大气科学 37卷 Chinese Journal of Atmospheric Sciences Vol. 37 相对较弱且偏西,不利于台风在120E~145°E区环流仍然存在,中心位置略向东,海洋上的反气旋 域的生成发展 性环流中心也向东移动;对应MJO第3位相,大 为了进一步证实多台风年和少台风年MO强陆上的气旋性环流中心已向东移动到大陆沿岸,海 度分布的差异,分别用多台风和少台风年6~10月洋上的反气旋环流整体上也向东移动;对应MJO 低频纬向风的方差贡献距平分布图来比较可以发第4位相,大陆上的气旋性环流已经向东传播到海 现(图略),在多台风年,菲律宾以东的西北太平上,反气旋环流主体也向东收缩,对应MO第5 洋地区为低频风场方差贡献的正异常区,最大正异8位相,两者继续向东传播,并逐渐减弱 常中心位于10N附近120°E~140°E之间,表明在 伴随上述气旋和反气旋环流的向东传播,造成 西北太平洋上风场的低频分量的强度相对于一般了对应MJO第1~3位相我国大陆东部为异常的偏 年份要强;而在少台风年,120°E以东的西北太平南风,表明冬季风较弱,而此时西太暖池的对流也 洋上基本为低频风场方差贡献的负异常区,其中最受到抑制,弱的冬季风利于我国东部地区降水偏 显著的区域为135°E~160°E的近赤道地区。OLR多;而随着气旋环流向东传播进入海上,东亚大陆 的方差贡献距平的分布情况与低频风场的方差贡东部位于异常环流后部,受异常的北风气流控制, 献以及低频动能的分布相近(图略)。因此,从低冬季风较强,此时西太暖池的对流活动也较强,强 频动能,纬向风场以及OLR方差贡献的距平都可的冬季风不利于水汽从海洋向大陆的输送,也就不 以看出,多台风年和少台风年的MJO活动具有不利于我国东部地区冬季降水偏多(图5a)。从上面 同的形势。西北太平洋区域MJO的强度对台风的的分析可以看出,热带MJO的活动可以在中纬度 生成有重要的影响。 地区强迫出异常的波列,随着MJO的向东传播, 3MJO活动对中国东部降水的影响中纬度波列也表现出向东的传播,并由此对东亚冬 季风产生影响,进而影响我国冬季的气候异常 已有研究表明,MJO可以影响亚洲夏季风的爆 另外,从低纬度地区来看,孟加拉湾南支槽也 发和中断(穆明权和李崇银,2000:林爱兰等,2005:是影响冬季南海一孟加拉湾水汽向我国大陆地区 贾小龙和梁云,2011),还可以影响到澳大利亚和输送的重要系统,而对应MO的不同位相,孟加 北美的夏季风( Hendon and liebmann1990, Higgins拉湾南支槽有何异常情况呢?为此进一步分析了 and shi,2001)。那么热带大气MJO的活动,必然孟加拉湾南支槽强度的变化情况,图5b是对应MJO 通过对流异常的强迫和遥相关,在不同的传播位相活动8个位相的500hPa孟加拉湾南支槽强度的变 对很多地区的不同季节降水产生影响。赤道大气季化,可以看出当MO向东传播时,孟加拉湾南支 节内振荡(MJO)对天气气候的影响是近来国外研槽也存在一个明显的连续变化特征。对应MJO第 究重点之一,国内也有一些有关MJO对中国降水1~3位相,孟加拉湾南支槽以偏强为主要特征,尤 影响的研究,作为例子下面将从几个方面进行介其是对应第2位相;而对应MO第5~8位相,孟 绍 加拉湾南支槽则偏弱。也即是说当MO强对流位 31MJO活动对中国冬季降水的影响 于印度洋时,孟加拉湾南支槽易于偏强,由印度洋 由于中国冬季降水主要在华南地区,因此重点向我国大陆的水汽输送也较强,而这时由于中纬度 研究冬季华南降水与MJO活动的关系。图4是中 Rossby波的传播,东亚冬季风却较弱,泠空气势力 国华南冬季降水与MJO位相变化的关系,很显然不是太强,以至于低纬度暖湿气流易于北上,冷暖 在MO的第2、3位相华南降水多,而在第6、7气流容易在我国大陆上形成交汇,进而容易导致中 位相降水少,这在一定程度上表明可以用MJO的国东部冬季的降水偏多 活动作为一种工具来预报未来华南冬季降水 32MJO活动对中国春季降水的影响 进一步分析表明,当MJO在热带地区向东传 MJO对我国春季降水有没有影响以及如何影 播的过程中,中高纬度的大气环流也表现出一定的响的呢?也是很值得研究的问题。因此,我们用澳 异常(图略)。对应MJO第1位相,在我国大陆上大利亚气象局的MJO指数( Wheeler and Hendon, 有一气旋性环流,东面的海洋上则是一个反气旋性2004)从MO传播过程对春季(3~5月我国东部 环流;对应MJO第2位相,我国大陆上的气旋性地区降水的影响进行了研究,其结果清楚表明MJO
