引言

福建前汛期(5—6月)降水占福建全年降水量32%左右，有降水阶段明显、暴雨集中、降水强度强等特点，前汛期的洪涝灾害是福建主要的气象灾害之一。前汛期持续性强降水引发的气象灾害导致国民经济和人民生命财产遭受巨大损失。例如1998年6月8—24日和2010年6月13—26日出现在福建的两次持续强降水分别给福建造成超过100亿的直接经济损失。随着全球变暖，此类高影响天气事件有显著增多或增强的趋势，福建省自20世纪90年代末以来，前汛期持续性强降水过程有明显增强的趋势，因而有必要对持续性强降水的产生原因、机理和影响进行深入研究，以便为防灾减灾提供参考依据。

目前关于持续性强降水的研究主要从三方面入手：(1) 个例诊断及模拟。针对某个典型持续性强降水过程，用诊断或数值模拟方法研究持续性强降水的天气成因，进而提高这种天气的短期和短临预报能力；(2) 气候特征研究。研究持续性强降水的时空分布特征，深入分析其形成机理，对做好短期气候预测有意义；(3) 低频振荡特征研究。研究持续性强降水的低频特征，揭示持续性强降水与低频天气系统的联系，这些研究表明，我国东部持续性强降水天气过程的形成与夏季风低频振荡有密切关系，季风雨带的北进、停滞和中断等现象正是大气低频变化的表现(陶诗言等，2007；李崇银等，1999；李崇银，1991；何金海等，1984；琚建华等，2005；2007；2008；朱乾根等, 2000；白旭旭等，2011)。夏季风引起的低频降水表现为区域性暴雨和暴雨群，形成持续性、频发性高影响天气事件(朱乾根等, 2000)；中高纬南传、低纬北传的大气低频波在江淮流域会合导致江淮流域降水异常(朱乾根等，2000；Yang et al, 2003；张庆云等，2003；朱益民等，2007；丁一汇等，2010)；江淮流域和华南地区大气低频活动分别从20世纪80年代和90年代起增强与我国东部气候年代际变化有直接关系(朱益民等，2007)。这些持续性强降水与大气低频变化规律关系的研究成果可为10~30 d延伸期预报提供重要科学依据。在此基础上开展的延伸期预报研究和相关业务也取得了初步效果(丁一汇等, 2010；孙国武等，2008；2010；2012；2013；琚建华等，2011；冯俊阳等, 2012；高建芸等，2013；陈青等，2014)。可见，东部地区持续性强降水发生期间东亚大气普遍存在低频振荡，但这些研究成果及其在延伸期预报中的应用成效主要针对江淮地区，此前有关华南持续性强降水过程大气低频振荡特征的研究也主要针对特定年份或两广等地，关于福建前汛期持续性强降水与大气低频振荡普遍性关系的研究还比较少，还需要做更全面、更有针对性的研究。为此，本文拟通过分析福建前汛期降水的低频特征，摸清前汛期持续性强降水过程与降水低频变化的联系，提取导致福建持续性强降水过程发生的大气低频变化先兆信号和关键区，为福建前汛期持续性强降水过程的延伸期预报提供科学参考依据。

1 资料与方法 1.1 资料

本文采用的资料为：(1) 国家气象中心整编的福建地面气象观测站逐日实测降水资料；(2) NCEP/NCAR逐日再分析资料，包括风场、OLR场。以上资料时间长度为1979—2010年共32年。

1.2 方法

采用母函数为Morlet的小波变换方法分析前汛期降水的周期特征，小波变换系数实部表示不同特征的时间尺度信号在不同时间上的分布和位相信息，正值表示降水偏多，负值表示降水偏少。为了得到更可靠的低频周期，小波变换起止时间为每年的3月1日至7月31日；使用Butterworth滤波器提取10~20 d准双周振荡(BWO)和30~60 d季节内振荡(ISO)等低频信号，以低频信号的方差表示低频信号的强度；应用时滞相关分析研究持续性强降水的大气低频振荡特征。由于延伸期预报时效为10~30 d，为了得到延伸期预报时效内可用的前兆信号，在分析持续性强降水的大气低频特征及前兆信号时，重点分析30~60 d的大气低频特征。

1.3 定义

暴雨日：全省范围内≥3站出现暴雨(日雨量≥50 mm)定义为1个暴雨日。

暴雨过程：出现1个以上暴雨日的天气过程, 称为暴雨过程，过程起止日期为至少5个站大雨(日雨量≥25 mm)或1个站日雨量≥50 mm的日期。

持续性强降水过程：持续天数≥5 d的暴雨过程，若两个暴雨过程仅间隔1 d，算同一次过程。

雨季高峰期：连续出现≥2 d暴雨日, 且2~3 d内全省暴雨总站次≥25站次的暴雨过程。

下面以2009年6月下旬的过程为例加以说明：6月21日全省0站暴雨，5站大雨；6月22日16站暴雨；6月23日14站暴雨；6月24日6站暴雨；6月25日1站暴雨，7站大雨。那么，6月22—24日分别为1个暴雨日，暴雨过程的起始日期为6月21日，结束日期为6月25日，6月21—25日为持续性强降水过程，6月22—24日为雨季高峰期。

