蒋文杰， 马振峰， 范广洲

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225;2.四川省气候中心，四川成都610072)

0 引言

MJO(Madden and Julian Oscillation)是全球大气运动中规律性最强的季节内振荡，具有纬向1波的全球尺度，冬春强于夏秋，是热带大气季节内振荡(ISO)的重要组成部分，并以热带赤道附近地区对流(降水)增强/减弱区的向东传播为主要特征［1］。伴随热带降水异常的东传，热带和副热带地区的低层和高层大气环流也出现显著的异常型，对不同区域的气温和降水等要素时空分布产生不同程度的影响。尽管MJO是热带大气环流的振荡现象，在印度及西太平洋季风区表现得尤为明显［2-3］，但许多研究证实，在热带以外地区MJO能够影响近乎全球不同敏感区域的降水情况［4-10］。近年来，热带赤道附近大气季节内振荡MJO的活动对中国不同季节和不同地区降水异常影响的研究逐渐增多。已有分析表明，不同季节MJO对流中心在东传过程中所处相位的不同，有利于降水的环流形势和条件各地不尽相同，将使中国不少地区的降水呈现明显的异常特征。研究指出:在冬季MJO活动的2、3位相对应华南降水偏多，6、7位相华南降水偏少［11］;春季MJO活动中心东传至中、东印度洋和中南半岛附近时，分别对长江中下游和华南地区的降水有正贡献，对流中心东传到其他地区均不利于中国东部的降水［12］;夏季MJO活动的前4个相位对应中国东南部夏季降水偏多，后4个位相对应东南部夏季降水偏少，其中第4和第7位相的异常偏多和偏少最为明显［13］;在云南，热带中东印度洋夏季MJO指数的持续正和负，分别容易出现全省性干旱和大部分地区降水偏多［14］。这些研究大多数是针对中国东部地区，对于云南除外的西部地区MJO与降水异常的关系研究甚少。

四川盆地位于青藏高原东部，受多尺度季风系统和复杂地形影响，年降水量主要集中分布在夏季(6～8月)和沿山地区，夏季降水时空分布的异常是该地区旱涝灾害形成的主要原因［15］。热带地区大气环流及其多尺度振荡通过加强和抑制偏南气流的水汽输送影响四川盆地降水的强度和异常分布，夏季多雨是伴随着中国雨带季节性北跳而出现的，降水量的异常及其分布容易造成长江上游的区域性旱涝灾害，给国家经济建设和人民生命财产安全带来巨大损失。因此，揭示夏季四川盆地降水与热带地区大气环流及其多尺度振荡的关系和成因具有十分重要的意义。

大气低频振荡对中国夏季降水具有显著影响。研究表明，中国夏季东部地区降水具有明显的低频特征，且降水的分布形势与热带低频振荡的传播密切相关［16-19］，在低频尺度域上，热带大气运动成为全球大气环流的能量、水汽和角动量源地，而四川盆地夏季降水的时空异常分布及其与MJO的联系研究尚有许多工作要做。采用MJO指数，利用滤波、经验正交分解和合成方法，对四川盆地夏季降水的时空分布特征及其与热带赤道地区季节内振荡MJO的关系进行分析，以期获得MJO与四川盆地夏季降水的可能联系，并为其预测提供依据。

1 资料和方法

1．1 MJO指数和降水资料的获取

选取澳大利亚气象局的实时多变量MJO指数(http://cawcr.gov.au/staff/mwheeler/maproom/RMM/)，该指数是Wheeler和Hendon［20］提出，主要使用近赤道(15°S-15°N)平均的向外长波辐射(OLR)、200 hPa和850 hPa的纬向风(u200、u850)进行EOF分析。将逐日观测资料投影在EOF前2个模态上以提取主要包含MJO信号的一对主成分，并将这对主成分称为实时多变量MJO序列RMM1和RMM2(Real-time Multivariate MJO series)。利用RMM1和RMM2序列可对MJO活动强度与位置进行描述，根据MJO对流主体在二维分布图(RMM1，RMM2)上东传的位置分为8个位相:MJO主体位置在西印度洋附近对应位相1，中东印度洋对应位相2～3，中南半岛附近对应位相4～5，西太平洋附近对应位相6～7，太平洋日界线附近对应位相8。RMM1和RMM2对应点在二维坐标中随着MJO的传播呈逆时针旋转。另外，用RMM=SQR(RMM12+RMM22)表示MJO强度，当RMM≥1时为强MJO，当RMM ＜1时为弱MJO。