大 气 科 学 Chinese Journal of Atmospheric Sciences 37 卷 234 Vol. 37 相对较弱且偏西，不利于台风在 120°E～145°E 区 域的生成发展。 为了进一步证实多台风年和少台风年 MJO 强 度分布的差异，分别用多台风和少台风年 6～10 月 低频纬向风的方差贡献距平分布图来比较可以发 现（图略），在多台风年，菲律宾以东的西北太平 洋地区为低频风场方差贡献的正异常区，最大正异 常中心位于 10°N 附近 120°E～140°E 之间，表明在 西北太平洋上风场的低频分量的强度相对于一般 年份要强；而在少台风年，120°E 以东的西北太平 洋上基本为低频风场方差贡献的负异常区，其中最 显著的区域为 135°E～160°E 的近赤道地区。OLR 的方差贡献距平的分布情况与低频风场的方差贡 献以及低频动能的分布相近（图略）。因此，从低 频动能, 纬向风场以及 OLR 方差贡献的距平都可 以看出，多台风年和少台风年的 MJO 活动具有不 同的形势。西北太平洋区域 MJO 的强度对台风的 生成有重要的影响。 3 MJO 活动对中国东部降水的影响 已有研究表明，MJO 可以影响亚洲夏季风的爆 发和中断（穆明权和李崇银，2000；林爱兰等，2005； 贾小龙和梁云，2011），还可以影响到澳大利亚和 北美的夏季风（Hendon and Liebmann, 1990; Higgins and Shi, 2001）。那么热带大气 MJO 的活动，必然 通过对流异常的强迫和遥相关，在不同的传播位相 对很多地区的不同季节降水产生影响。赤道大气季 节内振荡（MJO）对天气气候的影响是近来国外研 究重点之一，国内也有一些有关 MJO 对中国降水 影响的研究，作为例子下面将从几个方面进行介 绍。 3.1 MJO 活动对中国冬季降水的影响 由于中国冬季降水主要在华南地区，因此重点 研究冬季华南降水与 MJO 活动的关系。图 4 是中 国华南冬季降水与 MJO 位相变化的关系，很显然 在 MJO 的第 2、3 位相华南降水多，而在第 6、7 位相降水少，这在一定程度上表明可以用 MJO 的 活动作为一种工具来预报未来华南冬季降水。 进一步分析表明，当 MJO 在热带地区向东传 播的过程中，中高纬度的大气环流也表现出一定的 异常（图略）。对应 MJO 第 1 位相，在我国大陆上 有一气旋性环流，东面的海洋上则是一个反气旋性 环流；对应 MJO 第 2 位相，我国大陆上的气旋性 环流仍然存在，中心位置略向东，海洋上的反气旋 性环流中心也向东移动；对应 MJO 第 3 位相，大 陆上的气旋性环流中心已向东移动到大陆沿岸，海 洋上的反气旋环流整体上也向东移动；对应 MJO 第 4 位相，大陆上的气旋性环流已经向东传播到海 上，反气旋环流主体也向东收缩，对应 MJO 第 5～ 8 位相，两者继续向东传播，并逐渐减弱。 伴随上述气旋和反气旋环流的向东传播，造成 了对应 MJO 第 1～3 位相我国大陆东部为异常的偏 南风，表明冬季风较弱，而此时西太暖池的对流也 受到抑制，弱的冬季风利于我国东部地区降水偏 多；而随着气旋环流向东传播进入海上，东亚大陆 东部位于异常环流后部，受异常的北风气流控制， 冬季风较强，此时西太暖池的对流活动也较强，强 的冬季风不利于水汽从海洋向大陆的输送，也就不 利于我国东部地区冬季降水偏多（图 5a）。从上面 的分析可以看出，热带 MJO 的活动可以在中纬度 地区强迫出异常的波列，随着 MJO 的向东传播， 中纬度波列也表现出向东的传播，并由此对东亚冬 季风产生影响，进而影响我国冬季的气候异常。 