洪澤湖區域冷鋒型大風預報技術

耿建武 陳 翔 夏網萍 王蓓元

洪澤湖區域冷鋒型大風預報技術

耿建武 陳 翔 夏網萍 王蓓元

在收集整理2001～2013年洪澤湖區域冷鋒型大風天氣個例的基礎上，首先分析了大風氣候特征，明確了大風產生的高空和地面環流形勢，分析了關鍵區內多個因子與大風的定性定量關系，建立了預報指標和預報方程。研究結果表明：西北急流和強溫度梯度帶等是造成冷鋒型大風天氣的高空天氣系統。強大的冷高壓和與它配合的地面冷鋒是大風天氣的地面天氣系統。關鍵區內地面上較大的氣壓梯度、冷鋒后較大的三小時正變壓、850hpa較強的溫度梯度和中低層一致的偏北急流等因子對大風預報具有指示意義。

洪澤湖是我國第四大淡水湖，地處淮河、京杭大運河、蘇北灌溉總渠等黃金水道的交匯處，湖面廣闊、資源豐富，航運業十分發達。湖面大風對航運和水產養殖業帶來嚴重的威脅。根據近20年實況資料分析，洪澤湖大風常見的天氣類型有冷鋒后偏北大風、高壓后部偏南大風、低壓大風以及臺風大風和雷雨大風等。在各種類型大風中，冷鋒后偏北大風出現頻率最高，接近50%左右。

對冷鋒型偏北大風，不少學者開展了這方面研究工作。如徐鳳梅等對近50年大風天氣氣候特征進行了分析，并探討了大風產生的天氣類型；穆建華等應用天氣分析和診斷分析方法對一次寒潮天氣過程從環流背景、地面系統演變和物理量特征進行了分析，并對數值預報能力開展了檢驗；王永鐸等根據冷空氣移動路徑，將春季冷空氣大風分為東北型、西北型，建立了24h大風預報方法；劉鴻升等利用歐洲中心中期數值預報結果， 從不同側面選取因子， 建立了日最大平均風速的四種統計預報方程。但是針對洪澤湖區域開展的大風精細化預報技術研究目前還比較缺乏。本文選取2001～2013年洪澤湖周邊地區冷鋒后偏北大風天氣個例，研究高分辨率歐洲細網格數值產品提供的各種要素預報和大風產生的定性定量關系，建立預報指標和預報方程，以期進一步提高洪澤湖區域大風預報服務能力。

資料選取和大風的標準

大風風速一般包括平均狀態和瞬間狀態兩部分。根據服務需要，本文將瞬時風力大于14 m/s作為大風天氣標準。選取2001～2013年資料，包括高空、地面和區域自動站實況資料和歐洲細網格數值預報產品等。

大風氣候特征

月際分布特征

從圖1中可以看出，春季中3、4月份出現大風最多，每月達到3天左右，主要由于春季冷空氣活動頻繁，而秋冬季大風相對較少，特別是9、10和2月，大風日數不到1天。

大風日際分布特征

分析表1中數據，可以發現，下午時段出現大風頻率最高，占到50%以上，主要是由于午后大氣層結不穩定，有利于于大風的形成。

表1 大風日際分布頻率表

天氣形勢背景

高空形勢

圖2中，中高緯度500 hPa歐亞環流形勢為二槽一脊型，低槽分別位于新疆以西和日本海一帶，青藏高原北部伸向貝加爾湖西部為一高壓脊，高壓脊前部有強勁的西北急流區伸向長江中下游地區。在圖3中，850 hpa東北地區西部有一冷中心，等溫線密集帶位于30～40oN，預之對應的是較強的冷平流，冷空氣在西北急流引導下不斷往東南方向。高壓脊、西北急流、沿海槽和強溫度梯度帶是造成寒潮大風天氣的主要天氣系統。

圖1 逐月大風日數分布圖

圖2 500hpa環流形勢

圖3 850hpa溫度場

圖4 地面形勢圖

地面形勢

圖4 表明，在地面天氣圖上，蒙古國到河套地區為強大冷高壓，日本島經東海到兩湖地區有東北－西南向冷鋒，我市處在冷鋒后部等壓線密集帶中，氣壓梯度大。冷高壓和與它配合的地面冷鋒是造成這場大風天氣的地面天氣系統。

關鍵區的確定

圖5 高空圖關鍵區

圖6 地面圖關鍵區

大氣是相互作用和相互影響的有機整體，某個地點氣象要素發生變化必然和周邊地區大氣，特別是上游地區的大氣作用密切相關。根據預報經驗，在高空圖和地面圖分別確定關鍵區1和關鍵區2兩個區域（見圖5、圖6）。

