，在850hPa西太平洋上表现为异常气旋，异常气旋北侧的的东北向水汽通量异常，而500hPa长江流域北部中纬度异常反气旋向东南移动，因此在长江流域上空造成明显的辐散，且受下沉运动的控制。中国东部与西太平洋表现出显著的斜压散度，通过补偿效应在长江流域低层激发出强烈的水汽辐散（图5e～h），长江流域降水转为干位相。

图3 2014年夏季准双周振荡位相合成的10～20d滤波的低频降水异常（a～h.第1～8位相，单位：mm/d；蓝色曲线表示长江和黄河；加点区域表示降水异常通过95%的置信度检验）

图5 2014年夏季准双周振荡位相合成的10～20d滤波的的850hPa水汽通量和水汽通量散度异常（矢量表示水汽通量异常，单位：g·m-1·Pa-1·s-1；填色表示水汽通量散度异常，单位：10-6 g·m-2·Pa-1·s-1；蓝色曲线表示长江和黄河；黑色矢量代表水汽通量异常至少有一个分量通过95%的置信度检验；加点区域表示水汽通量散度异常通过95%的置信度检验）

3.2 对流层高层位涡异常对环流的影响

针对准双周环流异常的研究，前人更多地聚焦在对流层低层环流对高层环流的影响。而Ortega等[17]指出，夏季南亚高压这一对流层高层行星尺度系统的准双周振荡会对低层环流产生影响。但Ortega等[17]仅讨论了与南亚高压相关的370K位涡异常对印度地区水汽输送和对流发展的影响，并未分析位涡异常对东亚地区异常天气的影响。因此，有必要通过准双周位涡的演变，探究对流层高层位涡振荡在东亚地区准双周降水中的调制作用，进而更好地理解长江流域降水准双周振荡的形成及演变机制。

为了追踪对流层高层位涡系统的准双周振荡信号，图6给出了370K等熵面上低频位涡异常的合成演变。370K等熵面在对流层中的高度大致相当于150hPa等压面，而150hPa高度层恰好对应南亚高压系统中心位置的高度，以及长江流域上空最显著的位涡异常信号（图7），因此本文选取370K等熵面作为高空位涡的代表层。在位相1（图6a），南亚高压北侧中纬度地区存在着一组正、负位涡异常交替排列的波列，此时长江流域西北侧受该波列中的正位涡异常控制，其异常中心强度可达1PVU；在该异常正位涡（气旋性）的影响下，14340gpm特征线表征的南亚高压纬向位置偏南；同时可以观察到在该中纬度正位涡异常的上游地区有一个强度相当的异常负位涡中心，以往的研究[10]指出该波列源区可以追溯到大西洋北部。在位相2（图6b），中纬度位涡异常波列向东传播，而南亚高压东侧西北太平洋上空也存在着强度较弱且不连续的正涡度异常，自位相1（图6a）到位相2（图6b）开始显著增强，导致南亚高压经向范围向西回缩。到了极端湿位相3（图6c），中纬度气旋性位涡异常到达长江流域以北上空，同时西太平洋菲律宾海的正位涡异常范围在南亚高压东侧显著扩大，自中纬度到低纬度呈东北-西南向分布；该正位涡异常限制了南亚高压的纬向范围和强度，此时表征南亚高压主体范围的14340gpm等位势高度线西撤至台湾上空，与中纬度位涡正异常中心共同形成“马鞍型”的环流分布；中纬度异常气旋东侧的西南气流和南亚高压东南侧异常西北气流在长江流域高空形成了类似于“喇叭口”的辐散气流，进而引发强烈的垂直上升运动（图4c），有利于长江流域降水发生（图3c）。在位相4（图6d），伴随着中纬度异常气旋开始减弱并继续东移，长江流域高空辐散开始减弱，降水同时减弱；在中纬度上游巴尔喀什湖的异常反气旋开始发展，导致南亚高压范围显著北抬。同样，从位相5到位相8的环流演变（图6e～h）与位相1～4（图6a～d）基本相反，表现为长江流域关键区北部被原来中纬度上游异常反气旋位涡东移所替代，高空形成辐合气流，伴随着下沉运动（图4e～h），长江流域产生降水负异常（图3e～h）。此外，相较于湿位相（图6c），干位相中（图6g）由于中纬度负位涡的存在，表征南亚高压主体范围的14340gpm等位势高度线有明显向北伸展的趋势，同时在南亚高压东西两侧受反气旋性位涡异常影响，有利于南亚高压的东西向延伸，东侧可达150°E，西侧可达20°E，说明南亚高压结构变化存在着显著的准双周振荡特征。在准双周尺度范围内，中纬度位涡异常一部分进入西北太平洋，途经日本海、西太平洋，在洋面上发生Rossby波破碎；另一部分沿南亚高压边缘反气旋东北向气流出现在南海、菲律宾及孟加拉湾沿岸，继而在热带低纬度向西传播，到达南亚高压西部转而向北传播，最后回到中纬度波列中。在南亚高压反气旋性环流的大背景下，当准双周异常位涡传播至关键区高空时，散度条件发生变化，最终导致局地降水出现准双周振荡。

