（气象学专业论文）三水地区的降水气候特征及其预测研究.pdf

摘要 摘要 本文利用三水气象站1 9 5 7 年1 月至2 0 0 8 年8 月每日的降水观测资料，统 计分析了三水的降水气候特征。为了解决业务预报中对下个月的月降水量做出 预报的问题，利用三水的降水资料和日本j r a - 2 5 再分析资料以及日本气象厅 j a p a nm e t e o r 0 1 0 9 i c a la g e n c y ( j m a ) 气候资料同化系统( j c d a s ) 提供的全球月 平均气象场资料，发展了一个短期气候预测的简单方法，并应用于2 0 0 6 年和 2 0 0 7 年整年的预报实践，主要研究结果如下： ( 1 ) 三水降水的季节变化存在以下特征：平均日降水率和平均月雨日数 的最大值均出现在6 月份，而历史最大日降水率则出现在5 月份，从4 月至9 月三水的平均日降水率都是大于等于5 0 毫米天。全年1 2 个月的历史最大日 降水率均大于等于5 0 o 毫米天，表明全年各月都存在出现暴雨的可能性。5 月到8 月的月暴雨平均日数接近4 天，占全年暴雨平均日数的g 8 0 。 ( 2 ) 通过对各季降水年际变化线性系数和各季降水日数年际变化线性系 数做显著性检验，经过统计得出结果如下，只有冬季降水日数年际线性趋势变 化通过q - - 0 0 5 显著水平的检验外，其余各季均没有通过显著性检验，因此， 冬季降水降水日数年际变化呈显著的减少趋势。另外，小波分析表明，三水前 汛期和后汛期的降水周期都是以8 0 年代为界，在8 0 年代之前和8 0 年代之后分 别存在不同的特征周期。 ( 3 )统计结果表明，三水一次过程降水天数有以下规律：a 、三水出现1 至5 天降水的可能性最大，降水持续天数随着天数增加而发生的可能性减少。b 、 5 0 年来一次过程的最长降水天数为3 0 天。c 、持续1 天的降水总过程数最多， 但占降水量的百分比并不是最大，占降水量最多的是持续4 天的降水。 ( 4 ) 为了解决业务预报中在当月的时候必须对下个月的降水量做出预报 三水地区的降水气候特征及其预测研究 的问题，计算预报变量的年际变化与j r a 一2 5 预报起始月前六个月风场和温度场 等各气象变量年际变化的相关，得到一个三维的相关场，然后按照相关显著， 有足够大的显著区域这两个原则去自动筛选出预报因子，利用逐步回归建立预 报方程得到下个月三水降水量的预报。从2 0 0 6 年和2 0 0 7 年整年的预报效果( 每 个月的预报结果都是提前一个月做出预报) 来看，总体效果还是比较好的。如 果以国家气候中心规定1 9 7 1 - 2 0 0 0 年气候平均值去衡量偏多，偏少或正常，有 望把预报准确率提高到5 0 以上。 关键词：三水降水气候短期气候预测 摘要 a s t u d yo nt h ec l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fa n d f o r e c a s t i n gm e t h o df o rt h ep r e c i p i t a t i o n i ns a n s h u iareaansllui nl m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：h u a n gy o n g d e s u p e r v i s o r ：l a ng u a n g d o n g , h eh a i y a n a b s t r a c t t h ec l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fa n df o r e c a s t i n gm e t h o d sf o rt h ep r e c i p i t a t i o ni n s a n s h u ia r e aa r es t u d i e di nt h i ss t u d yb a s e do nt h eo b s e r v e dd a i l yp r e c i p i t a t i o nd a t a 丘o m19 5 7t o2 0 0 8 as h o r tt e r mc l i m a t i cf o r e c a s tm e t h o df o rt h em o n t h l ym e a n p r e c i p i t a t i o ni ns a n s h u ia r e ah a sb e e nd e v e l o p e db yt h eu s eo fs e v e r a ld a t a s e t s i n c l u d i n gt h ep r e c i p i t a t i o nd a t ao fs a n s h u i ，j r a - 2 5r e a n a l y s i sd a ma n dt h e0 0 b a l m e a n - m o n t h l ym e t e o r o l o g i c