劉雨佳，郝春宏，劉 冰，申延美，孫砳石

（1.北京全球氣象導(dǎo)航技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)氣象局航空氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

雷雨是空氣在極端不穩(wěn)定狀況下所產(chǎn)生的劇烈天氣現(xiàn)象，它常挾帶大風(fēng)、暴雨、閃電、雷擊，甚至伴隨有冰雹出現(xiàn)，因此往往可造成災(zāi)害，還可以形成空中的強(qiáng)烈顛簸，覆蓋航路時(shí)迫使飛機(jī)繞飛，極大地危害民航運(yùn)輸業(yè)安全。 因此，對(duì)雷雨天氣的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，一直是航空和氣象部門關(guān)注的重點(diǎn)。 早期，人們通過(guò)對(duì)產(chǎn)生雷雨的天氣形勢(shì)進(jìn)行分型， 確定特定類型及其氣象要素的閾值， 做出某一區(qū)域發(fā)生雷雨天氣的預(yù)報(bào)；李長(zhǎng)武[1]通過(guò)分型總結(jié)了廣州夏季西太平洋西側(cè)的預(yù)報(bào)方法和氣象要素閾值；王炳泉[2]總結(jié)了杭州盛夏“西向型”雷雨的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)；馮旭原等[3]做了臨潼機(jī)場(chǎng)雷雨形勢(shì)分析與強(qiáng)度分級(jí)預(yù)報(bào)的研究；肖世平，陳育兵，楊向東等[4-6]也都針對(duì)所在機(jī)場(chǎng)地域氣候特點(diǎn)和地理環(huán)境的特征進(jìn)行了當(dāng)?shù)乩子觐A(yù)報(bào)的研究，正是這些前輩的研究工作為雷雨預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展， 人們開(kāi)始把數(shù)值預(yù)報(bào)的輸出結(jié)果與雷雨預(yù)報(bào)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合， 尋求在雷雨預(yù)報(bào)方法上的突破，高潔等[7]把2007 年發(fā)生在咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)的14 個(gè)雷雨天氣的天氣形勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行分析和分型，并與數(shù)值預(yù)報(bào)的48 h 的形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)做對(duì)比，延伸了雷雨預(yù)報(bào)的時(shí)效；楊德等[8]根據(jù)MICAPS 提供的2013 年數(shù)值預(yù)報(bào)資料，對(duì)貴陽(yáng)機(jī)場(chǎng)雷暴各氣象要素做了相關(guān)性分析， 指出K 指數(shù)、500 hPa 相對(duì)濕度和500 hPa 的垂直運(yùn)動(dòng)是貴陽(yáng)機(jī)場(chǎng)雷暴發(fā)生最主要的三個(gè)要素。 謝明金[9]利用數(shù)值產(chǎn)品對(duì)雙流機(jī)場(chǎng)雷雨天氣過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)， 對(duì)雙流機(jī)場(chǎng)雷雨過(guò)程的天氣形勢(shì)和要素場(chǎng)的特征進(jìn)行了分析， 并利用WAFS 產(chǎn)品制作了高空（850 hPa）溫度演變預(yù)報(bào)圖圖例，這些在工作中的有益實(shí)踐為數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的應(yīng)用展開(kāi)了新的前景。

由于數(shù)值預(yù)報(bào)中要素預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高， 質(zhì)量穩(wěn)定，業(yè)務(wù)工作對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的依賴性越來(lái)越強(qiáng)，但是， 雷雨這樣的天氣現(xiàn)象的發(fā)生往往是多種氣象要素共同影響的， 不是由某一個(gè)單一的氣象要素決定的，因此，綜合考慮各氣象要素的作用，檢驗(yàn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)雷雨的預(yù)報(bào)能力是很有必要的。