四川盆地夏季逐日降水资料来自中国气象局国家气候中心的753个地面观测站历史库，截取1981年1月1日到2010年12月31日，样本长度为30年。去除缺测较多的站点，主要选取资料比较齐全、分布在川渝地区的15个站点(如图1)作为四川盆地夏季降水的代表站进行分析。

图1 四川盆地夏季15个代表站的空间分布

1．2 研究方法

采用谐波分析［21］，对四川盆地夏季逐日平均降水量序列进行低通过滤，得到30天以上的夏季平均逐日降水量低频振荡的基本特征，并对低频降水量方差的区域分布进行分析。以代表站夏季低频降水量的标准化变量为对象进行经验正交分解(EOF)［22］，分析方差贡献比较大的前几个模态的时空变化特征。然后按不同的MJO相位对日降水量距平百分率进行合成，得出MJO处于不同位相时，四川盆地夏季降水的异常分布，对显著的异常分布与EOF主要模态进行对比，分析其相关性和MJO优势位相。最后对RMM进行排序，选取MJO最强和最弱的各5年资料，对四川盆地夏季降水距平百分率进行合成，分析MJO最强和最弱年的盆地夏季降水的异常特征。对历年夏季平均降水量进行排序，选取降水量最多和最少的各5年资料，分别代表降水偏多年和降水偏少年，对MJO强度RMM进行合成，分析降水偏多年和偏少年MJO强度的时间变化特征。为获得有意义的统计结果，文中使用的标准化降水量或者降水量距平百分率，满足正态分布要求，因此对统计效果使用显著性t检验。

2 四川盆地夏季降水的气候特征

2．1 降水的区域分布及其差异性

四川盆地夏季降水分布受季风环流和复杂地形共同作用，局地差异性极为明显。图2是1981～2010年各代表站夏季日平均降水量和方差分布，图中显示，四川盆地夏季降水量随地形变化和东南季风暖湿气流的深入程度呈东南向西北增加和西多东少的分布特征，多年日平均降水量大于7 mm的区域沿盆地北部大巴山和西部龙门山、邛崃山等大地形迎风面分布，等值线多为南-北和东-西走向，降水量中心位于盆地西南部和北部，西南部中心在雅安附近为12.3 mm，是盆地东南部低值中心(叙永附近)的两倍以上，北部中心在巴中到广元一带、强度较弱。由于地形和盛夏多支季风(即西南季风、东南季风和高原季风)系统共同作用，降水量方差大(小)值区除盆地东北部局部地区外几乎与多(少)雨区相对应，说明四川盆地夏季多雨区的降水量变化幅度较少雨区大。因此，文中重点讨论MJO对盆地夏季西南部和北部多雨区以及东部少雨区降水异常的影响。

图2 1981～2010年四川盆地夏季日平均降水量和方差分布

2．2 降水的低频变化特征

为分析四川盆地夏季降水的时间变化特征，计算代表站点6月1日～8月31日共30年逐日平均降水量，生成长度为92天的盆地夏季逐日平均降水量时间序列，并利用谐波分析，进行低通过滤，滤掉30天以下的高频信号，提取夏季日降水量在月尺度以上的季节内低频分量(如图3)。结果显示:四川盆地夏季逐日低频降水量的波动形态与原时间序列基本相似，存在比较明显的40天左右的准周期性变化，这种准周期性振荡的低频方差占原序列方差的比重为41.03%。图中还显示，四川盆地夏季逐日低频降水量呈双峰型分布，第一段多雨期在6月中旬末到7月中旬初，强度强、持续时间长。第二段多雨期在8月中旬到下旬初，强度不及第一段、持续时间短。两段多雨期分别与西太平洋副热带高压及其伴随的中国雨带季节性北跳和南撤相对应，是长江上游地区容易发生流域性洪涝的主要时期。少雨期则集中分布在6月中旬前和7月下旬到8月上旬，分别对应四川盆地的夏旱和伏旱。

