论文

贵州冬季云贵准静止锋及其锋面降雨的气候特征研究

  • 杨春艳 ,
  • 白慧 ,
  • 孔德璇 ,
  • 李浪 ,
  • 陈波
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  • 1. 贵州省黔西南布依族苗族自治州气象局,贵州 兴义 562400
    2. 贵州省山地环境气候研究所,贵州 贵阳 550002
    3. 贵州省山地气候与资源重点实验室,贵州 贵阳 550002

杨春艳(1990 -), 女, 贵州息烽人, 工程师, 从事短期天气预报及气候研究. E-mail:

收稿日期: 2022-07-07

  修回日期: 2022-11-15

  网络出版日期: 2023-09-26

基金资助

中国气象局创新发展专项(CXFZ2022J012)

Study on the Climatic Characteristics of the Quasi-stationary Front in Yunnan and Guizhou and its Frontal Rainfall in Winter in Guizhou

  • Chunyan YANG ,
  • Hui BAI ,
  • Dexuan KONG ,
  • Lang LI ,
  • Bo CHEN
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  • 1. Meteorological Bureau of Qian Xinan Buyei and Miao Autonomous Prefecture,Xingyi 562400,Guizhou,China
    2. Guizhou Institute of mountain environment and climate,Guiyang 550002,Guizhou,China
    3. Guizhou Key Laboratory of mountain climate and resources,Guiyang 550002,Guizhou,China

Received date: 2022-07-07

  Revised date: 2022-11-15

  Online published: 2023-09-26

摘要

云贵准静止锋是贵州冬季最主要的天气系统之一, 预报难度较大。本文利用2007 -2021年云贵川渝桂五省(市、 区)国家气象观测站的逐日地面常规观测站点资料及贵州08:00(北京时, 下同)至次日08:00日降水量数据, 通过合成分析、 EOF和REOF分析、 EEMD等气象统计方法, 分析了云贵准静止锋的冬季气候特征以及在贵州地区不同量级的锋面降雨特征。结果表明: (1)贵州冬季平均有52.8天准静止锋天气, 1月准静止锋影响最严重, 其次是2月、 12月; (2)冬季云贵准静止锋的锋向以南北型为最多, 平均位于曲靖附近; 其次是西北-东南型, 平均位于贵州西部地区; 东西型很少; 中等强度准静止锋最多且易出现在前冬, 强准静止锋次之且易发生在后冬, 弱准静止锋最少; (3)锋面降水以降雨(纯雨或冻雨)为主, 准静止锋强度越强, 锋面降雨日数越少, 且锋面降雨日数占比随准静止锋强度减弱而增加; 锋面降雨量主要集中在5.0 mm以下, 锋面降雨概率与雨量成反比, 与降雨范围成正比, 当锋面降雨量级较弱时, 锋面降雨概率随雨量增加呈单峰结构, 随降雨范围扩大呈双峰结构; (4)EOF和REOF分型结果得到影响贵州的两种不同量级锋面降水类型: 中东部型锋面降雨多在前冬且多南北型, 强度多中等或弱等级, 易发生0.1~1.0 mm量级的大范围降雨; 西南部型锋面降雨多在后冬且多南北型或西北-东南型, 强度多强等级, 易发生1.1~5.0 mm量级的小范围降雨。(5)中东部型年均降雨量气候倾向率为负值, 累计距平变化大致呈“M”型分布; 西南部型年均降雨量气候倾向率为正值, 阶段性特征明显, 累计距平变化大致呈“W”型分布; 两者均存在准4年和准8年周期振荡; 近年来中东部型锋面降雨呈减少趋势, 西南部型呈增加趋势。该研究结果能为贵州地区冬季准静止锋天气的预报预测提供重要的气候背景依据。

本文引用格式

杨春艳 , 白慧 , 孔德璇 , 李浪 , 陈波 . 贵州冬季云贵准静止锋及其锋面降雨的气候特征研究[J]. 高原气象, 2023 , 42(5) : 1207 -1217 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00099