图4 2014年夏季准双周振荡位相合成的10～20d滤波的500hPa垂直速度和风场异常（填色表示垂直速度异常，单位：10-2Pa/s；矢量表示风场异常，单位：m/s；绿色实线表示未滤波的5870gpm等位势高度线；蓝色曲线表示长江和黄河；加点区域表示垂直速度异常通过95%的置信度检验；黑色箭头表示风速异常至少一个分量通过95%的置信度检验）

图6 2014年夏季准双周降水事件位相合成的10～20d滤波的370K位涡和150hPa风场异常（填色表示位涡异常，单位：PVU；矢量表示风场异常，单位：m/s；蓝色虚线表示150hPa上未滤波的14310gpm、14340gpm和14370gpm等位势高度线；黄色曲线表示长江和黄河；加点区域表示位涡异常通过95%的置信度检验；黑色矢量表示风场异常至少有一个分量通过95%的置信度检验）

3.3 对流层高层位涡异常对垂直环流的强迫作用

垂直上升运动是降水发生的重要条件，因此本节将进一步分析长江流域对流层高层位涡异常对垂直环流的强迫作用。Popovic and Plumb[18]指出，位涡异常脱落现象的垂直影响范围较为浅薄，主要局限于对流层400hPa以上至对流层顶。Zhu and Mao[25]定义了平流层区域位涡下侵指数，分析指出在高（低）指数年，位涡异常向下侵入到对流层300hPa附近时会在低层强迫出异常气旋（反气旋），从而将高层位涡强迫与低层异常环流联系在一起。

图7给出了2014年夏季准双周降水事件位相合成的位涡和风场异常沿降水关键区（104°～120°E）平均的纬度-气压垂直剖面。为了简明起见，图7只重点显示了准双周期间的过渡位相（位相1、5）和极端位相（位相3、7）。在过渡位相1（图7a），中纬度地区250hPa以上存在一个强度较弱的位涡正异常，高层水平风场表现为较为一致的南风异常，此时中纬度正位涡异常中心位于关键区剖面的西侧（如图6a）。随着中纬度波列的东移，对流层高层的气旋性位涡异常逐渐加强。到了极端湿位相3（图7b），150hPa高度附近的异常位涡中心强度可达0.6PVU；随着中纬度地区的气旋性异常加强，南亚高压经向收缩且位置偏南，25°～30°N范围内的长江流域对流层高层为负位涡异常的辐散气流，有利于长江流域上空出现整层一致的上升运动（图7b）。同时对流层低层盛行偏南气流，将水汽从南海输送至长江流域，最终导致长江流域的湿位相（图3c）。此外，长江流域的上升气流与15°N以南的南海上空的下沉气流形成一个明显的经向垂直环流系统，该垂直环流系统可进一步维持长江流域异常降水过程。到了位相5（图7c），中纬度反气旋异常向东发展（图6e），对流层高层北部表现为弱的负位涡异常，因此中纬度波列中的位涡正异常减弱南移，30°N附近的上升运动受到抑制，降水减弱（图3e）。最后，随着负位涡在中纬度高层东移加强（图6g），长江流域北部150hPa高层附近受反气旋位涡异常控制（图7d），南亚高压的经向范围向北扩展（图6g）；长江流域高层出现异常辐合气流，而低层受异常辐散控制，气流下沉，降水减弱（图3g）。通过质量补偿效应，长江流域南侧的低纬度洋面上空则出现异常上升运动，形成了与位相1～3方向相反的经向垂直环流系统（图7d）；在这一反向的经向垂直环流系统的控制下，长江流域降水准双周振荡转换为干位相。

