2020年主汛期贵州低频区域强降水过程特征及可预报性分析

2020年主汛期(6—8月)贵州区域强降水过程期间雨带自东北向西南方向逐步推进，直至发展到峰值位相，而后由东南向西北方向收缩，直至整个区域降水过程结束，总降水量与常年同期相比，大部分地区正常—偏多，局地多至近8～9成。同期的区域强降水过程强度较大、频率较高，主汛期逐日降水具有较强的6～12 d低频特征，尤其在降水量最为集中的6月下旬—7月中旬时段，其范围和强度具有显著的极端性特征。CFSv2模式降水产品对2020年主汛期贵州低频区域强降水过程的预报在提前7～10 d时段效果较好，表现在模式预报与降水实况低频过程特征的相似性和误差稳定性。

1 资料和方法

观测资料采用贵州省气象信息中心提供的全省84个国家气象观测站2020年6—8月逐日降水量(20—20时)资料。模式资料采用2020年6月11日—20日12时(UTC)逐日发布的CFSv2模式输出的逐日降水预报产品，其预报时间分辨率为6 h，每日预报4次(00时、06时、12时和18时)，每日有4个样本，空间分辨率为0.9°×0.9°。

低频区域强降水过程定义：本文规定，全省84个监测站点中，有10站(及以上)日降水指数(日降水量去掉季节循环和高频天气时间尺度后进行6～12 d带通滤波，再进行标准化处理，记为“日降水指数”)达1.5以上时，称为一个强降水日。当连续2个或以上的强降水日为一次强降水过程(其中连续2个强降水日后中间允许间断一天，且间断期间至少有1个站日降水指数≥1.5)；如果过程持续间断1 d以上或未有站点降水指数达到1.5则过程结束。

2 降水实况

如图1(a)，2020年主汛期贵州总降水量在370.1～1 140.1 mm之间，较常年同期偏多4成左右，呈南北多、中部少的分布形式，有4个降水中心，分别位于三都、紫云、晴隆和松桃站，总降水量均超过900 mm。如图1(b)，与常年同期相比，大部分地区正常—偏多，其中遵义市中北部和播州、铜仁市东北部、黔东南州西南部、黔南州中南部、安顺市中南部、黔西南州晴隆和望谟、黔西、修文等地偏多20%以上，湄潭和石阡偏少20%以上。如图1(c)，全省逐日平均降水量超过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过100%的天数有21 d，尤其在7月9日，达368.4%，7月下旬—8月下旬主要以负距平百分率为主。上述分析表明，2020年主汛期贵州降水总体偏多，尤其在省之东南部、南部、北部和东北部地区，降水集中期主要在6月上旬—7月中旬，日平均降水量的极端性较强。

3 低频区域强降水过程

3.1 主汛期降水的周期特征

如图2，2020年主汛期贵州降水的显著周期集中在6～12 d左右，最显著周期为9 d，除省之东北部、东部、中部、西南部和西北部局地降水的显著周期在6 d以下(共7站，占9%)，中部以东局地降水的显著周期在12 d以上(共9站，占11%)，其余大部分地区降水的显著周期均集中在6～12 d(共60站，占74%)，其中贵阳、 松桃、 黔西、贵定、从江5站降水的功率谱周期未通过0.05信度检验。以上功率谱周期特征分析说明2020年主汛期贵州降水具有6～12 d显著的低频振荡特征。

