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江淮流域夏季雨量年际变率大(贾燕和管兆勇,2010),加之季节内降水时空分布不均匀(刘芸芸和丁一汇,2009;Sun et al.,2018),导致的异常降水会给人民的生产和生活带来严重损失,洪涝灾害更是给人民的生命安全造成威胁。因此,探究江淮流域夏季异常降水的预报关键区和前期信号对于提高预测水平、改善预报效果、保护人民的生命财产安全有十分重要的意义。前人针对江淮流域降水的成因进行了大量的分析,江淮流域夏季降水受不同高度上环流系统的影响。研究表明,西太平洋副热带高压的南北摆动与东西进退(Pan,2004;王黎娟等,2009),南亚高压的东进北抬(胡景高等,2010),Walk环流位置及强度的不同(王黎娟等,2014)及其南侧水汽输送的变化(王志毅等,2017;王黎娟等,2018,2020)都会造成江淮流域降水的差异。除了以上热带与副热带地区的影响系统外,中纬度地区的环流系统在江淮流域降水异常中也起到关键作用(Yang and Li,2003;王黎娟等,2019)。刘梅等(2014)的研究表明,2011年7月中旬江淮流域一次持续性降水过程的形成是在中高纬地区稳定的超长波背景下,受乌拉尔山地区槽前强暖平流与鄂霍茨克海地区稳定的阻塞高压相配合的作用,冷空气南下影响江淮流域,从而形成了该次强降水过程。杨连梅与张庆云(2007)认为,东亚西风急流Rossby波扰动动能也会影响中国东部夏季降水。Rossby波扰动动能的加强会导致东亚西风急流位置南移,强度加强,造成夏季梅雨锋的加强,导致江淮流域夏季降水多,华南与华北地区降水偏少。海温异常变化也与江淮流域降水存在密切关系(尹志聪和王亚非,2011;李业进和王黎娟,2016;王旭栋等,2017),中东太平洋海温的异常偏高(低)会导致江淮流域夏季降水偏多(少)。关于江淮流域降水的机理研究为预测工作提供了良好的理论基础,未来还需要将这些研究结果与业务工作相结合,在预报预测业务工作中展开应用。
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随着理论研究的丰富,预报水平不断提高,临近预报与短期天气预报取得了很大进步,预报准确率显著提高(宋善允等,2017),但是10~30d尺度的延伸期预报仍然是工作的短板(Baldwin et al.,2003;杨秋明,2008;朱玉祥等,2013),提高延伸期预测水平是完善无缝隙预报的重要环节。很多学者采用提取10~30d低频波段特征的方法将理论成果转化到预报工作中进行延伸期预测(Seo et al.,2009;Li et al.,2016)并取得了一定成果。孙国武等(2010)引入了低频天气图法,对2009年6—10月上海地区延伸期降水过程进行预测,该方法具有15~45d的预报时效。梁萍(2010)采用低频信号对梅雨区降水季节内振荡进行延伸期预报试验,该方法存在年际差异,预报效果与对应年份低频信号强度有关。基于低频方法进行预报具有很强的可操作性和实用性,但是现阶段针对低频方法的研究并不完善(梁萍,2010)。前人多是针对降水实况进行研究,而与低频环流相关性最强的仍是低频降水,因此有必要将低频降水单独作为研究对象,针对江淮流域夏季低频降水过程进行研究,探究江淮流域夏季低频降水的关键区和前期信号。
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1 资料与方法
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本文使用的资料包括:1)欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,简称ECMWF)提供的逐日高度场、风场及OLR场资料,水平分辨率为2.5°×2.5°,时段为1980年1月—2013年12月。2)中国气象局提供的全国753站逐日降水资料,时段为1980年1月—2013年12月。上述资料在文本中的选用时段均为1980—2013年6—8月。
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参考Ting and Wang(1997)对降水区域的划分方法,挑选江淮流域代表站。计算全国466个观测站1980—2013年夏季累积降水量的标准差,剔除高山站黄山站后,将江淮流域(110°~125°E,25°~35°N)累积降水变化率最大的安庆站作为基点,计算其与全国466站降水的单点相关系数,选取相关系数通过95%置信水平检验的区域,所选范围内通过检验的站点作为江淮流域的代表站。本文主要使用合成分析、相关分析及T检验等统计方法,探究江淮流域低频降水的关键区和前兆信号。
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2 江淮流域夏季10~30 d低频降水的关键区
