青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡特征

王珺雨 陈丹

摘要  利用1979—2019年ECMWF提供的ERA-Interim逐日再分析资料，采用Morlet小波分析、滤波及合成分析等方法，探究了青藏高原夏季对流层高层纬向风季节内振荡（IntraSeasonal Oscillation，ISO）的主要周期及其传播特征。结果表明：青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡的主要周期为10～30 d，其强度存在明显的年际差异。在纬向风ISO强年，振荡过程持续时间长、振幅强，ISO方差中心从对流层高层向下影响到对流层中层，表现为相当正压结构。其传播在纬向上主要表现为ISO中心从高原东部3次向东传，可达西太平洋地区;经向上分别有4次自中高纬向南传播的10～30 d ISO中心与来自低纬地区的ISO中心在高原南侧汇合，其强度在高原南侧有所加强，强振荡中心可向南传播到达低纬地区。ISO的位相演变主要表现为低频反气旋和低频气旋中心在高原东部交替出现，引起东部地区上空低频东风和低频西风的强度变化。在ISO极端活跃位相，高原东部低频西风达最强。

关键词  青藏高原; 季节内振荡; 纬向风; 10～30 d

大气季节内振荡（Intraseasonal Oscillation，ISO）现象作为大气科学的重要前沿课题之一，受到国内外学者的高度重视（苗青等，2016;Yang et al.，2017;李文铠和郭维栋，2022）。研究表明，不仅热带地区（魏蕾等，2017），中高纬地区也存在大气ISO（谢安等，1989;章基嘉等，1991;朱毓颖和江静，2013）。青藏高原作为大气ISO的活跃区和重要源地之一（章基嘉等，1984;段丽君等，2017），对我国天气气候产生重要影响（Peng et al.，2014;张超等，2018;鲁萌萌等，2020;刘屹岷等，2020）。因此该地区的ISO活动也受到了广泛关注（李文铠和郭维栋，2022）。一些学者针对青藏高原ISO进行研究（岑思弦，2011;姚秀萍等，2019），寻找高原地区ISO信号。高原地区ISO主要有准双周振荡（杨严和徐海明，2015）和30～60 d振荡（杨蓉等，2015），准双周振荡对降水影响最为显著（刘炜等，2016）。除降水外，高原对流（贺懿华等，2006）、大气热源（罗会邦等，1995）、高原高度场活动（王文等，2016）也与准双周振荡存在密切联系。高原地区10～30 d低频振荡有利于高原低值系统的发生与发展（Zhang et al.，2014）。青藏高原地区热源的主要振荡周期为10～20 d的准双周振荡（王黎娟和葛静，2016）。高原地区低频信号会影响下游地区旱涝灾害的发生（杨严和徐海明，2015;王文等，2016），风场作为能量传输的载体，对低频信号向下游的传播起到不可或缺的作用。

纬向风是表征大气ISO的重要物理量之一，与大气环流之间存在密切联系（Wang and Duan，2015;周兵等，2000）。朱丽华等（2012）从高原纬向风增强年和减弱年入手，分析了对应年份的低频振荡过程及其对下游地区降水的影响，他们指出，高原纬向风的增强和减弱对我国夏季降水与大气环流有重要影响。然而现阶段关于高原ISO的研究大多集中在对高原热源、高原对流等方面的低频振荡上，关于高原纬向风ISO的研究还未引起足够重视。为了加深对高原ISO特征的认识，为分析高原ISO与中国东部持续性降水的关系提供理论支撑，有必要针对高原地区纬向风的季节内变化进行研究，分析其振荡周期及传播特征，为进一步探究高原大气低频振荡的活动提供参考，这也是第三次青藏高原科学试验的研究目标之一。

1 资料和方法

青藏高原地形复杂，幅员辽阔，其南北和东西部天气气候差异很大，徐国强和朱乾根（2002）发现高原不同区域低频振荡特征明显不同，尤其高原东部和西部的低频振荡存在差异。因此本文参考赵平和陈隆勋（2001）的方法對青藏高原进行分区，以90°E为界对青藏高原进行东西区域划分（图1），将90°E以东且海拔高度大于3 000 m的区域作为本文的研究区域。