2 檢驗(yàn)原則與資料

2.1 檢驗(yàn)原則

本次檢驗(yàn)只針對(duì)2022 年夏季發(fā)生在北京首都和大興機(jī)場(chǎng)的雷雨天氣。 根據(jù)雷雨天氣發(fā)生的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，在預(yù)報(bào)要素中選取了水汽條件（空氣相對(duì)濕度）、垂直速度、低層輻合（以925 hPa 的風(fēng)速為代表）和能量條件（對(duì)流有效位能）作為檢驗(yàn)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分級(jí): (1) 將水汽條件分成4 級(jí):1000 hPa-650 hPa 的相對(duì)濕度≥90%認(rèn)為水汽條件好;80%≤相對(duì)濕度<90%認(rèn)為較好;70%≤相對(duì)濕度<80%認(rèn)為一般； 相對(duì)濕度<70%認(rèn)為水汽條件差。 (2) 垂直速度分級(jí)為： 垂直速度等值線閉合中心出現(xiàn)在近地層（850 hPa 以下） 且垂直速度≤-0.3×10-3Pa/s 設(shè)為1級(jí)；在中高空（850 hPa-500 hPa）且垂直速度≥-0.6×10-3Pa/s 且<-0.3×10-3Pa/s 設(shè)為2 級(jí)； 在中高空（850 hPa-500 hPa）且垂直速度<-0.6×10-3Pa/s 設(shè)為3 級(jí)。 (3) 低層輻合條件分為2 級(jí)： 在925 hPa 的風(fēng)速>5 m/s 認(rèn)為低層輻合條件好； 在925 hPa 的風(fēng)速≤5 m/s 認(rèn)為低層輻合條件差。 (4)能量條件分為2級(jí)： 在雷雨發(fā)生過(guò)程中出現(xiàn)的對(duì)流有效位能變化量≥50 J/Kg（無(wú)論上升還是下降）認(rèn)為能量條件好，對(duì)流有效位能變化量<50 J/Kg （無(wú)論上升還是下降）認(rèn)為能量條件差。

在EC 模式對(duì)雷雨天預(yù)報(bào)正確的基礎(chǔ)上，若滿足(1)水汽條件預(yù)報(bào)的等級(jí)達(dá)到較好及以上，(2)垂直速度預(yù)報(bào)的達(dá)到1、2 或3 級(jí)的;(3)低層輻合條件預(yù)報(bào)的等級(jí)達(dá)到好的;(4)能量條件預(yù)報(bào)的等級(jí)達(dá)到好的4 個(gè)條件中的任意一個(gè)， 認(rèn)為該次雷雨天氣是由該條件起主導(dǎo)作用引起的。

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，在2022 年夏季發(fā)生在北京首都機(jī)場(chǎng)的雷雨天氣共計(jì)有22 次， 其中1 次無(wú)資料， 故本文中參與統(tǒng)計(jì)的首都機(jī)場(chǎng)雷雨天次數(shù)為21次； 發(fā)生在北京大興機(jī)場(chǎng)的雷雨天氣共計(jì)有23 次，其中1 次無(wú)資料， 故本文中參與統(tǒng)計(jì)的大興機(jī)場(chǎng)的雷雨天次數(shù)為22 次。 由于資料限制，只統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)成功率和漏報(bào)率，不考慮空?qǐng)?bào)率。

2.2 資料

EC 資料每天輸出2 次（08 時(shí)和20 時(shí)，北京時(shí)，下同），時(shí)間分辨率間隔3 h，水平分辨率0.125°；按照有利原則， 選取雷雨天氣發(fā)生前最近一次的預(yù)報(bào)輸出結(jié)果，間隔3 h，分辨率0.125°；時(shí)段選擇雷雨天氣產(chǎn)生時(shí)段的覆蓋區(qū)，或最近時(shí)間。 雷雨天氣記錄選至北京首都和大興機(jī)場(chǎng)的整點(diǎn)METAR 報(bào)文。兩機(jī)場(chǎng)之間距離64 km。

3 雷雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，從表1 中可以看到，在首都機(jī)場(chǎng)的21次雷雨天氣中，EC 模式預(yù)報(bào)的水汽條件達(dá)到較好及以上的（即表中滿足次數(shù)）共有9 次，垂直速度達(dá)到1、2 及3 級(jí)的共有15 次， 低層輻合條件達(dá)到好的有13 次，能量條件達(dá)到好的有18 次。 在大興機(jī)場(chǎng)的22次雷雨天氣中，EC 模式預(yù)報(bào)的水汽條件達(dá)到較好及以上的共有7 次， 垂直速度達(dá)到1、2 及3 級(jí)的共有11 次，低層輻合條件達(dá)到好的有14 次，能量條件達(dá)到好的有19 次。

表1 北京機(jī)場(chǎng)EC 預(yù)報(bào)要素對(duì)雷雨天氣的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（表1），首都機(jī)場(chǎng)的EC 模式預(yù)報(bào)結(jié)果正確的8 次雷雨天氣過(guò)程中， 水汽條件起主導(dǎo)作用的有7 次；垂直速度起主導(dǎo)作用的有7 次；低層輻合起主導(dǎo)作用的有6 次； 能量條件起主導(dǎo)作用的有7 次。 大興機(jī)場(chǎng)的EC 模式預(yù)報(bào)結(jié)果正確的10 次雷雨天氣過(guò)程中，水汽條件起主導(dǎo)作用的有7 次；垂直速度起主導(dǎo)作用的有6 次； 低層輻合起主導(dǎo)作用的有7 次；能量起主導(dǎo)作用的有9 次。

