周莉 ，蘭明才 ，蔡榮輝 ，姚蓉

(1.湖南省氣象臺(tái)，長(zhǎng)沙410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410118)

引 言

全球大氣環(huán)流普遍具有低頻振蕩特征，它是天氣與氣候聯(lián)系的橋梁，因?yàn)槠浼葹槎唐谔鞖庾兓峁┍尘?，同時(shí)又是長(zhǎng)期氣候變化的主要信號(hào)，因此可以作為延伸期天氣過(guò)程預(yù)報(bào)的直接依據(jù)(何金海和楊松，1992；李躍清，1996；Jones et al.，2000，2003；劉冬晴和楊修群，2010)。與大氣低頻振蕩相關(guān)的延伸期預(yù)報(bào)的研究，在我國(guó)得到了高度重視，并取得了重要進(jìn)展。楊慧娟和郭品文(2012)指出關(guān)鍵區(qū)低頻風(fēng)場(chǎng)對(duì)上海地區(qū)未來(lái)15 d 降水過(guò)程有較好的指示作用。孫國(guó)武等(2013)通過(guò)使用低頻天氣圖分析關(guān)鍵區(qū)低頻天氣系統(tǒng)的活動(dòng)特征，從而進(jìn)行延伸期降水過(guò)程預(yù)報(bào)，同樣取得較好的預(yù)報(bào)效果。魏曉雯等(2015)指出降水前期的低頻信號(hào)對(duì)長(zhǎng)江中下游大范圍強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)具有參考價(jià)值。陳官軍和魏鳳英(2012)進(jìn)一步指出選取與降水相關(guān)的低頻環(huán)流指數(shù)建立統(tǒng)計(jì)模型，可以改善對(duì)低頻降水的擬合效果。因此，通過(guò)分析與降水相關(guān)的不同環(huán)流因子的低頻信號(hào)，建立適當(dāng)?shù)牡皖l指數(shù)，是進(jìn)行延伸期預(yù)報(bào)的主要技術(shù)手段，但在目前國(guó)內(nèi)的中期延伸期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，無(wú)論在低頻系統(tǒng)的指標(biāo)信息還是在低頻系統(tǒng)(指標(biāo))的動(dòng)力(天氣預(yù)報(bào)模式)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)中均沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)的工作。因此如何根據(jù)我國(guó)不同地區(qū)的天氣氣候特點(diǎn)，開(kāi)展相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)研究和業(yè)務(wù)能力建設(shè)，對(duì)于彌補(bǔ)和提高中期延伸期預(yù)報(bào)是很有必要的。

湖南省地處長(zhǎng)江中下游與南嶺之間，全省地形復(fù)雜，三面環(huán)山，形成朝東北開(kāi)口的不對(duì)稱馬蹄形。受季風(fēng)氣候和特殊地形的相互作用，強(qiáng)降水過(guò)程在湖南地區(qū)頻繁發(fā)生，并帶來(lái)一系列災(zāi)害，比如，低溫連陰雨、城市內(nèi)澇、山洪泥石流等，嚴(yán)重影響著湖南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全(吳賢云等，2016；朱歆煒等，2016)。每年洪澇災(zāi)害對(duì)湖南省的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及生態(tài)系統(tǒng)均造成嚴(yán)重的損失。因此，對(duì)湖南省強(qiáng)降水進(jìn)行延伸期預(yù)報(bào)有重要意義，不僅可以加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)降水成因的認(rèn)識(shí)，從而提高氣象部門(mén)的預(yù)報(bào)能力，改進(jìn)氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而且可進(jìn)一步縮短氣象服務(wù)與社會(huì)需求之間的差距，充分發(fā)揮氣象服務(wù)在防災(zāi)減災(zāi)中的作用。而目前基于低頻振蕩手段對(duì)湖南強(qiáng)降水進(jìn)行延伸期預(yù)報(bào)鮮有研究。陳青等(2014)使用低頻天氣圖的方法開(kāi)展了湖南省雨季強(qiáng)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)，但此預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確度在不同年份存在很大的差異，且其預(yù)報(bào)模型無(wú)法選擇合適的關(guān)鍵影響因子，從而制約其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。因此，本文在區(qū)分顯著低頻振蕩年與非顯著低頻振蕩年細(xì)化預(yù)報(bào)對(duì)象的基礎(chǔ)上，選擇與低頻降水穩(wěn)定相關(guān)的低頻環(huán)流場(chǎng)建立低頻指數(shù)，以期進(jìn)一步提高強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

