張富龍 陳長(zhǎng)勝 李 楠 張 健

（1.松原市氣象局，吉林松原 138000；2.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長(zhǎng)春 130062；3.長(zhǎng)白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130062；4.長(zhǎng)白山氣象局，吉林安圖 133613；5.吉林省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，吉林長(zhǎng)春 130062）

1 引言

暴雨是吉林省較為常見的災(zāi)害性天氣之一，常常對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、建筑設(shè)施等造成嚴(yán)重影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，吉林省暴雨出現(xiàn)日數(shù)6—8月占90.1%，9—11月占7.1%，3—5月僅占2.8%[1]。目前研究暴雨預(yù)報(bào)的方法有很多，1996年Doswell等[2]提出了一種新的致洪暴雨預(yù)報(bào)思路，指出對(duì)于強(qiáng)降水預(yù)報(bào)，可以從降水持續(xù)時(shí)間和降水率2個(gè)因子考慮，基于構(gòu)成要素的預(yù)報(bào)這種方法被稱為“配料法”。

“配料法”是一種新預(yù)報(bào)思路，它將對(duì)預(yù)報(bào)有利的因子集合起來(lái)綜合分析。近年來(lái)我國(guó)許多學(xué)者應(yīng)用“配料法”進(jìn)行暴雨研究，楊雪艷等[3]利用54a中國(guó)東北地區(qū)200個(gè)氣象站的逐日降水資料和NCEP/NCAR再分析資料研究了東北冷渦暴雨的氣候特征，診斷分析可表征冷渦暴雨過(guò)程中水汽條件、動(dòng)力條件、熱力不穩(wěn)定條件的比濕、水汽通量散度、垂直速度、K指數(shù)等物理量參數(shù)，研究了東北冷渦暴雨發(fā)生時(shí)各物理量參數(shù)需要達(dá)到的指標(biāo)，并構(gòu)建了東北冷渦暴雨的“配料法”預(yù)報(bào)模型。歐堅(jiān)蓮等[4]利用“配料法”的思路，對(duì)概念模型和其物理特征進(jìn)行配料，選取了環(huán)境場(chǎng)、水汽、抬升和不穩(wěn)定為主要配料，通過(guò)對(duì)暴雨配料指標(biāo)的組合判斷得出有、無(wú)預(yù)報(bào)，建立了各類型持續(xù)性暴雨的短期預(yù)報(bào)工具。韓沁哲等[5]利用“配料法”，以數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，結(jié)合常規(guī)和非常規(guī)氣象資料，對(duì)歷史暴雨進(jìn)行診斷分析，研究了湖南常見暴雨類型的“配料法”。張小玲等[6]綜合環(huán)境場(chǎng)動(dòng)力、熱力條件配置和物理“配料”分析了暴雨的“配料法”主觀預(yù)報(bào)方法，利用了數(shù)值模式產(chǎn)品追蹤有利于暴雨發(fā)生的“配料”演變，構(gòu)建了“配料法”暴雨客觀預(yù)報(bào)方法。

吉林省的暴雨大多數(shù)都是在大尺度環(huán)流背景下，穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水共同作用下產(chǎn)生的。為了提高暴雨預(yù)報(bào)能力，本文利用“配料法”，結(jié)合學(xué)者們的研究，基于EC數(shù)據(jù)，通過(guò)穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水兩方面研究吉林省暴雨預(yù)報(bào)方法，并構(gòu)建暴雨預(yù)報(bào)模型，定點(diǎn)預(yù)報(bào)暴雨的有和無(wú)。

2 數(shù)據(jù)說(shuō)明與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)說(shuō)明

所用資料包括吉林省地面常規(guī)觀測(cè)24h降水?dāng)?shù)據(jù)；Micaps的EC各物理量數(shù)據(jù)以及其24h降水?dāng)?shù)據(jù)。通過(guò)研究確定EC物理量選取日常預(yù)報(bào)員天氣分析時(shí)常用的產(chǎn)品，最后定為15個(gè)物理量產(chǎn)品，即水汽條件產(chǎn)品：比濕Q、相對(duì)濕度RH、溫度T、露點(diǎn)溫度TD、大氣可降水量PW；動(dòng)力條件產(chǎn)品：垂直速度W（500hPa、700hPa和850hPa共3個(gè)層次）、散度DIV、渦度VOR；熱力條件產(chǎn)品：假相當(dāng)位溫THSE、對(duì)流有效位能CAPE、LI指數(shù)、K指數(shù)；模式降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品RAIN。后面分析描述時(shí)各個(gè)物理量用大寫字母表示，其中CAPE和RAIN24兩個(gè)物理量數(shù)據(jù)為0.125°×0.125°格點(diǎn)數(shù)據(jù)，其他13個(gè)物理量數(shù)據(jù)為0.25°×0.25°格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 分析方法