Abstract

The quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou is one of the most important weather systems in Guizhou in winter, and it is difficult to forecast.This paper analyzes the winter climate characteristics of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou and frontal rainfall characteristics of different magnitudes in Guizhou by using the daily ground conventional observation station data of five provinces (cities, districts) of Yunnan, Guizhou, Sichuan, Chongqing, Guangxi from 2007 to 2021 and the daily precipitation data of Guizhou from 08:00 to 08:00.The results show that: (1) There are 52.8 days of the quasi-stationary front weather in Guizhou in winter on average.The impact of the quasi-stationary front is most serious in January, followed by February and December.(2) In winter, the front direction of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou is the most south-north type, averaging near Qujing; The second is the northwest southeast type, which is located in the west of Guizhou on average; There are few east-west types; The moderate intensity quasi-stationary front is the most and tends to occur in the early winter, the strong quasi-stationary front is the second and tends to occur in the late winter, and the weak quasi-stationary front is the least.(3) The frontal precipitation is dominated by rainfall (rain or freezing rain).The stronger the quasi-stationary front is, the fewer the days of frontal precipitation are, and the proportion of the days of frontal precipitation increases with the weakening of the quasi-stationary front; The frontal rainfall is mainly concentrated below 5.0 mm, and the frontal rainfall probability is inversely proportional to the rainfall and is proportional to the rainfall range.When the frontal rainfall is weak, the frontal rainfall probability is unimodal with the increase of rainfall and bimodal with the expansion of rainfall range.(4) The results of EOF and REOF classification show that there are two types of frontal precipitation with different magnitudes that affect Guizhou: the frontal precipitation in the central and eastern regions is mostly in the early winter and more south-north, with moderate or weak intensity and prone to large-scale rainfall of 0.1~1.0 mm magnitude; The southwest type frontal rainfall is mostly in the late winter, and it is mostly north-south type or north-west southeast type.The intensity is strong, and the small-scale rainfall of 1.1~5.0 mm is easy to occur.(5) The climate tendency rate of the average annual rainfall in the middle-east type is negative, and the cumulative anomaly changes are roughly in the "M" shape; The climate tendency rate of annual average rainfall in the southwest type is positive, with obvious stage characteristics, and the cumulative anomaly changes are roughly "W" shaped; Both of them have quasi 4 years and quasi 8 years periodic oscillations; In recent years, the frontal rainfall in the middle-east has decreased, while that in the southwest has increased.The results can provide an important climate background for the prediction of quasi - stationary front weather in winter in Guizhou.

1 引言

云贵准静止锋又称滇黔准静止锋, 是影响贵州地区最主要的天气系统之一, 一般锋前温高日晒, 锋后低温阴雨。云贵准静止锋位置的来回摆动、 强度的不断变化对中国西南部天气影响极大, 预报难度较高。云贵准静止锋活跃时, 易出现低温阴雨、 雪凝、 暴雪、 大雾、 冰雹、 暴雨等天气(杜正静等, 2005刘开宇等, 2019杨静等, 2020), 对社会生产生活造成极为不利的影响, 所以研究云贵准静止锋气候特征及其锋面天气现象尤为重要。
根据前人研究表明, 准静止锋发生的频次有明显的年际变化, 1961 -2014年云贵准静止锋频次有增加的趋势(陶云等, 2018), 而1970 -2009年冬季云贵准静止锋活动却呈减少趋势(张精华等, 2016)。云贵准静止锋有明显的季节差异, 主要存在于冬半年(10月至次年4月), 其中冬季有41.6%为静止锋天气影响, 1月最多, 一次静止锋过程一般维持在10 d左右(杜正静等, 2005王芬等, 2021)。云贵准静止锋受高原大地形的阻滞作用明显, 偏东路径的冷空气在大地形后侧移动速度缓慢甚至停滞, 使得静止锋在云贵高原东部出现的次数最多(段旭等, 2018)。前人根据静止锋平均地理位置进行分型, 指出偏东路径冷空气影响下锋面在昆明至贵阳之间的最为常见(杜正静等, 2007王芬等, 2021)。前人也提出了其他的静止锋分型方法, 例如有学者根据气团源地和路径的不同, 将静止锋分为干型静止锋和湿型静止锋, 干型静止锋以锋面云系为主, 湿型静止锋锋面附近和锋后常出现降雨或持续性低温阴雨天气(陆庠, 1982); 王芬等(2021)根据静止锋锋面两侧的温差进行强度分型, 结果表明中等强度的云贵准静止锋在冬季出现最多, 强静止锋次之。但不管是从平均地理位置还是锋面温差的角度进行分型, 云贵准静止锋的锋面走向大多呈西北-东南向或者南北向, 这一点在其他研究中也有证实(吴晓萍等, 2009崔庭等, 2012杨静等, 2020)。甘文强等(2018)指出, 不同相态的静止锋锋面降水一般发生在冷气团一侧, 出现低温雨雪天气的原因主要是强冷空气影响和静止锋西移, 冷空气越强, 锋区越偏南、 偏西, 且南北经向性越大。
综上可以发现, 目前大多学者的研究侧重于云贵准静止锋的时空分布特征、 结构特征及其对低温雨雪和暴雨等天气的影响等(杜正静等, 2005张亚男和段旭, 2018), 对于个例分析有一定的理论指导依据。但对静止锋中短期预报预测方面的气候理论支撑仍显不足, 尤其是在云贵准静止锋的频发时段、 锋向和强度等气候特征及其与锋面降水的关系等方面。本文在参考前人研究的静止锋时空分布特征及个例分析的基础上, 对2007 -2020年冬季云贵准静止锋气候特征及其贵州地区锋面降水进行更详细的研究, 着重分析冬季云贵准静止锋的频发时段、 锋向、 强度等气候特征, 以及前人未涉及的锋面降雨(纯雨和冻雨)气候特征及区域分异特征研究, 以期对贵州地区冬季准静止锋天气的预报预测提供气候背景依据, 帮助提高本地的预报预测质量和气象服务水平。