另外，从低纬度地区来看，孟加拉湾南支槽也 是影响冬季南海—孟加拉湾水汽向我国大陆地区 输送的重要系统，而对应 MJO 的不同位相，孟加 拉湾南支槽有何异常情况呢？为此进一步分析了 孟加拉湾南支槽强度的变化情况，图 5b 是对应 MJO 活动 8 个位相的 500 hPa 孟加拉湾南支槽强度的变 化，可以看出当 MJO 向东传播时，孟加拉湾南支 槽也存在一个明显的连续变化特征。对应 MJO 第 1～3 位相，孟加拉湾南支槽以偏强为主要特征，尤 其是对应第 2 位相；而对应 MJO 第 5～8 位相，孟 加拉湾南支槽则偏弱。也即是说当 MJO 强对流位 于印度洋时，孟加拉湾南支槽易于偏强，由印度洋 向我国大陆的水汽输送也较强，而这时由于中纬度 Rossby 波的传播，东亚冬季风却较弱，冷空气势力 不是太强，以至于低纬度暖湿气流易于北上，冷暖 气流容易在我国大陆上形成交汇，进而容易导致中 国东部冬季的降水偏多。 3.2 MJO 活动对中国春季降水的影响 MJO 对我国春季降水有没有影响以及如何影 响的呢？也是很值得研究的问题。因此，我们用澳 大利亚气象局的 MJO 指数（Wheeler and Hendon, 2004）从 MJO 传播过程对春季（3～5 月)我国东部 地区降水的影响进行了研究，其结果清楚表明 MJO
2期 李崇银等:MJO研究新进展 LI Chongyin et al. Progress on the MJO Research in Recent Years Phases+6 50N 20°N 10N 60°E100°E140°E 180° 140°W 60°E 100°E 140°W 图1海平面气压距平场(单位:hPa)合成图和台风生成地点分布图:(a)第2、3位相:(b)第5、6位相。(潘静等,2010) Fig. 1 The composite of sea-level pressure anomaly(hPa)and the typhoon genesis locations: (a) Phases 2 and 3; (b) phases 5 and 6.(Pan et al., 2010) Phase 2+3 Q1 1000-200 hPa 40°N Phase 5+6 Q1 1000-200 hPa 30°N 20叫N 20叫N E 20s) 20°S 60°E80°E100°E120°E140°E160°E180°160°W 60°E80°E100°E120°E140°E160°E180°160W 图2热源Q1异常值在1000~200hPa的垂直积分合成图(Kd):(a)第2、3位相:(b)第5、6位相。(潘静等,2010) Fig. 2 The composite of the vertical integral of @1 anomaly during 1000-200 hPa: (a) Phases 2 and 3; (b) phases 5 and 6.( Pan et al., 2010 Phase5+6U wQ 200 29.3 0.9 0.3 60°E90°E120E150°E180° 60°E90°E120°E150°E180° 图3西太平洋地区沿纬圈(5卟N~15°N)平均的异常加热场(Q,阴影)和垂直环流场合成图:(a)第2、3位相;(b)第5、6位相。(潘静等,2010) Fig. 3 The composite cross sections of Q anomalies(shaded)and vertical circulation anomalies averaged over 5N-15N: (a) Phases 2 and 3; (b) phases 5 nd 6. (Pan et al., 2010) 0.8 C Daily rainfall anomalies 150 MJO phase 0.6 图4中国华南冬季降水与MO位相变化的关系。( Jia et al,201) Fig. 4 Relationship between winter precipitation in South China and MO phase (Jia et al., 2011)