图2 2020年主汛期贵州降水的(a)功率谱周期值(黑线：谱值；蓝线：0.05信度检验；红线：0.01信度检验)和(b)功率谱最显著周期的空间分布

3.2 低频区域强降水过程的极端性特征

按照本文对低频区域强降水过程的定义，对2020年主汛期贵州2020年主汛期贵州省低频区域性强降水过程进行统计，在6月下旬—7月下旬共计发生4次低频区域强降水过程(6月22—24日、6月29日—7月2日、7月8—11日和7月18—20日)。如图3(a、b)，从2020年4次低频区域降水过程对应的原始降水量和降水强度占主汛期总降水量和降水强度的百分比的空间分布可以看出，低频区域降水过程降水量占比和降水强度倍数均呈东多西少的分布，由中部以东向北向西向南呈阶梯状逐渐减小，大值区都主要分布在黔南州中部以北和黔东南州北部，低频降水过程降水量占主汛期总降水量的16.6%～68.8%，而降水强度倍数达1.1～4.5倍(全省大部地区均在2倍以上)，表明低频区域降水过程对应的降水量远小于夏季降水，但持续性的低频区域降水过程的降水强度较强。同期发生的4次区域暴雨过程(6月23—24日、6月30日—7月2日、7月8—9日和7月18—19日)覆盖范围均较广(暴雨站数在20～33站之间)、强度均较强(强度指数在303.4～486.5之间)，在2020年主汛期区域暴雨过程排位中分别位于第1、2、4和6位；同期出现的极端日降水站次为9站次(惠水、赤水、江口、黄平、台江、雷山、三都、都匀、紫云)，占主汛期极端日降水总站次的64%。通过上述分析，虽然2020年主汛期低频降水过程的降水量远小于主汛期降水量，但降水强度却远大于主汛期降水强度，表明低频区域降水过程在范围和强度上的极端性特征。

图3 2020年主汛期贵州低频区域降水过程的(a)降水量和(b)降水强度占总降水量和降水强度的百分比(单位：%)和倍数的空间分布、(c)同期区域暴雨过程天数的空间分布

3.3 低频区域强降水过程位相划分

为反映2020年主汛期贵州低频区域降水过程期间降水异常的演变过程，将±1.5分别作为划分降水指数位相的标准临界阈值划分出6个位相(图4)，分别对低频区域降水过程的不同降水异常阶段，第1位相为降水指数发展位相，第2位相为降水指数峰值位相，第3位相为降水指数减弱位相，第4位相为降水指数抑制位相，第5位相为降水指数谷值位相和第6位相为降水指数恢复位相。

图4 低频区域降水过程的降水指数位相示意图

对2020年主汛期贵州4次低频降水过程期间的降水指数进行位相划分，如图5，从第1位相的省之北部降水异常偏多开始，向南向西发展至第2位相的全省性降水偏多，尤其在省之中部以东以南地区，此时降水偏多达到最大值，对应区域强降水过程的峰值位相。而后，在第3位相降水偏多区域减小、强度减弱，雨带南压至省之南部一线，从第4～5位相，降水偏少区域逐步扩大，由省之中部以东以南地区扩大至除北部地区外的全省大部地区，此时降水偏少达到最大值，对应区域强降水过程的谷值位相。到第6位相时，降水偏多区域又从省之北部开始，周而复始的重复第1位相至第6位相的区域降水过程的发生发展过程。通过上述分析，可知2020年主汛期贵州低频区域强降水过程期间雨带自东北向西南方向逐步推进，直至发展到峰值位相，而后由东南向西北方向收缩，直至整个区域降水过程结束。

图5 2020年主汛期贵州低频降水过程1～6位相降水距平百分率的空间分布

4 CFSv2对主汛期低频区域强降水过程的可预报性

通过评估CFSv2对低频区域强降水过程的可预报性，有利于得到区域强降水过程的延伸期预报概率信息。如图6(a、b)，分别计算了模式提前1～10 d的降水与观测降水二者6～12 d滤波值的相关系数和均方根误差，可以发现模式对贵州主汛期低频区域强降水过程的可预报性波动较大，尤其在提前1～6 d时段，但在提前7～10 d时段可预报性较强、且较稳定，不仅表现为模式预报与降水实况低频过程特征的相似性较好，还表现为二者之间的误差较为稳定。如图6(c、d)，选取模式预报提前5 d和10 d预报效果较好的预报产品进一步分析，发现模式预报降水产品在6～12 d滤波后的可预报性大大提高，其与实况降水滤波值的相关系数由0.4提高至0.7(0.05信度检验)。通过以上分析，CFSv2对2020年主汛期贵州低频区域强降水过程的具有较好的预报效果，尤其在提前7～10 d时段，虽然模式预报存在系统性偏差，但偏差较小、较稳定。

图6 2020年6月21日—7月25日CFSv2.0模式提前1～10 d的降水预报产品与观测降水(6～12 d滤波值)的(a)相关系数、(b)均方根误差(-：表示提前)、CFSv2.0模式提前10 d、5 d的(c)降水预报产品与降水实况和(d)二者6～12 d滤波值的时间序列