基于PP法的荊州市暴雪分析與短期預報

摘要：利用荊州市6個國家地面觀測站的降水、天氣現(xiàn)象、雪深和氣溫等常規(guī)資料，統(tǒng)計1981～2010年冬季暴雪個例，結果表明，近30年全市共發(fā)生暴雪46站次，其時空分布不均，1月發(fā)生最多，約占全部暴雪站次的61%；東南部地區(qū)發(fā)生幾率明顯高于西北部地區(qū)，且2000年以后西北部地區(qū)沒有出現(xiàn)暴雪。經過普查歷史天氣圖，認為暴雪天氣發(fā)生與500 hPa西風帶低槽、地面中等偏強冷空氣、700 hPa強勁的西南暖濕氣流、700 hPa與850 hPa之間的逆溫層以及溫度的垂直分布有關。預報采取PP法的技術思路，即在建立天氣圖預報模型和指標的基礎上，選取數(shù)值預報對應的參數(shù)制作暴雪短期預報，實踐證明應用效果較好。

關鍵詞：暴雪分析；預報模型；PP法；短期預報

中圖分類號：P426.63+4 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2792-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.019

荊州市地處江漢平原腹地，冬季暴雪過程平均每年發(fā)生不到1次，屬于小概率天氣事件，但是它的發(fā)生會給交通運輸、水電設施、能源供應、農業(yè)生產和人們生活等造成嚴重的影響。過去針對中國北方強降雪研究較多。崔宜少等[1]通過對2005年山東半島連續(xù)3次冷流暴雪過程分析，指出了華北地區(qū)強降雪的環(huán)流背景、水汽條件和垂直結構等特征。常軍等[2]用歐洲數(shù)值預報（簡稱EC）格點資料，對1986年11月至2002年3月河南省出現(xiàn)的87個暴雪個例進行對比分析，建立了暴雪的天氣學概念模型。胡中明等[3]通過對中國東北地區(qū)暴雪形成機理的個例研究，認為暴雪發(fā)生在兩槽兩脊的大尺度環(huán)流背景下，是高空西風急流和低空西南風急流上下耦合作用的結果。宮德吉等[4]研究了低空急流與內蒙古大（暴）雪的關系，得到中亞冷槽分成南北兩段東移，則有利于造成內蒙古大（暴）雪的東亞低空急流產生。而對中國長江中下游地區(qū)的強降雪只有少量研究。楊柳等[5]通過對2003年春季江淮地區(qū)一次暴雪過程的中尺度模擬，發(fā)現(xiàn)低空西南急流與暴雪關系密切。高智松等[6]對構成南方大到暴雪的兩個特征量（降水量和雪深）用多種預報方法從不同角度分別進行試驗，最終建立了南方大到暴雪的一種預報方法。徐雙柱等[7]分析了1951～2005年冬季發(fā)生在武漢市的大雪過程，認為地面冷空氣、中低層西南急流和中層西風帶低槽是決定武漢市冬季大雪的主要天氣系統(tǒng)。上述研究涉及到強降雪具體預報方法的較少或比較定性。為此，本研究通過分析1981～2010年冬季發(fā)生在荊州市的19次暴雪過程，以期建立暴雪天氣概念模型和預報指標，以便在業(yè)務應用時選取數(shù)值預報對應參數(shù)，制作暴雪短期預報。

1 資料與方法

選取荊州市所屬的6個縣（市、區(qū)）國家地面觀測站1981～2010年的觀測資料，統(tǒng)計值以20時為日界；為了直觀反映冬季降雪的實際分布，研究以當年11月到次年3月作為時間序列顯示；考慮到雨雪量混雜、連續(xù)降雪和降雪對應實際雪深測量有滯后等情況，引進了凈雪深的概念，它是某時段降雪對應的實際增長雪深，而不是動態(tài)累計雪深；當滿足24 h純雪量≥10.0 mm或雨雪量≥10.0 mm、且凈雪深≥5 cm時定義為1個暴雪日，從而統(tǒng)計得到暴雪發(fā)生的歷史個例。

在暴雪預報方法研制時，采用動力統(tǒng)計預報方法—完全預報方法（PP法），這種方法是建立在預報量與預報因子同時觀測量的統(tǒng)計關系基礎上，實際應用時則將數(shù)值模式預報參數(shù)代入關系式輸出預報結果。本研究使用歷史天氣圖資料建立暴雪短期預報概念模型，確定預報指標閾值，在業(yè)務使用中，將EC、T639和日本等數(shù)值預報模式適時輸出的對應參數(shù)代入預報模型，得到不同時效的暴雪預報結果。

