MJO活动轨迹对贵州区域强降水过程延伸期预报的影响分析

白慧 向波 吴战平 罗阳欢

(1 贵州省山地环境气候研究所,贵阳 550002;2 贵州省山地气候与资源重点实验室,贵阳 550002;3 重庆市气候中心,重庆 401147;4 贵州省气候中心,贵阳 550002)

引 言

贵州省地处中国西南内陆地区腹地，位于低纬云贵高原地区东南侧,具有副热带东亚大陆季风气候特征。 夏季风盛行期间贵州降水受西南季风和东南季风的共同影响,其降水年循环具有明显的干、湿季之分,雨量集中在夏季、年际变率较大、旱涝灾害频发[1-3]。在气候平均上,4月随着南支槽前西南风的建立和盛行、贵州降水量明显增多、雨季逐渐开始,5月西南季风建立,6月夏季风强度到达峰值,雨季也进入盛期,9月夏季风强度减弱、降水量明显减少、雨季逐渐结束,贵州主汛期(6—8月)降水主要受大气季节内振荡的对流活动影响,贵州中东部尤为明显[4-5]。对流活动的加强往往与区域降水过程相联系,开展延伸期时段(未来11～30 d)的强降水过程预报研究,对于衔接天气预报和短期气候预测以及抗旱救灾工作中有着迫切需求。已有研究表明,北半球大气季节内(30～60 d)振荡不同位相和传播路径对季风区的降水异常有着重要影响,大气季节内振荡(Intra-Seasonal Oscillation, ISO)最主要的活动区域位于热带和季风区[6-13]。在冬季,热带大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation, MJO)活动较强,MJO东传引起的赤道中东太平洋西风爆发存在显著的次季节时间尺度变化,西风异常事件通过Bjeknes正反馈机制利于ENSO暖海温事件的发生[14],并且MJO东传能够激发出西北向传播的Rossby波,在副热带亚洲地区激发出异常的大气环流形势,从而影响中国东部冬季的降水和气温[15-16]。在夏季,MJO对亚洲季风有着重要影响,其能激发孟加拉湾西南季风和南海夏季风,MJO最活跃的区域位于热带印度洋,与我国南方夏季旱涝相关,特别是对季风区降雨多寡会产生重要影响[17-24]。亚洲季风(孟加拉湾西南季风、南海季风和印度季风)通常在5月初由孟加拉湾西南季风首先爆发,5月下旬南海季风爆发,6月上旬印度季风爆发。当春末夏初热带东印度洋MJO在较活跃时,其对于孟加拉湾西南季风ISO的影响可持续整个季风期,季风期有所延长,孟加拉湾西南季风ISO活动在4—8月比其不活跃时提前约1/2个周期、强度也有所加强[25];其低频对流传播路径从热带印度洋先东北传到孟加拉湾、再沿10°～20°N纬带东传到南海、在南海加强并激发ISO北传至我国东部地区,再沿副热带西传,与沿孟加拉湾从东北方向传来的低频对流在孟加拉湾以北地区交汇,构成热带印度洋低频对流完整的经纬向接力传播周期[19,26-27]。考虑在热带地区具有纬向的东传特征的季节内振荡(MJO)是热带大气季节内振荡的强信号,对全球不同区域的降水有着不同程度的影响,其夏季活动的异常不仅作用于热带地区的天气和气候,也会通过对流强迫和遥相关等方式对热带外地区的天气和气候产生影响[28-32]。综上,季节内振荡理论可作为开展延伸期过程预报的基础,本文从贵州主汛期季节内振荡角度出发,在分析贵州ISO活跃年时热带印度洋MJO活动对贵州主汛期降水的影响,包括热带印度洋MJO的传播路径和周期,建立热带低频对流活动关键区与贵州主汛期ISO之间的联系,用于指示贵州主汛期ISO的强度变化的基础上,针对贵州典型区域强降水过程开展了热带MJO活动轨迹对其的预报试验,期望能找到影响贵州区域强降水延伸期时段的低频预报信号和理论依据,更好地填补天气预报和季节性气候预测之间的空白。

1 资料与方法

1.1 资料

所用资料包括:贵州省气象局提供的85个地面气象观测站逐日(20时至次日20时)降水资料;NCEP/NCAR提供的向外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)逐日再分析资料,水平分辨率为2.5°×2.5°。澳大利亚中心提供的MJO观测事实的逐日独立指数RMM(All-Season Real-Time Multivariate MJO Index,即全年实时多变量MJO指数)