1 資料來(lái)源與研究方法

所用的資料有：(1)湖南省內(nèi)88個(gè)國(guó)家基本氣象站1986—2015年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)(剔除資料長(zhǎng)度不夠的站點(diǎn)和高山站)，來(lái)源于湖南省信息中心；(2)環(huán)流資料來(lái)自MCEP/MCAR 提供的再分析資料(分辨率2.5°×2.5°)，以及MOAA 提供的海溫SST格點(diǎn)資料(分辨率為2.0°×2.0°)，時(shí)間長(zhǎng)度為1986—2015年。

對(duì)于一次大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程的確定，本文按照以下標(biāo)準(zhǔn)定義：湖南省汛期(5—7月)，連續(xù)3 d 及以上且每日至少有5個(gè)臺(tái)站的日降水量大于等于50 mm，同時(shí)至少有1個(gè)臺(tái)站的日降水量大于等于100 mm，另外，若兩次強(qiáng)降水過(guò)程的間隔時(shí)間小于2 d(包含2 d)，則視其為一次強(qiáng)降水過(guò)程。

在對(duì)逐日降雨量分析周期時(shí)，利用Morlet 小波分析湖南降水的顯著低頻振蕩周期，并采用了Butter?worth 帶通濾波器對(duì)逐日降水和環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行濾波，從而得到降水和環(huán)流的低頻振蕩分量。魏曉雯等(2015)研究指出長(zhǎng)江中下游多年的大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水過(guò)程與30～60 d低頻降水及其環(huán)流背景有聯(lián)系，因此本文主要針對(duì)30～60 d 的低頻分量進(jìn)行低頻指數(shù)的研究。

2 低頻降水顯著年汛期降水特征

利用Morlet小波分析方法分析1986—2015年4—8月(為了消除邊緣效應(yīng)，對(duì)主汛期前后各延長(zhǎng)一個(gè)月)逐日降水量的低頻周期(圖1)，發(fā)現(xiàn)有5 a 存在顯著的30～60 d的低頻周期，并且通過(guò)置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)。這5 a分別為1994年、1996年、1998年、1999年和2002年。從振蕩強(qiáng)度來(lái)看，這5 a 主汛期(5—7月)30～60 d低頻降水分量對(duì)于實(shí)際降水的貢獻(xiàn)率皆超過(guò)20%，其中，1998年和2002年低頻降水分量對(duì)于實(shí)際降水的貢獻(xiàn)率最大，分別達(dá)到35.3%和36.4%。

此外，對(duì)1986—2015年汛期所有的強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總共發(fā)生33次強(qiáng)降水過(guò)程，其中11次過(guò)程發(fā)生在具有顯著30～60 d低頻振蕩特征的5 a之中，占比33%，且大多位于低頻降水峰值階段，表明強(qiáng)降水過(guò)程與低頻振蕩存在一定的聯(lián)系，其余22次過(guò)程發(fā)生時(shí)間則比較分散，其未有明顯的某一低頻振蕩特征。同時(shí)，計(jì)算了1986—2015年逐年汛期湖南地區(qū)降水距平(圖2)，分別將平均值±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以及±0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為劃分澇年、旱年和降水偏多、偏少年的標(biāo)準(zhǔn)，可以看出具有顯著30～60 d 低頻振蕩特征的5 a 之中，1996、1998、1999、2002年為澇年，1994年為降水偏多年。同時(shí)，對(duì)1986—2015年汛期的周期特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)降水偏多年30～60 d 低頻周期出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)大于偏少年，進(jìn)一步驗(yàn)證30～60 d 低頻振蕩與降水偏多偏強(qiáng)存在一定的聯(lián)系。因此本文對(duì)這5個(gè)強(qiáng)低頻振蕩年進(jìn)行合成分析，研究湖南省低頻振蕩顯著年的環(huán)流特征。