2 期 No. 2 李崇银等：MJO 研究新进展 LI Chongyin et al. Progress on the MJO Research in Recent Years 235 图 1 海平面气压距平场（单位：hPa）合成图和台风生成地点分布图：（a）第 2、3 位相；（b）第 5、6 位相。（潘静等，2010） Fig. 1 The composite of sea-level pressure anomaly (hPa) and the typhoon genesis locations: (a) Phases 2 and 3; (b) phases 5 and 6. (Pan et al., 2010) 图 2 热源 Q1 异常值在 1000～200 hPa 的垂直积分合成图（K d−1 ）：（a）第 2、3 位相；（b）第 5、6 位相。（潘静等，2010） Fig. 2 The composite of the vertical integral of Q1 anomaly during 1000–200 hPa: (a) Phases 2 and 3; (b) phases 5 and 6. (Pan et al., 2010) 图 3 西太平洋地区沿纬圈（5°N～15°N）平均的异常加热场（Q1，阴影）和垂直环流场合成图：（a）第 2、3 位相；（b）第 5、6 位相。(潘静等，2010) Fig. 3 The composite cross sections of Q1 anomalies (shaded) and vertical circulation anomalies averaged over 5 oN–15o N: (a) Phases 2 and 3; (b) phases 5 and 6. (Pan et al., 2010) 图 4 中国华南冬季降水与 MJO 位相变化的关系。(Jia et al., 2011) Fig. 4 Relationship between winter precipitation in South China and MJO phase. (Jia et al., 2011)
大气科学 37卷 Chinese Journal of Atmospheric Sciences Vol. 37 活动对我国东部地区的春季降水影响十分明显,不清楚MJO对中国春季降水的影响,及其机制。分 同MJO位相所对应的我国东部地区春季降水的分别在(1063°s~1063°N,74.53°E~9563°E)和 布有极其显著的差异;同时,从大气环流和水汽输(1063°~1063N,160.32°E~180°E)的两个方 送角度对其影响途径所进行的分析,以及数值模拟形区域内增加非绝热加热,以表示在那里有异常强 试验结果都更进一步揭示了影响的途径(白旭旭的对流强迫,看它们将会产生什么样的不同影响和 等,2011)。 过程。多初值的集合数值模拟试验表明,当在赤道 图6给出了对应MJO传播的4个阶段我国的东印度洋及赤道西太平洋低层大气中引进异常非 降水异常形势。可以看到,当MJO处于第1、4阶绝热加热(强MJO活动)的强迫时,模式很好地 段时(即第8~1位相,第6~7位相),我国东部地模拟出了我国东部地区春季降水的异常形势,即在 区都为降水负异常;在MJO第2阶段(第2、3位MO的第2、3位相我国长江中下游地区多雨;而 相),我国东部地区降水正异常中心位于长江中下在MJO的第6、7位相我国东部大部分地区降水偏 游地区,华南地区为弱的降水负异常;当MJO处少(图略)。中国东部春季降水的模拟试验结果和 于第3阶段(第4、5位相),我国降水正异常中心诊断分析结果有很好的一致性,它们都是在中国长 位于华南地区,长江中下游地区主要为弱的负异江中下游地区出现了明显的降水正距平,充分显示 常。