柳志慧，王式功，尚可政*，孔德兵，2，趙文婧，王　昀

（1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅省干旱與減災重點實驗室，甘肅　蘭州730000；2.中國人民解放軍95606部隊氣象臺，重慶　402361）

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天山南麓雷暴日短期預報研究

柳志慧1，王式功1，尚可政1*，孔德兵1，2，趙文婧1，王昀1

（1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅省干旱與減災重點實驗室，甘肅蘭州730000；2.中國人民解放軍95606部隊氣象臺，重慶402361）

摘要：利用阿克蘇及鄰近地區(qū)12個氣象站1980—2013年雷暴資料，以及同期高空資料，統(tǒng)計了各站年均雷暴日數(shù)，對發(fā)生區(qū)域雷暴天氣的環(huán)流形勢進行分類，歸納出各型的入型指標。通過逐步回歸法，建立阿克蘇及鄰近地區(qū)區(qū)域雷暴概率回歸預報模型，并對2013年進行試預報。結果表明：（1）阿克蘇及鄰近地區(qū)區(qū)域雷暴的影響系統(tǒng)主要分為4類：巴湖低槽型、急流型、西北氣流型和溫度槽型。（2）對2002—2012年5—9月（共1683d）歷史資料進行判別，滿足入型條件的樣本數(shù)為876d，消空率為48%；對2013年5—9月（共153d）歷史資料進行判別，入型樣本數(shù)為80d，消空率為48%。（3）對2002—2012年5—9月所有入型樣本進行回代檢驗，平均準確率為72.0%（平均TS評分為30.1%）；對2013年5—9月所有入型樣本進行試預報，平均準確率為63.2%（平均TS評分為28.2%）。

關鍵詞：雷暴；環(huán)流分型；逐步回歸方程；回代檢驗；試預報

柳志慧，王式功，尚可政，等.天山南麓雷暴日短期預報研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：43-49.

新疆阿克蘇地區(qū)是著名的優(yōu)質商品棉和名優(yōu)瓜果生產基地之一，雷暴天氣經常給當?shù)氐霓r業(yè)生產帶來嚴重的經濟損失[1-2]。如2005年7月15日，阿克蘇及鄰近地區(qū)出現(xiàn)了較強的冰雹和暴雨對流性天氣。此次降雹使棉花、玉米、瓜菜等遭受嚴重損失，受災面積達到2245 hm2，經濟損失計2359.16萬元。阿克蘇地區(qū)地處天山山脈中段南麓、塔里木盆地北緣，冷空氣經常從伊犁河谷翻越天山到達阿克蘇地區(qū)上空，快速形成上冷下暖的不穩(wěn)定層結，進而產生雷暴天氣。這與我國其它地區(qū)雷暴產生的天氣背景明顯不同，值得深入研究。