站点和格点资料时间均从1981年1月1日—2018年12月31日；气候平均时间范围均为1981—2010年;RMM指数时间从1979年1月1日—2018年12月31日。

1.2 方法

贵州省主汛期OLR低频活动以30～60 d季节内振荡最为显著,10～20 d准双周振荡次之[31],因此对OLR逐日资料进行30～60 d的带通滤波处理(Butterworth函数滤波器),提取出季节内振荡频率的波动;利用小波分析方法对ISO活动的逐日波动特征进行显著周期提取;采用合成分析、相关性分析等统计学方法对ISO的活动特征和传播路径进行大气低频振荡研究,探究其对贵州主汛期降水的影响;采用MJO位相相似的计算方法确定指定时段MJO活动轨迹的相似年,从而对贵州区域强降水过程的趋势进行预报试验。

ISO强度及ISO强度距平的计算方法为先对三个研究区域:贵州区域(25°～30°N,102.5°～110°E);印度洋(IO)关键区(10°～15°N,65°～75°E);南海(SCS)关键区(10°～20°N,110°～120°E)的逐日OLR进行30～60 d带通滤波后的区域平均值与历年气候平均值计算距平得到逐日ISO强度,再将该距平值在指定时段(即主汛期6—8月)的绝对值计算平均定义为ISO强度,最后将该ISO强度与历年气候平均值计算距平之后得到ISO强度距平。选取贵州主汛期的ISO强度距平的1倍标准差作为划分ISO活动典型年的阈值,即选取1982、1991、1995、1999、2002、2006、2007、2009和2018年共9 a为ISO活跃年; 1983、1990、1996、2001和2015年共5 a为ISO不活跃年(图略)。与文献[5]中ISO典型年不一致,可能与OLR的气候平均时段、空间分辨率以及选取ISO活动典型年的阈值不同有关。

MJO位相相似的计算方法:假设p(x,di)(i=1,2,…,n)为选取的x年从di开始n天的逐日位相,a(x,di)为对应的逐日强度,P(y,d1+j,i)(y=1979,1980,…,x-1;i=1,2,…,n;j=-30,-29,…,30)为1979年开始到预测年x前一年历年从d1+j开始的n天的逐日位相,A(y,d1+j,i)为对应的逐日强度。定义:

其中:Rp(y,j)为判别MJO演变过程相似度的首要依据,在Rp(y,j)相同的情况下,再根据Sp(y,j)和Ra(y,j)进行判别。需要说明的是,MJO位相是从1到8闭合的演变过程,1和8之间只是1个位相的差别,|P(y,d1+j,i)-p(x,di)|的取值区间是[0,4]。

根据《贵州省区域强降水过程监测技术规定(试行)》(简称《规定》),为了挑选典型的持续性区域强降水过程,将《规定》强降水过程持续日数的阈值2 d增加到5 d。定义为贵州省84个监测站点中,有10站(及以上)日降水量(20—20时)达25 mm以上时,称为一个强降水日。连续5个或5个以上的强降水日为一次强降水过程(其中连续5个强降水日后中间允许间断1 d,且间断期间至少有1个站日降水量大于等于25 mm)。

2 贵州主汛期ISO的低频对流场和降水特征

2.1 贵州主汛期ISO位相划分

为了反映出贵州主汛期ISO不同演变阶段对应的低频大气演变特征和降水异常分布特征,将1981—2010年贵州主汛期逐日ISO强度分别先计算逐年ISO强度的平均再计算逐日绝对值的平均得1.34,以及先计算逐日ISO强度绝对值的平均再计算逐年平均得6.63分别作为划分贵州主汛期ISO活动位相的阈值。将逐日ISO强度小于1.34定义为弱位相、不计入统计天数,其余天数以ISO强度等于±6.63作为标准临界阈值划分出6个位相(图1),分别对应贵州主汛期ISO的不同活动阶段,第1位相为ISO发展位相,第2位相为ISO峰值位相,第3位相为ISO减弱位相,第4位相为ISO抑制位相,第5位相为ISO谷值位相和第6位相为ISO恢复位相。

图1 贵州省主汛期ISO位相划分示意图Fig.1 Sketch diagram of ISO phases in main flood season of Guizhou