图7 2014年夏季准双周降水事件位相合成的10～20d滤波的低频位涡和风场异常沿104°～120°E平均的纬度-气压垂直剖面（a.位相1，b.位相3，c.位相5，d.位相7；填色表示位涡异常，单位：PVU；矢量表示风场异常，经向风单位：m/s；垂直速度扩大了-50倍，单位：Pa/s；虚线表示未滤波的位温，单位：K；黑色阴影表示地形；加点区域表示位涡异常通过95%的置信度检验；黑色矢量表示风场异常至少有一个分量通过95%的置信度检验）

为了进一步探究准双周振荡的垂直环流结构和干湿位相转换热力学机制，图8给出了2014年夏季准双周降水事件位相合成的温度和风场异常沿降水关键区（104°～120°E）平均的纬度-气压垂直剖面。在位相1（图8a），30°N以北的温度异常以150hPa为界，上部为暖异常中心，下部为冷异常中心；在位涡垂直异常场上（图7），150hPa高度层中纬度恰好对应的位涡异常中心，这种正位涡异常中心下方配合冷异常的温压分布结构，反映了中纬度大气的斜压性。在极端湿位相3（图8b），随着低频波列位涡槽区的南移加强（图7b），150hPa以下的冷异常气团也随之南移，在槽前对流层低层引导暖空气上升，使150hPa以下的对流层出现一致的上升运动。上升气流在长江流域高空辐散，在南海中部下沉，经向垂直环流圈建立。到了位相5（图8c），对流层150hPa以上出现温度冷异常，且伴随着异常偏北风，这种高层冷平流会抑制上升运动的发展，且40°N以北150hPa以下的对流层开始出现异常暖中心，槽后冷空气受到抑制，该暖中心正好位于反气旋性位涡异常的正下方（图7c），这种高层暖脊结构会激发反气旋性位涡中心的南部产生下沉运动，因此长江流域上升运动随之减弱。最后，随着暖性反气旋环流南移，长江流域下沉运动达到极大值（图8d），高层气流在长江流域辐合下沉而在热带地区上升，形成了与位相3反向的垂直环流圈，不利于降水发展（图3g）。

图8 同图7，但为温度和风场异常的纬度-气压垂直剖面（填色表示温度异常，单位：K）

这种热力与动力结构相耦合的规律可以通过热成风关系来解释。在极端湿位相，对流层高层受气旋性位涡异常控制（图7b），由于在位涡中心下方的下游盛行偏南风，此时水平温度异常分布会发生改变：随着纬度的增加，温度逐渐升高，即在位涡中心下方会激发出异常冷中心，位涡中心上方则与之相反（图8b）；最后形成了湿位相上暖下冷的温度异常分布，气旋性正位涡中心的上层对应暖中心，等熵面（等位温面）向下凹，其下层为冷中心，等熵面向上凸，等熵面表现为向位涡中心收缩倾斜（图7b和图8b）；当来自低纬度地区的暖空气沿等熵面上升，与南下冷空气汇合，容易在中纬度地区触发异常上升运动。干位相则相反，受对流层高层负位涡中心下方北风气流影响（图7d），在负位涡中心下方（上方）形成暖（冷）异常，等熵面向下凹（上凸），不利于对流上升运动发展（图8d）。

