低頻天氣圖方法在4－9月遼寧干旱月預(yù)報中的應(yīng)用

胡春麗，焦敏，李輯，王婉昭，李菲，馬鋒敏

（1.中國氣象局蘭州干旱研究所，蘭州 730020；2.遼寧省氣象科學(xué)研究所，沈陽 110166；3.沈陽區(qū)域氣候中心，沈陽110166；4.江西省氣候中心，南昌 330046）

低頻天氣圖方法在4－9月遼寧干旱月預(yù)報中的應(yīng)用

胡春麗1，2，焦敏1，李輯1，王婉昭1，李菲3，馬鋒敏4

（1.中國氣象局蘭州干旱研究所，蘭州 730020；2.遼寧省氣象科學(xué)研究所，沈陽 110166；3.沈陽區(qū)域氣候中心，沈陽110166；4.江西省氣候中心，南昌 330046）

利用2008－2013年500hPaNCEP／NCAR逐日再分析風(fēng)場和位勢高度場資料及遼寧省54站逐日降水資料，采用低頻天氣圖方法，對遼寧干旱有影響的9個低頻預(yù)報關(guān)鍵區(qū)，分析各個關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的特征及其與干旱過程的分析，找出它們之間有聯(lián)系，建立干旱過程低頻預(yù)報概念模型，并對2013年干旱過程進行了回報，預(yù)報效果較好。

低頻天氣圖；延伸期；干旱過程

遼寧省位于東亞大陸東岸的中高緯地區(qū)，東部有長白山系的千山山脈，西部有熱河丘陵，中部為遼河平原，南部瀕臨黃海、渤海，處于暖濕與干燥的過度區(qū)，有著明顯的季風(fēng)性氣候，四季寒暖、干濕分明。因其獨特的地理位置及氣候條件，使得影響遼寧省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣象災(zāi)害種類較多，包括旱澇異常、低溫冷害、霜凍、冰雹及大風(fēng)等。

近幾十年來，在全球氣候變暖的背景下，遼寧省干旱事件的發(fā)生頻次及程度均呈增加趨勢，干旱問題日益突出，亟需加強干旱的監(jiān)測水平提高預(yù)報準(zhǔn)確率。在我國如何有效的加強干旱監(jiān)測預(yù)報也成為眾多學(xué)者關(guān)注的問題。已經(jīng)開展大量成因分析工作［1－6］，并依據(jù)各種指標(biāo)建立的干旱預(yù)報模型，在實踐中發(fā)揮了重要作用。本文利用低頻天氣圖預(yù)報方

法開展遼寧省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季（4～9月）的10－30d延伸期干旱過程預(yù)報，不僅具有重要的現(xiàn)實意義和社會價值，而且可以為合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源及防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

延伸期預(yù)報超越了逐日天氣預(yù)報的下限，又小于氣候預(yù)測的上限，是業(yè)務(wù)中的盲點，做好該時段的預(yù)報具有重要意義［7－8］。近幾年，大氣低頻振蕩在延伸期預(yù)報中的應(yīng)用是一個研究熱點，并在業(yè)務(wù)應(yīng)用中初見成效。但大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（簡稱ISO）對區(qū)域降水的影響研究眾多［9］，何金海等［10］從延伸期預(yù)報的可行性出發(fā)，就延伸期預(yù)報能否做、如何做、怎么評價及未來前景如何等方面進行了較深入的探討。孫國武等［11］使用一種新的延伸期天氣過程預(yù)報方法—低頻天氣圖，開展了一系列的研究并將其應(yīng)用在強降水過程的業(yè)務(wù)預(yù)報中。胡春麗等［12］、陳青等［13］分別將低頻天氣圖方法應(yīng)用到了本省的強降水過程預(yù)報中。那么低頻天氣圖方法在干旱過程預(yù)報中的應(yīng)用效果如何？本文將在以往工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)用低頻天氣圖方法，試做月內(nèi)干旱過程預(yù)報，以期為干旱過程的延伸期預(yù)報提供一種新的思路。

1 資料和方法

1.1 資料

（1）2008－2013年的NCEP／NCAR500hPa逐日再分析資料，要素為水平風(fēng)場和位勢高度（Kalnay et al.，1996）［14］，水平分辨率為2.5°×2.5°。（2）2008－2013年4－9月遼寧省54個代表站逐日降水資料。

1.2 方法

低頻天氣圖延伸期預(yù)報方法是利用大氣低頻振蕩的特性（時間的持續(xù)性和周期性，空間的連續(xù)性和相似性以及生成源地的準(zhǔn)定常性），提取大氣中的強低頻訊號，從而制作10－30d延伸期過程預(yù)報。關(guān)于低頻天氣圖技術(shù)方法的詳細說明，可參見文獻［15］，文中從關(guān)鍵技術(shù)點、技術(shù)要點和技術(shù)步驟三個方面進行了詳細的闡述。

干旱過程：定義遼寧省連續(xù)10d以上日平均降水量≤5mm的過程為一次干旱過程。

Butterworth帶通濾波器，也稱卷積濾波器。這個濾波器的優(yōu)點在于可自由選擇通過頻帶，濾波后的結(jié)果在資料序列兩端不丟失，適用于短資料序列［16］。

