王毅，金榮花，代刊，牛若蕓，曹勇

(國家氣象中心，北京100081)

0 引言

阻塞形勢(shì)是中高緯大氣環(huán)流異常經(jīng)向發(fā)展并穩(wěn)定的形勢(shì)。阻塞高壓(簡稱阻高)并不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，與它密切相連的還有其南側(cè)低壓、分支急流等，它們合在一起統(tǒng)稱為阻塞形勢(shì)。統(tǒng)計(jì)研究工作利用歷史天氣圖和逐日高度場(chǎng)等資料揭示了阻塞活動(dòng)的地理分布和季節(jié)變化等特征(儀清菊，1982;李峰和丁一匯，2004;史湘軍和智協(xié)飛，2007)，結(jié)果表明，烏拉爾山、鄂霍次克海和貝加爾湖是歐亞阻塞形勢(shì)發(fā)生頻率較高的地區(qū)。關(guān)于阻塞形勢(shì)的發(fā)生、發(fā)展和崩潰過程，國內(nèi)外學(xué)者從多平衡態(tài)(Charney and Devore，1979)、非線性孤立波(羅德海和紀(jì)立人，1989)、不同尺度渦動(dòng)(智協(xié)飛，1993)、波流相互作用以及波波相互作用(陸日宇和黃榮輝，1996)等方面進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究，并取得了很多有意義的結(jié)果。

持續(xù)的阻塞形勢(shì)維持經(jīng)常導(dǎo)致大范圍地區(qū)天氣氣候的異常。例如，1998年夏季中國長江流域洪水，2010年夏季東歐和俄羅斯高溫?zé)崂艘约?008年初我國南方低溫雨雪冰凍災(zāi)害。早在20世紀(jì)60年代初期，葉篤正等(1962)就指出阻塞形勢(shì)的建立和崩潰常常伴隨著一次大范圍環(huán)流型的調(diào)整，特別在冬季，烏拉爾山阻高的崩潰經(jīng)常在東亞造成大范圍的寒潮過程，因此阻塞形勢(shì)在持續(xù)異常天氣預(yù)報(bào)中具有重要的意義。2008年1月罕見的低溫雨雪冰凍災(zāi)害是典型的極端天氣氣候事件，很多研究表明其發(fā)生與多個(gè)大氣環(huán)流系統(tǒng)的異常有關(guān)，尤其是烏拉爾山阻高的異常(李崇銀等，2008;楊貴名等，2008)。陶詩言和衛(wèi)婕(2008)的研究更明確指出2008年1月亞洲中高緯度阻高穩(wěn)定維持長達(dá)20余天，在其南側(cè)里海以東地區(qū)維持一個(gè)切斷低壓系統(tǒng)。這種“對(duì)偶式”異常構(gòu)成的阻塞形勢(shì)長時(shí)間的穩(wěn)定和維持，是導(dǎo)致南方地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣的重要原因(王東海等，2008)。

由于阻塞形勢(shì)對(duì)我國冬季氣候的重要影響，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)阻塞形勢(shì)特別是其建立和崩潰是中短期天氣預(yù)報(bào)面臨的至關(guān)重要的問題。眾所周知，目前的數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)短期以內(nèi)(24～72 h)的天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)和實(shí)際觀測(cè)的誤差較小，但對(duì)于中期時(shí)效的預(yù)報(bào)誤差相對(duì)較大。事實(shí)上，阻塞形勢(shì)的建立和崩潰具有非線性動(dòng)力學(xué)背景，因此在中長期天氣預(yù)報(bào)中具有較大的不確定性(李建平和丑紀(jì)范，2003)。集合預(yù)報(bào)是近幾年來迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為解決單一確定性預(yù)報(bào)存在的不確定性問題提供了一條新途徑(陳靜等，2002;杜鈞和陳靜，2010)。另一方面，雖然極端天氣(或高影響天氣)出現(xiàn)的概率很低，但是其帶來的影響卻十分可觀，而集合預(yù)報(bào)可以根據(jù)一組預(yù)報(bào)結(jié)果給出未來大氣狀態(tài)的概率分布，進(jìn)而可能對(duì)小概率的極端天氣事件做出預(yù)報(bào)。集合預(yù)報(bào)除了可以得到若干個(gè)成員的預(yù)報(bào)值以外，還可以通過分析各成員間的離散度來度量預(yù)報(bào)的可信度或者大氣的“可預(yù)報(bào)性”(杜鈞，2002)。因此，集合預(yù)報(bào)的應(yīng)用對(duì)于提高中期甚至更長時(shí)效的極端天氣事件的預(yù)報(bào)能力具有重要的意義。

