低頻天氣圖在陜西汛期降水預報中的應用

魏 娜，肖科麗，胡淑蘭，王 越

(陜西省氣候中心，西安 710014)

近10年來，陜西省極端天氣氣候事件頻發，尤其是強降水引發的山洪地質災害和城市內澇，嚴重影響了社會生產和人民生活。陜西省氣象局開展的預報服務主要為10 d之內的短期天氣預報和30 d以上的月、季、年長期氣候趨勢預測，不能完全滿足氣象服務的需求。10～30 d延伸期預報可以填補氣象服務的空白，能夠為防災減災做出一定的貢獻。近年來國外延伸期預報的主要工作體現在對MJO(熱帶季節內振蕩，發生在熱帶地區的周期為30～60 d的主要向東傳播的振蕩)的認識、監測和預測等方面，尚未涉及到10～30 d的延伸期天氣過程預報[1-4]。我國早在20世紀90年代初，很多學者發現大氣環流演變具有30～50 d的周期振蕩特征，用此原理可以預報中長期天氣過程[5-6]。近年來,上海氣候中心陳伯民等又將低頻天氣圖方法在日常預報業務中大力推廣，取得了一定的成果[7-10]。2011年至2013年中國氣象局以“月內重要過程趨勢預測系統”立項，先后在全國11個省市推廣，這些省份利用低頻天氣圖原理，同時結合本省氣候特點在延伸期預報方面進行了有意義的理論探索和業務實踐，比如上海[11]、江蘇[12]、四川[13]、湖南[14]等省份。

陜西省地處東亞夏季風的邊緣地帶，汛期降水變率大且空間分布不均，汛期易出現持續干旱或者強降水過程，容易造成糧食減產和泥石流等山洪地質災害，所以延伸期預報對社會生產和人民生活有著重要的意義。在已有文獻研究的基礎上，分析低頻天氣圖預報方法在陜西汛期降水的研究與應用以及本地化改進情況，并且對2013—2015年陜西汛期延伸期強降水過程進行預報試驗，以期提高預報能力。

1 資料

所使用的資料為2008—2013年5—9月 NCEP/NCAR 500 hPau、v風場再分析資料，格距為2.5°×2.5°。降水資料為陜西省氣候中心整編的全省96個臺站的同期日降水量資料。

2 低頻天氣圖汛期強降水預報模型的構建

使用巴特沃斯濾波器[15]，采用的濾波帶通為30～50 d，利用低頻天氣圖預報方法[10]對未來10～30 d降水過程進行預報。構建低頻天氣圖預報方法有6個步驟，主要為分析、追蹤、分區、整理、歸納和試驗等。首先，對逐日500 hPa風場上低頻氣旋和反氣旋的活動規律進行普查，總結降水時段的低頻氣旋和反氣旋的位置、分布及出現次數，歸納出對降水過程有影響的高影響區。然后對各高影響區的低頻氣旋和反氣旋的周期進行估算，總結出陜西省發生降水過程時，各高影響區低頻氣旋和反氣旋配置關系，建立概念模型。通過外推法，制作出未來10～30 d的陜西較強降水過程預報。

2.1 低頻天氣圖的繪制

陜西省海拔高度大致處于400～1 500 m范圍內，陜北為黃土高原溝壑區，關中為河谷平原區，陜南為秦嶺南麓淺山區，700 hPa 風場受地形變化的影響較多，因此選取500 hPa風場進行研究。范圍選取(10°N～70°N，60°E～160°E)，經過巴特沃斯帶通(30～50 d)濾波器，得到2008—2013年汛期即5—9月的500 hPa逐日低頻風場圖(圖1)。圖中“C”和“A”分別表示低頻氣旋和低頻反氣旋。

圖1 2013-07-26 500 hPa低頻天氣圖

2.2 高影響區的確定

低頻天氣圖的高影響區劃分是構建延伸期預報方法的關鍵步驟。通過跟蹤分析低頻天氣圖上的低頻系統的位置、移動規律和周期，得到不同區域低頻系統的特征。根據低頻系統的特性，將低頻天氣圖劃分為若干個區域[7]。根據陜西省天氣預報經驗和低頻天氣系統在各個區域的振蕩特征，與強降水過程密切相關的低頻系統活動區域分為9個區域。9個高影響區的位置劃分具體見表1,在此基礎上分析每個區域內低頻氣旋和低頻反氣旋的活動特征和時間變化。