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对1980—2013年夏季江淮流域10~30d低频降水方差与实际降水方差的标准化时间序列进行对比,二者变化趋势相近,相关系数达到0.78,江淮流域10~30d低频降水强度越大时,江淮流域夏季实际降水的变化也越大,其相对中断和集中也会更显著。可见,江淮流域10~30d低频降水的变化强度在江淮流域实际降水的变化中占重要地位。因此本文针对江淮流域10~30d低频降水的关键区和前期信号进行研究。
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2.1 江淮流域夏季10~30 d低频降水过程的选取
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参考曹鑫等(2012)选取江淮流域低频降水过程的方法,对1980—2013年江淮流域夏季降水逐年进行10~30d滤波后,选取低频降水量超过该年10~30d低频降水一个标准差的日期作为低频降水日。由于低频振荡的周期特性,所选低频降水过程应具有持续性,将低频降水发生持续3d及以上时间的过程记为一次低频降水过程。在1980—2013年间共发生低频降水过程97次。低频降水过程发生日记为1,低频降水过程中断日记为0,统计1980—2013年夏季江淮流域低频降水过程得到图1。从图1中可以看到,低频降水过程主要发生在6月中旬至7月下旬,低频降水过程的峰值时段出现在6月下旬至7月中上旬,8月江淮流域低频降水过程出现次数较6、7月少,这与江淮流域梅雨期降水的时段是一致的,也进一步证明了江淮流域10~30d低频降水可以反映实际降水的变化。
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2.2 江淮流域夏季10~30 d低频降水过程的预报关键区
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以上研究印证了江淮流域夏季10~30d低频降水是江淮流域夏季降水中重要的组成部分,其降水分布特征与江淮流域实际降水之间存在密切联系。有学者指出,青藏高原低频振荡会影响下游地区的降水(贺懿华等,2006;王跃男等,2009),夏季西太平洋副热带高压位置的东西变动也会给江淮流域降水带来变化(Wang et al.,2011,2012),那么青藏高原及不同纬度地区的大气环流与低频降水之间的联系是怎样的?除青藏高原之外,江淮流域夏季低频降水还与哪些大气环流系统的变化相联系?通过计算江淮流域夏季低频降水过程与青藏高原纬向风、500hPa位势高度及向外长波辐射的超前滞后相关分布,寻找影响低频降水过程的前期关键区。
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图1 1980—2013年夏季低频降水事件在不同日的发生频次(黑色实线为5点滑动平均后的值)
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Fig.1 The frequency of low-frequency precipitation events on different days during summer from 1980to 2013(the black solid line represents the value of 5points moving average)
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2.2.1 青藏高原风场关键区
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由于江淮流域低频降水事件持续天数存在差异,首先对江淮流域97次低频降水过程进行合成。合成方法如下:当一次低频降水过程持续n天时,取这次低频降水过程发生的n天要素平均作为此次低频降水过程的同期时段,计算其超前(滞后)要素场即将同期时段向前(向后)平移之后再进行平均。对97次江淮流域低频降水事件进行合成后得到其与200hPa低频纬向风的超前滞后相关系数(图略,在本文的描述中江淮流域低频降水过程发生的同期记为0d,超前低频降水过程发生9d记为-9d,滞后低频降水过程9d记为+9d,以此类推)。在超前江淮流域低频降水过程-9d时,自中纬度地区至中国东南部有相关中心呈波列形式存在,此阶段青藏高原东北部的低频反气旋相关和江淮流域的低频气旋相关中心强度最强。此后在江淮流域低频降水的-9~-3d时相关中心缓慢向东南方向移动。在-4d时位于波列上游的气旋相关中心到达青藏高原东北部,该相关中心开始不断发展加强,低频反气旋性相关中心向东南方向移动,影响江淮流域。江淮流域低频降水过程开始时(0d),青藏高原东北部的低频气旋相关中心到达江淮流域北部,其南侧主要表现为纬向风正相关,低频反气旋相关中心控制整个江淮流域及其以南地区,表示该时段江淮流域北部有低频西风增强,这一特征一直维持到江淮流域低频降水过程发生后的+3d。随后在+3~+9d(图2e—g),中纬度至江淮流域的相关中心继续向东南移动,位于青藏高原东北部的低频气旋性相关中心随之移动到江淮流域上空。在+6~+9d时,环流形势逐渐演变为与-9~-6d时的状态。