2 暴雪時空分布特征

根據(jù)暴雪定義，統(tǒng)計得到荊州市6站1981～2010年共發(fā)生暴雪46站次。從時間分布來看，暴雪出現(xiàn)在當年12月到次年3月，其中1月發(fā)生最多，約占全部暴雪日數(shù)的61%。從空間分布來看，東南部地區(qū)發(fā)生次數(shù)明顯多于西北部，其中洪湖站共發(fā)生13次，為全市最多。按照全市6站中至少有5站出現(xiàn)暴雪定義為1次全市性暴雪過程、至少有2站出現(xiàn)暴雪定義為1次區(qū)域性暴雪過程、只有1站出現(xiàn)暴雪定義為1次局地性暴雪過程的標準統(tǒng)計，得到全市性暴雪過程3次、區(qū)域性暴雪過程9次、局地性暴雪過程7次。從年代分布來看，上世紀80年代和90年代全市暴雪分布比較均勻，但自2000年以后西北部的荊州站、松滋站和公安站沒有出現(xiàn)暴雪，反而東南部的石首站、監(jiān)利站和洪湖站暴雪發(fā)生比較頻繁，詳情見表1。

3 暴雪天氣成因及概念模型

普查1981～2010年天氣圖資料，重點分析荊州市發(fā)生的19次暴雪過程，說明冬季出現(xiàn)暴雪主要與地面冷空氣、700 hPa西南急流、500 hPa西風帶低槽影響以及溫度的垂直分布有關。

3.1 主要影響系統(tǒng)

3.1.1 地面冷空氣 暴雪過程發(fā)生時，地面有中等偏強的冷空氣南下影響荊州市，前鋒一般移到了湖南中南部，其后部不斷有新的冷空氣補充，在冷高壓或高壓脊的控制下，近地溫度持續(xù)下降，形成850 hPa以下的冷墊。產生暴雪天氣較強的冷空氣絕大部分從河套地區(qū)（簡稱北路）或河套以東地區(qū)（簡稱東路）南下，據(jù)統(tǒng)計，19次暴雪過程中北路和東路冷空氣影響16次，極少數(shù)從河套以西的甘陜地區(qū)（簡稱西路）南下影響。暴雪發(fā)生當天，荊州市地面吹3級以上的偏北風或偏東風，海平面氣壓一般上升到1 025 hPa以上，大多數(shù)上升到1 028 hPa以上。

以荊州市2010年1月5日發(fā)生的一次大到暴雨雪過程為例，5日08時地面天氣圖上東路有一股較強冷空氣繼續(xù)南下，冷鋒位于南嶺附近，荊州市處于地面鋒區(qū)的北部，海平面氣壓上升到1 028 hPa以上，受4級左右偏北風影響地面氣溫下降至0 ℃以下；850 hPa冷舌從東北伸向西南地區(qū)，零度線南壓至湖南到貴州北部一線，荊州氣溫降到-5 ℃以下，近地層冷墊已經形成。

3.1.2 700 hPa低空西南急流 荊州市暴雪天氣與700 hPa到500 hPa高度上的西南氣流關系密切，在暴雪發(fā)生前48 h內，從云貴高原到長江中下游地區(qū)有西南氣流發(fā)展，暴雪發(fā)生時西南急流存在，為暴雪的產生提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，暴雪出現(xiàn)在低空西南急流的左側。統(tǒng)計19次暴雪過程發(fā)現(xiàn)，貴陽、芷江、長沙到武漢（或宜昌）的700 hPa西南急流中，其中有18次最大西南風達到16 m/s以上，只有1次西南風在12 m/s以上；與此同時，一般也對應有20～30 m/s左右的500 hPa槽前西南風。

從2010年1月5日08時700 hPa風場可見，荊州市高度為304位勢什米，降雪過程中云貴高原到長江中下游地區(qū)有大范圍的西南氣流發(fā)展，暴雪發(fā)生過程中最大西南風達到20 m/s以上，西南地區(qū)的暖濕氣流被源源不斷輸送到長江流域，為降雪提供了豐富的水汽，并在冷墊的作用下使上升運動加強。

3.1.3 500 hPa西風帶低槽 荊州市19次暴雪過程發(fā)生時受高空500 hPa低槽東移影響，這些低槽常常表現(xiàn)為南支槽和西北槽相互作用，由南支槽發(fā)展東移直接影響，槽后一般有溫度槽配合，荊州市處于東高西低的形勢之下，本地高度一般在568 hPa以下。因此，南支槽東移往往會誘發(fā)西南急流和低渦加強東移，也是產生暴雪的主要影響系統(tǒng)之一。

