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青藏高原准双周振荡及其与亚洲夏季风的关系

王美蓉

大气科学及地球流体力学数值模拟国家重点实验室，大气物理研究所，中国科学院，

中国 北京

段安民

大气科学及地球流体力学数值模拟国家重点实验室，中国科学院，

中国 北京

(确立初稿的时间是2014年9月24日，于2015年3月5日最终定稿)

摘要：在亚洲夏季风盛行地区，季节内变化尤为突出。在此次研究工作中，使用1979-2011年间的全球气候学项目的国家观测站降水资料，对夏季风盛行季节(6月-8月)，青藏高原上的主要季节内振荡模式及其它的结构和演变予以分析。结果表明：准双周振荡是青藏高原季节内变化的主要模式，对高原地区季节内循环变化、降水及非绝热加热地区的影响巨大。特别地，准双周振荡与高原夏季风的开始、活跃、中断密切联系。在大多数情况下，准双周振荡起源于近赤道的西太平洋地区，首先向西北方向传播到达孟加拉湾、印度北部，然后继续北传到青藏高原东南部，最后东传至东亚地区，表现为一顺时针传播的路径。有两种主要的机制负责准双周振荡信号北传。第一种是当准双周振荡信号位于北纬20°以南，东风的垂直切变会产生正压涡度，导致对流运动向北移动。第二种机制，控制移向并发生于青藏高原更偏北地区的信号传播，水分平流的影响在对流运动之前破坏了低层大气。更多的研究表明：准双周振荡在联系亚洲夏季风子系统为大尺度季风系统过程中有至关重要的作用。

1. 引言

季节内变化模式(ISV)一般包括30-60天振荡[也被称为发生在北方冬季的Madden-Julian 振荡(MJO；Madden and Julian 1971)和北方夏季季节内振荡(BSISO；Wang and Xie 1997)和 10-20天振荡(又称为准双周振荡)]。Madden和Julian(1997)首先发现热带太平洋存在30-60天振荡，后又证实这一振荡现象在全球热带地区均存在(Madden and Julian 1972)。在印度洋和太平洋西部最早发现准双周振荡(Murakami and Frydrych 1974；Murakami 1975；Numaguti 1995)。随后的研究表明，这两种主要的季节内变化模式在亚热带地区(Blackmon 1976; Blackmon et al. 1977；Krishnamurti and Subrahmanyam 1982；Anderson and Rosen 1983； Krishnamurti and Gadgil 1985；Jeong et al. 2008；Maoetal.2010；Wenetal.2011)甚至于全球(Kikuchi and Wang 2009；Yang 2009)都很显著。