a ld a t ap r o v i d e db yj c d a so fj a p a nm e t e o r o l o g i c a l a g e n c y ( j m a ) a s at e s t , t h i sm e t h o dw a su s e di nt h e2 0 0 6a n d2 0 0 7f o r e c a s t i n g t h er e s u l t sg a sb es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) t h es e a s o n a lc h a n g e so ft h es a n s h u ip r e c i p i t a t i o na r ec h a r a c t e r i z e db y ：( a ) b o t ht h em e a n - d a i l yp r e c i p i t a t i o nr a t i oa n dt h en u m b e ro fr a i n yd a y se a c hm o n t ha r e p e a k e di nj u n e ，b u tt h em a x i m u md a i l yp r e c i p i t a t i o nr a t i oo c c u r r e di nm a y t h e m e a nd a i l yp r e c i p i t a t i o nr a t i oi ns a n s h u iw a sm o r et h a no re q u a l e dt o5 m mp e rd a y d u r i n gt h ep e r i o df r o ma p r i lt os e p t e m b e r t h em a x i m u md a i l yp r e c i p i t a t i o ni n e a c hm o n t ha l ly e a ra r o u n dw a sm o r et h a no re q u a l e dt o5 0 m mp e rd a yi n d i c a t i n g t h a tt h ee v e n t so fh e a v yr a i nc o u l do c c u ri na n ym o n t ho ft h ey e a r ( c ) t h ea v e r a g e n u m b e ro fd a y so fh e a v yr a i np e rm o n t hi sa b o u tf o u rd a y sf r o mm a yt oa u g u s t , w h i c hw a s6 8 o f t h ea n n u a l l ya v e r a g e dn u m b e ro fd a y so fh e a v yr a i n ( 2 ) t h ed e c a d a lc h a n g e si nt h es a s h u ip r e c i p i t a t i o ns h o wt h a tt h ea m o u n to f t h e 三水地区的降水气候特征及其预测研究 p r e c i p i t a t i o nd a y si ns a n s h u it e n dt od e c r e a s ei nt h ew i n t e r w a v e l e ta l l a l y s e ss h o w t h a tt h ep r e c i p i t a t i o n si ns a n s h u ie x h i b i td i f f e r e n tc y c l e sb e f o r ea n da f t e r19 8 0 s ( 3 ) t h es t a t i s t i c sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a i np r o c e s s e si ns a n s h u il a s t i n g1 t o5 d a y sh a v et h em a x i m a lp r o b a b i l i t ya n dt h ep r o b a b i l i t yd e c r e a s e s 、析t l lt h ei n c r e a s eo f t h ed u r a t i o nd a y so far a i np r o c e s s t h el o n g e s tr a i np r o c e s sd u r i n gt h e5 0y e a r s s t u d i e dl a s t e d3 0d a y s t h er a i np r o c e s s e s 、杭t 1 1o n ed a yd u r a t i o