關鍵區1：在（112°E，42°N）、（120°E，42°N）、（112°E，32°N）和（120°E，32 °N）四點連線矩形區域內。主要指東北西部經河套東部到長江下游北部地區一帶。

關鍵區2：在（117°E，35°N）、（117°E.32°N）、（121°E，35°N）和（121°E，32°N）四點連線矩形區域內。主要指江蘇西北部經安徽東部到沿江一帶的長江以北地區。

冷鋒型大風的物理量診斷分析

大風的出現是水平方向和垂直方向空氣流動和交換的結果。在水平方向上，大風一般出現在地面氣壓梯度和變壓梯度大的區域；當出現快速升溫向降溫變化，往往產生大風； 高空冷平流強，鋒區強度大，動量下傳導致地面風速增大，也是產生地面大風的重要原因。為更客觀的分析大風產生的熱力、動力和不穩定度條件，明確各個因子的作用，利用45個冷鋒型大風個例資料，從地面氣壓場、850hpa溫度場和高空風場等方面分析計算了關鍵區內地面氣壓梯度、3h變壓、850hpa溫度梯度、溫度平流和高空風向風速等物理量，逐一分析各物理量統計特征，最終以大多數個例（70%以上）確定每個物理量閾值。結果見表2。

表2 洪澤湖寒潮大風物理量統計值

地面氣壓場

在地面氣壓場中，冷高壓中心氣壓、氣壓梯度和3小時變壓對大風預報具有較好指示意義。冷高壓中心氣壓可代表冷空氣強度。冬季大風所有個例中心氣壓值在1048～1077hpa之間，平均值為1060hpa，80.0%個例中心氣壓大于1055 hpa。春秋季節72.4%個例中心氣壓大于1035hpa，所有個例平均值為1041hpa，兩者均小于冬季。氣壓梯度越大，地面風速也增大。地面圖上關鍵區內站點間的海平面氣壓差代表氣壓梯度，可預報大風。選取徐州和呂泗兩站作為指標站，計算兩站氣壓差Δp。個例間氣壓差Δp差異較大，全部個例平均值5.8hpa，70.4%的個例氣壓差Δp大于4.0 hpa。冷鋒后的3h正變壓Δ3p反映了冷鋒附近氣壓場的最新變化，Δ3p越大，造成的風力越強。全部個例平均值4.3hpa，71.4%個例大于3.2hpa。

以上分析表明，地面氣壓場中，冷高壓中心氣壓、氣壓梯度和3h變壓等物理量跨度較大。總體來看，冬季和春秋季冷高壓中心氣壓值分別大于1055hpa、1035hpa、氣壓梯度大于4.0hpa和3h正變壓大于3.2hpa可以作為大風的閾值。

溫度平流和溫度梯度

對于寒潮大風來說，鋒后冷平流致使鋒區溫度梯度加大，大氣的斜壓性加強，地面高壓加強或氣壓梯度加大，所以冷平流最強處，風力最大。表中tadv850代表洪澤湖區域850hpa溫度平流，所有個例在－10到－40℃/s之間，平均值－18℃/s，76.9%個例小于－20℃/s。850hpa溫度梯度越大，冷空氣勢力越強，出現大風的可能性越大。溫度梯度可用關鍵區內指標站850hpa溫度差Δt850來表示。選取張家口、南京兩站作為指標站，計算兩站溫度差Δt850。71.4%個例的850hpa溫度差大于11℃，平均值11.4℃。根據以上分析，可將850hpa溫度平流小于－20℃/s、850hpa溫度梯度大于11℃作為大風的閾值。

高空風場與高空急流

對于寒潮大風來說，500、700和850 hpa在測站上游關鍵內出現西北急流時，有利于冷空氣向南方輸送。風速越大，上下層風向越一致，出現大風的可能性越大。所有個例500hpa、700hpa和850hpa平均風速分別為33.7、17.6和14m/s，均達到急流標準。72.7%個例的500hpa風速大于24m/s，71.4%個例的700hpa風速大于17m/s，72.7%個例的850hpa風速大于12m/s，可以作為大風的閾值。因此中低層是否出現12～24 m/s的急流可作為大風起報的指標之一。

大風預報方法研究

逐步判別預報法

由于氣壓梯度Δp對大風預報有較好的指示意義，將它作為一級因子，其余因子作為輔助因子，采用逐步判別法建立大風預報方法：首先根據氣壓梯度Δp的大小，將其分為小于3.0、3.0～5.0、5.0～7.5和大于7.5hpa共4個區間，然后對每個區間的其它因子，確定大風起報指標，預報規則如下：

