黑龍江省區(qū)域寒潮氣候特征及延伸期預(yù)測評(píng)估

王　瑩，李永生

（1.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱150030）

黑龍江省區(qū)域寒潮氣候特征及延伸期預(yù)測評(píng)估

王瑩1，李永生2

（1.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱150030）

利用1961-2013年黑龍江省62個(gè)氣象站逐日日最低氣溫資料，在單站寒潮的基礎(chǔ)上定義了黑龍江省區(qū)域寒潮標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析了黑龍江省區(qū)域寒潮的氣候特征和環(huán)流特征，在此基礎(chǔ)上，基于國家氣候中心月動(dòng)力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（DERF2.0）1983-2013年對(duì)黑龍江地區(qū)的回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)黑龍江省區(qū)域寒潮的11-30 d的延伸期預(yù)測進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明：黑龍江省區(qū)域寒潮大都發(fā)生在冬半年，頻次總體呈減少趨勢(shì)；冬季各月寒潮頻次與亞洲緯向環(huán)流呈正相關(guān)關(guān)系，與鄂霍次克海高壓呈反相關(guān)關(guān)系；DERF2.0在11-30 d的延伸期預(yù)報(bào)上對(duì)黑龍江省的區(qū)域寒潮有一定的預(yù)測技巧，預(yù)測準(zhǔn)確率可達(dá)到40%左右，但仍有較大的改進(jìn)空間。

1　引言

寒潮天氣過程是冬半年影響黑龍江省的主要災(zāi)害性天氣，屬于極端天氣事件，它最主要的表現(xiàn)是劇烈降溫并伴有偏北大風(fēng)和氣壓猛升，有時(shí)伴有雨雪天氣或霜凍。這種天氣過程不但會(huì)給人們的日常生活帶來較大影響，而且還影響了生產(chǎn)活動(dòng)，因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)寒潮出現(xiàn)時(shí)間及其降溫影響程度等對(duì)指導(dǎo)公眾更好地避免寒潮造成的災(zāi)害有非常重要的意義［1-2］。自20世紀(jì)50年代氣象學(xué)家就對(duì)寒潮進(jìn)行了研究探索，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和研究，從天氣學(xué)角度、氣候角度、數(shù)值模式等方面，形成了比較系統(tǒng)的寒潮理論。

延伸期天氣預(yù)報(bào)一般是指11-30 d時(shí)間范圍內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)［3］。從防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)際需求而言，延伸期時(shí)段內(nèi)的重要天氣過程是政府和公眾最為關(guān)心的問題［3］。目前，以數(shù)值模式為基礎(chǔ)進(jìn)行11-30 d延伸期預(yù)報(bào)已成為國內(nèi)外的共識(shí)，如果提前11-30 d預(yù)報(bào)出寒潮天氣過程，將會(huì)為政府及相關(guān)部門作出決策和相應(yīng)的部署贏得寶貴的時(shí)間，有效的減少災(zāi)害帶來的損失。國家氣候中心（NCC）在2005年開始了第一代月動(dòng)力延伸預(yù)測模式（DERF 1.0）的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，經(jīng)過近10 a的發(fā)展，2014年第二代月動(dòng)力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)（DERF 2.0）開始應(yīng)用于預(yù)測業(yè)務(wù)中，分辨率和預(yù)報(bào)能力等均有明顯改善。關(guān)于DERF2.0對(duì)中國地區(qū)氣溫和降水的預(yù)測性能已有相關(guān)評(píng)估［4］，本文主要利用DERF2.0延伸期模式1983-2013年的回報(bào)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)1983-2013年的黑龍江省區(qū)域寒潮11-30 d的預(yù)報(bào)能力，從而為下一步訂正模式做準(zhǔn)備，有助于預(yù)報(bào)員在延伸期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中利用模式產(chǎn)品對(duì)黑龍江省區(qū)域寒潮做出更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