na r et h em a j o r i t yi n t h et o t a ln u m b e r so ft h er a i np r o c e s s e sb u tt h e yf i len o tt h em a j o rc o n t r i b u t o rt ot h e t o t a lr a i n f a l lo ft h ey e a r t h er a i np r o c e s s e so f4d a y sa r et h em o s ti m p o r t a n t c o n t r i b u t o rt ot h et o t a lr a i n f a l lo f t h ey e a r ( 4 ) t os o l v et h ef o r e c a s t i n gp r o b l e mo fr a i n f a l lo fn e x tm o n t h ，w h i c hs h o u l d b ed o n eb yc u r r e n tm o n t h , w ec a l c u l a t et h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea n n u a lc h a n g e s o ff o r e c a s tv a r i e s ，a n dt h em o v e m e n to fw i n df i e l da n dt e m p e r a t ef i e l d ，w h i c ha r e c o l l e c t e do n em o n t hb e f o r et h ec u r r e n to n eo fj r a - 2 5 t h e r e f o r e ，w eg e ta t h r e e - d i m e n s i o n a lc o r r e l a t e df i e l d w ef i l t e rt h ef o r e c a s t i n gf a c t o r sb yr e f e r r i n gt h e r e l e v a n to b v i o u sd i f f e r e n c e sa u t o m a t i c a l l y , w h e r et h ep r i n c i p l e so fs u f f i c i e n ta n d l l i g hc o v a r i a n c ec o r r e l a t i o na p p l y a ne q u a t i o nt of o r e c a s tt h em o n t h l yr m n f a l lo f s a n s h u ih a sb e e nb u i l tu s i n gs t e pr e g r e s sm e t h o da n dt h ed a t a s e t sm e n t i o n e da b o v e t h et e s tf o r e c a s t sf o r t h em o n t h l yr a l n f a l lo fs a n s h u ii 1 12 0 0 6a n d2 0 0 7s h o wt h a tt h e r e s u l t sa r e ，o nt h ew h o l e ，f a i r l yg o o d 丽map r e d i c t i o na c c u r a c yo f5 0 k e y w o r d s ：s a n s h u ip r e c i p i t a t i o nc l i m a t e s h o r t - t e r mc l i m a t ef o r e c a s t i v 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除出文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签卅氟澎 日期：c 2 矿侔猬7 。日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位敝譬签名衙 日期：又闪户年，明”7 日 导师签名姑如绷镣 日期：溯8 年j7 月7e l 第l 章绪论 第1 章绪论 三水地处广东中部地区，是三江( 西江、北江、胥江) 交汇之处。三水的主 要降水时段主要集中在汛期，每年汛期到来时，政府的防洪任务十分艰巨，因三 水同时受西江、北江、胥江的影响。实际工作中，特别需要有准确的中长期降水 预测，以便可以为政府在部署抗洪救灾工作中提供可靠、科学的气象信息。另一 方面，在现代化农业生产过程中，农业对准确的中长期降水预测也有很大的需求， 近年来，三水正大力发展现代化农业，建立大规模的经济农作物种植园，主要以 发展经济作物为主，这些经济作物的生长与降水也是密切相关的，准确的中长期 降水预测能为农户提供科学的依据，增加经济作物的产量和质量。