低頻天氣圖在陜西汛期降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)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(lái)，陜西省極端天氣氣候事件頻發(fā)，尤其是強(qiáng)降水引發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害和城市內(nèi)澇，嚴(yán)重影響了社會(huì)生產(chǎn)和人民生活。陜西省氣象局開(kāi)展的預(yù)報(bào)服務(wù)主要為10 d之內(nèi)的短期天氣預(yù)報(bào)和30 d以上的月、季、年長(zhǎng)期氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)，不能完全滿足氣象服務(wù)的需求。10～30 d延伸期預(yù)報(bào)可以填補(bǔ)氣象服務(wù)的空白，能夠?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)做出一定的貢獻(xiàn)。近年來(lái)國(guó)外延伸期預(yù)報(bào)的主要工作體現(xiàn)在對(duì)MJO(熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩，發(fā)生在熱帶地區(qū)的周期為30～60 d的主要向東傳播的振蕩)的認(rèn)識(shí)、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)等方面，尚未涉及到10～30 d的延伸期天氣過(guò)程預(yù)報(bào)[1-4]。我國(guó)早在20世紀(jì)90年代初，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流演變具有30～50 d的周期振蕩特征，用此原理可以預(yù)報(bào)中長(zhǎng)期天氣過(guò)程[5-6]。近年來(lái),上海氣候中心陳伯民等又將低頻天氣圖方法在日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中大力推廣，取得了一定的成果[7-10]。2011年至2013年中國(guó)氣象局以“月內(nèi)重要過(guò)程趨勢(shì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”立項(xiàng)，先后在全國(guó)11個(gè)省市推廣，這些省份利用低頻天氣圖原理，同時(shí)結(jié)合本省氣候特點(diǎn)在延伸期預(yù)報(bào)方面進(jìn)行了有意義的理論探索和業(yè)務(wù)實(shí)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(fēng)的邊緣地帶，汛期降水變率大且空間分布不均，汛期易出現(xiàn)持續(xù)干旱或者強(qiáng)降水過(guò)程，容易造成糧食減產(chǎn)和泥石流等山洪地質(zhì)災(zāi)害，所以延伸期預(yù)報(bào)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和人民生活有著重要的意義。在已有文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，分析低頻天氣圖預(yù)報(bào)方法在陜西汛期降水的研究與應(yīng)用以及本地化改進(jìn)情況，并且對(duì)2013—2015年陜西汛期延伸期強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)，以期提高預(yù)報(bào)能力。

1 資料

所使用的資料為2008—2013年5—9月 NCEP/NCAR 500 hPau、v風(fēng)場(chǎng)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(gè)臺(tái)站的同期日降水量資料。

2 低頻天氣圖汛期強(qiáng)降水預(yù)報(bào)模型的構(gòu)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(yù)報(bào)方法[10]對(duì)未來(lái)10～30 d降水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)。構(gòu)建低頻天氣圖預(yù)報(bào)方法有6個(gè)步驟，主要為分析、追蹤、分區(qū)、整理、歸納和試驗(yàn)等。首先，對(duì)逐日500 hPa風(fēng)場(chǎng)上低頻氣旋和反氣旋的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行普查，總結(jié)降水時(shí)段的低頻氣旋和反氣旋的位置、分布及出現(xiàn)次數(shù)，歸納出對(duì)降水過(guò)程有影響的高影響區(qū)。然后對(duì)各高影響區(qū)的低頻氣旋和反氣旋的周期進(jìn)行估算，總結(jié)出陜西省發(fā)生降水過(guò)程時(shí)，各高影響區(qū)低頻氣旋和反氣旋配置關(guān)系，建立概念模型。通過(guò)外推法，制作出未來(lái)10～30 d的陜西較強(qiáng)降水過(guò)程預(yù)報(bào)。

