基于EC 的2022 年夏季北京機(jī)場雷雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)分析

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，人們通過對產(chǎn)生雷雨的天氣形勢進(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)；李長武[1]通過分型總結(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)場雷雨形勢分析與強(qiáng)度分級預(yù)報(bào)的研究；肖世平，陳育兵，楊向東等[4-6]也都針對所在機(jī)場地域氣候特點(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)生在咸陽機(jī)場的14 個(gè)雷雨天氣的天氣形勢特點(diǎn)進(jìn)行分析和分型，并與數(shù)值預(yù)報(bào)的48 h 的形勢場預(yù)報(bào)做對比，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，對貴陽機(jī)場雷暴各氣象要素做了相關(guān)性分析， 指出K 指數(shù)、500 hPa 相對濕度和500 hPa 的垂直運(yùn)動(dòng)是貴陽機(jī)場雷暴發(fā)生最主要的三個(gè)要素。 謝明金[9]利用數(shù)值產(chǎn)品對雙流機(jī)場雷雨天氣過程進(jìn)行檢驗(yàn)， 對雙流機(jī)場雷雨過程的天氣形勢和要素場的特征進(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)工作對數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的依賴性越來越強(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2022 年夏季發(fā)生在北京首都和大興機(jī)場的雷雨天氣。 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（對流有效位能）作為檢驗(yàn)指標(biāo)，并對其進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分級: (1) 將水汽條件分成4 級:1000 hPa-650 hPa 的相對濕度≥90%認(rèn)為水汽條件好;80%≤相對濕度<90%認(rèn)為較好;70%≤相對濕度<80%認(rèn)為一般； 相對濕度<70%認(rèn)為水汽條件差。 (2) 垂直速度分級為： 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；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； 在中高空（850 hPa-500 hPa）且垂直速度<-0.6×10-3Pa/s 設(shè)為3 級。 (3) 低層輻合條件分為2 級： 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： 在雷雨發(fā)生過程中出現(xiàn)的對流有效位能變化量≥50 J/Kg（無論上升還是下降）認(rèn)為能量條件好，對流有效位能變化量<50 J/Kg （無論上升還是下降）認(rèn)為能量條件差。

在EC 模式對雷雨天預(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 級的;(3)低層輻合條件預(yù)報(bào)的等級達(dá)到好的;(4)能量條件預(yù)報(bào)的等級達(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)場的雷雨天氣共計(jì)有22 次， 其中1 次無資料， 故本文中參與統(tǒng)計(jì)的首都機(jī)場雷雨天次數(shù)為21次； 發(fā)生在北京大興機(jī)場的雷雨天氣共計(jì)有23 次，其中1 次無資料， 故本文中參與統(tǒng)計(jì)的大興機(jī)場的雷雨天次數(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，不考慮空報(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)場的整點(diǎn)METAR 報(bào)文。兩機(jī)場之間距離64 km。

3 雷雨預(yù)報(bào)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，從表1 中可以看到，在首都機(jī)場的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EC 預(yù)報(bào)要素對雷雨天氣的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（表1），首都機(jī)場的EC 模式預(yù)報(bào)結(jié)果正確的8 次雷雨天氣過程中， 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)場的EC 模式預(yù)報(bào)結(jié)果正確的10 次雷雨天氣過程中，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)果說明水汽條件是關(guān)鍵，也就是說當(dāng)水汽條件不充分的條件下， 數(shù)值預(yù)報(bào)對雷雨天氣的預(yù)報(bào)能力就會(huì)受到明顯影響。

此外，兩個(gè)機(jī)場在同一時(shí)段或臨近時(shí)段（反應(yīng)了是同一天氣過程影響） 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)場出現(xiàn)了一次持續(xù)了5 h 的雷雨天氣過程。從該過程的綜合廓線圖中可以看到（圖1），12日20 時(shí)，在925-700 hPa 空氣相對濕度70%-80%，按照2.1 檢驗(yàn)原則中的分級， 水汽條件一般， 700 hPa以上高度的空氣相對濕度在60%以下， 具有上干下濕的位勢不穩(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；由對流有效位能圖看（圖2），在雷雨發(fā)生前的17 時(shí)， 對流有效位能為1348 J/Kg，在雷雨發(fā)生過程中對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)對流有效位能下降到304 J/kg，雷雨天氣發(fā)生過程中能量釋放過程清晰。 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)了一次雷雨天氣過程。

圖1 2022 年6 月12 日08 時(shí)-13 日08 時(shí)EC 首都機(jī)場綜合廓線圖（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 對流有效位能（ J/kg）預(yù)報(bào)圖

5 小結(jié)

（1）通過對北京兩個(gè)機(jī)場已發(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%，空報(bào)率沒有檢驗(yàn)。

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

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

（4）EC 對水汽含量相對?。?70%）的雷雨天氣幾乎沒有預(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)對雷雨云團(tuán)的發(fā)展作用也較為明顯。