基于EC 的2022 年夏季北京机场雷雨预报检验分析

2024-01-20刘雨佳郝春宏申延美孙砳石

黑龙江气象 2023年4期

刘雨佳，郝春宏，刘冰，申延美，孙砳石

（1.北京全球气象导航技术有限公司，北京 100081；2.中国气象局航空气象重点实验室，北京 100081）

1 引言

雷雨是空气在极端不稳定状况下所产生的剧烈天气现象，它常挟带大风、暴雨、闪电、雷击，甚至伴随有冰雹出现，因此往往可造成灾害，还可以形成空中的强烈颠簸，覆盖航路时迫使飞机绕飞，极大地危害民航运输业安全。因此，对雷雨天气的准确预报，一直是航空和气象部门关注的重点。早期，人们通过对产生雷雨的天气形势进行分型，确定特定类型及其气象要素的阈值，做出某一区域发生雷雨天气的预报；李长武[1]通过分型总结了广州夏季西太平洋西侧的预报方法和气象要素阈值；王炳泉[2]总结了杭州盛夏“西向型”雷雨的预报经验；冯旭原等[3]做了临潼机场雷雨形势分析与强度分级预报的研究；肖世平，陈育兵，杨向东等[4-6]也都针对所在机场地域气候特点和地理环境的特征进行了当地雷雨预报的研究，正是这些前辈的研究工作为雷雨预报奠定了基础。随着数值预报技术的发展，人们开始把数值预报的输出结果与雷雨预报的实践经验相结合，寻求在雷雨预报方法上的突破，高洁等[7]把2007 年发生在咸阳机场的14 个雷雨天气的天气形势特点进行分析和分型，并与数值预报的48 h 的形势场预报做对比，延伸了雷雨预报的时效；杨德等[8]根据MICAPS 提供的2013 年数值预报资料，对贵阳机场雷暴各气象要素做了相关性分析，指出K 指数、500 hPa 相对湿度和500 hPa 的垂直运动是贵阳机场雷暴发生最主要的三个要素。谢明金[9]利用数值产品对双流机场雷雨天气过程进行检验，对双流机场雷雨过程的天气形势和要素场的特征进行了分析，并利用WAFS 产品制作了高空（850 hPa）温度演变预报图图例，这些在工作中的有益实践为数值预报产品的应用展开了新的前景。

由于数值预报中要素预报准确率的提高，质量稳定，业务工作对数值预报产品的依赖性越来越强，但是，雷雨这样的天气现象的发生往往是多种气象要素共同影响的，不是由某一个单一的气象要素决定的，因此，综合考虑各气象要素的作用，检验数值预报模式对雷雨的预报能力是很有必要的。

2 检验原则与资料

2.1 检验原则

本次检验只针对2022 年夏季发生在北京首都和大兴机场的雷雨天气。根据雷雨天气发生的特点和经验，在预报要素中选取了水汽条件（空气相对湿度）、垂直速度、低层辐合（以925 hPa 的风速为代表）和能量条件（对流有效位能）作为检验指标，并对其进行经验分级: (1) 将水汽条件分成4 级:1000 hPa-650 hPa 的相对湿度≥90%认为水汽条件好;80%≤相对湿度<90%认为较好;70%≤相对湿度<80%认为一般；相对湿度<70%认为水汽条件差。 (2) 垂直速度分级为：垂直速度等值线闭合中心出现在近地层（850 hPa 以下）且垂直速度≤-0.3×10-3Pa/s 设为1级；在中高空（850 hPa-500 hPa）且垂直速度≥-0.6×10-3Pa/s 且<-0.3×10-3Pa/s 设为2 级；在中高空（850 hPa-500 hPa）且垂直速度<-0.6×10-3Pa/s 设为3 级。 (3) 低层辐合条件分为2 级：在925 hPa 的风速>5 m/s 认为低层辐合条件好；在925 hPa 的风速≤5 m/s 认为低层辐合条件差。 (4)能量条件分为2级：在雷雨发生过程中出现的对流有效位能变化量≥50 J/Kg（无论上升还是下降）认为能量条件好，对流有效位能变化量<50 J/Kg （无论上升还是下降）认为能量条件差。

在EC 模式对雷雨天预报正确的基础上，若满足(1)水汽条件预报的等级达到较好及以上，(2)垂直速度预报的达到1、2 或3 级的;(3)低层辐合条件预报的等级达到好的;(4)能量条件预报的等级达到好的4 个条件中的任意一个，认为该次雷雨天气是由该条件起主导作用引起的。