收集整理2015—2017年吉林省54個(gè)自動(dòng)站24h暴雨個(gè)例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)20—20時(shí)24h降水?dāng)?shù)據(jù)，吉林省共出現(xiàn)191站次暴雨。收集整理2015—2017年Micaps的EC模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)整理發(fā)現(xiàn)暴雨發(fā)生時(shí)EC模式產(chǎn)品有10d（30站次）出現(xiàn)資料缺失，出現(xiàn)資料缺失的暴雨個(gè)例不做研究，這樣研究個(gè)例共161站次。

EC模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)15個(gè)物理量除模式降水外，其他數(shù)據(jù)取3 h時(shí)間間隔的模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時(shí)段為24h，即每個(gè)物理量取20時(shí)后的8個(gè)數(shù)據(jù)文件。吉林省常規(guī)自動(dòng)站為54個(gè)，本文所研究的就是定點(diǎn)制作這54個(gè)自動(dòng)站暴雨預(yù)報(bào)，所以需要把資料處理到54個(gè)站點(diǎn)上，以便對(duì)比研究。具體各物理量數(shù)據(jù)處理方法如下：

比濕Q、相對(duì)濕度RH和大氣可降水量PW：這3個(gè)物理量讀取850hPa各站點(diǎn)上的8個(gè)數(shù)據(jù)文件，記錄各站點(diǎn)上8個(gè)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)的平均值和最大值。

溫度T和露點(diǎn)溫度TD：讀取850hPa各站點(diǎn)數(shù)據(jù)做差（T-TD），之后取各站點(diǎn)上8個(gè)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)差的平均值和最大值。

垂直速度W：W數(shù)據(jù)共選取3層（500hPa、700hPa和850hPa），通過(guò)讀取每層各站點(diǎn)上8個(gè)數(shù)據(jù)文件格點(diǎn)數(shù)據(jù)的負(fù)值（指示上升運(yùn)動(dòng)），記錄8個(gè)數(shù)據(jù)文件的每層負(fù)值文件的個(gè)數(shù)、負(fù)值數(shù)據(jù)的平均值和最大值，最后取負(fù)值個(gè)數(shù)的最大值為上升運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間，3層負(fù)值平均值和最大值為上升速度的強(qiáng)度。

散度DIV和渦度VOR：讀取850hPa各站點(diǎn)上的8個(gè)數(shù)據(jù)文件的負(fù)值（指示輻合區(qū)和氣旋性運(yùn)動(dòng)），記錄各站點(diǎn)上8個(gè)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)負(fù)值的次數(shù)、負(fù)值的平均值和最大值。

假相當(dāng)位溫THSE、LI指數(shù)、K指數(shù)和對(duì)流有效位能CAPE：讀取850hPa各站點(diǎn)上的8個(gè)數(shù)據(jù)文件的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，記錄各站點(diǎn)上8個(gè)數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)的平均值和最大值。而CAPE數(shù)據(jù)讀取各站點(diǎn)的8個(gè)數(shù)據(jù)文件后，用后面一個(gè)時(shí)次文件上的站點(diǎn)數(shù)值減去前面一個(gè)時(shí)次的文件上的站點(diǎn)數(shù)值，如果數(shù)值小于0，記為能量釋放，最后取8個(gè)數(shù)據(jù)能量釋放值的最大值。

模式降水預(yù)報(bào)RAIN：讀取模式的未來(lái)24h各站點(diǎn)上的預(yù)報(bào)降水量值。

3 吉林省暴雨時(shí)間與空間分布特征

3.1 暴雨時(shí)間分布特征

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析191站次暴雨個(gè)例發(fā)現(xiàn)，吉林省暴雨出現(xiàn)時(shí)段在每年的5—9月，集中時(shí)段為7—8月，其中7—8月暴雨為151站次，占總數(shù)的79.1%（圖1）；單站最大暴雨降水量為203.9mm，出現(xiàn)在永吉站。

圖1 2015—2017年吉林省暴雨各月發(fā)生頻數(shù)