2　資料與方法

所用資料為黑龍江省氣象信息中心提供的62個(gè)氣象觀測站的逐日（前一日20時(shí)至當(dāng)日20時(shí)）最低氣溫資料，考慮到資料的完整性，逐日最低氣溫資料長度選取從1961年1月1日-2013年l2月31日。環(huán)流要素資料采用NCEP/NCAR逐日再分析資料。DERF2.0月動(dòng)力延伸預(yù)測模式1983-2013年的每月1日起報(bào)的模式回算資料，包括逐日最低氣溫，500 hPa高度場，850 hPa風(fēng)場。預(yù)報(bào)司氣預(yù)函〔2014〕110號(hào)關(guān)于印發(fā)《冷空氣過程監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定（試行）》寒潮標(biāo)準(zhǔn)：單站的△T24≥8℃或△T48≥10℃或△T72≥12℃，且日最低氣溫≤4℃的冷空氣。（其中48小時(shí)、72小時(shí)內(nèi)的氣溫必須是連續(xù)下降的。）區(qū)域寒潮：根據(jù)寒潮標(biāo)準(zhǔn)，在統(tǒng)計(jì)出62個(gè)站所有寒潮過程的基礎(chǔ)上，根據(jù)寒潮發(fā)生時(shí)間進(jìn)一步定出黑龍江省區(qū)域寒潮過程，因同一過程造成的東西和南北不同影響日（平均相差1-3 d）的寒潮，作為一個(gè)過程處理，取第一個(gè)影響日為過程開始日期。當(dāng)62個(gè)代表站中有50%及以上的站點(diǎn)出現(xiàn)寒潮，便定為1次黑龍江省區(qū)域寒潮。

將DERF2.0輸出的11-30 d的逐日最低氣溫進(jìn)行區(qū)域平均（123°-130°E，44°-55°N），將此區(qū)域的降溫過程與實(shí)況的寒潮過程進(jìn)行對(duì)比分析，如果模式降溫過程與實(shí)況寒潮天氣過程一致，并結(jié)合DERF2.0對(duì)500 hPa高度場的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，認(rèn)為模式報(bào)對(duì)1次寒潮天氣過程。

距平相關(guān)系數(shù)（ACC）反映的是預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相似程度，最早應(yīng)用于模式預(yù)報(bào)的環(huán)流評(píng)估。計(jì)算公式

其中Fi與Oi分別是某時(shí)刻的預(yù)報(bào)值和觀測值，分別為預(yù)報(bào)與觀測的平均值，它可以對(duì)時(shí)間或空間求取平均，所計(jì)算的ACC分別表示時(shí)間距平相關(guān)或空間距平相關(guān)。當(dāng)計(jì)算空間距平相關(guān)系數(shù)時(shí)，F(xiàn)i與Oi分別表示預(yù)報(bào)距平與觀測距平。

3　結(jié)果分析

3.1黑龍江省區(qū)域寒潮的氣候特征

從全年各月來看，呈雙峰型分布，黑龍江省區(qū)域寒潮發(fā)生最多的月份是在2月，1961-2013年共發(fā)生66次，其次是11月份，53 a中發(fā)生59次，相對(duì)最少的月份是4月份，53 a中僅發(fā)生1次區(qū)域寒潮（圖1）。

圖11961　-2013年黑龍江省區(qū)域寒潮頻次月分布

在黑龍江省，一年中最為寒冷的月份是1月份，然而1月卻不是區(qū)域寒潮發(fā)生頻次最多的月份，53 a中，有30 a幾乎沒有在1月份發(fā)生過區(qū)域寒潮，1月寒潮頻次最多達(dá)到過3次，分別出現(xiàn)在1968年和2010年，剩余的20 a中，有6 a的1月份出現(xiàn)了2次寒潮，其中在剛剛進(jìn)入21世紀(jì)的前3 a里連續(xù)出現(xiàn)?？傮w來說，1月份氣溫總體較低，氣溫波動(dòng)不明顯，很難達(dá)到可引發(fā)區(qū)域寒潮的降溫標(biāo)準(zhǔn)。

2月的區(qū)域寒潮發(fā)生頻次在全年12個(gè)月中是最多的，過去的53 a中有38 a達(dá)到了區(qū)域寒潮，其中最多的3 a，2月份內(nèi)區(qū)域寒潮總頻次多達(dá)4次。按年代分布來看，上世紀(jì)60年代和90年代是區(qū)域寒潮比較密集的兩個(gè)年代，而上世紀(jì)80年代，寒潮最為低調(diào)，現(xiàn)身的頻次最少。

11月份的區(qū)域寒潮在上世紀(jì)60年代初期異常偏多，一個(gè)月內(nèi)少則2次多則4次，之后逐漸減少，維持在1次的年份居多，進(jìn)入80年代，隨著全球氣候的逐漸變暖，黑龍江省區(qū)域寒潮頻次明顯呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢(shì)，21世紀(jì)后，11月份區(qū)域寒潮空白年份最多?？偟膩碚f11月份區(qū)域寒潮頻次變化比較平穩(wěn)。

