湖南省汛期強(qiáng)降水的30～60d低頻振蕩特征及延伸期預(yù)報(bào)指數(shù)研究

周莉 ，蘭明才 ，蔡榮輝 ，姚蓉

(1.湖南省氣象臺，長沙410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙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)又是長期氣候變化的主要信號，因此可以作為延伸期天氣過程預(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)場對上海地區(qū)未來15 d 降水過程有較好的指示作用。孫國武等(2013)通過使用低頻天氣圖分析關(guān)鍵區(qū)低頻天氣系統(tǒng)的活動特征，從而進(jìn)行延伸期降水過程預(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對長江中下游大范圍強(qiáng)降水過程預(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，可以改善對低頻降水的擬合效果。因此，通過分析與降水相關(guān)的不同環(huán)流因子的低頻信號，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，但在目前國內(nèi)的中期延伸期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，無論在低頻系統(tǒng)的指標(biāo)信息還是在低頻系統(tǒng)(指標(biāo))的動力(天氣預(yù)報(bào)模式)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)中均沒有開展相關(guān)的工作。因此如何根據(jù)我國不同地區(qū)的天氣氣候特點(diǎn)，開展相關(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，形成朝東北開口的不對稱馬蹄形。受季風(fēng)氣候和特殊地形的相互作用，強(qiáng)降水過程在湖南地區(qū)頻繁發(fā)生，并帶來一系列災(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)對強(qiáng)降水成因的認(rèn)識，從而提高氣象部門的預(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展了湖南省雨季強(qiáng)降水過程的預(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 資料來源與研究方法

所用的資料有：(1)湖南省內(nèi)88個(gè)國家基本氣象站1986—2015年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)(剔除資料長度不夠的站點(diǎn)和高山站)，來源于湖南省信息中心；(2)環(huán)流資料來自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)間長度為1986—2015年。

對于一次大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水過程的確定，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)臺站的日降水量大于等于50 mm，同時(shí)至少有1個(gè)臺站的日降水量大于等于100 mm，另外，若兩次強(qiáng)降水過程的間隔時(shí)間小于2 d(包含2 d)，則視其為一次強(qiáng)降水過程。

在對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 帶通濾波器對逐日降水和環(huán)流場進(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)研究指出長江中下游多年的大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水過程與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)，對主汛期前后各延長一個(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)度來看，這5 a 主汛期(5—7月)30～60 d低頻降水分量對于實(shí)際降水的貢獻(xiàn)率皆超過20%，其中，1998年和2002年低頻降水分量對于實(shí)際降水的貢獻(xiàn)率最大，分別達(dá)到35.3%和36.4%。

此外，對1986—2015年汛期所有的強(qiáng)降水過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總共發(fā)生33次強(qiáng)降水過程，其中11次過程發(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)降水過程與低頻振蕩存在一定的聯(lián)系，其余22次過程發(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)流場演變特征

首先對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 形勢進(jìn)行合成(圖4)。南亞高壓是影響我國東部降水的主要環(huán)流系統(tǒng)，其低頻振蕩信號對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 高度場的空間結(jié)構(gòu)相反。在活躍位相，經(jīng)過濾波后的200 hPa 位勢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)度的變化對中國地區(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 形勢場上以5880 gpm 線來表示副高范圍?？梢钥吹皆诨钴S位相(圖4c)，經(jīng)過濾波后的500 hPa 位勢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，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)，其對應(yīng)低頻環(huán)流的變化。接下來進(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)位相相對應(yīng)的低頻850 hPa 風(fēng)場和散度場的空間分布。可以看出，第1位相(圖5a)表示從中斷位相向活躍位相轉(zhuǎn)變，從開始的第2 位相(圖5b)，西太平洋副高位置的低頻反氣旋開始建立，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)帶來充沛水汽，同時(shí)配合北部河套地區(qū)多短波槽活動，推動冷空氣向南輸送，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)降水對低空氣流非常敏感，低空氣流的微小變化會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)。來自中高緯和低緯的低頻信號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，從第1 位相開始，20°M 左右開始出現(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)場輻合，并產(chǎn)生上升運(yùn)動。配合比濕場看，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，該形勢與降水活躍期相對應(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)場輻散和下沉氣流，配合比濕場看，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，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(箭頭,單位:m·s-1)及其低頻散度場(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)的短波槽活動和西太平洋副高的變化是影響湖南強(qiáng)降水過程的兩個(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)降水過程預(yù)報(bào)指數(shù)I

其中div表示低層850 hPa低頻風(fēng)場散度，首先對其進(jìn)行30～60 d 帶通濾波(以“'”表示)，然后對所選的區(qū)域進(jìn)行平均(以“[]”表示)，最后對平均的低頻序列進(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)到極大值相對應(yīng)。對低頻振蕩顯著年所有強(qiáng)降水過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，81.8%的強(qiáng)降水過程I均超過0.7(11次強(qiáng)降水過程中有9次I超過0.7)，因此，根據(jù)對強(qiáng)降水過程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果將I=0.7 作為強(qiáng)降水過程是否發(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)，對強(qiáng)低頻振蕩年(1994、1996、1998、1999、2002年)汛期的11 次強(qiáng)降水過程進(jìn)行回報(bào)(表1)，除了1994年的一次強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)時(shí)段比實(shí)際發(fā)生時(shí)段較晚，以及在1999 和2002年分別有一次過程漏報(bào)外，其余8次過程均預(yù)報(bào)正確，準(zhǔn)確率達(dá)到73%，預(yù)報(bào)效果良好，說明該指數(shù)在強(qiáng)低頻振蕩年，對后期15～22 d 的強(qiáng)降水過程預(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)對低頻降水顯著年汛期強(qiáng)降水過程預(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)對湖南省汛期強(qiáng)降水過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)和中國近海的海溫異常對我國夏季降水的季節(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，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，通過分析強(qiáng)低頻振蕩年汛期降水特征和低頻環(huán)流場演變特征，建立了湖南省汛期延伸期強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)指數(shù)，得到結(jié)論如下：

(1)通過對逐次強(qiáng)降水過程分析發(fā)現(xiàn)，1986—2015年汛期33%次強(qiáng)降水過程發(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，說明30～60 d 低頻振蕩與強(qiáng)降水存在一定的聯(lián)系。

(2)對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)帶來充沛水汽，配合北部河套地區(qū)多短波槽活動，帶動冷空氣南下，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)場輻散和下沉氣流，對應(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)降水過程預(yù)報(bào)指數(shù)。并對低頻降水顯著振蕩年的汛期強(qiáng)降水過程進(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)對后期15～22 d 的強(qiáng)降水過程預(yù)報(bào)有一定的預(yù)報(bào)價(jià)值。