基于EC 的2022 年夏季北京機場雷雨預報檢驗分析

劉雨佳，郝春宏，劉 冰，申延美，孫砳石

（1.北京全球氣象導航技術有限公司，北京 100081；2.中國氣象局航空氣象重點實驗室，北京 100081）

1 引言

雷雨是空氣在極端不穩定狀況下所產生的劇烈天氣現象，它常挾帶大風、暴雨、閃電、雷擊，甚至伴隨有冰雹出現，因此往往可造成災害，還可以形成空中的強烈顛簸，覆蓋航路時迫使飛機繞飛，極大地危害民航運輸業安全。 因此，對雷雨天氣的準確預報，一直是航空和氣象部門關注的重點。 早期，人們通過對產生雷雨的天氣形勢進行分型， 確定特定類型及其氣象要素的閾值， 做出某一區域發生雷雨天氣的預報；李長武[1]通過分型總結了廣州夏季西太平洋西側的預報方法和氣象要素閾值；王炳泉[2]總結了杭州盛夏“西向型”雷雨的預報經驗；馮旭原等[3]做了臨潼機場雷雨形勢分析與強度分級預報的研究；肖世平，陳育兵，楊向東等[4-6]也都針對所在機場地域氣候特點和地理環境的特征進行了當地雷雨預報的研究，正是這些前輩的研究工作為雷雨預報奠定了基礎。隨著數值預報技術的發展， 人們開始把數值預報的輸出結果與雷雨預報的實踐經驗相結合， 尋求在雷雨預報方法上的突破，高潔等[7]把2007 年發生在咸陽機場的14 個雷雨天氣的天氣形勢特點進行分析和分型，并與數值預報的48 h 的形勢場預報做對比，延伸了雷雨預報的時效；楊德等[8]根據MICAPS 提供的2013 年數值預報資料，對貴陽機場雷暴各氣象要素做了相關性分析， 指出K 指數、500 hPa 相對濕度和500 hPa 的垂直運動是貴陽機場雷暴發生最主要的三個要素。 謝明金[9]利用數值產品對雙流機場雷雨天氣過程進行檢驗， 對雙流機場雷雨過程的天氣形勢和要素場的特征進行了分析， 并利用WAFS 產品制作了高空（850 hPa）溫度演變預報圖圖例，這些在工作中的有益實踐為數值預報產品的應用展開了新的前景。

由于數值預報中要素預報準確率的提高， 質量穩定，業務工作對數值預報產品的依賴性越來越強，但是， 雷雨這樣的天氣現象的發生往往是多種氣象要素共同影響的， 不是由某一個單一的氣象要素決定的，因此，綜合考慮各氣象要素的作用，檢驗數值預報模式對雷雨的預報能力是很有必要的。

2 檢驗原則與資料

2.1 檢驗原則

本次檢驗只針對2022 年夏季發生在北京首都和大興機場的雷雨天氣。 根據雷雨天氣發生的特點和經驗，在預報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 的風速為代表）和能量條件（對流有效位能）作為檢驗指標，并對其進行經驗分級: (1) 將水汽條件分成4 級:1000 hPa-650 hPa 的相對濕度≥90%認為水汽條件好;80%≤相對濕度<90%認為較好;70%≤相對濕度<80%認為一般； 相對濕度<70%認為水汽條件差。 (2) 垂直速度分級為： 垂直速度等值線閉合中心出現在近地層（850 hPa 以下） 且垂直速度≤-0.3×10-3Pa/s 設為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 設為2 級； 在中高空（850 hPa-500 hPa）且垂直速度<-0.6×10-3Pa/s 設為3 級。 (3) 低層輻合條件分為2 級： 在925 hPa 的風速>5 m/s 認為低層輻合條件好； 在925 hPa 的風速≤5 m/s 認為低層輻合條件差。 (4)能量條件分為2級： 在雷雨發生過程中出現的對流有效位能變化量≥50 J/Kg（無論上升還是下降）認為能量條件好，對流有效位能變化量<50 J/Kg （無論上升還是下降）認為能量條件差。

在EC 模式對雷雨天預報正確的基礎上，若滿足(1)水汽條件預報的等級達到較好及以上，(2)垂直速度預報的達到1、2 或3 級的;(3)低層輻合條件預報的等級達到好的;(4)能量條件預報的等級達到好的4 個條件中的任意一個， 認為該次雷雨天氣是由該條件起主導作用引起的。

根據歷史資料統計，在2022 年夏季發生在北京首都機場的雷雨天氣共計有22 次， 其中1 次無資料， 故本文中參與統計的首都機場雷雨天次數為21次； 發生在北京大興機場的雷雨天氣共計有23 次，其中1 次無資料， 故本文中參與統計的大興機場的雷雨天次數為22 次。 由于資料限制，只統計預報成功率和漏報率，不考慮空報率。