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(nèi)，陜北為黃土高原溝壑區(qū)，關(guān)中為河谷平原區(qū)，陜南為秦嶺南麓淺山區(qū)，700 hPa 風(fēng)場(chǎng)受地形變化的影響較多，因此選取500 hPa風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行研究。范圍選取(10°N～70°N，60°E～160°E)，經(jīng)過(guò)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(fēng)場(chǎng)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(qū)的確定

低頻天氣圖的高影響區(qū)劃分是構(gòu)建延伸期預(yù)報(bào)方法的關(guān)鍵步驟。通過(guò)跟蹤分析低頻天氣圖上的低頻系統(tǒng)的位置、移動(dòng)規(guī)律和周期，得到不同區(qū)域低頻系統(tǒng)的特征。根據(jù)低頻系統(tǒng)的特性，將低頻天氣圖劃分為若干個(gè)區(qū)域[7]。根據(jù)陜西省天氣預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和低頻天氣系統(tǒng)在各個(gè)區(qū)域的振蕩特征，與強(qiáng)降水過(guò)程密切相關(guān)的低頻系統(tǒng)活動(dòng)區(qū)域分為9個(gè)區(qū)域。9個(gè)高影響區(qū)的位置劃分具體見(jiàn)表1,在此基礎(chǔ)上分析每個(gè)區(qū)域內(nèi)低頻氣旋和低頻反氣旋的活動(dòng)特征和時(shí)間變化。

表1 高影響區(qū)域劃分

2.3 低頻氣旋和反氣旋活動(dòng)的周期及移動(dòng)路徑

低頻氣旋和反氣旋在每個(gè)高影響區(qū)的變化不同，統(tǒng)計(jì)分析2008—2013年5—9月9個(gè)高影響區(qū)內(nèi)低頻氣旋和低頻反氣旋生成、消失的時(shí)間及移動(dòng)路徑，發(fā)現(xiàn)不同高影響區(qū)的低頻系統(tǒng)活動(dòng)周期有一定差異，選擇出現(xiàn)頻次最多的周期,確定高影響區(qū)1～高影響區(qū)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(tǒng)的移動(dòng)路徑分兩類：振蕩型和移動(dòng)型。振蕩型即低頻天氣系統(tǒng)在某高影響區(qū)生成向西北或東南方向移動(dòng)，并在原地振蕩后消失，不離開(kāi)該高影響區(qū)；移動(dòng)型即低頻天氣統(tǒng)在某高影響區(qū)生成后，位相東西傳播或南北傳播，移出該區(qū)。3、5、6區(qū)的低頻系統(tǒng)多為原地振蕩型，1、2區(qū)向西北方向移動(dòng)，7、8、9區(qū)向東南或西南方移動(dòng)，影響陜西降水的關(guān)鍵系統(tǒng)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(tǒng)帶來(lái)的東南和西南暖濕氣流與北方系統(tǒng)帶來(lái)的冷空氣在陜西交匯，形成持續(xù)大范圍的降水天氣過(guò)程。

2.4 低頻系統(tǒng)與汛期強(qiáng)降水過(guò)程配置模型的構(gòu)建

陜西夏季多陣性降水，但低頻系統(tǒng)引起的降水是大范圍和持續(xù)性的，所以定義一次降水過(guò)程是全省三分之一的臺(tái)站出現(xiàn)降水，日降水量≥10 mm。普查統(tǒng)計(jì)2008—2013年5—9月共98次降水過(guò)程。通過(guò)對(duì)陜西汛期強(qiáng)降水進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，確定了4個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)域，分別為全省、陜北、陜南、關(guān)中。根據(jù)建立的低頻氣旋和低頻反氣旋活動(dòng)與強(qiáng)降水過(guò)程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)高影響區(qū)內(nèi)的低頻氣旋和反氣旋進(jìn)行分析總結(jié)，形成4個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)域的預(yù)報(bào)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(biāo)表示系統(tǒng)生成的高影響區(qū)序號(hào)。當(dāng)高影響區(qū)6、9有低頻氣旋，高影響區(qū)2、4 有低頻反氣旋，高影響區(qū)1、3、2有低頻氣旋時(shí)，陜西全省可能有大范圍的降水過(guò)程發(fā)生。

