南方持續(xù)低溫凍雨事件預(yù)測(cè)的前期信號(hào)

錢維宏，張宗婕

北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

南方持續(xù)低溫凍雨事件預(yù)測(cè)的前期信號(hào)

錢維宏，張宗婕

北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

1960—2008年冬季期間，中國南方發(fā)生了23次低溫冰凍（凍雨）天氣事件，其中滿足站日數(shù)大于10的事件有11次.2008年初中國南方發(fā)生了一場(chǎng)影響巨大的區(qū)域持續(xù)性低溫凍雨天氣事件，2011年初再次發(fā)生了類似的區(qū)域持續(xù)性低溫凍雨事件.提前5天預(yù)報(bào)這類極端事件是國內(nèi)外大氣科學(xué)面臨的難題.利用去逐日氣候變化后的逐日850hPa溫度擾動(dòng)，可以提前3～10天發(fā)現(xiàn)中國南方持續(xù)低溫雨雪冰凍（凍雨）事件發(fā)生的信號(hào).2008年初和2011初，影響中國南方的850hPa冷空氣擾動(dòng)具有源地和路徑相似性，它們都來自北非－中東并繞過青藏高原北側(cè)到達(dá)中國南方，在對(duì)流層大氣中形成“冷－暖－冷”的溫度垂直結(jié)構(gòu).通過對(duì)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品中850hPa溫度擾動(dòng)的相似性分析，成功地提前4～9天實(shí)際預(yù)報(bào)出了2011年初的中國南方低溫凍雨天氣過程.

低溫，凍雨，極端天氣事件，前期信號(hào)，預(yù)測(cè)

1 引 言

在中國西南地區(qū)，凍雨（Freezing Rain）是冬季和初春時(shí)節(jié)出現(xiàn)的一種天氣現(xiàn)象.當(dāng)較強(qiáng)的冷空氣南下遇到暖濕氣流時(shí)，冷空氣像楔子那樣插在暖空氣的下方，使近地面層氣溫降至0℃以下，濕潤的暖空氣被抬升后成云致雨.從空中下落的雨滴在近地面低溫下形成過冷卻水，降落到植被及道路表面凍結(jié)成一層薄冰，氣象上把這種天氣現(xiàn)象稱為凍雨.凍雨對(duì)農(nóng)林牧業(yè)和交通的危害極大.在凍雨區(qū)的周邊也會(huì)出現(xiàn)低溫下的雨雪，同樣也會(huì)形成道路結(jié)冰.在一次強(qiáng)冷空氣影響下形成的凍雨和雨雪可以簡(jiǎn)稱為低溫雨雪冰凍天氣.

2008年初中國南方發(fā)生了區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪冰凍（凍雨）天氣之后，5天至2周的中期—延伸期的重大天氣過程預(yù)報(bào)成為社會(huì)的迫切需求.如果能夠提前5天預(yù)報(bào)出這類區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪冰凍（凍雨）過程，交通和能源部門可以提前有所準(zhǔn)備.但眾所周知，提前5天的區(qū)域持續(xù)性極端天氣的預(yù)報(bào)仍然是國內(nèi)外大氣科學(xué)面臨的難題.

2008年初的中國南方低溫雨雪冰凍（凍雨）天氣事件發(fā)生之后，科研人員很快就對(duì)其進(jìn)行了分析［1－13］.很多分析是從天氣和氣候?qū)W上，也有從物理層面上探討了凍雨災(zāi)害形成的原因，但區(qū)域持續(xù)性低溫凍雨事件的預(yù)報(bào)仍然是一個(gè)難題.2008年初中國大范圍持續(xù)性雨雪冰凍災(zāi)害，實(shí)際上是由4次降溫過程先后造成的，其中后3次過程造成的雨雪冰凍和災(zāi)害最大［8］.對(duì)這樣的持續(xù)性極端天氣事件能否找到前期信號(hào)？怎樣尋找前期信號(hào)？這些都是預(yù)報(bào)持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣，特別是持續(xù)性凍雨天氣的核心問題.

本文首先從影響中國的區(qū)域持續(xù)性低溫事件序列中，確定出中國南方的低溫雨雪冰凍天氣事件，通過對(duì)2008年初的南方低溫雨雪冰凍（凍雨）天氣事件的研究，介紹如何從天氣擾動(dòng)物理分解方法中獲得前期信號(hào)，再用擾動(dòng)前期信號(hào)實(shí)際預(yù)報(bào)了2011年初發(fā)生在中國南方地區(qū)的凍雨事件.

