低頻天氣圖在華西秋雨預(yù)報中的應(yīng)用

王煜坤 董翔雁

摘?要：利用華西地區(qū)373個國家氣象觀測站2014—2018年8—12月日降水資料及ECMWF?500hPa的u、v風(fēng)場資料，基于低頻天氣圖的預(yù)報原理，統(tǒng)計華西秋雨期500hPa風(fēng)場上低頻擾動信號的空間分型、位置和出現(xiàn)次數(shù)及天氣系統(tǒng)的活動周期、變化路徑，歸納出影響華西秋雨降水過程的7個天氣形勢關(guān)鍵區(qū)，通過低頻系統(tǒng)的活動特征來預(yù)報華西秋雨降水過程。并建立華西秋雨顯著降水預(yù)測模型。對預(yù)測模型在華西秋雨中期延伸期段進(jìn)行外推檢驗，得到綜合預(yù)報準(zhǔn)確率大概為46%。

關(guān)鍵詞：華西秋雨；低頻擾動信號；低頻天氣圖；預(yù)測模型；中期延伸期

Abstract：Using?daily?precipitation?data?from?373?national?meteorological?observation?stations?in?West?China，as?well?as?the?u?and?v?wind?field?data?of?ECMWF?500hPa，analyze?the?lowfrequency?disturbance?signals?and?weather?system?activities?on?the?500hPa?wind?field?during?the?autumn?rain?period?in?western?China.This?article?summarizes?7?key?weather?situation?areas?that?affect?the?precipitation?process?of?autumn?rain?in?West?China，predicts?the?precipitation?process?of?autumn?rain?in?West?China?through?the?activity?characteristics?of?lowfrequency?systems，and?establishes?a?significant?precipitation?prediction?model?for?autumn?rainfall?in?West?China.

Keywords：Autumn?rainfall?in?West?China;Lowfrequency?Weather?map;Assessment?model;Middle?and?extended?range

1?概述

1.1?研究意義

華西秋雨作為中國中西部地區(qū)典型的秋季連陰雨，在其氣候平均年降水曲線中表現(xiàn)為僅次于夏季外的次高值區(qū)，其范圍包括北區(qū)甘肅及陜西南部、河南西部，南區(qū)四川東部及南部、重慶貴州地區(qū)、湖北及湖南西部共8?。▍^(qū)、市）范圍內(nèi)的373個國家氣象觀測站。相較于華南前汛期和江淮梅雨期的區(qū)域性大范圍降水的關(guān)注情況來說，華西秋雨期是持續(xù)的陰天降水現(xiàn)象，研究中期延伸期的對華西秋雨預(yù)報，可以提前預(yù)估華西秋雨趨勢及強(qiáng)降水發(fā)生的時間，切實做好農(nóng)作物驗收及防汛的工作。

基于大氣低頻振蕩的特征，利用濾波方法，是有可能提取大氣中的低頻信號制作低頻天氣圖，分析低頻系統(tǒng)，用來制作延伸期天氣過程預(yù)報。利用低頻天氣圖對中期延伸期開展預(yù)報，既有普適性、簡潔性，又有實用性。本文著重論述低頻天氣圖對中期延伸期天氣過程的預(yù)報，低頻天氣圖上的低頻天氣系統(tǒng)與日常天氣圖上的天氣系統(tǒng)有密切聯(lián)系。其技術(shù)預(yù)報流程可以概括為繪制低頻擾動信號濾波圖、分析低頻圖上的低頻擾動系統(tǒng)、劃分各天氣關(guān)鍵區(qū)，分析整理各關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的活動路徑和影響范圍、研究低頻系統(tǒng)和預(yù)報對象的對應(yīng)關(guān)系、通過外推法建立預(yù)測模型、做中期延伸期過程預(yù)報。并進(jìn)一步分析了低頻天氣圖的天氣學(xué)意義，揭示了低頻氣旋和低頻反氣旋與實況天氣圖上大氣環(huán)流系統(tǒng)相互聯(lián)系和對應(yīng)的天氣學(xué)事實。

