廣西大明山冰凍天氣概念模型及其預(yù)報(bào)方法

梁岱云，蘇兆達(dá)，黃歸蘭

(南寧市氣象局，南寧 530028)

引言

大明山地處廣西首府南寧市的北部約80km處，北回歸線橫貫中心，最高峰海拔1760m，是國家級自然保護(hù)區(qū)和4A 級旅游景區(qū)。大明山冬天有華南少見的自然冰雪景觀，由于海拔高度的差異，大明山的溫度、雨雪相態(tài)等要素與周圍的國家地面氣象站差異很大。2008 年初南方罕見雨雪冰凍過程期間，大明山景區(qū)由于道路結(jié)冰，冰雪壓斷大量樹木，威脅到游客安全，導(dǎo)致景區(qū)關(guān)閉。2016 年1 月24 日大明山出現(xiàn)罕見大雪，游客蜂擁而上，由于景區(qū)道路結(jié)冰等原因造成游客滯留、凍傷、食物短缺等困境。

2008 年以來，有很多針對南方雨雪冰凍的預(yù)報(bào)研究，孫建華等［1-3］對2008 年南方特大雨雪冰凍災(zāi)害的形成機(jī)理進(jìn)行了研究和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)與中高緯阻塞形勢、中緯干冷空氣和低緯暖濕空氣交綏、準(zhǔn)靜止鋒和逆溫層的長期維持有關(guān)。高安寧、陳茂欽、劉蕾、李向紅等［4-7］對廣西2016 年1 月的降雪天氣成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為中低層較好的輻合抬升作用為雨雪提供了較好的動(dòng)力條件。唐熠等［8］將廣西重大雨雪冰凍天氣模型分為三類：烏山阻塞型、兩槽一脊型和多波動(dòng)型。吳兌［9］對2008 年雨雪冰凍過程中凍雨、雨凇、霧凇等現(xiàn)象的成因進(jìn)行了總結(jié)。廖玉芳［10］對湖南雨凇的影響因子進(jìn)行概率和統(tǒng)計(jì)分析，得出基于氣象和地理因子的雨凇日數(shù)學(xué)模型。顧光芹［11］對河北省霧凇和雨凇的氣候特征及氣象條件分析，認(rèn)為逆溫對雨凇、霧凇的形成關(guān)系密切。丁國香、吳有訓(xùn)等［12-13］對黃山霧凇特征及氣象條件分析，章開美［14］對廬山的雨凇積冰日數(shù)氣候變化特征及其與海溫異常關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，黃歸蘭等［15］嘗試用地面氣溫、風(fēng)、濕度及850hPa 的溫度、濕度建立廣西大明山霧凇的預(yù)報(bào)指數(shù)。

目前基于數(shù)值模式的溫度預(yù)報(bào)，對范圍小的孤立高山的氣溫預(yù)報(bào)能力相對較差，而旅游氣象服務(wù)對冰、雪、雨凇、霧凇等天氣現(xiàn)象的預(yù)報(bào)提出了更高的要求。如何利用現(xiàn)有的氣象資料做好大明山風(fēng)景區(qū)冰凍天氣預(yù)報(bào)是廣西旅游氣象服務(wù)亟需解決的問題。2006 年，在大明山不同拔海高度安裝了3 個(gè)自動(dòng)氣象站，開始對其進(jìn)行立體氣象觀測。因此，利用大明山2006—2020 年自動(dòng)站氣象觀測數(shù)據(jù)，對其冰凍天氣特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合其天氣模型，采用逐步回歸方法，建立其預(yù)報(bào)方程，為開展更精細(xì)化的冰凍天氣預(yù)報(bào)服務(wù)打下了基礎(chǔ)。

1 資料來源與方法

資料來自于大明山3 個(gè)氣象自動(dòng)觀測站(燈籠花苑海拔640m、天坪海拔1237m、觀日山莊海拔1502m)2006—2020 年觀測數(shù)據(jù)(由于供電、信號(hào)等原因缺2013 年12 月、2014 年1 月，2017 年2 月、12月及2018 年1—2 月資料)，以及南寧、上林、桂林站的常規(guī)地面、高空觀測資料和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料。采用逐步回歸方法，建立大明山最低氣溫預(yù)報(bào)方程。