表1 遼寧干旱低頻預(yù)報關(guān)鍵區(qū)

2 干旱氣候特征分析

分析表明，遼寧省各種等級干旱事件在東北地區(qū)發(fā)生頻次最多，屬干旱高發(fā)區(qū)。近60年遼寧省共發(fā)生旱災(zāi)31次，平均每2a發(fā)生一次，其中一般干旱，共發(fā)生8次，每7－8a發(fā)生一次；嚴(yán)重干旱17次，每3－4a發(fā)生一次；發(fā)生特大干旱6次，平均每10－11a發(fā)生一次。近60年遼寧省全省干旱災(zāi)害發(fā)生頻次呈增加趨勢（圖略）。焦敏等［17］近期對遼寧省夏季典型旱澇年降水低頻特征進行了分析，結(jié)果表明典型旱年降水的30－60d振蕩顯著，典型澇年降水則無明顯的低頻振蕩，可見30～60d低頻振蕩與遼寧干旱的發(fā)生確實存在密切聯(lián)系，這說明應(yīng)用低頻天氣圖方法預(yù)報遼寧干旱過程確實存在理論上的可能性。

圖1 低頻天氣圖示例（2011年4月18日500hPa 30－50d低頻流場）

圖2 遼寧省月內(nèi)干旱過程預(yù)報關(guān)鍵區(qū)劃分

表2 各關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的振蕩周期

3 延伸期干旱過程預(yù)報技術(shù)方法

3.2 低頻天氣圖的制作

應(yīng)用Butterworth帶通濾波器，對近150d的500hPa逐日風(fēng)場進行30－50d帶通濾波，繪制類似于常規(guī)高空圖的低頻天氣圖（如圖1所示）。

3.3 確定低頻預(yù)報關(guān)鍵區(qū)

主要依據(jù)30－50d低頻高低壓中心的高發(fā)區(qū)特征，再應(yīng)用天氣學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合遼寧地區(qū)的天氣和氣候特點，總結(jié)出對遼寧地區(qū)干旱有影響的9個低頻預(yù)報關(guān)鍵區(qū)（表1），9個關(guān)鍵區(qū)的空間分布見圖2。

3.4 關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)振蕩周期分析

分別對2009－2012年5－9月逐日低頻天氣圖進行普查，記錄各低頻預(yù)報關(guān)鍵區(qū)內(nèi)低頻高低壓中心出現(xiàn)和消失的時間（表略），統(tǒng)計得到9個關(guān)鍵區(qū)的低頻系統(tǒng)振蕩周期。

3.5 建立干旱過程低頻預(yù)報概念模型

圖3 遼寧省4－9月干旱過程低頻預(yù)報模型（T為高低壓位相轉(zhuǎn)化期間）

選取2009－2012年5－9月16次連續(xù)10d以上遼寧省日平均降水量≤5mm的17次干旱過程，對照分析干旱過程期間各關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的活動特征，總結(jié)和建立10－30d干旱過程低頻天氣圖預(yù)報概念模型（圖3）。值得注意的是關(guān)鍵區(qū)8區(qū)（西太平洋副熱帶高壓）為影響遼寧降水的主要區(qū)域，在干旱預(yù)報模型中未將其選為預(yù)報關(guān)鍵區(qū)，原因在于4－9月均采用統(tǒng)一的干旱定義標(biāo)準(zhǔn)，遼寧省全年降水主要集中在7－8月，因此，7－8月選取的干旱過程樣本數(shù)較少，只有兩次干旱過程，2009年7月25日－8月16日期間，盛夏夏季風(fēng)推進，西太平洋副熱帶高壓北跳，副熱帶高壓位置、強度為干旱過程的主要影響因子。2011年8月18日－8月27日副熱帶高壓影響相對較弱，導(dǎo)致兩次干旱過程統(tǒng)計結(jié)果有所差異。

表3 2013年4－9月干旱過程預(yù)報試驗檢驗結(jié)果

從2009－2012年遼寧省4－9月干旱發(fā)生期間各關(guān)鍵區(qū)的低頻系統(tǒng)分布特征的統(tǒng)計結(jié)果表明，當(dāng)

關(guān)鍵區(qū)3、關(guān)鍵區(qū)4和關(guān)鍵區(qū)7出現(xiàn)低頻低壓或者處于低頻高低壓轉(zhuǎn)換時，遼寧地區(qū)易出現(xiàn)干旱過程。

3.6 2013年干旱過程回報

應(yīng)用上述得到的延伸期過程預(yù)報概念模型，對2013年4－9月全省連續(xù)10d平均降水量≤5mm的干旱過程（共6次）進行了回報試驗，結(jié)果見表3，回報效果較好，主要干旱過程基本預(yù)報正確，空報一次（7月6日至7月17日）。

4 結(jié)論與討論

本文將低頻天氣圖方法應(yīng)用在遼寧干旱過程的月預(yù)報中，給出了延伸期干旱過程預(yù)報的技術(shù)方法，并對2009年的典型干旱個例做了進一步分析。目前已有近10多個區(qū)域中心、省氣象局的業(yè)務(wù)和科研單位應(yīng)用低頻天氣圖方法進行試驗和研究，這一方法對重大天氣過程的延伸期預(yù)報顯示出了較強的預(yù)報能力。隨著更多科研和業(yè)務(wù)人員的參與和研究，低頻天氣圖方法一定能夠在未來得到進一步地完善和發(fā)展，并在延伸期預(yù)報中發(fā)揮更好的作用。

［1］官滿元.2004年特大干旱成因分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2007，28（1）：60－64.