雷暴生命史短、空間尺度小、局地性強，一直是天氣預報的難點[3-6]。目前，雷暴的短期預報方法主要有物理量指標判別法、統(tǒng)計預報法、天氣學法和數(shù)值預報法等，國內外學者對此做了一定的研究[7-15]。物理量指標判別法方面，李耀東等[16-17]選取對流有效位能（CAPE）、氣團指數(shù)（K）、沙氏指數(shù)（SI）以及能量螺旋度指數(shù)（EHI）等對流參數(shù)，采用多指標疊加法對雷暴落區(qū)進行預報。郝瑩等[18]通過多指標疊加法對安徽省的雷暴天氣進行了預報。統(tǒng)計預報法方面，Maglars和La Penta[19]曾選取能較好反映大氣狀態(tài)的參數(shù)作為預報因子，采用統(tǒng)計相關和回歸建模，進行了雷暴預報。Ravi等[20]利用多元回歸法和圖解法進行雷暴預報試驗，結果表明，多元回歸法優(yōu)于圖解法。郭睿君[21]通過對伊寧機場天氣資料及其組合的計算，尋找出一些與產生雷暴關系較為密切的因子，利用統(tǒng)計預報中多因子綜合相關法建立了伊寧機場雷暴的預報方程。柴瑞等[22]采用3種不同的方法（逐步選擇法、逐步回歸法和相關分析法）對南京地區(qū)2006—2008年6—8月的552個對流參數(shù)樣本進行因子篩選，再利用Bayes判別分析、Logistic回歸判別和神經網絡對南京地區(qū)雷暴進行預報，得出在當?shù)乩妆╊A報中，Logistic回歸判別法優(yōu)于其他兩種方法。楊仲江和唐小峰[23]利用上海地區(qū)1999—2007年的探空資料，選取K、SI和CAPE作為預報因子，采用逐步消空法對上海地區(qū)的雷暴進行預報研究。劉哀釗[24]等通過對2006年6—9月西昌大量對流參數(shù)進行計算，采用事件概率回歸法，得到雷暴預報方程，對2007年進行預報。天氣學法方面，張星辰等[25]研究了河西走廊東部強雷暴天氣發(fā)生的4種環(huán)流背景：蒙古低槽南壓型、哈密小槽東移型、新疆脊前西北氣流型和新疆冷槽分裂東移型。王旭等[26]對新疆冰雹天氣過程進行分析，歸納出4種地面天氣形勢：中尺度高壓、鋒面氣旋南部東移的中尺度高壓、強冷鋒前部分裂出的中尺度高壓和南疆西部中尺度高壓。李海燕[27]等分析總結了巴州地區(qū)易產生強對流天氣的影響系統(tǒng)，得出西西伯利亞冷渦型和西北氣流下的冷槽后部型是巴州地區(qū)強對流天氣的主要影響系統(tǒng)。張振憲[28-29]對南疆阿克蘇和庫沙新地區(qū)雷暴的影響系統(tǒng)做了研究，得出巴爾喀什湖低渦型、中亞低糟型、南北槽匯合型、西西伯利亞—中亞大糟型和鋒區(qū)短波糟型是當?shù)乩妆┨鞖獾闹饕绊懴到y(tǒng)。數(shù)值預報法方面，孔玉壽和沈家宜[30]采用數(shù)值模式預報（M）、天氣學經驗預報（E）、診斷分析（D）綜合分析的方法，建立起南京地區(qū)雷暴MED預報模型。曹志國等[31]應用“指標序列”法對數(shù)值預報產品進行釋用，確定出雷暴預報方程，并配合單站氣象要素組成機場航站雷暴預報規(guī)則，做出雷暴預報。

綜上所述，以往雷暴短期預報研究方法多采用統(tǒng)計預報法，選取與雷暴發(fā)生相關性較高的對流參數(shù)作為預報因子，利用多元線性回歸法、判別分析法等建立預報方程，而對雷暴天氣形勢劃分的研究較少，且只給出了雷暴發(fā)生前的天氣形勢的定性描述，沒有給出雷暴發(fā)生時的天氣形勢及定量判別指標。因此，本文擬從天氣分型入手，利用數(shù)值預報產品釋用技術，對阿克蘇地區(qū)雷暴環(huán)流形勢進行分類，歸納出雷暴天氣型的入型指標，在此基礎上結合物理量診斷，研究阿克蘇地區(qū)雷暴預報方法。

1　資料和方法

1.1資料

本文所使用的資料為：（1）阿克蘇及鄰近地區(qū)（39°～44°N，78°～87°E）1980—2013年12個地面站點的雷暴實況觀測資料；（2）2002—2013年5—9月NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析資料；（3）2002—2013 年5—9月NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料計算得出的物理量。

1.2方法

（1）單站雷暴日定義

規(guī)定同一測站一日內任意時段發(fā)生雷暴、冰雹天氣確定為此站點的一個雷暴日。

（2）區(qū)域雷暴日定義

規(guī)定阿克蘇及鄰近地區(qū)一日內有3個測站以上發(fā)生雷暴、冰雹天氣稱為一個區(qū)域雷暴日。

（3）天氣分型及入型指標的確定

總結阿克蘇及鄰近地區(qū)2002—2012年的所有區(qū)域雷暴個例，從中歸納出區(qū)域雷暴的主要天氣型及入型指標。

（4）雷暴概率回歸預報模型

利用2002—2012年5—9月所有入型樣本及當日預報因子，通過逐步回歸方法，建立阿克蘇及鄰近地區(qū)區(qū)域雷暴24 h概率回歸預報模型。

（5）預報效果檢驗標準

預報準確率：

（1）、（2）式中各項意義見表1。

表1　NA、NB、NC和ND的意義

利用TS評分最大原則，確定區(qū)域雷暴發(fā)生的臨界值。對2002—2012年5—9月所有入型樣本進行回代檢驗，對2013年5—9月所有入型樣本進行試預報。