圖1 湖南低頻振蕩顯著年4—8月降水的Morlet小波分析(陰影區(qū)通過(guò)置信度為90%的顯著性檢驗(yàn))Fig.1 Morlet wavelet analysis of low frequency oscillation over Hunan for 4-8 months(Shadow indicates the 90% significance level).

圖2 1986—2015年湖南汛期降水量距平的時(shí)間序列(單位:mm)Fig.2 Time series of anomaly flood season rainfall during 1986-2015 over Hunan province(unit:mm).

3 低頻降水顯著年低頻環(huán)流場(chǎng)演變特征

首先對(duì)不同低頻振蕩年份進(jìn)行位相合成，其中位相的劃分以1998年為例，將5—7月的逐日降水資料進(jìn)行30～60 d 濾波，提取的低頻信號(hào)分為8個(gè)不同的位相(圖3)，3、7 位相分別表征為低頻信號(hào)的活躍位相和中斷位相，第1 位相表示從中斷位相向活躍位相轉(zhuǎn)變，而第5 位相則為從活躍位相向中斷位相轉(zhuǎn)變，2、4、6、8 位相則表示振蕩強(qiáng)度為一半的日期。為研究汛期湖南省強(qiáng)低頻振蕩年低頻環(huán)流場(chǎng)的演變特征，將5個(gè)強(qiáng)低頻振蕩年處于同一位相的環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行合成。

圖3 1998年湖南汛期30～60 d濾波的降水序列(單位:mm,數(shù)字1—8表示振蕩位相,實(shí)線表示低頻降水序列的標(biāo)準(zhǔn)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).

為研究湖南地區(qū)強(qiáng)降水過(guò)程中位于低頻振蕩極端位相的一般特征，將活躍位相和中斷位相的200 hPa和500 hPa 形勢(shì)進(jìn)行合成(圖4)。南亞高壓是影響我國(guó)東部降水的主要環(huán)流系統(tǒng)，其低頻振蕩信號(hào)對(duì)低頻降水有顯著影響(智協(xié)飛和何金海，1996；李勇等，2010；曹鑫等，2013；韓世茹等，2014；王文等，2016)。以12520 gpm線表示200 hPa南亞高壓的位置，可以看到在活躍位相(圖4a)和中斷位相(圖4b)，200 hPa 高度場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)相反。在活躍位相，經(jīng)過(guò)濾波后的200 hPa 位勢(shì)高度低頻分量在南亞高壓區(qū)域?yàn)轱@著的大值區(qū)，表明南亞高壓在活躍位相明顯偏強(qiáng)，而濾波前的南亞高壓位于15°—30°M 之間，呈東西向帶狀分布，其東脊點(diǎn)向東伸展至105°E附近，南亞高壓偏強(qiáng)偏東的特征使得包括湖南在內(nèi)的中國(guó)南部大部分地區(qū)高空為輻散型環(huán)流區(qū)。與此相反，在中斷位相，低頻200 hPa在南亞高壓為負(fù)異常大值區(qū)，表明南亞高壓在中斷位相明顯偏弱。濾波前的南亞高壓雖仍為東西向帶狀分布，但與活躍位相相比，南亞高壓的位置偏西且強(qiáng)度偏弱，湖南地區(qū)上空輻散氣流不顯著。西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)是東亞地區(qū)底層最重要的環(huán)流系統(tǒng)，副高位置和強(qiáng)度的變化對(duì)中國(guó)地區(qū)的降水有很大影響(龔道溢和何學(xué)兆，2002；劉還珠等，2006；趙平和周秀驥，2006；王黎娟等，2009；張玲和智協(xié)飛，2010)，在未濾波的500 hPa 形勢(shì)場(chǎng)上以5880 gpm 線來(lái)表示副高范圍?？梢钥吹皆诨钴S位相(圖4c)，經(jīng)過(guò)濾波后的500 hPa 位勢(shì)高度低頻分量在副高位置為顯著的大值區(qū)，表明副高在活躍位相明顯偏強(qiáng)，由濾波前副高5880 gpm 線的位置可見(jiàn)，副高主體位于10°M 以北，向北延伸到30°M，副高向西能夠延伸到110°E 以西，使得副高西側(cè)的西南氣流，能夠?qū)⑺斔偷胶系貐^(qū)，從而有利于當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生降水過(guò)程。與此相反，在中斷位相(圖4d)，副高東移到120°E 附近，偏南風(fēng)高值帶向東偏移，副高西南側(cè)的西南氣流向東偏移，不利于水汽在湖南地區(qū)累積。副高這種偏東偏弱的特征和中斷位相時(shí)南亞高壓的位置和強(qiáng)度是對(duì)應(yīng)的。