3.2 暴雨空間分布特征

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析2015—2017年暴雨個(gè)例發(fā)現(xiàn)，吉林省各站點(diǎn)暴雨主要在2～5次。其中，鎮(zhèn)賚站和榆樹站沒(méi)有發(fā)生暴雨；白城西部、長(zhǎng)春北部＜2次；吉林市的永吉站、吉林站和北大壺站＞5次；尤其是長(zhǎng)白站暴雨達(dá)到了13次（圖2a）。平均暴雨降水量在松原與四平交界一帶和延邊東部地區(qū)量級(jí)＞80mm，其他地區(qū)在50～80mm（圖2b）。

4 EC模式產(chǎn)品與暴雨關(guān)系

4.1 水汽條件產(chǎn)品與暴雨關(guān)系

通過(guò)統(tǒng)計(jì)161站次暴雨與Q、RH、T-TD和PW之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，發(fā)生暴雨時(shí)對(duì)Q的要求比較高，在7—8月發(fā)生暴雨時(shí)Q的最大值都＞8.7g/kg，平均值都＞7.5g/kg；5月和9月Q的最大值＞6.8g/kg，平均值＞5.6g/kg。RH最大值都＞85.7%，RH表征空氣飽和程度，只要出現(xiàn)降水或空氣濕度較大時(shí)其值都是較大的，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其對(duì)暴雨預(yù)報(bào)指示意義不大。850hPa的T-TD對(duì)暴雨指示意義并不好，其平均值從0.007～9.4℃都有，對(duì)暴雨預(yù)報(bào)參考價(jià)值較小。發(fā)生暴雨時(shí)PW最大值都＞38mm，平均值都＞30.3mm，發(fā)生暴雨時(shí)PW需要較大（圖3）。

圖3 PW和Q與暴雨的關(guān)系

4.2 動(dòng)力條件產(chǎn)品與暴雨關(guān)系研究

通過(guò)分析161站次VOR、DIV和W與暴雨發(fā)生關(guān)系發(fā)現(xiàn)，發(fā)生暴雨時(shí)模式DIV最大值96.9%都為負(fù)值（輻合區(qū)），值在-3/s～-960/s，集中區(qū)域?yàn)?20/s～-400/s；平均值也是96.9%都為負(fù)值，值在-3/s～-293/s，集中區(qū)域?yàn)?10/s～-200/s（圖4）。模式VOR與暴雨發(fā)生對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明顯，發(fā)生的161站次暴雨中其最大值74.8%為負(fù)值（氣旋性運(yùn)動(dòng)），值在0～-56×10-5/s，平均值在0～-40×10-5/s。通過(guò)分析161站次W（500hPa、700hPa、850hPa平均值）與暴雨發(fā)生關(guān)系發(fā)現(xiàn)，發(fā)生暴雨時(shí)W值為負(fù)（上升運(yùn)動(dòng)），持續(xù)時(shí)間基本在6h以上，占統(tǒng)計(jì)次數(shù)的96.9%；W最大值也都為負(fù)值，范圍在-10～-740Pa/s；平均值范圍為-10～-390Pa/s，主要區(qū)域?yàn)?20～-200Pa/s。

圖4 DIV與暴雨關(guān)系

4.3 熱力條件產(chǎn)品與暴雨關(guān)系

通過(guò)分析161站次THSE、CAPE、LI指數(shù)和K指數(shù)與暴雨發(fā)生關(guān)系發(fā)現(xiàn)，發(fā)生暴雨時(shí)K指數(shù)在6—8月最大值為25～42℃，平均值為20～40℃；CAPE在發(fā)生暴雨時(shí)都有能量釋放，釋放值在1～2 000J/kg，主要集中在20～1 400J/kg；LI指數(shù)負(fù)值最大值在-15～0℃，集中區(qū)域在-3～0℃，平均值在-10～0℃，集中區(qū)域在-2.3～0℃；THSE最大值都大于314K，平均值都＞310K（圖5）。

