低频天气图在陕西汛期降水预报中的应用

魏 娜，肖科丽，胡淑兰，王 越

(陕西省气候中心，西安 710014)

近10年来，陕西省极端天气气候事件频发，尤其是强降水引发的山洪地质灾害和城市内涝，严重影响了社会生产和人民生活。陕西省气象局开展的预报服务主要为10 d之内的短期天气预报和30 d以上的月、季、年长期气候趋势预测，不能完全满足气象服务的需求。10～30 d延伸期预报可以填补气象服务的空白，能够为防灾减灾做出一定的贡献。近年来国外延伸期预报的主要工作体现在对MJO(热带季节内振荡，发生在热带地区的周期为30～60 d的主要向东传播的振荡)的认识、监测和预测等方面，尚未涉及到10～30 d的延伸期天气过程预报[1-4]。我国早在20世纪90年代初，很多学者发现大气环流演变具有30～50 d的周期振荡特征，用此原理可以预报中长期天气过程[5-6]。近年来,上海气候中心陈伯民等又将低频天气图方法在日常预报业务中大力推广，取得了一定的成果[7-10]。2011年至2013年中国气象局以“月内重要过程趋势预测系统”立项，先后在全国11个省市推广，这些省份利用低频天气图原理，同时结合本省气候特点在延伸期预报方面进行了有意义的理论探索和业务实践，比如上海[11]、江苏[12]、四川[13]、湖南[14]等省份。

陕西省地处东亚夏季风的边缘地带，汛期降水变率大且空间分布不均，汛期易出现持续干旱或者强降水过程，容易造成粮食减产和泥石流等山洪地质灾害，所以延伸期预报对社会生产和人民生活有着重要的意义。在已有文献研究的基础上，分析低频天气图预报方法在陕西汛期降水的研究与应用以及本地化改进情况，并且对2013—2015年陕西汛期延伸期强降水过程进行预报试验，以期提高预报能力。

1 资料

所使用的资料为2008—2013年5—9月 NCEP/NCAR 500 hPau、v风场再分析资料，格距为2.5°×2.5°。降水资料为陕西省气候中心整编的全省96个台站的同期日降水量资料。

2 低频天气图汛期强降水预报模型的构建

使用巴特沃斯滤波器[15]，采用的滤波带通为30～50 d，利用低频天气图预报方法[10]对未来10～30 d降水过程进行预报。构建低频天气图预报方法有6个步骤，主要为分析、追踪、分区、整理、归纳和试验等。首先，对逐日500 hPa风场上低频气旋和反气旋的活动规律进行普查，总结降水时段的低频气旋和反气旋的位置、分布及出现次数，归纳出对降水过程有影响的高影响区。然后对各高影响区的低频气旋和反气旋的周期进行估算，总结出陕西省发生降水过程时，各高影响区低频气旋和反气旋配置关系，建立概念模型。通过外推法，制作出未来10～30 d的陕西较强降水过程预报。

2.1 低频天气图的绘制

陕西省海拔高度大致处于400～1 500 m范围内，陕北为黄土高原沟壑区，关中为河谷平原区，陕南为秦岭南麓浅山区，700 hPa 风场受地形变化的影响较多，因此选取500 hPa风场进行研究。范围选取(10°N～70°N，60°E～160°E)，经过巴特沃斯带通(30～50 d)滤波器，得到2008—2013年汛期即5—9月的500 hPa逐日低频风场图(图1)。图中“C”和“A”分别表示低频气旋和低频反气旋。

图1 2013-07-26 500 hPa低频天气图

2.2 高影响区的确定

低频天气图的高影响区划分是构建延伸期预报方法的关键步骤。通过跟踪分析低频天气图上的低频系统的位置、移动规律和周期，得到不同区域低频系统的特征。根据低频系统的特性，将低频天气图划分为若干个区域[7]。根据陕西省天气预报经验和低频天气系统在各个区域的振荡特征，与强降水过程密切相关的低频系统活动区域分为9个区域。9个高影响区的位置划分具体见表1,在此基础上分析每个区域内低频气旋和低频反气旋的活动特征和时间变化。