2 資料和方法

溫度站點(diǎn)資料來自中國1960—2008年549站的均一化逐日平均／最高／最低溫度數(shù)據(jù)集［14］中的逐日最低溫度，該數(shù)據(jù)已經(jīng)使用MASH（Multiple Analysis of Series for Homogenization）方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了均一化訂正［15］，該資料克服了遷站、觀測(cè)儀器、觀測(cè)規(guī)范改變等人為造成的偏差.降水站點(diǎn)資料來自中國國家氣象局資料中心整編的中國地面日值數(shù)據(jù)，即為中國752個(gè)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站1951以來的日值數(shù)據(jù)集.在本文中，選取了1960年1月1日—2008年12月31日的日降水量.

大氣變量采用的是NCEP／NCAR Reanalysis 1逐日2.5°×2.5°格點(diǎn)資料［16］，起止時(shí)間1960年1月1日—2011年1月31日，經(jīng)度范圍0°—360°，緯度范圍90°S—90°N，垂直方向17層（包括1000hPa、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150hPa、100、70、50、30、20hPa和10hPa），資料來源于http：∥www.esrl.noaa.gov／psd／data／gridded.本文還使用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）提供的每天兩個(gè)時(shí)次（世界時(shí)00∶00和20∶00）未來1—10天的北半球2.5°×2.5°格點(diǎn)的850hPa溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，經(jīng)度范圍0°—360°，緯度范圍0°—90°N.

利用歷史的、當(dāng)前觀測(cè)的或模式產(chǎn)品的氣象資料，數(shù)理分解得到逐日天氣瞬時(shí)擾動(dòng)變量，作為解釋歷史上區(qū)域持續(xù)性氣象災(zāi)害事件的基本數(shù)據(jù)［17］.顯然，物理分解方法比傳統(tǒng)的如球諧函數(shù)分解方法速度快，對(duì)極端天氣事件（如低溫寒潮）的指示意義更為清楚.

用近30年（1979—2008年）逐日全球?qū)α鲗又疗搅鲗哟髿庥^測(cè)的格點(diǎn)溫度（或位勢(shì)高度、風(fēng)等）連續(xù)變量按照下式進(jìn)行分解：

其中，左端A（λ，φ，t）Y是第Y年第t日（相對(duì)1月1日）隨經(jīng)度λ和緯度φ變化的原始（或當(dāng)前）的氣象觀測(cè)溫度場(chǎng)，或模式預(yù)報(bào)的溫度場(chǎng).（1）式右端第一項(xiàng)是第t日氣候（N＝30年）平均及沿緯圈（做經(jīng)度）平均后只隨緯度φ變化的溫度，反映的是太陽輻射季節(jié)（緯度）變化確定的逐日氣候變量場(chǎng)，λ是緯圈格點(diǎn)數(shù)從第1點(diǎn)至第144點(diǎn)（格距2.5經(jīng)度時(shí)P＝144）.（1）式右端第二項(xiàng)，是相對(duì)第t日用第N＝1年至第N＝30年時(shí)間平均的空間格點(diǎn)變量，減去相對(duì)第t日太陽輻射緯圈平均季節(jié)變化后的氣候逐日空間變量場(chǎng)，反映的是海陸、地形差異調(diào)節(jié)的逐日空間變量分布；前兩項(xiàng)之和統(tǒng)稱為逐日空間氣候變量場(chǎng)，反映了太陽直接輻射作用和海陸分布共同對(duì)變量的調(diào)節(jié)作用，是分離天氣尺度擾動(dòng)分量的氣候基礎(chǔ).（1）式右端第三項(xiàng)是第Y年第t日逐日變量的緯圈平均偏差，反映的是第t日逐日行星尺度瞬時(shí)變量擾動(dòng).（1）式右端第四項(xiàng)是第Y年第t日的天氣尺度瞬時(shí)變量擾動(dòng)，它直接與極端天氣事件有關(guān)，稱為天氣尺度擾動(dòng)分量［18］，如天氣尺度溫度擾動(dòng)和天氣尺度高度擾動(dòng)等，本文是針對(duì)這一項(xiàng)的應(yīng)用研究.