圖4 濾波前(等值線)和濾波后(陰影)降水極端位相200 hPa(a,b)和500 hPa(c,d)位勢(shì)高度合成圖(單位:gpm;a,c為活躍位相;b,d為中斷位相)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).

前面給出低頻強(qiáng)降水活躍和中斷位相時(shí)，其對(duì)應(yīng)低頻環(huán)流的變化。接下來(lái)進(jìn)一步分析低頻降水的8個(gè)位相，從而找出影響湖南地區(qū)低頻天氣系統(tǒng)的演變規(guī)律。圖5 給出與8個(gè)位相相對(duì)應(yīng)的低頻850 hPa 風(fēng)場(chǎng)和散度場(chǎng)的空間分布?？梢钥闯觯?位相(圖5a)表示從中斷位相向活躍位相轉(zhuǎn)變，從開(kāi)始的第2 位相(圖5b)，西太平洋副高位置的低頻反氣旋開(kāi)始建立，并在第3 位相(圖5c)得到增強(qiáng)，其西南側(cè)西南暖濕氣流旺盛，并為湖南地區(qū)帶來(lái)充沛水汽，同時(shí)配合北部河套地區(qū)多短波槽活動(dòng)，推動(dòng)冷空氣向南輸送，冷暖交匯在湖南地區(qū)交匯形成強(qiáng)烈的輻合上升氣流。第4和5位相(圖5d—e)西太平洋低頻反氣旋開(kāi)始減弱，并在第6 位相(圖5f)轉(zhuǎn)為低頻反氣旋，抑制暖濕氣流北上，北部河套地區(qū)也逐漸轉(zhuǎn)為弱脊影響，到第7位相(圖5g)西太位置的副高低頻氣旋和北部高壓脊達(dá)到最強(qiáng)，湖南地區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的輻散場(chǎng)不利于強(qiáng)降水的發(fā)生，第8位相(圖5h)表示活躍位相向趨于結(jié)束。