2.2 低频OLR场和降水异常特征

贵州省主汛期降水主要受西南季风与南海夏季风的共同影响,在贵州主汛期ISO活跃时存在2次较强的从副热带西太平洋向西传播到孟加拉湾北部或西北部的西传过程,传播路径在主汛期经过贵州进而影响其降水异常[5],与相邻的云南省和四川省ISO活跃年的西传路径存在相似[6,31]。印度洋作为MJO活动最活跃的地区之一[33],热带印度洋MJO的北传和东传会激发孟加拉湾西南季风和南海夏季风的ISO活动,从而对西南地区的降水产生综合作用[25-26]。通过已有研究,本文对1981—2018年贵州主汛期ISO活跃年中逐日ISO波动各位相上对应的低频OLR场和降水进行合成分析(图2),进一步确定热带印度洋MJO的传播路径对贵州主汛期降水异常有何影响。在第1位相时,贵州上空至副热带西太平洋(20°～30°N)为弱的低频对流控制区,贵州大部地区降水偏多,尤其在省之东部地区;阿拉伯海至菲律宾群岛以东的热带西太平洋区域上空为低频对流抑制区,低频OLR正距平中心位于孟加拉湾西部和菲律宾群岛以东;赤道印度洋上空为低频对流区。在第2位相时,贵州上空至副热带西太平洋的低频对流区加强并西传到孟加拉湾以北地区,低频对流中心位于贵州,全省地区降水一致偏多,降水正异常中心由东部向中部地区移动;赤道印度洋上空的低频对流区北移到阿拉伯海和孟加拉湾的南部;热带西太平洋区域上空的低频对流抑制区东移到南海至西太平洋一带。在第3位相时,沿20°～30°N的副热带低频对流中心减弱、并继续向西南方向移动,贵州降水正异常中心减弱并继续西移;热带印度洋北传来的低频对流主体向东北移动;上述两股低频对流在孟加拉湾北部交汇。在第4位相时,沿20°～30°N副热带转为低频对流抑制区,贵州为弱的低频对流抑制区,全省大部降水偏少、尤其在中部以南以东地区;赤道印度洋北传来的低频对流主体继续向东北移动,分别在阿拉伯海东北部、孟加拉湾北部、菲律宾以东的西太平洋海域出现3个低频对流中心。在第5位相时,沿20°～30°N副热带的低频对流抑制区继续加强西传,低频对流抑制区中心位于贵州上空,贵州降水一致偏少,降水负异常中心位于中部一线、强度加大;阿拉伯海和孟加拉湾的低频对流区减弱,向北向东移动,南海至菲律宾群岛附近的西太平洋为低频对流区控制。在第6位相时,沿20°～30°N副热带的低频对流抑制区继续西传、强度减弱,贵州省大部地区降水由负异常转为正异常;南海地区的低频对流继续减弱,北移到华南至副热带西太平洋;阿拉伯海至热带西太平洋副热带海域为低频对流抑制区;同时在赤道印度洋再次出现弱的低频对流区。

图2 1981—2018年贵州主汛期ISO活跃年(a—f)第1～6位相低频OLR(单位: W·m-2)和(g—l)降水距平百分率(单位: %)空间分布:(a、g)第1位相; (b、h)第2位相; (c、i)第3位相; (d、j)第4位相; (e、k)第5位相; (f、l)第6位相Fig.2 Spatial distribution of Low Frequency(LF) OLR (a-f, unit: W·m-2) and precipitation anomaly percentage (g-l, unit: %) in phases 1-6 in main flood season of Guizhou in ISO active years during 1981-2018:(a, g) phase 1; (b, h) phase 2; (c, i) phase 3; (d, j) phase 4; (e, k) phase 5; (f, l) phase 6

由此可见,贵州主汛期ISO活跃年份,低频OLR场在贵州ISO波动的第1、4位相、第2、5位相以及第3、6位相均呈反位相特征。同时,贵州地区的降水与低频对流有着较好的对应关系,在第2位相时低频对流强度最强、降水正异常强度最强;在第5位相时低频对流强度最弱、降水负异常强度最强,这应该与热带印度洋低频对流(MJO)发展过程中传播路径对贵州主汛期ISO的影响有关(图3a)。进而选取贵州主汛期ISO典型活跃年(1999年)可见,热带印度洋低频对流一条路径在5月下旬和7月上旬有两次较明显的沿孟加拉湾向东北方向传播,激发孟加拉湾西南季风ISO活跃并继续向东北方向继续传播(图3b),于7月上旬和8月下旬造成贵州比较强的对流活动;另一条路径在4月上旬、5月下旬和7月上旬有3次较明显的沿孟加拉湾继续东传至南海,激发南海热带季风ISO活跃并向中国东部副热带地区北传,于5月下旬、7月上旬和8月下旬在副热带地区再西传经过贵州,在孟加拉湾以北地区与沿孟加拉湾西部向东北方向传来的低频对流交汇,构成了一个完整的经纬向接力传播周期(图3c)。