2 资料来源和方法介绍

2.1 资料来源

资料选取时段为2007 -2021年, 区域为云贵川渝桂五省(市、 区), 包括: (1)国家气象观测站的逐日地面常规观测站点资料, 包括08:00(北京时, 下同)、 11:00、 14:00、 17:00、 20:00等时次的气压、 气温、 云量、 风向、 天气现象、 降雨量等资料; (2)国家气象观测站的08:00至次日08:00日降水资料。冬季选取当年12月至次年1 -2月。
文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS(2019)3266号的中国地图制作, 底图无修改。

2.2 方法介绍

本文主要采用统计分析和合成分析对云贵准静止锋的频发时段、 锋向、 强度等气候特征进行分析。而对于锋面降雨部分的研究方法, 则参考前人对降水模态及周期分析等研究方法, 例如合成分析、 EOF、 REOF、 EEMD等分析方法。其中, EOF(经验正交函数)和REOF(旋转经验正交函数)分析方法能够分解出不同的空间模态, 被广泛用于降水空间气候分异区划的研究中(严小冬等, 2009张勇等, 2015敖婷和李跃清, 2015谢佳杏等, 2018徐丽娇等, 2019刘晓琼等, 2020陈子凡等, 2022向楠等, 2022); EEMD方法(改进的经验模态分析方法)能够提取多尺度趋势分量, 用于分析降水序列的尺度变化特征和趋势预测中(刘晓琼等, 2020)。结合前人研究与实际预报工作经验, 对2007 -2020年冬季云贵准静止锋进行个例选取与特征统计分析。
静止锋锋向的定义方法: 按照函数图像上四象限来划分云贵准静止锋锋线方向(以下简称锋向), 将锋线方位角在第二象限112.5° -157.5°、 第四象限292.5° -337.5°以内的定义为西北-东南型, 将锋线在0°、 180°左右摆动22.5°以内的定义为南北型, 同理将锋线在90°、 270°上下摆动22.5°以内的定义为东西型。
静止锋强度的定义方法: 根据实际预报经验, 结合前人研究结果(王芬等, 2021), 按照静止锋锋面前后温差大小来定义强弱, 分为三种强度: 锋面温差小于或等于7 ℃的为弱静止锋, 锋面温差8~15 ℃的为中等强度静止锋, 锋面温差大于或等于15 ℃的为强静止锋。

3 冬季云贵准静止锋气候特征

3.1 频次时间特征

根据云贵川渝桂五省(市、 区)国家气象观测站的逐日地面常规观测站点资料, 对2007 -2020年冬季云贵准静止锋逐年日数的时间序列分析可知[图1(a)], 贵州年均有52.8 天受准静止锋影响, 其中2007年、 2011年、 2012年、 2018年和2020年准静止锋日数高于气候平均值; 2011年准静止锋日数最多(81天), 有90%的天数为准静止锋天气, 这与2011年强冷空气活动频繁有关; 其余年份均低于气候平均值, 尤其在2013 -2017年时期。对准静止锋的逐年日数进行时间序列标准化计算, 以1倍标准差σ为阈值, 挑选出2007年和2011年准静止锋日数异常偏多, 2015年和2017年准静止锋日数异常偏少。
图1 冬季云贵准静止锋日数的时间分布特征

Fig.1 Time distribution characteristics of days of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou in winter