另外有研究指出，強(qiáng)降水對(duì)低空氣流非常敏感，低空氣流的微小變化會(huì)造成水汽輸送的巨大變化，從而直接影響降水強(qiáng)度的變化(林昕等，2014；于超和賀靚，2016)。來(lái)自中高緯和低緯的低頻信號(hào)的疊加并配合低頻水汽輸送共同影響了環(huán)流異常的低頻變化(胡欣和蘇華，1999；顧清源等，2009；徐娟和陳勇明，2013；苗芮和溫敏，2017；章毅之等，2017)。圖6 為850 hPa低頻V風(fēng)和和低頻比濕沿105°—110°E平均的緯度-位相剖面，從中可見(jiàn)，從第1 位相開(kāi)始，20°M 左右開(kāi)始出現(xiàn)經(jīng)向風(fēng)正異常，并且隨位相增加。到極端活躍位相(第3位相)20°M附近存在一個(gè)明顯的低頻南風(fēng)高值區(qū)，為急流軸正前方輸送了大量的暖濕氣流，在其北側(cè)30°M 附近則是北風(fēng)高值區(qū)，對(duì)應(yīng)冷空氣南下，兩個(gè)大值區(qū)之間形成強(qiáng)烈的風(fēng)場(chǎng)輻合，并產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)。配合比濕場(chǎng)看，該區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)明顯的低頻比濕高值區(qū)，有充沛的水汽條件，該區(qū)正是湖南地區(qū)所在緯度范圍，該形勢(shì)與降水活躍期相對(duì)應(yīng)。隨著位相的變化，這種中高緯的特征也在發(fā)生變化，到極端中斷位相(第7 位相)時(shí)，其形勢(shì)與活躍位相相反，湖南以北被顯著低頻南風(fēng)控制，以南則被低頻北風(fēng)所控制，從而在湖南地區(qū)形成強(qiáng)烈的風(fēng)場(chǎng)輻散和下沉氣流，配合比濕場(chǎng)看，該區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)明顯的低頻比濕低值區(qū)，水汽條件不充沛，對(duì)應(yīng)降水中斷期。此外，隨著位相的演變，低頻南北風(fēng)高值區(qū)皆有明顯的北傳特征。由此可見(jiàn)，湖南省低頻強(qiáng)降水的發(fā)生與低頻環(huán)流關(guān)系密切，因此基于低頻環(huán)流建立的指數(shù)，能夠很好的表征湖南省低頻強(qiáng)降水。

圖5 850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)(箭頭,單位:m·s-1)及其低頻散度場(chǎng)(陰影,單位:10-5s-1)在強(qiáng)低頻振蕩年的8個(gè)位相的空間分布(圖a—h分別表示1—8位相,紅框?yàn)殛P(guān)鍵區(qū))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).

圖6 強(qiáng)低頻振蕩年850 hPa低頻V風(fēng)(等值線,單位:m·s-1)和低頻比濕(陰影,單位:g·kg-1)沿105°—110°E平均的緯度-位相剖面(箭頭指示低頻V風(fēng)高值區(qū)北傳特征)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 延伸期強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)指數(shù)

從前文分析可知，河套地區(qū)的短波槽活動(dòng)和西太平洋副高的變化是影響湖南強(qiáng)降水過(guò)程的兩個(gè)主要低頻系統(tǒng)。將圖5中第3位相中北部短波槽和低頻反氣旋北部所在位置定義為兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)，即河套關(guān)鍵區(qū)(95°—110°E，35°—45°M)和東海關(guān)鍵區(qū)(115°—130°E，23°—30°M)，不難發(fā)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的散度場(chǎng)高度一致且隨位相變化存在明顯的周期振蕩，具體表現(xiàn)為：對(duì)于河套地區(qū)，從第1至3位相，輻合逐漸增強(qiáng)，在第3位相達(dá)到最強(qiáng)，當(dāng)?shù)降? 位相時(shí)，輻合減弱，第5 位相轉(zhuǎn)為弱的輻散，第6 至7 位相，輻散增強(qiáng)，東海關(guān)鍵區(qū)的散度和河套地區(qū)相反，這為建立湖南地區(qū)延伸期強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)指數(shù)提供了基礎(chǔ)。因此本文選擇這兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的散度構(gòu)造湖南延伸期強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)指數(shù)I

