承德初霜冻天气概念模型及其检验

彭九慧，王　多，陆　倩，杨庆红

承德初霜冻天气概念模型及其检验

彭九慧1，王多2，陆倩1，杨庆红1

（1.承德市气象局，河北承德067000；2.河北民族师范学院，河北承德067000）

应用常规观测资料与NCEP1°×1°再分析资料，对承德市各县区初霜的时空分布特征及南北县区初霜出现时间的稳定性进行了分析,在对117个初霜环流形势分析的基础上，建立了初霜预报的天气概念模型；筛选因子，分县区确立了预报指标；采用概率、指标、数值预报产品相结合的方法及概率区间取值法建立了分县区初霜预报模型；检验表明，该模型对于中重度初霜冻预报准确率可达95%以上，对轻度初霜的预报准确率可达68%以上，无漏报出现。

绝对变率；概念模型；预报指标；初霜指数

承德市地处山区，地势落差大，是霜冻灾害的多发地区，每年都有因霜冻造成的农业损失，特别是初霜的早来常使未成熟的作物提前结束生育期而造成大幅度减产，由于承德市地域宽广，初霜出现的时间南北差异大，年际变化不稳定，给预报工作带来难度。2012年8月22日承德市的丰宁县提前降霜，比历年平均初霜日提前近1个月，使丰宁县外沟门乡、鱼儿山镇、四岔口乡遭受严重的低温冷冻灾害，造成直接经济损失4635万元。

近年来，对于初霜冻的研究，我国的气象工作者做了大量的工作，王海岩认为，初、终霜冻的出现及年际变化与冷空气活动密切相关[1]，杨克明、陈秀凤、王东生等探讨了初霜冻出现前24 h的环流形势特征和天气演变过程[2]，李凌等用多元回归方法建立了广西逐日最低温度预报方程及霜冻等级预报[3]，这些研究对初终霜日及无霜期变化分析规律较多，预报方法多以统计方法为主，结合数值预报产品对初霜的预报技术研究较少，为了加深对初霜冻灾害的认识提高其预报准确率，有必要开展对初霜冻天气预报的深入研究，通过分析初霜冻天气形势及与地面高压、气温、大气相对湿度、风等气象因子的关系，利用EC、T639、日本等数值预报产品，结合天气学方法与统计方法，建立适合于本地的预报模型，完善初霜冻客观预报方法，对于做好农业气象服务具有重要意义。

1　承德市初霜冻的时空分布特征

不少学者把下半年地面0 cm日最低温度≤0℃的第一天定为初霜日期[4-7]，本文以每年终霜以后，秋季第一次出现霜作为初霜日，如果霜的天气现象在地面0 cm最低温度达到0℃以下之后出现，则以地面0 cm最低温度达到零下的第一天作为初霜日进行分析。

绝对变率是反映研究对象稳定程度的参量，其计算公式如下：

设x1，x2…xn为n个观测值，绝对变率Va则刻划了观测值频率的分布离散特征。

保证率表示某气象要素值小于或大于某一数值的可靠程度，通常以某气象要素在长时期内小于或大于某一数值的累积频率来表示。如果把逐年初霜冻出现的先后时间作为一个数据序列，可以得到大于50%保证率的初霜冻出现时间。

统计承德市各县区1951—2012年62 a初霜时间发现，全市初霜出现最早的是坝上地区，平均初霜日期为8月25日，初霜出现最晚在南部的宽城县，平均初霜日是10月3日，南北县区初霜出现的平均时间差39 d，同一县区初霜出现的最早与最晚日期相差最多的是坝上相差73 d，相差较少的是南部的承德县相差30 d，呈现出北部比南部县区时间跨度大的特点。对初霜出现时间的绝对变率分析也可看出，坝上地区的绝对变率最大9.2 d，宽城县最小5.2 d（表1），绝对变率大，也就是初霜冻出现的时间稳定性较差，农业生产上躲避初霜冻的难度相对较大，这也是承德市坝上地区受初霜冻灾害最严重的主要原因之一。

表1　各县区初霜冻出现时间与绝对变率

2　初霜冻的天气概念模型

选取1999—2012年14 a分县区逐年初霜日的天气形势117个个例，根据前一天08时500 hPa东亚关键区（30°~60°N，90°~130°E）的环流特点，将初霜出现的天气形势分为4个类型。

