承德初霜凍天氣概念模型及其檢驗(yàn)

彭九慧，王　多，陸　倩，楊慶紅

承德初霜凍天氣概念模型及其檢驗(yàn)

彭九慧1，王多2，陸倩1，楊慶紅1

（1.承德市氣象局，河北承德067000；2.河北民族師范學(xué)院，河北承德067000）

應(yīng)用常規(guī)觀測資料與NCEP1°×1°再分析資料，對承德市各縣區(qū)初霜的時空分布特征及南北縣區(qū)初霜出現(xiàn)時間的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,在對117個初霜環(huán)流形勢分析的基礎(chǔ)上，建立了初霜預(yù)報的天氣概念模型；篩選因子，分縣區(qū)確立了預(yù)報指標(biāo)；采用概率、指標(biāo)、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品相結(jié)合的方法及概率區(qū)間取值法建立了分縣區(qū)初霜預(yù)報模型；檢驗(yàn)表明，該模型對于中重度初霜凍預(yù)報準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上，對輕度初霜的預(yù)報準(zhǔn)確率可達(dá)68%以上，無漏報出現(xiàn)。

絕對變率；概念模型；預(yù)報指標(biāo)；初霜指數(shù)

承德市地處山區(qū)，地勢落差大，是霜凍災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)，每年都有因霜凍造成的農(nóng)業(yè)損失，特別是初霜的早來常使未成熟的作物提前結(jié)束生育期而造成大幅度減產(chǎn)，由于承德市地域?qū)拸V，初霜出現(xiàn)的時間南北差異大，年際變化不穩(wěn)定，給預(yù)報工作帶來難度。2012年8月22日承德市的豐寧縣提前降霜，比歷年平均初霜日提前近1個月，使豐寧縣外溝門鄉(xiāng)、魚兒山鎮(zhèn)、四岔口鄉(xiāng)遭受嚴(yán)重的低溫冷凍災(zāi)害，造成直接經(jīng)濟(jì)損失4635萬元。

近年來，對于初霜凍的研究，我國的氣象工作者做了大量的工作，王海巖認(rèn)為，初、終霜凍的出現(xiàn)及年際變化與冷空氣活動密切相關(guān)[1]，楊克明、陳秀鳳、王東生等探討了初霜凍出現(xiàn)前24 h的環(huán)流形勢特征和天氣演變過程[2]，李凌等用多元回歸方法建立了廣西逐日最低溫度預(yù)報方程及霜凍等級預(yù)報[3]，這些研究對初終霜日及無霜期變化分析規(guī)律較多，預(yù)報方法多以統(tǒng)計方法為主，結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對初霜的預(yù)報技術(shù)研究較少，為了加深對初霜凍災(zāi)害的認(rèn)識提高其預(yù)報準(zhǔn)確率，有必要開展對初霜凍天氣預(yù)報的深入研究，通過分析初霜凍天氣形勢及與地面高壓、氣溫、大氣相對濕度、風(fēng)等氣象因子的關(guān)系，利用EC、T639、日本等數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，結(jié)合天氣學(xué)方法與統(tǒng)計方法，建立適合于本地的預(yù)報模型，完善初霜凍客觀預(yù)報方法，對于做好農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)具有重要意義。

1　承德市初霜凍的時空分布特征

不少學(xué)者把下半年地面0 cm日最低溫度≤0℃的第一天定為初霜日期[4-7]，本文以每年終霜以后，秋季第一次出現(xiàn)霜作為初霜日，如果霜的天氣現(xiàn)象在地面0 cm最低溫度達(dá)到0℃以下之后出現(xiàn)，則以地面0 cm最低溫度達(dá)到零下的第一天作為初霜日進(jìn)行分析。

絕對變率是反映研究對象穩(wěn)定程度的參量，其計算公式如下：

設(shè)x1，x2…xn為n個觀測值，絕對變率Va則刻劃了觀測值頻率的分布離散特征。

保證率表示某氣象要素值小于或大于某一數(shù)值的可靠程度，通常以某氣象要素在長時期內(nèi)小于或大于某一數(shù)值的累積頻率來表示。如果把逐年初霜凍出現(xiàn)的先后時間作為一個數(shù)據(jù)序列，可以得到大于50%保證率的初霜凍出現(xiàn)時間。