目前，針對(duì)集合預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)和應(yīng)用已有一些研究。段明鏗等(2009)利用NCEP集合預(yù)報(bào)資料對(duì)夏季亞歐中高緯環(huán)流的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明集合平均的預(yù)報(bào)效果在預(yù)報(bào)時(shí)效大于5 d時(shí)優(yōu)于單一確定性預(yù)報(bào)。康志明等(2010)利用集合預(yù)報(bào)資料開發(fā)了寒潮概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品，可以體現(xiàn)集合預(yù)報(bào)在小概率事件預(yù)報(bào)上的優(yōu)勢(shì)。Matsueda(2009)利用各中心模式的集合預(yù)報(bào)資料檢驗(yàn)了冬季阻塞形勢(shì)的預(yù)報(bào)效果，發(fā)現(xiàn)模式對(duì)于歐洲—大西洋地區(qū)和太平洋地區(qū)的阻塞形勢(shì)預(yù)報(bào)能力較高，而對(duì)于烏拉爾山地區(qū)阻塞形勢(shì)的預(yù)報(bào)能力較低。智協(xié)飛等(2013)利用多國集合預(yù)報(bào)構(gòu)建超級(jí)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并和單中心的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)。Maseuda(2010)利用集合預(yù)報(bào)資料研究了2010年東歐和俄羅斯高溫?zé)崂似陂g阻高的可預(yù)報(bào)性問題。對(duì)于2008年低溫雨雪冰凍災(zāi)害，衛(wèi)婕等(2008)從短期、中期和長期三個(gè)時(shí)間尺度討論了1月25—29日的平均環(huán)流形勢(shì)和阻塞過程的可預(yù)報(bào)性問題。然而，目前關(guān)于集合預(yù)報(bào)對(duì)2008年1月阻塞形勢(shì)的預(yù)報(bào)效果以及對(duì)其持續(xù)異常的預(yù)報(bào)能力還缺乏深入的認(rèn)識(shí)。本文將利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts;簡稱EC)集合預(yù)報(bào)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)資料對(duì)阻塞形勢(shì)的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，并與日常業(yè)務(wù)中EC模式的確定性預(yù)報(bào)進(jìn)行比較。另外，本文還將通過分析阻塞的集合概率預(yù)報(bào)結(jié)果，試圖對(duì)2008年1月阻塞形勢(shì)在中期時(shí)效的可預(yù)報(bào)性問題作初步的探討。

1 資料與方法

1.1 資料

使用的資料包括EC集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)資料和確定性預(yù)報(bào)資料。集合預(yù)報(bào)資料包括1個(gè)控制預(yù)報(bào)和50個(gè)集合預(yù)報(bào)成員的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng);起報(bào)時(shí)間為12月17日—1月31日的每日12:00(世界時(shí)，下同)，最長預(yù)報(bào)時(shí)效為10 d，格點(diǎn)分辨率為2.5°×2.5°。對(duì)應(yīng)的實(shí)況分析場(chǎng)用EC確定性預(yù)報(bào)中的初始場(chǎng)代表，用于檢驗(yàn)預(yù)報(bào)效果，該數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率與集合預(yù)報(bào)資料相同。另外，本文還使用了EC逐日再分析資料，時(shí)段為1971—2000年，用來分析阻塞形勢(shì)的氣候背景。

1.2 方法

對(duì)阻塞形勢(shì)的檢驗(yàn)首先需要用一個(gè)定量的指標(biāo)來表征。目前，已有學(xué)者比較了幾種客觀定量表征阻高的方法(金榮花等，2009)，其中 Tibaldi et al．(1990)定義的方法具有簡單易用的特點(diǎn)，這也是目前美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)和中國氣象局國家氣候中心定量化客觀監(jiān)測(cè)阻塞形勢(shì)的方法。本文也采用該方法，具體做法是對(duì)每個(gè)經(jīng)度計(jì)算南500 hPa高度梯度(IGHGS;單位:gpm/(°))和北500 hPa高度梯度(IGHGN;單位:gpm/(°)):

其中:Z代表位勢(shì)高度;φn=80°N ± Δ;φ0=60°N ±Δ;φs=40°N ±Δ;Δ =0°，2.5°，5°。對(duì)某個(gè)時(shí)刻某經(jīng)度任意一個(gè)Δ，如果條件滿足

則診斷為該時(shí)刻該經(jīng)度出現(xiàn)“阻塞形勢(shì)”。通過計(jì)算機(jī)檢索，把阻塞發(fā)生與否作為阻塞指數(shù)，如果出現(xiàn)阻塞形勢(shì)，阻塞指數(shù)記為1，否則記為0。本文用到的阻塞發(fā)生頻率定義為一個(gè)經(jīng)度上發(fā)生阻塞形勢(shì)的天數(shù)占研究時(shí)段總天數(shù)(1月共31 d)的比值。

本文利用距平相關(guān)系數(shù)(anomaly correlation coefficient，ACC)和均方根誤差(root-mean-square error，RMSE)這兩個(gè)指標(biāo)來分析500 hPa位勢(shì)高度的預(yù)報(bào)效果。距平相關(guān)系數(shù)計(jì)算的是分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)相對(duì)于1971—2000年500 hPa位勢(shì)高度平均的距平的相關(guān)，因而可以反映槽脊位置和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)效果。一般認(rèn)為，ACC高于0.6是可用的預(yù)報(bào)(Krishnamurti et al．，2003)。均方根誤差是預(yù)報(bào)場(chǎng)的平均偏離程度，因而能反映總誤差的情況。