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为了印证上述分析,明确青藏高原关键区在江淮流域低频降水过程中的作用,图2给出了超前滞后江淮流域低频降水过程的200hPa低频风场和低频散度场。低频风场的演变与之前的低频风场相关系数的演变类似,在-9~-6d时(图2a、b),江淮流域受到青藏高原东北部移来的低频反气旋影响,在-9d时高原东北部地区低频反气旋强度达到最强,低频反气旋西部的低频辐散在-6d时(图2b)影响范围逐渐增大,低频辐散中心随低频反气旋中心向东南方向移动。在-3d时(图2c),青藏高原东北部有低频气旋移来并在高原东北部发展加强,其南侧有较强低频西风,配合有低频辐散运动。此后至江淮流域低频降水的同期(0d,图2d),低频反气旋位于江淮流域南部,青藏高原东北部低频气旋缓慢向东移动,低频气旋南侧的低频西风带位于江淮流域上空,低频辐散中心也到达江淮流域。高层的辐散运动有利于江淮流域低频降水的发生,这样的环流形势维持到江淮流域低频降水发生后3d(+3d,图2e)。随后青藏高原东部低频气旋向东南方向移动,低频辐散中心也随之移动。在+6d时(图2f)低频气旋中心东移南下,低频辐散中心移出江淮流域,江淮流域上空转变为低频辐合运动,这样的环流形势不利于江淮流域低频降水的形成,对应江淮流域低频降水过程基本结束(图2g),随后其环流形势逐渐向-9~-6d时的形态演变。
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2.2.2 中纬度高度场关键区
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500hPa上西太平洋副热带高压东西位置的变化会造成降水区域和强度的差异(Ren et al.,2013;Ye and Wu,2015)。江淮流域夏季低频降水过程与500hPa位势高度超前滞后相关系数显示(图略),在-9d时,除西北太平洋部分地区和黄河河套地区有正相关中心外,整个区域表现为显著的负相关,总体呈现南正北负的分布形式。此后至-6d,负相关区域变小,西北太平洋地区和河套地区的正相关中心均增大,在-4d时西太平洋地区完全转为正相关中心。一直持续到低频降水过程发生同期(0d),西北太平洋一带与江淮流域低频降水过程均表现为显著的正相关。随后在0~+3d,正相关区域强度减弱。在+3~+9d时负相关中心在南侧不断加强,北侧则有正相关中心不断发展。其中低频降水过程前后变化最显著的区域位于西北太平洋上空,在低频降水过程开始前,西北太平洋地区上空有位势高度的增加,而低频降水过程发生后在西北太平洋地区有位势高度的降低。上述提到的西北太平洋地区的显著变化相关区域与西太平洋副热带高压处于同一纬度,会造成西太平洋副热带高压位置的变动。为此,给出了低频降水过程发生前后西太平洋副热带高压的位置演变(图3)。在江淮流域低频降水过程发生前-9~0d(图3a),西太平洋副热带高压有显著的西移,西脊点的位置由135°E附近向西移动到125°E地区,伴随有西太平洋副热带高压北移,西太副高的北进西伸在-6~-3d时段内变化最为显著。在江淮流域低频降水过程发生后0~+9d(图3b)西太平洋副热带高压东退减弱,西脊点的位置由125°E退回至130°E。
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图2 200hPa低频风场(箭矢;单位:m·s-1)及低频散度场(阴影;单位:10-6·s-1)超前滞后低频降水过程的合成(a—g分别表示低频降水过程发生的-9、-6、-3、0、+3、+6、+9d)
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Fig.2 Leadlag composite of low-frequency wind field(vector;unit:m·s-1) and low-frequency divergence field(shadow;unit:10-6·s-1) of 200hPa during low-frequency precipitation(a—g respectively represent-9,-6,-3,0,3,6,9days in the low-frequency precipitation events)
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图3 500hPa5 880gpm线超前(a)/滞后(b)江淮流域低频降水事件的演变(数字表示超前/滞后低频降水过程的天数)
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Fig.3 Evolution of 5 880gpm line at 500hPa(a)leading and(b)lagging low-frequency precipitation events(numbers indicate the days of leading/lagging low-frequency precipitation events)