3 歷史上的南方低溫雨雪冰凍事件

在確定的區(qū)域持續(xù)性（相鄰5站和持續(xù)5天以上）低溫定義下，我們得到全國1960—2008年共發(fā)生了552次區(qū)域持續(xù)低溫事件［19］.每年12月至次年2月是中國南方地區(qū)雨雪冰凍（凍雨）天氣發(fā)生的主要時(shí)段［20］.我們確定35°N以南地區(qū)為中國南方.從552次區(qū)域持續(xù)低溫事件中挑選出冬季（12月至次年2月）發(fā)生在中國南方的持續(xù)低溫事件共47次.在這47次南方持續(xù)低溫事件中，進(jìn)一步考慮最低溫度≤0℃，降水量≥1mm的南方低溫雨雪冰凍事件23次（表1）.其中有10次事件發(fā)生在1月，9次事件在2月，4次事件在12月.在事件的年代際分布上，1960年代有7次，1970年代有9次，1980—2008年有7次.2008年初的南方低溫雨雪冰凍（凍雨）是2000年以來發(fā)生的首場(chǎng)最強(qiáng)事件.這些事件的發(fā)生有一個(gè)平均地理位置（109.5°E，27.1°N）.對(duì)每次事件，我們還給出了低溫雨雪冰凍（包括凍雨）的總站日數(shù)（Nf），即所有站點(diǎn)中滿足最低溫度≤0℃，降水量≥1mm的站日數(shù)，還給出了持續(xù)低溫事件的總站日數(shù)（Na），即一次區(qū)域持續(xù)低溫事件波及的總站日數(shù).由低溫雨雪冰凍的站日數(shù)和極端低溫的總站日數(shù)的比值，定義冰凍事件相對(duì)低溫范圍的大小.

在23次南方低溫雨雪冰凍事件中，站日數(shù)只有1～3站日的有8次.它們構(gòu)成了低溫事件，雨雪冰凍站日數(shù)并不多.如果去掉12次雨雪冰凍站日數(shù)少于10的事件，則1960—2008年中國南方只出現(xiàn)了11次低溫雨雪冰凍（凍雨）天氣事件.站日數(shù)大于100的是1969年1月28日開始的持續(xù)12天的低溫雨雪冰凍天氣事件（強(qiáng)度為232站日數(shù)）.站日數(shù)處于第二位的是發(fā)生在2008年1月13日至2月3日的低溫雨雪冰凍（凍雨）事件（強(qiáng)度為186站日數(shù)）.

表1 1960—2008年12月—2月南方低溫雨雪冰凍事件Table 1 Low－temperature freezing rain events in southern China in winter during 1960—2008

4 2008年初的南方低溫凍雨事件

2008年初的南方低溫雨雪冰凍（凍雨）事件，持續(xù)時(shí)間22天（2008年1月13日至2月3日），單日最多波及61個(gè)（1°×1°）網(wǎng)格點(diǎn).圖1給出了2008年1月13—2月3日的極端低溫站點(diǎn)和低溫雨雪冰凍站點(diǎn)，以及影響時(shí)間.極端低溫的站點(diǎn)有79個(gè)，主要分布在長(zhǎng)江中游到廣西北部地區(qū).影響時(shí)間在10天以上的站點(diǎn)，主要分布在貴州和湖南，其中貴陽站（26.58°N，106.73°E）和獨(dú)山站（25.83°N，107.55°E）發(fā)生極端低溫的時(shí)間達(dá)到了20天.同時(shí)發(fā)生最低溫度≤0℃，降水量≥1mm的站點(diǎn)有52個(gè)，主要分布在長(zhǎng)江中游及以南地區(qū).

圖1 2008年1月13—2月3日的南方持續(xù)低溫雨雪冰凍（凍雨）事件區(qū)域陰影表示事件的持續(xù)時(shí)間（天數(shù)），黑色圓點(diǎn)表示極端低溫站點(diǎn)位置，方框表示滿足最低溫度≤0℃，降水量≥1mm的站點(diǎn)Fig.1 Persistent low－temperature freezing rain event in southern China during 13January to 3February 2008The shaded area，black dots and squares indicate the duration（days），the extreme low－temperature spots，and the spots with minimum temperature≤0℃and precipitation≥1mm，respectively

圖2 2008年1月13—2月3日南方持續(xù)低溫事件的逐日極端低溫和低溫雨雪站點(diǎn)數(shù)Fig.2 Persistent low－temperature event in southern China during 13January to 3February 2008，daily number of extreme low－temperature spots and lowtemperature snow－rain spots

