2020年主汛期貴州低頻區域強降水過程特征及可預報性分析

2020年主汛期(6—8月)貴州區域強降水過程期間雨帶自東北向西南方向逐步推進，直至發展到峰值位相，而后由東南向西北方向收縮，直至整個區域降水過程結束，總降水量與常年同期相比，大部分地區正常—偏多，局地多至近8～9成。同期的區域強降水過程強度較大、頻率較高，主汛期逐日降水具有較強的6～12 d低頻特征，尤其在降水量最為集中的6月下旬—7月中旬時段，其范圍和強度具有顯著的極端性特征。CFSv2模式降水產品對2020年主汛期貴州低頻區域強降水過程的預報在提前7～10 d時段效果較好，表現在模式預報與降水實況低頻過程特征的相似性和誤差穩定性。

1 資料和方法

觀測資料采用貴州省氣象信息中心提供的全省84個國家氣象觀測站2020年6—8月逐日降水量(20—20時)資料。模式資料采用2020年6月11日—20日12時(UTC)逐日發布的CFSv2模式輸出的逐日降水預報產品，其預報時間分辨率為6 h，每日預報4次(00時、06時、12時和18時)，每日有4個樣本，空間分辨率為0.9°×0.9°。

低頻區域強降水過程定義：本文規定，全省84個監測站點中，有10站(及以上)日降水指數(日降水量去掉季節循環和高頻天氣時間尺度后進行6～12 d帶通濾波，再進行標準化處理，記為“日降水指數”)達1.5以上時，稱為一個強降水日。當連續2個或以上的強降水日為一次強降水過程(其中連續2個強降水日后中間允許間斷一天，且間斷期間至少有1個站日降水指數≥1.5)；如果過程持續間斷1 d以上或未有站點降水指數達到1.5則過程結束。

2 降水實況

如圖1(a)，2020年主汛期貴州總降水量在370.1～1 140.1 mm之間，較常年同期偏多4成左右，呈南北多、中部少的分布形式，有4個降水中心，分別位于三都、紫云、晴隆和松桃站，總降水量均超過900 mm。如圖1(b)，與常年同期相比，大部分地區正常—偏多，其中遵義市中北部和播州、銅仁市東北部、黔東南州西南部、黔南州中南部、安順市中南部、黔西南州晴隆和望謨、黔西、修文等地偏多20%以上，湄潭和石阡偏少20%以上。如圖1(c)，全省逐日平均降水量超過10 mm的日期主要在6月上旬—7月中旬，同期全省逐日平均降水量距平百分率超過100%的天數有21 d，尤其在7月9日，達368.4%，7月下旬—8月下旬主要以負距平百分率為主。上述分析表明，2020年主汛期貴州降水總體偏多，尤其在省之東南部、南部、北部和東北部地區，降水集中期主要在6月上旬—7月中旬，日平均降水量的極端性較強。

3 低頻區域強降水過程

3.1 主汛期降水的周期特征

如圖2，2020年主汛期貴州降水的顯著周期集中在6～12 d左右，最顯著周期為9 d，除省之東北部、東部、中部、西南部和西北部局地降水的顯著周期在6 d以下(共7站，占9%)，中部以東局地降水的顯著周期在12 d以上(共9站，占11%)，其余大部分地區降水的顯著周期均集中在6～12 d(共60站，占74%)，其中貴陽、 松桃、 黔西、貴定、從江5站降水的功率譜周期未通過0.05信度檢驗。以上功率譜周期特征分析說明2020年主汛期貴州降水具有6～12 d顯著的低頻振蕩特征。