1.2?研究資料及方法

本文選用的是2014—2018年8—12月10°～70°N、70°～140°E之間歐洲中心（ECMWF）再分析資料，及逐日500hPa高度場資料和u、v風(fēng)場的環(huán)流資料，分辨率為0125°×0.125°；降水資料采用的是華西秋雨區(qū)域2014—2016年8—11月373個地面觀測臺站的逐日降水量資料。

本文將500hPa的u、v風(fēng)場分量和位勢高度的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行10—30天帶通濾波處理，得到低頻流場和低頻高度場的擾動信號。將低頻高度場進(jìn)行希爾伯特轉(zhuǎn)換得到的波包振幅作為低頻能量信號，利用波包診斷的方法分析波包的周期性變化。對于低頻經(jīng)、緯向風(fēng)的擾動信號，繪制低頻流場的天氣圖。并劃分低頻天氣圖的關(guān)鍵區(qū)。統(tǒng)計華西秋雨期逐日低頻天氣圖內(nèi)各關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的低頻系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率及周期，建立華西秋雨低頻預(yù)報模型。

2?低頻擾動信號

2.1?低頻高度場信號及擾動能量診斷分析

將500hPa高度場數(shù)據(jù)通過帶通濾波器進(jìn)行10—30天濾波，得到的數(shù)據(jù)即為低頻高度場的擾動信號。對低頻高度場的信號進(jìn)行希爾伯特變換，得到低頻高度場的振幅。利用所得的波包值將其繪制成逐日的波包圖，分析波包分布圖內(nèi)周期、路徑變化，用來討論波包的傳播特征。

氣象資料如高度場可以將其變化過程看成大氣中的波動組合將位勢高度Z（x，y，z，t）進(jìn)行Fourier變換得到以下公式：

Z（x，y，z，t）=∑SymboleB@

i=nAi（x，y，z，t）cos（kix+liy+miz+ωit+φ）（1）

其中Z（x，y，z，t）表示位勢高度場在t時刻的數(shù)據(jù)，Ai（x，y，z，t）代表的是該波動的振幅，且k，l，m象征x，y，z各個方向上的波數(shù)，ω表示角頻率，φ表示幅角。

希爾伯特變換方法如下：首先將高度場通過帶通濾波（10～30天）得到的窄帶信號設(shè)為Z（x，y，z，t）；其次對低頻高度場信號進(jìn)行希爾伯特變換得到Z＾（x，y，z，t），具體公式為：

Z＾（x，y，z，t）=A（x，y，z，t）*sin［kx+ly+mz+ω0t+φ（x，y，z，t）］（2）

最后求得解析信號Zc（x，y，z，t）的振幅即為波包數(shù)值：

Zc（x，y，z，t）=Z（x，y，z，t）+iZ∧（x，y，z，t）（3）

其中振幅為：

A（x，y，z，t）=Z2（x，y，z，t）+iZ2∧（x，y，z，t）（4）

本文參考了波包值的臨界值觀點，通過總結(jié)逐日的能量圖，在低緯度地區(qū)波包值往往較大，且波包移動速度大周期較??；在高緯度地區(qū)波包移動速率小周期較大；中緯度我國大部分地區(qū)波包值較小，出現(xiàn)波包大值區(qū)后，常常較快移除影響區(qū)，擾動能量較弱。

如圖1所示在中國臺灣東部有大值區(qū)，并隨著時間向東北方向移動并減弱，同時在南海附近有新的波包產(chǎn)生；在高緯度地區(qū)波包移動速度較慢，在西西伯利亞地區(qū)產(chǎn)生的波包大值區(qū)緩慢地向貝加爾湖地區(qū)發(fā)展加強(qiáng)；同時在貝加爾湖地區(qū)本身容易產(chǎn)生波包大值；在孟加拉灣地區(qū)會產(chǎn)生波包大值區(qū)，并向東及北方向發(fā)展。

2.2?低頻流場擾動信號

本文對于低頻擾動信號除應(yīng)用了低頻高度場信號，還分析討論了低頻流場的周期及變化過程。本文利用500hPa經(jīng)向、緯向風(fēng)場（v、u場）數(shù)據(jù)通過帶通濾波器進(jìn)行10—30天濾波，得到低頻流場各個時間及空間點的數(shù)據(jù)，繪制成逐日的低頻流場圖。在低頻流場圖中，能準(zhǔn)確分辨流場分布特征及低頻氣旋、低頻反氣旋的周期的變化規(guī)律及移動規(guī)律等信息。