2 歐亞阻塞形勢(shì)概況

圖12008年1月平均的500 hPa位勢(shì)高度(等值線)及其距平(陰影)場(chǎng)(a;單位:gpm)和2008年1月40～85°E范圍平均的500 hPa位勢(shì)高度的緯度—時(shí)間剖面(b;單位:gpm)Fig．1 (a)The mean 500 hPa geopotential height(contour)during January 2008 and its anomalies(shaded area)(units:gpm);(b)the mean latitude-time section of zonal 500 hPa geopotential height over 40—85°E during January 2008(units:gpm)

2008年1月10日至2月2日，我國南方發(fā)生了4次低溫雨雪冰凍災(zāi)害，分別是2008年1月10—16日、18—22日、25—29日和31—2月2日。利用EC確定性預(yù)報(bào)中的零場(chǎng)，首先分析2008年1月的大尺度環(huán)流形勢(shì)。圖1a給出了2008年1月的500 hPa平均位勢(shì)高度及其距平場(chǎng)?？梢钥闯觯瑸趵瓲柹降貐^(qū)是十分顯著的正異常，對(duì)應(yīng)烏拉爾山阻高，而從里海到貝湖一帶有負(fù)距平區(qū)，對(duì)應(yīng)阻高南部的低槽。這種強(qiáng)度和范圍均異常偏大的“對(duì)偶式”距平分布，在動(dòng)力學(xué)上極其穩(wěn)定，使得上述異常形勢(shì)能較長時(shí)間維持。該形勢(shì)有利于冷空氣從西伯利亞方向入侵我國，為我國出現(xiàn)大范圍低溫、雨雪冰凍天氣提供了冷空氣條件。

為了更清楚地反映阻塞形勢(shì)的逐日演變特征，圖1b給出了40～85°E之間緯向平均的500 hPa位勢(shì)高度隨時(shí)間的變化，可見，5 360 gpm等位勢(shì)線1月初在60°N以北，在14日前后南落到50°N附近，隨后又在17日再度北推至60°N以北，最后于28日前后再次南落至50°N附近。這表明2008年1月阻塞活動(dòng)可以分為兩個(gè)階段:1月1—11日和17—28日。這與王亞非等(2008)分析2008年1月大尺度環(huán)流時(shí)指出阻高活動(dòng)分為兩個(gè)階段的結(jié)果一致。

圖2是利用EC分析場(chǎng)資料計(jì)算的2008年1月各經(jīng)度上的阻塞發(fā)生頻率，同時(shí)疊加了利用EC逐日再分析資料計(jì)算的1971—2000年阻塞發(fā)生頻率的氣候平均及第95百分位值?？梢钥闯?，2008年1月阻塞發(fā)生頻率呈現(xiàn)雙峰型特征，一個(gè)是在東歐東部地區(qū)(40～50°E)，超過40%以上，對(duì)應(yīng)第一階段的阻塞形勢(shì)(1月1—11日);另一個(gè)出現(xiàn)在烏拉爾山東部地區(qū)(60～65°E)，超過了50%以上，對(duì)應(yīng)第二階段的阻塞形勢(shì)(1月17—28日)。從圖2可以看出，阻塞發(fā)生頻率在烏拉爾山地區(qū)(40～80°E)超過了第95百分位值，表明這一地區(qū)阻塞形勢(shì)出現(xiàn)頻率極端偏高，而在貝加爾湖地區(qū)(90～130°E)阻塞發(fā)生頻率接近于0。綜上所述，阻塞活動(dòng)主要集中在烏拉爾山地區(qū)，這也是2008年1月阻塞形勢(shì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

綜上所述，本研究針對(duì)疑似脊柱骨折患者實(shí)施X線及CT檢查，其結(jié)果顯示，與X線檢查相比，CT檢查診斷結(jié)果準(zhǔn)確度較高，是臨床中脊柱骨折患者診斷、治療效果評(píng)估的重要檢查項(xiàng)目，具有臨床推廣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

3 阻塞形勢(shì)預(yù)報(bào)效果分析

3.1 阻塞發(fā)生頻率預(yù)報(bào)效果分析

下面利用EC集合預(yù)報(bào)資料檢驗(yàn)EC模式對(duì)阻塞發(fā)生頻率的預(yù)報(bào)效果。圖3分別是不同時(shí)效預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生頻率與實(shí)況的對(duì)比，同時(shí)還給出了EC確定性預(yù)報(bào)的結(jié)果。相對(duì)于確定性預(yù)報(bào)只能得到一個(gè)預(yù)報(bào)值(虛線)，集合預(yù)報(bào)則可以得到多個(gè)值。圖3中兩條點(diǎn)劃線分別表示集合成員預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生頻率的第25和第75百分位值，兩條線所包圍的范圍代表大部分集合成員預(yù)報(bào)的結(jié)果，方框線表示集合成員預(yù)報(bào)的平均值。從圖3a可以看出，提前2 d的集合預(yù)報(bào)和確定性預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生頻率與實(shí)況均非常接近，并且點(diǎn)劃線包圍的區(qū)域比較“狹窄”，說明各個(gè)集合成員預(yù)報(bào)的阻塞頻率值比較一致。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長，集合成員預(yù)報(bào)的環(huán)流形勢(shì)差異逐漸增大，阻塞發(fā)生頻率差異也逐漸增大，表現(xiàn)為圖中點(diǎn)劃線包圍的區(qū)域變寬。對(duì)于阻塞發(fā)生頻率的雙峰型特征，提前2 d以上的集合預(yù)報(bào)基本都未能預(yù)報(bào)出來。提前4 d預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生頻率在50～60°E范圍內(nèi)偏高(圖3b)，而提前6 d預(yù)報(bào)的阻塞頻率在50°E以西范圍內(nèi)偏低(圖3c)，并且預(yù)報(bào)的峰值位置都較實(shí)況略偏西。提前8 d和10 d的集合成員平均值在烏拉爾山東部地區(qū)(60～65°E)的峰值都低于40%，明顯低于實(shí)況(圖3d、e)。