12月份區(qū)域寒潮的變化相比較11月份的區(qū)域寒潮變化就顯得有些波瀾起伏了，上世紀(jì)80年代之前，是區(qū)域寒潮的高發(fā)期，尤其是上世紀(jì)60年代，寒潮頻次呈階梯式增長，最多一個(gè)月發(fā)生了3次，上世紀(jì)70年代，區(qū)域寒潮頻頻發(fā)生，最多一個(gè)月出現(xiàn)了3次，整個(gè)70年代只有1 a的11月沒有寒潮發(fā)生，而80年代前后，寒潮顯得有些銷聲匿跡了，進(jìn)入了低潮期，90年代乃至21世紀(jì)之后，黑龍江省區(qū)域寒潮總是相隔1 a或2 a出現(xiàn)。總的來說年代際變化非常明顯。

3.2黑龍江省區(qū)域寒潮的環(huán)流特征

冬季（11月-翌年2月）是黑龍江省區(qū)域寒潮頻發(fā)的季節(jié)，因此只分析冬季各月環(huán)流特征。研究表明相關(guān)分布區(qū)基本一致，在貝加爾湖到中西伯利亞高原上空是一個(gè)負(fù)的高相關(guān)的區(qū)域，在鄂霍次克海到北太平洋上空是一個(gè)正的高相關(guān)區(qū)域，這說明冬季的中高緯度的高度場環(huán)流對(duì)黑龍江省冬季各個(gè)月的寒潮頻次的影響處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，影響因子相對(duì)比較單一。龔道溢等［5］的研究表明：西伯利亞高壓是影響我國冬季氣溫的一個(gè)主要環(huán)流因子，能較好地解釋我國最近幾十年來冬季氣溫變化的低頻特征。

表1　影響各月寒潮頻次的同期環(huán)流因子

表1給了影響各月寒潮頻次的同期環(huán)流因子，11月的鄂霍次克海高壓指數(shù)與11月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為-0.57，11月的亞洲緯向環(huán)流指數(shù)與11月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為0.47，12月的太平洋極渦面積指數(shù)與12月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為-0.46，12月的亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù)與12月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為0.54，1月的亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù)與1月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為0.50，1月的亞洲區(qū)緯向環(huán)流指數(shù)與1月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為0.52，1月的鄂霍次克海高壓指數(shù)與1月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為-0.49，2月的鄂霍次克海高壓指數(shù)與2月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為-0.46，2月的亞洲區(qū)緯向環(huán)流指數(shù)與2月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為0.47，2月的歐亞緯向環(huán)流指數(shù)與2月全省的寒潮頻次相關(guān)系數(shù)為0.52，通過分析得出，冬季各月的寒潮頻次與鄂霍次克海高壓指數(shù)，歐亞緯向環(huán)流指數(shù)，亞洲緯向環(huán)流指數(shù)有很好的相關(guān)關(guān)系，這可能與冬季大氣環(huán)流處于穩(wěn)定期有關(guān)。

4　DERF2.0對(duì)黑龍江省區(qū)域寒潮的預(yù)測性能評(píng)估

DERF2.0的大氣初始場采用NCEP一日四次的再分析資料，資料使用nudging方法輸入到模式，海表溫度初始場采用NOAA的OISST再分析資料，包括月平均資料和周平均資料，在資料能夠獲取的情況下使用最近的周平均資料，在模式中保持初始海溫異常持續(xù)。本文分析的回報(bào)試驗(yàn)結(jié)果使用的是每月1日起報(bào)，預(yù)報(bào)時(shí)段為11-30 d。每月集合預(yù)報(bào)采用滯后平均方案，由不同起報(bào)時(shí)間組成，從起報(bào)之日向前每隔12 h進(jìn)行一次，共6個(gè)樣本成員進(jìn)行集合平均。模式既可以預(yù)測環(huán)流場，還可以預(yù)測要素場，首先檢驗(yàn)一下DERF2.0對(duì)黑龍江省上空（123°-130° E，44°-55°N）的500 hPa高度場的預(yù)測性能。圖2給出了DERF2.0每月1日起報(bào)的11-30 d逐日500 hPa高度場進(jìn)行區(qū)域平均（123°-130°E，44°-55°N）1983-2013年的逐年ACC，從圖中可以看出，1月1日起報(bào)的1983-1992年的ACC預(yù)報(bào)的比較穩(wěn)定，維持在零線以上，1993年以后，ACC波動(dòng)較大，年際變化十分明顯，正值負(fù)值幾乎是交替出現(xiàn)；2月的ACC值在前4 a和1月一樣同為正值，1987-2003年也同樣呈現(xiàn)出波動(dòng)的態(tài)勢(shì)，2004-2009年2月ACC持續(xù)正值；11月則呈現(xiàn)出多年的正值，在進(jìn)入21世紀(jì)之前，幾乎都是正值占據(jù)主導(dǎo)地位，預(yù)測效果明顯好于2月；12月的ACC值年代際變化比較明顯，總是有連續(xù)性的正值或負(fù)值出現(xiàn)，且正值的年份偏多一些。