对2007 -2020年冬季云贵准静止锋逐月日数进行统计, 发现1月份是准静止锋影响最频繁的月份, 影响频次达282天(占总数的38%), 其次是2月、 12月, 分别为237天(占32%)和220天(占30%)。与王芬等(2021)研究结果比较一致, 说明1月冷空气影响频繁, 静止锋比较活跃。如图1(b), 1月上旬、 1月下旬是准静止锋影响最为频繁的时段, 其次为2月中旬、 12月下旬, 其中准静止锋主要集中出现的6个时段为12月12 -15日、 12月23 -25日、 1月2 -10日、 1月14 -16日、 1月19 -26日和2月13 -22日。

3.2 锋向时空特征

根据实际业务工作经验, 冷暖空气位置和强度的对峙情况往往造成不同的静止锋锋向分布, 根据上述定义将锋向分为三类, 即南北型、 西北-东南型和东西型, 下文着重分析不同锋向的分布特征。对冬季云贵准静止锋的锋向特征进行逐旬统计[图2(a)]发现, 准静止锋的锋向主要以南北型、 西北-东南型为主, 分别出现420天(占比57%)、 315天(占比43%), 而东西型很少, 仅出现4天, 其中12月上旬至2月上旬的南北型静止锋日数(分别为132天、 166天、 44天)均是多于西北-东南型的(分别为87天、 115天、 37天), 仅2月中下旬两者日数基本相等, 这一分布特征主要与地形、 天气系统发展有关(段旭等, 2018)。通过合成分析得到上述三种锋向的空间位置分布[图2(b)], 南北型静止锋多位于云南中部至贵阳之间, 以曲靖附近位置最多, 此时贵州全省处于锋后, 多阴雨天气, 气温偏低。西北-东南型静止锋多位于贵州西部地区, 贵州威宁、 盘州、 兴义等县(市)常处于锋前, 晴朗少云, 气温偏高; 贵州中东部地区处于锋后阴雨绵绵, 锋面两侧温差较大。东西型静止锋多位于贵州省中部偏北地区, 一般锋面两侧温差不大。上述三种锋向的空间位置分布与张精华等(2016)对云贵准静止锋影响范围的分析具有相似性, 锋面位于沾益与贵阳之间最为频繁。同时也应注意到, 锋向分布还受到大地形的影响, 例如位于贵州西部的乌蒙山走向等。
图2 冬季云贵准静止锋不同锋向型的时空分布特征

Fig.2 Temporal and spatial distribution of different frontal types of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou in winter

3.3 锋区强度特征

不同的锋区强度对应不同的天气现象, 其两侧的温差、 风向风速、 天气现象、 降水分布等均不相同。根据上述静止锋强度的定义方法对冬季云贵准静止锋实况锋区进行强度划分可知, 中等强度静止锋出现最多, 近14年累计出现401天, 强静止锋次之(239天), 弱静止锋最少(99天)(表1)。其中, 强静止锋在1月、 2月出现的天数基本相当, 12月最少, 说明1 -2月北方强冷空气与西南热低压发展势力相当, 两者频繁交绥造成强的静止锋锋区, 锋面两侧温差较大; 中等强度静止锋在1月出现最多, 12月次之, 2月最少; 弱静止锋在各月出现频次均较低。总体上, 强静止锋较易出现在后冬(1月下旬至2月上中旬最多), 中等强度静止锋较易出现在前冬(12月下旬至1月上旬最多); 而弱静止锋旬日数呈摆动式分布特点, 表现为12月中下旬、 1月中旬、 2月上旬、 2月下旬多, 其余时段少(图略)。整体而言, 强、 中等强度静止锋日数逐旬分布与气候平均[图1(a)]基本对应, 而弱静止锋日数的分布与气候平均刚好相反。
表1 冬季不同强度静止锋日数逐月分布

Table 1 Monthly distribution of days of the quasi-stationary front with different intensities in winter

月份 静止锋日数/d
强静止锋 中等静止锋 弱静止锋
12月 42 141 37
1月 98 157 27
2月 99 103 35
总和 239 401 99
不管是中等强度还是强的静止锋, 南北型的日数均比西北-东南型的多(图3)。中等强度静止锋中南北型占比59%, 西北-东南型占比40%, 东西型仅出现3天。强静止锋中南北型占比58%, 西北-东南型占比42%, 东西型仅出现1天。值得一提的是, 2月下旬西北-东南型强静止锋日数多于南北型, 这与2月份云南至贵州西南部热低压开始频繁发展使得静止锋锋面倾斜更加明显有关(杨静等, 2013); 而弱静止锋在前冬(12月)南北型比西北-东南型多, 中后冬(1月至2月上中旬)两者分布相反, 主要由于锋面两侧冷暖气团的活动位置变化有关。
图3 不同锋向不同强度的静止锋日数逐旬分布

