洪澤湖區(qū)域冷鋒型大風預(yù)報技術(shù)

耿建武 陳 翔 夏網(wǎng)萍 王蓓元

洪澤湖區(qū)域冷鋒型大風預(yù)報技術(shù)

耿建武 陳 翔 夏網(wǎng)萍 王蓓元

在收集整理2001～2013年洪澤湖區(qū)域冷鋒型大風天氣個例的基礎(chǔ)上，首先分析了大風氣候特征，明確了大風產(chǎn)生的高空和地面環(huán)流形勢，分析了關(guān)鍵區(qū)內(nèi)多個因子與大風的定性定量關(guān)系，建立了預(yù)報指標和預(yù)報方程。研究結(jié)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(tǒng)。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(tǒng)。關(guān)鍵區(qū)內(nèi)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(yù)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(yè)十分發(fā)達。湖面大風對航運和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)帶來嚴重的威脅。根據(jù)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(xiàn)頻率最高，接近50%左右。

對冷鋒型偏北大風，不少學(xué)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(chǎn)生的天氣類型；穆建華等應(yīng)用天氣分析和診斷分析方法對一次寒潮天氣過程從環(huán)流背景、地面系統(tǒng)演變和物理量特征進行了分析，并對數(shù)值預(yù)報能力開展了檢驗；王永鐸等根據(jù)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(yù)報方法；劉鴻升等利用歐洲中心中期數(shù)值預(yù)報結(jié)果， 從不同側(cè)面選取因子， 建立了日最大平均風速的四種統(tǒng)計預(yù)報方程。但是針對洪澤湖區(qū)域開展的大風精細化預(yù)報技術(shù)研究目前還比較缺乏。本文選取2001～2013年洪澤湖周邊地區(qū)冷鋒后偏北大風天氣個例，研究高分辨率歐洲細網(wǎng)格數(shù)值產(chǎn)品提供的各種要素預(yù)報和大風產(chǎn)生的定性定量關(guān)系，建立預(yù)報指標和預(yù)報方程，以期進一步提高洪澤湖區(qū)域大風預(yù)報服務(wù)能力。

資料選取和大風的標準

大風風速一般包括平均狀態(tài)和瞬間狀態(tài)兩部分。根據(jù)服務(wù)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(qū)域自動站實況資料和歐洲細網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報產(chǎn)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(xiàn)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(shù)不到1天。

大風日際分布特征

分析表1中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，下午時段出現(xiàn)大風頻率最高，占到50%以上，主要是由于午后大氣層結(jié)不穩(wěn)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(huán)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(qū)伸向長江中下游地區(qū)。在圖3中，850 hpa東北地區(qū)西部有一冷中心，等溫線密集帶位于30～40oN，預(yù)之對應(yīng)的是較強的冷平流，冷空氣在西北急流引導(dǎo)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(tǒng)。

圖1 逐月大風日數(shù)分布圖

圖2 500hpa環(huán)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(qū)為強大冷高壓，日本島經(jīng)東海到兩湖地區(qū)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(tǒng)。

關(guān)鍵區(qū)的確定

圖5 高空圖關(guān)鍵區(qū)

圖6 地面圖關(guān)鍵區(qū)

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(fā)生變化必然和周邊地區(qū)大氣，特別是上游地區(qū)的大氣作用密切相關(guān)。根據(jù)預(yù)報經(jīng)驗，在高空圖和地面圖分別確定關(guān)鍵區(qū)1和關(guān)鍵區(qū)2兩個區(qū)域（見圖5、圖6）。

關(guān)鍵區(qū)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(qū)域內(nèi)。主要指東北西部經(jīng)河套東部到長江下游北部地區(qū)一帶。

關(guān)鍵區(qū)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(qū)域內(nèi)。主要指江蘇西北部經(jīng)安徽東部到沿江一帶的長江以北地區(qū)。

冷鋒型大風的物理量診斷分析

大風的出現(xiàn)是水平方向和垂直方向空氣流動和交換的結(jié)果。在水平方向上，大風一般出現(xiàn)在地面氣壓梯度和變壓梯度大的區(qū)域；當出現(xiàn)快速升溫向降溫變化，往往產(chǎn)生大風； 高空冷平流強，鋒區(qū)強度大，動量下傳導(dǎo)致地面風速增大，也是產(chǎn)生地面大風的重要原因。為更客觀的分析大風產(chǎn)生的熱力、動力和不穩(wěn)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(guān)鍵區(qū)內(nèi)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(tǒng)計特征，最終以大多數(shù)個例（70%以上）確定每個物理量閾值。結(jié)果見表2。

表2 洪澤湖寒潮大風物理量統(tǒng)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(yù)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(jié)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(guān)鍵區(qū)內(nèi)站點間的海平面氣壓差代表氣壓梯度，可預(yù)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?？傮w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(qū)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(qū)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(xiàn)大風的可能性越大。溫度梯度可用關(guān)鍵區(qū)內(nèi)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(jù)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(guān)鍵內(nèi)出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)12～24 m/s的急流可作為大風起報的指標之一。

大風預(yù)報方法研究

逐步判別預(yù)報法

由于氣壓梯度Δp對大風預(yù)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(yù)報方法：首先根據(jù)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(qū)間，然后對每個區(qū)間的其它因子，確定大風起報指標，預(yù)報規(guī)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(shù)預(yù)報方法

將以上因子具體數(shù)值進行0、1化處理，規(guī)則如下：

X1：關(guān)鍵區(qū)內(nèi)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(guān)鍵區(qū)內(nèi)任意兩點最大溫度差大于10℃時，定為1，否則為0；

表3 應(yīng)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(jù)歷史資料計算結(jié)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(yù)報效果檢驗

2014年9～12月將預(yù)報方法投入應(yīng)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(yù)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(yù)報能力。分析兩次預(yù)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(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對大風關(guān)鍵區(qū)域的指標站氣壓差和850 hpa風速等要素預(yù)報出現(xiàn)了一定的偏差，如氣壓差預(yù)報值為4.5 hpa，而實況為5.3 hpa，預(yù)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(dǎo)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(jié)

（1）由于冷空氣活動頻繁，3～4月是冷鋒型大風多發(fā)月份；從日變化看，出現(xiàn)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(tǒng)。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(tǒng)。

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

（4）關(guān)鍵區(qū)內(nèi)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(yù)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(xiàn)。

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

（6）氣壓梯度Δp對大風預(yù)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(yù)報指標。采用0、1化方法，建立大風臨界判別指數(shù)預(yù)報方程。應(yīng)用情況表明，研制的預(yù)報方法效果較好，對大風預(yù)報具有一定的準確率。

耿建武 陳 翔 夏網(wǎng)萍 王蓓元

淮安市氣象局

耿建武（1968年－），男，江蘇沭陽人，理學(xué)學(xué)士，高級工程師，主要從事天氣預(yù)報業(yè)務(wù)和研究工作。

江蘇省氣象局預(yù)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