圖2給出了從1月13—2月3日的逐日極端低溫站數(shù)和低溫雨雪冰凍站數(shù).極端低溫站數(shù)的分布呈現(xiàn)出明顯的4次過程，分別出現(xiàn)在1月13日—18日，1月20—23日，1月25—29日，1月31—2月2日.在1月25—29日的時(shí)段中，極端低溫站點(diǎn)范圍最大的是在1月29日，影響到74個(gè)站點(diǎn).低溫雨雪冰凍的站數(shù)分布也呈現(xiàn)出4次過程，分別出現(xiàn)在1月13—16日，1月18—23日，1月25—29日和1月30—2月3日，與國家氣候中心［11］確定的4次凍雨過程較一致.其中，1月25—29日過程凍雨波及的范圍較大，峰值出現(xiàn)在1月28日，影響范圍為35個(gè)站點(diǎn).圖3給出了1月28日南方地區(qū)71個(gè)站點(diǎn)的最低溫度和雨雪分布.最低溫度低于0℃的53個(gè)站點(diǎn)，主要分布在貴州、湖南、江西等地，其中南岳站（27.3°N，112.7°E）的最低溫度達(dá)到了－9.2℃.降水大于1mm的50個(gè)站點(diǎn)，主要分布在貴州、湖南和廣西，其中有20個(gè)站的降水量超過了10mm，零陵站（26.23°N，111.62°E）的降水量達(dá)到了24.5mm.

根據(jù)天氣尺度瞬變擾動(dòng)的分解方法［17］，我們可得到2008年1月10日至2月4日中國南方（100°E—120°E，20°N—33°N平均）地區(qū)上空1000hPa至10hPa天氣尺度溫度擾動(dòng)隨時(shí)間的變化過程（圖4a）.從14日開始，850hPa以下維持負(fù)的低溫?cái)_動(dòng)區(qū)，而在高層100hPa附近12日就開始維持負(fù)的低溫?cái)_動(dòng)區(qū)，700hPa至250hPa之間，為正的溫度擾動(dòng)區(qū).天氣尺度溫度擾動(dòng)的垂直異常分布型，與之前研究［8］指出的850hPa下層冷、500hPa中層暖和200hPa上層冷的垂直結(jié)構(gòu)分布形態(tài)一致.溫度擾動(dòng)在空間上的這一配置關(guān)系有利于連續(xù)出現(xiàn)多場(chǎng)雨雪冰凍（凍雨）天氣.在垂直方向上，當(dāng)存在明顯融化層，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)明顯“冷－暖－冷”結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)應(yīng)強(qiáng)凍雨天氣［21］.同時(shí)，850hPa以下的負(fù)溫度擾動(dòng)呈現(xiàn)四次冷波動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)圖2中提到的四次低溫雨雪過程.

第三次凍雨過程的范圍和溫度擾動(dòng)的強(qiáng)度都比較大，圖4b給出了2008年1月25—29日的中國中東部（100°E—120°E）平均的南北（10°N—90°N）地區(qū)上空1000hPa至10hPa溫度擾動(dòng).在溫度擾動(dòng)垂直剖面上，40°N以南地區(qū)850hPa以下為負(fù)的低溫?cái)_動(dòng)區(qū)，高層100hPa附近也為負(fù)的低溫?cái)_動(dòng)區(qū)，而在中層700hPa至250hPa之間是正的溫度擾動(dòng)區(qū).反映對(duì)流層上層的冰晶下落到中層因高溫融化，到低層低溫中再次凍結(jié)成凍雨下落到地面的過程，即在接近飽和的凍結(jié)層形成冰晶或雪，下降到暖的中層使固態(tài)降水融化，經(jīng)逆溫層至地面（近地層的溫度小于0℃）形成凍雨的過程［9］.