2.1脊前型

该型主要影响承德市西部的丰宁县与兴隆县，14 a中出现了28次占总次数的22%。特点是前一天08时500 hPa关键区以脊前西北气流为主，有短波槽沿西北气流快速下滑，第二天08时受短波槽后冷空气影响，引起霜冻，当短波槽比较偏南（槽线延伸到40°N以南）时，在霜冻出现前一天可造成弱的降水。

2.2横槽型

该型是造成承德市初霜冻出现最常见的一种，14 a出现了53次占总次数的42%。在中部及北部各县出现次数最多，分两个副型。

横槽Ⅰ型。前一天08时500 hPa在关键区为东槽西脊的形势，槽线呈东北—西南向，受影响区县位于横槽前部，受槽后补充冷空气影响，横槽向东南移动，初霜当日08时转入槽后偏东北气流控制，冷空气从东北路径南下，可造成承德市东部、南部霜冻。该型较多地影响东南部的平泉、宽城、承德县。

横槽Ⅱ型。该型前一天08时500 hPa受影响区县位于横槽前部，受槽后补充冷空气影响，初霜当日08时横槽转竖，受影响县区转入槽后西北气流控制，该型主要造成承德市中北部县区出现霜冻。

2.3宽槽型

该型出现的次数最少，14 a中全市只出现了14次占总次数的11%。该型前一天08时500 hPa在关键区为纬向气流控制，受影响区县位于宽槽底部，850 hPa锋区逐渐南压，冷空气以偏西路径东传，造成气温持续下降，前一日受影响区县一般有降水。

2.4两脊一槽型

该型主要造成承德市南部的兴隆县和宽城县，出现频率为43%，该型前一日08时500 hPa在东亚地区为两脊一槽的形势，受影响县区位于高空槽前，槽比较深且延伸至40°N以南，初霜当日受槽后偏北气流影响，该型83.8%受影响区县前一天有降水（图1）。

3　分区预报指标分析

3.1坝上地区

坝上地区位于承德市的最北部，海拔高度在1500~1800 m，是全市初霜发生最早的地区，平均初霜日期为8月25日，最早初霜发生在6月30日。统计坝上地区24 a初霜日最低气温发现，坝上地区初霜当日的日最低气温在-1.7～2.8℃之间，08时相对湿度在60%～80%，850 hPa气温≤9℃，02—08时的风速≤5 m/s，08时总云量≤5成。坝上地区的初霜冻多与寒潮有关，41 a中，有22 a的24 h最低气温下降6~10℃，发生比较突然。这也是难预报的原因之一。

3.2北部地区

北部丰宁县、围场县和隆化县的初霜日出现在9月中旬到9月下旬，初霜当日的日最低气温在-4.5～5.3℃之间，初霜冻当日08时地面冷高压中心在40°N及以北占总数的85.7%，08时925 hPa的气温均≤13℃，08时850 hPa的气温均≤10℃，08时850 hPa的相对湿度在26%~60%之间，02—08时的风速＜4 m/s，02—08时总云量≤5成。

3.3中南部地区

承德市中南部县区的初霜日主要出现在9月中下旬到10月上旬，初霜当日最低气温-5.1～6℃，南部的承德县与宽城县初霜日08时925 hPa的气温≤9℃，08时850 hPa的气温≤6℃，其他县区初霜日08时925 hPa的气温≤13℃，08时850 hPa的气温≤10℃，08时850 hPa的相对湿度均在22%~ 60%之间，02—08时的风速≤3 m/s，总云量≤6成。

图1　初霜冻天气的500 hPa形势

4　预报模型的建立

对于初霜日期的预报，有利用曲线趋势法，寻找周期规律预报初霜出现大概日期的，有利用500 hPa温度进行指标法预测的，有利用天气形势预测的[8-9]，还有利用相关好的因子，建立回归方程预测的，有基于最低地温预报的[10]，有认为霜的形成与日最低气温关系密切，通过建立日最低气温预报方程做霜冻预报的[3]，特别是近年来随着数值天气预报的发展，有些研究人员通过分析850 hPa气温与地面0 cm温度的相关关系，直接用第二天850 hPa的预报气温作为霜冻预报指标[11-12]。通过计算承德市各县区初霜当日日最低气温、08时850 hPa气温与地面0 cm最低温度的相关系数发现，其相关系数均在0.6以上，因为日最低气温是常规预报项目，且与霜冻出现的关系密切，因此，把第二天的最低气温作为初霜预报的主要因子之一。有的时候最低气温较高，但是850 hPa的气温较低，也会出现霜冻，且EC预报850 hPa气温的准确率在80%以上，因此也将第二天08时850 hPa的气温作为预报因子，采用概率、指标、以及数值预报产品相结合的方法建立预报方程。

