一张用于预报云天和降雪天气图的设计与应用

楼茂园 郝世峰 陈懿妮 娄小芬

(浙江省气象台，浙江 杭州 310017)

0 引 言

作为台站天气预报员，每天要与大量的天气图打交道，并通过这些天气图的分析，实现对未来天气的预报。2013年以来，尽管浙江基本建立了数字化网格化无缝隙预报产品体系，也向社会提供数字化预报信息产品，如手机平台上的智慧气象APP等，但是为政府的决策气象服务，尤其是重大活动关键时段的天气、重大转折性天气等，仍依赖预报员对各种天气图的综合分析。特别是一些具有某种天气学意义的综合天气图，可明显提高预报员对某类天气的综合分析速度和精度，提高预报服务效益。

一般预报员首先是侧重于分析各类灾害性天气预报，再分析其他天气要素预报。其中有些天气却容易被忽视，比如像云天的预报，如某天预报明天多云，实际上次日一整天都是阴天。预报员认为这只是云量预报上有些偏差，只要无降水，预报基本准确，但公众认为预报完全错了。因为预报多云，应该有阳光，可进行晾晒，而一整天的阴天，满天阴云会让晾晒安排落空。特别是地处江南的浙江，每年多连阴雨天气，期间阳光十分宝贵，云天预报显得尤其重要。此外南方公众对降雪天气特别敏感，哪怕是江南某些半高山区如天目山区出现降雪，在当今互联网和自媒体时代，手机上会迅速出现大量降雪信息与照片，如果没有预报降雪，预报服务效果会大打折扣。

事实上，随着数值预报产品的精度越来越高，有不少云天预报是可以预报出来的。但可能是由于预报员缺少直观明了的预报云天和降雪专用天气图，影响了综合判断，使上述尴尬每年都有发生。为减少此类情况出现，近年来，在老预报员多年实践的基础上，利用数值预报资料进行直观化集成设计了一些综合图，其中之一就是设计了具有天气学意义的云天和降雪预报天气图。该设计图已在网页版的浙江省数值预报平台上应用，已成为不少浙江省天气预报员云天和降雪预报的重要参考分析图，多次在与中央气象台的全国天气会商中应用，但在市县级台站走访中也发现，不少预报员对该图的设计思路与应用不太了解甚至不会应用。为此本文着重介绍其设计的原理、天气学意义和分析应用方法与实例介绍，以提高浙江省预报员云天与降雪预报分析能力。经查，目前此类天气图的设计与应用介绍文献极少。

1 云天预报图设计原理

1.1 所用预报资料

主要采用中国气象局数值预报中心的全球模式预报资料CMA的GRAPES-GFS资料(简称GRAPES)、美国的NCEP预报资料(简称GFS)和欧洲中期数值预报ECMWF(简称EC)资料，一天两个时次，分别是北京时间08时和20时。主要用到每3 h间隔一次的降水量和所有各层气温、相对湿度等要素。

1.2 具体图形设计

以图1a为例说明设计思路。图1a是一张综合天气图，并由上下2幅图构成。其中图1a中的上部一幅图为一张剖面图。图中左侧纵坐标为气压，从地面1000 hPa到200 hPa。600 hPa以下间隔为50 hPa，600 hPa以上间隔为100 hPa。图中在1000 hPa所在直线的下方，设计了某一纬度上的浙江地域范围的宽度，可用于预报员估计预报点对应位置。图1a中上部，主要显示两种物理量：一是取该剖面上的某一数值预报资料中的相对湿度(RH/%)；二是取该剖面上的某一数值预报资料中的气温值(T/℃)。

在图1a上部图中，有上述2种物理量显示，在设计图形时作如下处理：一是将相对湿度大于80%的区域用蓝色渲染本文中显示黑色，下同，每隔5%一条线，颜色逐渐加深，颜色愈深湿度越大。将600 hPa以上层的颜色去掉，仅留下线条。二是将该剖面上的气温等值线显示出来，每条线表示1 ℃的间隔，其中气温零度线及以上用实线表示，可让预报员一眼能区分零度以下的区域。

