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  暴雨灾害   2021, Vol. 40 Issue (1): 44-51.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2021.01.006

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2021.01.006

资助项目

气象灾害预测预警与应急管理研究中心2020年重点项目(ZHYJ20-YB07,ZHYJ20-YB06);2018年湖南省气象局预报员专项(XQKJ18C009);2019年度湖南省重点领域研发计划项目(2019SK2161);广东省区域数值天气预报重点实验室开放基金项目(J201805,2015BAC03B06)

通信作者

兰明才, 主要从事天气预报预测及短时临近预报预警技术研究。E-mail: 372917798@qq.com.

文章历史

收稿日期:2019-02-28
定稿日期:2020-05-08
湖南省汛期强降水的30~60d低频振荡特征及延伸期预报指数研究
周莉1,2 , 兰明才1,2 , 蔡荣辉1,2 , 姚蓉1,2     
1. 湖南省气象台, 长沙 410118;
2. 气象防灾减灾湖南省重点实验室, 长沙 410118
摘要:基于1986-2015年湖南逐日降水资料、同期美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)再分析资料,通过分析强低频振荡年的汛期强降水特征和低频环流场演变对强降水的影响,建立了湖南省汛期延伸期强降水过程预报指数。结果表明:(1)汛期33%的强降水过程均发生在具有显著30~60 d低频振荡的年份中,且大多位于低频降水峰值阶段。(2)通过对强低频振荡年进行合成发现,在活跃位相,南亚高压偏强偏东,副热带高压偏西偏强,这种环流配置导致中国南方大部分地区的高层环流为辐散,底层环流为辐合,有利于降水的产生。在中断位相,南亚高压呈东西带状分布且其位置偏西、强度偏弱,副热带高压偏东偏弱,使得向湖南地区输送水汽的西南气流减弱,进入降水中断期。(3)基于低频散度场不同位相的变化特征,选取了与低频降水相关的两个关键区,从而建立延伸期预报指数,该指数对低频降水显著年的强降水回报准确率能够达到73%。(4)前期4月黑潮的海温异常(SSTA)可作为湖南省强低频振荡年的预测指标。
关键词湖南省    低频振荡    延伸期预报指数    汛期强降水    
The feature of 30-60 day low frequency oscillation of heavy rainfall in the flood season of Hunan Province and Extended-Range Forecast index
ZHOU Li1,2 , LAN Mingcai1,2 , CAI Ronghui1,2 , YAO Rong1,2     
1. Meteorological Observatory of Hunan Province, Changsha 410118;
2. Key Laboratory of Meteorological Disaster Prevention and Mitigation in Hunan Province, Changsha 410118
Abstract: Based on the daily precipitation data in Hunan Province from 1986 to 2015, reanalysis data of NCEP and NCAR in the same period, the prediction index of heavy precipitation in extended period of flood season in Hunan Province is established by analyzing the characteristics of heavy precipitation in flood season in strong low frequency oscillation year and the influence of low frequency circulation flow field evolution on heavy precipitation. The results are as follows. (1) 33% of the heavy rainfall in the flood season occurs in the years with significant 30-60 d low-frequency oscillation, and most of them are in the peak stage of low-frequency precipitation. (2) It is found that in the active phase, the South Asia high is strong to the East and the subtropical high is strong to the West. This circulation configuration leads to the divergence of the high-level circulation and the convergence of the bottom circulation in most areas of South China, which is conducive to the generation of precipitation. In the phase of interruption, the South Asia high is in the east-west zonal distribution, and its location is to the west and intensity is weak. The subtropical high is to the east and weak, which makes the southwest air flow of water vapor to Hunan area weaken and enter the period of precipitation interruption. (3) Based on the characteristics of different phases of low-frequency divergence field, two key areas related to low-frequency precipitation are selected to establish the extended period forecast index, which can achieve an accuracy of 73% for the return of heavy precipitation in the significant years of low-frequency precipitation. (4) The SSTA of Kuroshio in early April can be used as a prediction index of strong and low frequency oscillation years in Hunan Province.
Key words: Hunan Province    low frequency oscillate    Extended-Range Forecast index    heavy rainfall    
引言