當(dāng)觀測站日最低氣溫≤0℃時(shí)定義為該站的一個(gè)冰凍日，大明山3 個(gè)觀測站中有一站日最低氣溫≤0℃即定義為大明山冰凍日。

2 結(jié)果與分析

2.1 大明山冰凍日數(shù)

2006 年至2020 年，觀日山莊站共出現(xiàn)冰凍日247d，年平均16.5d；天坪站222d，年平均14.8d；燈籠花苑站22d，年平均1.5d。冰凍日數(shù)與海拔高度成正比。

大明山冰凍日出現(xiàn)在11 月到次年3 月，其中主要集中12 月到次年2 月，占全年冰凍日數(shù)91%以上，1 月出現(xiàn)冰凍日最多。大明山極端最低氣溫出現(xiàn)在2016 年1 月24 日，為觀日山莊站-8.9℃。

冬季最早出現(xiàn)冰凍日為11 月16 日(2009 年)，最晚出現(xiàn)為3 月27 日(2011 年)。

最長連續(xù)冰凍過程出現(xiàn)在2008 年1 月29 日至2 月15 日，持續(xù)長達(dá)18d；其次為2013 年12 月16日至31 日，持續(xù)16d。

表1 2006—2020 年廣西大明山年平均站冰凍日數(shù)月分布表

2.2 冰凍日與附近氣象觀測站氣溫的相關(guān)性

由于大明山的海拔高度及觀日山莊自動(dòng)站的海拔高度與850hPa 大致對應(yīng)，而燈籠花苑自動(dòng)站海拔高度與925hPa 大致對應(yīng)，通過大明山南北兩個(gè)探空站(南寧、桂林)08 時(shí)850hPa、925hPa 溫度及其附近兩個(gè)地面站(上林、南寧)日最低氣溫統(tǒng)計(jì)分析其與大明山冰凍日的關(guān)系，結(jié)果如圖1。

圖1 大明山冰凍日與附近氣象站氣溫的關(guān)系箱線圖

從圖1 分析發(fā)現(xiàn)，南寧、上林的日最低氣溫箱體最短，數(shù)據(jù)最集中，預(yù)報(bào)參考性也更好，925hPa 南寧、桂林溫度次之，850hPa 溫度參考性略差。另外，除上林日最低氣溫外，其余各要素的箱線圖都出現(xiàn)了異常值，特別是925hPa 南寧和桂林氣溫箱體上方的異常值較多，作為預(yù)報(bào)指標(biāo)時(shí)需謹(jǐn)慎分析。

3 大明山冰凍天氣學(xué)概念模型

大明山地處華南，受較強(qiáng)冷空氣影響引起的降溫是產(chǎn)生冰凍天氣的原因。由于海拔高度差，大明山在出現(xiàn)冰凍的時(shí)間上與地面冷空氣到達(dá)的時(shí)間并不完全一致，強(qiáng)度也有所差別，與溫度的垂直分布有關(guān)。因此考慮從造成冰凍的原因和直接影響系統(tǒng)的高度層次來進(jìn)行天氣分型。通過對15 個(gè)大明山冰凍個(gè)例的大氣環(huán)流類型進(jìn)行總結(jié)歸類，分兩個(gè)類型。

3.1 強(qiáng)鋒區(qū)型

冬季500hPa 亞洲中高緯度為西高東低型，極渦偏在東北亞，烏拉爾山附近為高脊區(qū)，東亞大槽槽后的偏北氣流引導(dǎo)切變線和地面冷鋒南下影響廣西，大明山氣溫降至0℃以下，出現(xiàn)冰凍天氣。此類型占大明山冰凍天氣個(gè)例85%。由于最強(qiáng)鋒區(qū)的高度層次不同，大明山冰凍天氣出現(xiàn)的高度也略有不同，因此又可分為兩小類：850hPa 強(qiáng)鋒區(qū)型和地面強(qiáng)鋒區(qū)型，兩者可以在同一個(gè)過程中先后出現(xiàn)，也可以單獨(dú)出現(xiàn)。