統(tǒng)計承德市各縣區(qū)1951—2012年62 a初霜時間發(fā)現(xiàn)，全市初霜出現(xiàn)最早的是壩上地區(qū)，平均初霜日期為8月25日，初霜出現(xiàn)最晚在南部的寬城縣，平均初霜日是10月3日，南北縣區(qū)初霜出現(xiàn)的平均時間差39 d，同一縣區(qū)初霜出現(xiàn)的最早與最晚日期相差最多的是壩上相差73 d，相差較少的是南部的承德縣相差30 d，呈現(xiàn)出北部比南部縣區(qū)時間跨度大的特點(diǎn)。對初霜出現(xiàn)時間的絕對變率分析也可看出，壩上地區(qū)的絕對變率最大9.2 d，寬城縣最小5.2 d（表1），絕對變率大，也就是初霜凍出現(xiàn)的時間穩(wěn)定性較差，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上躲避初霜凍的難度相對較大，這也是承德市壩上地區(qū)受初霜凍災(zāi)害最嚴(yán)重的主要原因之一。

表1　各縣區(qū)初霜凍出現(xiàn)時間與絕對變率

2　初霜凍的天氣概念模型

選取1999—2012年14 a分縣區(qū)逐年初霜日的天氣形勢117個個例，根據(jù)前一天08時500 hPa東亞關(guān)鍵區(qū)（30°~60°N，90°~130°E）的環(huán)流特點(diǎn)，將初霜出現(xiàn)的天氣形勢分為4個類型。

2.1脊前型

該型主要影響承德市西部的豐寧縣與興隆縣，14 a中出現(xiàn)了28次占總次數(shù)的22%。特點(diǎn)是前一天08時500 hPa關(guān)鍵區(qū)以脊前西北氣流為主，有短波槽沿西北氣流快速下滑，第二天08時受短波槽后冷空氣影響，引起霜凍，當(dāng)短波槽比較偏南（槽線延伸到40°N以南）時，在霜凍出現(xiàn)前一天可造成弱的降水。

2.2橫槽型

該型是造成承德市初霜凍出現(xiàn)最常見的一種，14 a出現(xiàn)了53次占總次數(shù)的42%。在中部及北部各縣出現(xiàn)次數(shù)最多，分兩個副型。

橫槽Ⅰ型。前一天08時500 hPa在關(guān)鍵區(qū)為東槽西脊的形勢，槽線呈東北—西南向，受影響區(qū)縣位于橫槽前部，受槽后補(bǔ)充冷空氣影響，橫槽向東南移動，初霜當(dāng)日08時轉(zhuǎn)入槽后偏東北氣流控制，冷空氣從東北路徑南下，可造成承德市東部、南部霜凍。該型較多地影響東南部的平泉、寬城、承德縣。

橫槽Ⅱ型。該型前一天08時500 hPa受影響區(qū)縣位于橫槽前部，受槽后補(bǔ)充冷空氣影響，初霜當(dāng)日08時橫槽轉(zhuǎn)豎，受影響縣區(qū)轉(zhuǎn)入槽后西北氣流控制，該型主要造成承德市中北部縣區(qū)出現(xiàn)霜凍。

2.3寬槽型

該型出現(xiàn)的次數(shù)最少，14 a中全市只出現(xiàn)了14次占總次數(shù)的11%。該型前一天08時500 hPa在關(guān)鍵區(qū)為緯向氣流控制，受影響區(qū)縣位于寬槽底部，850 hPa鋒區(qū)逐漸南壓，冷空氣以偏西路徑東傳，造成氣溫持續(xù)下降，前一日受影響區(qū)縣一般有降水。

2.4兩脊一槽型

該型主要造成承德市南部的興隆縣和寬城縣，出現(xiàn)頻率為43%，該型前一日08時500 hPa在東亞地區(qū)為兩脊一槽的形勢，受影響縣區(qū)位于高空槽前，槽比較深且延伸至40°N以南，初霜當(dāng)日受槽后偏北氣流影響，該型83.8%受影響區(qū)縣前一天有降水（圖1）。