圖5 LI指數(shù)和K指數(shù)與暴雨關(guān)系

5 預(yù)報(bào)方法建立

5.1 預(yù)報(bào)因子篩選

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析EC模式15個(gè)要素發(fā)現(xiàn)（表1），RH、K指數(shù)、LI指數(shù)、VOR、THSE對(duì)暴雨預(yù)報(bào)指示意義不好，沒(méi)有突出指示性。RH只要發(fā)生降水或霧類天氣，空氣濕度較大時(shí)其值都是接近100%的；在6—8月THSE、K指數(shù)值一般都是比較大的，需要天氣系統(tǒng)配合時(shí)才可以進(jìn)一步分析其對(duì)降水的影響；LI指數(shù)指示對(duì)流性不穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)發(fā)生暴雨時(shí)LI指數(shù)波動(dòng)區(qū)間并不穩(wěn)定；VOR指示氣旋的旋轉(zhuǎn)程度，并不是單純的指示暴雨天氣，VOR值并不總是很大的。研究發(fā)現(xiàn)，Q、PW對(duì)于暴雨預(yù)報(bào)指示意義較好，發(fā)生暴雨時(shí)Q和PW值都要求比較大。比濕在5月和9月最大值要＞6.8g/kg，6—8月最大值都＞8.7g/kg；大氣可降水量PW發(fā)生暴雨時(shí)最大值都＞38mm。W表征空氣上升運(yùn)動(dòng)，發(fā)生暴雨時(shí)必須有動(dòng)力條件，而且W值要大一些，所以把W納入預(yù)報(bào)因子，將W為負(fù)值的文件個(gè)數(shù)×3h記為降水時(shí)間。T-TD水汽指示通過(guò)Q表示。DIV輻合情況通過(guò)W表示。CAPE通過(guò)用后一個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù)減去前一個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù)，之后取24h內(nèi)的最大值，用來(lái)表征能量釋放的情況，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)生暴雨時(shí)都會(huì)有能量的釋放，值不必太大，當(dāng)值比較大，同時(shí)水汽條件特別好，這時(shí)考慮會(huì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。最后模型建立取4個(gè)因子Q、PW、W和CAPE，再利用EC模式24h站點(diǎn)降水量進(jìn)行對(duì)比訂正。

表1 發(fā)生暴雨時(shí)對(duì)應(yīng)的EC物理量值

5.2 建立預(yù)報(bào)方程

穩(wěn)定性降水預(yù)報(bào)方程：

式中，SP為預(yù)報(bào)站穩(wěn)定性降水指數(shù)；Wk為850hPa的24h內(nèi)W為負(fù)值的次數(shù)；Q1為平均比濕值；PW1為平均整層大氣可降水量；W為500hPa、700hPa和850hPa平均垂直速度。

對(duì)流性降水預(yù)報(bào)方程：

式中，CP為預(yù)報(bào)站對(duì)流性降水指數(shù)；CAPE為后一個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù)減去上一個(gè)時(shí)次數(shù)據(jù)的差值，對(duì)流性降水時(shí)一般為負(fù)值；Q2、PW2均取其最大值。

5.2.1 預(yù)報(bào)時(shí)間段為5月20日至9月15日時(shí)，控制因子設(shè)定為Q2＞9g·kg-1；Q1＞8.6g·kg-1；PW2＞48mm；PW1＞44.9mm。預(yù)報(bào)站點(diǎn)滿足控制因子后開始計(jì)算。

將EC模式降水產(chǎn)品納入閾值因子，預(yù)報(bào)的方法定義為FY方法，預(yù)報(bào)有暴雨時(shí)FY=1；無(wú)暴雨時(shí)FY=0。FY預(yù)報(bào)方法如下：

ECrain＞52，如果SP＞2 000，CP＞10，則FY=1，否則FY=0；45＜ECrain≤52，如果SP＞1800，CP＞50，則FY=1，否則FY=0；30＜ECrain≤45，如果SP＞1 900，CP＞350，則FY=1，否則FY=0；19＜ECrain≤30，如果SP＞2 200，CP＞1 100，則FY=1，否則FY=0；10＜ECrain≤19，如果SP＞2 500，CP＞1 500，則FY=1，否則FY=0。

不將EC模式降水產(chǎn)品納入閾值因子，預(yù)報(bào)的方法定義為FF方法，預(yù)報(bào)有暴雨FF=1；無(wú)暴雨FF=0。FF預(yù)報(bào)方法如下：

5.2.2 預(yù)報(bào)時(shí)間段為4月20日—5月19日和9月16—30日時(shí)，控制因子設(shè)定為Q2＞6.5g·kg-1；Q1＞5.4g·kg-1；PW2＞33mm；PW1＞29mm。預(yù)報(bào)站點(diǎn)滿足控制因子后開始計(jì)算。

將EC模式降水產(chǎn)品納入閾值因子，預(yù)報(bào)的方法定義為FY方法，預(yù)報(bào)有暴雨時(shí)FY=1；無(wú)暴雨時(shí)FY=0。FY預(yù)報(bào)方法如下：