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2.2.3 低纬度对流关键区
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研究表明,热带低纬度地区对流异常对江淮流域降水有显著影响(杨秋明,2009;庞玥等,2013),低纬度地区对流活动向北移动到达江淮流域时,有利于降水流域出现降水。计算江淮流域低频降水过程与低频OLR超前滞后相关系数分布,在江淮流域低频降水过程发生前9d(-9d),自南向北有“+、-、+”相关中心分布,当前期我国南海至菲律宾地区低频对流活动较强,而江淮流域低频对流活动较弱时,更有利于后期江淮流域低频降水过程的发生,且在-9d南海至菲律宾地区的负相关最强,指示性最强。随着菲律宾至南海地区的低频对流中心开始减弱并北移(-6d),低频OLR负相关中心向北移动,在-5d时,江淮流域的低频OLR正相关转为负相关。在-3~0d,菲律宾至南海地区有较强低频OLR正相关中心,南北两侧的低频OLR负相关中心在江淮流域汇集,江淮流域低频对流活动旺盛,达到最强阶段,此时对应江淮流域低频降水过程的同期时段。在+3d时,江淮流域低频对流活动减弱,菲律宾至南海地区的低频OLR正相关中心开始减弱,向北移动。在+6~+9d,相关中心的分布形势逐渐演变为-9~-6d时的状态。
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图4给出了在江淮流域低频降水过程发生前后的850hPa低频风场及低频OLR场,其演变形式与相关系数分布演变相似。在-9~-6d(图4a、b)南海至菲律宾地区有低频OLR负中心减弱北移,江淮流域低频OLR正中心减弱东移入海,在-7d时南海至菲律宾地区低频OLR由低频负中心转为低频正中心,此后南海至菲律宾地区低频OLR正中心不断加强,低频OLR负中心北移加强。-3~0d(图4c、d)低频OLR负中心到达江淮流域并维持加强,同期第0d江淮流域低频OLR负中心和南海至菲律宾地区低频OLR正中心均达到最强,江淮流域低频降水达到最强。+3d时(图4e)低频OLR负中心开始减弱,向东移动。在+5d(图略)菲律宾至南海地区的低频OLR正中心北移到达江淮流域。+6~+9d时(图4f、g)其环流形势向-9~-6d时状态转化。
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3 关键区低频信号对江淮流域低频降水过程的预报效果
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前面的分析指出,200hPa青藏高原东北地区的低频反气旋的发展及东移南下、500hPa西太平洋副热带高压的位置变动以及低纬度地区的菲律宾至南海低频对流活动减弱北移与江淮流域低频降水过程之间存在较好联系和指示作用,可作为预报江淮流域低频降水过程的参考。有学者指出(曹鑫等,2013),江淮流域持续性降水期间南亚高压与西太副高的“相向而,行向背而去”特征表现尤为明显,这一特征在低频降水过程中同样适用。在低频降水过程发生前,高层青藏高原东北部低频反气旋东南向移动有利于南亚高压随之东伸加强,南亚高压的辐散抽吸作用有利于对流层中层西太副高的西伸和加强,加之南海至菲律宾地区对流活动的北移,低频气旋性环流移动至江淮流域,低层有低频辐合运动,自低层至高层有活跃的上升运动,江淮流域南侧低层有低频反气旋环流发展加强,大量水汽经低频反气旋环流的西南侧向北输送至江淮流域三者共同作用下促进低频降水过程的发生和维持。
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以上是基于江淮流域低频降水发生及维持原因的探讨,为了进一步验证所选取关键区和前期信号在江淮流域低频降水过程中的预报作用,选取200hPa上青藏高原东北部(95°~115°E,27.5°~45°N)为高原关键区,500hPa上(125°~150°E,22.5°~27.5°N)为中纬度500hPa关键区,850hPa上(105°~130°E,10°~20°N)为低纬度关键区,当-8~-6d高原关键区出现低频反气旋时记为高原关键区出现预报信号,当-6~-4d 500hPa关键区出现低频正异常时记为500hPa关键区出现预报信号,当-9~-6d低纬度关键区出现低频OLR负中心时记为低纬度地区出现预报信号,对江淮流域低频降水过程发生前的环流形势逐日进行统计得到表1。
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图4 850hPa低频风场(箭矢;单位:m·s-1)及低频OLR场(阴影;单位:W·m-2)超前滞后低频降水过程的合成(a—g分别表示低频降水过程发生的-9、-6、-3、0、+3、+6、+9d)