3　分區(qū)預(yù)報指標(biāo)分析

3.1壩上地區(qū)

壩上地區(qū)位于承德市的最北部，海拔高度在1500~1800 m，是全市初霜發(fā)生最早的地區(qū)，平均初霜日期為8月25日，最早初霜發(fā)生在6月30日。統(tǒng)計壩上地區(qū)24 a初霜日最低氣溫發(fā)現(xiàn)，壩上地區(qū)初霜當(dāng)日的日最低氣溫在-1.7～2.8℃之間，08時相對濕度在60%～80%，850 hPa氣溫≤9℃，02—08時的風(fēng)速≤5 m/s，08時總云量≤5成。壩上地區(qū)的初霜凍多與寒潮有關(guān)，41 a中，有22 a的24 h最低氣溫下降6~10℃，發(fā)生比較突然。這也是難預(yù)報的原因之一。

3.2北部地區(qū)

北部豐寧縣、圍場縣和隆化縣的初霜日出現(xiàn)在9月中旬到9月下旬，初霜當(dāng)日的日最低氣溫在-4.5～5.3℃之間，初霜凍當(dāng)日08時地面冷高壓中心在40°N及以北占總數(shù)的85.7%，08時925 hPa的氣溫均≤13℃，08時850 hPa的氣溫均≤10℃，08時850 hPa的相對濕度在26%~60%之間，02—08時的風(fēng)速＜4 m/s，02—08時總云量≤5成。

3.3中南部地區(qū)

承德市中南部縣區(qū)的初霜日主要出現(xiàn)在9月中下旬到10月上旬，初霜當(dāng)日最低氣溫-5.1～6℃，南部的承德縣與寬城縣初霜日08時925 hPa的氣溫≤9℃，08時850 hPa的氣溫≤6℃，其他縣區(qū)初霜日08時925 hPa的氣溫≤13℃，08時850 hPa的氣溫≤10℃，08時850 hPa的相對濕度均在22%~ 60%之間，02—08時的風(fēng)速≤3 m/s，總云量≤6成。

圖1　初霜凍天氣的500 hPa形勢

4　預(yù)報模型的建立

對于初霜日期的預(yù)報，有利用曲線趨勢法，尋找周期規(guī)律預(yù)報初霜出現(xiàn)大概日期的，有利用500 hPa溫度進(jìn)行指標(biāo)法預(yù)測的，有利用天氣形勢預(yù)測的[8-9]，還有利用相關(guān)好的因子，建立回歸方程預(yù)測的，有基于最低地溫預(yù)報的[10]，有認(rèn)為霜的形成與日最低氣溫關(guān)系密切，通過建立日最低氣溫預(yù)報方程做霜凍預(yù)報的[3]，特別是近年來隨著數(shù)值天氣預(yù)報的發(fā)展，有些研究人員通過分析850 hPa氣溫與地面0 cm溫度的相關(guān)關(guān)系，直接用第二天850 hPa的預(yù)報氣溫作為霜凍預(yù)報指標(biāo)[11-12]。通過計算承德市各縣區(qū)初霜當(dāng)日日最低氣溫、08時850 hPa氣溫與地面0 cm最低溫度的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)系數(shù)均在0.6以上，因?yàn)槿兆畹蜌鉁厥浅Ｒ?guī)預(yù)報項(xiàng)目，且與霜凍出現(xiàn)的關(guān)系密切，因此，把第二天的最低氣溫作為初霜預(yù)報的主要因子之一。有的時候最低氣溫較高，但是850 hPa的氣溫較低，也會出現(xiàn)霜凍，且EC預(yù)報850 hPa氣溫的準(zhǔn)確率在80%以上，因此也將第二天08時850 hPa的氣溫作為預(yù)報因子，采用概率、指標(biāo)、以及數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品相結(jié)合的方法建立預(yù)報方程。