Fig.3 Ten day distribution of the quasi-stationary front days with different frontal types and intensities

4 冬季云贵准静止锋锋面降雨气候特征及分型

4.1 不同量级锋面降雨特征

冬季云贵准静止锋锋面附近及锋后大范围地区一般伴有降水, 天气现象表现为雨、 雨夹雪或雪等单一相态降水或多种相态混合降水, 其中锋面降雨(纯雨或冻雨的统称)的占比为79.4%, 这与实际业务经验和前人研究结果一致(郭荣芬等, 2010)。利用贵州84个国家气象观测站的08:00至次日08:00时日降水资料, 对不同强度静止锋影响下贵州地区出现的锋面降雨日数进行统计发现(图4), 锋面强度与锋面降雨日数占比呈显著负相关关系。弱静止锋日数和锋面降雨日数均较少, 且以降雨为主(98%)。中等强度静止锋日数和锋面降雨日数均较多, 锋面降雨日数占比平均为90%, 1月最高为96%, 2月次之(92%), 12月最少(88%)。而强静止锋日数与锋面降雨日数明显存在差异, 降雨日数占比为最低(63%), 其中12月最高为74%, 2月次之(69%), 1月最少(52%), 表明1月强静止锋锋面降水中有48%的概率出现包含雨夹雪或雪在内的单一相态降水或多种相态混合型降水, 才使得纯雨或冻雨的日数相较偏少。
图4 不同强度云贵准静止锋的贵州锋面降雨日数和占比统计

Fig.4 Statistics of Guizhou frontal rainfall days and proportions of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou with different intensities

云贵准静止锋影响下降雨量分布与降雨范围不尽相同。对冬季云贵准静止锋影响下贵州锋面降雨的区域平均雨量和站数的概率进行统计分析发现, 静止锋影响下降雨量主要集中为5.0 mm以下的小雨, 占比为96.8%(715个站/739个站), 故下文统计对象为该715个锋面降雨样本。锋面降雨主要为1.0 mm以下的弱降水, 且随降雨量值的增加, 锋面降雨出现的概率减小[图5(a)]。0.1~1.0 mm的降雨平均概率为30.6%, 累计概率为61.3%; 1.1~5.0 mm的降雨平均概率为4.8%, 累计概率为38.7%。从降雨范围来看, 锋面降雨范围主要集中在锋后的30个站点以上(累积概率73%), 且随着降雨范围的扩大, 锋面降雨出现的概率也在增加[图5(b)]。但注意到, 如图5(c)~(f)所示, 降雨量在0.1~1.0 mm和1.1~5.0 mm两个区间时, 雨量概率和站数概率分布完全不一致, 前者概率分布分别为单峰结构和双峰结构, 其雨量概率分布主要集中在0.4~0.8 mm [图5(c)], 站数概率分布主要集中在10~25个和40~55个站[图5(d)]; 后者概率与图5(a)~(b)基本一致, 其雨量概率分布主要集中在1.0~2.0 mm[图5(e)], 站数概率分布主要集中在65~84个[图5(f)]。表明在云贵准静止锋影响下, 贵州境内锋面降雨通常量级较小(0.1~5.0 mm)、 影响范围较大(30个站以上), 即锋面降雨概率与降雨量级成反比, 与降雨范围成正比。当锋面降雨较弱时(0.1~1.0 mm), 其降雨概率与降雨量级、 降雨范围的相关性发生变化, 表现为锋面降雨概率随降雨量的增加呈单峰结构, 随降雨范围的扩大呈双峰结构。以上分析结果未在前人文献中出现过, 值得更进一步探讨。
图5 云贵准静止锋影响下贵州锋面降雨不同样本下区域平均雨量和站数的概率分布

Fig.5 Regional average rainfalls and stations probability distribution of different Guizhou frontal rainfall samples under the influence of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou

4.2  EOFREOF空间分布

EOF和REOF分析方法能够分解出不同的空间模态, 被广泛用于降水空间的气候区划研究中。对以上0.1~1.0 mm(438个样本)和1.1~5.0mm(277个样本)两个区间的样本降雨分别进行EOF分析(表2), 0.1~1.0 mm降雨样本前5个模态的累积方差为46.7%, 前4个模态通过了North检验, 其中前两个模态的方差贡献率分别为20.8%和9.7%, 累积方差贡献为30.5%。同理, 1.1~5.0 mm降雨样本前5个模态的累积方差为54.8%, 收敛速度较好; 前4个模态也通过了North检验, 其中前两个模态的方差贡献率分别为23.1%和12.4%, 累积方差贡献为35.5%。尽管受地形影响, 降水具有时空不连续分布和局地特征, 但两个样本段降雨的前两个模态仍能够在一定程度上反映该地区冬季锋面降雨的主要统计学特征。
表2 冬季云贵准静止锋锋面降雨两个样本段的EOF5个模态的方差贡献和累积贡献率

Table 2 Variance contribution and cumulative contribution rates of the first five EOF modes of the two sample segments of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou in winter

模态序号 1 2 3 4 5
0.1~1.0 mm 1.1~5.0 mm 0.1~1.0 mm 1.1~5.0 mm 0.1~1.0 mm 1.1~5.0 mm 0.1~1.0 mm 1.1~5.0 mm 0.1~1.0 mm 1.1~5.0 mm
方差贡献/% 20.8 23.1 9.7 12.4 6.0 8.5 5.8 6.3 4.3 4.5
累积方差贡献/% 20.8 23.1 30.5 35.5 36.5 44.0 42.3 50.3 46.7 54.8
对于0.1~1.0 mm降雨量样本[图6(a), (b)], EOF前两个模态的空间分布型为东-西向反位相型和东北-西南向反位相型。第一模态特征量值除了贵州西北边缘地区为负值分布外, 其余地区均为正值分布, 且高值中心(≥0.5, 下同)位于贵州中部以东地区, 包括贵阳大部、 遵义南部、 黔南北部、 黔东南北部和铜仁南部地区, 大值在瓮安、 福泉、 麻江等地。第二模态特征量值在贵州东部为负值分布、 西部为正值分布, 且正的高值中心位于贵州西南部地区, 包括安顺大部、 黔南西部、 毕节南部、 六盘水东部和黔西南州中北部地区, 大值在六枝、 关岭、 晴隆一带。对于1.1~5.0 mm降雨量样本[图6(c), (d)], EOF第一模态空间分布型为一致的正值, 高值中心位于贵州中部以南地区, 包括贵阳南部、 安顺东部、 黔西南东部、 黔南大部和黔东南大部, 大值在都匀、 贵定、 麻江等地。而第二模态的空间分布型与0.1~1.0 mm样本相似, 表现为东北-西南向反位相型。
图6 冬季云贵准静止锋两个样本降雨EOF前两个模态特征向量场的空间分布

Fig.6 Spatial distributions of EOF eigenvector field of the first two modes of the two rainfall samples of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou in winter

上述不同量级锋面降雨的EOF主模态中, 对应的第一和第二模态高值区降雨量与PC1和PC2时间序列的相关性均表现为显著正相关(通过0.05信度检验), 相关系数分别为0.978、 0.782和0.994和0.679。表明EOF第一模态对于锋面降雨区域特征的把握明显优于第二模态, 这与第一模态方差贡献占比较大有关。
对冬季云贵准静止锋影响下不同量级锋面降雨的EOF前两个主模态进行REOF分解, 发现0.1~1.0 mm样本的两个模态的方差贡献为17.9%和12.5%, 1.1~5.0 mm样本的两个模态的方差贡献为18.0%和17.5%, 较EOF的方差贡献分布更为均匀, 且两者REOF的两个模态高载荷区叠加均可覆盖全省大部, 基本无重叠区域。选取二者REOF第一模态的高载荷区(特征向量值≥0.5)降雨量与模态时间系数计算相关系数, 均呈显著正相关性(通过0.05信度检验), 均能较好地体现局地气候特征, 两种不同量级锋面降雨的敏感区分别主要位于贵州中东部和西南部地区, 分别记为中东部型和西南部型。如图7(a), 对于中东部型(0.1~1.0 mm), REOF向量场的空间分布型为东-西向反位相型, 除了贵州西部地区为负值分布外, 其余地区均为正值分布, 且高值中心位于贵州中部以东地区, 包括贵阳东部、 遵义南部、 黔南东北部、 黔东南中北部和铜仁中南部地区。而对于西南部型[1.1~5.0 mm, 见图7(b)], REOF向量场的空间分布型为东北-西南向反位相型, 除了贵州东北部的遵义、 铜仁为负值分布外, 其余地区均为正值分布, 且高值中心位于贵州西南部地区, 包括黔西南、 安顺、 六盘水市东部、 毕节南部、 黔南中西部地区。
图7 冬季云贵准静止锋两个样本降雨REOF模态旋转载荷向量场的空间分布