圖2 2020年主汛期貴州降水的(a)功率譜周期值(黑線：譜值；藍線：0.05信度檢驗；紅線：0.01信度檢驗)和(b)功率譜最顯著周期的空間分布

3.2 低頻區域強降水過程的極端性特征

按照本文對低頻區域強降水過程的定義，對2020年主汛期貴州2020年主汛期貴州省低頻區域性強降水過程進行統計，在6月下旬—7月下旬共計發生4次低頻區域強降水過程(6月22—24日、6月29日—7月2日、7月8—11日和7月18—20日)。如圖3(a、b)，從2020年4次低頻區域降水過程對應的原始降水量和降水強度占主汛期總降水量和降水強度的百分比的空間分布可以看出，低頻區域降水過程降水量占比和降水強度倍數均呈東多西少的分布，由中部以東向北向西向南呈階梯狀逐漸減小，大值區都主要分布在黔南州中部以北和黔東南州北部，低頻降水過程降水量占主汛期總降水量的16.6%～68.8%，而降水強度倍數達1.1～4.5倍(全省大部地區均在2倍以上)，表明低頻區域降水過程對應的降水量遠小于夏季降水，但持續性的低頻區域降水過程的降水強度較強。同期發生的4次區域暴雨過程(6月23—24日、6月30日—7月2日、7月8—9日和7月18—19日)覆蓋范圍均較廣(暴雨站數在20～33站之間)、強度均較強(強度指數在303.4～486.5之間)，在2020年主汛期區域暴雨過程排位中分別位于第1、2、4和6位；同期出現的極端日降水站次為9站次(惠水、赤水、江口、黃平、臺江、雷山、三都、都勻、紫云)，占主汛期極端日降水總站次的64%。通過上述分析，雖然2020年主汛期低頻降水過程的降水量遠小于主汛期降水量，但降水強度卻遠大于主汛期降水強度，表明低頻區域降水過程在范圍和強度上的極端性特征。

圖3 2020年主汛期貴州低頻區域降水過程的(a)降水量和(b)降水強度占總降水量和降水強度的百分比(單位：%)和倍數的空間分布、(c)同期區域暴雨過程天數的空間分布

3.3 低頻區域強降水過程位相劃分

為反映2020年主汛期貴州低頻區域降水過程期間降水異常的演變過程，將±1.5分別作為劃分降水指數位相的標準臨界閾值劃分出6個位相(圖4)，分別對低頻區域降水過程的不同降水異常階段，第1位相為降水指數發展位相，第2位相為降水指數峰值位相，第3位相為降水指數減弱位相，第4位相為降水指數抑制位相，第5位相為降水指數谷值位相和第6位相為降水指數恢復位相。

圖4 低頻區域降水過程的降水指數位相示意圖

對2020年主汛期貴州4次低頻降水過程期間的降水指數進行位相劃分，如圖5，從第1位相的省之北部降水異常偏多開始，向南向西發展至第2位相的全省性降水偏多，尤其在省之中部以東以南地區，此時降水偏多達到最大值，對應區域強降水過程的峰值位相。而后，在第3位相降水偏多區域減小、強度減弱，雨帶南壓至省之南部一線，從第4～5位相，降水偏少區域逐步擴大，由省之中部以東以南地區擴大至除北部地區外的全省大部地區，此時降水偏少達到最大值，對應區域強降水過程的谷值位相。到第6位相時，降水偏多區域又從省之北部開始，周而復始的重復第1位相至第6位相的區域降水過程的發生發展過程。通過上述分析，可知2020年主汛期貴州低頻區域強降水過程期間雨帶自東北向西南方向逐步推進，直至發展到峰值位相，而后由東南向西北方向收縮，直至整個區域降水過程結束。

圖5 2020年主汛期貴州低頻降水過程1～6位相降水距平百分率的空間分布

4 CFSv2對主汛期低頻區域強降水過程的可預報性

通過評估CFSv2對低頻區域強降水過程的可預報性，有利于得到區域強降水過程的延伸期預報概率信息。如圖6(a、b)，分別計算了模式提前1～10 d的降水與觀測降水二者6～12 d濾波值的相關系數和均方根誤差，可以發現模式對貴州主汛期低頻區域強降水過程的可預報性波動較大，尤其在提前1～6 d時段，但在提前7～10 d時段可預報性較強、且較穩定，不僅表現為模式預報與降水實況低頻過程特征的相似性較好，還表現為二者之間的誤差較為穩定。如圖6(c、d)，選取模式預報提前5 d和10 d預報效果較好的預報產品進一步分析，發現模式預報降水產品在6～12 d濾波后的可預報性大大提高，其與實況降水濾波值的相關系數由0.4提高至0.7(0.05信度檢驗)。通過以上分析，CFSv2對2020年主汛期貴州低頻區域強降水過程的具有較好的預報效果，尤其在提前7～10 d時段，雖然模式預報存在系統性偏差，但偏差較小、較穩定。

圖6 2020年6月21日—7月25日CFSv2.0模式提前1～10 d的降水預報產品與觀測降水(6～12 d濾波值)的(a)相關系數、(b)均方根誤差(-：表示提前)、CFSv2.0模式提前10 d、5 d的(c)降水預報產品與降水實況和(d)二者6～12 d濾波值的時間序列