由此可见，中 长期降水气候预测研究在三水的气象业务工作中显得尤为重要，目前我们在这方 面的工作仍以省气象局的中长期预报作为基础，进行订正，而没有一套适合基层 气象部门的科学、有效的中长期降水气候预测模式。本章主要回顾近年来关于华 南降水气候特征及其主要影响系统的研究进展，提出论文拟解决的主要科学问题 并阐述本工作的研究意义。 1 1 华南降水气候特征及其影响系统 华南地区地处我国最南端，是我国汛期时间最长且雨量最充沛的一个区域， 同时，也是我国暴雨洪涝发生频数最高的地区，每年雨季来得较早，进入5 月后 雨水就急增，常出现洪涝，危害甚大，而珠江中下游则是华南的多涝区，三水正 处于西、北江交汇的多涝区。在2 0 世纪后期气候变暖的背景下u 。，旱涝变化的趋 势是科学家普遍关心的事实。由于我国季风气候的特点和地形地势的影响，我国 南方不同区域的雨季来临的早晚不同，并具有不同的降水特征。，鹿世瑾h 。研究 发现：我国华南地区降水的季节性差异明显，夏半年( 4 - - 一9 月) 的降水量占全年 的7 0 - 8 5 ，同时还有两个明显的多雨期，分别为前汛期( 4 6 月) 和后汛期 ( 7 - 9 月) 。近年来，许多专家学者对华南汛期的降水气候特征都作了大量的研 究，李江南、王安宇h 。等人利用广东省有代表性的7 个站4 8 a ( 1 9 5 1 1 9 9 8 年) 的 月平均降水资料用相关分析和小波分析等统计方法进行了一系列统计分析，研究 发现：广东省前汛期和后汛期降水周期变化特征很不同，前汛期主周期为2 2 、7 和3 a ，后汛期主周期则为1 1 和3 5 a ，前汛期和后汛期的降水与西太平洋副热带 三水地区的降水气候特征及其预测研究 高压脊线位置的周期特征很相似，证明两者有很密切的关系。林爱兰w 。通 过广东3 4 个站点降水资料( 1 9 5 1 - 1 9 9 7 年) ，采用小波分析等统计方法研究了广 东降水的多尺度特征及其与阶段性变化的关系，结果表明：广东降水存在阶段性 变化，其中前汛期的阶段性变化与整个华南地区的情况一致，而后汛期的阶段性 变化比华南地区频繁；同时广东降水还存在多尺度振荡特征，除了准3 年周期振 荡外，前汛期还有2 9 和4 年周期振荡，后汛期有1 4 年等周期振荡，整个汛期则有1 9 和7 年周期振荡。王志伟旧。等人研究表n 5 0 年来华南雨涝覆盖范围有轻微的下降 趋势并具有明显的年代际变化特征，冬半年雨涝覆盖范围有较大的增长趋势，夏 半年雨涝覆盖范围趋于减少，呈下降态势，但夏季的雨涝范围在扩大。较好的了 解华南降水气候特征及背景，是做月降水气候预测的重要基础。以下将从热带海 洋、南海夏季风、副热带高压、青藏高原和其他影响华南降水的气象因子出发讨 论华南降水的研究现状。 1 1 1 热带海洋对华南降水的影响 海洋对大气的强迫作用很早就为气象学者所关注，关于海洋对华南降水的 影响也有不少的研究，已有的研究表明，影响华南夏季旱涝的因子很多，主要有 海温的异常，高原积雪的异常，积冰的异常，土壤水份的改变，而海温的异常对 华南地区夏季早涝的影响尤为重要。梁建茵坤。发现南海地区暖水年广东的雨量 大于冷水年。谢炯光等p 。分析了广东汛期( 4 - - 9 月) 降水与西北太平洋海温的 关系，并建立了汛期各月降水与海温的预报方程。而邓立平，王谦谦w 通过对 华南前汛期降水异常与其前期( 上一年6 8 月) 我国近海s s t a 的相关分布，找 到一个稳定的影响华南前汛期降水的敏感海区，在我国近西太平洋暖池附近，从 上年4 月到当年3 月存在一个稳定的影响华南前汛期降水的负相关区( 1 3 2 5 1 4 1 5 0e ，1 0 5 1 3 5 0n ) 。从全球海温的影响关系出发，徐海明u u 利用1 9 5 4 - - - 1 9 8 9 年华南夏季( 6 - - 一7 月) 降水资料和全球月平均海温资料作了简单的相关分 析，研究发现，华南夏季降水与前期冬季1 月的黑潮海温存在显著负相关。冬季 1 月黑潮异常增暖有利于华南夏季偏旱，而异常偏冷则有利于华南夏季偏涝。华 南夏季降水与菲律宾，台湾一带附近的海温以及与北大西洋中纬度海温在整个前 期春季、同期夏季存在显著负相关，也就是上述两个海区在春季和夏季异常增暖 有利于华南夏季干旱，而该海区的异常偏冷则有利于华南夏季洪涝。近几年，也 有气象学者通过数值模式对海温进行模拟研究，丁伟钰，梁经萍u 纠的研究表明， 2 第1 章绪论 南海0 r l 变化对华南汛期降水有一定影响，后汛期( 特别是7 、8 月) 的相关程 度和范围都大于前汛期，但每个月都不同。吴晓彤等u 引用数值模拟表明：南海 海温增加则华南降水降水增加，并给出了这种影响的物理过程。而陈艺敏、钱永 甫u 刮通过全球大气模式c 6 1 3 ，根据华南前汛期降水与西太平洋暖池敏感海区( 西 区) 海温的负相关关系，进行了数值模拟实验，结果表明：当西区为冷水年( 暖 水年) 时，华南降水偏多( 少) 。 1 1 2南海夏季风对华南降水的影响 中国处于典型的季风气候区，亚洲季风是影响我国夏季降水的主要物理因素 之一“。