低频天气图方法与湖北省夏季强降水过程探究

管林宸

摘 要 利用2008—2012年4—6月NCEP/NCAR 500 hPa高度場和700 hPa风场逐日格点资料以及湖北省89个地面气象观测站逐日降水观测资料，通过使用低频天气图的方法，确定影响湖北省的强降水过程天气关键区，从而进一步分析影响湖北省强降水过程的低频天气系统的活动周期、变化路径，同时凭借低频天气系统和强降水过程的相关配置，针对湖北省4—6月的强降水过程，构建了模型。对2013—2015年4—6月强降水过程进行预报检验，准确率为63%，其中报对19次强降水过程，空报2次，漏报10次。

关键词 低频天气图；强降水过程；预报模型

中图分类号：P426.6 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.06.074

根据近些年气候变化，在遵循大气低频振荡原理和特性的基础上，对天气过程的预报方法以及延伸期大气低频环流系统的预报方法进行了一定研究，国内外对此都取得了显著成效。基于延伸期预报的重要性地位，我国专家展开了深入研究，并取得了一定进展。陈丽娟等[1]在大气环流模式的基础上，针对高度场进行延伸期预报。覃志年等[2]则针对暴雨发生的过程进行了延伸期预报。在20世纪末，章基嘉等[3]提出运用低频天气图进行延伸期预报。与此同时，孙国武等[4-6]与He等[7]在日常预报试验中，大胆采用低频天气图的方式，对其加以推广，在近些年的研究中有所突破。上海[8]、江苏[9]等率先应用此方式，发挥了表率作用。

湖北省位于长江中游、洞庭湖以北，地势上东、西、北三面环山，中间低平，略呈由西北向东南倾斜的趋势。省内河网密布，长江自西向东流经湖北全省，与其最长支流汉江构成省内两大干流，所以湖北素有“千湖之省”之称，也因其地理位置和地形等自然因素的影响，造成湖北水害问题尤为显著，成为困扰当地政府的重要问题之一。在前人研究的前提下，结合湖北省本地的天气过程，探讨低频天气图在湖北省伸期预报中的研究与应用以及本地化改进情况，以期能够在防灾减灾方面提出建设性意见。

1 资料与方法

在研究，主要采用美国环境预报中心国家大气研究中心5年间第二季度500 hPa高度场和700 hPa风场逐日再分析资料，降水研究资料则是采用了湖北省近百个地面气象观测站的真实降水数据，以此展开论述。

本研究过程中应用的为Batterworth滤波器[10]，立足于时间尺度，参考大气低频震荡的周期性一般会维持30～

50 d，体现了其一定的持续性，所以选择的为这一范围的绿波带；通过Batterworth带通滤波器对逐日风场资料进行处理，进行低频流程图的绘制时，选用的为滤波后的资料。根据绘制图分析，能够对低频气旋以及低频反气旋等作出大致预判，例如周期的长短、路径变化[11-12]。为保证研究数据精确性，对于研究对象有一定要求，日降水量大于等于10 mm的站数不少于30站为强降水过程的开始日期，不大于15站的前一日为强降水过程的结束日期。

2 低频天气图预报方法

2.1 确定低频预报关键区

湖北省4—6月强降水过程同时受到中高纬度天气系统和低纬度天气系统的影响。通过统计分析历史个例以及结合湖北本地的天气和气候特点、预报经验，选定出六个低频预报关键区：即西太平洋地区（10°～30°N、120°～140°E，简称1区）、中南半岛到华南、南海中北部地区（10°～30°N、100°～120°E，简称2区）、印度-孟加拉湾地区（10°～30°N、70°～100°E，简称3区）、河套地区（30°～50°N、100°～120°E，简称4区）、新疆地区（30°～50°N、70°～100°E，简称5区）、贝加尔湖地区（50°～70°N、70°～120°E，简称6区），分别代表不同方向的影响天气系统，如图1所示。

2.2 低频天气系统活动周期

统计分析2008—2012年4—6月低频流场图上各关键区活动周期30～50 d的低频天气系统特点得出结论，处于不同地区时，低频天气系统活动周期存在差异性，根据研究计算，1区天气系统为18次、2区为14次、3区为18.5次、4区为14次、5区为18次、6区则为14.5次。根据各预报关键区内低频气旋反气旋出现和消失的时间，统计出低频系统的振荡周期，将频次最多的周期，作为6个关键区低频系统的变化周期，见表1。

从图2可看出，2009年3月25日至4月22日700 hPa的低频流场图的分析结果。在10°～30°N、100°～120°E的区域范围内，3月25日出现了低频反气旋，4月1日消失；4月8日低频气旋生成，4月23日消失，低频天气系统活动周期近29 d。

2.3 低频天气系统路径变化分析

根据低频天气系统的路径变化规律，将其划分为移动型与振荡型。移动型即低频天气系统在某关键区生成后，位相南北传播或东西传播，并移出该关键区。震荡型指的是低频天气系统会在某个关键区域形成，过后消失于原地，始终不会脱离于关键区域外活动。统计2008—2012年4—6月700 hPa低频流场图上各关键区低频天气系统的变化路径可得：1区生成的低频天气系统多为向西或原地振荡移动；2、4区和5区生成的低频天气系统多为原地振荡；3区生的低频天气系统多为向东或向东北移动；6区生成的低频天气系统多为向东或向东南移动。