圖2?。╝）1月（b）2月（c）11月（d）12月1日起報(bào)的500 hPa區(qū)域平均（123°-130°E，44°-55°N）11-30 dACC時(shí)間序列

DERF2.0每月1日起報(bào)的對(duì)未來11-30 d的延伸期預(yù)測，1961-2013年1月11-30日共發(fā)生12次區(qū)域寒潮，報(bào)對(duì)6次，成功率為50%。1961-2013年2月11-3月1日共發(fā)生26次區(qū)域寒潮，報(bào)對(duì)8次，成功率為30.8%。1961-2013年3月11-30日共發(fā)生12次區(qū)域寒潮，報(bào)對(duì)5次，成功率為41.7%。1961-2013年11月11-30日共發(fā)生19次區(qū)域寒潮，報(bào)對(duì)9次，成功率為47.4%。1961-2013年12月11-30日共發(fā)生11次區(qū)域寒潮，報(bào)對(duì)5次，成功率為45.5%?？偟膩碚f，利用DERF2.0對(duì)80次區(qū)域寒潮過程進(jìn)行11-30 d的延伸期預(yù)測，有33次預(yù)報(bào)正確，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為41.25%，雖然有一定的預(yù)測技巧，但模式的提升空間依然很大。

5　結(jié)論

（1）黑龍江省區(qū)域寒潮大都發(fā)生在冬半年，頻次總體呈減少趨勢(shì)。

（2）冬季的中高緯度的高度場環(huán)流對(duì)黑龍江省冬季各個(gè)月的寒潮頻次的影響處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，影響因子相對(duì)比較單一。冬季各月寒潮頻次與亞洲緯向環(huán)流呈正相關(guān)關(guān)系，與鄂霍次克海高壓呈反相關(guān)關(guān)系。

（3）DERF2.0在11-30 d的延伸期預(yù)報(bào)上對(duì)黑龍江省的區(qū)域寒潮有一定的預(yù)測技巧，預(yù)測準(zhǔn)確率可達(dá)到40%左右，但仍有較大的改進(jìn)空間。

［1］王瑩，徐永清，李永生．黑龍江省冬半年寒潮變化的氣候特征［J］．黑龍江氣象，2012，29（3）：1-4.

［2］李憲之．東亞寒潮的侵襲研究［M］．北京：科學(xué)出版社，1955:35-87.

［3］陳伯民，信飛，沈愈，等．月內(nèi)重要天氣過程與氣候趨勢(shì)預(yù)測系統(tǒng)及應(yīng)用進(jìn)展［J］．氣象科技進(jìn)展，2013，3（1）:46-51．

［4］何慧根，李巧萍，吳統(tǒng)文，等.月動(dòng)力延伸預(yù)測模式業(yè)務(wù)系統(tǒng)DERF 2.0對(duì)中國氣溫和降水的預(yù)測性能評(píng)估［J］.大氣科學(xué)，2014，38（5）:950-964.

［5］龔道溢，朱錦紅，王紹武.西伯利亞高壓對(duì)亞洲大陸的氣候影響分析［J］.高原氣象.2002，21（1）:7-14.

Assessment and prediction of regional climatic characteristics and extension period of cold wave in Heilongjiang province

WANG Ying1，LI Yong-sheng2
（1.Heilongjiang meteorological service center，Heilongjiang Harbin 150030；2.Climate center of Heilongjiang province，Heilongjiang Harbin 150030）

Defined the area cold wave standard of Heilongjiang province based on single station cold wave standard with 62 meteorological stations daily minimum temperature data in Heilongjiang province from 1961 to 2013，and analyze the climate characteristics and circulation characteristics of the regional cold wave of Heilongjiang province.Based on the return test results of Heilongjiang from 1983 to 2013 from National Climate Center Monthly Dynamic Extended Prediction System（DERF2.0）to test and evaluate the extended range cold wave forecast of Heilongjiang province for 11-30 days.The results show that，the regional cold occurs mostly in winter and the frequency decreased.There is a positive correlation between the cold wave frequency in each month and the zonal circulation in Asia，and it is inverse correlation with the Okhotsk high；RF2.0 in the 11-30 days of the extension forecast of the regional cold wave in Heilongjiang province have some prediction skills，prediction accuracy can reach 40%，but there is still much room for improvement.

P468.0+2

A

1002-252X（2016）03-0005-04

2016-6-1

王瑩（1983-），女，黑龍江省齊齊哈爾市人，成都信息工程學(xué)院，研究生，工程師.