從圖4b中看出，850hPa的天氣尺度溫度擾動(dòng)信號(hào)最清楚，可以指示地面上發(fā)生的極端天氣事件.圖5給出了2008年1月12日和16日850hPa亞洲－非洲－歐洲地區(qū)的溫度擾動(dòng).12日（圖5a）巨大的溫度擾動(dòng)負(fù)值區(qū)（距平低于－6K）位于北非至中東地區(qū)，只有弱的低溫?cái)_動(dòng)中心出現(xiàn)在中國東部地區(qū)并逐漸向中國西南擴(kuò)展（①標(biāo)出），造成了中國南方地區(qū)的第一場(chǎng)弱雨雪天氣.1月16日（圖5b），中心值低于－6K的低溫?cái)_動(dòng)中心已經(jīng)影響到中國南方地區(qū)，第2股低溫?cái)_動(dòng)中心到達(dá)蒙古國并向中國南方逼近（②標(biāo)出），帶來第二場(chǎng)雨雪冰凍（凍雨）天氣，后面在中東和北非還有第3和第4股低溫?cái)_動(dòng)中心相繼而來，形成中國南方的第3場(chǎng)和第4場(chǎng)雨雪冰凍（凍雨）天氣（分別以③和④標(biāo)出）.這幾股低溫?cái)_動(dòng)中心強(qiáng)度低于－6K的區(qū)域信號(hào)，比中國南方雨雪冰凍（凍雨）事件的出現(xiàn)早10天左右.這一特殊擾動(dòng)量顯示，低溫?cái)_動(dòng)中心不是來自歐洲和北冰洋地區(qū)，而來自北非至中東地區(qū).低溫?cái)_動(dòng)中心繞過青藏高原北部，最終到達(dá)中國南方地區(qū).在所有的南方23次低溫雨雪事件中，2008年初的低溫?cái)_動(dòng)源地是非常獨(dú)特的一次.

中國南方冰凍天氣形成的重要條件之一是低層大氣的冷空氣.從圖5b看出，中國南方的低層冷空氣源自高原以西，甚至來自北非.圖6給出的是2008年1月16日150hPa和500hPa層的溫度擾動(dòng).在亞洲地區(qū)，150hPa上溫度擾動(dòng)的南北分布表現(xiàn)為“冷－暖－冷”的擾動(dòng)型，而在對(duì)應(yīng)位置上500hPa層的溫度擾動(dòng)南北分布表現(xiàn)為“暖－冷－暖”的分布型.對(duì)流層至平流層中－高層的相反溫度擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出深度厚、尺度大和變化緩慢的特點(diǎn).850hPa層溫度擾動(dòng)的尺度也很大，但冷空氣的移動(dòng)受到高原等下墊面地形的影響，形成了冷空氣繞高原的分股移動(dòng)跡象（圖5b）.第2股低層冷空氣到達(dá)新疆以北時(shí)與中層冷空氣重疊形成到達(dá)地面的深厚冷層.當(dāng)850hPa分股冷空氣到達(dá)中國南方地區(qū)時(shí)，垂直方向“冷－暖－冷”的溫度擾動(dòng)結(jié)構(gòu)就形成了.這時(shí)，只要有水汽，凍雨和冰凍天氣就會(huì)形成.可見，預(yù)報(bào)中國南方的雨雪冰凍（凍雨）天氣，著眼點(diǎn)在于850hPa上溫度擾動(dòng)的監(jiān)測(cè).

我們可用當(dāng)前日實(shí)測(cè)的氣象變量資料，分離出瞬時(shí)天氣尺度擾動(dòng)分量，并繪制特征層（等氣壓面上的或垂直剖面上的）天氣尺度瞬時(shí)擾動(dòng)天氣圖.用當(dāng)前日的瞬時(shí)天氣擾動(dòng)分量，沿氣候風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向可以外推做出未來極端低溫事件的預(yù)報(bào).圖7指示了1月12日850hPa平均（氣候）流場(chǎng)上疊加的2008年1月16日850hPa溫度擾動(dòng).可見，當(dāng)前溫度擾動(dòng)的負(fù)值區(qū)中心基本上沿著850hPa的平均氣流移動(dòng)，表明預(yù)報(bào)極端天氣事件需要大氣天氣尺度擾動(dòng)與氣候流場(chǎng)的有機(jī)配合.利用天氣尺度擾動(dòng)隨氣候氣流移動(dòng)的關(guān)系，也可以提前4天預(yù)報(bào)區(qū)域極端天氣事件.

半個(gè)多世紀(jì)以來，逐日天氣預(yù)報(bào)的依據(jù)是長(zhǎng)波理論，即天氣預(yù)報(bào)員熟悉的“槽來脊去”.圖8分別給出了2008年1月12日、16日的500hPa和850 hPa原始高度場(chǎng)和溫度場(chǎng).在500hPa上，12日大型的穩(wěn)定系統(tǒng)主要有三個(gè)，自西向東分別為北非－歐洲的高壓、西伯利亞的穩(wěn)定阻塞高壓，和鄂霍茨克海的深厚低壓，而在青藏高原東側(cè)有一淺槽.在850hPa上，一個(gè)高壓從蒙古國伸向中國華北，鄂霍茨克海的低槽延伸到中國東部沿海.中國東南部地區(qū)受高壓控制，西南地區(qū)也沒有發(fā)現(xiàn)異常的天氣系統(tǒng).16日的500hPa上，西伯利亞的阻塞高壓崩潰，鄂霍茨克海閉合穩(wěn)定的低值中心北抬減弱，高原東側(cè)仍然維持一槽.16日850hPa上，中國幾乎為一個(gè)高壓環(huán)流控制，沒有對(duì)應(yīng)中國南方低溫雨雪冰凍的溫度槽和高度槽指示跡象.由此可見，使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)預(yù)測(cè)類似2008年的低溫雨雪冰凍（凍雨）極端天氣事件有一定的困難，而前述的天氣尺度溫度擾動(dòng)等新的前期信號(hào)具有廣闊的實(shí)用前景.