表1 高影響區域劃分

2.3 低頻氣旋和反氣旋活動的周期及移動路徑

低頻氣旋和反氣旋在每個高影響區的變化不同，統計分析2008—2013年5—9月9個高影響區內低頻氣旋和低頻反氣旋生成、消失的時間及移動路徑，發現不同高影響區的低頻系統活動周期有一定差異，選擇出現頻次最多的周期,確定高影響區1～高影響區9的低頻氣旋周期分別為40，45，35，40，42，30，40，35，40 d，反氣旋周期為35，35，30，35，30，30，40，40，35 d。低頻系統的移動路徑分兩類：振蕩型和移動型。振蕩型即低頻天氣系統在某高影響區生成向西北或東南方向移動，并在原地振蕩后消失，不離開該高影響區；移動型即低頻天氣統在某高影響區生成后，位相東西傳播或南北傳播，移出該區。3、5、6區的低頻系統多為原地振蕩型，1、2區向西北方向移動，7、8、9區向東南或西南方移動，影響陜西降水的關鍵系統南方為西太平洋副熱帶高壓和孟加拉灣南支槽，北方為新疆低槽和貝加爾湖低槽，南方系統帶來的東南和西南暖濕氣流與北方系統帶來的冷空氣在陜西交匯，形成持續大范圍的降水天氣過程。

2.4 低頻系統與汛期強降水過程配置模型的構建

陜西夏季多陣性降水，但低頻系統引起的降水是大范圍和持續性的，所以定義一次降水過程是全省三分之一的臺站出現降水，日降水量≥10 mm。普查統計2008—2013年5—9月共98次降水過程。通過對陜西汛期強降水進行經驗正交函數分解，確定了4個預報區域，分別為全省、陜北、陜南、關中。根據建立的低頻氣旋和低頻反氣旋活動與強降水過程之間的對應關系，對高影響區內的低頻氣旋和反氣旋進行分析總結，形成4個預報區域的預報模型(表2)。表中低頻氣旋和反氣旋分別用C、A表示，C、A下標表示系統生成的高影響區序號。當高影響區6、9有低頻氣旋，高影響區2、4 有低頻反氣旋，高影響區1、3、2有低頻氣旋時，陜西全省可能有大范圍的降水過程發生。

表2 陜西省不同降水區與高影響區

3 2013—2015年汛期延伸期強降水預報試驗

3.1 典型多雨期低頻環流特征

大氣環流的演變過程包含一些快過程和慢過程，快過程一般表現為天氣尺度，而慢過程是大尺度大氣運動與低頻外強迫緊密聯系的。低頻天氣圖上的低頻氣旋和反氣旋與天氣圖上的氣旋和反氣旋是緊密聯系的,低頻天氣系統可以較完整地反映天氣尺度系統的活動、發展、振蕩和消失特征。

為了進一步分析影響陜西省汛期強降水過程的主要低頻系統的演變特征，繪制陜西2014年9月上中旬連陰雨天氣過程期間500 hPa低頻流場和實況(NCEP/NCAR 再分析資料)的合成圖。圖2和圖3分別為2014年9月6日至18日秋季連陰雨時段的500 hPa低頻流場圖和流場實況合成圖。從圖2來看，關鍵區8的低頻氣旋的偏北氣流與關鍵區4和5的低頻反氣旋偏南氣流在105°E，30°N附近匯合，從圖3同樣可以看出偏西北、偏東南氣流在此地區匯合。西北氣流反映出貝加爾湖附近為低值中心，低槽帶來中高緯地區冷空氣南下，而偏南氣流則反映出暖濕氣流，一支為西太平洋副熱帶東南水汽，另一支為印緬槽的西南水汽。北方和南方的冷、暖空氣在陜西附近上空匯合，造成陜西綿綿秋雨。對比圖2和圖3發現二者的環流系統緊密相連，低頻圖上的氣旋和反氣旋所對應的是實況天氣圖上的氣旋和反氣旋系統。在低頻天氣圖上低頻系統都是閉合、成熟的低頻氣旋和反氣旋，在實況天氣圖上的大氣環流系統有時為閉合的氣旋和反氣旋，有時則是沒有形成閉合中心的“槽”和“脊”。如在圖2上，在貝湖附近有閉合的低頻氣旋；而在圖3中，則僅出現淺“槽”，沒有閉合的低值中心。