四川盆地代表站夏季逐日低频降水量方差占原序列方差的比重区域分布(图4)表明，低频方差比重大(小)值区基本与多(少)雨区相对应，西南-东北向的低频降水量方差比重等值线分布将四川盆地划分为西北部低频方差比重一致性大值区(0.3以上)和东南部非一致性小值区(0.4以下)，在比重非一致性小值区的重庆西南部有0.3～0.4的相对大值区，重庆东部和川南地区低频方差比重最小(0.25以下)。总体上，四川盆地夏季降水量低频扰动多雨区较少雨区明显，低频扰动对四川盆地西部和重庆西南部降水有明显影响，东南部大部分地区低频扰动不显著。

图4 四川盆地夏季低频降水量方差占总方差的比重分布

2．3 低频降水异常的空间结构

为进一步揭示四川盆地夏季低频降水异常的时空特征，对代表站夏季逐日低频降水量进行了标准化处理，利用经验正交函数分解法(EOF)分析低频降水异常的时空结构。结果表明，第1模态表现为盆地异常低频降水量西北多东南少的分布(图5)，西太平洋副热带高压持续控制川东时容易出现这种西部空间型，方差贡献为27.1%，时间系数系列说明6月底前和8月下旬逐日低频降水量主要为盆地西北偏少、东南偏多的分布特征，7月到8月中旬逐日低频降水量主要为盆地西北偏多、东南偏少的分布特征。第2模态反映盆地异常低频降水量为东多西少，称为东部空间型，与实况逐日平均降水量呈反位相的区域分布(图2a)，可能对应西太平洋副热带高压持续偏东的背景形势，方差贡献为23.5%。时间系数分布说明6月中旬到7月中旬和8月中旬中期四川盆地逐日低频降水为东多西少，其余时段逐日低频降水为东少西多。对比四川盆地夏季异常低频降水的1、2模态空间结构可以发现:如果盆地西部低频降水量异常偏多，那么盆地东部的重庆等地区低频降水量异常偏少，反之如果盆地西部少雨，那么盆地东部的重庆等大多数地区将出现多雨。1、2模态合计方差贡献达50.6%，较大程度上表征了四川盆地夏季“东涝西旱、西涝东旱”的主要气候特征。

图5 四川盆地夏季逐日低频降水量的EOF分解第1、第2模态空间分布和时间系数

3 MJO与四川盆地夏季降水的联系

3．1 MJO对四川盆地降水异常的影响

根据1981～2010年6～8月MJO主体位相，分别对四川盆地各代表站降水距平百分率进行合成分析(图6)。同时，为便于描述，根据显著性水平，将合成降水距平百分率≥20%和≤-20%分别作为降水量显著偏多和偏少的标准。结果显示:MJO主体位于位相1时，盆地北部到南部降水距平百分率为正，降水量偏多，西部和东部为负，降水量偏少;MJO主体位于位相2时，盆地北部显著偏多、南部偏少;MJO在位相3时，盆地大部为明显的负异常、降水偏少，北部和东部的部分地方为正异常、降水偏多，显著偏多和偏少区分别在盆地北部和南部;MJO在位相4时，盆地降水的异常分布大致与位相1时相反，呈东部和西部偏多、北部到南部偏少的分布，显著偏多和偏少区分别在盆地东部、叙永附近和盆地北部;MJO主体位于位相5时，盆地降水的异常分布大致与位相2时相反，呈南多北少的分布，降水显著偏多和偏少区分别位于盆地南部和北部;MJO主体位于位相6时，盆地降水西部显著偏多、东部显著偏少，大致与四川盆地夏季逐日低频降水量异常的EOF第1模态相对应;MJO主体位于位相7时，四川盆地大部分地方降水量偏多，仅巴中附近略偏少，降水量显著偏多的地区在盆地南部，距平百分率≥30%;当MJO位于第8位相时，盆地降水量东多西少，显著偏多区在盆地东部，大致与四川盆地夏季逐日低频降水量异常的EOF第2模态相对应。

图6 1981～2010年6～8月MJO各位相合成的四川盆地日降水量距平百分率(×102)

以上分析表明，MJO活动对四川盆地夏季降水异常具有显著影响，对流主体位相的不同，降水异常呈现明显差异。在2～3位相，MJO东传至中东印度洋，对应四川盆地夏季北部降水量异常偏多、南部异常偏少;在4～5位相，MJO进一步东传至中南半岛附近，四川盆地夏季异常降水分布大致与2～3位相时相反，呈北部异常偏少、南部异常偏多的分布形势;在6～7位相，MJO继续东传至西太平洋一带，四川盆地夏季西部降水量异常偏多，东部偏少，对应逐日低频降水量的EOF第1模态(西部空间型);MJO东传至太平洋日界线附近时，四川盆地夏季降水量东多西少，对应逐日低频降水量的EOF第2模态(东部空间型)。MJO主体在印度洋以西的初始位相时对应盆地夏季异常降水不十分显著，因此不予讨论。