使用欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的1979—2019年分辨率为2.5°×2.5°的ERA-Interim逐日水平风场再分析资料，利用Morlet小波分析方法和功率谱分析方法探究低频振荡主要周期并通过Lanczos滤波器提取低频分量，进一步采用合成分析方法对青藏高原东部夏季200 hPa纬向风季节内振荡特征进行诊断分析。

2  青藏高原夏季高层纬向风季节内振荡周期特征

利用Morlet小波和功率谱方法，分析高原东部夏季对流层高层200 hPa纬向风季节内振荡的主要周期，鉴于两种方法所得结果一致性较高，仅给出通过Morlet小波分析方法得到的各年夏季高原东部纬向风通过90％置信度检验周期的年份数情况（图2）。从图2可得，200 hPa纬向风的10～30 d季节内振荡周期在高原东部地区普遍存在，30～60 d周期通过信度检验的年份次之，20～40 d周期通过信度检验的年份最少。从方差贡献来（图略）看，10～30 d季节内振荡在多数年份可以达到20％以上，个别年份方差贡献可达40％以上，而30～60 d低频振荡方差贡献多数表现在10％左右。

3  青藏高原高层纬向风季节内振荡异常年的确定及差异

上述结果表明，10～30 d季节内振荡是青藏高原地区200 hPa纬向风低频振荡的主要周期，为了进一步讨论其变化特征，选取10～30 d季节内振荡方差表征季节内振荡强度，这也是气象中常用的表示低频振荡强度的方法之一（贾燕和管兆勇，2010）。对高原东部200 hPa纬向风ISO方差进行标准化（图3）并计算高原东部地区热源与纬向风ISO强度之间的相关性，发现二者之间因果关系并不显著，说明纬向风的低频变化不仅仅是高原热源低频变化的结果，因此有必要对高原纬向风ISO进行研究。从图3可以看出，1995—1996年高原东部200 hPa纬向风10～30 d季节内振荡强度发生了转折。1995年之前标准差大于0的只有5 a，总体ISO强度较弱。但1995年之后标准差大于0的有14 a，季节内振荡增强，而且21世纪后ISO强弱年交替出现，年际差异明显。为了进一步分析高原季节内振荡特征，选取标准差大于等于1的1986、1999、2000、2002、2011和2013年作为ISO强年，标准差小于等于-1的1985、1990、1993、1994、2007和2012年作为ISO弱年。可以看出20世纪90年代末期以后，ISO强年明显增多。

对上述ISO强年和弱年分别进行合成后滤波（图4）。在高原东部夏季200 hPa纬向风10～30 d季节内振荡强年，有5个完整周期，平均周期长度为17.5 d，最长周期持续时间从6月下旬至7月中旬以及8月上旬至8月下旬，持续时间达22 d;最短周期出现在6月，持续时间约为13 d;7月下旬至8月上旬ISO的振幅达10 m／s，在5个周期内最强;6月初的振幅约为3 m／s。比较而言，夏季ISO弱年约有7个周期，平均周期长度为12.5 d。最长周期持续时间出现在6月下旬至7月中旬，约为15 d;最短周期分别出现在6月中旬和8月上旬，持续时间为10 d;6月下旬至7月中旬ISO相对最强，振幅为6 m／s，约为ISO强年最大振幅的一半;7月下旬至8月上旬的ISO强度较弱，振幅仅为1.5 m／s。就季节内振荡强度而言，ISO强年从6月至8月强度逐渐增强，8月达峰值;而ISO弱年其强度在6月下旬至7月上旬达到峰值，随后迅速减弱;就平均周期而言，ISO强年的持续时间较弱年长5～6 d。综上，在高原东部夏季200 hPa纬向风10～30 d季节内振荡显著年，ISO持续时间长、振幅强。

4  青藏高原高层纬向风季节内振荡及传播特征

4.1 高层纬向风季节内振荡方差的空間分布

如上可知，高原东部200 hPa纬向风10～30 d振荡存在显著的年际变化，在ISO强年，10～30 d振荡方差贡献较大，纬向风的变化与其相关性更好，因此选取ISO强年为研究对象，分析其空间分布特征。

图5是ISO强年水平和垂直方向上ISO方差分布，可以发现ISO强年水平方向上有三个方差大值中心（图5a），分别位于伊朗高原北部（65°E）、青藏高原东北至东南部（100°E）以及日本以东的西北太平洋上空（170°E），三个中心均超过70 m 2／s 2，其中青藏高原东部ISO强度相对较强。