表1 高影响区域划分

2.3 低频气旋和反气旋活动的周期及移动路径

低频气旋和反气旋在每个高影响区的变化不同，统计分析2008—2013年5—9月9个高影响区内低频气旋和低频反气旋生成、消失的时间及移动路径，发现不同高影响区的低频系统活动周期有一定差异，选择出现频次最多的周期,确定高影响区1～高影响区9的低频气旋周期分别为40，45，35，40，42，30，40，35，40 d，反气旋周期为35，35，30，35，30，30，40，40，35 d。低频系统的移动路径分两类：振荡型和移动型。振荡型即低频天气系统在某高影响区生成向西北或东南方向移动，并在原地振荡后消失，不离开该高影响区；移动型即低频天气统在某高影响区生成后，位相东西传播或南北传播，移出该区。3、5、6区的低频系统多为原地振荡型，1、2区向西北方向移动，7、8、9区向东南或西南方移动，影响陕西降水的关键系统南方为西太平洋副热带高压和孟加拉湾南支槽，北方为新疆低槽和贝加尔湖低槽，南方系统带来的东南和西南暖湿气流与北方系统带来的冷空气在陕西交汇，形成持续大范围的降水天气过程。

2.4 低频系统与汛期强降水过程配置模型的构建

陕西夏季多阵性降水，但低频系统引起的降水是大范围和持续性的，所以定义一次降水过程是全省三分之一的台站出现降水，日降水量≥10 mm。普查统计2008—2013年5—9月共98次降水过程。通过对陕西汛期强降水进行经验正交函数分解，确定了4个预报区域，分别为全省、陕北、陕南、关中。根据建立的低频气旋和低频反气旋活动与强降水过程之间的对应关系，对高影响区内的低频气旋和反气旋进行分析总结，形成4个预报区域的预报模型(表2)。表中低频气旋和反气旋分别用C、A表示，C、A下标表示系统生成的高影响区序号。当高影响区6、9有低频气旋，高影响区2、4 有低频反气旋，高影响区1、3、2有低频气旋时，陕西全省可能有大范围的降水过程发生。

表2 陕西省不同降水区与高影响区

3 2013—2015年汛期延伸期强降水预报试验

3.1 典型多雨期低频环流特征

大气环流的演变过程包含一些快过程和慢过程，快过程一般表现为天气尺度，而慢过程是大尺度大气运动与低频外强迫紧密联系的。低频天气图上的低频气旋和反气旋与天气图上的气旋和反气旋是紧密联系的,低频天气系统可以较完整地反映天气尺度系统的活动、发展、振荡和消失特征。

为了进一步分析影响陕西省汛期强降水过程的主要低频系统的演变特征，绘制陕西2014年9月上中旬连阴雨天气过程期间500 hPa低频流场和实况(NCEP/NCAR 再分析资料)的合成图。图2和图3分别为2014年9月6日至18日秋季连阴雨时段的500 hPa低频流场图和流场实况合成图。从图2来看，关键区8的低频气旋的偏北气流与关键区4和5的低频反气旋偏南气流在105°E，30°N附近汇合，从图3同样可以看出偏西北、偏东南气流在此地区汇合。西北气流反映出贝加尔湖附近为低值中心，低槽带来中高纬地区冷空气南下，而偏南气流则反映出暖湿气流，一支为西太平洋副热带东南水汽，另一支为印缅槽的西南水汽。北方和南方的冷、暖空气在陕西附近上空汇合，造成陕西绵绵秋雨。对比图2和图3发现二者的环流系统紧密相连，低频图上的气旋和反气旋所对应的是实况天气图上的气旋和反气旋系统。在低频天气图上低频系统都是闭合、成熟的低频气旋和反气旋，在实况天气图上的大气环流系统有时为闭合的气旋和反气旋，有时则是没有形成闭合中心的“槽”和“脊”。如在图2上，在贝湖附近有闭合的低频气旋；而在图3中，则仅出现浅“槽”，没有闭合的低值中心。