全球大气环流普遍具有低频振荡特征,它是天气与气候联系的桥梁,因为其既为短期天气变化提供背景,同时又是长期气候变化的主要信号,因此可以作为延伸期天气过程预报的直接依据(何金海和杨松,1992李跃清,1996Jones et al., 2000, 2003刘冬晴和杨修群,2010)。与大气低频振荡相关的延伸期预报的研究,在我国得到了高度重视,并取得了重要进展。杨慧娟和郭品文(2012)指出关键区低频风场对上海地区未来15 d降水过程有较好的指示作用。孙国武等(2013)通过使用低频天气图分析关键区低频天气系统的活动特征,从而进行延伸期降水过程预报,同样取得较好的预报效果。魏晓雯等(2015)指出降水前期的低频信号对长江中下游大范围强降水过程预报具有参考价值。陈官军和魏凤英(2012)进一步指出选取与降水相关的低频环流指数建立统计模型,可以改善对低频降水的拟合效果。因此,通过分析与降水相关的不同环流因子的低频信号,建立适当的低频指数,是进行延伸期预报的主要技术手段,但在目前国内的中期延伸期预报业务中,无论在低频系统的指标信息还是在低频系统(指标)的动力(天气预报模式)和统计预报中均没有开展相关的工作。因此如何根据我国不同地区的天气气候特点,开展相关的业务应用技术研究和业务能力建设,对于弥补和提高中期延伸期预报是很有必要的。

湖南省地处长江中下游与南岭之间,全省地形复杂,三面环山,形成朝东北开口的不对称马蹄形。受季风气候和特殊地形的相互作用,强降水过程在湖南地区频繁发生,并带来一系列灾害,比如,低温连阴雨、城市内涝、山洪泥石流等,严重影响着湖南省农业生产、社会经济以及人民生命财产安全(吴贤云等,2016朱歆炜等,2016)。每年洪涝灾害对湖南省的经济建设以及生态系统均造成严重的损失。因此,对湖南省强降水进行延伸期预报有重要意义,不仅可以加强对强降水成因的认识,从而提高气象部门的预报能力,改进气象预报业务系统,而且可进一步缩短气象服务与社会需求之间的差距,充分发挥气象服务在防灾减灾中的作用。而目前基于低频振荡手段对湖南强降水进行延伸期预报鲜有研究。陈青等(2014)使用低频天气图的方法开展了湖南省雨季强降水过程的预报,但此预报方法的准确度在不同年份存在很大的差异,且其预报模型无法选择合适的关键影响因子,从而制约其预报的准确性。因此,本文在区分显著低频振荡年与非显著低频振荡年细化预报对象的基础上,选择与低频降水稳定相关的低频环流场建立低频指数,以期进一步提高强降水预报的准确率。

1 资料来源与研究方法

所用的资料有:(1) 湖南省内88个国家基本气象站1986—2015年的逐日降水数据(剔除资料长度不够的站点和高山站),来源于湖南省信息中心;(2) 环流资料来自NCEP/NCAR提供的再分析资料(分辨率2.5°× 2.5°),以及NOAA提供的海温SST格点资料(分辨率为2.0°×2.0°),时间长度为1986—2015年。

对于一次大范围持续性强降水过程的确定,本文按照以下标准定义:湖南省汛期(5—7月),连续3 d及以上且每日至少有5个台站的日降水量大于等于50 mm,同时至少有1个台站的日降水量大于等于100 mm,另外,若两次强降水过程的间隔时间小于2 d (包含2 d),则视其为一次强降水过程。

在对逐日降雨量分析周期时,利用Morlet小波分析湖南降水的显著低频振荡周期,并采用了Butter-worth带通滤波器对逐日降水和环流场进行滤波,从而得到降水和环流的低频振荡分量。魏晓雯等(2015)研究指出长江中下游多年的大范围持续性强降水过程与30~60 d低频降水及其环流背景有联系,因此本文主要针对30~60 d的低频分量进行低频指数的研究。