5 2011年1月南方凍雨事件預(yù)報(bào)

2011年1月開始，一個(gè)月內(nèi)中國南方先后三次連續(xù)遭遇低溫雨雪冰凍（凍雨）天氣.據(jù)中國民政部門統(tǒng)計(jì)，截至1月11日10時(shí)，1月1日以來的低溫冷凍和雪災(zāi)共造成湖北、湖南、廣西、重慶、四川、貴州、云南7省區(qū)1219.91萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡2人，農(nóng)作物受災(zāi)面積74.49萬公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失37.98億元人民幣.

從2011年1月1—31日，中國南方地區(qū)先后發(fā)生了3次持續(xù)性低溫雨雪過程，其中1月16—21日是雨雪影響范圍最大的一次過程.圖9給出了1月16日08時(shí)—1月22日08時(shí)的逐日雨雪量分析場(chǎng).從圖中看出，這是一次雨雪自西向東擴(kuò)展的過程.16日08時(shí)—17日08時(shí)，雨雪主要出現(xiàn)在青藏高原的東側(cè)到西南地區(qū).19日08時(shí)—20日08時(shí)，雨雪范圍擴(kuò)大到除廣東和廣西南部以外的整個(gè)長(zhǎng)江以南地區(qū).21日08時(shí)—22日08時(shí)，雨雪過程基本結(jié)束.圖9中，平均溫度0℃的位置向南推進(jìn)到了貴州、湖南、江西一帶，并且穩(wěn)定少動(dòng).0℃溫度線以南為降雨，以北為降雪或凍雨.

圖9 2011年1月16日08時(shí)—1月22日08時(shí)，中國陸地逐日24h降水量（mm）分析場(chǎng)（a）1月16日08時(shí)—17日08時(shí)，（b）1月17日08時(shí)—18日08時(shí)，…，（f）1月21日08時(shí)—22日08時(shí)，虛線為日平均溫度0℃的等值線Fig.9 Daily precipitation analysis in China（mm）from 16—22January 2008，dashed line is the daily average temperature of 0℃（a）on 16January 08h—17January 08h，（b）on 17January 08h—18January 08h，…，（f）on 21January 08h—22January 08h

與圖4a相同，圖10給出了2011年1月1—31日中國南方（100°E—120°E，20°N—33°N）地區(qū)溫度擾動(dòng)在垂直方向上隨時(shí)間的變化.在850hPa以下，－2K以下的持續(xù)性低溫中心出現(xiàn)了3次，對(duì)應(yīng)3次雨雪過程，分別出現(xiàn)在11日前、15—21日和26日至月末.最強(qiáng)的1次低溫?cái)_動(dòng)出現(xiàn)在15—21日，對(duì)應(yīng)于16—21日的最強(qiáng)凍雨過程.這3次持續(xù)低溫過程中還包含多次擾動(dòng)溫度低于－4K的時(shí)次.2011年初的溫度擾動(dòng)與2008年初的分布一樣，150hPa以上和850hPa以下的冷，與中間層的暖，形成了“冷－暖－冷”的垂直分布結(jié)構(gòu).也像2008年初一樣，中間層和高層的溫度擾動(dòng)尺度也是很大的，而最活躍的仍然是850hPa以下的那些頻繁溫度擾動(dòng).

圖10 同圖4a，但為2011年1月1—31日Fig.10 Same as Fig.4a，but on 1—31January 2011

從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，2011年1月的南方低溫冰凍事件，由三次主要的過程構(gòu)成，其中1月16—21日的雨雪冰凍（凍雨）范圍最大，影響較嚴(yán)重.在2011年1月14日國家氣象中心的天氣會(huì)商中，我們利用ECMWF模式在2011年1月12日20時(shí)開始的24～240h、850hPa預(yù)報(bào)產(chǎn)品，按照物理分解的方法得到了850hPa的天氣尺度溫度擾動(dòng)，通過與2008年初南方低溫雨雪冰凍（凍雨）事件的形勢(shì)場(chǎng)對(duì)比分析，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了這次凍雨過程的起止日期.