其中div表示低層850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)散度，首先對(duì)其進(jìn)行30～60 d 帶通濾波(以“'”表示)，然后對(duì)所選的區(qū)域進(jìn)行平均(以“[]”表示)，最后對(duì)平均的低頻序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(以“*”表示)，下標(biāo)數(shù)字分別代表兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)(“1”表示河套關(guān)鍵區(qū)，“2”表示東海關(guān)鍵區(qū))。圖7計(jì)算了低頻振蕩的顯著年汛期逐日降水和預(yù)報(bào)指數(shù)的超前相關(guān)，發(fā)現(xiàn)在低頻振蕩的顯著年，I與滯后6～28 d的湖南平均日降水量有一定的正相關(guān)性，其中I與滯后15～22 d 的湖南平均日降水量的正相關(guān)最顯著，通過(guò)置信度為99%的顯著性檢驗(yàn)，即I越大，其后15～22 d的湖南平均日降水量越強(qiáng)。由于I也具有顯著的周期振蕩特征，從理論上講，當(dāng)I達(dá)到極大值時(shí)，其后16～22 d的湖南平均日降水量也應(yīng)達(dá)到極大值，從而表明湖南發(fā)生強(qiáng)降水的可能性最大，但是實(shí)際情況并非每次I達(dá)到極大值與日降水量達(dá)到極大值相對(duì)應(yīng)。對(duì)低頻振蕩顯著年所有強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，81.8%的強(qiáng)降水過(guò)程I均超過(guò)0.7(11次強(qiáng)降水過(guò)程中有9次I超過(guò)0.7)，因此，根據(jù)對(duì)強(qiáng)降水過(guò)程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果將I=0.7 作為強(qiáng)降水過(guò)程是否發(fā)生的閾值，即當(dāng)I≥0.7時(shí)，其后15～22 d湖南發(fā)生強(qiáng)降水的可能性最大。

圖7 湖南省延伸期預(yù)報(bào)指數(shù)I 與湖南平均日降水量的超前相關(guān)系數(shù)(虛線表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)置信度99%檢驗(yàn)的閾值)Fig.7Leading correlation between Extended-Range Forecast index and daily precipitation over Hunan Province(Dotted line indicates the 99% significance level).

根據(jù)上文定義的預(yù)報(bào)指數(shù)，對(duì)強(qiáng)低頻振蕩年(1994、1996、1998、1999、2002年)汛期的11 次強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行回報(bào)(表1)，除了1994年的一次強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)時(shí)段比實(shí)際發(fā)生時(shí)段較晚，以及在1999 和2002年分別有一次過(guò)程漏報(bào)外，其余8次過(guò)程均預(yù)報(bào)正確，準(zhǔn)確率達(dá)到73%，預(yù)報(bào)效果良好，說(shuō)明該指數(shù)在強(qiáng)低頻振蕩年，對(duì)后期15～22 d 的強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)有一定的參考指示價(jià)值。

表1 基于湖南省汛期的延伸期預(yù)報(bào)指數(shù)對(duì)低頻降水顯著年汛期強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)Table 1 Estimation of forecasted heavy rainfall in strong low oscillated year over Hunan Province based on Extended-Range Forecast index.

盡管基于低頻系統(tǒng)的指數(shù)對(duì)湖南省汛期強(qiáng)降水過(guò)程有很好的指示作用，但仍然在一些不足，該指數(shù)僅僅適用于30～60 d 低頻降水顯著年，但是如何根據(jù)前期的環(huán)流特征，提前判斷該年夏季降水是否具有顯著的30～60 d低頻振蕩特征是一個(gè)難點(diǎn)。前人研究發(fā)現(xiàn)，熱帶低緯地區(qū)和中國(guó)近海的海溫異常對(duì)我國(guó)夏季降水的季節(jié)內(nèi)振蕩有顯著影響(李麗平等，2018)。李崇銀(1997)的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前期黑潮地區(qū)的海溫異常偏暖時(shí)，通過(guò)海氣相互作用從而激發(fā)大氣中的30～60 d 的低頻振蕩。因此本文計(jì)算了1986—2015年湖南汛期30～60 d 低頻降水方差貢獻(xiàn)率與前期太平洋海溫的相關(guān)系數(shù)(圖8)，從中可見(jiàn)，在前期4月份，黑潮區(qū)域海溫與湖南汛期30～60 d 低頻降水方差呈顯著的正相關(guān)，且通過(guò)置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)，即當(dāng)4月黑潮區(qū)域海溫偏高時(shí)，湖南汛期降水的30～60 d 振蕩偏強(qiáng)，這與前人的研究結(jié)果是一致的(丁良模等，1985；張?zhí)煊畹龋?007；吳志彥等，2008)。根據(jù)前期4月黑潮區(qū)海溫異常偏高判斷得到的低頻降水顯著年為1998、1999、2001、2002年，其中有3 a 與選取的低頻降水顯著年是一致的，由此可見(jiàn)前期4月的海溫異常偏高確實(shí)可以為湖南地區(qū)低頻降水顯著年的判斷提供一定的參考依據(jù)，但具體的機(jī)制需后期進(jìn)行更加深入的研究。