南海夏季风作为亚洲季风的一个分支，其爆发的迟早、强度的大小以 及南北的进退都对华南地区的旱涝有很大的影响，如1 9 9 4 年华南夏季出现的特大 暴雨和2 0 0 5 年6 月华南持续性暴雨过程，则是与南海夏季风异常强有密切关系 1 6 - 1 7 j 。已有的研究表明，每年的5 月份通常是南海夏季风的爆发时间烀驯。梁建 茵，吴尚森。利用广东省3 6 个地面站降水量资料和n c e p8 5 0 h p a 再分析资料，采 用相关分析和合成对比分析方法，探讨了广东降水变化与夏季季风活动的关系， 研究表明，广东降水量的变化与南海北部西南风大小成显著相关，但各月有不同 的规律，4 月份夏季风尚未建立，广东的强降水主要是由孟湾槽加深带来的西南 风造成，5 月份异常降水则是由于副高加强，引起副高南侧的副热带季风加强的 结果，此时南海夏季风还未爆发或较弱，6 月份至9 月份，此时由于热带西南季风 明显加强，广东异常降水也增大。吴尚森、梁建茵和李春晖瞄u 统计分析了南海 夏季风强度与我国汛期降水的关系，结果表明，南海夏季风强( 弱) 年，我国夏 季雨带呈i ( ) 类分布，广东后汛期降水以偏涝( 正常或偏旱) 为主，当南海 夏季风正常年，以i i 类雨带为主，广东后汛期降水以正常为主。郑彬，施能。 利用华南1 4 个站1 9 5 3 - - 2 0 0 0 年的降水资料计算出华南夏季( 6 - - 8 月) 降水指数， 研究发现，华南夏季降水的年际变化与南海夏季风的年际变化有着密切的联系， 华南夏季降水和南海夏季风都具有准两年的变化特征，南海夏季风和华南夏季降 水的准两年变化在1 9 5 3 - 1 9 7 6 年是弱的反相位变化关系，相反地，这一段时间它 们的非准两年变化成分有很强的正相关，在1 9 7 7 - 2 0 0 0 年这一阶段，南海夏季风 和华南夏季降水的准两年变化具有很强的正相关，但是它们的非准两年变化成分 的相关性很差。同时，他们通过研究了不同时间段的强弱季风年的风场和位势高 度场的差异，初步解释了华南夏季降水在不同时间段异常的原因：在前一阶段 3 三水地区的降水气候特征及其预测研究 ( 1 9 5 3 - - 1 9 7 6 年) 的强季风年，华南有偏北异常气流，它源于中高纬大陆，导致 强季风年降水偏少：在后一阶段( 1 9 7 7 - - 2 0 0 0 年) 的强季风年，来自海上的东北异 常气流与来自孟加拉湾的偏西气流在华南相会，造成华南更多的降水，而弱季风 年则相应降水偏少。 1 1 3 北半球副热带高压对华南降水的影响 西太平洋副热带高压( 副高) 的季节性移动与华南雨带分布有密切的关系， 其位置和强度的变化是控制华南地区天气和气候的重要因素之一。王黎娟训等 通过6 月份副高偏西、偏东年份8 5 0 h p a 流场距平分布分析，副高偏西时，副高 位置上为一个反气旋距平环流，其西侧的西南风与其西北侧的偏北距平风汇合构 成很强的辐合，辐合带位于江淮流域及以北地区，造成该地区降水偏多，华南地 区为高压距平环流控制，不利于该地区的降水，副高偏东年份情况则不同，3 0 0 n 以南为气旋性距平环流，华南明显受其气旋性环流影响，将会出现降水偏多的情 况。副高的脊线位置的变化，对华南的降水也产生较明显的影响，梁建茵。用 1 9 5 1 - 1 9 9 1 年6 月份5 0 0 h p a 位势高度资料取得了西太平洋副热带高压脊线位置 资料序列，分析了脊线位置的变化，分析发现，华南降水指数与副高脊线位置的 同期相关系数高达o 6 3 ，说明副高脊线位置对华南降水影响十分显著。副高对 华南降水的影响，是由其南北移动造成的，6 月份副高脊线位置与华南降水有一 定的对应关系，副高脊线偏北( 南) ，华南降水偏少( 偏多) ，当副高脊线位置超 过2 0 0 n 的年份华南降水偏少，华南降水偏多的年份则脊线位置低于2 0 0 n 。 1 1 4 青藏高原对华南降水的影响 过去许多气象研究表明，青藏高原的气候背景与华南降水也有密切关系，青 藏高原由于其独特的高耸的地形，其热力作用是通过改变其上空大气的热力状况 及环流，从而影响其周围及邻近地区的大气环流和天气气候。陈烈庭”“。等人 研究得出：前冬今春青藏高原积雪是影响华南降水异常的重要前期气候背景，青 藏高原冬春季雪盖与华南6 月降水呈明显的正相关关系，大面积且持续时间长的 青藏高原积雪可使冬季高原地面弱热源转为冷源，造成地气之间能量和水汽交换 的异常，青藏高原前冬今春多雪有利华南6 月雨涝，前冬今春少雪有利华南6 月干 4 第l 章绪论 旱。蔡学湛m 利用华南2 5 个站1 9 5 4 - - 1 9 9 8 年4 - 6 y 降水量资料以及有关青藏高 原雪盖异常年份资料和东亚季风强度指数，通过典型旱涝年前期对比诊断与相关 分析，指出青藏高原雪盖对华南前汛期降水的影响相当显著，前冬春多雪有利前 汛期雨涝，前冬春少雪有利前汛期干旱。简茂球旧。等通过夏季青藏高原东部大 气热源异常对中国夏季降水的影响的分析研究，结果表明：如果高原东部夏季大 气热源显著偏强( 偏弱) ，则华南东部地区夏季降水偏少( 偏多) 。 1 1 5 其它气象因素对华南降水的影响 天气活动事实证明，雨涝干旱都是在大气环流发生持续性异常时所发生的， 而某区域大气环流的异常，不仅仅是该区域大气的动力、热力异常所造成，因为 一个区域大气环流的异常可以引起另一些区域大气环流的异常。