图2 2014-09-06—18 500 hPa平均低频流场图

图3 2014-09-06—18 500 hPa平均实况流场图

3.2 伏旱期低频环流特征

2015年 7月下旬至8月上旬陕西省关中、陕南地区出现严重的伏旱，西北地区为稳定的低频反气旋控制，高温少雨，形成伏旱天气。而实况图上的环流系统基本与低频流场对应，实况表现为范围更大的反气旋环流，整个西北内陆被强大的西太平洋副热带高压控制，北方的冷空气无法南下，南方孟加拉湾西南气流也被阻挡，无南北气流汇合，难以形成降水(图略)。

3.3 夏季低频系统的周期变化特征及关键区低频波的配置

天气图的环流系统是一个相对快速变化的过程,不具备低频系统的特征，要在一个月前做出大气环流系统的预报是不现实的。而低频系统是一个缓慢变化的过程,具有持续性和连续性,存在30～50 d的周期振荡。2013年6月上旬500 hPa低频天气图(图4)上有两个较为完整的低频系统,一个是高影响区8贝加尔湖附近有一强大气旋环流,另一个是高影响区4华东地区有一反气旋环流。7月中旬的低频天气图(图5)中，这两个低频系统再次出现,并且较6月上旬出现的时间更为持久,西太平洋副热带高压在500 hPa流场上的反气旋环流发展更为强大。陕西处于反气旋环流的东南暖湿气流和气旋带来北方冷空气交汇之下，降水持续10余天。

低频天气图反映了大气环流中低频气旋和反气旋位置移动的空间变化，低频波可以看出高影响区内低频气旋和反气旋的时间变化特征，2013年夏季陕西降水阶段性变化明显，主要受高影响区8贝加尔湖冷空气的变化和高影响区4西太平洋副热带高压的强弱变化影响。提取2013年5—9月高影响区8和高影响区4的500 hPa位势高度低频值(图6)，可以看到从5月开始副热带高压逐渐增强，在6—7月变化幅度达到最大，8月开始逐渐南退。7月上中旬高影响区4的西太平洋副热带高压加强北上，而高影响区8的北方低槽南下,二者交汇出现明显的降水过程。同样在5月下旬、6月中旬、8月下旬和9月中旬出现降水过程，降水过程的强弱与南北两个低频系统的强弱、出现时间密切相关。

图5 2013年7月上旬500 hPa流场图

图6 2013年5—9月高影响区4和高影响区8的500 hPa低频位势高度和日降水量图

4 结论

针对陕西省汛期降水过程特点，将低频天气图预报方法在陕西进行本地化应用。统计陕西省2008—2013年汛期强降水时期的低频系统空间位置、分布及持续出现次数，划分出与预测区域降水过程密切相关的9个低频高影响区，建立低频系统空间配置与强降水过程间的对应关系。

(1)提炼陕西省4个预报区域(全省、关中、陕南、陕北)出现降水过程时各个高影响区低频系统的配置模型。4区和2区出现反气旋，1区、2区、6区和9区出现气旋时，易出现全省大范围的降水过程。3区、5区、6区和9区出现气旋，2区、5区出现反气旋时，关中陕南易出现降水过程。这些系统的配置，充分体现了西太平洋副热带高压、孟加拉湾的暖湿气流、高原涡、北方冷空气等关键天气系统对陕西降水的影响。

(2)通过分析2013年汛期低频天气图和高影响区低频波演变特征，发现影响陕西大范围降水过程的大气低频系统具有典型的周期特征，低频天气图在延伸期降水过程预报中有很强的指导意义。从2013—2015年整个汛期时段的预报试验来看,低频天气图对多雨时段预报效果较好,在高温少雨的伏旱阶段,空报和漏报的次数明显增加,尤其是在气候转折时期,低频天气图的预报效果并不理想。

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