低頻天氣圖方法與湖北省夏季強降水過程探究

管林宸

摘 要 利用2008—2012年4—6月NCEP/NCAR 500 hPa高度場和700 hPa風場逐日格點資料以及湖北省89個地面氣象觀測站逐日降水觀測資料，通過使用低頻天氣圖的方法，確定影響湖北省的強降水過程天氣關鍵區，從而進一步分析影響湖北省強降水過程的低頻天氣系統的活動周期、變化路徑，同時憑借低頻天氣系統和強降水過程的相關配置，針對湖北省4—6月的強降水過程，構建了模型。對2013—2015年4—6月強降水過程進行預報檢驗，準確率為63%，其中報對19次強降水過程，空報2次，漏報10次。

關鍵詞 低頻天氣圖；強降水過程；預報模型

中圖分類號：P426.6 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.06.074

根據近些年氣候變化，在遵循大氣低頻振蕩原理和特性的基礎上，對天氣過程的預報方法以及延伸期大氣低頻環流系統的預報方法進行了一定研究，國內外對此都取得了顯著成效。基于延伸期預報的重要性地位，我國專家展開了深入研究，并取得了一定進展。陳麗娟等[1]在大氣環流模式的基礎上，針對高度場進行延伸期預報。覃志年等[2]則針對暴雨發生的過程進行了延伸期預報。在20世紀末，章基嘉等[3]提出運用低頻天氣圖進行延伸期預報。與此同時，孫國武等[4-6]與He等[7]在日常預報試驗中，大膽采用低頻天氣圖的方式，對其加以推廣，在近些年的研究中有所突破。上海[8]、江蘇[9]等率先應用此方式，發揮了表率作用。

湖北省位于長江中游、洞庭湖以北，地勢上東、西、北三面環山，中間低平，略呈由西北向東南傾斜的趨勢。省內河網密布，長江自西向東流經湖北全省，與其最長支流漢江構成省內兩大干流，所以湖北素有“千湖之省”之稱，也因其地理位置和地形等自然因素的影響，造成湖北水害問題尤為顯著，成為困擾當地政府的重要問題之一。在前人研究的前提下，結合湖北省本地的天氣過程，探討低頻天氣圖在湖北省伸期預報中的研究與應用以及本地化改進情況，以期能夠在防災減災方面提出建設性意見。

1 資料與方法

在研究，主要采用美國環境預報中心國家大氣研究中心5年間第二季度500 hPa高度場和700 hPa風場逐日再分析資料，降水研究資料則是采用了湖北省近百個地面氣象觀測站的真實降水數據，以此展開論述。

本研究過程中應用的為Batterworth濾波器[10]，立足于時間尺度，參考大氣低頻震蕩的周期性一般會維持30～

50 d，體現了其一定的持續性，所以選擇的為這一范圍的綠波帶；通過Batterworth帶通濾波器對逐日風場資料進行處理，進行低頻流程圖的繪制時，選用的為濾波后的資料。根據繪制圖分析，能夠對低頻氣旋以及低頻反氣旋等作出大致預判，例如周期的長短、路徑變化[11-12]。為保證研究數據精確性，對于研究對象有一定要求，日降水量大于等于10 mm的站數不少于30站為強降水過程的開始日期，不大于15站的前一日為強降水過程的結束日期。

2 低頻天氣圖預報方法

2.1 確定低頻預報關鍵區

湖北省4—6月強降水過程同時受到中高緯度天氣系統和低緯度天氣系統的影響。通過統計分析歷史個例以及結合湖北本地的天氣和氣候特點、預報經驗，選定出六個低頻預報關鍵區：即西太平洋地區（10°～30°N、120°～140°E，簡稱1區）、中南半島到華南、南海中北部地區（10°～30°N、100°～120°E，簡稱2區）、印度-孟加拉灣地區（10°～30°N、70°～100°E，簡稱3區）、河套地區（30°～50°N、100°～120°E，簡稱4區）、新疆地區（30°～50°N、70°～100°E，簡稱5區）、貝加爾湖地區（50°～70°N、70°～120°E，簡稱6區），分別代表不同方向的影響天氣系統，如圖1所示。

2.2 低頻天氣系統活動周期

統計分析2008—2012年4—6月低頻流場圖上各關鍵區活動周期30～50 d的低頻天氣系統特點得出結論，處于不同地區時，低頻天氣系統活動周期存在差異性，根據研究計算，1區天氣系統為18次、2區為14次、3區為18.5次、4區為14次、5區為18次、6區則為14.5次。根據各預報關鍵區內低頻氣旋反氣旋出現和消失的時間，統計出低頻系統的振蕩周期，將頻次最多的周期，作為6個關鍵區低頻系統的變化周期，見表1。

從圖2可看出，2009年3月25日至4月22日700 hPa的低頻流場圖的分析結果。在10°～30°N、100°～120°E的區域范圍內，3月25日出現了低頻反氣旋，4月1日消失；4月8日低頻氣旋生成，4月23日消失，低頻天氣系統活動周期近29 d。

2.3 低頻天氣系統路徑變化分析

根據低頻天氣系統的路徑變化規律，將其劃分為移動型與振蕩型。移動型即低頻天氣系統在某關鍵區生成后，位相南北傳播或東西傳播，并移出該關鍵區。震蕩型指的是低頻天氣系統會在某個關鍵區域形成，過后消失于原地，始終不會脫離于關鍵區域外活動。統計2008—2012年4—6月700 hPa低頻流場圖上各關鍵區低頻天氣系統的變化路徑可得：1區生成的低頻天氣系統多為向西或原地振蕩移動；2、4區和5區生成的低頻天氣系統多為原地振蕩；3區生的低頻天氣系統多為向東或向東北移動；6區生成的低頻天氣系統多為向東或向東南移動。