众所周知，亚洲夏季风的活跃和中断受季节内变化作用。Yasunari(1979，1980)发现40天的波动与整个亚洲季风地区季风循环的活跃和中断密切联系。准双周振荡调节印度夏季风(Krishnamurti and Ardanuy 1980；Chen and Chen 1993)，中国南海夏季风(Chen and Chen 1995；Chen et al. 2000；Chan et al. 2002)和东亚夏季风(EASM)( Mao and Wu 2006; Jiang and Lau 2008；Fujinami and Yasunari 2009；Jia and Yang 2013)的活跃和中断。青藏高原(TP)不断增强的加热作用在亚洲地区(Flohn 1957；1960；Hahn and Manabe 1975；Luo and Yanai 1983，1984；Wu and Zhang 1998；Duan and Wu 2005；Wu et al. 2012)夏季循环的形成和变化中起主要作用。已有的研究证明，青藏高原针对亚洲夏季风区(Tang and Reiter 1984；Duan et al. 2013)是相对独立的子系统，中尺度季节内振荡模式与风、对流、降水、相对涡度及大气非绝热加热的联系已经被明确(Krishnamurti and Subrahmanyam 1982；Nitta 1983；Zhang et al. 2009； Wang et al. 2011；Zhang et al. 2014). Nitta (1983)证明：青藏高原东部的垂直综合热源表现出10-15天和30天的中时间尺度变化，此与南亚高压(青藏高压)密切相关，并且被认为是整个亚洲夏季风系统的一次季节内活动。He et al.(2006) 发现夏季，青藏高原东南部是黑体温度季节内变化最活跃的地区。特别地，高原上的季节内变化模式在某些程度上，可以影响本地甚至大尺度天气系统，包括高原低涡(Zhang et al. 2014)、亚热带高压(Li et al. 1991)、南亚高压(Liu and Lin 1991)和中国东部异常降水(Zhou et al. 2000)。青藏高原上的季节内变化信号从较低纬度例如孟加拉湾、青藏高原的南部边缘(Krishnamurti and Subrahmanyam 1982；Zhang et al. 2009)或者中高纬度地区(Blackmon et al. 1984a，b；Xie et al. 1989)产生。其它一些研究(Peng and Wu 1995；Zhou et al. 2000)认为，高原本身可以作为季节内变化模式的源和汇。与东亚和南亚季风区(Chen et al. 2000；Ko and Hsu 2006；Mao and Wu 2006；Fujinami and Yasunari 2009；Yang et al. 2010，2014)的季节内振荡有关的大量文献相比较，青藏高原季风区的季节内振荡主要由于没有有意义的观测资料，使其获得的关注较少。因此，有必要通过分析长期的观测数据对青藏高原的季节内变化进行系统的调查研究，包括其特征和传播路径。此外，从亚洲季风系统的观点来看，季节内变化模式在高原夏季风的开始、活动和中断过程中扮演的角色和它与其它两个亚洲夏季风子系统季节内变化的联系需要系统的进行仔细的探索。

在这篇论文中，我们对1979-2011年这一时期的观测资料进行研究，以深入理解高原上主要季节内变化模式的结构和传播特征，及其与相邻地区季风活动的联系。在第二部分，将详细的描述数据资料及其使用的统计学方法。第三部分，研究高原上的季节内变化特征包括主要的周期性和传播特征。第四部分，对准双周振荡和青藏高原夏季风的开始、活动和结束之间的关系进行研究。第五部分，描述准双周振荡在整个亚洲季风区的特殊传播路径和发展。最后即第六部分，总结和讨论本研究的主要发现。

2 数据和方法

以下为此项研究中使用到的数据资料：

1)71个常规地面气象观测站及中国气象局提供的初始质量控制资料：1979-2011年的逐日四项数据资料，包括地面空气温度、地表温度、10m风速和单站气压。

2)水平方向纬度和经度均为1.5°的格点分布，垂直方向有37个层次的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析数据(ERA-Interim；Dee et al. 2011)：再分析资料覆盖1979-2011年这一时期，每日平均场通过初始6小时的数据简单平均计算而来。我们选择ERA-Interim资料是因为它相对于老一代再分析资料例如NCEP-NCAR和ERA-40再分析资料，特别是青藏高原上的温度和水平风场有重大的改进(Bao and Zhang 2013；Wang and Zeng 2012)。除此之外，ERA-Interim资料在描述代表气候学、长期趋势和全球季风降水的年际变化等再分析资料中占有显著优势(Lin et al. 2014)。

3)候全球降水气候学计划(GPCP)是一个合并分析，结合了1997-2011年、将全球划分为2.5°times;2.5°网格从卫星和仪器观测(Huffman et al. 1997)所得的数据。每日全球降水气候学计划降水资料为1979-2011年，水平分辨率为纬度和经度均为1°。Ma et al.(2009)证明，与气候中心(CPC)的合并降水分析相比较，GPCP表现出中国大部分地区降水偏少(CMAP；Xie and Arkin 1997)。

Duan和Wu(2008)用膨胀空气动力公式计算青藏高原中东部71个测站的地表感热通量(CETP资料)( Wang et al. 2012)。通过使用ERA-Interim资料，基于热力学和水分方程(Yanai

1961；Yanai et al. 1973)的剩余预算分析，推导出垂直分布的大气表面热源(Q₁)和水汽汇(Q₂)。

首先从原始日数据和候时间序列数据中删除气候学变化，然后做每5天的数据连续平均删除天气波动的影响，通过这样的方式，获取季节内变化的各个成员要素。与Yang et al.(2010)采用的方法一样，气候学采用5天连续的时间序列计算气候学变量。因此，在此次研究中的季节内变化成员只是每年变化中的一部分，定义为瞬时季节内振荡。