承德市地域廣闊，各縣區(qū)地理緯度，地形、地勢差異較大，故分縣建立預(yù)報模型，下面以圍場縣為例進(jìn)行說明。

由于不同的最低氣溫對應(yīng)初霜凍出現(xiàn)的概率不同，當(dāng)最低氣溫為x時，初霜凍出現(xiàn)的概率是大于x的最低氣溫對應(yīng)的初霜凍出現(xiàn)概率累加，因此，根據(jù)最低氣溫的高低對初霜凍出現(xiàn)概率進(jìn)行累積，得到不同最低氣溫下的初霜凍出現(xiàn)的累積概率方程（圖2）。同理，也得到不同08時850 hPa的氣溫下的初霜凍出現(xiàn)的累積概率方程（圖3）。兩個因子采用線性組合建立預(yù)報模型，由于初霜出現(xiàn)的概率與日最低氣溫、850 hPa的氣溫呈反相關(guān)，因此每個因子所占的權(quán)重，取決于其導(dǎo)致初霜出現(xiàn)的概率值的大小。

由于圍場縣初霜日最低氣溫在-3～5.3℃之間，08時850 hPa的氣溫在1～9℃之間，02—08時的風(fēng)速<4 m/s，08時總云量≤5成，低云量均＜3成，因此建立預(yù)報模型。其中Y為預(yù)報指標(biāo)，X為消空指標(biāo)。

I為初霜指數(shù)。Y1為第二天最低氣溫對應(yīng)的初霜累積概率，隨氣溫的降低而加大。Y2為第二天08 時850 hPa氣溫對應(yīng)的初霜累積概率，隨氣溫的降低而加大。

圖2　圍場縣最低氣溫與初霜出現(xiàn)的累積概率

圖3　圍場縣08時850 hPa氣溫與初霜出現(xiàn)的累積概率

X1為第二天02—08時的最大風(fēng)速，當(dāng)X1≥4 m/s時取0，X1＜4 m/s時取1。X2為第二天08時總云量，當(dāng)X2＞5成時取0，X1≤5成時取1。X3為第二天08時低云量，當(dāng)X2≥3成時取0，X1＜3成時取1。X4為第二天08時是否有降水，當(dāng)有降水時取0，無降水時取1。

當(dāng)X1、X2、X3、X4任意一項(xiàng)取0時，則沒有霜凍。

由于圍場縣最早出現(xiàn)初霜的時間是8月31日，在每年的8月下旬開始運(yùn)行方程，從圍場縣的要素指標(biāo)分析可知道，圍場縣初霜日最低氣溫均≤6℃，初霜當(dāng)日08時850 hPa的氣溫均≤9℃，因此當(dāng)預(yù)報圍場日最低氣溫＜6℃或數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品（目前使用EC細(xì)網(wǎng)格差值獲得）預(yù)報第二天08時圍場縣850 hPa的氣溫≤10℃時根據(jù)（2）式計算初霜指數(shù)。

用該方法對圍場縣1999—2012年的初霜指數(shù)進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)（表2）：當(dāng)日最低氣溫與08時850 hPa溫度均較高時，初霜指數(shù)I的值較小，當(dāng)初霜指數(shù)>1.5時，最低氣溫均在0℃以下或850 hPa溫度在0℃左右，也就是霜凍比較嚴(yán)重，因此預(yù)報有重霜凍；當(dāng)初霜指數(shù)0.3≤I<1時，最低氣溫均在1.5℃以上，可以預(yù)報有輕霜;當(dāng)初霜指數(shù)1≤I<1.5時，最低氣溫均在0～1.5℃，預(yù)報有中等強(qiáng)度的霜凍。

表2　近14 a圍場縣的初霜指數(shù)

利用累積概率方程計算的初霜指數(shù)比較繁瑣，且曲線擬合有一定的誤差。通過分析近62 a初霜出現(xiàn)的實(shí)際累積概率與當(dāng)日最低氣溫、08時850 hPa氣溫的關(guān)系，采用分區(qū)間取值法分別得到每個預(yù)報因子的初霜出現(xiàn)的累積概率（表3），從而計算初霜指數(shù)I2（表4）。

表3　初霜出現(xiàn)概率的分區(qū)間取值

分析表4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初霜指數(shù)0.5≤I2<1時可以預(yù)報有輕霜，當(dāng)1≤I2<1.5時有中等強(qiáng)度的霜凍，當(dāng)初霜指數(shù)≥1.5時有重霜凍，當(dāng)曲線擬合較差時可以采用這種方法作為補(bǔ)充。