蔡学湛“副等通 过统计分析华南前汛期旱涝前期与同期中低纬的异常及其与大气环流的联系，结 果表明：前汛期雨带的强度及其由南向北推进速度的快慢与停滞时间长短与前期 西太平洋i t c z 强度、副高脊线位置密切相关。特别是5 月之后i t c z 、副高的北跃 情况直接影响到前汛期雨带位置，受其影响5 - - 6 月早年的雨带可北移出华南以 北，而涝年仍滞留于华南。除了大尺度环流的异常对华南降水有明显的影响，中 尺度的天气系统对华南降水特别是暴雨也有着显著的影响，西南低涡对华南暴雨 的产生有着密切的联系。西南低涡指的是青藏高原特殊地形与大气环流相互作用 下，形成于我国西南地区7 0 0 ( 或8 5 0 h p a ) 上的具有气旋环流的中尺度闭合低压 系统。有学者坤u 指出：“西南低涡是我国最强烈的暴雨系统之一，就它所造 成的暴雨天气的强度、频数和范围而言，可以说是仅次于台风及残余低压，重要 性位居第二的暴雨系统”。刘国忠。等研究表明：影响华南地区的西南低涡主 要出现在华南地区前汛期的6 , - 7 月份，尤其以6 月份最多。低涡活动的频数与华 南地区前汛期旱涝有一定的相关性，华南地区前汛期较为严重的致洪暴雨过程 均与低涡活动有关。 e n s o 对全球范围许多地方的降水，气温等气候要素有着重要的影响，这是 大家公认的观测事实。许丽章1 等人用对比度分析方法，采用广东1 9 6 1 - - - 1 9 9 0 年的降水资料，对广东4 - 9 月降水作了分析研究，结果表明：在e n s o 年，广东西 北部4 - - 9 月降水显著少，易旱；东北部4 、5 、9 月，6 、8 月除汕头外，降水少；中 部降水与e n s o 相关不显著；南部4 、6 、7 、9 月降水基本上偏多，易成涝4 月西北 5 三水地区的降水气候特征及其预测研究 部、东北部降水高值的年份，e n s o 出现的概率为零，而降水低值的年份e n s o 出现的 概率最高达7 5 0 9 6 。 1 2 、影响三水降水的季节环流变化和主要天气系统 在1 1 节我们综述了华南降水的气候特征及其影响因素的研究进展，在实际 的气象台工作中，还必须对影响三水站降水季节环流的变化和主要影响的天气系 统有所了解3 4 3 别。 1 2 1 季节环流变化 春季：5 0 0 h p a 形势，东亚大槽和极涡位置东移，乌拉尔山以西多明显的脊， 以东多移动性小波动，西风急流开始减弱，南支槽趋于活跃；地面形势，冷空气 势力开始减弱，虽有较明显的冷空气到达华南沿海，但东移和变性较快，华南地 区多为弱变性冷高压脊、静止锋低槽、脊后槽前等环流系统影响，此时，来自海 洋的暖湿水汽开始加强，冷、暖气团在三水上空交汇，形成锋面低槽降水系统， 造成不同程度的低温阴雨天气，这种春季阴雨天气虽然持续时间长，但强度较弱， 导致月降水日数多。 夏季：每年春末到初夏的季节，5 0 0 p h a 形势，东亚大槽开始东移，整个中 低纬度环流变得较为平直，多为移动性槽脊，高原东侧南支槽波动趋于频繁，此 时，副热带高压可西伸至南海北部上空，所以，初夏季节的降水与高空槽东移、 低空急流的形成、副热带高压边缘气流强弱密切相关，到了盛夏季节，5 0 0 p h a 形势，西风急流位置明显北移和减弱，西风槽底位置一般在3 5 n 以北，副热带 高压明显加强西伸，南海热带辐合带趋于活跃，此时，整个华南受副热带高压环 流系统影响，地面形势，冷空气势力已经很弱，难以影响到华南沿海，华南主要 受副热带高压脊控制，夏季降水主要受副热带高压环流变化、南海热带系统及南 海夏季风共同影响。 秋季：5 0 0 p h a 形势，一般为两槽一脊型，东亚大槽开始加强，西风急流也进 一步加强并南移，此时，副热带高压脊线南移，地面形势，北方冷空气开始加强 并可以影响到华南沿海地区，另外，南海热带气旋活动仍较活跃，仍可能影响华 南地区，秋季降水多由高空槽、冷空气和南海季风共同造成。 6 第l 章绪论 冬季：5 0 0 p h a 形势，乌拉尔山以东多是一脊一槽型，极涡明显加强，东亚大 槽明显加深，且成为稳定性大槽，此时，副热带高压环流明显减弱，地面形势， 北方强冷空气不断南压影响，华南地区常受强冷高压脊控制，冬季降水多由冷空 气影响时的锋面槽造成。 1 2 2 主要天气系统 影响三水降水的主要天气系统有： 西太平洋副热带高压：西太平洋副热带高压的北侧存在副热带锋区，而其南 侧多热带气旋、东风波、赤道辐合带等热带系统活动，以上两个位置是明显的雨 带区域。每年4 月开始副热带高压开始加强西伸，对三水的降水产生明显的影 响。 西风槽：影响华南的西风槽多出现在春、夏两季，一般情况下，西风槽与副 热带高压稳定维持把大量暖湿空气输送到华南上空，与北方南下的冷空气相交 汇，为三水降水或暴雨提供了有利的环流条件。 低空急流：每年4 , - - , 6 月西南低空急流是华南地区一个十分活跃的系统，它的 出现、加强与消亡往往与一定的环流形势及天气系统有关系，西南低空急流作为 大气低层的水汽和不稳定能量的输送带，为三水前汛期暴雨的产生提供了充分的 水汽和热量条件。 ， 华南静止锋：华南静止锋北侧有冷空气入侵，它既受高空环流影响，又决定 于地面冷高压的强度，静止锋南侧是副热带暖湿水汽，这两种冷暖空气对峙和强 弱变化决定了华南静止锋的生消、移动和产生的天气。因此，华南静止锋是三水， 乃至整个广东春季和夏初大范围降水的主要天气系统之一。 高空切变线：切变线是具有气旋式切变或辐合的风场不连续线，是三水地区 主要的降水系统之一，各季节均可出现，但以春末夏初最为频繁，切变线使流场 出现辐合，抬升大量的暖湿气流，大气不稳定增强，有利于大的降水出现。 热带气旋：热带气旋是由热带海洋中的扰动发展起来的，每年影响三水的热 带气旋约2 - - 3 个，以7 - - 9 月最多，是影响三水后汛期降水的重要天气系统之一。 南海季风低压：在西南季风盛行期间( 6 9 月) ，南海地区常有季风低压活 动，其中一部分低压扰动能发展为热带气旋，南海季风低压是华南地区夏季的重 要暴雨系统，当它移近或登陆珠江口两侧时，一般会给三水带来明显的强降水。 7 三水地区的降水气候特征及其预测研究 1 3 华南降水气候预测的研究现状 通过1 1 节和1 2 节的回顾知道，许多学者对于华南降水气候特征及其影响 系统方面已经进行了大量深入而富有成效的研究，也取得可喜的科研成果。但同 时也表明影响华南降水的因素和天气系统很多，也非常复杂。对于华南降水气候 预测，大多数学者的研究范围主要集中在整个华南区域性降水的气候预测，大量 的研究集中在前汛期降水、后汛期降水、汛期暴雨的降水气候预测，黄先香。 利用二维风场差异的显著性检验和蒙特卡洛模拟检验等方法，研究华南前汛期旱 涝年同期及前期风场差异特征，结果表明西太平洋副热带高压及8 5 0 h p a 贝加尔湖 东北部和南印度洋中部的风场异常是影响华南前汛期旱涝的重要因子；前期1 月 的印度北部和3 月的西北太平洋风场异常可能是华南前汛期早涝的强预测信号， 分析还表明：3 月份北太平洋地区的高度场与前汛期降水有密切关系。最后，建 立了华南前汛期旱涝的预报工具。郑彬等人通过计算出1 9 5 8 - 2 0 0 0 年华南 前汛期锋面降水量( 强度) 和季风降水量( 强度) 的序列，采用e o f 和扩展e o f 分 析方法，得到华南前汛期降水的几个主要分布型，并探讨锋面降水与季风降水的 可能联系。分析结果表明：华南前汛期的锋面降水和季风降水分布主要有三种类 型全区早涝型、西南涝( 旱) 东北旱( 涝) 型、东南涝( 旱) 西北旱( 涝) 型。各分布型的时间系数与8 5 0 h p a 风场的相关结果表明不同的分布对应着不同 的低层环流形势，统计结果显示华南前汛期锋面降水的分布形式与季风降水的分 布形式有一定的对应关系。黄永新m 。利用e o f 对华南前、后汛期降水距平百分率 进行分析，提取主要的降水分布形势，然后对各特征场的时间系数序列与前期因 子场进行相关分析，建立时间系数的预报方程，从而建立华南汛期降水趋势的客 观预报方法。 对于华南单站降水气候预测研究工作，也有学者n 州u 做了一定的研究，但存 在有些研究所用时间尺度比较短的问题，揭示的联系的物理机制也存在很多值得 深入研究的地方，另外揭示的前期预报因子还有很大的空间可以挖掘，因为过去 文献的研究主要集中在某些影响系统身上，通过对所有气象场前期相关的研究， 应该可以找到更多物理意义清楚的前期预报因子。在实际的预报业务中，统计方 法却往往比动力模式预报的得分要高h “，但是目前已有的统计预报方法是否就 已经很完善了? 之前我们用统计方法解决短期气候预测问题的时候经常都是从 机制出发，想当然地设想与海温、高原积雪或副高等预报因子有关，这个思路是 8 第l 章绪论 否已经在制约了实际气候统计预报的发展? 这些问题都有待我们进一步的研究。 目前，关于三水降水的气候特征目前还没有文献进行过比较系统的研究，业 务预报中短期气候预测是否有更可行的办法，也是值得我们去探讨的。 1 4 拟解决的科学问题及其研究意义 前面综述了华南降水气候特征及其影响系统方面的一些研究现状，同时，也 指出了其中存在的一些不足和值得研究的一些问题，基于以上的讨论，本文拟研 究的科学问题有： 、三水降水的气候特征是怎样的? 研究过程中，利用三水本站1 9 5 7 年至 今的降水资料分析降水气候的各个时间尺度的气候特征，包括年代际变化的线性 趋势，周期特征，降水过程的持续天数特征等。 、短期气候预测方面，是否还有更好的办法去解决下个月月降水量预报的 问题? 围绕以上几个主要问题，本论文的章节安排如下： 第2 章资料及研究方法介绍 第3 章三水地区降水气候特征分析 第4 章三水地区降水短期气候预测研究 第5 章总结 9 三水地区的降水气候特征及其预测研究 第2 章资料及研究方法介绍 本文所用资料为三水站1 9 5 7 年至2 0 0 8 年8 月每日的观测降水资料，以及日 本j r a 一2 5 再分析资料以及日本气象厅j a p a nm e t e o r o l o g i c a la g e n c y ( j m a ) 气 候资料同化系统( j c d a s ) 提供的全球月平均气象场资料。