表2 陜西省不同降水區(qū)與高影響區(qū)

3 2013—2015年汛期延伸期強(qiáng)降水預(yù)報(bào)試驗(yàn)

3.1 典型多雨期低頻環(huán)流特征

大氣環(huán)流的演變過(guò)程包含一些快過(guò)程和慢過(guò)程，快過(guò)程一般表現(xiàn)為天氣尺度，而慢過(guò)程是大尺度大氣運(yùn)動(dòng)與低頻外強(qiáng)迫緊密聯(lián)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(lián)系的,低頻天氣系統(tǒng)可以較完整地反映天氣尺度系統(tǒng)的活動(dòng)、發(fā)展、振蕩和消失特征。

為了進(jìn)一步分析影響陜西省汛期強(qiáng)降水過(guò)程的主要低頻系統(tǒng)的演變特征，繪制陜西2014年9月上中旬連陰雨天氣過(guò)程期間500 hPa低頻流場(chǎng)和實(shí)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(shí)段的500 hPa低頻流場(chǎng)圖和流場(chǎng)實(shí)況合成圖。從圖2來(lái)看，關(guān)鍵區(qū)8的低頻氣旋的偏北氣流與關(guān)鍵區(qū)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(qū)匯合。西北氣流反映出貝加爾湖附近為低值中心，低槽帶來(lái)中高緯地區(qū)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(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)二者的環(huán)流系統(tǒng)緊密相連，低頻圖上的氣旋和反氣旋所對(duì)應(yīng)的是實(shí)況天氣圖上的氣旋和反氣旋系統(tǒng)。在低頻天氣圖上低頻系統(tǒng)都是閉合、成熟的低頻氣旋和反氣旋，在實(shí)況天氣圖上的大氣環(huán)流系統(tǒng)有時(shí)為閉合的氣旋和反氣旋，有時(shí)則是沒(méi)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(xiàn)淺“槽”，沒(méi)有閉合的低值中心。

圖2 2014-09-06—18 500 hPa平均低頻流場(chǎng)圖

圖3 2014-09-06—18 500 hPa平均實(shí)況流場(chǎng)圖

3.2 伏旱期低頻環(huán)流特征

2015年 7月下旬至8月上旬陜西省關(guān)中、陜南地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的伏旱，西北地區(qū)為穩(wěn)定的低頻反氣旋控制，高溫少雨，形成伏旱天氣。而實(shí)況圖上的環(huán)流系統(tǒng)基本與低頻流場(chǎng)對(duì)應(yīng)，實(shí)況表現(xiàn)為范圍更大的反氣旋環(huán)流，整個(gè)西北內(nèi)陸被強(qiáng)大的西太平洋副熱帶高壓控制，北方的冷空氣無(wú)法南下，南方孟加拉灣西南氣流也被阻擋，無(wú)南北氣流匯合，難以形成降水(圖略)。

3.3 夏季低頻系統(tǒng)的周期變化特征及關(guān)鍵區(qū)低頻波的配置

天氣圖的環(huán)流系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)快速變化的過(guò)程,不具備低頻系統(tǒng)的特征，要在一個(gè)月前做出大氣環(huán)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)是不現(xiàn)實(shí)的。而低頻系統(tǒng)是一個(gè)緩慢變化的過(guò)程,具有持續(xù)性和連續(xù)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(gè)較為完整的低頻系統(tǒng),一個(gè)是高影響區(qū)8貝加爾湖附近有一強(qiáng)大氣旋環(huán)流,另一個(gè)是高影響區(qū)4華東地區(qū)有一反氣旋環(huán)流。7月中旬的低頻天氣圖(圖5)中，這兩個(gè)低頻系統(tǒng)再次出現(xiàn),并且較6月上旬出現(xiàn)的時(shí)間更為持久,西太平洋副熱帶高壓在500 hPa流場(chǎng)上的反氣旋環(huán)流發(fā)展更為強(qiáng)大。陜西處于反氣旋環(huán)流的東南暖濕氣流和氣旋帶來(lái)北方冷空氣交匯之下，降水持續(xù)10余天。