2　阿克蘇及鄰近地區(qū)雷暴的年內分布特征

表2統(tǒng)計了1980—2013年阿克蘇及鄰近地區(qū)12個觀測站的年內各月平均雷暴日數(shù)，年均雷暴日數(shù)最多的站為阿合奇，為40.1 d，年均雷暴日數(shù)最少的站為焉耆，只有6.2 d。根據區(qū)域雷暴日的定義,區(qū)域雷暴集中發(fā)生在5—9月，下面天氣分型主要針對這些月份。

3　雷暴天氣分型及入型指標的確定

對阿克蘇及鄰近地區(qū)2002—2012年5—9月的170例區(qū)域雷暴當日天氣形勢進行分析、歸類，劃分出了4種類型：巴爾喀什湖（簡稱巴湖）低槽型、急流型、西北氣流型和溫度槽型。

3.1環(huán)流特征

巴湖低槽型：天氣型特征（圖1a）為500 hPa中低緯度多為經向環(huán)流，烏拉爾山附近為穩(wěn)定的高壓脊，巴湖附近為低槽區(qū)。該型占35.3%（表3）。

表2　阿克蘇及鄰近地區(qū)各月雷暴日數(shù)

急流型：天氣型特征（圖1b）為500 hPa上在35°～50°N，60°～90°E范圍內有等壓線密集帶，伴有較大風速。該型占30.0%（表3）。

西北氣流型：天氣型特征（圖1c）為500 hPa上阿克蘇及鄰近地區(qū)處于槽后西北氣流中，溫度槽落后于高度槽。該型占22.3%（表3）。

溫度槽型：天氣型特征（圖1d）為500 hPa上巴湖附近有明顯的冷中心或冷槽，隨著系統(tǒng)東移，冷空氣越過天山山脈，到達阿克蘇及鄰近地區(qū)的上空，造成雷暴天氣。該型占10.0%（表3）。

表3　2002—2012年各天氣型下發(fā)生區(qū)域雷暴次數(shù)統(tǒng)計

3.2入型標準的定量化

（1）巴湖低槽型：分為豎槽和橫槽兩種情況，分別定義其槽強度指數(shù)為trough1和trough2。

其中：a為45°～70°E每隔5°共6條經線上35°～45°N位勢高度場和的最大值，b為87.5°～92.5°E每隔2.5°共3條經線上35°～45°N位勢高度場的和的最大值，c為75°E上35°～45°N位勢高度場的和。

其中：d為40°N上60°～90°E位勢高度場的和，e為50°N上60°～90°E位勢高度場的和，f為45°N 上60°～90°E位勢高度場的和。

圖1　500 hPa高度場（實線）和溫度場（虛線）

定義巴湖低槽指數(shù)trough為trough1和trough2中的最大值，用于確定巴湖附近出現(xiàn)的槽的類型和強度，當trough≥f0時，則認為有低槽出現(xiàn)，閾值的確定需要通過不斷修訂f0的值，使得能夠識別出明顯的低槽。最終確定入型指標為：trough≥f0，f0=80。

（2）急流型：由于急流帶較窄，本文根據阿克蘇及鄰近地區(qū)的地理位置，選定兩個關鍵區(qū)域（40°～50°N，60°～90°E和35°～45°N，60°～90°E）判定其有無急流，急流指數(shù)分別為stream1和stream2，并利用45°N上60°～90°E的最大風速Umax做一個補漏的判定。

其中：a為40°N緯線上60°～90°E位勢高度場的和，b為50°N上60°～90°E位勢高度場的和，c為35°N上60°～90°E位勢高度場的和，d為45°N上60°～90°E位勢高度場的和。

定義急流指數(shù)stream為stream1和stream2中的最大值，用于判定急流出現(xiàn)的緯度帶和強度，當stream≥f1時，認為有急流出現(xiàn)，當stream不滿足條件時，需進一步判定是否存在Umax≥f2，若滿足條件也判定為急流型。閾值的確定需要通過不斷修訂f1和f2的值，直到能夠識別出明顯的急流。最終確定入型指標為：stream≥f1，f1=160，或Umax≥f2，f2=20。