图1a下部为一张曲线图。左侧纵坐标为模式降水量(R/mm)，坐标每刻度代表的降水量值，随剖面上降水量大小自动调整，可在该固定表格高度内，使不同量值降水量均能显示。右侧纵坐标为相对湿度，一般刻度在30%～100%，每间隔固定为10%。

为了能将该天气图较好地供全省各地台站使用，对该剖面图进行定纬度制图显示。目前，对浙江从南到北，分别每隔0.5 N，分别是27 N，27.5 N，28 N，28.5 N，29 N，29.5 N，30 N，30.5 N，31 N。注意图1a上部图中1000 hPa下方是剖面随着不同纬度变化的浙江区域的范围宽度，中间标有“Zhe Jiang”英文。上述天气图已可在省级内网天气业务平台的“浙江省数值预报分析系统”中获取应用。

图1 a为2019年3月14日的Grapes-GFS云天预报图;b为2016年1月21日的EC降雪预报图

2 云天预报图的天气学意义

2.1 云天预报

一般情况下空气中在95%以上的相对湿度时空气中的水汽才有可能会凝结[1]，但考虑到预报误差，图形设计时将该要素作适当放宽。所以在图1中只将80%以上的湿区用蓝色渲染显示出来，而将80%以下的湿区不作显示，其目的是要营造在天气学意义上，让预报员看到蓝色区就是有“云”的直观感觉。

图1a中600 hPa以上层，为什么将其渲染色除去呢？这是因为多年的预报与观测实践表明，当600 hPa以上层有湿度大于80%，即考虑有“云”，那么从气象观测上分析，这个高度上应该是高云。可以设想，当没有中低云，只有高云存在，如出现许多卷云之类的云系，那应该是好天的标志。但如果此时预报员仅分析总云量，因高云依然会体现在总云量数值中，易出现云天预报为阴天。而当600 hPa以下层湿度小于80%，无任何颜色显示时，即气象观测中的中低云层“无云”，天气学意义上直观地让预报员是晴朗无“云”的感觉，所以将这个高度以上层的蓝色渲染除去，就是要达到一个目的，告诉预报员只要600 hPa以下层无“云”，可以让预报员大胆预报晴天或晴到多云。

当600 hPa以下层出现湿度大于80%，这说明有中低云系存在，预报员就应该考虑既有高云又有中低云存在，阳光难以穿透，应该考虑多云-阴天之间的天况。具体可分如下几种情况。

1)当图1b中对应的区域模式预报没有降水，如有深厚的95%以上层，且云层厚度大于500 m(预报经验上可以用850 hPa高度的1/3厚度来直观估计)，该时点可预报阴天。

2)当图1a中如果是80%～95%，且厚度大于500 m，可预报阴到多云。

3)当图1a中如果是80%～95%，且厚度小于500 m，仍可预报多云。

4)当云层倾斜时(一般有冷空气等系统影响时，高空槽先将中高云系影响到预报区)应考虑预报时间：若是早晨-上午时段，阳光从东侧高空倾斜照射下来，就要根据云层位置来预报，只要估计照射下来无“云”，可预报多云或晴到多云；反之，则预报多云到阴或阴天。

2.2 降雪预报

不少研究冬季降水相态的识别判据时,大都是使用大气中的规定层资料(主要是中低层)，如：700，850，925，1000 hPa[2-5]。原因是这些规定层气象数据齐全，便于统计分析，从而形成了降雪预报上的各种规定层判据或指标。但事实上由于大气层结的多变性，即使规定层气温分布类似，但如果规定层之间的气温层结分布不一样，气温层结依然不同。可以理解为“规定层分析法”只是对大气层结中作某些层的抽样分析，并不是大气层结的完整分析，因此单从规定层分析得出的判据是有其局限性的。这也是这些判据在实际降雪预报实践中时常会失灵的一个原因。图1b为2016年1月21日的EC可用于降雪预报天气图。预报员可以从图中直观地对云层的实际分布和预报区域上空的气温层结有一个连续的完整认识，可以了解大气层结的连续与细节变化。更重要的是可分析预报点区域上空是否存在有0 ℃以上的暖层，这对地处江南的浙江来说尤为重要。结合模式降水量预报，采用“降雪预报气柱判别法”，在预报点上空可以比其他天气图更易得出是否出现降雪的预报。