2.4 低频天气系统与强降水过程的配置

根据统计，2008—2012年4—6月湖北省共出现强降水过程54次。根据6个关键区低频天气系统的演变特征，分析低频气旋（反气旋）和湖北省54次强降水过程的配置关系。

2.4.1 低频气旋（反气旋）与强降水过程

通过研究700 hPa低频气旋（反气旋）的变化情况得出以下结论：1）如果1区出现低频气旋活动，则强降水发生频次为16次，反之，出现低频反气旋活动时，强降水发生频次为14次；2）若2区发生低频气旋活动，强降水频次为18次，反之，出现低频反气旋活动时，强降水频次为6次；3）如果3区发生低频气旋活动，强降水频次为31次，反之，出现低频反气旋活动，则强降水频次为23次；4）若4区出现低频气旋活动，强降水频次为12次，反之，出现低频反气旋活动，强降水频次为8次；5）若5区出现低频气旋活动，强降水频次为16次，反之，出现低频反气旋活动，强降水频次为12次；6）如果6区出现低频气旋活动，强降水频次为19次，反之，若出现低频反气旋活动，强降水频次为19次。

綜上所述，低频气旋活动与反气旋活动会影响到某个地区的降水情况，根据分析6个区域的气旋活动，得出湖北省的降水情况受到以下气旋影响：1、3、4、5区域的低频气旋活动影响，6区的低频气旋以及反气旋活动，加之2区的低频反气旋活动。虽然湖北省降水情况受到6个区域气旋影响，但不同区域的低频天气系统可以不同时存在。

2.4.2 建立低频预报模型

实践表明，低频天气系统具有周期性、空间平面的连续性、移动路径相似性、生成源地的准定常性等特性，此结论与孙国武等[4-6]的结论基本一致。通过综合分析湖北省较强降水与各个区域低频系统活动特征之间的关联，建立低频预测模型具体为：700 hPa低频流场图上，1、3、4、5区至少有一区出现且仅出现低频气旋，2区至少有一区出现且仅出现低频反气旋，则湖北省境内才会有强降水过程的发生。

2.5 构建预报流程

针对湖北省强降水过程分析时，主要依据为低频预报模型，笔者认为，构建预报流程如下：1）要参考不同关键区当天低频天气系统，以便更加精确统计外推周期，2）总结出几个关键区一定时间的低频天气系统变化情况，以此为标准，制作接下来10～30 d的强降水过程预报。

3 低频天气系统预测模型的应用及检验

运用低频天气图的方法，建立了适用于湖北省未来10～30 d的强降水过程预报模型，并对湖北省2013—2015年的4—6月的强降水过程进行了预报检验。共计进行了21次预报，其中报对19次，漏报10次，空报共计2次，总体预报效果较好，其中漏报的次数所占比例较大，4月的漏报尤其明显，2次空报的实际低频系统演变比预报日所推算的日期变化推迟了5～15 d，因此在未来实际应用中，务必要对低频系统的变化情况加以分析，更加及时地掌握模型前期的预报结果，能够在最短时间内进行滚动订正预报，大幅度提升预报精准率。

4 结论

1）运用低频天气图方法，首先确定了影响湖北强降水过程的6个天气关键区，在通过分析天气关键区低频天气系统与强降水过程对应关系的基础上，建立了湖北省前汛期（4—6月）延伸期强降水天气过程预报模型。经过2013—2015年应用检验，表明该模型对湖北地区强降水过程有比较好的预报能力。

2）本预报模型用于预测4月强降水过程预报准确率偏低，是与主导影响系统的变换有关还是模型建立过程中未考虑季节因素引起的，有待作进一步的分析与探讨。

参考文献：

[1] 陈丽娟，陈伯民，张培群，等.T63模式月动力延伸预报高度场的改进实验[J].应用气象学报，2005，16（s1）：92-96.

[2] 覃志年，李维京，何慧，等.广西6月区域性暴雨过程的延伸预测试验[J].高原气象，2009，28（3）：668-693.

[3] 章基嘉，孙国武，陈宝德.青藏高原大气低频变化的研究[M].北京：气象出版社，1991.

[4] 孙国武，信飞，陈伯民，等.低频天气图预报方法[J].高原气象，2008，27（s1）：64-68.

[5] 孙国武，信飞，孔春燕，等.大气低频振荡与延伸期预报[J].高原气象，2010，9（5）：1142-1147.

[6] 孙国武，冯建英，陈伯民，等.大气低频振荡在延伸期预报中的应用进展[J].气象科技进展，2012，2（1）：12-18.

[7] He J H， Lin H， Wu Z W. Another look at influenc of the Madden-Julian Oscillationon the wintertime East Asian weather[J].J.Geophys Res，2011，116（Do3）：1284-1309.

[8] 信飞，孙国武，陈伯民.自回归统计模型在延伸期预报中的应用[J].高原气象，2008，27（s1）：69-75.

[9] 孙国武，李震坤，信飞.用低频天气图方法进行延伸期预报的探索[J].气象科技进展，2013，3（1）：6-10.

[10] 蒋薇，国武，陈伯民，等.江苏省汛期强降水过程的延伸期预报试验[J].气象科学，2011，31（b12）：28-34.

[11] 胡春丽，李辑，陈伯民，等.低频天气图方法在辽宁夏季延伸期强降水预报中的应用[J].气象科技进展，2013，3（1）：64-67.

[12] Krishnamurt T N， Subrahmanyam D. The 30～50 day mode at 850mb during MONEX[J].J.Atoms.Sci.，1982（39）：2088-2095.

（责任编辑：刘昀）