2 低频降水显著年汛期降水特征

利用Morlet小波分析方法分析1986—2015年4— 8月(为了消除边缘效应,对主汛期前后各延长一个月) 逐日降水量的低频周期(图 1),发现有5 a存在显著的30~60 d的低频周期,并且通过置信度为90%的显著性检验。这5 a分别为1994年、1996年、1998年、1999年和2002年。从振荡强度来看,这5 a主汛期(5—7月) 30~60 d低频降水分量对于实际降水的贡献率皆超过20%,其中,1998年和2002年低频降水分量对于实际降水的贡献率最大,分别达到35.3%和36.4%。

图 1 湖南低频振荡显著年4—8月降水的Morlet小波分析(阴影区通过置信度为90%的显著性检验) Fig. 1 Morlet wavelet analysis of low frequency oscillation over Hunan for 4-8 months (Shadow indicates the 90% significance level).

此外,对1986—2015年汛期所有的强降水过程进行统计,总共发生33次强降水过程,其中11次过程发生在具有显著30~60 d低频振荡特征的5 a之中,占比33%,且大多位于低频降水峰值阶段,表明强降水过程与低频振荡存在一定的联系,其余22次过程发生时间则比较分散,其未有明显的某一低频振荡特征。同时,计算了1986—2015年逐年汛期湖南地区降水距平(图 2),分别将平均值±1个标准差以及±0.5个标准差作为划分涝年、旱年和降水偏多、偏少年的标准,可以看出具有显著30~60 d低频振荡特征的5 a之中,1996、1998、1999、2002年为涝年,1994年为降水偏多年。同时,对1986—2015年汛期的周期特征进行统计,发现降水偏多年30~60 d低频周期出现的频率远大于偏少年,进一步验证30~60 d低频振荡与降水偏多偏强存在一定的联系。因此本文对这5个强低频振荡年进行合成分析,研究湖南省低频振荡显著年的环流特征。

图 2 1986—2015年湖南汛期降水量距平的时间序列(单位: mm) Fig. 2 Time series of anomaly flood season rainfall during 1986-2015 over Hunan province (unit: mm).
3 低频降水显著年低频环流场演变特征

首先对不同低频振荡年份进行位相合成,其中位相的划分以1998年为例,将5—7月的逐日降水资料进行30~60 d滤波,提取的低频信号分为8个不同的位相(图 3),3、7位相分别表征为低频信号的活跃位相和中断位相,第1位相表示从中断位相向活跃位相转变,而第5位相则为从活跃位相向中断位相转变,2、4、6、8位相则表示振荡强度为一半的日期。为研究汛期湖南省强低频振荡年低频环流场的演变特征,将5个强低频振荡年处于同一位相的环流场进行合成。

图 3 1998年湖南汛期30~60 d滤波的降水序列(单位: mm, 数字1—8表示振荡位相, 实线表示低频降水序列的标准差) Fig. 3 Time series of 30-60 d filtered rainfall for flood season rainfall (unit: mm, number 1-8 indicate the phases of low-frequency oscillation, and the solid line indicates the standard deviation of low frequency series).

为研究湖南地区强降水过程中位于低频振荡极端位相的一般特征,将活跃位相和中断位相的200 hPa和500 hPa形势进行合成(图 4)。南亚高压是影响我国东部降水的主要环流系统,其低频振荡信号对低频降水有显著影响(智协飞和何金海,1996李勇等,2010曹鑫等,2013韩世茹等,2014王文等,2016)。以12 520 gpm线表示200 hPa南亚高压的位置,可以看到在活跃位相(图 4a)和中断位相(图 4b),200 hPa高度场的空间结构相反。在活跃位相,经过滤波后的200 hPa位势高度低频分量在南亚高压区域为显著的大值区,表明南亚高压在活跃位相明显偏强,而滤波前的南亚高压位于15°—30°N之间,呈东西向带状分布,其东脊点向东伸展至105°E附近,南亚高压偏强偏东的特征使得包括湖南在内的中国南部大部分地区高空为辐散型环流区。与此相反,在中断位相,低频200 hPa在南亚高压为负异常大值区,表明南亚高压在中断位相明显偏弱。滤波前的南亚高压虽仍为东西向带状分布,但与活跃位相相比,南亚高压的位置偏西且强度偏弱,湖南地区上空辐散气流不显著。西太平洋副热带高压(以下简称副高)是东亚地区底层最重要的环流系统,副高位置和强度的变化对中国地区的降水有很大影响(龚道溢和何学兆,2002刘还珠等,2006赵平和周秀骥,2006王黎娟等,2009张玲和智协飞,2010),在未滤波的500 hPa形势场上以5 880 gpm线来表示副高范围。可以看到在活跃位相(图 4c),经过滤波后的500 hPa位势高度低频分量在副高位置为显著的大值区,表明副高在活跃位相明显偏强,由滤波前副高5 880 gpm线的位置可见,副高主体位于10°N以北,向北延伸到30°N,副高向西能够延伸到110°E以西,使得副高西侧的西南气流,能够将水汽输送到湖南地区,从而有利于当地产生降水过程。与此相反,在中断位相(图 4d),副高东移到120°E附近,偏南风高值带向东偏移,副高西南侧的西南气流向东偏移,不利于水汽在湖南地区累积。副高这种偏东偏弱的特征和中断位相时南亚高压的位置和强度是对应的。

