Impact of Atmospheric Quasi-periodic Oscillations on Autumn Precipitation in West China During Flood and Drought Years Over the Last 40 Years
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摘要: 利用1980—2021年格点化数据集(CN05.1)的中国逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料，对比分析了中国华西秋季典型涝旱年低频降水特征及其与不同纬带大气低频环流的关系，并给出前期预报信号。(1) 华西秋季降水在涝旱年存在显著10~20 d、20~30 d和30~60 d低频振荡周期，10~20 d准双周振荡周期(简称为10~20 d)最重要。(2) 无论涝旱年，欧亚大陆均有两脊两槽低频环流形式，低频巴尔喀什湖-贝加尔湖(简称为“巴-贝湖”)高压脊、东亚大槽、孟加拉湾反气旋和西太平洋副热带高压(华南及沿海反气旋)是影响华西秋雨的关键低频环流系统，但涝年中高纬(低纬)低频环流系统较旱年偏强偏西(偏南)，副热带西风急流更强，对流更活跃，导致更丰富的干冷和暖湿气流交绥于华西。(3) 影响涝旱年的低频水汽环流系统主要包括“巴-贝湖”低频反气旋式、华北-日本群岛附近的低频气旋式、孟加拉湾低频反气旋式和南海-西太平洋低频气旋式水汽环流，但涝年来自中高纬偏北干冷、偏东北的湿冷气流较旱年偏西偏南偏强；涝年的干(湿)冷气流源地在新地岛(鄂霍次克海和日本海)，旱年的在中西伯利亚(日本群岛以东的西北太平洋)。涝年有较多来自孟加拉湾和热带北太平洋中部及南海暖湿水汽流，旱年暖湿水汽流则主要来自南海，少量来自孟加拉湾和西太平洋。(4) 无论涝旱年，都要关注“巴-贝湖”高压脊、东亚大槽和西太平洋副高的前期低频预测信号。涝年预测信号出现在-10 d，信号主要沿西北-东南路径传播，旱年信号出现在-8 d，各个信号传播路径不同且略复杂。Abstract: This study examines the influence of atmospheric quasi-periodic oscillations on autumn precipitation in West China during flood and drought years over the past 40 years. Using the CN05.1 gridded daily precipitation data and NCEP/NCAR daily reanalysis data from 1980 to 2021, we compare and analyze the characteristics of low-frequency precipitation in typical flood and drought years, as well as its relationship with low-frequency atmospheric circulation at different latitudes. Moreover, we provide early forecast signals based on our findings. The results indicate the following: (1) Autumn precipitation in West China during flood and drought years exhibits significant low-frequency oscillation periods of 10-20 days, 20-30 days, and 30-60 days, with the 10-20 day period being the most prominent. (2) Convective development occurs in West China during both flood and drought years. However, in flood years, the subtropical westerly jet over the region is stronger, resulting in more active convection, stronger vertical upward motion, and vertical meridional circulation. (3) Regardless of flood or drought years, the lowfrequency circulation pattern over Eurasia consists of two ridges and two troughs. The key low-frequency circulation systems that impact autumn rainfall in West China include the low-frequency Lake BalkhashBaikal ridge (referred to as"Ba-Bei Lake"), the East Asian trough, the Bay of Bengal anticyclone, and the western Pacific subtropical high (South China and coastal anticyclone). However, these low-frequency circulation systems are stronger and more westward (southward) in flood years compared to drought years, resulting in a convergence of more abundant dry-cold and warm-humid airflows in West China. (4) The low-frequency water vapor circulation systems that influence precipitation during flood and drought years mainly include the mid-high latitude"Ba-Bei Lake" low-frequency anticyclone circulation, the lowfrequency cyclone circulation near North China-Japan Islands, the low-frequency anticyclone circulation in the Bay of Bengal, and the low-frequency cyclone circulation in the South China Sea-Western Pacific. In flood years, the dry-cold (wet-cold) airflow from the north (northeast) of the mid-high latitudes is more northward and eastward, originating from Novaya Zemlya (Sea of Okhotsk and Sea of Japan). In drought years, these airflows originate from Central Siberia (the Northwest Pacific Ocean to the east of the Japanese Islands). Furthermore, in flood years, there are more warm and humid water vapor flows from the Bay of Bengal and the tropical North Pacific Central and South China Sea, while in drought years, warm and humid water vapor flows mainly come from the South China Sea, with a smaller proportion from the Bay of Bengal and the Western Pacific. (5) Regardless of flood or drought years, early monitoring of lowfrequency forecast signals related to the"Ba-Bei Lake"ridge, the East Asian trough, and the West Pacific subtropical high is crucial. In flood years, these signals appear on the - 10th day and primarily propagate along the northwest-southeast path. In drought years, the signals appear on the 8th day, with slightly more complex propagation paths for each signal.