3?低頻天氣圖預(yù)報方法在華西秋雨期的應(yīng)用

因為在低頻天氣圖上容易總結(jié)出低頻天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變規(guī)律，所以為中期延伸期預(yù)報提供了一種新的方法和思路。低頻天氣系統(tǒng)有周期特點、相似特點、連續(xù)特點、依賴特點四個特征。連續(xù)性指的是低頻信號在空間平面范圍有連續(xù)的特點；依賴性指的是低頻天氣系統(tǒng)的來源地大多數(shù)與地區(qū)內(nèi)的地形有關(guān)。

3.1?確定低頻系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)

影響華西秋雨的大氣環(huán)流因素以及強(qiáng)迫因素是多樣性的，將2014年至2016年華西秋雨期的500hPa低頻經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)和低頻高度場的信號，通過經(jīng)驗正交分解到的各個模態(tài)來分析華西秋雨期低頻系統(tǒng)的分布特點，用來作為劃分低頻系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)的依據(jù)之一。

緯向風(fēng)其前三個模態(tài)方差貢獻(xiàn)率分別為25.0%、190%、14.3%，其累計方差貢獻(xiàn)率為58.3%，前五個模態(tài)分別的方差貢獻(xiàn)率見表1，其累計為77.1%，可以表明前五個模態(tài)的低頻緯向風(fēng)配置可以基本反映秋雨期緯向風(fēng)的配置。經(jīng)向風(fēng)其前三個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為30.9%、28.5%、9.0%，前五個模態(tài)分別的方差貢獻(xiàn)率見表1，其累計為83.5%，可以表明前五個模態(tài)的低頻經(jīng)向風(fēng)配置可以基本反映秋雨期經(jīng)向風(fēng)的配置。兩者相比較來看，可以得到大致反映華西秋雨期低頻流場的情況。

在低頻經(jīng)緯向風(fēng)的EOF前三個模態(tài)中，第一模態(tài)中影響華西秋雨過程的低頻系統(tǒng)，在中高緯度區(qū)域為位于在西伯利亞區(qū)域的低頻反氣旋；在低緯度上主要表現(xiàn)為在我國南海附近的低頻反氣旋以及孟灣附近的低頻反氣旋；第二模態(tài)反映了在我國東部沿海日本海附近有低頻氣旋；第三模態(tài)顯示了我國東南沿海的低頻氣旋。其次低頻系統(tǒng)在低緯度地區(qū)低頻系統(tǒng)自北向南逐漸活躍的分布特征，特別在我國南海區(qū)域、西太平洋和孟加拉灣洋面上低頻系統(tǒng)比較活躍，從經(jīng)驗上看這些地區(qū)是華西秋雨區(qū)水汽的重要來源地。在中高緯的低頻系統(tǒng)較低緯來說稀疏一些，西伯利亞地區(qū)，以貝加爾湖為分界線，東西方向上還是有較強(qiáng)的低頻系統(tǒng)，是影響華西秋季降水發(fā)生的引導(dǎo)冷空氣南下的路徑。

但在低頻高度場的EOF主分量分析圖上第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為86.4%，可以表明第一個模態(tài)的低頻能量配置可以基本反映秋雨期低頻能量場的配置，在高緯度地區(qū)貝加爾湖西側(cè)和我國華北地區(qū)和西太平洋日本附近的低頻能量分布將對華西秋雨帶來較大影響。

為了能夠清晰地分析低頻天氣系統(tǒng)的演變過程，將10°～70°N，70°～140°E的區(qū)域劃分具有低頻天氣系統(tǒng)特征的關(guān)鍵區(qū)，在不同的區(qū)域內(nèi)有各自的天氣系統(tǒng)及其特點。從預(yù)報經(jīng)驗角度上來看，北緯50°以北區(qū)域主要的系統(tǒng)為貝加爾湖和西伯利亞的反氣旋和氣旋；北緯30°～50°之間為青藏高原地區(qū)、新疆地區(qū)、河套地區(qū)的偏西氣流；北緯10°～30°以西太平洋和孟加拉灣地區(qū)的暖濕空氣北上，西太平洋及中國南海地區(qū)臺風(fēng)系統(tǒng)為主。