［2］胡松青，顏文勝.潮汕地區(qū)依次嚴(yán)重干旱過程的成因分析［J］.廣東氣象，2006，（2）：27－29.

［3］羅彥麗，劉合香，倪增華.廣西41年干旱災(zāi)害的模糊綜合評價與預(yù)測［J］.氣象研究與應(yīng)用，2012，31（4）：5－9.

［4］黃桂珍，韋慶華.2010年凌云縣干旱災(zāi)害成因分析及抗旱措施［J］.氣象研究與應(yīng)用，2010，31（3）：16－23.

［5］史成，李厚偉，楊守懋.等.灰色系統(tǒng)模型在肇慶地區(qū)春季干旱年預(yù)測中的應(yīng)用［J］.廣東氣象，2015，37（6）：64－66.

［6］黃曉梅，簡茂球，劉桂興.雷州半島干旱特征及其環(huán)流分析［J］.廣東氣象，2013，35（3）：20－24.

［7］何慧，歐藝，覃志年.動力延伸預(yù)報產(chǎn)品在廣西月尺度降水滾動預(yù)測中的釋用［J］.氣象研究與應(yīng)用，2009，30（1）：15－18

［8］覃衛(wèi)堅，李耀先，廖雪萍.等.大氣低頻振蕩對廣西持續(xù)性區(qū)域性降水暴雨的可能影響［J］.氣象研究與應(yīng)用，2015，36（3）：1－7.

［9］琚建華，趙而旭.東亞夏季風(fēng)的低頻振蕩對長江中下游旱澇的影響［J］.熱帶氣象學(xué)報，2005，21（1）：163－171.

［10］何金海，梁萍，孫國武.延伸期預(yù)報的思考及其應(yīng)用研究進展［J］.氣象科技進展，2013，3（1）：11－17.

［11］孫國武，信飛，陳伯民.等.低頻天氣圖預(yù)報方法［J］.高原氣象，2008，27（增刊）：64－68.

［12］胡春麗，李輯，陳伯民，等.低頻天氣圖方法在遼寧夏季延伸期強降水預(yù)報中的應(yīng)用［J］.氣象科技進展，2013，3（1）：64－67.

［13］陳青，廖玉芳，楊書運，等.低頻天氣圖方法在湖南省雨季強降水過程預(yù)報中的應(yīng)用［J］.氣象，2014，40（2）：223－228.

［14］KalnayE，KanamitsuM，KistlerR，etal.TheNCEP／NCAR 40－yearreanalysis project［J］.BullAmer Meteor Soc，1996，77（3）：437－471.

［15］孫國武，李震坤，信飛.等.延伸期天氣過程預(yù)報的一種新方法—低頻天氣圖［J］.大氣科學(xué)，2013，37（4）：945－954.

［16］吳洪寶，吳蕾.氣候變率診斷和預(yù)測方法［M］.北京：氣象出版社，2005：232－236.

［17］焦敏，李輯，胡春麗.等.遼寧省夏季典型旱澇年降水低頻特征分析［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報，2015，31（6）：86－92.

Application of Low Frequency Synoptic Chart in Monthly Predicting of Severe Drought in Liaoning Province

Hu Chunli1,2Jiao Min1Li Ji1Wang Wanzhao1Li Fei3Ma Fengmin4
(1.Institute of Arid Meteorology CMA;2.Institute of Meteorological Sciences of Liaoning Province, Shenyang 110166;3.Shenyang Regional Climate Centre,Shenyang 110166;4.Jiangxi Provincial Climate Center,Nanchang 330046)

Based on the NCEP/NCAR daily reanalysis of 500hPa geopotential height and winds as well as daily rainfall data of 53 stations in Liaoning Province from 2008 to 2013,the method of low frequency synoptic chart is applied to forecast severe drought process in Liaoning Province.The synoptic key regions are determined and its relationship with the severe drought process is also analyzed and then the concept model of forecast of low frequency is established.The model is applied to hindcast the severe drought process of 2013.Using the example of 2009,the relationships of severe drought process with the intraseasonal oscillation are further examined.

Low frequency synoptic chart,extended-range forecast,severe drought process

P456

A

1673-8411（2016）03-0048-04

2016-05-26

中國氣象局關(guān)鍵技術(shù)與集成項目CMAGJ2013M55，中國氣象局蘭州干旱研究所干旱氣象科學(xué)研究基金項目（ZAM201311）

胡春麗（1980－），高級工程師，主要從事短期氣候預(yù)測及氣候變化方面研究。