根据历史资料统计，在2022 年夏季发生在北京首都机场的雷雨天气共计有22 次，其中1 次无资料，故本文中参与统计的首都机场雷雨天次数为21次；发生在北京大兴机场的雷雨天气共计有23 次，其中1 次无资料，故本文中参与统计的大兴机场的雷雨天次数为22 次。由于资料限制，只统计预报成功率和漏报率，不考虑空报率。

2.2 资料

EC 资料每天输出2 次（08 时和20 时，北京时，下同），时间分辨率间隔3 h，水平分辨率0.125°；按照有利原则，选取雷雨天气发生前最近一次的预报输出结果，间隔3 h，分辨率0.125°；时段选择雷雨天气产生时段的覆盖区，或最近时间。雷雨天气记录选至北京首都和大兴机场的整点METAR 报文。两机场之间距离64 km。

3 雷雨预报检验的统计分析

经过统计，从表1 中可以看到，在首都机场的21次雷雨天气中，EC 模式预报的水汽条件达到较好及以上的（即表中满足次数）共有9 次，垂直速度达到1、2 及3 级的共有15 次，低层辐合条件达到好的有13 次，能量条件达到好的有18 次。在大兴机场的22次雷雨天气中，EC 模式预报的水汽条件达到较好及以上的共有7 次，垂直速度达到1、2 及3 级的共有11 次，低层辐合条件达到好的有14 次，能量条件达到好的有19 次。

表1 北京机场EC 预报要素对雷雨天气的预报检验

经过统计发现（表1），首都机场的EC 模式预报结果正确的8 次雷雨天气过程中，水汽条件起主导作用的有7 次；垂直速度起主导作用的有7 次；低层辐合起主导作用的有6 次；能量条件起主导作用的有7 次。大兴机场的EC 模式预报结果正确的10 次雷雨天气过程中，水汽条件起主导作用的有7 次；垂直速度起主导作用的有6 次；低层辐合起主导作用的有7 次；能量起主导作用的有9 次。

由此计算出，在首都机场的21 次雷雨天气中，EC 模式预报出有雷雨的次数为8 次，预报准确率38%，漏报率62%；在大兴机场的22 次雷雨天气中，EC 模式预报出有雷雨的次数为10 次，预报准确率45%，漏报率55%。其中，在北京首都机场模式预报雷雨天气结果正确的基础上，各个条件的主导贡献率分别是：水汽条件为78%，垂直速度为47%，低层辐合为46%，能量变化为39%。北京大兴机场数值预报结果正确的主导贡献率分别是：水汽条件为100%，垂直速度为55%，低层辐合为50%，能量变化为47%。以上结果说明水汽条件是关键，也就是说当水汽条件不充分的条件下，数值预报对雷雨天气的预报能力就会受到明显影响。

此外，两个机场在同一时段或临近时段（反应了是同一天气过程影响）都出现雷雨天气的共计有13次，数值预报结果正确的只有4 次。

4 预报个例分析

受锋面气旋影响，2022 年6 月12 日20 时-13 日01 时，北京首都机场出现了一次持续了5 h 的雷雨天气过程。从该过程的综合廓线图中可以看到（图1），12日20 时，在925-700 hPa 空气相对湿度70%-80%，按照2.1 检验原则中的分级，水汽条件一般， 700 hPa以上高度的空气相对湿度在60%以下，具有上干下湿的位势不稳定特征；空气的垂直上升运动主要发生在近地层1000 hPa-650 hPa 这一层结中，中心在850 hPa，最大值达-1.5×10-3Pa/s； 925 hPa 的风速达10 m/s，低层辐合明显；由对流有效位能图看（图2），在雷雨发生前的17 时，对流有效位能为1348 J/Kg，在雷雨发生过程中对流有效位能逐渐下降至20 时的1257 J/kg、23 时的1139 J/kg，在雷雨结束后的13 日02时对流有效位能下降到304 J/kg，雷雨天气发生过程中能量释放过程清晰。从降水量的预报值看（图3），主要降雨时段在12 日20-23 时，降水量为15.1 mm，其中对流降水量10.8 mm；在12 日23 时-13 日02时，还有1.1 mm 的降水量，均是对流降水量。这是一次在大气中水汽条件并不充沛的情况下，由于其它要素表现显著，产生强烈的对流，造成大气中的水汽在一定范围的快速积累，触发了一次雷雨天气过程。