根據(jù)低頻流場和低頻高度場的EOF經(jīng)驗正交分解得到的主分量分析及低頻信號和降水實況的相關(guān)性分析，本文將10°～70°N，70°～140°E的區(qū)域劃分成7個關(guān)鍵區(qū)。第一關(guān)鍵區(qū)為高緯度西伯利亞地區(qū)（50°～70°N，70°～140°E），第二關(guān)鍵區(qū)是我國西部新疆及青藏高原地區(qū)（25°～50°N，70°～100°E），第三關(guān)鍵區(qū)為我國蒙古河套地區(qū)及四川盆地（25°～50°N，100°～120°E），第四關(guān)鍵區(qū)為西太平洋中我國東海及日本海區(qū)域（25°～50°N，120°～140°E），第五關(guān)鍵區(qū)為孟加拉灣水汽輸送區(qū)（10°～25°N，70°～100°E），第六關(guān)鍵區(qū)為印緬槽區(qū)域（10°～25°N，100°～120°E），第七關(guān)鍵區(qū)為臺風(fēng)及西太副高地區(qū)（10°～25°N，120°～140°E）。

3.2?低頻天氣系統(tǒng)活動的周期及移動路徑

由于低頻天氣圖的方法是根據(jù)低頻擾動系統(tǒng)的周期演變規(guī)律來進(jìn)行中期延伸期天氣的預(yù)報，通過整理2014年到2016年華西秋雨期內(nèi)的逐日低頻流場圖，對7個關(guān)鍵區(qū)的低頻擾動信號即低頻氣旋和低頻反氣旋的發(fā)生發(fā)展情況進(jìn)行統(tǒng)計。在各關(guān)鍵區(qū)中低頻氣旋和低頻反氣旋低頻系統(tǒng)的周期特征中，高緯度第一關(guān)鍵區(qū)的低頻系統(tǒng)的周期相對較長，在10天左右，且低頻氣旋和低頻反氣旋交錯出現(xiàn)，一般從西西伯利亞地區(qū)生成向貝加爾湖地區(qū)發(fā)展，或從高緯度生成南下；新疆及青藏高原第二關(guān)鍵區(qū)以及低緯度第六關(guān)鍵區(qū)的低頻系統(tǒng)的周期都較短，在5天左右；第二關(guān)鍵區(qū)產(chǎn)生的低頻天氣系統(tǒng)移動型系統(tǒng)較多，一般向第一關(guān)鍵區(qū)方向發(fā)展，第六關(guān)鍵區(qū)的環(huán)流較少，但經(jīng)常會產(chǎn)生槽或脊線；在第三關(guān)鍵區(qū)低頻氣旋的頻率明顯比低頻反氣旋多，主要被低頻氣旋控制。且低緯度地區(qū)低頻天氣系統(tǒng)通常比較活躍而高緯度地區(qū)的低頻系統(tǒng)相較穩(wěn)定。影響華西秋雨的關(guān)鍵系統(tǒng)為西太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)度、巴爾喀什湖低槽的強(qiáng)度、孟加拉灣和西太平洋的水汽。

3.3?建立華西秋雨低頻預(yù)報模型

經(jīng)過參考前文中EOF各模態(tài)中低頻天氣系統(tǒng)對華西秋雨區(qū)的影響，以及低頻經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)以及低頻高度場和華西秋雨降水的相關(guān)性分析，并綜合考慮2014年至2016年華西秋雨期降水強(qiáng)度和低頻天氣系統(tǒng)出現(xiàn)的頻率，最終將影響華西秋雨的預(yù)報模型。如果在低頻天氣圖上出現(xiàn)各個關(guān)鍵區(qū)的低頻天氣系統(tǒng)，可以考慮此低頻天氣圖后給未來延伸期天氣帶來降水。