ECrain＞45，如果SP＞1600則FY=1，否則FY=0；30＜ECrain≤45，如果SP＞1 800，則FY=1，否則FY=0；19＜ECrain≤30，如果SP＞2 300，CP＞1 100，則FY=1，否則FY=0；10＜ECrain≤19，如果SP＞2 800，CP＞1 500，則FY=1，否則FY=0。

不將EC模式降水產(chǎn)品納入閾值因子，預(yù)報(bào)的方法定義為FF方法，預(yù)報(bào)有暴雨FF=1；無(wú)暴雨FF=0。FF預(yù)報(bào)方法如下：

SP＋CP＞1 600，則FF=1；否則FF=0。

6 預(yù)報(bào)方法檢驗(yàn)分析

利用該模型對(duì)2015—2017年5—10月進(jìn)行了暴雨預(yù)報(bào)，其中模式數(shù)據(jù)缺失的不納入計(jì)算（表2）。3a共出現(xiàn)161站次暴雨，有EC閾值的預(yù)報(bào)方法（用FY表示）預(yù)報(bào)了184站次，正確63站次；沒(méi)有閾值（用FF表示）的預(yù)報(bào)了1 186站次，正確102站次；EC模式（用EC表示）本身預(yù)報(bào)了110站次，正確40站次。

表2 2015—2017年算法預(yù)報(bào)

通過(guò)計(jì)算FY、FF、EC預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確率、空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率發(fā)現(xiàn)（表3），F(xiàn)Y方法TS評(píng)分為22.34%，EC模式預(yù)報(bào)TS評(píng)分為17.32%，F(xiàn)Y方法比EC模式預(yù)報(bào)TS評(píng)分高5.02%；FY方法漏報(bào)率為60.87%，EC模式預(yù)報(bào)漏報(bào)率為75.16%，F(xiàn)Y方法漏報(bào)率比EC模式預(yù)報(bào)低14.29%，所以FY方法在暴雨漏報(bào)上明顯要好于EC模式預(yù)報(bào)；FY方法空?qǐng)?bào)率為65.76%，EC模式預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)率為63.64%，F(xiàn)Y方法空?qǐng)?bào)略多；綜合分析FY方法要好于EC模式預(yù)報(bào)。FF方法預(yù)報(bào)TS評(píng)分為8.19%，明顯小于EC模式預(yù)報(bào)，但FF方法漏報(bào)率為36.65%，明顯低于EC模式的75.16%。所以FF方法TS評(píng)分偏低，F(xiàn)Y方法漏報(bào)率偏高，這樣通過(guò)預(yù)報(bào)員結(jié)合FY方法和FF方法的預(yù)報(bào)結(jié)果，配合預(yù)報(bào)員主觀分析，進(jìn)行合理訂正，對(duì)于暴雨的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率會(huì)明顯提高，大大好于EC模式預(yù)報(bào)。

表3 FY、FF、EC預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)檢驗(yàn) %

7 結(jié)語(yǔ)

（1）2015—2017年吉林省暴雨年出現(xiàn)時(shí)段為5—9月，集中時(shí)段為7—8月，7—8月降水站次占總數(shù)的79.1%，吉林省各站點(diǎn)暴雨次數(shù)以2～5次為主，白城西部、長(zhǎng)春北部＜2次，東部暴雨次數(shù)多，尤其是長(zhǎng)白山天池站三年內(nèi)暴雨達(dá)到了13次。

（2）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)比濕、整層大氣可降水量、垂直速度、對(duì)流有效位能對(duì)暴雨預(yù)報(bào)指示意義較好。對(duì)于吉林省夏季發(fā)生暴雨比濕要≥8.7g·kg-1，而且持續(xù)時(shí)間要維持較長(zhǎng)；整層大氣可降水量＞38mm。

（3）該預(yù)報(bào)方法結(jié)果要好于EC模式降水，尤其是當(dāng)EC模式預(yù)報(bào)站點(diǎn)降水量＞40mm，如果FY方法也對(duì)本站做出暴雨預(yù)報(bào)，該站出現(xiàn)暴雨概率特別高。

（4）該預(yù)報(bào)方法完全基于EC數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行研究，當(dāng)EC數(shù)值預(yù)報(bào)偏差過(guò)大，預(yù)報(bào)能力較弱，使用時(shí)注意模式與實(shí)況對(duì)比檢驗(yàn)，同時(shí)與其他模式進(jìn)行對(duì)比分析。