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Fig.4 Leadlag composite of low-frequency wind field(vector;unit:m·s-1,) and lowfrequency OLR field(shadow;unit:W·m-2) of 850hPa during low-frequency precipitation(a—g respectively represent-9,-6,-3,0,3,6,9days in the low-frequency precipitation events)
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从表1中可以看出,利用单个关键区信号对低频降水过程进行预报时,三者相差不大,均为60%左右,其中低纬度的对流关键区预报作用最好,高原关键区预报作用相对差一些。表2给出了采用两个预报信号时对江淮流域低频降水的预报结果。对比表1与表2,当使用两个信号进行预报时,预报准确率较使用单个因子预报的准确率低,这可能是由于单个关键区信号出现的概率大,会提高预报过程次数从而提高了预报准确率,但是在这种条件下也会增加低频降水过程的空报。当使用两个预报信号时,预报的总过程次数降低,这改善了过程的空报,但是同时也影响了预报的准确率,无论选取哪两个关键区信号作为预报因子,对江淮流域低频降水过程的预报准确率只能达到40%。当选取500hPa关键区和低纬度关键区作为预报因子时其准确率甚至低于40%,而将这两个信号任意一个与高原信号组合作为预报因子时预报准确率提高,这也说明500hPa关键区和低纬度关键区虽然对低频降水过程的单个预报准确率高一些,但是这二者之间存在共同点,高原信号作为单个预报因子进行预报虽然相对效果不如另外两个好,但是高原信号与另外两个信号发生的重复率低,对于另外两个信号难以预报的过程预报效果较好。也就是说,高原信号对另外两个信号有一定的补充作用。
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为了充分利用上述预报因子的优势,有必要结合两个以上关键区信号作为低频降水过程预报的参考要素,建立综合预报因子。结合三个关键区在低频降水过程发生前的信号,当有2个及以上信号出现时,则认为此次预报过程准确,而只有1个信号出现时认为不准确,0个信号出现记为漏报。统计发现(表3),采用3个关键区信号建立的综合预报因子对江淮流域低频降水过程的预报准确率与采用一个信号时的预报准确率相当,甚至还要更高,接近70%,而对低频降水过程的漏报率也较低。可见,加入青藏高原低频信号可以改进对江淮流域低频降水过程的预报效果,而综合三个要素的综合预报因子的预报准确率也得到提高,可以为江淮流域低频降水的延伸期预报提供参考。
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4 结论
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1)江淮流域夏季降水与10~30d低频降水之间存在密切联系,10~30d低频降水在实际降水中占较大比重。
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2)在对流层高层200hPa上,10~30d天低频信号主要来源于欧亚大陆北部,自西西伯利亚至中国东南部有一条西北东南走向的波列,缓慢向东南方向移动。对低频降水过程的高层大气低频环流场进行超前滞后合成分析表明,在超前低频降水9~6d时低频波列的东南段低频反气旋低频气旋对位于青藏高原东北部至中国东部沿海,低频反气旋东南部和低频气旋西北部为低频辐合运动;随后低频波列向东南方向移动,在移动过层中低频反气旋逐渐加强而低频气旋逐渐减弱,有低频气旋移至青藏高原东北部显著发展加强,并继续东移,最终到达江淮流域西北部,低频气旋和低频反气旋之间配合有低频辐散运动,有利于江淮流域低频降水过程的发生。在500hPa上,超前低频降水9d至低频降水过程发生时西太平洋副热带高压有明显的西伸过程,自135°E以东持续西移至125°E附近。
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3)对流层低层超前低频降水事件9~6d,在南海及西北太平洋地区有低频OLR的逐渐减弱,随后低频OLR中心不断向北移动,在超前低频降水事件4d时,低频OLR中心到达江淮流域并开始逐渐增强,江淮流域对流发展旺盛,并在低频降水事件发生时达到最强,随后江淮流域与南海及西北太平洋地区的低频OLR负、正中心分别开始减弱,在滞后低频降水事件5d时江淮流域低频OLR中心减弱东移,南海及西北太平洋地区低频OLR正中心北移,在滞后低频降水事件6d时低频OLR正中心到达江淮流域,低频降水过程结束。
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4)基于青藏高原关键区,500hPa关键区及低纬度关键区低频降水事件发生前的重要信号,将其作为预报低频降水事件的综合预报因子,对挑选出的低频降水过程进行试报试验,可以发现预报准确率达到68.8%(任意两个信号组合作为预报因子时其预报准确率在40%左右),极大地提高了低频降水事件的预报准确率。