垂直方向上ISO方差大值中心位于对流层高层200 hPa 附近（图5b），这表明200 hPa是纬向风ISO最为活跃的高度。方差大值中心分别位于高原西部、东部以及西北太平洋，其中高原东部上空的ISO方差大值中心超过75 m 2／s 2，并向东延伸至江淮流域。高原东部和西北太平洋地区的ISO方差大值中心均强于高原西部。还可以看出，位于高原东部的ISO空间尺度最大，影响范围也广。此外，高原东部地区ISO方差中心可以从对流层高层向下影响到对流层中层，呈现相当正压结构特征。

4.2 高层纬向风季节内振荡传播特征

青藏高原作为季节内振荡的活跃区之一，既有ISO中心在高原形成并向外传播，也有ISO中心移动至高原（巩远发等，2007）。那么高原200 hPa纬向风10～30 d季节内振荡传播特征如何？

由图6可以看出，夏季200 hPa纬向风10～30 d季节内振荡主要表现为向东传播，7月初至7月中旬末可以东传至130°E附近，传播速度较快，其向东传播过程中，低频中心强度有所增强。8月初至8月中旬，再次出现低频东传增强过程，其东传可达135°E的西太平洋地区。八月中下旬，低频振荡中心在东传过程中强度逐渐减弱。

从高原200 hPa纬向风10～30 d振荡的经向传播（图7）可以发现，自高纬向南传播的纬向风10～30 d ISO大值中心影响到了高原东部地区，从6月至8月，分别有4次自中高纬向南传播的10～30 d ISO中心与来自低纬地区的ISO中心在高原南侧汇合，其强度在高原南侧有所加强，随后继续向南传播，强ISO可向南传播到达低纬地区。

5 青藏高原高层低频环流演变特征

为了进一步揭示高原200 hPa 10～30 d低频环流的演变特征，对滤波后的每个纬向风演变周期划分为9个位相（Chan et al.，2002）。其中第3位相对应ISO极端中断位相，低频西风最弱，而低频东风最强。第7位相对应ISO极端活跃位相，低频东风最弱，但低频西风最强。

位相1对应ISO极端中断位相向极端活跃位相的转换，位相5则与之相反，对应ISO极端活跃位相向极端中断位相的转换。 位相2、位相4、位相6和位相8分别对应低频振荡强度达到振幅一半所对应的位相，第9位相和第1位相类似。由此将夏季高原ISO强年的200 hPa纬向风10～30 d振荡强度超过该年低频振荡分量1个标准差的过程逐位相进行流场合成，以揭示低频环流的演变过程（图8）。

如图8所示，转换位相1时（图8a）低频反气旋控制高原东北部，低频气旋位于高原东部上空，高原北侧为低频东风中心，此时低频东风强度较弱，风速小于8 m／s。位相2时（图8b），高原东北部的低频反气旋增强南移，其南侧的低频东风强度也增强，位置南移，出现风速大于8 m／s的区域，高原东部地区上空受低频东风控制。其上空原低频气旋减弱，略向东移动。位相3时（图8c），即极端中断位相，低频反气旋进一步向南移动，中心到达高原北侧，同时高原南部上空的低频东风加强，经向上影响约10个纬度，纬向上影响约25个经度，低频东风控制整个高原东部至江淮流域，在此位相高原东部纬向风ISO达最强。可以看出，在极端中断位相，高原东部的低频纬向风一方面强度增强，另一方面其影响范围也在扩大并逐渐向东南方向扩展。

位相4时（图8d），高原东部的低频东风随着低频反气旋向东移动，低频东风大值中心影响江淮流域。低频气旋中心在贝湖东部发展加强，低频气旋和低频反气旋之间的两股低频西风汇合，导致低频西风明显增强。在转换位相5（图8e），低频气旋则开始发展加强，并向东南移动，其南侧的低频西风增强，影响高原以北地区。而南部的低频反气旋继续向东移动，低频中心移出高原东部地区，高原南侧的低频东风有所减弱，在此位相，高原上低频纬向风减弱，低频东风开始向低频西风的转换。位相6时低频反气旋向东移出大陆，高原东部上空受低频气旋控制，并且影响范围扩大，低频西风逐渐增强（ 图8f ）。