图 4 滤波前(等值线)和滤波后(阴影)降水极端位相200 hPa (a, b)和500 hPa (c, d)位势高度合成图 (单位: gpm; a, c为活跃位相; b, d为中断位相) Fig. 4 The composite of (a, b) 200 hPa and (c, d) 500 hPa geopotential height for unfiltered (contour) and filtered (shadow) (unit: gpm, Fig.a and Fig.c are active phases, Fig.b and Fig.d are breaking phases).

前面给出低频强降水活跃和中断位相时,其对应低频环流的变化。接下来进一步分析低频降水的8个位相,从而找出影响湖南地区低频天气系统的演变规律。图 5给出与8个位相相对应的低频850 hPa风场和散度场的空间分布。可以看出,第1位相(图 5a)表示从中断位相向活跃位相转变,从开始的第2位相(图 5b),西太平洋副高位置的低频反气旋开始建立,并在第3位相(图 5c)得到增强,其西南侧西南暖湿气流旺盛,并为湖南地区带来充沛水汽,同时配合北部河套地区多短波槽活动,推动冷空气向南输送,冷暖交汇在湖南地区交汇形成强烈的辐合上升气流。第4和5位相(图 5de)西太平洋低频反气旋开始减弱,并在第6位相(图 5f)转为低频反气旋,抑制暖湿气流北上,北部河套地区也逐渐转为弱脊影响,到第7位相(图 5g)西太位置的副高低频气旋和北部高压脊达到最强,湖南地区表现为强烈的辐散场不利于强降水的发生,第8位相(图 5h)表示活跃位相向趋于结束。

图 5 850 hPa低频风场(箭头, 单位: m·s-1)及其低频散度场(阴影, 单位: 10-5s-1)在强低频振荡年的8个位相的空间分布(图a—h分别表示1—8位相, 红框为关键区) Fig. 5 Eight phases of low-frequency wind vector (arrow, unit: m·s-1) and its divergence field (shadow, unit: 10-5s-1) on 850 hPa for strong oscillated year (figure a-h shows 1-8 phases respectively, red box is the key area).

另外有研究指出,强降水对低空气流非常敏感,低空气流的微小变化会造成水汽输送的巨大变化,从而直接影响降水强度的变化(林昕等,2014于超和贺靓,2016)。来自中高纬和低纬的低频信号的叠加并配合低频水汽输送共同影响了环流异常的低频变化(胡欣和苏华,1999顾清源等,2009徐娟和陈勇明,2013苗芮和温敏,2017章毅之等,2017)。图 6为850 hPa低频V风和和低频比湿沿105°—110°E平均的纬度-位相剖面,从中可见,从第1位相开始,20°N左右开始出现经向风正异常,并且随位相增加。到极端活跃位相(第3位相) 20°N附近存在一个明显的低频南风高值区,为急流轴正前方输送了大量的暖湿气流,在其北侧30°N附近则是北风高值区,对应冷空气南下,两个大值区之间形成强烈的风场辐合,并产生上升运动。配合比湿场看,该区域对应一个明显的低频比湿高值区,有充沛的水汽条件,该区正是湖南地区所在纬度范围,该形势与降水活跃期相对应。随着位相的变化,这种中高纬的特征也在发生变化,到极端中断位相(第7位相)时,其形势与活跃位相相反,湖南以北被显著低频南风控制,以南则被低频北风所控制,从而在湖南地区形成强烈的风场辐散和下沉气流,配合比湿场看,该区域对应一个明显的低频比湿低值区,水汽条件不充沛,对应降水中断期。此外,随着位相的演变,低频南北风高值区皆有明显的北传特征。由此可见,湖南省低频强降水的发生与低频环流关系密切,因此基于低频环流建立的指数,能够很好的表征湖南省低频强降水。