总体上，伴随着MJO的东传，四川盆地夏季降水量显著偏多区先从北向南、再从西向东分布;北部和西南部多雨区降水的正异常分别在第3和6～7位相表现最清楚，东部少雨区降水的负异常主要在第6位相较明显、正异常在第4和8位相较明显;MJO在6～7位相时容易形成盆地低频降水的西部空间型，在第8位相时容易产生东部空间型。

3．2 MJO强度对四川盆地夏季降水异常的影响

根据 MJO指数提取1981～2010年夏季逐日RMM1和 RMM2，计算生成夏季平均 RMM序列，按RMM大小进行排序，合成RMM最大的5年(2002、1987、1996、1997、1985，称为强 MJO 年)和最小的 5 年(1990、1989、1985、1994、1998，称为弱 MJO 年)四川盆地代表站的夏季降水距平百分率(如图7)。结果发现:强MJO年和弱MJO年的降水异常分布形势基本相反，强MJO年盆地大部地区降水偏少、东北部显著偏少，南部部分地区显著偏多，在弱MJO年盆地大部地区降水则偏多，中部到东南部地区略偏少，偏多和偏少均不显著。因此，MJO的强度对四川盆地夏季少雨区降水量的正异常有加强作用，而对多雨区降水量负异常有正贡献。

图7 1981～2010年MJO最强年和最弱年四川盆地夏季降水距平百分率合成分布

根据四川盆地夏季历年平均降水量序列，长度为30年，按多和少进行排序，得到降水量最多5年和最少5年的夏季平均RMM指数逐日序列(图8)。分析发现:降水偏少年RMM偏高、MJO偏强，而降水偏多年RMM略小;在6月中旬到7月中旬降水偏少年与降水偏多年RMM指数变化规律表现出完全相反的趋势，其余时段基本一致。因此，整体上MJO强度对盆地夏季降水的异常表现为抑制作用。

图8 四川盆地夏季降水偏多年和偏少年MJO平均强度RMM的逐日变化

4 MJO影响四川盆地夏季降水的可能原因探讨

影响四川盆地夏季降水的主要环流系统除与周边青藏高原、云贵高原和秦-巴山系阶梯型大地形有关外，西太平洋副热带高压、西南夏季风和高原低值系统是四川盆地夏季降水最重要的控制性系统。西太平洋副热带高压的西进、东退和强弱，不仅影响盆地降水的落区位置，而且影响降水的强度;西南夏季风的持续活跃和中断是造成盆地多雨和干旱的主要原因;高原低值系统的频繁活动及其耦合作用往往是四川盆地及以东地区降水和异常的关键因素。这些控制性环流系统位于热带以外大气，但其活动规律及其异常往往通过相互作用、传输环节和遥相关等过程与热带系统的活动及其异常密切相关。李汀等［23］研究表明:MJO可以影响孟加拉湾西南夏季风季节内振荡及相关低频环流、对流和降水分布，西南夏季风季节内振荡具有明显的北传和东传特征，通过孟加拉湾和南海2个通道，在南亚夏季风和东亚夏季风2个季风尺度上，影响热带和副热带大气环流。前面研究表明，四川盆地夏季降水不仅与MJO活动的位相密切联系，而且整体上与MJO强度具有明显的反相关，这种抑制作用的原因是什么呢?主要针对MJO强度对四川盆地夏季降水控制系统和要素场的影响开展进一步探讨。

4．1 强MJO下夏季副热带高压的异常

仍取 RMM 最大的 5 年(2002、1987、1996、1997、1985，称为强MJO年)为研究对象，利用NCEP/NCAR 1981年至2010年30年资料进行合成分析。图9给出了北半球 100°E ～150°E，15°N ～35°N 500 hPa 30 年夏季平均位势高度场(实线)和MJO最强5年合成距平位势高度场分析结果。从图中可以看到最强MJO5年平均高度场较30年平均有明显的异常分布，在西北太平洋地区、长江流域及以南的广大地区到西太平洋为明显的负距平区，最强负距平中心在西北太平洋地区，华北到蒙古、日本海和阿拉伯海及其东部7°N以南地区为正距平区，中心在华北到蒙古一带。表明这5个RMM极端年份夏季副热带高压处于平均位势高度负距平区，强度明显偏弱、位置偏东偏南，不利于盆地降水的东南和偏南水汽通道的形成，有利的高原低值系统东移多以过程性降水为主，总体上不利于四川盆地形成较多的夏季降水量，这可能是热带强MJO通过影响西太平洋高压的强度和位置从而抑制盆地降水的原因之一。