图3 贵州主汛期ISO活跃年(a)低频OLR传播路径剖面示意图、(b)贵州典型活跃年低频OLR沿(a)中所示虚线传播路径(20个格点)和(c)实线传播路径(35个格点)的距平合成时间剖面图(单位:W·m-2)Fig.3 (a)cross-section diagram of LF OLR propagation path, (b)time profile of LF OLR along solid line propagation path (20 grid points)and (c)along dashed line propagation path (35 grid points) in (a) in main flood season of Guizhou in ISO active years

3 热带印度洋MJO对贵州主汛期ISO的影响

如图3,选取印度洋(IO,10°～15°N,65°～75°E)和南海(SCS,10°～20°N,110°～120°E)区域作为向贵州传播ISO的两个低频对流路径的关键区。如图4,在贵州主汛期ISO活跃年,IO关键区、SCS关键区与贵州区域低频OLR的逐日变化可以看出,热带印度洋在4月中旬、5月下旬和6月中、下旬有3次低频对流活跃期,经过15 d左右,对应南海在4月底、5月底和6月底有3次低频对流活跃期,再经过30 d左右,分别对应贵州6月初、7月初和8月上旬的3次低频对流活跃期。

为了更清楚看到热带印度洋MJO对贵州主汛期ISO的影响路径。图4给出1981—2018年贵州主汛期ISO活跃年6—8月IO关键区、SCS关键区与贵州低频OLR的滞后相关系数。其中,IO关键区与贵州区域低频OLR的次大滞后相关发生在-50 d,SCS关键区与贵州区域低频OLR的次大滞后相关发生在-35 d。相关系数分别为0.37和0.41,均通过了α=0.05的显著性检验。由于IO关键区与SCS关键区低频OLR的次大滞后相关发生在-17 d(图略),表明在贵州主汛期ISO活跃年,热带印度洋ISO经过17 d东传至南海、再经过35 d南海ISO北传和西传至贵州区域,这一时间周期(52 d)正好与IO关键区与贵州区域低频OLR的次大滞后相关发生的周期(50 d)较为吻合。注意到,图4中IO关键区与贵州区域低频OLR的最大滞后相关发生在-18 d,滞后相关系数为0.92(通过了α=0.05的显著性检验),这可能与贵州主汛期ISO自身的振荡周期32 d有关[5]。

图4 1981—2018年贵州主汛期ISO活跃年的贵州区域(a,黑线)、南海关键区(b,蓝线)和印度洋关键区(c,红线)低频OLR逐日变化Fig.4 Daily evolution of LF OLR in Guizhou (a, black line), key region of South China Sea (b, blue line) and key region of tropicalIndian ocean (c, red line) in ISO active years in main flood season of Guizhou during 1981-2018

图5 1981—2018年贵州主汛期ISO活跃年的(a)IO关键区、(b)SCS关键区与贵州区域逐日低频OLR的超前—滞后相关系数(正值表示超前;零表示同期;负值表示滞后)Fig.5 Lag-correlation coefficient of daily LF OLR in (a) IO key region, (b) SCS key region and Guizhou in ISO active years inmain flood season of Guizhou during 1981-2018 (positive mean ahead; zero mean same period; negative mean delayed)

4 MJO活动轨迹对贵州区域强降水的影响

前期研究表明热带印度洋关键区ISO对贵州主汛期ISO的影响主要通过沿孟加拉湾西部向南至东北方向至贵州区域和沿孟加拉湾东传到南海、继而北传至中国东部副热带地区、在副热带地区再向贵州西传的两条传播路径。以下分析将着重讨论热带印度洋具有纬向的东传特征的ISO活动中心(即MJO活动中心)对贵州主汛期区域强降水的影响。