圖11中（a—e），是利用2011年1月12日20時(shí)ECMWF模式產(chǎn)品，制作的1月16—22日的850hPa層上的溫度擾動(dòng).圖11中，1月16日（圖11a），除了蒙古、新疆和北非各有一個(gè)擾動(dòng)低溫中心外，還有一個(gè)低溫?cái)_動(dòng)中心正在向中國西南地區(qū)逼近并不斷加強(qiáng)，可預(yù)示中國西南地區(qū)會(huì)出現(xiàn)雨雪（凍雨）天氣.實(shí)況是從1月16日8時(shí)至17日8時(shí)，貴州有38個(gè)縣（區(qū)、市）出現(xiàn)了凍雨和降雪，有27個(gè)縣（區(qū)、市）出現(xiàn)電線積冰.1月18日（圖11b），除了北非有一大的低溫?cái)_動(dòng)中心外，中國西南地區(qū)的低溫?cái)_動(dòng)中心也在加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)的雨雪冰凍天氣.1月20—21日（圖11c—d），中國西南和江淮流域低溫?cái)_動(dòng)繼續(xù)維持，低溫?cái)_動(dòng)分布與2008年初的情形非常相似.低層冷空氣也是來自北非－中東并繞過青藏高原北側(cè)到達(dá)中國南方.到了1月22日（圖11e），中國西南地區(qū)的低溫?cái)_動(dòng)中心減弱，東部低溫?cái)_動(dòng)中心移到海上，預(yù)示中國西南地區(qū)的一場(chǎng)雨雪冰凍天氣即將結(jié)束.這是一次實(shí)時(shí)在中國中央氣象臺(tái)成功預(yù)報(bào)的例子.2011年1月22日19∶30中央電視臺(tái)新聞節(jié)目后的全國天氣預(yù)報(bào)中，播音員總結(jié)提到：到22日出現(xiàn)的類似2008年初的南方雨雪過程已經(jīng)結(jié)束.我們使用這一方法，提前4天成功地預(yù)報(bào)了中國西南地區(qū)雨雪冰凍天氣的開始，提前10天成功地預(yù)報(bào)了這次雨雪冰凍天氣的結(jié)束.把逐日更新的ECMWF模式產(chǎn)品資料分解成天氣尺度變量擾動(dòng)的天氣圖就可以提前7至9天，做出中國西南地區(qū)的雨雪冰凍天氣過程的預(yù)報(bào).2011年的首次南方低溫雨雪事件是提前5天預(yù)報(bào)出的［18］.

我們也把分解計(jì)算的美國NCEP／NCAR實(shí)況溫度擾動(dòng)顯示在圖11的（f—j）中.對(duì)比ECMWF預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的逐日850hPa溫度擾動(dòng)和NCEP實(shí)況溫度擾動(dòng)看出，在東亞范圍內(nèi)，溫度擾動(dòng)的正負(fù)中心配置基本一致，影響南方地區(qū)的溫度擾動(dòng)中心位置和強(qiáng)度也基本一致.

5 結(jié)果與討論

根據(jù)極端天氣事件的定義和條件，把時(shí)段在12—2月，日最低溫度低于0℃，日降水量大于1mm，出現(xiàn)在中國南方相鄰5站和持續(xù)5天以上的事件，定義為南方持續(xù)低溫雨雪冰凍事件.1960—2008年期間，滿足站日數(shù)大于10的中國南方雨雪冰凍（凍雨）天氣事件只有11次.其中1969年1月28日開始持續(xù)12天的低溫雨雪冰凍（凍雨）天氣以232站日數(shù)排在第一.站日數(shù)處于第二位的是發(fā)生在2008年1月13日至2月3日低溫雨雪冰凍（凍雨）事件（186站日數(shù)）.

2008年初的南方持續(xù)低溫雨雪冰凍（凍雨）事件，是由4次過程疊加造成的.4次過程中，1月25—29日的凍雨過程影響范圍較大.從擾動(dòng)變量的垂直結(jié)構(gòu)看，4次過程發(fā)生在溫度擾動(dòng)的垂直分布上都有自高層到低層的“冷－暖－冷”結(jié)構(gòu)，這一垂直溫度結(jié)構(gòu)有利于凍雨的形成.從環(huán)流系統(tǒng)看，影響這次低溫雨雪過程的850hPa低溫?cái)_動(dòng)中心，從北非—中東繞青藏高原北側(cè)移動(dòng)到中國南方地區(qū)，4個(gè)低溫?cái)_動(dòng)過程連續(xù)出現(xiàn)，造成了中國南方4次低溫雨雪冰凍（凍雨）過程.