图9 1981～2010年夏季500 hPa位势高度场(实线)和强MJO年平均距平合成分析(单位:位势米)

4．2 强MJO下低层相对湿度的异常

对RMM最大5年夏季850 hPa平均相对湿度(实线)及其与30年夏季平均相对湿度的差异(填色)进行合成(图10)。结果表明，中国华南和长江中下游地区为正异常，四川盆地以负异常为主，盆地北部负异常更明显，表明MJO活跃年份，四川夏季850 hPa相对湿度较历年平均偏小，不利于降水的发生发展，这种状况在四川盆地北部更明显。

图10 1981-2010年夏季强MJO年850 hPa平均相对湿度(实线)和距平合成分析(单位:%)

4．3 强MJO下低层风场的异常

对RMM最大5年夏季700 hPa水平风场与30年夏季平均水平风场的差异进行合成(图11)，结果显示低层风场的距平反气旋和气旋区大致与500 hPa位势高度正、负距平区相对应(图9)。华南和西太平洋地区的平均距平风场呈明显的气旋式变化，与500 hPa长江流域及以南的广大地区到西太平洋位势高度场负距平区相对应，在华南气旋式异常风场后部的东北距平气流深入到四川盆地和云贵高原，不利于四川盆地偏南水汽通道的形成和垂直运动的发生发展，但低层东北气流与大地形的相互作用，形成高原背风坡低值系统，对产生盆地西部沿山一带的降水有利(如夜雨)。孟加拉湾偏北和南海地区强盛的偏西距平气流分别严重削弱了西南夏季风和南海夏季风及其北传通道，因此强MJO可能通过影响四川盆地夏季降水的水汽通道从而抑制降水量，使盆地降水与MJO呈现负相关。

图11 1981～2010年夏季强MJO年700 hPa水平风距平场合成

5 结束语

文中选取澳大利亚气象局MJO指数和中国地面观测站降水量资料，利用带通滤波、经验正交分解和合成技术，对四川盆地夏季降水的时空分布、低频特征及其与热带季节内振荡MJO的联系进行分析，主要结果是:四川盆地夏季降水西多东少，低频振荡特征明显，月际时间尺度上低频降水量呈双峰型分布，低频扰动在多雨区比少雨区显著;低频降水异常主要为西部型(西北多东南少)和东部(东多西少)空间型，2类显著空间分布型的合计方差贡献达到50.6%;MJO对盆地夏季降水异常变化具有显著影响，伴随着MJO的东传，盆地夏季降水显著偏多区先从北向南、再从西向东分布;北部和西南部多雨区降水的正异常分别在第3和6～7位相表现较清楚，东部少雨区降水的负异常主要在第6位相较明显、正异常在第4和第8位相较清楚;MJO的活动与盆地夏季低频降水异常具有密切联系，在6～7位相时容易形成盆地降水的西部空间型、在第8位相时容易产生东部空间型;MJO强度对盆地降水异常可能存在抑制作用。强MJO年份副热带高压影响减弱，造成四川降水总体偏少，南多北少的特征;强MJO年份四川盆地夏季大气低层相对湿度偏少，这种情况在盆地北部更为明显，不利于降水的发生发展;强MJO年份四川盆地夏季大气低层偏北风更为明显，不利于西南暖湿气流的向北深入。这些能很好的解释MJO活跃年份四川盆地降水偏少，南多北少的原因。

热带大气季节内振荡和MJO对全球大气运动的影响是十分复杂的，其向东和向北的传播以及遥相关都将受到海陆分布、青藏高原及周边地形和大气环流的共同影响，四川盆地位于青藏高原东部副热带地区，气象要素和天气过程的演变不仅受到中高纬大气波动的调制，同时也受到热带系统的影响。仅从代表站资料和统计同时关系探讨MJO与四川盆地夏季降水的联系是不够的，MJO的延后影响、如何影响和低频层次上的高频影响以及影响的大小、机理、预测等问题还有待研究。

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