贵州省1981年1月1日—2018年12月31日主汛期(6月1日—8月31日)时段内区域强降水过程(过程持续时间≥5 d)有15次过程。对15次区域强降水过程逐日降水量与表征MJO活动强度的同期及前期RMM指数做滑动相关(图6),发现RMM强度与降水的相关型从提前20 d到同期时段呈单峰型特征,在提前9 d时二者相关性最大,达90%的信度检验,在提前15 d和提前2 d时,相关系数由负转正和由正转负。表明贵州区域强降水过程发生的前15 d至前3 d,MJO活动强度具有较好的预报指示意义,即MJO活动强度持续偏强时,贵州区域强降水过程的降水量越多,在前9 d相关性最好。

图6 1981—2018年15次区域强降水过程逐日降水量与同期及前期RMM指数的滑动相关系数(零值表示同期；负值表示滞后)Fig.6 Sliding correlation coefficient between daily precipitation and RMM index in the same period and earlier period of 15 regionalheavy rainfall processes during 1981-2018 (zero indicate same period; negative indicate delayed)

结合延伸期预报业务中预报时段为未来10～30 d,对1981—2018年贵州15次区域强降水过程选取各过程时段提前10 d的逐日MJO的演变情况,采用MJO位相相似的计算方法得到历年相同天数任意相似时段,找到MJO活动中心轨迹的相似过程(表1)。

表1 1981—2018年雨季贵州省典型区域强降水过程Table 1 Statistics of heavy rainfall processes in typical regions of Guizhou Province in the rainy season during 1981-2018

如图7,在15次区域强降水过程中通过对比提前10天的MJO活动中心轨迹最相似时段,发现有9次过程(达60%)与相似过程的降水趋势异常偏多一致,表明MJO活动中心轨迹和强度对贵州区域强降水过程的趋势预报具有较好的指示意义。

图7 1981—2018年贵州9次区域强降水过程与MJO相似过程的(a)MJO空间位相(红线为降水过程前10 d及过程中的MJO活动轨迹;紫线为相似降水过程前10 d及相似过程中的MJO活动轨迹)和(b)降水距平百分率(单位：%)：(b1—b3、b7—b9、b13—b15)区域强降水过程的降水量;(b4—b6、b10—b12、b16—b18)相似过程的降水量Fig.7 (a)The spatial phase of MJO (red line: MJO activity trajectory in ten days ago and in the regional heavy rainfall process;purple line indicate MJO activity trajectory in ten days ago and in the similar rainfall process) and (b) the percentage of precipitation anomalyof nine reginal heavy processes and MJO similar processes in Guizhou during 1981-2018:(b1-b3、b7-b9、b13-b15) precipitation of regional heavy processes; (b4-b6、b10-b12、b16-b18) the similar processes

5 结论

本文分析了贵州主汛期ISO活跃年份,ISO波动不同位相对应的低频对流场特征和降水异常分布特征、热带印度洋MJO对贵州主汛期ISO的影响路径和周期以及MJO活动轨迹对贵州区域强降水的影响,得到以下主要结论:

(1)在贵州ISO波动的1和4位相、2和5位相以及3和6位相,热带、副热带的低频对流场均呈反位相特征。同时,贵州地区的降水与低频对流有着较好的相关关系,在第2位相(ISO峰值位相)时低频对流最强、降水正异常强度最强;在第5位相(ISO谷值位相)时低频对流最弱、降水负异常强度最强。

(2)贵州主汛期降水异常与热带印度洋MJO发展过程中的两条传播路径有关,在热带印度洋低频对流东传、北传的过程中,激发了孟加拉湾西南季风ISO和南海热带季风ISO活跃,并分别以不同的传播路径向贵州传播,影响贵州主汛期ISO和降水。

(3)贵州主汛期有3次低频对流活跃期,IO关键区和SCS关键区ISO都有3次提前的低频对流加强。热带印度洋ISO经过17 d东传至南海、再经过35 d南海ISO北传和西传至贵州,这一时间周期(52 d)正好与IO关键区和贵州区域低频OLR的次大滞后相关发生的周期(50 d)较为吻合。

(4)贵州区域强降水过程发生的前15 d至前3 d,MJO活动强度具有较好的预报指示意义,即MJO活动强度持续偏强时,贵州区域强降水过程的降水量越多,在前9 d相关性最好。通过对比贵州区域强降水过程中提前10 d的MJO活动中心轨迹在历年中的位相最相似时段,发现MJO活动中心轨迹和强度对贵州区域强降水过程的趋势预报具有较好的指示意义。