4 结论与讨论

本文以2014年为例，基于台站降水观测资料和MERRA-2大气再分析资料，挑选出长江流域夏季（5～9月）降水最显著的7个准双周振荡周期并进行位相合成分析，研究了长江流域夏季降水异常的季节内振荡特征，分析了对流层中低空环流与水汽条件对长江流域夏季降水准双周振荡的贡献，并重点从位涡角度探究了对流层高层位涡准双周振荡异常通过调制南亚高压结构，进而影响准双周降水干、湿位相下的散度条件和垂直环流演变的物理过程。主要结论如下：

（1）2014年夏季长江流域，包括其上游重庆、贵州和四川东部地区出现了一系列持续性降水偏多事件，夏季正降水距平百分率超过20%，具有显著的10～20d准双周振荡特征。降水准双周振荡演变特征表现为：在过渡位相，降水正（负）异常首先出现在长江流域上游四川东部和重庆等地，随后向南、向东拓展至整个长江流域且强度增大，形成长江流域极端湿位相（干位相）。

（2）对流层中低层东南向传播的中纬度波列和副热带高压的准双周振荡对长江流域准双周降水具有重要影响。在湿位相发展过程中，中纬度异常气旋向东南移动至江淮流域上空，同时副高延伸至东南沿海，与之相关的西北太平洋异常反气旋在经向被压缩成东北-西南向的带状环流，其西侧来自南海的异常暖湿气流与中纬度异常气旋东侧干冷的偏北气流在长江流域汇合，形成辐合上升运动，引发长江流域强降水，形成湿位相。之后，副高东撤，菲律宾以东的西北太平洋上空出现异常气旋，同时中纬度波列的异常反气旋传播至长江以北区域，形成向干位相发展的过渡位相。随后的准双周干位相发展过程与湿位相基本相反。

（3）对流层高层中纬度位涡异常与长江流域准双周降水的演变密切相关。在湿（干）阶段，当中纬度波列东移过程中正（负）位涡异常移动至长江流域北部，南亚高压东南部的正（负）位涡异常也在西太平洋向赤道地区发展，对流层高层南亚高压结构向南（北）向西（东）收缩（扩张），形成“马鞍型”的环流分布。此时长江流域高空处在辐散（辐合）气流控制下，激发出强烈上升（下沉）运动，伴随着低空水汽辐合（辐散），长江流域降水出现极端湿（干）位相。

（4）垂直环流结构上，随着中纬度波列位涡正异常的东移，极端湿位相在中纬度150hPa附近出现位涡正异常中心，其下方对应冷空气下沉，进而在正位涡异常前方的长江流域引导出强烈的上升运动，南海地区异常下沉，激发出一个南海-长江流域的经向垂直环流圈。低空南风加强，带来的南海水汽也随之增加，有利于降水在长江流域的维持。温度异常场上，极端湿位相下位涡异常中心的上、下侧分别对应温度暖中心和冷中心，使垂直方向上的等熵面发生变形，同样有利于垂直运动的发展。因此，在高、低层及垂直环流的共同作用下，长江流域降水出现极端湿位相。干位相高低层垂直演变特征则相反。

值得注意的是，本文以2014年作为夏季中国东部降水研究的代表个例，该年的最大降水距平以及最大准双周季节内标准差均出现在长江流域。虽然本文证明了2014年夏季长江流域降水准双周振荡与对流层高层位涡异常准双周振荡相关的南亚高压存在密切联系，然而这种准双周振荡存在着较为显著的年际差异，不同年份对流层上层位涡特征及其对降水异常的强迫很可能是不同的。因此，有必要检查更多的个例，以诊断季节内位涡异常扰动对降水异常振荡的影响是否在其他年份同样存在。