“降雪预报气柱判别法”：在上述天气图上，选定你所关心的预报区或点，根据浙江地图宽度比例，找到相应的位置。查看对应点模式是否有降水量预报，若有再进一步判别相态。然后在该点上空垂直划定一个气柱(意念上)，由于降雪是从高空冰晶云中飘落的，需先寻找气柱内的蓝色阴影区是否存在，即是否有云层，若有再从该气柱内的云层中，沿垂直气柱向下分析(实际上是在模拟雪花受重力作用飘落过程)。如果遇到0 ℃以上的暖层，雪花就会融化，就不可能是降雪，只能是降雨；如果雪花一路飘落，整个气柱内均在0 ℃以下，雪花就难以融化，则该地将出现降雪，且与该地是平地还是高山无关。如再考虑地表气温就可以进一步判断是否有积雪。

3 云天预报图在台站的应用情况

3.1 云天预报的个例应用介绍

2018年12月—2019年2月，浙江经历了自1951年以来罕见的阴雨寡照天气，雨日与日照破历史记录，市民对阳光的期盼达到空前程度。期间有好几例，当时气象台对外公众预报为多云或晴到多云，实际上是阴天。现以2018年12月12日为例来说明云天预报图应用的重要性。2018年12月11日下午杭州公众预报(短信)：“杭州今天前半夜阴天，偶有小雨，后半夜阴转多云；明天多云到晴，2到8 ℃。今夜全省雨水渐止转阴到多云，明天早晨气温较低，注意保暖，省气象台”。对于经历从12月2日—11日持续10 d阴雨天气的杭城市民来说，无疑是个好消息，因为明天总算“多云到晴”了。但实际上次日一整天都是阴天，毫无阳光出现。查看2018年12月12日杭州区域，杭州700 hPa以上层(图略)转为西西北气流，850-地面层(图略)为高压前部，为晴好天气的形势，有经验的预报员，看一下850-700-500 hPa各层上的湿度也很低，故作出多云到晴的预报是有一定合理性的。但从这天08、11、14、17时4张云天预报图上可见(图2)，从东面沿海一带到杭州市区，在850 hPa以下有一层相对湿度大于85%的“云”，正是这一层云使得杭州城区12日整个白天都是阴天，预报效果很差。反之，如当时对云天预报图加以应用分析，是可以有效改进预报结论的。

图2 2018年12月12日08时(a)、11时(b)、14时(c)、17时(d)EC云天预报图

3.2 降雪积雪预报的个例应用介绍

2016年1月下旬有一次强寒潮过程影响我国，浙江也经历30多年来最强的降温过程，网民称之为“boss级寒潮”。现以2016年1月21—22日本次寒潮影响过程前期降雪为例来说明云天预报图在降雪预报中应用的重要性。2016年1月20日省气象台发布对省政府的《重要气象报告》，“预计21—22日浙江省将有大雪暴雪，明天开始浙中北大部地区积雪逐渐加深，预计到23日早晨积雪最深，可达8—15 cm，局部超过15 cm”。但实际上，21—22日白天，杭州下了雪，但雨夹雪成份很高，杭州市区光看到下雪花，除花坛与车顶有积雪外，就是没有看到预报所说的“积雪逐渐加深”的天气。当时浙江卫视等媒体在省气象台直播报道时询问原因，省气象台专家认为，这与近地面存在一个0 ℃以上暖层有关。该暖层从东面海上向西伸展，暖层的西结点位置刚好在杭州城区附近，但22日下午从杭州城区西侧的景区龙井山园记者所拍的屋顶积雪照片看，至少有10多厘米厚，而大部分市民居住的西湖以东城区却积雪不多。因为暖层刚好伸展到杭州城区东部，所以难以有积雪，而西湖西侧山区及以西地区，因未受该暖层影响，所以积雪较厚。当时，省气象台就是利用图3来进行判断的。事后省气象台在总结此次降雪过程中，也是用到了云天预报图，指出了城区积雪预报出现误差的原因正是近地面从东北方向吹来的东北风，由于本次寒潮冷空气强，洋面对于强冷空气来说却是一个相对热源，所以当大气低层的东北风经过时，将0 ℃以上的暖空气层吹向陆地，造成从嘉兴到杭州市区以及绍兴宁波一带实际积雪没有预报大。如果没有这张图，单从各规定层上是很难找出积雪预报偏差原因的。