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图 4 2011年(a、b)、1991年(c、d)年华西代表区区域平均4月—次年3月逐日降水序列小波分析(阴影区通过α=0.05的显著性检验)、9—10月逐日降水序列(实线，单位：mm)及其距平序列(直方图，单位：mm)和10~20 d滤波序列(虚线，单位：mm)
点横线表示10~20 d低频降水序列的0.8倍标准差。
图 6 涝(a、b、c)、旱(d、e、f)年位相3对应的150 hPa(a、d)和850 hPa(b、e)10~20 d低频OLR场(阴影，单位：W·m-2)和辐散风场(矢量；单位：m·s-1)、沿110 °E的垂直经向环流(c，f；矢量，经向风单位：m·s-1，垂直速度单位：-10-2 Pa·s-1) 和低频散度场的纬度-高度垂直剖面(阴影，单位：10-5 m·s-2)
打点区域为通过α = 0.05的显著性检验，白色区域表示青藏高原，黑色实线方框为华西地区选取范围。
图 7 涝(a)、旱(b)年位相3对应的10~20 d低频500 hPa高度场(阴影：低频高度场；等值线：实况场；加粗实线：气候态588线；单位：dagpm)、10~20 d低频500 hPa风场(矢量，单位：m·s-1)
点区为通过α = 0.05显著性检验。
图 8 涝(a)、旱(b)年位相3时的10~20 d低频200 hPa环流场
等值线；低频纬向风，单位：m·s-1；阴影：低频涡度，单位：s-1；长虚线：副热带西风急流中心，单位：m·s-1。
图 9 涝(a)、旱(b)年位相3对应的低频整层水汽通量场(矢量，单位：kg·m-1·s-1)及水汽通量散度场(阴影，单位：10-5 kg·m-2·s-1)
矢量长箭头表示水汽输送路径，方框表示华西区域。
图 10 涝年10~20 d低频降水时间序列与低频500 hPa高度场时滞相关系数分布(等值线：0线)
阴影区域为通过α=0.05的显著性检验，负时滞天数表示低频高度场超前低频降水的天数。
图 11 旱年10~20 d滤波的低频降水时间序列与低频500 hPa高度场时滞相关系数分布(等值线：0线)
阴影区域为通过α=0.05显著性检验，负时滞天数表示低频高度场超前低频降水的天数。
表 1 各涝旱年显著低频周期(*表示通过α = 0.05显著性检验)及低频降水峰值位相对应日期
涝年 周期/d 峰值位相对应日期 旱年 周期/d 峰值位相对应日期 1982 10~20*，20~30 9月5日，10月24日 1991 10~20* 9月11日，9月23日，10月5日，10月19日 1983 10~20* 9月22日，10月6日 1996 10~20* 9月8日，9月19日，10月2日，10月22日 2011 10~20*，20~30，30~60 9月6日，9月19日，10月1日，10月13日，10月24日 1998 10~20*，20~30 9月5日，9月18日，10月10日 2014 10~20*，20~30 9月15日，9月30日，10月16日 2002 10~20*，30~60 10月4日，10月19日 2017 10~20* 9月9日，9月20日，10月1日，10月12日，10月23日 2009 10~20*，20~30 9月10日，9月21日 2019 10~20*，30~60* 9月11日，9月23日，10月4日 2020 10~20*，20~30，30~60 9月14日，10月5日，10月17日 2021 10~20*，30~60 9月5日，9月17日，9月27日，10月8日，10月19日 
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