3.1.1 850hPa 強(qiáng)鋒區(qū)型

冬季高空槽引導(dǎo)切變線和地面強(qiáng)冷空氣南下影響廣西，850hPa 切變線和溫度鋒區(qū)南壓過大明山，0℃線南壓到桂北，則大明山可能出現(xiàn)冰凍天氣。該類型約占大明山冰凍個(gè)例50%。對該類個(gè)例的500hPa 高度場、850hPa 溫度場和地面海平面氣壓場進(jìn)行平均，得出該類型的平均場(圖2)。從平均場可以看出：位于西伯利亞的地面冷高壓中心達(dá)1062.5hPa，南寧海平面氣壓達(dá)1027.5hPa；850hPa 南寧為4℃，桂林為-2℃；500hPa 亞洲中高緯為西高東低型，經(jīng)向度大，南支為多波動(dòng)偏西氣流區(qū)。該類型的特點(diǎn)是500hPa 北極極渦南落到東北亞，烏拉爾山有阻塞高壓，有利于地面強(qiáng)冷空氣的堆積和大舉南下，850hPa切變線南壓過大明山。

圖2 850hPa 強(qiáng)鋒區(qū)型平均場

分析此類型個(gè)例中附近氣象站溫度的箱線圖(圖略)，取數(shù)據(jù)最集中的要素作為預(yù)報(bào)指標(biāo)，75%概率為指標(biāo)閾值，得出重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)和閾值為：南寧08 時(shí)925hPa 溫度≤5℃，上林次日最低氣溫≤8℃。實(shí)際預(yù)報(bào)中，參考數(shù)值預(yù)報(bào)強(qiáng)冷空氣到達(dá)的次日08時(shí)上林2m 氣溫和南寧925hPa 溫度，達(dá)到指標(biāo)則可報(bào)大明山出現(xiàn)冰凍天氣。此類型由于冷空氣較強(qiáng)，觀日和天坪站一般都會(huì)出現(xiàn)冰凍，氣溫較低；燈籠花苑站在南寧925hPa 溫度≤1℃時(shí)可出現(xiàn)冰凍。

冰凍災(zāi)害判別：切變線過境影響時(shí)，有水汽輻合，容易產(chǎn)生降水，可出現(xiàn)雨凇、雪(冰粒)、道路結(jié)冰等現(xiàn)象，切變線南壓過大明山后，山區(qū)轉(zhuǎn)北風(fēng)降水減弱，但只要925～850hPa 層濕度接近飽和，就可能出現(xiàn)霧凇現(xiàn)象。

典型個(gè)例分析：2016 年1 月24—25 日廣西出現(xiàn)大范圍降雪天氣，雪線達(dá)到有歷史記錄的最南端，大明山出現(xiàn)罕見大雪天氣。1 月22—24 日，500hPa中緯度東亞地區(qū)橫槽轉(zhuǎn)豎，引導(dǎo)850hPa 切變線和地面強(qiáng)冷空氣南下，切變線南壓過南寧，南寧850hPa溫度由13℃猛降至-6℃，但700hPa 層為西南風(fēng)，出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的暖濕逆溫層，配合500hPa 南支槽前的正渦度為降水提供了水汽和熱力、動(dòng)力條件，雨滴下落經(jīng)過850～925hPa 負(fù)溫層時(shí)，凝結(jié)成固態(tài)降水，大明山出現(xiàn)大雪。

3.1.2 地面強(qiáng)鋒區(qū)型

地面有較強(qiáng)冷空氣影響，但850hPa 切變線未南壓過大明山，或前期已受較強(qiáng)冷空氣影響，地面繼續(xù)有冷空氣補(bǔ)充，但850hPa 南風(fēng)加大切變線北退到大明山以北，大明山的中低層可出現(xiàn)冰凍天氣。此型約占35%。該類型的平均場(圖3)顯示：地面冷高壓中心達(dá)1057.5hPa，南寧海平面氣壓達(dá)1023hPa；850hPa 南寧溫度為8℃，上林溫度為0℃；500hPa 亞洲中高緯也為西高東低型，孟加拉灣附近有較深的南支槽。與850hPa 強(qiáng)鋒區(qū)型對比，此型冷空氣勢力略弱，但不斷擴(kuò)散南下，南支槽前的西南氣流強(qiáng)盛使850hPa 切變線和鋒區(qū)位置偏北，大明山出現(xiàn)下冷上暖的逆溫現(xiàn)象。

