一張用于預報云天和降雪天氣圖的設(shè)計與應(yīng)用

樓茂園 郝世峰 陳懿妮 婁小芬

(浙江省氣象臺，浙江 杭州 310017)

0 引 言

作為臺站天氣預報員，每天要與大量的天氣圖打交道，并通過這些天氣圖的分析，實現(xiàn)對未來天氣的預報。2013年以來，盡管浙江基本建立了數(shù)字化網(wǎng)格化無縫隙預報產(chǎn)品體系，也向社會提供數(shù)字化預報信息產(chǎn)品，如手機平臺上的智慧氣象APP等，但是為政府的決策氣象服務(wù)，尤其是重大活動關(guān)鍵時段的天氣、重大轉(zhuǎn)折性天氣等，仍依賴預報員對各種天氣圖的綜合分析。特別是一些具有某種天氣學意義的綜合天氣圖，可明顯提高預報員對某類天氣的綜合分析速度和精度，提高預報服務(wù)效益。

一般預報員首先是側(cè)重于分析各類災(zāi)害性天氣預報，再分析其他天氣要素預報。其中有些天氣卻容易被忽視，比如像云天的預報，如某天預報明天多云，實際上次日一整天都是陰天。預報員認為這只是云量預報上有些偏差，只要無降水，預報基本準確，但公眾認為預報完全錯了。因為預報多云，應(yīng)該有陽光，可進行晾曬，而一整天的陰天，滿天陰云會讓晾曬安排落空。特別是地處江南的浙江，每年多連陰雨天氣，期間陽光十分寶貴，云天預報顯得尤其重要。此外南方公眾對降雪天氣特別敏感，哪怕是江南某些半高山區(qū)如天目山區(qū)出現(xiàn)降雪，在當今互聯(lián)網(wǎng)和自媒體時代，手機上會迅速出現(xiàn)大量降雪信息與照片，如果沒有預報降雪，預報服務(wù)效果會大打折扣。

事實上，隨著數(shù)值預報產(chǎn)品的精度越來越高，有不少云天預報是可以預報出來的。但可能是由于預報員缺少直觀明了的預報云天和降雪專用天氣圖，影響了綜合判斷，使上述尷尬每年都有發(fā)生。為減少此類情況出現(xiàn)，近年來，在老預報員多年實踐的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值預報資料進行直觀化集成設(shè)計了一些綜合圖，其中之一就是設(shè)計了具有天氣學意義的云天和降雪預報天氣圖。該設(shè)計圖已在網(wǎng)頁版的浙江省數(shù)值預報平臺上應(yīng)用，已成為不少浙江省天氣預報員云天和降雪預報的重要參考分析圖，多次在與中央氣象臺的全國天氣會商中應(yīng)用，但在市縣級臺站走訪中也發(fā)現(xiàn)，不少預報員對該圖的設(shè)計思路與應(yīng)用不太了解甚至不會應(yīng)用。為此本文著重介紹其設(shè)計的原理、天氣學意義和分析應(yīng)用方法與實例介紹，以提高浙江省預報員云天與降雪預報分析能力。經(jīng)查，目前此類天氣圖的設(shè)計與應(yīng)用介紹文獻極少。

1 云天預報圖設(shè)計原理

1.1 所用預報資料

主要采用中國氣象局數(shù)值預報中心的全球模式預報資料CMA的GRAPES-GFS資料(簡稱GRAPES)、美國的NCEP預報資料(簡稱GFS)和歐洲中期數(shù)值預報ECMWF(簡稱EC)資料，一天兩個時次，分別是北京時間08時和20時。主要用到每3 h間隔一次的降水量和所有各層氣溫、相對濕度等要素。

1.2 具體圖形設(shè)計

以圖1a為例說明設(shè)計思路。圖1a是一張綜合天氣圖，并由上下2幅圖構(gòu)成。其中圖1a中的上部一幅圖為一張剖面圖。圖中左側(cè)縱坐標為氣壓，從地面1000 hPa到200 hPa。600 hPa以下間隔為50 hPa，600 hPa以上間隔為100 hPa。圖中在1000 hPa所在直線的下方，設(shè)計了某一緯度上的浙江地域范圍的寬度，可用于預報員估計預報點對應(yīng)位置。圖1a中上部，主要顯示兩種物理量：一是取該剖面上的某一數(shù)值預報資料中的相對濕度(RH/%)；二是取該剖面上的某一數(shù)值預報資料中的氣溫值(T/℃)。

在圖1a上部圖中，有上述2種物理量顯示，在設(shè)計圖形時作如下處理：一是將相對濕度大于80%的區(qū)域用藍色渲染本文中顯示黑色，下同，每隔5%一條線，顏色逐漸加深，顏色愈深濕度越大。將600 hPa以上層的顏色去掉，僅留下線條。二是將該剖面上的氣溫等值線顯示出來，每條線表示1 ℃的間隔，其中氣溫零度線及以上用實線表示，可讓預報員一眼能區(qū)分零度以下的區(qū)域。