由此計(jì)算出， 在首都機(jī)場(chǎng)的21 次雷雨天氣中，EC 模式預(yù)報(bào)出有雷雨的次數(shù)為8 次， 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率38%，漏報(bào)率62%；在大興機(jī)場(chǎng)的22 次雷雨天氣中，EC 模式預(yù)報(bào)出有雷雨的次數(shù)為10 次， 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率45%，漏報(bào)率55%。其中，在北京首都機(jī)場(chǎng)模式預(yù)報(bào)雷雨天氣結(jié)果正確的基礎(chǔ)上， 各個(gè)條件的主導(dǎo)貢獻(xiàn)率分別是：水汽條件為78%，垂直速度為47%，低層輻合為46%，能量變化為39%。 北京大興機(jī)場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果正確的主導(dǎo)貢獻(xiàn)率分別是： 水汽條件為100%，垂直速度為55%， 低層輻合為50%， 能量變化為47%。 以上結(jié)果說(shuō)明水汽條件是關(guān)鍵，也就是說(shuō)當(dāng)水汽條件不充分的條件下， 數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)雷雨天氣的預(yù)報(bào)能力就會(huì)受到明顯影響。

此外，兩個(gè)機(jī)場(chǎng)在同一時(shí)段或臨近時(shí)段（反應(yīng)了是同一天氣過(guò)程影響） 都出現(xiàn)雷雨天氣的共計(jì)有13次，數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果正確的只有4 次。

4 預(yù)報(bào)個(gè)例分析

受鋒面氣旋影響，2022 年6 月12 日20 時(shí)-13 日01 時(shí)，北京首都機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了一次持續(xù)了5 h 的雷雨天氣過(guò)程。從該過(guò)程的綜合廓線圖中可以看到（圖1），12日20 時(shí)，在925-700 hPa 空氣相對(duì)濕度70%-80%，按照2.1 檢驗(yàn)原則中的分級(jí)， 水汽條件一般， 700 hPa以上高度的空氣相對(duì)濕度在60%以下， 具有上干下濕的位勢(shì)不穩(wěn)定特征； 空氣的垂直上升運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在近地層1000 hPa-650 hPa 這一層結(jié)中， 中心在850 hPa， 最大值達(dá)-1.5×10-3Pa/s； 925 hPa 的風(fēng)速達(dá)10 m/s，低層輻合明顯；由對(duì)流有效位能圖看（圖2），在雷雨發(fā)生前的17 時(shí)， 對(duì)流有效位能為1348 J/Kg，在雷雨發(fā)生過(guò)程中對(duì)流有效位能逐漸下降至20 時(shí)的1257 J/kg、23 時(shí)的1139 J/kg，在雷雨結(jié)束后的13 日02時(shí)對(duì)流有效位能下降到304 J/kg，雷雨天氣發(fā)生過(guò)程中能量釋放過(guò)程清晰。 從降水量的預(yù)報(bào)值看（圖3），主要降雨時(shí)段在12 日20-23 時(shí)，降水量為15.1 mm，其中對(duì)流降水量10.8 mm； 在12 日23 時(shí)-13 日02時(shí)，還有1.1 mm 的降水量，均是對(duì)流降水量。 這是一次在大氣中水汽條件并不充沛的情況下， 由于其它要素表現(xiàn)顯著，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，造成大氣中的水汽在一定范圍的快速積累，觸發(fā)了一次雷雨天氣過(guò)程。

圖1 2022 年6 月12 日08 時(shí)-13 日08 時(shí)EC 首都機(jī)場(chǎng)綜合廓線圖（紅色實(shí)線：溫度℃，黑色實(shí)線：垂直速度10-3 Pa/s，色斑：空氣相對(duì)濕度%，風(fēng)羽：各等壓面風(fēng)）

圖2 2022 年6 月12 日08 時(shí)至13 日08 時(shí)EC 對(duì)流有效位能（ J/kg）預(yù)報(bào)圖

5 小結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)北京兩個(gè)機(jī)場(chǎng)已發(fā)生的雷雨復(fù)盤檢驗(yàn)，EC 的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率在38%-45%, 漏報(bào)率55%-62%，空?qǐng)?bào)率沒(méi)有檢驗(yàn)。

（2）對(duì)雷雨預(yù)報(bào)影響最顯著的因子是水汽含量（空氣相對(duì)濕度），此外垂直速度、低層輻合、能量條件（對(duì)流有效位能）等因素也具有較為明顯的作用。

（3）大氣上干下濕的位勢(shì)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對(duì)非熱力型雷雨的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

（4）EC 對(duì)水汽含量相對(duì)小（<70%）的雷雨天氣幾乎沒(méi)有預(yù)報(bào)能力。

（5）發(fā)生在大氣中低層（1000 hPa-650 hPa）的垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)雷雨云團(tuán)的發(fā)展作用也較為明顯。