图 6 强低频振荡年850 hPa低频V风(等值线, 单位: m·s-1)和低频比湿(阴影, 单位: g·kg -1)沿105°—110°E平均的纬度-位相剖面(箭头指示低频V风高值区北传特征) Fig. 6 Average latitude-phase profile at 850 hPa along 105°-110°E for strong oscillated year of the low frequency meridional wind (unit: m·s-1) and specific humidity (unit: g·kg-1) (The arrow indicates that the high value of low frequency V wind has the characteristics of northward transmission).
4 延伸期强降水过程预报指数

从前文分析可知,河套地区的短波槽活动和西太平洋副高的变化是影响湖南强降水过程的两个主要低频系统。将图 5中第3位相中北部短波槽和低频反气旋北部所在位置定义为两个关键区,即河套关键区(95°—110°E,35°—45°N)和东海关键区(115°—130°E,23°—30°N),不难发现两个关键区的散度场高度一致且随位相变化存在明显的周期振荡,具体表现为:对于河套地区,从第1至3位相,辐合逐渐增强,在第3位相达到最强,当到第4位相时,辐合减弱,第5位相转为弱的辐散,第6至7位相,辐散增强,东海关键区的散度和河套地区相反,这为建立湖南地区延伸期强降水过程预报指数提供了基础。因此本文选择这两个关键区的散度构造湖南延伸期强降水过程预报指数I

$ I = {[di{v_1}^, ]^*} + {[di{v_2}^, ]^*} $ (1)

其中div表示低层850 hPa低频风场散度,首先对其进行30~60 d带通滤波(以“ ' ”表示),然后对所选的区域进行平均(以“ []”表示),最后对平均的低频序列进行标准化处理(以“*”表示),下标数字分别代表两个关键区“(1”表示河套关键区,“2”表示东海关键区)。图 7计算了低频振荡的显著年汛期逐日降水和预报指数的超前相关,发现在低频振荡的显著年,I与滞后6~28 d的湖南平均日降水量有一定的正相关性,其中I与滞后15~22 d的湖南平均日降水量的正相关最显著,通过置信度为99%的显著性检验,即I越大,其后15~22 d的湖南平均日降水量越强。由于I也具有显著的周期振荡特征,从理论上讲,当I达到极大值时,其后16~ 22 d的湖南平均日降水量也应达到极大值,从而表明湖南发生强降水的可能性最大,但是实际情况并非每次I达到极大值与日降水量达到极大值相对应。对低频振荡显著年所有强降水过程进行统计发现,81.8% 的强降水过程I均超过0.7 (11次强降水过程中有9次I超过0.7),因此,根据对强降水过程的统计结果将I = 0.7作为强降水过程是否发生的阈值,即当I ≥ 0.7时,其后15~22 d湖南发生强降水的可能性最大。

图 7 湖南省延伸期预报指数I与湖南平均日降水量的超前相关系数(虚线表示相关系数通过置信度99%检验的阈值) Fig. 7 Leading correlation between Extended-Range Forecast index and daily precipitation over Hunan Province(Dotted line indicates the 99% significance level).

根据上文定义的预报指数,对强低频振荡年(1994、1996、1998、1999、2002年)汛期的11次强降水过程进行回报(表 1),除了1994年的一次强降水过程预报时段比实际发生时段较晚,以及在1999和2002年分别有一次过程漏报外,其余8次过程均预报正确,准确率达到73%,预报效果良好,说明该指数在强低频振荡年,对后期15~22 d的强降水过程预报有一定的参考指示价值。

表 1 基于湖南省汛期的延伸期预报指数对低频降水显著年汛期强降水过程预报效果检验 Table 1 Estimation of forecasted heavy rainfall in strong low oscillated year over Hunan Province based on Extended-Range Forecast index.