2010年1月5日08時500 hPa天氣圖上，從貝湖低渦分裂低槽東移，槽后有比較明顯的冷平流，中緯地區(qū)環(huán)流比較平直，在四川盆地有低槽不斷發(fā)展東移；荊州上空高度為564位勢什米，槽前偏西風20 m/s以上。

3.2 溫度垂直結構

溫度的垂直分布對于暴雪的產生至關重要，荊州市19次暴雪過程發(fā)生當天各層最低溫度需滿足：地面溫度≤1 ℃、850 hPa溫度≤-5 ℃、700 hPa溫度≤-3 ℃、500 hPa溫度≤-16 ℃，其中700 hPa溫度大于850 hPa的溫度，即存在逆溫層，它表明該層上有暖濕空氣沿近地層冷墊爬升而使輻合上升運動加強。另外，在暴雪發(fā)生前48 h內850 hPa有明顯的冷舌從華北或河套地區(qū)南插，暴雪發(fā)生時-4 ℃等溫線一般已經南壓過了荊州市，且700 hPa溫度在0 ℃以下，確保降水為固態(tài)。

如圖1所示，2010年1月5日08時T-logp圖上，荊州附近的宜昌站地面氣溫下降到0 ℃附近、850 hPa溫度-7 ℃、700 hPa溫度-4 ℃、500 hPa溫度-19 ℃，850～700 hPa之間有明顯逆溫層存在，溫度的垂直分布反映了典型的鋒面特征，說明當時大氣的斜壓性比較明顯。到5日20時，850～700 hPa之間的逆溫層下降并減弱，隨后逐漸消失，與此同時，此次強降雪過程也趨于減弱。

3.3 天氣學概念模型

綜合上述分析，得到荊州市暴雪發(fā)生的天氣學概念模型，即在高層500 hPa西風帶冷槽引導下，地面有中等偏強冷空氣大舉南下，冷鋒移到江南一帶以后，長江中下游邊界層內則形成明顯冷墊。中層700 hPa上為強勁的西南暖濕急流（此暖層溫度在0 ℃以下），低層850 hPa為偏北偏東冷平流，使得中低層形成較明顯逆溫。冷墊的阻擋作用使得暖濕氣流迅速爬升，強烈垂直切變區(qū)內擾動得到發(fā)展，當南支槽前正渦度中心和低渦發(fā)展東移到水汽大值區(qū)時，暴雪天氣過程開始發(fā)生。系統(tǒng)配置如圖2所示。

3.4 模型指標及閾值

根據(jù)暴雪天氣學概念模型，從影響系統(tǒng)、溫度的垂直分布、空氣濕度、風等幾個方面，統(tǒng)計分析19次暴雪個例對應環(huán)流參數(shù)的共同特征，最終確定了暴雪是否發(fā)生的模型指標。

當500 hPa南支槽開始東移影響時，長江中游地區(qū)處于東高西低的形勢之下，本地上空的位勢高度較低，因此用位勢高度來表示低槽的活動；選取700 hPa貴陽、芷江、長沙、武漢或宜昌的風，當其中至少有一站西南風≥16 m/s時則認為存在低空西南急流；地面冷空氣及強度用近地面風和海平面氣壓上升的高低來界定；降雪與氣溫降低程度和溫度的垂直分布有關，用暴雪當天各層達到的最低溫度來說明，且當700 hPa溫度（T700 hPa）大于或等于850 hPa溫度（T850 hPa）時即認為逆溫存在。另外，冬季降暴雪其水汽條件也非常重要，選取溫度露點差作為指標，具體天氣學模型指標及閾值詳情見表2。

4 暴雪短期預報方法應用

采用可視化面向對象編程語言Visual Basic 6.0開發(fā)完成，首先選取EC、T639和日本等數(shù)值模式預報場，將111°～114°E、29°～31°N范圍內的預報模型指標對應要素格點值訂正到荊州市6個縣市（區(qū)）預報站點上，然后代入暴雪天氣學概念模型，最終推理未來3 d的暴雪短期預報結果。其中，本地暴雪當天各層的最低溫度和海平面氣壓選用EC細網格（0.25°×0.25°）預報場、溫度露點差用T639細網格（0.125°×0.125°）預報場、高空位勢高度用EC細網格（0.25°×0.25°）預報場、高空風用EC粗網格（2.5°×2.5°）預報場、距地面10 m風用T639粗網格（1.0°×1.0°）預報場，另外EC或T639或日本模式24 h降水量預報也是參考的指標條件之一。