圖8 1986—2015年4月太平洋海溫和湖南汛期30～60 d低頻降水方差的相關(guān)系數(shù)分布(陰影為通過(guò)置信度為95%的顯著性檢驗(yàn))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 結(jié)論

本文利用1986—2015年湖南逐日降水資料以及同期MCEP/MCAR 再分析資料，通過(guò)分析強(qiáng)低頻振蕩年汛期降水特征和低頻環(huán)流場(chǎng)演變特征，建立了湖南省汛期延伸期強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)指數(shù)，得到結(jié)論如下：

(1)通過(guò)對(duì)逐次強(qiáng)降水過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)，1986—2015年汛期33%次強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生在具有顯著30～60 d低頻振蕩特征年，且大多位于低頻降水峰值階段，且30 a中降水偏多年30～60 d低頻周期出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)大于偏少年，說(shuō)明30～60 d 低頻振蕩與強(qiáng)降水存在一定的聯(lián)系。

(2)對(duì)5 a 強(qiáng)低頻振蕩年進(jìn)行位相合成發(fā)現(xiàn)，在活躍位相，中高層的南亞高壓偏強(qiáng)偏東，湖南上空被輻散型環(huán)流控制。與此相反，在中斷位相南亞高壓的位置偏西且強(qiáng)度偏弱，湖南地區(qū)上空輻散氣流不顯著。在低層，活躍位相副高明顯偏西偏強(qiáng)，副高西側(cè)的西南氣流將水汽輸送到湖南地區(qū)，從而為強(qiáng)降水提供水汽條件。而在中斷位相，副高偏弱偏東，隨之副高西側(cè)的西南偏東，不利于水汽向湖南地區(qū)輸送。

(3)影響湖南省強(qiáng)降水的兩個(gè)低頻系統(tǒng)一個(gè)位于河套地區(qū)，另一個(gè)位于西太平洋。在活躍位相，西太平洋低頻反氣旋建立并增強(qiáng)，伴隨低頻南風(fēng)為湖南地區(qū)帶來(lái)充沛水汽，配合北部河套地區(qū)多短波槽活動(dòng)，帶動(dòng)冷空氣南下，冷暖交匯在湖南地區(qū)形成強(qiáng)烈的輻合上升氣流。在中斷位相，西太平洋低頻反氣旋減弱并轉(zhuǎn)為低頻反氣旋，抑暖濕氣流北上，北部也逐漸轉(zhuǎn)為弱脊影響，當(dāng)西太低頻氣旋和北部高壓脊達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，湖南地區(qū)形成強(qiáng)烈的風(fēng)場(chǎng)輻散和下沉氣流，對(duì)應(yīng)降水中斷期。此外，隨著位相的演變，低頻南北風(fēng)高值區(qū)皆有明顯的北傳特征。

(4)基于低層風(fēng)和散度不同位相的特征，選取了影響湖南省低頻降水的兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)，從而構(gòu)造了湖南延伸期強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)指數(shù)。并對(duì)低頻降水顯著振蕩年的汛期強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行回報(bào)，發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到73%，預(yù)報(bào)效果良好，該指數(shù)對(duì)后期15～22 d 的強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)有一定的預(yù)報(bào)價(jià)值。