由于持续性强降水过程期间暴雨落区随时间有一定变化，应用福建全省66个气象站降水资料，参考张学民等(2008)有关华南春季汛期持续性强降水过程确定方法的研究成果，确定一个暴雨综合指数(R)，该指数关注重点在暴雨量级的降水，使之既能反映降水范围又能反映降水强度，具体定义如下：

R=2.0×特大暴雨站数+1.5×大暴雨站数+1.0×暴雨站数+0.2×大雨站数+0.04×中雨站数+0.01×小雨站数

以上指数在一定程度上较好地反映了降水强度与降水量级和空间分布范围的关系，当降水量级越大且空间分布范围越广时，指数越大，反之，指数越小。

2 福建前汛期降水的低频变化特征 2.1 前汛期降水低频特征

为了了解福建省前汛期降水的低频振荡周期，在全省九地(市)中分别挑选代表站点和全省平均的1979—2010年前汛期逐日降水量做Morlet小波分析，根据不同年份的低频周期频率，统计周期通过0.05的显著性水平检验的年份，列于表 1中。由表 1可见，全省前汛期降水几乎每年都出现较显著的低频振荡周期，但低频周期的长短因年而异，同一年中低频周期的长短也会出现明显变化，约63%的年份出现两种以上显著的低频周期(见图 1示例)。出现频率最高的是10~20 d振荡周期(约84%)，其次是30~60 d周期(约47%)，再次是20~30 d周期(约28%)。

由图 2可见，从平均情况上看，10~90 d低频变化占前汛期降水总方差的20%~30%，> 90 d变化所占比例不足5%，余下的均为高频的天气变化引起。福建闽北山区和闽中南沿海地区降水低频变化信号要略强于中部地区，在异常年份，如1994和1998年, 10~90 d低频变化所占比例部分地区达50%以上，局部高达70%以上。可见，降水的低频变化信号在福建前汛期降水的研究中不容忽视。

2.2 前汛期总降水量与低频降水强度的关系

朱乾根等(2000)通过对1998年中国南部降水特征的分析发现，该年低频降水率与总降水率呈正相关，其相关系数远远超过了0.01的显著性水平检验。为了分析福建前汛期低频降水强度与总降水量的关系，下面选取位于降水低频信号较强区域中的4个气象站：武夷山、泰宁、莆田和漳州，计算各站逐年前汛期降水的BWO和ISO强度，分析降水的BWO和ISO强度与前汛期总雨量的关系。结果表明(表 2)，前汛期总雨量与BWO和ISO强度皆呈正相关关系，相关系数皆通过0.01的显著性水平检验。即当低频降水强的年份，前汛期总雨量偏多，反之，当低频降水弱的年份，前汛期总雨量偏少。

图 3为4个代表站点前汛期降水量与低频振荡强度的时间演变曲线，由图可见：前汛期总降水量及其低频信号强度(包括BWO和ISO)具有显著的年际变化特征，且二者有较好的正相关关系，大部分年份BWO强于ISO，个别年份ISO强于BWO。特别值得注意的是：闽北山区，ISO强度大于BWO强度的年份，皆出现了异常降水；沿海地区的异常降水往往伴随着BWO强度的加强。存在这样的差异可能与测站所处的地理位置有关，也与造成降水的影响系统有关。闽北地区降水与中高纬冷空气活动的ISO特征关系更密切，而沿海地区受热带低频信号北传的影响更为直接。

2.3 持续性强降水过程与低频降水强度的关系

持续性强降水过程以其持续时间长，强度强，灾害重成为前汛期关注的重点，下面着重分析持续性强降水的气候特征及其与降水低频变化的关系。

1979—2010年前汛期福建共出现55次持续性强降水过程，年均1.72次，仅1985和1990年未出现，一年最多出现3次，这些年份分别是：1993、1994、1997、2001、2006、2008年，其余年份每年出现1~2次。最早出现在4月，共5次(1980、1993、1994、2000和2001年)，占总数的9%；最晚出现在7月，仅2次(1992和1997年)，占总数4%；最多出现在6月，占总数52%；其次是5月，占有总数35%。高发期集中在5月中旬至6月中旬，共41次，有74.5%的持续性过程出现在南海季风爆发后。其中达到雨季高峰期标准的有23次，占总数41.8%。4月的持续性过程强度皆较弱，均达不到高峰期标准，5月有31.2%达到雨季高峰强度，6和7月分别有55.2%和50%达高峰期强度。从暴雨过程持续时间上看：平均持续时间为8.5 d，最长可达22 d(1993年6月4—25日)，其次是1998年6月8—24日持续17 d。