2.2 資料

EC 資料每天輸出2 次（08 時和20 時，北京時，下同），時間分辨率間隔3 h，水平分辨率0.125°；按照有利原則， 選取雷雨天氣發生前最近一次的預報輸出結果，間隔3 h，分辨率0.125°；時段選擇雷雨天氣產生時段的覆蓋區，或最近時間。 雷雨天氣記錄選至北京首都和大興機場的整點METAR 報文。兩機場之間距離64 km。

3 雷雨預報檢驗的統計分析

經過統計，從表1 中可以看到，在首都機場的21次雷雨天氣中，EC 模式預報的水汽條件達到較好及以上的（即表中滿足次數）共有9 次，垂直速度達到1、2 及3 級的共有15 次， 低層輻合條件達到好的有13 次，能量條件達到好的有18 次。 在大興機場的22次雷雨天氣中，EC 模式預報的水汽條件達到較好及以上的共有7 次， 垂直速度達到1、2 及3 級的共有11 次，低層輻合條件達到好的有14 次，能量條件達到好的有19 次。

表1 北京機場EC 預報要素對雷雨天氣的預報檢驗

經過統計發現（表1），首都機場的EC 模式預報結果正確的8 次雷雨天氣過程中， 水汽條件起主導作用的有7 次；垂直速度起主導作用的有7 次；低層輻合起主導作用的有6 次； 能量條件起主導作用的有7 次。 大興機場的EC 模式預報結果正確的10 次雷雨天氣過程中，水汽條件起主導作用的有7 次；垂直速度起主導作用的有6 次； 低層輻合起主導作用的有7 次；能量起主導作用的有9 次。

由此計算出， 在首都機場的21 次雷雨天氣中，EC 模式預報出有雷雨的次數為8 次， 預報準確率38%，漏報率62%；在大興機場的22 次雷雨天氣中，EC 模式預報出有雷雨的次數為10 次， 預報準確率45%，漏報率55%。其中，在北京首都機場模式預報雷雨天氣結果正確的基礎上， 各個條件的主導貢獻率分別是：水汽條件為78%，垂直速度為47%，低層輻合為46%，能量變化為39%。 北京大興機場數值預報結果正確的主導貢獻率分別是： 水汽條件為100%，垂直速度為55%， 低層輻合為50%， 能量變化為47%。 以上結果說明水汽條件是關鍵，也就是說當水汽條件不充分的條件下， 數值預報對雷雨天氣的預報能力就會受到明顯影響。

此外，兩個機場在同一時段或臨近時段（反應了是同一天氣過程影響） 都出現雷雨天氣的共計有13次，數值預報結果正確的只有4 次。

4 預報個例分析

受鋒面氣旋影響，2022 年6 月12 日20 時-13 日01 時，北京首都機場出現了一次持續了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，在925-700 hPa 空氣相對濕度70%-80%，按照2.1 檢驗原則中的分級， 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定特征； 空氣的垂直上升運動主要發生在近地層1000 hPa-650 hPa 這一層結中， 中心在850 hPa， 最大值達-1.5×10-3Pa/s； 925 hPa 的風速達10 m/s，低層輻合明顯；由對流有效位能圖看（圖2），在雷雨發生前的17 時， 對流有效位能為1348 J/Kg，在雷雨發生過程中對流有效位能逐漸下降至20 時的1257 J/kg、23 時的1139 J/kg，在雷雨結束后的13 日02時對流有效位能下降到304 J/kg，雷雨天氣發生過程中能量釋放過程清晰。 從降水量的預報值看（圖3），主要降雨時段在12 日20-23 時，降水量為15.1 mm，其中對流降水量10.8 mm； 在12 日23 時-13 日02時，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， 由于其它要素表現顯著，產生強烈的對流，造成大氣中的水汽在一定范圍的快速積累，觸發了一次雷雨天氣過程。

圖1 2022 年6 月12 日08 時-13 日08 時EC 首都機場綜合廓線圖（紅色實線：溫度℃，黑色實線：垂直速度10-3 Pa/s，色斑：空氣相對濕度%，風羽：各等壓面風）

圖2 2022 年6 月12 日08 時至13 日08 時EC 對流有效位能（ J/kg）預報圖

5 小結

（1）通過對北京兩個機場已發生的雷雨復盤檢驗，EC 的預報準確率在38%-45%, 漏報率55%-62%，空報率沒有檢驗。

（2）對雷雨預報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定結構，對非熱力型雷雨的預報有一定的指示意義。

（4）EC 對水汽含量相對?。?70%）的雷雨天氣幾乎沒有預報能力。

（5）發生在大氣中低層（1000 hPa-650 hPa）的垂直運動對雷雨云團的發展作用也較為明顯。