（3）西北氣流型：定義西北氣流指數(shù)airflow為中亞地區(qū)（45°～70°E）每隔5°經線上的位勢高度的最大值與90°E上的位勢高度的差，若西高東低，即阿克蘇及鄰近地區(qū)處于西北氣流中，則airflow為正值。

其中：a為45°～70°E每隔5°共6條經線上35° ～45°N位勢高度和的最大值，記錄此最大值所在經度y，b為90°E上35°～45°N位勢高度的和。

當airflow≥f3時，可以認為阿克蘇及鄰近地區(qū)處于西北氣流中。閾值的確定需要通過不斷修訂f3的值，使得能夠識別出明顯的西北氣流。最終確定入型指標為：airflow≥f3，f3=70。

（4）溫度槽型：溫度槽相對于高度槽而言，范圍較小，位置多變，本文考慮了溫度槽的4種情況：溫度豎槽1（40°～45°N，65°～85°E），溫度豎槽2（40°～45°N，70°～90°E），溫度橫槽（40°～50°N，65°～85°E），溫度斜槽（40°～50°N，70°～85°E），分別定義其槽強度指數(shù)為t1，t2，t3，t4。

其中：a為65°E上40°～45°N位勢高度場的和，b為85°E上40°～45°N位勢高度場的和，c為75°E 上40°～45°N位勢高度場的和。

其中：d為70°E上40°～45°N位勢高度場的和，e為90°E上40°～45°N位勢高度場的和，f為80°E上40°～45°N位勢高度場的和。

定義溫度橫槽指數(shù)t3為40°～50°N，每隔2.5°的相鄰兩條緯線上65°～85°E位勢高度的和的差值的最大值。

其中：g為50°N，70°E上的位勢高度的值，h為40°N，85°E上的位勢高度的值，l為45°N，77.5°E上的位勢高度的值。

定義溫度槽指數(shù)t為t1，t2，t3和t4中的最大值，用于確定溫度槽的類型和強度，當t≥f4時，可以認為有溫度槽出現(xiàn)。閾值的確定需要通過不斷修訂f4的值，直到能夠識別出明顯的溫度槽。最終確定入型指標為：t≥f4，f4=1.5。

3.3天氣型判別效果檢驗

用上述入型指標對2002—2012年5—9月（共1683 d）的歷史資料進行判別，結果（表4）表明，滿足入型條件的樣本數(shù)為876 d，消空率為48%，其中漏報4d，漏報率為2.4%。天氣分型大大縮減了預報樣本數(shù)，有效提高了預報針對性。

表4　2002—2012年天氣型判別結果

對2013年5—9月（共153 d）歷史資料進行判別，結果見表5。入型樣本數(shù)為80 d，消空率為48%，15 d實際有區(qū)域雷暴發(fā)生的樣本全部入型，無漏報。

表5　2013年天氣型判別結果

4　雷暴概率回歸預報模型

4.1預報因子的選取

本文選取了2002—2012年5—9月NCEP/ NCAR 1°×1°再分析資料計算得出的36個對流參數(shù)，如下：

（1）水汽因子：整層可降水量PW AT、850 hPa、700 hPa、500 hPa比濕，相對濕度，溫度露點差，水汽通量和露點：Q850、Q700、Q500、RH850、RH700、RH500、TDD850、TDD700、TDD500、VAPFLUXDIV850、VAPFLUXDIV700、VAPFLUXDIV500、TD850、TD700、TD500共16個因子。

（2）不穩(wěn)定度因子：TD指數(shù)，總指數(shù)TOAT，氣團指數(shù)K，最優(yōu)抬升指數(shù)BLI，沙氏指數(shù)SI，0°層高度Z0、-20°層高度Z20，850 hPa、700 hPa、500 hPa假相當位溫：SITASE850、SITASE700、SITASE500，共10個因子。