为了进一步分析持续性强降水过程与降水低频变化特征的关系，图 4给出了四个典型年份闽北山区(武夷山测站)的日雨量以及降水的BWO和ISO逐日演变曲线，由图可见，不同年份降水的低频变化周期不同，持续性强降水的持续时间有明显的差异。当ISO和BWO信号都强时(如1998和2010年)，降水表现为较明显的40 d左右的周期，持续性强降水出现在ISO正位相上，尤其当ISO和BWO正位相叠加的时期，雨量较大；这些年份暴雨持续时间较长，为15~20 d。当BWO信号较强、ISO信号一般时(如1984和2002年)，降水表现为较明显的准双周振荡，持续性强降水出现在BWO正位相上，尤其当ISO和BWO正位相叠加的时期，雨量较大；这些年份暴雨持续时间相对前者短，为5~10 d。由此可见，由于每年前汛期降水的低频变化周期不同，持续性强降水过程的持续时间也不同，有些年份表现为明显的晴雨相间，而有些年份表现为旱涝急转。由于持续性强降水的形成是大气低频变化的表现，因此，如果能掌握导致降水低频变化的大气低频变化特征，无疑对持续性强降水过程的延伸期预报有重要指示意义。

3 福建前汛期持续性强降水的大气低频特征分析 3.1 持续性强降水同期的大气低频扰动特征

福建前汛期的降水特点是每年4月下旬至5月初前汛期自北而南开始，每年6月中下旬往往出现较强的一次持续性强降水过程，造成严重的洪涝灾害。此场降水结束后，副高北抬，福建前汛期基本结束。本文以1979—2010年6月出现的18次达到汛期高峰的最后一场持续性强降水过程为研究对象，分析持续性强降水过程同期的大气低频变化特征。应用Butterworth带通滤波得到30~60 d的大气低频信号，图 5为福建前汛期18场持续性强降水过程30~60 d大气低频信号的合成图，可以得出以下结论：(1) 对流层高层(200 hPa)低频纬向风场上，30°~40°N为带状的正值区，正中心位于东海至黄海一带，表明副热带西风急流核在东海至黄海，急流入口区右侧强的正涡度平流使福建上空高层维持强的低频辐散，辐散抽吸作用使低层低涡、切变线、西南急流等天气尺度系统在福建持续维持或接连出现。(2) 对流层中部(500 hPa)西太平洋至南海为低频高值区，贝加尔湖至鄂霍茨克海为高值区，东海至福建北部出现低值区，这种低频形势表明副热带高压脊稳定在南海上空，鄂霍茨克海阻塞高压稳定，中纬度西风槽活跃在华北平原至东海一带，槽后的冷空气与副高西侧的西南气流持续在福建上空交绥。(3) 对流层低层(850 hPa)当中高纬度地区的日本以东(1A)地区出现低频反气旋时，日本海至渤海湾有冷空气持续向福建渗漏；低纬地区索马里以东的60°~70°E地区为低频反气旋(4A)，索马里越赤道气流加强或维持；南海南部至马来西亚(5C)为低频气旋，南海上空为低频反气旋或低频脊(3A)，则南海南部越赤道水汽输送增强，此时福建上空为低频气旋控制(2C)。对应的OLR低频场上，印度半岛至孟加拉湾一带以及福建上空对流活跃，菲律宾至南海对流抑制。如此的低频系统配置，导致福建出现持续性强降水过程。

可见，福建前汛期持续性强降水发生期间大气低频系统有相对稳定的活动位置，热带低纬地区以及中高纬度地区低频气旋和反气旋的位置和强度皆是影响福建持续性强降水的关键因子。低频扰动图上各区域低频系统的活动, 与常规天气图上的天气系统虽有差别，但又密切联系，低频天气系统的变化恰好与引起福建持续性强降水过程的天气系统的生成、维持、移动、加强和减弱过程相对应。造成福建持续性强降水的低频系统与强降水发生时天气图上高纬及中低纬地区主要天气系统在位置及配置上相吻合(林新彬等，2012)，它们反映的天气学规律是偏北气流(从东路或中路南下的贝加尔湖冷空气)与偏南气流(包括索马里越赤道气流、孟拉湾越赤道气流或副高西侧偏南气流)在25°N附近持续交绥，使切变线在福建上空持续维持，福建接连出现强降水，导致持续性强降水过程的发生。同时也可以看出，由于福建处于华南北部，前汛期高峰期持续性强降水尽管出现在南海夏季风爆发后，但降水性质仍为冷暖空气交汇的锋面降水，有别于两广地区前汛期后期季风性质的暴雨(郑彬等，2005)。