圖2 2008年1月各經(jīng)度上的阻塞發(fā)生頻率(點(diǎn)劃線表示阻塞形勢(shì)發(fā)生頻率;實(shí)線和虛線分別表示1971—2000年1月阻塞發(fā)生頻率的氣候平均及第95百分位值;單位:%)Fig．2 Longitudinal distribution of blocking frequency in January 2008(dotted line)(the solid and dashed lines represent the climatology mean value of blocking frequency during 1971 and January 2000 and 95th percentile，respectively;units:%)

對(duì)比集合預(yù)報(bào)和確定性預(yù)報(bào)可以發(fā)現(xiàn)，6 d以內(nèi)兩者對(duì)阻塞頻率的預(yù)報(bào)差異不大。但是提前8 d和10 d(圖3d、e)，集合成員平均的阻塞頻率基本都高于確定性預(yù)報(bào)，更接近于實(shí)況。在西西伯利亞中東部(70～90°E)，確定性預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生頻率甚至低于集合預(yù)報(bào)的第25百分位值，即大部分集合預(yù)報(bào)成員的預(yù)報(bào)效果好于確定性預(yù)報(bào)。總體而言，在預(yù)報(bào)時(shí)效大于6 d時(shí)確定性預(yù)報(bào)的阻塞頻率偏低，而集合預(yù)報(bào)的結(jié)果相對(duì)較好。

3.2 阻塞發(fā)生概率預(yù)報(bào)效果分析

與確定性預(yù)報(bào)不同的是，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)是一種概率預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可從其成員的預(yù)報(bào)中計(jì)算某種環(huán)流形勢(shì)或天氣發(fā)生的相對(duì)概率，包含了該集合系統(tǒng)所能提供的所有信息，所以概率預(yù)報(bào)是表達(dá)集合預(yù)報(bào)最全面的方法之一。前面的分析主要是針對(duì)2008年1月阻塞總的發(fā)生頻率的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，但是對(duì)阻塞形勢(shì)的逐日預(yù)報(bào)效果如何?下面從概率預(yù)報(bào)的角度進(jìn)行檢驗(yàn)。假設(shè)EC集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)51個(gè)集合成員是等權(quán)重的，阻塞發(fā)生概率定義為某經(jīng)度上預(yù)報(bào)阻塞發(fā)生(阻塞指數(shù)為1)的預(yù)報(bào)成員與總成員數(shù)之比。

圖32008年1月EC模式提前2 d(a)、4 d(b)、6 d(c)、8 d(d)、10 d(e)預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生頻率(實(shí)線表示分析場(chǎng);虛線表示確定性預(yù)報(bào);點(diǎn)劃線表示集合成員預(yù)報(bào)的第25和75百分位值;方框線表示集合成員平均值;單位:%)Fig．3 The(a)2 d，(b)4 d，(c)6 d，(d)8 d，(e)10 d forecast of blocking frequency during January 2008(the solid line，dashed line，dotted line and square line represent the analysis，EC deterministic forecast，EC 25th and 75th percentile ensemble forecast and mean value of EC ensemble member forecast，respectively;units:%)

圖4a是利用EC分析場(chǎng)計(jì)算的2008年1月阻塞指數(shù)隨時(shí)間的演變，填色區(qū)域代表阻塞指數(shù)為1，即出現(xiàn)了阻塞形勢(shì)。不難看出，阻塞形勢(shì)活動(dòng)主要有兩個(gè)過程:1—11日，阻塞形勢(shì)位于東歐至烏拉爾山地區(qū)(35～70°E)，13—15日經(jīng)歷了環(huán)流調(diào)整，隨后阻塞形勢(shì)在17—28日在烏拉爾山附近重新建立并發(fā)展東移至西西伯利亞地區(qū)，最后于29日減弱消失。