圖2 2014-09-06—18 500 hPa平均低頻流場圖

圖3 2014-09-06—18 500 hPa平均實況流場圖

3.2 伏旱期低頻環流特征

2015年 7月下旬至8月上旬陜西省關中、陜南地區出現嚴重的伏旱，西北地區為穩定的低頻反氣旋控制，高溫少雨，形成伏旱天氣。而實況圖上的環流系統基本與低頻流場對應，實況表現為范圍更大的反氣旋環流，整個西北內陸被強大的西太平洋副熱帶高壓控制，北方的冷空氣無法南下，南方孟加拉灣西南氣流也被阻擋，無南北氣流匯合，難以形成降水(圖略)。

3.3 夏季低頻系統的周期變化特征及關鍵區低頻波的配置

天氣圖的環流系統是一個相對快速變化的過程,不具備低頻系統的特征，要在一個月前做出大氣環流系統的預報是不現實的。而低頻系統是一個緩慢變化的過程,具有持續性和連續性,存在30～50 d的周期振蕩。2013年6月上旬500 hPa低頻天氣圖(圖4)上有兩個較為完整的低頻系統,一個是高影響區8貝加爾湖附近有一強大氣旋環流,另一個是高影響區4華東地區有一反氣旋環流。7月中旬的低頻天氣圖(圖5)中，這兩個低頻系統再次出現,并且較6月上旬出現的時間更為持久,西太平洋副熱帶高壓在500 hPa流場上的反氣旋環流發展更為強大。陜西處于反氣旋環流的東南暖濕氣流和氣旋帶來北方冷空氣交匯之下，降水持續10余天。

低頻天氣圖反映了大氣環流中低頻氣旋和反氣旋位置移動的空間變化，低頻波可以看出高影響區內低頻氣旋和反氣旋的時間變化特征，2013年夏季陜西降水階段性變化明顯，主要受高影響區8貝加爾湖冷空氣的變化和高影響區4西太平洋副熱帶高壓的強弱變化影響。提取2013年5—9月高影響區8和高影響區4的500 hPa位勢高度低頻值(圖6)，可以看到從5月開始副熱帶高壓逐漸增強，在6—7月變化幅度達到最大，8月開始逐漸南退。7月上中旬高影響區4的西太平洋副熱帶高壓加強北上，而高影響區8的北方低槽南下,二者交匯出現明顯的降水過程。同樣在5月下旬、6月中旬、8月下旬和9月中旬出現降水過程，降水過程的強弱與南北兩個低頻系統的強弱、出現時間密切相關。

圖5 2013年7月上旬500 hPa流場圖

圖6 2013年5—9月高影響區4和高影響區8的500 hPa低頻位勢高度和日降水量圖

4 結論

針對陜西省汛期降水過程特點，將低頻天氣圖預報方法在陜西進行本地化應用。統計陜西省2008—2013年汛期強降水時期的低頻系統空間位置、分布及持續出現次數，劃分出與預測區域降水過程密切相關的9個低頻高影響區，建立低頻系統空間配置與強降水過程間的對應關系。

(1)提煉陜西省4個預報區域(全省、關中、陜南、陜北)出現降水過程時各個高影響區低頻系統的配置模型。4區和2區出現反氣旋，1區、2區、6區和9區出現氣旋時，易出現全省大范圍的降水過程。3區、5區、6區和9區出現氣旋，2區、5區出現反氣旋時，關中陜南易出現降水過程。這些系統的配置，充分體現了西太平洋副熱帶高壓、孟加拉灣的暖濕氣流、高原渦、北方冷空氣等關鍵天氣系統對陜西降水的影響。

(2)通過分析2013年汛期低頻天氣圖和高影響區低頻波演變特征，發現影響陜西大范圍降水過程的大氣低頻系統具有典型的周期特征，低頻天氣圖在延伸期降水過程預報中有很強的指導意義。從2013—2015年整個汛期時段的預報試驗來看,低頻天氣圖對多雨時段預報效果較好,在高溫少雨的伏旱階段,空報和漏報的次數明顯增加,尤其是在氣候轉折時期,低頻天氣圖的預報效果并不理想。

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