Fig.7 Spatial distribution of REOF rotational load vector fields of two rainfall samples of the quasi-stationary front in Yunnan and Guizhou in winter

上述两种不同量级锋面降雨的区域分异特征, 与冬季云贵准静止锋的频次、 锋向、 强度等气候特点有关。具体而言, 贵州中东部型锋面降水以0.1~1.0 mm量级为主, 相应的锋面降雨范围较大, 出现时段集中在前冬, 准静止锋锋向多呈南北型, 强度多为中等或弱等级; 西南部型降水以1.1~5.0 mm量级为主, 相应的锋面降雨范围较小, 出现时段集中在后冬, 准静止锋锋向多呈南北型或西北-东南型, 强度多为强等级, 与此同时贵州中东部地区出现多种相态的混合型降水(雨夹雪、 雪、 冻雨)的概率较大。

4.3 锋面降雨不同分区的气候特征

冬季云贵准静止锋影响下贵州中东部型和西南部型锋面降雨的时间变化不尽相同(图8)。中东部型0.1~1.0 mm的年均降雨气候倾向率为负值[-0.8 mm·(10a)-1], 2008 -2015年间年均降雨量呈增多趋势, 2015年后减少明显; 年均降雨量累计距平变化大致呈“M”型分布, 2008-2010年、 2012 -2013年冬季锋面降雨呈增加趋势, 属湿润期; 2014 -2018年冬季锋面降雨呈减少趋势, 属相对干期。西南部型1.1~5.0 mm的年均降雨气候倾向率为正值[4.1 mm·(10a)-1], 增幅较大, 年均降雨量波动性较中东部型偏强, 阶段性特征明显; 其年均降雨量累计距平变化大致呈“W”型分布, 2012 - 2014年冬季锋面降雨呈增加趋势, 属湿润期; 2010 - 2011年、 2016 -2019年冬季锋面降雨呈减少趋势, 属相对干期。通过与前人研究对比, 这两种锋面降雨分布型的气候特征与大的气候背景也存在密切关系(杨春艳等, 2021)。
图8 2007 -2020年冬季贵州不同量级锋面降雨的时间序列

Fig.8 Time series of frontal rainfall of different magnitude in Guizhou in winter from 2007 to 2020

EEMD方法能够提取多尺度趋势分量, 可以用于分析降水序列的尺度变化特征和趋势预测。本文利用EEMD对近14年冬季云贵准静止锋影响下贵州中东部型和西南部型的锋面降雨变化气候的时间序列分解为两个有限本征模函数分量IMF及1个气候序列趋势项RES(图9)。0.1~1.0 mm中东部型锋面降雨IMF1存在明显的准4年周期振荡, 与原始序列相关性较强; IMF2存在准8年周期振荡, 近14年中其气候序列RES表现为先升后降的趋势, 时间拐点出现在2014年, 这与ENSO事件有一定关系(刘晓琼等, 2020)。相似地, 1.1~5.0 mm西南部型锋面降雨IMF1也存在明显的准4年周期振荡, IMF2存在准8年周期振荡, 但其气候序列RES基本表现为单调上升的趋势。总体来讲, 中东部型和西南部型锋面降雨均存在准4年和准8年周期振荡, 但近年来中东部型锋面降雨呈减少趋势, 西南部型锋面降雨呈增加趋势, 可以对未来相应的锋面降水进行简单预测。
图9 基于EEMD的冬季贵州不同量级锋面降雨量的序列趋势分解

Fig.9 Sequence trend decomposition of frontal rainfall of different magnitude in Guizhou in winter based on EEMD