（3）動力因子：0～6 km風切變SHR6、0～3 km風切變SHR3、大風指數(shù)W INDEX、地面氣壓PS共4個因子。

（4）不穩(wěn)定能量因子：最優(yōu)對流有效位能BCAPE、對流抑制能量CIN、下沉有效位能DCAPE 共3個因子。

（5）溫度平流因子：500 hPa、700 hPa、850 hPa溫度平流TMPADV500、TMPADV700、TMPADV850，共3個因子。

采用相關系數(shù)臨界值rc來判別各對流參數(shù)與發(fā)生區(qū)域雷暴的單相關系數(shù)是否通過顯著性檢驗。其計算公式為：

其中：tα表示顯著水平α=0.05的臨界值，n表示樣本數(shù)，n-2表示自由度，如果計算的相關系數(shù)r>rc，則通過顯著性t檢驗。

通過上式求得的4類天氣型下臨界相關系數(shù)值rc分別為0.1131、0.1249、0.1378、0.1757。結合敏感物理量不可重復的原則，對不同天氣型分別篩選出相關系數(shù)通過顯著性檢驗的對流參數(shù)（表6）。

表6　各天氣型下的對流參數(shù)

表6說明，BLI、K、SI、TOAT以及BCAPE等與區(qū)域雷暴的相關性較好，對雷暴（冰雹）有較好的指示意義，且不同天氣型下指示意義較好的對流參數(shù)有所差異。

4.2概率回歸預報模型的建立

首先，對符合區(qū)域雷暴天氣形勢當日的實況進行（0，1）化處理，0為無區(qū)域雷暴發(fā)生，1為有區(qū)域雷暴發(fā)生。然后利用各天氣型下通過顯著性檢驗的區(qū)域雷暴發(fā)生當日的對流參數(shù)，采用逐步回歸方法，建立預報方程，最后按TS評分最高原則確定方程的臨界值，做出有無區(qū)域雷暴的預報。

利用回歸方程求出回歸估計值Y*，Y*即為雷暴發(fā)生的概率，找出建模樣本中Y*的最大值Ymax和最小值Ymin，然后從Ymin開始取一個較小的步長ΔY，從Ymin到Ymax以ΔY為步長變化時，第n步假設臨界概率值為Yopt=Ymin+（n-1）ΔY。求出每一步對應的TS評分，將TS評分最大的假設臨界概率值作為回歸方程的閾值，也就是預報區(qū)域雷暴是否發(fā)生的臨界值。本文將這一步長取為0.01。表7給出了利用逐步回歸方程求得TS評分最高的結果及其對應的閾值。

表7　逐步回歸方程、引入因子、閾值和TS評分

4.3回代檢驗與試預報

對2002—2012年5—9月所有入型樣本進行回代檢驗，在天氣分型過程中，2002—2012年5—9月共1683 d，入型876 d，其中巴湖低槽型301 d，急流型247 d，西北氣流型203 d，溫度槽型125 d，其余807 d均預報不發(fā)生區(qū)域雷暴。回代檢驗效果（表8）表明，平均準確率為72.0%，最高可達78.1%，平均TS評分為30.1%，最高可達35.3%。

表8　2002—2012年入型樣本回代檢驗結果

對2013年5—9月所有入型樣本進行試預報，在天氣分型過程中，5—9月共153 d，入型80 d，其中巴湖低槽型13 d，急流型31 d，西北氣流型26 d，溫度槽型10 d，其余67 d均預報不發(fā)生區(qū)域雷暴。試預報效果（表9）表明，平均準確率為63.2%，最高可達74.2%，平均TS評分為28.2%，最高可達33.3%。

表9　2013年入型樣本試預報結果

5　結論

本文利用新疆阿克蘇及鄰近地區(qū)12個氣象站1980—2013年雷暴資料，統(tǒng)計各站雷暴日數(shù)，對發(fā)生區(qū)域雷暴的環(huán)流形勢進行分類，并確定入型指標。在此基礎上，選取相關性較好且物理意義明確的對流指標作為預報因子，利用2002—2012年5—9月所有入型樣本及區(qū)域雷暴發(fā)生當日的預報因子，通過逐步回歸方法，建立阿克蘇及鄰近地區(qū)區(qū)域雷暴概率回歸預報模型，并對2013年進行試預報。主要研究結果：