圖4b—f分別是 EC 提前 2、4、6、8、10 d 確定性預(yù)報(bào)的阻塞指數(shù)隨時(shí)間的演變。很顯然，提前2 d預(yù)報(bào)的阻塞指數(shù)與實(shí)況比較吻合(圖4b)。提前4 d EC確定性預(yù)報(bào)與實(shí)況的偏差主要發(fā)生在23—27日(圖4c)，沒有預(yù)報(bào)出西西伯利亞地區(qū)(65～85°E)阻塞發(fā)生或預(yù)報(bào)阻塞發(fā)生的經(jīng)度范圍明顯小于實(shí)況。提前10 d(圖4f)，EC確定性預(yù)報(bào)的阻塞指數(shù)分布較為分散，基本沒有反映出兩個(gè)階段阻塞的發(fā)展演變過程?？傮w而言，EC確定性預(yù)報(bào)對(duì)第一階段阻塞預(yù)報(bào)效果較好，但未能預(yù)報(bào)出第二階段處于崩潰期的阻塞形勢(shì)。

圖42008年1月分析場(chǎng)的阻塞指數(shù)(a)與EC提前2 d(b)、4 d(c)、6 d(d)、8 d(e)、10 d(f)確定性預(yù)報(bào)的阻塞指數(shù)Fig．4 The blocking index of(a)analysis，(b)2 d，(c)4 d，(d)6 d，(e)8 d，(f)10 d EC deterministic forecast during January 2008

圖5 2008年1月EC集合預(yù)報(bào)成員提前2 d(a)、4 d(b)、6 d(c)、8 d(d)、10 d(e)預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率的時(shí)間—經(jīng)度剖面(單位:%;黑色實(shí)線包圍區(qū)域表示分析場(chǎng)得到的阻塞指數(shù))Fig．5 Hovmoller diagram of(a)2 d，(b)4 d，(c)6 d，(d)8 d，(e)10 d forecast of blocking occurrence probability by EC ensemble members during January 2008(units:%;areas framed by black solid lines indicate observed blocking index)

圖5a—e分別是EC集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)提前2、4、6、8、10 d預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率。圖5中還給出了阻塞發(fā)生的實(shí)況，用黑色包圍的區(qū)域表示。圖5a顯示，提前2 d集合預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率與實(shí)況對(duì)應(yīng)地非常好，并且預(yù)報(bào)的概率基本在90%以上，表明絕大部分集合成員能夠提前2 d預(yù)報(bào)阻塞的發(fā)生。隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長，高概率的范圍逐漸減少，而低概率的范圍逐漸增加，表明隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長，集合預(yù)報(bào)對(duì)阻塞發(fā)生的預(yù)報(bào)能力逐漸降低。從提前4 d的預(yù)報(bào)結(jié)果來看(圖5b)，在24—27日阻塞發(fā)生概率的預(yù)報(bào)在部分經(jīng)度低于10%以下。提前6 d的預(yù)報(bào)效果與提前4 d類似(圖5c)，在西西伯利亞中東部(70～90°E)阻塞發(fā)生的概率進(jìn)一步降低，這也與集合預(yù)報(bào)的阻塞頻率在該地區(qū)低于實(shí)況是對(duì)應(yīng)的。值得注意的是，提前8 d集合預(yù)報(bào)在24—27日的阻塞發(fā)生概率達(dá)到25%以上(圖5d)，而確定性預(yù)報(bào)未能預(yù)報(bào)阻塞的發(fā)生(圖4e)，說明有部分成員能夠預(yù)報(bào)出此階段的阻塞形勢(shì)。提前10 d(圖5e)，集合預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率除了1月7日以外均低于75%。但是，在18—23日阻塞發(fā)生概率高于50%，即有一半以上的集合成員能夠預(yù)報(bào)出第二階段前期的阻塞形勢(shì)，而確定性預(yù)報(bào)在相同時(shí)效預(yù)報(bào)的阻塞指數(shù)較為凌亂(圖4f)。因此，在較長時(shí)效集合預(yù)報(bào)比確定性預(yù)報(bào)具有更高的預(yù)報(bào)技巧，這對(duì)于阻塞形勢(shì)中期時(shí)效的預(yù)報(bào)具有重要意義。第二階段阻塞崩潰期為24—28日，對(duì)應(yīng)于2008年第三次冰凍雨雪天氣過程(25—29日)。

3.3 阻塞形勢(shì)個(gè)例預(yù)報(bào)效果分析

下面將針對(duì)低溫雨雪冰凍的第二次過程(18—22日)和第三次過程(25—29日)期間的阻塞形勢(shì)的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行分析。第二次過程雨雪天氣主要出現(xiàn)在長江流域，并且貴州、湖南出現(xiàn)了大范圍的凍雨天氣。第三次過程的凍雨區(qū)向東擴(kuò)展至江西、安徽南部和浙江西北部，且向南波及到廣西東北部，是四次過程中凍雨范圍最大，低溫強(qiáng)度最強(qiáng)的一次。個(gè)例起報(bào)的時(shí)間分別選為1月12日和19日，前者處于第一階段阻塞結(jié)束之后，后者處于第二階段阻塞維持期間。