低頻天氣圖反映了大氣環(huán)流中低頻氣旋和反氣旋位置移動(dòng)的空間變化，低頻波可以看出高影響區(qū)內(nèi)低頻氣旋和反氣旋的時(shí)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(qū)8貝加爾湖冷空氣的變化和高影響區(qū)4西太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)弱變化影響。提取2013年5—9月高影響區(qū)8和高影響區(qū)4的500 hPa位勢(shì)高度低頻值(圖6)，可以看到從5月開(kāi)始副熱帶高壓逐漸增強(qiáng)，在6—7月變化幅度達(dá)到最大，8月開(kāi)始逐漸南退。7月上中旬高影響區(qū)4的西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)北上，而高影響區(qū)8的北方低槽南下,二者交匯出現(xiàn)明顯的降水過(guò)程。同樣在5月下旬、6月中旬、8月下旬和9月中旬出現(xiàn)降水過(guò)程，降水過(guò)程的強(qiáng)弱與南北兩個(gè)低頻系統(tǒng)的強(qiáng)弱、出現(xiàn)時(shí)間密切相關(guān)。

圖5 2013年7月上旬500 hPa流場(chǎng)圖

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

4 結(jié)論

針對(duì)陜西省汛期降水過(guò)程特點(diǎn)，將低頻天氣圖預(yù)報(bào)方法在陜西進(jìn)行本地化應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)陜西省2008—2013年汛期強(qiáng)降水時(shí)期的低頻系統(tǒng)空間位置、分布及持續(xù)出現(xiàn)次數(shù)，劃分出與預(yù)測(cè)區(qū)域降水過(guò)程密切相關(guān)的9個(gè)低頻高影響區(qū)，建立低頻系統(tǒng)空間配置與強(qiáng)降水過(guò)程間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(1)提煉陜西省4個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)域(全省、關(guān)中、陜南、陜北)出現(xiàn)降水過(guò)程時(shí)各個(gè)高影響區(qū)低頻系統(tǒng)的配置模型。4區(qū)和2區(qū)出現(xiàn)反氣旋，1區(qū)、2區(qū)、6區(qū)和9區(qū)出現(xiàn)氣旋時(shí)，易出現(xiàn)全省大范圍的降水過(guò)程。3區(qū)、5區(qū)、6區(qū)和9區(qū)出現(xiàn)氣旋，2區(qū)、5區(qū)出現(xiàn)反氣旋時(shí)，關(guān)中陜南易出現(xiàn)降水過(guò)程。這些系統(tǒng)的配置，充分體現(xiàn)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(guān)鍵天氣系統(tǒng)對(duì)陜西降水的影響。

(2)通過(guò)分析2013年汛期低頻天氣圖和高影響區(qū)低頻波演變特征，發(fā)現(xiàn)影響陜西大范圍降水過(guò)程的大氣低頻系統(tǒng)具有典型的周期特征，低頻天氣圖在延伸期降水過(guò)程預(yù)報(bào)中有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。從2013—2015年整個(gè)汛期時(shí)段的預(yù)報(bào)試驗(yàn)來(lái)看,低頻天氣圖對(duì)多雨時(shí)段預(yù)報(bào)效果較好,在高溫少雨的伏旱階段,空?qǐng)?bào)和漏報(bào)的次數(shù)明顯增加,尤其是在氣候轉(zhuǎn)折時(shí)期,低頻天氣圖的預(yù)報(bào)效果并不理想。

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