承德市地域广阔，各县区地理纬度，地形、地势差异较大，故分县建立预报模型，下面以围场县为例进行说明。

由于不同的最低气温对应初霜冻出现的概率不同，当最低气温为x时，初霜冻出现的概率是大于x的最低气温对应的初霜冻出现概率累加，因此，根据最低气温的高低对初霜冻出现概率进行累积，得到不同最低气温下的初霜冻出现的累积概率方程（图2）。同理，也得到不同08时850 hPa的气温下的初霜冻出现的累积概率方程（图3）。两个因子采用线性组合建立预报模型，由于初霜出现的概率与日最低气温、850 hPa的气温呈反相关，因此每个因子所占的权重，取决于其导致初霜出现的概率值的大小。

由于围场县初霜日最低气温在-3～5.3℃之间，08时850 hPa的气温在1～9℃之间，02—08时的风速<4 m/s，08时总云量≤5成，低云量均＜3成，因此建立预报模型。其中Y为预报指标，X为消空指标。

I为初霜指数。Y1为第二天最低气温对应的初霜累积概率，随气温的降低而加大。Y2为第二天08 时850 hPa气温对应的初霜累积概率，随气温的降低而加大。

图2　围场县最低气温与初霜出现的累积概率

图3　围场县08时850 hPa气温与初霜出现的累积概率

X1为第二天02—08时的最大风速，当X1≥4 m/s时取0，X1＜4 m/s时取1。X2为第二天08时总云量，当X2＞5成时取0，X1≤5成时取1。X3为第二天08时低云量，当X2≥3成时取0，X1＜3成时取1。X4为第二天08时是否有降水，当有降水时取0，无降水时取1。

当X1、X2、X3、X4任意一项取0时，则没有霜冻。

由于围场县最早出现初霜的时间是8月31日，在每年的8月下旬开始运行方程，从围场县的要素指标分析可知道，围场县初霜日最低气温均≤6℃，初霜当日08时850 hPa的气温均≤9℃，因此当预报围场日最低气温＜6℃或数值预报产品（目前使用EC细网格差值获得）预报第二天08时围场县850 hPa的气温≤10℃时根据（2）式计算初霜指数。

用该方法对围场县1999—2012年的初霜指数进行计算发现（表2）：当日最低气温与08时850 hPa温度均较高时，初霜指数I的值较小，当初霜指数>1.5时，最低气温均在0℃以下或850 hPa温度在0℃左右，也就是霜冻比较严重，因此预报有重霜冻；当初霜指数0.3≤I<1时，最低气温均在1.5℃以上，可以预报有轻霜;当初霜指数1≤I<1.5时，最低气温均在0～1.5℃，预报有中等强度的霜冻。

表2　近14 a围场县的初霜指数

利用累积概率方程计算的初霜指数比较繁琐，且曲线拟合有一定的误差。通过分析近62 a初霜出现的实际累积概率与当日最低气温、08时850 hPa气温的关系，采用分区间取值法分别得到每个预报因子的初霜出现的累积概率（表3），从而计算初霜指数I2（表4）。

表3　初霜出现概率的分区间取值

分析表4发现，当初霜指数0.5≤I2<1时可以预报有轻霜，当1≤I2<1.5时有中等强度的霜冻，当初霜指数≥1.5时有重霜冻，当曲线拟合较差时可以采用这种方法作为补充。

5　检验情况

应用以上的预报模型对各县区初霜冻的预报情况进行回代检验，从对各县区的检验结果看，当初霜指数在1以上时，两种预报方法的对全市初霜的平均命中率均在95%以上,初霜指数在0.3≤I1＜1与0.5≤I2＜1的命中率分别为73.2%与68.9%,对于轻霜冻的命中率较低（图4），主要原因是为了保证初霜灾害不漏报，将轻霜出现的阈值定得比较低，这样当最低气温与850 hPa气温较高时，初霜指数比较低，接近下限，预报时间偏前的现象比较多，对于冷空气较强的情况，预报准确率大大提升。