荊州市近幾年冬季強降雪過程呈減少趨勢，2011～2013年共發(fā)生全市性大到暴雪過程1次、全市性大雪過程1次、全市性小到中雪局部大雪過程3次，該預報方法在市氣象臺進行業(yè)務試運行過程中，按照預報有暴雪實況為暴雪評定正確、實況為大雪不評、實況為中雪以下評定空報，預報有大雪實況為暴雪不評，沒有預報大雪或暴雪實況為暴雪評定漏報的標準檢驗，結果表明，該預報方法能比較準確地報出全市性大到暴雪過程發(fā)生的時間和落點，為參與省內天氣會商和公共氣象服務提供了有效的參考依據(jù)，但當出現(xiàn)局地性大雪過程時存在站點上的空漏報現(xiàn)象。

運用此系統(tǒng)進行上機運行，并得出本地的強降雪預報結果。以荊州市2011年1月2～3日出現(xiàn)了1次明顯的降雪過程為例。提前3 d預報得出，強降雪會出現(xiàn)在2日，且強降雪中心可能出現(xiàn)在東南部（圖3）。

通過對比1月2～3日的實況分析，荊州2日出現(xiàn)強降雪，降雪強度東南部大于西北部，在全市6個縣市（區(qū)）氣象站中，監(jiān)利和洪湖站達到暴雪，荊州、松滋、公安和石首站下了大雪，降水量6～12 mm、雪深6～9 cm之間，詳情見表3。

從2日8時高低空和地面形勢場得知，強降雪當天500 hPa中緯度地區(qū)環(huán)流比較平直，高原東部有低槽東移，槽前西南氣流達到24 m/s以上，荊州地區(qū)上空高度560位勢什米，溫度-17 ℃，溫度露點差2 ℃左右；700 hPa暖切位于湖北中北部一線，西南暖濕氣流發(fā)展旺盛，貴陽、芷江、長沙到武漢（或宜昌）的西南急流最大風速超過24 m/s，荊州地區(qū)上空西南風16 m/s、高度302位勢什米、溫度-6 ℃、溫度露點差2 ℃左右；850 hPa湖北東南部地區(qū)受暖切影響，冷暖空氣交換比較明顯，本地上空偏東氣流6 m/s、高度152位勢什米、溫度-10 ℃、溫度露點差2 ℃左右；受河套以東冷空氣南下影響，地面圖上為冷高壓脊控制，海平面氣壓上升到1 032 hPa以上，在4級左右偏北風的作用下氣溫已降到-2 ℃左右，降雪過程中溫度露點差維持在2 ℃左右，近地空氣顯示濕冷狀態(tài)。綜上所述，當天高低空和地面形勢滿足荊州地區(qū)暴雪天氣學模型特征，該預報方法業(yè)務運行的輸出預報結論與降雪實況完全一致。

5 小結與討論

通過統(tǒng)計分析荊州市1981～2010年冬季暴雪個例，得到了以下幾方面的結論。

1）近30年來，荊州市冬季共發(fā)生46站次暴雪，均分布在19次暴雪過程之中，其時空分布不均，1月發(fā)生最多，約占全部暴雪站次的61%，東南部地區(qū)發(fā)生幾率明顯高于西北部地區(qū)。2）按照全市6站中至少有5站出現(xiàn)暴雪定義為1次全市性暴雪過程、至少有2站出現(xiàn)暴雪定義為1次區(qū)域性暴雪過程、只有1站出現(xiàn)暴雪定義為1次局地性暴雪過程的標準統(tǒng)計，得到全市性暴雪過程3次、區(qū)域性暴雪過程9次、局地性暴雪過程7次。3）經過普查歷史天氣圖，認為荊州市暴雪天氣發(fā)生與500 hPa西風帶低槽、地面中等偏強冷空氣、700 hPa強勁的西南暖濕氣流、700 hPa與850 hPa之間的逆溫層以及溫度的垂直分布有關，因此，可以較好地建立本地暴雪天氣學概念模型，確定相應的預報指標及閾值。4）預報采取PP法的技術思路，即在建立天氣圖預報模型和指標的基礎上，選取數(shù)值模式預報對應的參數(shù)制作暴雪分縣短期預報，實踐證明業(yè)務應用效果比較滿意。5）由于數(shù)值模式預報值與天氣圖實測值存在一定的誤差，在利用PP法制作暴雪短期預報時必然受到各種模式預報穩(wěn)定性的制約，因此，要不斷對預報方法進行改進和完善，從而提高預報的準確性。

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