氣壓梯度Δp小于3.0 hpa，符合下列條件之一時，起報大風：

（1）中低層為北到西北氣流，f850hp大于16 m/s；

（2）中低層為北到西北氣流，f850hp大于12 m/s，地面有氣旋或高空三層均有低渦時。

氣壓梯度Δp在3.0～5.0 hpa時，符合下列條件之一時，起報大風：

（1） 中低層為北到西北氣流，f850hp大于14 m/s；

（2）冷空氣路徑為東路，850hpa風向在北到東北風之間，f850hp大于12 m/s。

氣壓梯度Δp在5.0～7.5 hpa時，符合下列條件之一時，起報大風：

中低層為偏西到偏北氣流，f850hp大于12 m/s；

冷空氣路徑為東路，Δt850大于11 ℃，850hpa風向在北到東北風之間，f850hp大于12 m/s。

（3）地面有氣旋，850hp風速大于10 m/s，Δt850大于10 ℃；

（4）Δt850大于21 ℃。

氣壓梯度Δp大于7.5 hpa，符合下列條件時，起報大風：

中低層為偏西到偏北氣流，f850hp大于10 m/s。

大風臨界判別指數預報方法

將以上因子具體數值進行0、1化處理，規則如下：

X1：關鍵區內任意兩點最大氣壓差大于4.0 hpa時，定為1，否則為0；

X2：洪澤站附近f850hpa大于12 m/s時，定為1，否則為0；

X3：850 hpa關鍵區內任意兩點最大溫度差大于10℃時，定為1，否則為0；

表3 應用效果檢驗表

X4：高空為一致氣流時，定為1，否則為0；

X5：高空有低渦或地面有氣旋時，定為1，否則為0。

Y=x1+1.5x2+x3+2x4+x5

根據歷史資料計算結果，確定大風臨界判別值為3.0，歷史樣本的擬合率達到72%。因此當y≥3.0時，可起報大風。

預報效果檢驗

2014年9～12月將預報方法投入應用，取得了較為滿意的效果（見表3）。

由表3看出，在8個個例中，有5次預報正確，正確率71%，漏報1次，漏報率14%，空報1次，空報率14%，表明該方法對冷鋒型大風具有一定的預報能力。分析兩次預報錯誤的原因，主要有以下幾個方面。

（1）在2014年10月26日大風個例中，數值預報產品對大風關鍵區域的指標站氣壓差和850 hpa風速等要素預報出現了一定的偏差，如氣壓差預報值為4.5 hpa，而實況為5.3 hpa，預報和實況相誤差較大。

（2）在2014年11月2日大風個例中，滿足中低層為一致偏北急流這個大風指標，但是由于這次冷空氣過程為中路偏西的路徑，導致氣壓差和850 hpa這兩個指標不完全符合大風起報標準。

小結

（1）由于冷空氣活動頻繁，3～4月是冷鋒型大風多發月份；從日變化看，出現大風頻率較高的時段是午后的12～18時。

（2）高壓脊、西北急流、強溫度梯度帶和沿海槽是造成寒潮大風天氣的高空天氣系統。強大的冷高壓和與它配合的地面冷鋒是大風天氣的地面天氣系統。

（3） 中低層出現較強的輻合系統如500、700和850 hpa均出現低渦系統時，極容易出現大風天氣。地面上伴有氣旋的冷鋒過境常會產生大風。

（4）關鍵區內地面上較大的氣壓梯度、冷鋒后較大的三小時正變壓、850 hpa較強的溫度梯度和中低層一致的偏北急流等因子對大風預報具有指示意義。如指標站氣壓差大于6.0 hpa，850 hpa溫度差值大于14 ℃和冷鋒后3 h正變壓中心≥4 hPa時一般有大風出現。

（5）從冷空氣移動路徑看，東路和中路冷空氣出現大風多，而西路冷空氣出現大風少。

（6）氣壓梯度Δp對大風預報有較好的指示意義，將它作為一級因子，其余因子作為輔助因子，采用逐步判別法確定大風預報指標。采用0、1化方法，建立大風臨界判別指數預報方程。應用情況表明，研制的預報方法效果較好，對大風預報具有一定的準確率。

耿建武 陳 翔 夏網萍 王蓓元

淮安市氣象局

耿建武（1968年－），男，江蘇沭陽人，理學學士，高級工程師，主要從事天氣預報業務和研究工作。

江蘇省氣象局預報員專項（JSYBY201307和江蘇省淮安市氣象局科技項目（201203）共同資助

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.004