5 结论与讨论

利用2007 -2021年云贵川渝桂五省(市、 区)国家气象观测站的逐日地面常规观测站点资料及贵州08:00至次日08:00日降水量数据, 通过合成分析、 EOF和REOF分析、 EEMD等气象统计方法, 对2007 -2020年冬季云贵准静止锋的日数、 锋向、 强度等气候特征以及贵州地区不同量级的锋面降雨区域分异特征进行分析, 主要结论如下:
(1) 贵州冬季平均有52.8天受云贵准静止锋影响, 2007年和2011年准静止锋日数异常偏多, 2015年和2017年准静止锋日数异常偏少。1月份是冬季云贵准静止锋影响最频繁的月份, 其次是2月、 12月, 主要有6个集中时段: 12月12 -15日、 12月23 -25日、 1月2 -10日、 1月14 -16日、 1月19 -26日、 2月13 -22日。
(2) 冬季云贵准静止锋锋向以南北型、 西北-东南型为主, 南北型最多, 东西型很少; 南北型静止锋以曲靖附近位置最多, 西北-东南型静止锋多位于贵州西部地区, 东西型静止锋多位于贵州省中部偏北地区。中等强度静止锋出现最多, 强静止锋次之, 弱静止锋最少。且强静止锋较易出现在后冬(1月下旬和2月中旬最多), 中等强度静止锋较易出现在前冬(12月下旬至1月上旬最多), 弱准静止锋日数旬分布呈现摆动式分布特点。中等强度、 强的静止锋南北型均比西北-东南型的多。
(3) 冬季云贵准静止锋锋面降水以锋面降雨(纯雨或冻雨)为主, 锋面强度与降雨日数占比呈显著负相关, 静止锋越强, 降雨日数占比越低, 弱锋面降水均为降雨; 中等锋面降雨日数占90%, 1月最高; 强锋面降雨日数占63%, 12月最高。贵州境内锋面降雨通常量级较小(0.1~5.0 mm)、 影响范围较大(30站以上), 锋面降雨概率与降雨量值成反比, 与降雨范围成正比。0.1~1.0 mm降雨概率随降雨量的增加呈单峰结构, 随降雨范围的扩大呈双峰结构。
(4) 0.1~1.0 mm锋面降雨的EOF和REOF第一个模态的空间分布型均为东-西向反位相型, 正值中心位于贵州中部以东地区; EOF第二模态为东北-西南向反位相型, 正值中心位于贵州西南部地区。1.1~5.0 mm降雨EOF第1模态空间分布型为一致的正值, 正值中心位于贵州中部以南地区, 第二模态与0.1~5.0 mm基本一致; REOF第一个模态型为东北-西南向反位相型, 正值中心位于贵州西南部地区。说明锋面降雨的敏感区主要位于贵州中东部和西南部地区, 0.1~1.0 mm降雨对应中东部型, 1.1~5.0 mm降雨对应西南部型。当前冬静止锋锋向呈南北型、 强度为中等或弱时, 出现0.1~1.0 mm的弱降雨的概率增大, 相应的降雨站点较多, 以贵州中东部地区最为明显。而后冬静止锋锋向呈南北型或西北-东南型、 强度为强时, 出现1.1~5.0 mm的较大量级降雨的概率则增大, 以贵州西南部地区最为明显, 且中东部出现多种相态的混合型降水的可能性也在增大。
(5) 中东部型0.1~1.0 mm的年均降雨气候倾向率为负值, 2008 -2015年间年均降雨量呈增多趋势, 2015年后减少明显, 年均降雨量累计距平变化大致呈“M”型分布。西南部型1.1~5.0 mm的年均降雨气候倾向率为正值, 年均降雨量波动性偏强, 阶段性特征明显, 年均降雨量累计距平变化大致呈“W”型分布。两者锋面降雨均存在准4年和准8年周期振荡, 但近年来中东部型锋面降雨呈减少趋势, 西南部型锋面降雨呈增加趋势。
该研究结论对冬季云贵准静止锋气候特征及贵州地区锋面降雨特征有了初步认识, 可以为实际预报预测业务提供理论指导, 一定程度上能够提高本地的预报预测质量, 尤其是分级降水方面, 例如静止锋锋面降雨以小雨量级为主。但也要认识到几个问题, 一是研究区的气候特征及变化趋势, 会因分析序列的时序长短而产生一定的差异(陈子凡等, 2022)。由于冬季静止锋个例选取的工作量较大, 本文仅选取了2007年以来的数据进行分析, 作者后续工作计划尽量延长研究时段重新进行分析。二是不同相态的锋面降水不仅受锋面位置和强度影响, 还受地形显著影响(段旭等, 2018), 因此对于锋面降水存在的时空不连续分布特征值得深入研究。三是不同分型(强度、 锋向)的云贵静止锋环流背景及区域分异特征存在差异(张精华等, 2016), 在实际预报预测业务中如何利用环流形势场预报出静止锋对应的天气非常重要, 这里可以参照前人(段旭等, 2017)建立客观识别等方法来进行开展。以上问题都将是后续工作的重点, 以期能够得到云贵准静止锋较为准确的理论依据。

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