圖3 地面強(qiáng)鋒區(qū)型平均場

分析此類型個(gè)例中附近氣象站溫度的箱線圖(圖略)，得出重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)和閾值為：南寧日最低氣溫≤8℃和上林的日最低氣溫≤7℃。當(dāng)數(shù)值預(yù)報(bào)出強(qiáng)冷空氣到達(dá)次日南寧、上林的最低溫度達(dá)到指標(biāo)，則大明山可出現(xiàn)冰凍，主要集中在天坪站附近，觀日山莊站位于暖濕層不會(huì)出現(xiàn)冰凍。

冰凍災(zāi)害判別：此類型由于冷暖氣層的交匯，容易出現(xiàn)雨、霧天氣，形成雨凇、霧凇、道路結(jié)冰等現(xiàn)象。此類型由于850hPa 一般為8℃以上的暖濕層，負(fù)溫層較薄，因此一般不會(huì)出現(xiàn)降雪，由于過冷水豐富，容易出現(xiàn)凍雨和電線積冰。

典型個(gè)例分析：2008 年1 月14 日至2 月19日，受強(qiáng)冷空氣和暖濕氣流交匯影響，華南出現(xiàn)罕見雨雪冰凍災(zāi)害，大明山出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間最長的冰凍天氣，過程中共有冰凍日28d。此次冰凍天氣過程，中高緯度的大氣環(huán)流呈現(xiàn)西高東低型，而低緯度為反位相，組合成異常穩(wěn)定的環(huán)流配置，冷空氣連續(xù)不斷南下，與南支槽前暖濕氣流交匯形成長低溫陰雨過程。其中1 月21—23 日，由于暖濕氣流加強(qiáng)，切變線北退到大明山以北，南寧站850hPa 的溫度高達(dá)10℃，而地面氣溫只有4～6℃，出現(xiàn)較強(qiáng)的逆溫層結(jié)，大明山天坪站出現(xiàn)冰凍，氣溫為-2℃，而觀日山莊站為6℃。

3.2 強(qiáng)輻射降溫型

廣西地面為冷高壓控制，濕度下降，天氣轉(zhuǎn)晴，產(chǎn)生強(qiáng)輻射降溫，大明山清晨中低海拔山區(qū)可出現(xiàn)冰凍。此類型約占冰凍天氣個(gè)例15%。該類型的平均場(圖4)顯示：地面冷高壓中心達(dá)1055hPa，地面鋒面已南壓到海面，南寧海平面氣壓達(dá)1029hPa；850hPa 南寧溫度為5℃，桂林為3℃；500hPa 中高緯和低緯均為較平直的西風(fēng)氣流。此類型的特點(diǎn)是南寧為冷高壓控制，氣壓較高，南支無明顯槽脊，地面到500hPa 濕度均較小。

圖4 強(qiáng)輻射降溫型平均場

分析此類型個(gè)例中附近氣象站溫度的箱線圖(圖略)，得出重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)和閾值為：上林日最低氣溫≤5℃和南寧的日最低氣溫≤6℃。當(dāng)數(shù)值預(yù)報(bào)次日天空云量預(yù)報(bào)降到2 成以下，且上林、南寧日最低氣溫預(yù)報(bào)達(dá)到指標(biāo)，則大明山可出現(xiàn)冰凍。冰凍一般出現(xiàn)在天坪和燈籠花苑站，持續(xù)時(shí)間較短，一般出現(xiàn)在09 時(shí)前3～5h 內(nèi)。

冰凍災(zāi)害判別：此類型大明山濕度小，沒有雨霧天氣，因此不會(huì)出現(xiàn)明顯的冰雪現(xiàn)象，大明山中低海拔區(qū)域清晨可出現(xiàn)霜凍或輕度的冰凍天氣，持續(xù)日數(shù)1～3d，凍害較輕。

典型個(gè)例分析：2008 年11 月29 日，廣西地面為冷高壓控制，天氣晴朗，清晨出現(xiàn)較強(qiáng)輻射降溫，南寧最低氣溫降至3.5℃，03—05 時(shí)天坪站出現(xiàn)短暫冰凍天氣，最低氣溫-0.2℃，而觀日山莊和燈籠花苑站均高于0℃，無雨、霧凇現(xiàn)象。