5　檢驗(yàn)情況

應(yīng)用以上的預(yù)報模型對各縣區(qū)初霜凍的預(yù)報情況進(jìn)行回代檢驗(yàn)，從對各縣區(qū)的檢驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)初霜指數(shù)在1以上時，兩種預(yù)報方法的對全市初霜的平均命中率均在95%以上,初霜指數(shù)在0.3≤I1＜1與0.5≤I2＜1的命中率分別為73.2%與68.9%,對于輕霜凍的命中率較低（圖4），主要原因是為了保證初霜災(zāi)害不漏報，將輕霜出現(xiàn)的閾值定得比較低，這樣當(dāng)最低氣溫與850 hPa氣溫較高時，初霜指數(shù)比較低，接近下限，預(yù)報時間偏前的現(xiàn)象比較多，對于冷空氣較強(qiáng)的情況，預(yù)報準(zhǔn)確率大大提升。

該預(yù)報模型依賴于最低氣溫預(yù)報的準(zhǔn)確率以及數(shù)值預(yù)報的穩(wěn)定性。近年來,預(yù)報員對于72 h之內(nèi)最低氣溫的預(yù)報已基本準(zhǔn)確（誤差在2℃以內(nèi)），歐洲中心對于850 hPa氣溫72 h之內(nèi)的預(yù)報也已經(jīng)基本穩(wěn)定，因此應(yīng)用該預(yù)報模型，提前48 h或72 h預(yù)報出霜凍災(zāi)害，提前發(fā)布初霜凍預(yù)警，對于減少農(nóng)業(yè)損失具有重要意義。

表4　利用區(qū)間取值法計算的近14 a圍場縣的初霜指數(shù)

圖4　兩種預(yù)報方法對各縣區(qū)初霜凍預(yù)報命中率對比

6　結(jié)論

（1）通過計算保證率與絕對變率對承德市初霜凍的時空分布特征分析發(fā)現(xiàn)，承德市各縣區(qū)的初霜出現(xiàn)的平均時間自北向南推遲，并呈現(xiàn)出北部縣區(qū)比南部縣區(qū)初霜出現(xiàn)的時間穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)。

（2）承德市初霜的天氣形勢主要有脊前型、橫槽型、兩脊一槽型、寬槽型4個類型，其中橫槽型出現(xiàn)初霜概率最大，主要出現(xiàn)在中北部各縣；兩脊一槽型主要出現(xiàn)在南部的興隆縣和寬城縣。

（3）采用概率、指標(biāo)以及數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品相結(jié)合的方法及概率區(qū)間取值法建立分縣區(qū)初霜凍預(yù)報模型，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于中重度初霜凍預(yù)報準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上，對于輕度初霜的預(yù)報準(zhǔn)確率可達(dá)68%以上，需要在今后的工作中進(jìn)一步完善。

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The First-Frost Conceptual Prediction Model for Chengde and Its Test

PENG Jiuhui1，WANG Duo2，LU Qian1，YANG Qinghong1
（1.Chengde Meteorological bureau，Chengde 067000，China；2.Hebei Normal University For Nationalities，Chengde 067000，China）

Using the conventional observation data and the NCEP1°×1°reanalysis data,in this study the temporal-spatial distribution characteristics of the first frost in the counties in Chengde and the temporal stability of the first frost in the north and south counties were analyzed.Based on analysis of the circulation of 117 first-frost cases,the first-frost conceptual prediction model was set up;early frost forecast indicators were established with filtering factors;and the first frost forecast model for every county was established using method of combining probability,index and the numerical forecast products,and probability interval value method.Test shows that forecast accuracy of the model for the moderate or severe first frost can reach more than 95%,the accuracy of forecasting for weak first frost can reach more than 68%without omission.

absolute change rate；conceptual model；forecast indicators；index of the first frost

P457.31

B

1002-0799（2016）03-0015-06

2015-03-24；

2015-04-21

河北省氣象局2013年科研項(xiàng)目“初霜凍預(yù)報技術(shù)研究”（13ky26）資助。

彭九慧（1967-），女，高級工程師，從事中短期天氣預(yù)報與決策氣象服務(wù)。E-mail：pengjiuhui@163.com