2.4 低頻天氣系統與強降水過程的配置

根據統計，2008—2012年4—6月湖北省共出現強降水過程54次。根據6個關鍵區低頻天氣系統的演變特征，分析低頻氣旋（反氣旋）和湖北省54次強降水過程的配置關系。

2.4.1 低頻氣旋（反氣旋）與強降水過程

通過研究700 hPa低頻氣旋（反氣旋）的變化情況得出以下結論：1）如果1區出現低頻氣旋活動，則強降水發生頻次為16次，反之，出現低頻反氣旋活動時，強降水發生頻次為14次；2）若2區發生低頻氣旋活動，強降水頻次為18次，反之，出現低頻反氣旋活動時，強降水頻次為6次；3）如果3區發生低頻氣旋活動，強降水頻次為31次，反之，出現低頻反氣旋活動，則強降水頻次為23次；4）若4區出現低頻氣旋活動，強降水頻次為12次，反之，出現低頻反氣旋活動，強降水頻次為8次；5）若5區出現低頻氣旋活動，強降水頻次為16次，反之，出現低頻反氣旋活動，強降水頻次為12次；6）如果6區出現低頻氣旋活動，強降水頻次為19次，反之，若出現低頻反氣旋活動，強降水頻次為19次。

綜上所述，低頻氣旋活動與反氣旋活動會影響到某個地區的降水情況，根據分析6個區域的氣旋活動，得出湖北省的降水情況受到以下氣旋影響：1、3、4、5區域的低頻氣旋活動影響，6區的低頻氣旋以及反氣旋活動，加之2區的低頻反氣旋活動。雖然湖北省降水情況受到6個區域氣旋影響，但不同區域的低頻天氣系統可以不同時存在。

2.4.2 建立低頻預報模型

實踐表明，低頻天氣系統具有周期性、空間平面的連續性、移動路徑相似性、生成源地的準定常性等特性，此結論與孫國武等[4-6]的結論基本一致。通過綜合分析湖北省較強降水與各個區域低頻系統活動特征之間的關聯，建立低頻預測模型具體為：700 hPa低頻流場圖上，1、3、4、5區至少有一區出現且僅出現低頻氣旋，2區至少有一區出現且僅出現低頻反氣旋，則湖北省境內才會有強降水過程的發生。

2.5 構建預報流程

針對湖北省強降水過程分析時，主要依據為低頻預報模型，筆者認為，構建預報流程如下：1）要參考不同關鍵區當天低頻天氣系統，以便更加精確統計外推周期，2）總結出幾個關鍵區一定時間的低頻天氣系統變化情況，以此為標準，制作接下來10～30 d的強降水過程預報。

3 低頻天氣系統預測模型的應用及檢驗

運用低頻天氣圖的方法，建立了適用于湖北省未來10～30 d的強降水過程預報模型，并對湖北省2013—2015年的4—6月的強降水過程進行了預報檢驗。共計進行了21次預報，其中報對19次，漏報10次，空報共計2次，總體預報效果較好，其中漏報的次數所占比例較大，4月的漏報尤其明顯，2次空報的實際低頻系統演變比預報日所推算的日期變化推遲了5～15 d，因此在未來實際應用中，務必要對低頻系統的變化情況加以分析，更加及時地掌握模型前期的預報結果，能夠在最短時間內進行滾動訂正預報，大幅度提升預報精準率。

4 結論

1）運用低頻天氣圖方法，首先確定了影響湖北強降水過程的6個天氣關鍵區，在通過分析天氣關鍵區低頻天氣系統與強降水過程對應關系的基礎上，建立了湖北省前汛期（4—6月）延伸期強降水天氣過程預報模型。經過2013—2015年應用檢驗，表明該模型對湖北地區強降水過程有比較好的預報能力。

2）本預報模型用于預測4月強降水過程預報準確率偏低，是與主導影響系統的變換有關還是模型建立過程中未考慮季節因素引起的，有待作進一步的分析與探討。

參考文獻：

[1] 陳麗娟，陳伯民，張培群，等.T63模式月動力延伸預報高度場的改進實驗[J].應用氣象學報，2005，16（s1）：92-96.

[2] 覃志年，李維京，何慧，等.廣西6月區域性暴雨過程的延伸預測試驗[J].高原氣象，2009，28（3）：668-693.

[3] 章基嘉，孫國武，陳寶德.青藏高原大氣低頻變化的研究[M].北京：氣象出版社，1991.

[4] 孫國武，信飛，陳伯民，等.低頻天氣圖預報方法[J].高原氣象，2008，27（s1）：64-68.

[5] 孫國武，信飛，孔春燕，等.大氣低頻振蕩與延伸期預報[J].高原氣象，2010，9（5）：1142-1147.

[6] 孫國武，馮建英，陳伯民，等.大氣低頻振蕩在延伸期預報中的應用進展[J].氣象科技進展，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] 信飛，孫國武，陳伯民.自回歸統計模型在延伸期預報中的應用[J].高原氣象，2008，27（s1）：69-75.

[9] 孫國武，李震坤，信飛.用低頻天氣圖方法進行延伸期預報的探索[J].氣象科技進展，2013，3（1）：6-10.

[10] 蔣薇，國武，陳伯民，等.江蘇省汛期強降水過程的延伸期預報試驗[J].氣象科學，2011，31（b12）：28-34.

[11] 胡春麗，李輯，陳伯民，等.低頻天氣圖方法在遼寧夏季延伸期強降水預報中的應用[J].氣象科技進展，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.

（責任編輯：劉昀）