圖1a下部為一張曲線圖。左側(cè)縱坐標為模式降水量(R/mm)，坐標每刻度代表的降水量值，隨剖面上降水量大小自動調(diào)整，可在該固定表格高度內(nèi)，使不同量值降水量均能顯示。右側(cè)縱坐標為相對濕度，一般刻度在30%～100%，每間隔固定為10%。

為了能將該天氣圖較好地供全省各地臺站使用，對該剖面圖進行定緯度制圖顯示。目前，對浙江從南到北，分別每隔0.5 N，分別是27 N，27.5 N，28 N，28.5 N，29 N，29.5 N，30 N，30.5 N，31 N。注意圖1a上部圖中1000 hPa下方是剖面隨著不同緯度變化的浙江區(qū)域的范圍寬度，中間標有“Zhe Jiang”英文。上述天氣圖已可在省級內(nèi)網(wǎng)天氣業(yè)務(wù)平臺的“浙江省數(shù)值預報分析系統(tǒng)”中獲取應(yīng)用。

圖1 a為2019年3月14日的Grapes-GFS云天預報圖;b為2016年1月21日的EC降雪預報圖

2 云天預報圖的天氣學意義

2.1 云天預報

一般情況下空氣中在95%以上的相對濕度時空氣中的水汽才有可能會凝結(jié)[1]，但考慮到預報誤差，圖形設(shè)計時將該要素作適當放寬。所以在圖1中只將80%以上的濕區(qū)用藍色渲染顯示出來，而將80%以下的濕區(qū)不作顯示，其目的是要營造在天氣學意義上，讓預報員看到藍色區(qū)就是有“云”的直觀感覺。

圖1a中600 hPa以上層，為什么將其渲染色除去呢？這是因為多年的預報與觀測實踐表明，當600 hPa以上層有濕度大于80%，即考慮有“云”，那么從氣象觀測上分析，這個高度上應(yīng)該是高云。可以設(shè)想，當沒有中低云，只有高云存在，如出現(xiàn)許多卷云之類的云系，那應(yīng)該是好天的標志。但如果此時預報員僅分析總云量，因高云依然會體現(xiàn)在總云量數(shù)值中，易出現(xiàn)云天預報為陰天。而當600 hPa以下層濕度小于80%，無任何顏色顯示時，即氣象觀測中的中低云層“無云”，天氣學意義上直觀地讓預報員是晴朗無“云”的感覺，所以將這個高度以上層的藍色渲染除去，就是要達到一個目的，告訴預報員只要600 hPa以下層無“云”，可以讓預報員大膽預報晴天或晴到多云。

當600 hPa以下層出現(xiàn)濕度大于80%，這說明有中低云系存在，預報員就應(yīng)該考慮既有高云又有中低云存在，陽光難以穿透，應(yīng)該考慮多云-陰天之間的天況。具體可分如下幾種情況。

1)當圖1b中對應(yīng)的區(qū)域模式預報沒有降水，如有深厚的95%以上層，且云層厚度大于500 m(預報經(jīng)驗上可以用850 hPa高度的1/3厚度來直觀估計)，該時點可預報陰天。

2)當圖1a中如果是80%～95%，且厚度大于500 m，可預報陰到多云。

3)當圖1a中如果是80%～95%，且厚度小于500 m，仍可預報多云。

4)當云層傾斜時(一般有冷空氣等系統(tǒng)影響時，高空槽先將中高云系影響到預報區(qū))應(yīng)考慮預報時間：若是早晨-上午時段，陽光從東側(cè)高空傾斜照射下來，就要根據(jù)云層位置來預報，只要估計照射下來無“云”，可預報多云或晴到多云；反之，則預報多云到陰或陰天。

2.2 降雪預報

不少研究冬季降水相態(tài)的識別判據(jù)時,大都是使用大氣中的規(guī)定層資料(主要是中低層)，如：700，850，925，1000 hPa[2-5]。原因是這些規(guī)定層氣象數(shù)據(jù)齊全，便于統(tǒng)計分析，從而形成了降雪預報上的各種規(guī)定層判據(jù)或指標。但事實上由于大氣層結(jié)的多變性，即使規(guī)定層氣溫分布類似，但如果規(guī)定層之間的氣溫層結(jié)分布不一樣，氣溫層結(jié)依然不同。可以理解為“規(guī)定層分析法”只是對大氣層結(jié)中作某些層的抽樣分析，并不是大氣層結(jié)的完整分析，因此單從規(guī)定層分析得出的判據(jù)是有其局限性的。這也是這些判據(jù)在實際降雪預報實踐中時常會失靈的一個原因。圖1b為2016年1月21日的EC可用于降雪預報天氣圖。預報員可以從圖中直觀地對云層的實際分布和預報區(qū)域上空的氣溫層結(jié)有一個連續(xù)的完整認識，可以了解大氣層結(jié)的連續(xù)與細節(jié)變化。更重要的是可分析預報點區(qū)域上空是否存在有0 ℃以上的暖層，這對地處江南的浙江來說尤為重要。結(jié)合模式降水量預報，采用“降雪預報氣柱判別法”，在預報點上空可以比其他天氣圖更易得出是否出現(xiàn)降雪的預報。