1. 青藏高原上的季节内变化特征
2. 青藏高原上季节内变化的主要周期

为了获取青藏高原上大气变化的主要周期特征，我们分析从1979到2011年33个夏季(6-8月)，有关季节内变化成员的8个气象要素的平均功率谱(图1)。显然，这8个气象要素都有一个明显的10-20天的周期(准双周振荡)，这些要素包括：气温(图1a)、降水量(图1b)、位势高度(图1c)和经71个气象站平均CETP所得的地表感热通量(图1d) 。基于整个青藏高原地区(25°-40°N，75°-105°E)ERA-Interim资料的Q₁(图1e)、Q₂(图1f)、500hPa经向风(图1g)和200hPa经向风(图1h)都有相似的结果。而且，除了地表通量外别的变量均存在一个7-9天的周期。然而，由图中可以看出，超过30天的长周期只对位势高度和200hPa、500hPa的经向风有意义。

图1.有关(a)气温，(b)降水量，(c)位势高度，(d)地表感热通量，(e) Q₁， (f) Q₂， (g) 500hPa经向风和(h)200hPa经向风通过计算青藏高原地区1979-2011年间33个夏季平均个别功率谱代表200hPa季节内变化要素。红线显示的是马尔科夫红噪声谱；蓝线显示的是先验置信区间为99%；绿线显示的是后验置性水平为99%。X轴表示周期性，Y轴表示方差。

为了研究青藏高原上季节内变化的年际变化特征，我们选择降水量作为代表变量，并对降水区域从1979到2011年间进行谱分析(图2a)。由图所示，准双周振荡在年际分布中所占比重最大，最为重要。同样，在某些年份周期超过20天(例如：20-30天，30-60天)的振荡也很重要。

图2b绘制了基于71个测站CETP资料夏季日平均降水量的个别功率谱分析所得不同季节内变化模式对季节内振荡的逐年方差贡献率。很显然，在大多数年份，来自准双周振荡的贡献在20%以上，甚至在一些情况下超过50%。例如，在1989年准双周振荡的方差贡献接近70%。1979-2011这33年作平均，每年在青藏高原上发生的准双周振荡占日降水量季节内变化的35%，显然说明了准双周振荡在青藏高原日降水量的季节内变化中占主导地位。相比之下，30-60天振荡有更明显的年际变化，在这33年中它的平均方差贡献率达到24%。然而，除了1981、1982和2005这三年，20-30天振荡的方差贡献率均少于20%，且在这33年中的平均方差贡献率为9%。因此，20-60天振荡的平均方差贡献率为33%，这表明在某些确定的年份，20-60天振荡有很重要的作用。

图2.(a)周期的年际分布对应标注的季节内活动谱峰已通过置信水平为99%的检验

(b)基于1979-2011年71个测站CETP资料夏季日平均降水量的个别功率谱分析得出10-20天，

20-30天，30-60天振荡的年际变化对季节内振荡的方差贡献率。

1. 青藏高原上准双周振荡的传播特征

青藏高原上准双周振荡的经向传播特征可用1979年-2011年间在上一年的基础上沿70°-100°E的每日热源（Q1）资料经过20-30天滤波作Hovmouml;ller图来说明。根据Q1的准双周振荡传播方向将它们分为三类：第一类从低纬度向青藏高原传播；第二类从高纬度向青藏高原传播；第三类从青藏高原向高纬度或低纬度传播。统计资料显示，在1979-2011年之间，第一类传播在其中26年中占主导地位，说明在大多数年份明显出现从低纬度向北传播至青藏高原的波动。然而，在表1中可见，第二类和第三类传播分别出现了13年和19年。

表1.滤波后的Q₁和GPCP降水信号传播方向不同类型的出现年份及总年份统计。

有关Q₁三种类型都出现的年份在表中用加黑体表示。