也就是说,当MJO传播至中、东印度洋时对我了MJO活动处于第2、3位相时对中国春季降水的 国长江中下游地区的降水有正贡献,当MJO传播影响 至中南半岛附近时,对我国华南地区的降水具有正 对模拟得到的大气环流响应场所进行的分析 贡献,而在其他阶段时则不利于我国东部的降水。发现,无论是500hPa高度响应场,还是850hPa 对MJO各阶段850hPa涡度异常分布(图略)涡度和散度响应场,以及水汽通量及其散度场,都 和850hPa水汽通量散度分布合成图(图略)的分极为清楚地表明,当异常非绝热加热强迫在赤道东 析,可以清楚看到,第1阶段和第4阶段,与中低印度洋时(即对应MO的第2、3位相),东亚大 空的正高度异常相对应,我国东部地区受到负涡度气环流的响应与异常非绝热加热位于赤道西太平 异常:第2阶段,长江中下游地区受正涡度异常控洋时(即对应MO的第6、7位相)非常不一样, 制,华南地区受负涡度控制。因此在第1、4阶段当异常非绝热加热强迫在赤道东印度洋时,在长江 我国东部降水偏少,第2阶段我国长江中下游多雨,中下游中低空的涡度为正异常,散度为负异常,是 华南少雨,第3阶段和第2阶段形势基本相反,故水汽通量的辐合区,有利降水;而当异常非绝热加 长江中下游少雨,华南多雨。关于水汽通量的计算热强迫在赤道西太平洋时,中国东部大部分地区中 分析也表明,在第1、4阶段我国东部为水汽辐散,低空为负涡度异常和正散度异常,出现由北向南的 不利于成云致雨;第2阶段长江中下游有明显水汽水汽通量辐散,不利于我国东部地区春季降水。 辐合,利于降水,而华南水汽辐散,不利降水;第 模拟得到的850hPa水汽通量散度响应场,可 3阶段与第2阶段的形势基本相反,华南降水多。近似代表中低层水汽的辐合辐散状况。对于异常试 显然,通过以上关于850hPa涡度异常和水汽通量验一,模拟得到的整层水汽通量散度的负值区主要 异常的分析可很好解释不同MJO的活动位相为何位于我国长江中下游地区,而在我国华南地区则为 能造成春季中国东部不同地区的降水形势。 水汽通量散度正异常区(图略);这样的结果正好 上面的分析研究清楚表明,当MO传播至东对应我国长江中下游多雨,华南少雨的情况。对于 印度洋和中南半岛附近时(第2、3位相),对应春异常试验二,模拟得到的结果是我国东部地区明显 季在我国长江中下游降水偏多,华南降水偏少;而表现为较强的水汽通量散度正异常,正好对应春季 对应MO的第6、7位相(在赤道西太平洋有强对在MO的第6、7位相我国东部地区降水偏少。上 流),我国东部春季的降水却异常偏少。虽然大气述关于大气环流和水汽通量散度的模拟结果都同 环流形势的分析可以对这些结果给出一定的物理资料诊断分析的结果相当一致,既证明资料分析和 解释,但相应的数值模拟也是十分必要的。针对在数值模拟结果是比较可靠的,也较好说明了MJO 上述两个区域存在强对流异常的情况分别进行数活动对我国春季降水确实存在明显的影响。 值模拟试验,模式结果的分析比较硏究将可以搞 通过对逐日模拟响应场的分析,还对MJO活
大 气 科 学 Chinese Journal of Atmospheric Sciences 37 卷 236 Vol. 37 活动对我国东部地区的春季降水影响十分明显，不 同 MJO 位相所对应的我国东部地区春季降水的分 布有极其显著的差异；同时，从大气环流和水汽输 送角度对其影响途径所进行的分析，以及数值模拟 试验结果都更进一步揭示了影响的途径（白旭旭 等，2011）。 图 6 给出了对应 MJO 传播的 4 个阶段我国的 降水异常形势。可以看到，当 MJO 处于第 1、4 阶 段时（即第 8～1 位相, 第 6～7 位相），我国东部地 区都为降水负异常；在 MJO 第 2 阶段（第 2、3 位 相），我国东部地区降水正异常中心位于长江中下 游地区，华南地区为弱的降水负异常；当 MJO 处 于第 3 阶段（第 4、5 位相），我国降水正异常中心 位于华南地区，长江中下游地区主要为弱的负异 常。