圖6 2008年1月18日(a)、20日(d)、22日(g)的500 hPa位勢(shì)高度的分析場(chǎng);1月12日EC確定性預(yù)報(bào)的1月18日(b)、20日(e)、22日(h)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線)以及與分析場(chǎng)的偏差(陰影);1月12日EC集合預(yù)報(bào)成員預(yù)報(bào)的1月18日(c)、20日(f)、22日(i)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)平均值(等值線)以及與分析場(chǎng)的偏差(陰影)(單位:gpm)Fig．6 The analysis of 500 hPa geopotential height on(a)18，(d)20，(g)22 January 2008;the EC deterministic forecast of 500 hPa geopotential height on 12 January(contour)for(b)18，(e)20，(h)22 January and their anomalies(shaded area);ensemble mean forecast of 500 hPa geopotential height by EC ensemble members on 12 January(contour)for(c)18，(f)20，(i)22 January and their anomalies(shaded area)(units:gpm)

圖6給出了18—22日的500 hPa位勢(shì)高度的分析及預(yù)報(bào)場(chǎng)。阻塞建立初期，18日高壓脊從里海向高緯歐亞北部地區(qū)伸展，在(45°E，55°N)附近出現(xiàn)閉合的反氣旋環(huán)流中心，而從巴爾喀什湖至咸海與里海有一東北東至西南西方向的橫槽(圖6a)。20日在咸海以東(65°E)出現(xiàn)切斷低渦，并和北側(cè)孤立的高壓中心形成“偶極子”的對(duì)稱分布，另外40°N以南低槽加深(圖6d)。到22日阻高東移，中心位勢(shì)高度略有降低，脊前偏東氣流輸送極地冷空氣到中亞地區(qū)，切斷低渦略有加強(qiáng)，低渦中不斷分裂的冷空氣東移影響中國南方地區(qū)，同時(shí)切斷低渦對(duì)于印緬南支槽的維持也起著重要作用(圖6g)。

圖6b、e、h分別是EC確定性預(yù)報(bào)1月12日預(yù)報(bào)的18、20和22日的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，而圖6c、f、i是對(duì)應(yīng)的所有集合成員預(yù)報(bào)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的平均值。圖6中陰影區(qū)表示預(yù)報(bào)與分析場(chǎng)的偏差?？梢钥闯?，對(duì)18日的環(huán)流形勢(shì)，確定性預(yù)報(bào)和集合平均與分析場(chǎng)都比較接近，主要偏差位于阻高脊的北部。20日，確定性預(yù)報(bào)的阻高和切斷低渦位置偏北，阻高的西北部和東部的500 hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)相對(duì)于分析場(chǎng)偏高;從圖4e上也可以看出，確定性預(yù)報(bào)的阻塞形勢(shì)的經(jīng)度范圍為45～85°E，較實(shí)況范圍(55～75°E)明顯偏大。集合平均有類似的特點(diǎn)，但與分析場(chǎng)的偏差的幅度低于確定性預(yù)報(bào)，并且在巴湖至貝湖一帶以及40°N以南地區(qū)偏差較小，說明集合預(yù)報(bào)對(duì)中亞地區(qū)的低槽預(yù)報(bào)較好。圖6h顯示，確定性預(yù)報(bào)在22日的500 hPa高度場(chǎng)在烏拉爾山西部偏高，在貝湖以西地區(qū)偏低，因此沒有預(yù)報(bào)出阻塞東移的趨勢(shì)，而集合平均在貝湖至巴湖一帶的偏差的幅度低于確定性預(yù)報(bào)，對(duì)阻塞東移的特征有一定的反映，但是對(duì)中亞地區(qū)的低槽預(yù)報(bào)偏弱(圖6i)。

圖72008年1月25日(a)、27日(d)、29日(g)的500 hPa高度的分析場(chǎng);1月19日EC確定性預(yù)報(bào)的1月25日(b)、27日(e)、29日(h)500 hPa高度場(chǎng)(等值線)以及與分析場(chǎng)的偏差(陰影);1月19日EC集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的1月25日(c)、27日(f)、29日(i)的500 hPa高度場(chǎng)平均值(等值線)以及與分析場(chǎng)的偏差(陰影)(單位:gpm)Fig．7 The analysis of 500 hPa geopotential height on(a)25，(d)27，(g)29 January 2008;the EC deterministic forecast of 500 hPa geopotential height on 19 January(contour)for(b)25，(e)27，(h)29 January and their anomalies(shaded area);ensemble mean forecast of 500 hPa geopotential height by EC ensemble members on 19 January(contour)for(c)25，(f)27，(i)29 January and their anomalies(shaded area)(units:gpm)

第三次過程由于東歐上空短波槽從西北部侵入烏拉爾山阻高，因此阻高相對(duì)于第二次過程偏弱，25日脊前低渦中心東移至巴湖以南，另外在高緯短波槽以東有淺脊存在(圖7a)。27日隨著阻高脊后極地冷空氣侵入，阻高脊東移減弱，與高緯地區(qū)東移的淺脊在90°E附近同位相疊加，然而由于40°N以南的低槽變得平直，因此阻塞形勢(shì)不明顯，到了29日阻塞形勢(shì)基本消失。