當(dāng)?shù)谝魂P(guān)鍵區(qū)貝加爾湖西側(cè)有低頻氣旋活動?xùn)|側(cè)有低頻反氣旋活動，有利于西伯利亞及高緯度地區(qū)冷空氣向南輸送；第五關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)低頻氣旋時，有利于孟加拉灣水汽輸送到華西秋雨區(qū)；第六關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)印緬槽加強(qiáng)西南氣流輸送；第四關(guān)鍵區(qū)和第七關(guān)鍵區(qū)的西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)盛，有利于水汽輸送；第三關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)低頻氣旋會加大華西秋雨的強(qiáng)度；第二關(guān)鍵區(qū)高原地區(qū)如果有波動并向東移動則可能影響降水。此模型綜合考慮了西伯利亞地區(qū)冷空氣、孟加拉灣地區(qū)西南暖濕氣流、中國南海及附近區(qū)域的東南氣流、青藏高原上的波動影響、西太平洋副熱帶高壓等在實況環(huán)流中影響華西秋雨區(qū)的降水因素。各個關(guān)鍵區(qū)的低頻系統(tǒng)在實況天氣分析中都有對應(yīng)關(guān)系，所以低頻天氣圖在中期延伸期具有預(yù)報的可能性。

3.4?低頻天氣圖預(yù)測模型的應(yīng)用及檢驗

華西秋雨期內(nèi)一直是持續(xù)降水，本文將根據(jù)驗證華西秋雨期內(nèi)降水范圍廣、強(qiáng)度大的時間段。本文利用上述預(yù)報模型對2015年至2018年期間，華西秋雨期內(nèi)典型降水過程的時間段進(jìn)行檢驗。

分析起報時間點前10天的每日的低頻天氣圖，記錄契合預(yù)報模型中低頻系統(tǒng)配置的天氣圖時間，根據(jù)上文得到的各關(guān)鍵區(qū)內(nèi)低頻天氣系統(tǒng)的周期，來外推未來10—30天內(nèi)可能出現(xiàn)的低頻天氣圖預(yù)報模型中低頻氣旋和反氣旋的配置。

4?結(jié)論

本文通過低頻天氣圖的方法建立華西秋雨過程的統(tǒng)計預(yù)測模型，通過各關(guān)鍵區(qū)低頻天氣系統(tǒng)的移動路徑及活動周期的狀況，進(jìn)行外推開展華西秋雨區(qū)2015—2018年華西秋雨期顯著性降水過程的延伸期預(yù)測。

（1）根據(jù)低頻流場和低頻高度場的EOF經(jīng)驗正交分解得到的主分量分析及低頻信號和降水實況的相關(guān)性分析，本文將10°～70°N，70°～140°E的區(qū)域劃分成7個關(guān)鍵區(qū)。當(dāng)?shù)谝魂P(guān)鍵區(qū)貝加爾湖西側(cè)有低頻氣旋活動?xùn)|側(cè)有低頻反氣旋活動，第三關(guān)鍵區(qū)和第五關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)低頻氣旋，第六關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)印緬槽加強(qiáng)，第四關(guān)鍵區(qū)和第七關(guān)鍵區(qū)的西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)盛，第二關(guān)鍵區(qū)高原地區(qū)有波動產(chǎn)生的環(huán)流配置，為華西秋雨期降水過程預(yù)測模型。

（2）通過各關(guān)鍵區(qū)低頻系統(tǒng)的活動周期，對預(yù)測模型進(jìn)行外推，在2015年至2018年7次華西秋雨期顯著性降水過程中，總共降水時長為32天，預(yù)報準(zhǔn)確時間為20天，三次降水過程中分別有1至2天的空報，兩次降水過程出現(xiàn)漏報，其中一次漏報了8天，綜合預(yù)報準(zhǔn)確率大概為46%。低頻天氣圖預(yù)報方法對華西秋雨區(qū)的秋季降水過程進(jìn)行預(yù)報是有一定效果的。

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作者簡介：王煜坤（1997—?），女，漢族，山東德州人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事綜合氣象觀測及氣象服務(wù)工作。

*通訊作者：董翔雁（1973—?），女，漢族，山東菏澤人，大學(xué)本科，工程師，主要從事綜合氣象觀測及氣象服務(wù)工作。