3.2 大气低频信号的演变特征

上述分析表明，福建持续性强降水过程对应的同期大尺度环流系统有明显异常的大气低频特征。由于低频系统具有时间的持续性和周期性，空间的连续性和相似性以及生成源地的准定常性，为此，下面应用OLR数据分析上述关键区低频系统的演变规律，提取导致福建持续性强降水过程发生的大气低频变化先兆信号，为福建前汛期持续性强降水过程的延伸期预报提供科学参考依据。

应用1979—2010年逐年3月22至7月15日样本总长度为3712的30~60 d滤波后的暴雨综合指数与滤波后的OLR场做时滞相关分析，由图 6可见，无论是同期还是前期，持续性强降水的发生与OLR场的季节内振荡关系十分密切。主要表现在以下两个区域：(1) 热带地区：由于是30~60 d滤波的OLR场，因此反映的是热带对流的季节内振荡(MJO)，福建持续性暴雨与MJO东传关系密切，在持续性暴雨发生前44 d，高的负相关区位于印度尼西亚附近对应热带对流活跃区，随着对流的东传，在持续性暴雨发生前29 d，高的负相关区位于中东太平洋地区，而后在持续性暴雨发生前9 d到达印度洋东部，持续性暴雨发生时，高的负相关区再次位于印度尼西亚附近，完成了一个44 d左右的周期。(2) 北半球110°~150°E的经向剖面上：可清晰地看到正负相关区域自南而北的波列分布。同期高相关区位于华南沿海地区、南海及其临近的西北太平洋地区和印度尼西亚，且沿经度呈“－，+，－”分布，这3个高相关区与3.1节分析的福建上空低频气旋(2C)、南海反气旋(3A)及南海南部至马来西亚(5C)的低频气旋对应。这种高相关配置随时间呈现一定的周期变化，由提前44和22 d的图可以看出，它们分别处于提前一个周期左右的同位相和半周期的反位相，高的负相关区域随着时间的北移表明对流自南向北由低纬度地区传播至华南上空，引发福建持续性暴雨的发生。

当热带对流东传至中东太平洋地区时(图 6c)，此时的低频流场图上福建上空低层为低频反气旋，高层为低频辐合，南海一带低层为低频气旋，高层为低频辐散，索马里以东为低频气旋(见图 7)，索马里、南海南部为越赤道北风，福建上空的对流开始受到抑制，此后进入不利于福建持续性强降水产生的阶段；当对流东传至印度洋东部时(图 6d)福建上空的对流开始活跃，则有利于持续性强降水过程的发生。以上分析表明，热带MJO的东传以及东亚西北太平洋地区ISO信号的北传对福建持续性强降水过程的延伸期预报具有一定的指示意义。

4 结论

本文采用福建1979—2010年66个气象站逐日降水资料和NCEP再分析资料和OLR资料，应用带通滤波提取大气低频信号，使用合成分析和时滞相关分析，揭示了福建前汛期降水的低频特征及持续性强降水过程与低频降水强度的关系；分析了福建前汛期持续性强降水同期的大气低频特征以及前期低频信号的演变特征，得到以下结论：

(1) 福建前汛期降水存在显著的低频周期，出现频率较高的前三个低频周期分别为：10~20、30~60和20~30 d；同一年中低频周期的长短也会出现明显变化，约63%的年份出现两种以上显著的低频周期；10~90 d低频变化占前汛期降水总方差的20%~30%，在异常年份，所占比例部分地区达50%以上，局部高达70%以上。

(2) 前汛期总雨量与降水低频信号的强度呈显著正相关关系，当低频降水强的年份，前汛期总雨量偏多，反之，当低频降水弱的年份，前汛期总雨量偏少。持续性强降水的强度和持续时间与降水的低频特征关系密切，由于每年前汛期降水的低频变化周期不同，持续性强降水过程的持续时间也不同，以BWO(ISO)为主的年份，持续性强降水的持续时间较短(长)。

(3) 福建前汛期持续性强降水发生期间日本以东、索马里以东和南海三个关键区皆为低频反气旋，日本至渤海湾南下的冷空气与索马里越赤道气流、南海南部越赤道气流在福建上空持续相遇形成低频气旋，导致福建上空低层低频辐合、高层低频辐散，对流活跃。

(4) 福建前汛期持续性强降水与热带及副热带大气低频变化密切相关，热带MJO的东传以及东亚西北太平洋地区低频信号的北传对福建持续性强降水过程的延伸期预报具有一定的指示意义。