尽管基于低频系统的指数对湖南省汛期强降水过程有很好的指示作用,但仍然在一些不足,该指数仅仅适用于30~60 d低频降水显著年,但是如何根据前期的环流特征,提前判断该年夏季降水是否具有显著的30~60 d低频振荡特征是一个难点。前人研究发现,热带低纬地区和中国近海的海温异常对我国夏季降水的季节内振荡有显著影响(李丽平等,2018)。李崇银(1997)的研究也发现,当前期黑潮地区的海温异常偏暖时,通过海气相互作用从而激发大气中的30~ 60 d的低频振荡。因此本文计算了1986—2015年湖南汛期30~60 d低频降水方差贡献率与前期太平洋海温的相关系数(图 8),从中可见,在前期4月份,黑潮区域海温与湖南汛期30~60 d低频降水方差呈显著的正相关,且通过置信度为95%的显著性检验,即当4月黑潮区域海温偏高时,湖南汛期降水的30~60 d振荡偏强,这与前人的研究结果是一致的(丁良模等,1985张天宇等,2007吴志彦等,2008)。根据前期4月黑潮区海温异常偏高判断得到的低频降水显著年为1998、1999、2001、2002年,其中有3 a与选取的低频降水显著年是一致的,由此可见前期4月的海温异常偏高确实可以为湖南地区低频降水显著年的判断提供一定的参考依据,但具体的机制需后期进行更加深入的研究。

图 8 1986—2015年4月太平洋海温和湖南汛期30~60 d低频降水方差的相关系数分布(阴影为通过置信度为95%的显著性检验) Fig. 8 The correlation between standard deviation of 30-60 d low frequency rainfall over Hunan and Pacific SST on April during 1986-2015 (Shadow indicates 95% significance level).
5 结论

本文利用1986—2015年湖南逐日降水资料以及同期NCEP/NCAR再分析资料,通过分析强低频振荡年汛期降水特征和低频环流场演变特征,建立了湖南省汛期延伸期强降水过程预报指数,得到结论如下:

(1) 通过对逐次强降水过程分析发现,1986—2015年汛期33%次强降水过程发生在具有显著30~60 d低频振荡特征年,且大多位于低频降水峰值阶段,且30 a中降水偏多年30~60 d低频周期出现的频率远大于偏少年,说明30~60 d低频振荡与强降水存在一定的联系。

(2) 对5 a强低频振荡年进行位相合成发现,在活跃位相,中高层的南亚高压偏强偏东,湖南上空被辐散型环流控制。与此相反,在中断位相南亚高压的位置偏西且强度偏弱,湖南地区上空辐散气流不显著。在低层,活跃位相副高明显偏西偏强,副高西侧的西南气流将水汽输送到湖南地区,从而为强降水提供水汽条件。而在中断位相,副高偏弱偏东,随之副高西侧的西南偏东,不利于水汽向湖南地区输送。

(3) 影响湖南省强降水的两个低频系统一个位于河套地区,另一个位于西太平洋。在活跃位相,西太平洋低频反气旋建立并增强,伴随低频南风为湖南地区带来充沛水汽,配合北部河套地区多短波槽活动,带动冷空气南下,冷暖交汇在湖南地区形成强烈的辐合上升气流。在中断位相,西太平洋低频反气旋减弱并转为低频反气旋,抑暖湿气流北上,北部也逐渐转为弱脊影响,当西太低频气旋和北部高压脊达到最强时,湖南地区形成强烈的风场辐散和下沉气流,对应降水中断期。此外,随着位相的演变,低频南北风高值区皆有明显的北传特征。

(4) 基于低层风和散度不同位相的特征,选取了影响湖南省低频降水的两个关键区,从而构造了湖南延伸期强降水过程预报指数。并对低频降水显著振荡年的汛期强降水过程进行回报,发现预报准确率达到73%,预报效果良好,该指数对后期15~22 d的强降水过程预报有一定的预报价值。

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