该预报模型依赖于最低气温预报的准确率以及数值预报的稳定性。近年来,预报员对于72 h之内最低气温的预报已基本准确（误差在2℃以内），欧洲中心对于850 hPa气温72 h之内的预报也已经基本稳定，因此应用该预报模型，提前48 h或72 h预报出霜冻灾害，提前发布初霜冻预警，对于减少农业损失具有重要意义。

表4　利用区间取值法计算的近14 a围场县的初霜指数

图4　两种预报方法对各县区初霜冻预报命中率对比

6　结论

（1）通过计算保证率与绝对变率对承德市初霜冻的时空分布特征分析发现，承德市各县区的初霜出现的平均时间自北向南推迟，并呈现出北部县区比南部县区初霜出现的时间稳定性较差的特点。

（2）承德市初霜的天气形势主要有脊前型、横槽型、两脊一槽型、宽槽型4个类型，其中横槽型出现初霜概率最大，主要出现在中北部各县；两脊一槽型主要出现在南部的兴隆县和宽城县。

（3）采用概率、指标以及数值预报产品相结合的方法及概率区间取值法建立分县区初霜冻预报模型，检验发现，对于中重度初霜冻预报准确率可达95%以上，对于轻度初霜的预报准确率可达68%以上，需要在今后的工作中进一步完善。

[1]王海岩.青河1961—2008年霜冻的气候特征和变化规律分析[J].沙漠与绿洲气象，2009，3（5）：33-35.

[2]杨克明，陈秀凤，王东生，等.东北地区初霜冻的天气气候特征[J].气象，1999，25（6）：13-18.

[3]]李凌，高安宁，李生艳，等.利用数值预报产品制作广西大范围霜冻5天滚动预报[J].广西气象，2002，23（3）：7-10.

[4]唐晶，张文煜，赵光平，等.宁夏近44年霜冻的气候特征和变化规律分析[J].沙漠与绿洲气象，2008，2（2）：15-18.

[5]张月华.库尔勒地区霜冻的特征及预报 [J].新疆气象. 2003，26（2）：19-21.

[6]黄荣辉，郭其蕴，孙安健.中国气候灾害分布图集[M].北京：海洋出版社，1997.

[7]陈乾金，张永山.华北异常初终霜冻气候特征的研究[J].自然灾害学报，1995，4（3）：33-39.

[8]郭媚媚.肇庆地区低温霜冻气候特征及环流形势[J].广东气象，2003（4）：21-23.

[9]杨晓霞，高留喜，袁从军，等.山东省霜冻天气分区客观预报方法[J]气象，1999，25（6）：31-34.

[10]杨晓玲，郭丽梅，丁文魁.武威市霜冻气候特征及预报[J].中国农业气象，2010，31（4）：612-616.

[11]张治，赵广娜，马国忠，等.2011年黑龙江省区域性初霜冻天气过程分析[J].黑龙江气象，2012，29（1）：13-16.

[12]陆忠艳，韩江文，李萍，等.辽宁省初霜特征及预报技术指标初探[J].中国农学通报，2014，30（36）：257-263.

The First-Frost Conceptual Prediction Model for Chengde and Its Test

PENG Jiuhui1，WANG Duo2，LU Qian1，YANG Qinghong1
（1.Chengde Meteorological bureau，Chengde 067000，China；2.Hebei Normal University For Nationalities，Chengde 067000，China）

Using the conventional observation data and the NCEP1°×1°reanalysis data,in this study the temporal-spatial distribution characteristics of the first frost in the counties in Chengde and the temporal stability of the first frost in the north and south counties were analyzed.Based on analysis of the circulation of 117 first-frost cases,the first-frost conceptual prediction model was set up;early frost forecast indicators were established with filtering factors;and the first frost forecast model for every county was established using method of combining probability,index and the numerical forecast products,and probability interval value method.Test shows that forecast accuracy of the model for the moderate or severe first frost can reach more than 95%,the accuracy of forecasting for weak first frost can reach more than 68%without omission.

absolute change rate；conceptual model；forecast indicators；index of the first frost

P457.31

B

1002-0799（2016）03-0015-06

2015-03-24；

2015-04-21

河北省气象局2013年科研项目“初霜冻预报技术研究”（13ky26）资助。

彭九慧（1967-），女，高级工程师，从事中短期天气预报与决策气象服务。E-mail：pengjiuhui@163.com