也就是说，当 MJO 传播至中、东印度洋时对我 国长江中下游地区的降水有正贡献，当 MJO 传播 至中南半岛附近时，对我国华南地区的降水具有正 贡献，而在其他阶段时则不利于我国东部的降水。 对 MJO 各阶段 850 hPa 涡度异常分布（图略） 和 850 hPa 水汽通量散度分布合成图（图略）的分 析，可以清楚看到，第 1 阶段和第 4 阶段，与中低 空的正高度异常相对应，我国东部地区受到负涡度 异常；第 2 阶段，长江中下游地区受正涡度异常控 制，华南地区受负涡度控制。因此在第 1、4 阶段 我国东部降水偏少，第 2 阶段我国长江中下游多雨， 华南少雨，第 3 阶段和第 2 阶段形势基本相反，故 长江中下游少雨，华南多雨。关于水汽通量的计算 分析也表明，在第 1、4 阶段我国东部为水汽辐散， 不利于成云致雨；第 2 阶段长江中下游有明显水汽 辐合，利于降水，而华南水汽辐散，不利降水；第 3 阶段与第 2 阶段的形势基本相反，华南降水多。 显然，通过以上关于 850 hPa 涡度异常和水汽通量 异常的分析可很好解释不同 MJO 的活动位相为何 能造成春季中国东部不同地区的降水形势。 上面的分析研究清楚表明，当 MJO 传播至东 印度洋和中南半岛附近时（第 2、3 位相），对应春 季在我国长江中下游降水偏多, 华南降水偏少；而 对应 MJO 的第 6、7 位相（在赤道西太平洋有强对 流），我国东部春季的降水却异常偏少。虽然大气 环流形势的分析可以对这些结果给出一定的物理 解释，但相应的数值模拟也是十分必要的。针对在 上述两个区域存在强对流异常的情况分别进行数 值模拟试验，模式结果的分析比较研究将可以搞 清楚 MJO 对中国春季降水的影响，及其机制。分 别在（10.63°S～10.63°N，74.53°E～95.63°E）和 （10.63°S～10.63°N，160.32°E～180°E）的两个方 形区域内增加非绝热加热，以表示在那里有异常强 的对流强迫，看它们将会产生什么样的不同影响和 过程。多初值的集合数值模拟试验表明，当在赤道 东印度洋及赤道西太平洋低层大气中引进异常非 绝热加热（强 MJO 活动）的强迫时，模式很好地 模拟出了我国东部地区春季降水的异常形势，即在 MJO 的第 2、3 位相我国长江中下游地区多雨；而 在 MJO 的第 6、7 位相我国东部大部分地区降水偏 少（图略）。中国东部春季降水的模拟试验结果和 诊断分析结果有很好的一致性，它们都是在中国长 江中下游地区出现了明显的降水正距平，充分显示 了 MJO 活动处于第 2、3 位相时对中国春季降水的 影响。 对模拟得到的大气环流响应场所进行的分析 发现，无论是 500 hPa 高度响应场，还是 850 hPa 涡度和散度响应场，以及水汽通量及其散度场，都 极为清楚地表明，当异常非绝热加热强迫在赤道东 印度洋时（即对应 MJO 的第 2、3 位相），东亚大 气环流的响应与异常非绝热加热位于赤道西太平 洋时（即对应 MJO 的第 6、7 位相）非常不一样。 当异常非绝热加热强迫在赤道东印度洋时，在长江 中下游中低空的涡度为正异常, 散度为负异常，是 水汽通量的辐合区，有利降水；而当异常非绝热加 热强迫在赤道西太平洋时，中国东部大部分地区中 低空为负涡度异常和正散度异常，出现由北向南的 水汽通量辐散，不利于我国东部地区春季降水。 模拟得到的 850 hPa 水汽通量散度响应场，可 近似代表中低层水汽的辐合辐散状况。对于异常试 验一，模拟得到的整层水汽通量散度的负值区主要 位于我国长江中下游地区，而在我国华南地区则为 水汽通量散度正异常区（图略）；这样的结果正好 对应我国长江中下游多雨, 华南少雨的情况。对于 异常试验二，模拟得到的结果是我国东部地区明显 表现为较强的水汽通量散度正异常，正好对应春季 在 MJO 的第 6、7 位相我国东部地区降水偏少。上 述关于大气环流和水汽通量散度的模拟结果都同 资料诊断分析的结果相当一致，既证明资料分析和 数值模拟结果是比较可靠的，也较好说明了 MJO 活动对我国春季降水确实存在明显的影响。 通过对逐日模拟响应场的分析，还对 MJO 活