（1）新疆阿克蘇及鄰近地區(qū)區(qū)域雷暴產生的主要天氣系統(tǒng)可分為4種類型：巴湖低槽型、急流型、西北氣流型和溫度槽型，這與全國歸納出的雷暴4種主要天氣形勢[33-35]：低渦型，低槽型，西北氣流型和低層西南氣流型有所不同，這可能與阿克蘇地區(qū)所處的特殊地理位置有關。

（2）阿克蘇及鄰近地區(qū)4種雷暴天氣型入型指標分別為：巴湖低槽指數(shù)trough≥f0（f0=80）；急流指數(shù)stream≥f1（f1=160），當stream不滿足條件時，檢驗最大風速Umax≥f2（f2=20）；西北氣流指數(shù)airflow≥f3（f3=70）；溫度槽指數(shù)t≥f4（f4=1.5）。

（3）利用上述天氣型入型指標，對2002—2012 年5—9月（共1683 d）歷史資料進行判別，滿足天氣型的樣本數(shù)為876 d，消空率為48%，漏報4 d，漏報率為2.4%；對2013年5—9月（共153 d）進行判別，滿足天氣型的樣本數(shù)為80 d，消空率也為48%，無漏報。

（4）利用阿克蘇及鄰近地區(qū)區(qū)域雷暴概率回歸預報模型，對2002—2012年5—9月所有入型樣本進行回代檢驗，平均準確率為72.0%（平均TS評分為30.1%）；對2013年5—9月進行試預報，平均準確率為63.2%（平均TS評分為28.2%）。以上結果表明本文所述的雷暴預報方法可應用于實際業(yè)務。

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Studyon Thunderstorm Short-term Forecastin the Southern of Tianshan M ountains

LIU Zhihui1，W ANG Shigong1，SHANG Kezheng1，KONG Debing1，2，ZHAO W enjing1，W ANG Yun1
（1.CollegeofAtmospheric SciencesofLanzhou University，Key LaboratoryofDroughtand Disaster Mitigation in Gansu Province，Lanzhou 730000,China；2.MeteorologicalStation of95606 Unitofthe PLA.Chongqing402361，China）

AbstractBased on the thunderstorm observation and sounding data from 12 meteorological stationsin the Aksu and surroundingareasduring1980-2013,wedefined theregionalthunderstorm asthe day there ismorethan three stationswith thunderstorm weather.Finally the weathersituation was mainly divided into 4 types:The Balkhash Lake low trough type,the jettype,the northwest airflow type and the temperature trough type.By constantly revise the criticalvalue ofthe type indicator to achieve optimal results,and the type indicators are determined by the indicator of Balkhash Lakelow trough typeistrough≥f0（f0=80）,thejettype isstream≥f1（f1=160）orUmax≥f2（f2=20）,the northwestairflow type isairflow≥f3（f3=70）and the temperature trough type ist≥f4, （f4=1.5）.By thismethod and the data during2002-2012 from Mayto September,the resultshowed thatthenumberofsamplesmeeting the indicatoris876,empty elimination rate is48% .The result showed thatthe numberofsamples meeting the indicatoris80,empty elimination rate is 48% by using the data of2013 from May to September.The method of identification weather type has greatlyreduced thesamplenumberand effectivelyimproved theprediction.Backingto generation of testwith allsampleswereelected to 4 weathertypesfrom Mayto Septemberduring2002-2012,the average accuracy is72.0%（theaverage TS score was30.1%）；The forecastwith allsampleswere elected to 4 weathertypes from May to September in 2013,the average accuracy is 63.2%（the average TS scorewas28.2%）.

Key wordsthunderstorms；circulation classification；stepwise regression equation；back to the generation oftest；experimentforecast

中圖分類號：P457.9

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0799（2016）02-0043-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.007

收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-10-21

基金項目：國家公益性（氣象）行業(yè)專項項目（GYHY201306047，GYHY201206004）和蘭州大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（lzujbky-2013-m03）。

作者簡介：柳志慧（1989-），女，碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代天氣預報技術和極端天氣氣候。E-mail：389865861@qq.com

通訊作者：尚可政（1960-），男，教授，主要從事干旱氣候和現(xiàn)代天氣預報技術和方法研究。E-mail：shangkz@lzu.edu.cn