圖11 2011年1月16—1月22日850hPa溫度擾動(dòng)（a）—（e）：ECMWF在2011年1月12日20時(shí)預(yù)報(bào)的各日850hPa溫度擾動(dòng)；（f）—（j）：NCEP／NCAR實(shí)況資料分析的各日850hPa溫度擾動(dòng).Fig.11 850hPa temperature anomalies（K）from 16—22January 2011（a）—（e）：ECMWF issued products on 12（20h）January 2011；（f）—（j）：observations from NCEP／NCAR reanalysis data.

半個(gè)多世紀(jì)以來，逐日天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)是長(zhǎng)波理論，即天氣預(yù)報(bào)員熟悉的“槽來脊去”.傳統(tǒng)的“槽來脊去”天氣圖預(yù)報(bào)方法，缺乏指示中國南方低溫雨雪冰凍的溫度槽和高度槽形勢(shì).運(yùn)用去逐日氣候變化后的850hPa溫度擾動(dòng)，對(duì)未來短期至延伸期的中國南方雨雪冰凍天氣有預(yù)示意義.850hPa溫度擾動(dòng)中的負(fù)值中心，基本上沿著850hPa的氣候平均氣流移動(dòng)，表明預(yù)報(bào)極端天氣事件需要天氣尺度擾動(dòng)與氣候流場(chǎng)的有機(jī)配合.利用去逐日氣候變化后的逐日850hPa溫度擾動(dòng)分析方法，可以提前3—14天找到中國南方低溫事件的前期預(yù)報(bào)信號(hào)［18］.

基于對(duì)2008年南方雨雪冰凍（凍雨）事件的分析，利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品的天氣擾動(dòng)分解，在2011年1月12日預(yù)報(bào)產(chǎn)品中，分析出了2011年1月16—21日850hPa上的溫度擾動(dòng).利用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的分解分析，我們實(shí)際提前4天預(yù)報(bào)出了中國南方雨雪冰凍（凍雨）的開始，提前9天預(yù)報(bào)出了雨雪冰凍（凍雨）天氣過程的結(jié)束.歐洲中期天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的低層大氣溫度擾動(dòng)，與實(shí)際觀測(cè)的低溫?cái)_動(dòng)有較好的一致性.本文的結(jié)果表明，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)模式中的天氣尺度溫度擾動(dòng)分量信息，即850hPa層的低溫?cái)_動(dòng)和垂直“冷－暖－冷”結(jié)構(gòu)對(duì)凍雨天氣過程出現(xiàn)的可能性，具有提前一周左右的預(yù)報(bào)能力.

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Precursors to predict low－temperature freezing－rain events in southern China

QIAN Wei－Hong，ZHANG Zong－Jie
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，Peking University，Beijing100871，China

During the winter season in 1960to 2008，23low－temperature freezing rain events occurred in southern China，and only 11events came with more than 10station days.In the early 2008，a regional persistent freezing rain event occurred in southern China，while in the early 2011，a similar event happened again.How to predict this kind of extreme weather events in advance by 5days is a tough problem in the atmospheric society at present.The precursor of lowtemperature freezing rain event in southern China can be found in 3to 10days in advance，by using the daily 850hPa regional－scale temperature transient anomalies after removing the daily climate change.The initial position and path of the 850hPa temperature transient anomalies in the early 2008and the early 2011in southern China are similar，propagating cold signals from North Africa－Middle East，coming around the north of the Tibetan Plateau to southern China，and forming a vertical temperature structure of“cold－warm－cold pattern”in the troposphere.By analysis of similarity with daily 850hPa temperature transient anomalies data from ECMWF products，the early 2011freezing rain event in southern China was successfully predicted 4to 9 days in advance.

Low temperature，F(xiàn)reezing rain，Extreme weather event，Precursor，Prediction

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.007

P456

2011－12－05，2012－04－19收修定稿

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40975039）資助.

錢維宏，男，1957年生，教授.主要從事天氣氣候教學(xué)和研究.E－mail：qianwh＠pku.edu.cn

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（本文編輯 汪海英）