其中日本再分析资料 用到了7 个三维变量，分别为位势高度( g e o p o t e n t i a lh e i g h t ) ，大气温度( a i r t e m p e r a t u r e ) ，比湿( s p e c i f i ch u m i d i t y ) ，气温露点差( d e wp o i n td e p r e s s i o n ) ， 纬向风( z o n a lw i n d ) ，经向风( m e r i d i o n a lw i n d ) 和云水含量( c l o u dw a t e r c o n t e n t ) ，对应的变量的层数分别为2 3 ，2 3 ，1 2 ，8 ，2 3 ，2 3 和1 2 层；此外还用到 了6 个二维变量，分别为海平面气压( p r e s s u r er e d u c e dt om s l ) ，表面2 m 气 温( s u r f a c e2 ma i rt e m p e r a t u r e ) ，表面2 m 比湿( s u r f a c e2 ms p e c i f i c h u m i d i t y ) ，表面2 m 气温露点差( s u r f a c e2 md e wp o i n td e p r e s s i o n ) ，表面 i o m 纬向风( s u r f a c el o mz o n a lw i n d ) ，表面1 0 m 经向风( s u r f a c el o mm e r i d i o n a l w i n d ) 。以上各变量场的水平分辨率均为等压面上2 5 。2 5 。经纬网格。 本论文主要是对历史的资料进行统计诊断和预报研究，在研究过程中将使用 到以下一些常用的气象研究方法： ( 1 ) 相关系数的计算 假设有两个变量x 。和x 。，分别有样本长度为n 的观测值。下标i 表示变量x 。和 x 。第i 个样本，一x 。，一x ，分别为两个变量的平均值，两个变量的相关系数r k ，4 4 1 为： ( x h - - 。) ( x 。i 一又。) f = l ( 2 ) 小波分析 r 材= 小波分析是近年新发展起来的一种数学方法，9 0 年代以来在大气科学中的应 用也越来越多。小波分析具有时频局部化的功能，通过伸缩和平移对函数和信号 进行多尺度分析，能有效地从中提取信息，特别适合用于对非平稳时间序列的分 析。它是在傅立叶分析的基础上发展起来的，与传统的傅立叶分析比较，主要有 l o 第2 章资料及研究方法介绍 以下两个优点：( a ) 给出要素序列的瞬时振动频率随时间变化的情况；( b ) 可以看出不同频率之间的相互关系，反映出序列中不同时间尺度的振荡此消彼长 的变化。由于气象资料本身的特点，目前在气象上常用连续子波变换，主要有墨 西哥帽( m e x i h a t ) 子波和g o r l e t 子波。本文在研究中选取m o r l e t 子波作为母子 波来分析，分析方法参阅文献 4 6 - 4 7 。 ( 3 ) 为了解决业务预报中在当月的时候必须对下个月的月降水做出预报的 问题，计算预报变量的年际变化与j r a - 2 5 预报起始月前六个月风场和温度场等各 气象变量年际变化的相关，得到一个三维的相关场，然后按照相关显著，有足够 大的显著区域这两个原则去自动筛选出预报因子，从而利用逐步回归建立预报方 程，代入下载的预报起始月前六个月的再分析月平均场中相应格点标准化后的资 料，得到下个月三水降水量的预报。具体的技术细节详见第4 章。 三水地区的降水气候特征及其预测研究 征。 第3 章三水降水气候特征分析 本章将使用三水站1 9 5 7 - 2 0 0 6 年每日的观测降水资料分析三水降水气候特 3 1 三水降水的季节变化特征及规律 图1 三水站月降水变化图，p m e a n 表示平均日降水率( 实线) ，单位：毫米天： p d a y 表示平均月雨日数( 长虚线) ，单位：天； p m a x 表示历史最大日降水率( 短虚线) ，单位：毫米，天。 图l 是5 0 年( 1 9 5 7 2 0 0 6 年) 的统计结果，从图1 可见，平均日降水率和平均 月雨日数的最大值均出现在6 月份，而历史最大日降水率则出现在5 月份；分析平 均日降水率曲线得知，从4 月至9 月三水的平均日降水率5 o 毫米天，根据w a n g 等h 驯采用相对候平均降水率超过5 0 毫米天的标准来定义雨季开始的方法，三 水4 月开始进入雨季，一直持续到9 月的这段时间都是三水的主雨季，而4 至9 月正 好是每年的汛期；分析平均月雨日数曲线得知，从3 月至8 月的平均月雨日数均超 过1 6 天，也就是这段时间有半个月以上时间出现降水，而1 1 月份的平均月雨日数 则小于6 天，为全年最小；分析历史最大日降水率得知，全年1 2 个月的历史最大 日降水率均5 0 0 毫米天，表明全年各月都存在出现暴雨的可能性，而历史最 大日降水率 1 1 0 0 0 毫米天的月份只有4 至1 0 月，表明4 至1 0 月出现大暴雨的可能 性比其它月份较大。 另外，综合三条曲线趋势分析得知，三水的降水存在2 个高峰期，5 、6 月份 1 2 第3 章三水降水气候特征分析 为第1 个降水高峰期，7 、8 月份为第2