4 大明山最低氣溫預(yù)報(bào)方程

4.1 逐步回歸方程的建立

由于大明山觀日山莊站的冰凍天氣日數(shù)最多，強(qiáng)度最強(qiáng)，因此以觀日山莊站的日最低氣溫為因變量，引入與其相關(guān)性較好的因子為自變量，采用逐步回歸方法建立預(yù)報(bào)方程：

式中，X 為觀日山莊日最低氣溫，A 為觀日山莊日降水量、B 為南寧850hPa 溫度、C 為桂林850hPa溫 度、D 為 南寧925hPa 溫度、E 為桂林925hPa 溫度、F 為南寧日最低氣溫、G 為上林日最低氣溫、H為南寧850hPa 風(fēng)速、I 為南寧850hPa 溫度露點(diǎn)差、J為南寧850hPa 相對濕度。標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差為1.115℃(≤2℃)。

對于部分只有天坪站出現(xiàn)冰凍，而觀日山莊站沒有出現(xiàn)的個(gè)例，用天坪站日最低氣溫為因變量，再次進(jìn)行逐步回歸分析。建立的預(yù)報(bào)方程如下：

式中，X 為天坪日最低氣溫，其余因子同公式(1)，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差為0.5553℃(≤2℃)。

4.2 預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

選取2021 年1 月15 個(gè)冰凍日個(gè)例，按天氣學(xué)模型分類，分別運(yùn)用方程(1)、(2)對大明山冰凍日中觀日和天坪站的日最低氣溫進(jìn)行客觀預(yù)報(bào)，第一類8 個(gè)個(gè)例中，觀日山莊站預(yù)報(bào)絕對誤差均≤2℃，平均絕對誤差為1.1726℃，第二類7 個(gè)個(gè)例中，天坪站預(yù)報(bào)絕對誤差有2d≥2℃，其余5d≤2℃，平均絕對誤差為1.5012℃。由檢驗(yàn)結(jié)果來看，預(yù)報(bào)平均絕對誤差均≤2℃，預(yù)報(bào)效果較好。

5 結(jié)論與討論

(1)通過對2006—2020 年廣西大明山3 個(gè)自動(dòng)站冰凍日的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，冰凍日數(shù)隨海拔高度升高而增加，年平均日數(shù)最多為觀日山莊站16.5d。

(2)對大明山冰凍日中，桂林和南寧850hPa、925hPa 的溫度與上林、南寧日最低氣溫統(tǒng)計(jì)的箱線圖發(fā)現(xiàn)，南寧和上林的日最低氣溫對大明山的冰凍預(yù)報(bào)參考性相對較好。

(3)大明山出現(xiàn)冰凍天氣概念模型可分為強(qiáng)鋒區(qū)型和強(qiáng)輻射降溫型兩類。以前者出現(xiàn)的類型為主。強(qiáng)鋒區(qū)型可對大明山造成較嚴(yán)重冰凍災(zāi)害，過程持續(xù)時(shí)間也最長。其中，850hPa 強(qiáng)鋒區(qū)型，預(yù)報(bào)主要關(guān)注指標(biāo)：925hPa 南寧溫度≤5℃，上林日最低氣溫≤8℃，冰凍主要出現(xiàn)在觀日、天坪站；地面強(qiáng)鋒區(qū)型，預(yù)報(bào)主要關(guān)注指標(biāo)：南寧、上林日最低氣溫分別≤8℃和≤7℃，冰凍主要出現(xiàn)在天坪附近。

強(qiáng)輻射降溫型強(qiáng)度弱、時(shí)間短，無明顯冰雪現(xiàn)象，災(zāi)害較輕。預(yù)報(bào)指標(biāo)主要關(guān)注晴朗天氣時(shí)上林和南寧的日最低氣溫分別≤5℃和≤6℃，冰凍主要出現(xiàn)在天坪和燈籠花苑站。

采用逐步回歸的方法，以大明山觀日山莊站(天坪)最低氣溫為因變量，引入與其相關(guān)性較好的因子為自變量，建立客觀預(yù)報(bào)方程，結(jié)合大明山冰凍概念模型分類使用效果更好。