對(duì)25日500 hPa高度場(chǎng)，確定性預(yù)報(bào)的阻高脊相比于分析場(chǎng)略偏東，對(duì)高壓脊前的低槽預(yù)報(bào)較好，而集合平均對(duì)這一低槽預(yù)報(bào)偏弱，另外對(duì)于貝湖東側(cè)的高度場(chǎng)預(yù)報(bào)偏低，但對(duì)高壓脊西北部的淺槽預(yù)報(bào)較好(圖7c)。到27日，確定性預(yù)報(bào)對(duì)短波槽的南壓的預(yù)報(bào)好于集合平均，但是對(duì)貝湖東側(cè)的高壓脊預(yù)報(bào)明顯偏弱，而集合平均對(duì)90°E附近高壓脊的同位相疊加有一定的反映(圖7f)。對(duì)比圖7h和圖7i可以發(fā)現(xiàn)，確定性預(yù)報(bào)和集合平均對(duì)29日短波槽的強(qiáng)度預(yù)報(bào)都偏強(qiáng)，對(duì)5 440 gpm等位勢(shì)線的位置預(yù)報(bào)都偏南，另外對(duì)40°N以南減弱的低槽強(qiáng)度預(yù)報(bào)都偏弱，但集合平均與分析場(chǎng)的偏差總體小于確定性預(yù)報(bào)。

圖8 2008年1月12日(a，c)和1月19日(b，d)東歐至西西伯利亞地區(qū)(40～100°E，30～75°N)EC集合成員預(yù)報(bào)(虛線)、EC確定性預(yù)報(bào)(實(shí)線)和EC集合平均預(yù)報(bào)(方框線)的500 hPa高度場(chǎng)的距平相關(guān)系數(shù)(a，b)和均方根誤差(c，d;單位:gpm)Fig．8 (a，b)The anomaly correlation coefficients(ACC)and(c，d)root mean square error(RMSE;units:gpm)of 500 geopotential height over eastern Europe and west Siberia area(30—75°N，40—100°E)forecasted by EC ensemble members(dashed lines)，EC deterministic forecast(solid lines)and EC ensemble mean(square lines)on(a，c)12 and(b，d)19 January 2008

為了進(jìn)一步了解集合平均對(duì)這兩次個(gè)例的預(yù)報(bào)效果，并與各集合成員以及確定性預(yù)報(bào)比較，計(jì)算了距平相關(guān)系數(shù)(ACC)和均方根誤差(RMSE)這兩個(gè)衡量預(yù)報(bào)效果的指標(biāo)。圖8分別給出了1月12日和19日預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生區(qū)域(40～100°E，30～75°N)的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的ACC和RMSE。由圖8a可知，預(yù)報(bào)時(shí)效小于6 d時(shí)，集合成員和確定性預(yù)報(bào)的ACC值基本在0.8以上;從第6天開始ACC值逐漸下降，并且各個(gè)成員之間的ACC值差異逐漸增大，說明各個(gè)集合成員預(yù)報(bào)的發(fā)散程度逐漸增大。集合平均的ACC值高于大部分集合成員，而且在預(yù)報(bào)的第8—10天，集合平均的ACC值高于確定性預(yù)報(bào)，都在0.6以上。1月19日預(yù)報(bào)的ACC值總體低于1月12日預(yù)報(bào)的ACC值，在第4天(23日)就下降到0.8左右，表明EC模式對(duì)于阻塞東移并開始衰減的過程預(yù)報(bào)效果較差。對(duì)比12日和19日預(yù)報(bào)的第7—10天的ACC值，后者集合成員間的發(fā)散程度明顯大于前者。集合預(yù)報(bào)成員間的發(fā)散程度是大氣可預(yù)報(bào)性的一種表現(xiàn)，因此從這個(gè)意義上說，阻塞崩潰期間的可預(yù)報(bào)性低于阻塞建立期間。從RMSE的結(jié)果也可以看出(圖8c、d)，從預(yù)報(bào)第6天開始，集合平均的RMSE小于確定性預(yù)報(bào)，因此集合平均相對(duì)于確定性預(yù)報(bào)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在較長的預(yù)報(bào)時(shí)效。

圖9給出了這兩次個(gè)例的阻塞形勢(shì)的概率預(yù)報(bào)結(jié)果。由圖9a可見，對(duì)于18日阻塞建立初期，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在55～75°E范圍內(nèi)預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生的概率超過80%以上，甚至達(dá)到100%，說明集合預(yù)報(bào)對(duì)阻塞建立的預(yù)報(bào)可靠性較好。到20日(圖9b)，雖然概率有所降低，但集合預(yù)報(bào)在55～75°E范圍內(nèi)仍預(yù)報(bào)阻塞發(fā)生概率在80%以上。對(duì)22日阻塞系統(tǒng)的東移(圖9c)，集合預(yù)報(bào)有一定的預(yù)報(bào)能力，在55～80°E范圍內(nèi)預(yù)報(bào)阻塞發(fā)生概率在50%以上，但相對(duì)于分析場(chǎng)(62.5～85°E)(圖4a)仍然略偏西。對(duì)于阻塞崩潰期間，1月19日預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率總體偏低，說明阻塞過程崩潰期間相對(duì)于建立期間的可預(yù)報(bào)性較低。25日在貝湖西側(cè)預(yù)報(bào)阻塞發(fā)生的概率高于30%(圖9d)，表明部分集合成員預(yù)報(bào)出了貝湖附近的阻塞環(huán)流。27日預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率進(jìn)一步降低，但是一定程度上能夠反映出阻塞系統(tǒng)東移的過程。這次阻塞過程對(duì)應(yīng)著最為嚴(yán)重的冰凍雨雪過程，盡管預(yù)報(bào)的概率較低，但作為可能的結(jié)果需要加以重視，這就是集合預(yù)報(bào)中蘊(yùn)含的概率信息，而這一信息是確定性預(yù)報(bào)無法提供的。