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参考文献
摘要
基于ERA-Interim逐日4时次再分析资料和753站逐日降水资料,对1980—2013年江淮流域夏季降水特征进行分析,探究江淮流域夏季低频降水的前期预报信号,结果表明:1)江淮流域夏季降水受10~30 d低频振荡影响显著,10~30 d低频分量在江淮流域夏季降水中占较大比重。2)200 hPa上,低频降水过程发生前9~6 d有低频反气旋(低频气旋)自青藏高原东北部向中国东部移动。500 hPa上超前低频降水过程9 d至低频降水过程发生时有西太副高自东向西(自西向东)移动至中国东部沿海地区,热带地区负(正)低频OLR中心不断向北移动,最北端到达江淮流域并达到最强,进而促进(抑制)江淮流域低频降水的发生。3)青藏高原预报信号能够有效补充西太副高及热带OLR信号的不足,将青藏高原信号、西太副高信号及热带OLR信号作为综合预报因子对江淮流域降水进行预报,对仅依赖低纬度地区信号进行降水过程预报的准确率有较好改进作用。
Abstract
In this study,based on ERA-Interim reanalysis data taken four times a day and daily precipitation data from 753 stations throughout China,the characteristics of summer precipitation in the Yangtze-Huaihe River Basin from 1980 to 2013 are analyzed.The forecast signal of summer low-frequency precipitation in the Yangtze-Huaihe River Basin is explored.The results show the following:1) The 10—30 days low frequency precipitation,which occupies a large proportion in the summer precipitation,can influence the summer precipitation over the Yangtze-Huaihe River Basin.2) At 200 hPa,there is a low-frequency anticyclone moving from the northeast of the Tibetan Plateau to eastern China 9—6 days before the low-frequency precipitation process occurs.At 500 hPa,the Western Pacific Subtropical High moves from east to west,reaching the eastern coastal areas of China 9 days before the occurrence of the low-frequency precipitation events.The center of negative low frequency OLR in the tropics moves northward and reaches the strongest point when its northern most tip reaches the Yangtze-Huaihe River Basin.The above circulation distribution will promote the occurrence of the low-frequency precipitation in the Yangtze-Huaihe River Basin,or vice versa.3) The Tibetan Plateau prediction signal can effectively supplement the deficiency of the West Pacific Subtropical High and the Tropical OLR Signal.The accuracy of precipitation process prediction relying only on the low latitude signals can be improved by using the Tibetan Plateau Signal,the Western Pacific Subtropical High Signal and the Tropical OLR Signal as the comprehensive predictors.