在极端活跃位相7（图8g），低频环流的分布与位相3（极端中断位相）大致相反，随低频气旋向南移动至高原东部上空的低频西风强度逐渐增至最强，影响范围进一步扩大至整个高原东部乃至我国东部，低频西风中心主要位于高原东部，达最活跃阶段。第8位相（图8h），低频气旋继续东移增强，南侧低频西风中心移至江淮流域，北侧低频东风的强度变化更明显。转换位相9的环流形势与转换位相1类似，南部的低频气旋东移并减弱，其北侧的低频反气旋向南移动，完成一次ISO演变过程（图略）。

6 讨论和结论

利用1979—2019年ERA-Interim逐日水平风场再分析资料，从低频振荡的周期、强度、低频方差空间分布及传播特征等方面对青藏高原夏季对流层高层200 hPa纬向风的季节内振荡进行了分析，得到如下结论：

1）青藏高原夏季对流层高层纬向风存在显著的10～30 d季节内振荡周期且其强度存在明显的年际差异。ISO强年振幅大，周期长。水平方向上自西向东存在三个ISO方差大值中心，分别位于伊朗高原北部、青藏高原东部以及日本以东的西北太平洋上空，其中青藏高原东部低频振荡中心强度相对较强，影响范围广。此外，高原东部地区ISO方差中心可以从对流层高层向下影响到对流层中层，表现为相当正压结构。

2）青藏高原东部夏季200 hPa纬向风10～30 d季节内振荡中心在纬向上主要表现为从高原东部3次向东传播，其东传可达西太平洋地区;在经向上分别有4次自中高纬向南传播的10～30 d ISO中心与来自低纬地区的ISO中心在高原南侧汇合，其强度在高原南侧有所加强，强振荡中心可向南传播到达低纬地区。

3）青藏高原东部主要受北方向南移动的低频反气旋和低频气旋交替影响，从而导致高原东部受不同强度的低频东风和低频西风的控制，在极端活跃位相，高原东部低频西风达最强。

本文主要分析了青藏高原东部夏季高层纬向风10～30 d季节内振荡强年的ISO特征，但低频振荡偏弱的年份也是高原地区ISO变化的一部分，ISO强弱差异的形成原因也需进一步分析，我们将在今后的工作中进行研究。

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Intraseasonal oscillation characteristics of zonal wind at upper troposphere over Tibetan Plateau in summer

WANG Junyu，CHEN Dan

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）／Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD）／Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Based on the ERA-Interim reanalysis data four times a day provided by ECMWF from 1979 to 2019，the main period of the intraseasonal oscillation and its propagation characteristics of zonal wind at upper troposphere over the eastern Tibetan Plateau in summer are studied by the Morlet wavelet，filtering and composite analysis methods.Results show that the 10—30 d is the main period of intraseasonal oscillation of zonal wind at upper troposphere over the eastern Tibetan Plateau in summer and its intensity has significant interannual difference.In the strong intraseasonal oscillation years，the low-frequency oscillation process lasts for a long time and has a large amplitude.The center of variance of intraseasonal oscillation influences the mid-troposphere from the upper troposphere，which shows an equivalent barotropic structure.In zonal propagation，the intraseasonal oscillation centers mainly propagate eastward from the eastern Tibetan Plateau for three times and reach the Western Pacific region.In meridional propagation，10—30 d intraseasonal oscillation centers propagating southward from the mid and higher latitudes converge with centers from the lower latitude on the south side of the Plateau for four times from June to August，and their intensities are strengthened.The strong oscillation centers can propagate southward to the lower latitude areas.The phase evolution of intraseasonal oscillation is mainly manifested in the alternation of the low-frequency anticyclone and the low-frequency cyclone center over the eastern Tibetan Plateau，which leads to the intensity change of low-frequency easterly wind and low-frequency westerly wind over the eastern Tibetan Plateau.In the extremely active phase of ISO，the low-frequency westerly wind over the eastern Tibetan Plateau is the strongest.

Tibetan Plateau;intraseasonal oscillation;zonal wind; 10—30 d

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210707010

（責任编辑：张福颖）