“降雪預報氣柱判別法”：在上述天氣圖上，選定你所關(guān)心的預報區(qū)或點，根據(jù)浙江地圖寬度比例，找到相應(yīng)的位置。查看對應(yīng)點模式是否有降水量預報，若有再進一步判別相態(tài)。然后在該點上空垂直劃定一個氣柱(意念上)，由于降雪是從高空冰晶云中飄落的，需先尋找氣柱內(nèi)的藍色陰影區(qū)是否存在，即是否有云層，若有再從該氣柱內(nèi)的云層中，沿垂直氣柱向下分析(實際上是在模擬雪花受重力作用飄落過程)。如果遇到0 ℃以上的暖層，雪花就會融化，就不可能是降雪，只能是降雨；如果雪花一路飄落，整個氣柱內(nèi)均在0 ℃以下，雪花就難以融化，則該地將出現(xiàn)降雪，且與該地是平地還是高山無關(guān)。如再考慮地表氣溫就可以進一步判斷是否有積雪。

3 云天預報圖在臺站的應(yīng)用情況

3.1 云天預報的個例應(yīng)用介紹

2018年12月—2019年2月，浙江經(jīng)歷了自1951年以來罕見的陰雨寡照天氣，雨日與日照破歷史記錄，市民對陽光的期盼達到空前程度。期間有好幾例，當時氣象臺對外公眾預報為多云或晴到多云，實際上是陰天?，F(xiàn)以2018年12月12日為例來說明云天預報圖應(yīng)用的重要性。2018年12月11日下午杭州公眾預報(短信)：“杭州今天前半夜陰天，偶有小雨，后半夜陰轉(zhuǎn)多云；明天多云到晴，2到8 ℃。今夜全省雨水漸止轉(zhuǎn)陰到多云，明天早晨氣溫較低，注意保暖，省氣象臺”。對于經(jīng)歷從12月2日—11日持續(xù)10 d陰雨天氣的杭城市民來說，無疑是個好消息，因為明天總算“多云到晴”了。但實際上次日一整天都是陰天，毫無陽光出現(xiàn)。查看2018年12月12日杭州區(qū)域，杭州700 hPa以上層(圖略)轉(zhuǎn)為西西北氣流，850-地面層(圖略)為高壓前部，為晴好天氣的形勢，有經(jīng)驗的預報員，看一下850-700-500 hPa各層上的濕度也很低，故作出多云到晴的預報是有一定合理性的。但從這天08、11、14、17時4張云天預報圖上可見(圖2)，從東面沿海一帶到杭州市區(qū)，在850 hPa以下有一層相對濕度大于85%的“云”，正是這一層云使得杭州城區(qū)12日整個白天都是陰天，預報效果很差。反之，如當時對云天預報圖加以應(yīng)用分析，是可以有效改進預報結(jié)論的。

圖2 2018年12月12日08時(a)、11時(b)、14時(c)、17時(d)EC云天預報圖

3.2 降雪積雪預報的個例應(yīng)用介紹

2016年1月下旬有一次強寒潮過程影響我國，浙江也經(jīng)歷30多年來最強的降溫過程，網(wǎng)民稱之為“boss級寒潮”。現(xiàn)以2016年1月21—22日本次寒潮影響過程前期降雪為例來說明云天預報圖在降雪預報中應(yīng)用的重要性。2016年1月20日省氣象臺發(fā)布對省政府的《重要氣象報告》，“預計21—22日浙江省將有大雪暴雪，明天開始浙中北大部地區(qū)積雪逐漸加深，預計到23日早晨積雪最深，可達8—15 cm，局部超過15 cm”。但實際上，21—22日白天，杭州下了雪，但雨夾雪成份很高，杭州市區(qū)光看到下雪花，除花壇與車頂有積雪外，就是沒有看到預報所說的“積雪逐漸加深”的天氣。當時浙江衛(wèi)視等媒體在省氣象臺直播報道時詢問原因，省氣象臺專家認為，這與近地面存在一個0 ℃以上暖層有關(guān)。該暖層從東面海上向西伸展，暖層的西結(jié)點位置剛好在杭州城區(qū)附近，但22日下午從杭州城區(qū)西側(cè)的景區(qū)龍井山園記者所拍的屋頂積雪照片看，至少有10多厘米厚，而大部分市民居住的西湖以東城區(qū)卻積雪不多。因為暖層剛好伸展到杭州城區(qū)東部，所以難以有積雪，而西湖西側(cè)山區(qū)及以西地區(qū)，因未受該暖層影響，所以積雪較厚。當時，省氣象臺就是利用圖3來進行判斷的。事后省氣象臺在總結(jié)此次降雪過程中，也是用到了云天預報圖，指出了城區(qū)積雪預報出現(xiàn)誤差的原因正是近地面從東北方向吹來的東北風，由于本次寒潮冷空氣強，洋面對于強冷空氣來說卻是一個相對熱源，所以當大氣低層的東北風經(jīng)過時，將0 ℃以上的暖空氣層吹向陸地，造成從嘉興到杭州市區(qū)以及紹興寧波一帶實際積雪沒有預報大。如果沒有這張圖，單從各規(guī)定層上是很難找出積雪預報偏差原因的。