4 結(jié)論

本文基于ECMWF集合預(yù)報(bào)模式資料，以2008年1月我國南方發(fā)生嚴(yán)重冰凍雨雪災(zāi)害期間持續(xù)異常的阻塞形勢(shì)為研究對(duì)象，全面分析了集合預(yù)報(bào)和確定性預(yù)報(bào)對(duì)阻塞的預(yù)報(bào)效果以及阻塞形勢(shì)的可預(yù)報(bào)性，得到如下主要結(jié)論。

1)從EC集合預(yù)報(bào)對(duì)阻塞頻率的預(yù)報(bào)效果來看，提前6 d以內(nèi)的預(yù)報(bào)效果與確定性預(yù)報(bào)差異不大。提前8 d和10 d，集合成員預(yù)報(bào)的平均阻塞頻率高于確定性預(yù)報(bào)，與實(shí)況更為接近。此外，提前2 d以上的集合預(yù)報(bào)的阻塞頻率在西西伯利亞中部均比實(shí)況偏低，這與集合預(yù)報(bào)對(duì)阻塞東移減弱過程的效果較差有關(guān)。

2)集合概率預(yù)報(bào)的結(jié)果表明，提前2 d集合預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率與實(shí)況對(duì)應(yīng)非常好;隨著預(yù)報(bào)時(shí)效延長，集合預(yù)報(bào)的阻塞發(fā)生概率逐漸降低;集合預(yù)報(bào)對(duì)于阻塞建立期間的預(yù)報(bào)效果較好，而對(duì)阻塞崩潰期間的預(yù)報(bào)效果較差，確定性預(yù)報(bào)有類似的結(jié)果。Matsueda(2010)研究2010年夏季造成歐洲俄羅斯熱浪的阻高時(shí)也發(fā)現(xiàn)，即使初始場(chǎng)存在阻塞形勢(shì)，模式也傾向于預(yù)報(bào)阻塞提前結(jié)束。然而在時(shí)效較長時(shí)(提前8～10 d)，確定性預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)阻塞提前結(jié)束，而集合預(yù)報(bào)的部分成員卻能夠預(yù)報(bào)出來。

圖9 EC集合預(yù)報(bào)2008年1月12日預(yù)報(bào)的18日(a)、20日(b)、22日(c)和1月19日預(yù)報(bào)的25日(d)、27日(e)、29日(f)的阻塞形勢(shì)發(fā)生概率(單位:%)Fig．9 Blocking occurrence probability by EC ensemble forecast for(a)18，(b)20，(c)22 January on 12 January 2008 and for(d)25，(e)27，(f)29 January on 19 January 2008(units:%)

3)進(jìn)一步針對(duì)低溫雨雪冰凍的第二次和第三次過程期間的阻塞形勢(shì)的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明預(yù)報(bào)時(shí)效大于6 d時(shí)，集合平均的ACC評(píng)分高于確定性預(yù)報(bào)。因此，對(duì)于阻塞形勢(shì)的中期時(shí)段的環(huán)流預(yù)報(bào)，集合預(yù)報(bào)相比確定性預(yù)報(bào)具有更長的預(yù)報(bào)時(shí)效。

本文的研究表明阻塞崩潰期間的可預(yù)報(bào)性低于阻塞建立期間。該結(jié)論僅根據(jù)2008年1月阻塞形勢(shì)的分析得到，因?yàn)槟Ｊ綄?duì)于環(huán)流形勢(shì)的預(yù)報(bào)性能可能因天氣形勢(shì)不同而變化，因此今后需要加入更多的阻塞過程個(gè)例進(jìn)行分析。另外目前關(guān)于阻塞建立和崩潰的動(dòng)力機(jī)制研究有很多，但其原因還很復(fù)雜。王東海等(2008)指出2008年初阻塞維持的可能機(jī)制是由于阻塞上游地區(qū)存在著較強(qiáng)的負(fù)渦度強(qiáng)迫，輸送到阻塞區(qū)，進(jìn)而對(duì)阻塞的維持起了重要作用。從預(yù)報(bào)的角度來看，盡管阻塞形勢(shì)崩潰期間的可預(yù)報(bào)性較低，但是其往往對(duì)應(yīng)著寒潮等災(zāi)害性天氣事件，如1月25—29日第三次冰凍雨雪過程。因此今后對(duì)于阻塞崩潰期間的環(huán)流形勢(shì)的預(yù)報(bào)，可以充分利用集合預(yù)報(bào)獲得阻塞發(fā)生的概率信息，提前為預(yù)報(bào)員提供可能發(fā)生阻塞的信號(hào)，從而避免確定性預(yù)報(bào)可能產(chǎn)生漏報(bào)的局限性。

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