图中最下边一条气温线为0 ℃线，杭州城区大约在英文“Zhe”这个位置，该线与1000 hPa线的交点为暖层西结点图3 2016年1月22日08时(a)、20时(b)EC降雪预报图

3.3 高山区降雪预报的个例应用介绍

近年来随着融媒体时代的来临，高山区一旦有降雪，手机微信中降雪照片大量出现，使得高山区降雪预报已成为眼下浙江预报员不得不面对的一个预报难点。原因是预报员之前总结的降雪预报方法，大都以地面测站为主，预报大多以700，850，925，1000 hPa等大气规定层的气温为判据或指标。而浙西高山海拔高度不一，一般在800～1000 m高度为主。如浙西杭州雷达站所在的大明山海拔高度为1450 m。用预报员常用指标方法难以作出降雪判断。图4为高山区降雪的案例的云天预报图。通过该图可以直观明了地作出判断。

图4为2017年12月13日23时EC云天预报图，采用“降雪预报气柱判别法”，大明山位于浙西边界稍偏东一点，即图中“Zhe Jiang”区域内西边界点附近。查看模式是否有降水量预报，若有再判别相态。然后在该点上空垂直划定一个气柱(意念上)，垂直气柱气温均在0 ℃以下，0 ℃线几乎垂直向下，最低到达约920 hPa，约900 m海拔，因此，大明山顶完全伸入0～-1 ℃的大气中，高空下降的雪花是来不及融化，就会成了山顶的降雪。实际上次日杭州媒体报道，大明山等浙西类似海拔的山上出现了降雪天气。类似案例还有，2017年12月15日夜里，2018年1月5日夜里，2018年3月20日夜里等浙西高山区均有降雪出现。说明在该图上结合模式降水，用“气柱法”作高山区降雪预报的判别方法是有较好应用价值的。

图4 2017年12月13日23时EC降雪预报图

4 结 语

随着数值预报精度的不断提高，以数值预报为基础的综合订正预报已成常态，但如何从数值预报大量的各种要素资料中选择相关要素并设计出有天气学意义的新型天气图，是摆在预报员面前的一个课题。浙江设计的云天和降雪预报天气图是一种有益的尝试。应用实践表明：

1)选取直接影响市民关心的云天预报相关的相对湿度随高度变化的综合剖面图，考虑了阳光照射大地受云层阻挡的过程，在经过多年预报探索，将预报员需要逐层考虑的问题，形象地转化为容易理解的综合天气图。同时将高层湿区作为好天标志，予以过滤，解决了看总云量分布带来的不足。

2)在同一张图中，选取气温随高度变化的综合剖面图，采用“降雪预报气柱判别法”，考虑气柱内0 ℃以下层的分布，分析云中雪花降落过程中雪花是否融化作为直观判别标准，克服了现行台站降雪预报中采用大气规定层气温分析判据所带来的不足。

3)上述天气图及其分析方法已在实践中已取得较好预报效果。许多预报问题是需要回归事物本源，从阳光透射厚薄云层和雪花降落是否融化的角度去设计上述专用天气图，这种思路有借鉴意义。