圖中最下邊一條氣溫線為0 ℃線，杭州城區(qū)大約在英文“Zhe”這個位置，該線與1000 hPa線的交點為暖層西結(jié)點圖3 2016年1月22日08時(a)、20時(b)EC降雪預報圖

3.3 高山區(qū)降雪預報的個例應(yīng)用介紹

近年來隨著融媒體時代的來臨，高山區(qū)一旦有降雪，手機微信中降雪照片大量出現(xiàn)，使得高山區(qū)降雪預報已成為眼下浙江預報員不得不面對的一個預報難點。原因是預報員之前總結(jié)的降雪預報方法，大都以地面測站為主，預報大多以700，850，925，1000 hPa等大氣規(guī)定層的氣溫為判據(jù)或指標。而浙西高山海拔高度不一，一般在800～1000 m高度為主。如浙西杭州雷達站所在的大明山海拔高度為1450 m。用預報員常用指標方法難以作出降雪判斷。圖4為高山區(qū)降雪的案例的云天預報圖。通過該圖可以直觀明了地作出判斷。

圖4為2017年12月13日23時EC云天預報圖，采用“降雪預報氣柱判別法”，大明山位于浙西邊界稍偏東一點，即圖中“Zhe Jiang”區(qū)域內(nèi)西邊界點附近。查看模式是否有降水量預報，若有再判別相態(tài)。然后在該點上空垂直劃定一個氣柱(意念上)，垂直氣柱氣溫均在0 ℃以下，0 ℃線幾乎垂直向下，最低到達約920 hPa，約900 m海拔，因此，大明山頂完全伸入0～-1 ℃的大氣中，高空下降的雪花是來不及融化，就會成了山頂?shù)慕笛?。實際上次日杭州媒體報道，大明山等浙西類似海拔的山上出現(xiàn)了降雪天氣。類似案例還有，2017年12月15日夜里，2018年1月5日夜里，2018年3月20日夜里等浙西高山區(qū)均有降雪出現(xiàn)。說明在該圖上結(jié)合模式降水，用“氣柱法”作高山區(qū)降雪預報的判別方法是有較好應(yīng)用價值的。

圖4 2017年12月13日23時EC降雪預報圖

4 結(jié) 語

隨著數(shù)值預報精度的不斷提高，以數(shù)值預報為基礎(chǔ)的綜合訂正預報已成常態(tài)，但如何從數(shù)值預報大量的各種要素資料中選擇相關(guān)要素并設(shè)計出有天氣學意義的新型天氣圖，是擺在預報員面前的一個課題。浙江設(shè)計的云天和降雪預報天氣圖是一種有益的嘗試。應(yīng)用實踐表明：

1)選取直接影響市民關(guān)心的云天預報相關(guān)的相對濕度隨高度變化的綜合剖面圖，考慮了陽光照射大地受云層阻擋的過程，在經(jīng)過多年預報探索，將預報員需要逐層考慮的問題，形象地轉(zhuǎn)化為容易理解的綜合天氣圖。同時將高層濕區(qū)作為好天標志，予以過濾，解決了看總云量分布帶來的不足。

2)在同一張圖中，選取氣溫隨高度變化的綜合剖面圖，采用“降雪預報氣柱判別法”，考慮氣柱內(nèi)0 ℃以下層的分布，分析云中雪花降落過程中雪花是否融化作為直觀判別標準，克服了現(xiàn)行臺站降雪預報中采用大氣規(guī)定層氣溫分析判據(jù)所帶來的不足。

3)上述天氣圖及其分析方法已在實踐中已取得較好預報效果。許多預報問題是需要回歸事物本源，從陽光透射厚薄云層和雪花降落是否融化的角度去設(shè)計上述專用天氣圖，這種思路有借鑒意義。