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西南低涡强降水集合预报方法的试验与探索

一、引言

1.1研究背景与意义

西南低涡作为一种独特的中尺度天气系统，在我国天气气候格局中扮演着极为重要的角色。它主要生成于青藏高原东南侧，是导致我国夏半年暴雨的主要天气系统之一，其引发的暴雨天气在强度、频次和范围上，仅次于台风及其残留低压。西南低涡的活动不仅能造成我国西南地区的暴雨灾害，在其加强东移过程中，还会对我国东部地区，包括华南、长江中下游地区、华北以及东北地区带来暴雨等灾害性天气，给当地带来巨大的经济损失与人员伤亡威胁。例如，2018年7月19-20日发生在华北的大暴雨，就是北上的双核西南低涡巧遇华北冷涡导致的，这次强降水过程给京津冀地区及北方多个省份造成了重大灾害。西南低涡还具有独特的结构特征，在低层大气中，它处于较强的东南风区域，形成明显的环流系统；在中高层大气中，又处于南亚高压和西伯利亚高压之间的地带，形成垂直运动的中心，这种复杂的结构使得其对降水的影响更为复杂多变。

降水预报，尤其是暴雨等极端降水事件的预报，一直是气象领域面临的重大挑战之一，也是世界性难题。西南低涡引发的强降水由于其复杂性和不确定性，预报难度极大。传统的确定性预报方法在面对西南低涡强降水这类复杂天气系统时，往往存在一定的局限性，难以准确捕捉到降水的强度、落区和发生时间等关键信息。集合预报方法的出现，为解决这一难题提供了新的思路和途径。

集合预报通过对初始条件、物理过程等引入扰动，生成多个不同的预报成员，能够有效考虑到大气系统的不确定性，从而定量描述天气事件发生的不确定性，使预报人员和用户全面了解未来天气可能变化的程度，为合理使用预报信息提供了可能。在发达国家，集合预报的业务应用已较为成熟，其在天气预报业务系统中的重要地位和作用已获得广泛认可，欧洲中期数值预报中心（ECMWF）各成员国和加拿大、美国等国集合预报已广泛用于日常预报业务，许多预报产品也已以概率的形式进行发布。在我国，虽然早在上世纪80年代便开展了有关降水的概率预报，但由于技术水平、社会接受度等限制，概率预报在我国并没有得到持续发展，目前在实际业务中，集合预报的业务应用水平以及概率预报产品，无论在形式上还是在种类上都与发达国家存在很大差距。

因此，开展西南低涡强降水集合预报方法试验研究，对于提高我国西南低涡强降水的预报准确性具有重要的现实意义。它能够为气象部门提供更可靠的预报产品，帮助相关部门提前做好防灾减灾准备，最大程度减少因强降水引发的洪涝、滑坡、泥石流等次生灾害造成的损失，保障人民生命财产安全和社会经济的稳定发展；从科学研究角度来看，有助于深入理解西南低涡强降水的形成机制和不确定性来源，进一步完善中尺度数值模式，推动气象科学的发展；同时，也有利于缩小我国在集合预报业务应用方面与发达国家的差距，提升我国气象预报的整体水平。

1.2国内外研究现状

在西南低涡的研究方面，国内外学者已取得了一系列重要成果。对于西南低涡的结构，研究表明其在不同高度层呈现出独特的特征。在低层大气中，西南低涡处于较强的东南风区域，形成明显的环流系统；在中高层大气中，又处于南亚高压和西伯利亚高压之间的地带，形成垂直运动的中心。中国民航大学刘海文团队通过高分辨率再分析资料和数值模拟，发现了双核西南低涡这一特殊结构，这种结构有两个明显的低值中心和两个垂直上升运动区，与常规西南低涡不同，在合适的水汽等条件配合下，可能带来更严重的灾害性天气。

关于西南低涡的形成机制，众多研究指出，大气潜热释放和地形因素起着关键作用。当南海地区存在较强的暖湿气流向西南地区进入时，在西南地区与青藏高原、滇池等地的气流汇合区处会形成低涡。随着暖湿气流的不断汇聚和上升运动，低涡会逐渐加强，同时上升运动会加强，使得低涡上方形成大规模的云系，进而产生强降水。刘海文团队对2010年7月16日发生在四川盆地的双核西南低涡事件研究发现，大量来自海上的水汽汇聚，水汽辐合引起显著上升运动，强对流导致水蒸气凝结、潜热释放，产生了有利于双核西南低涡出现的大气物理条件；而青藏高原和其东麓形成的独特地形，使得印度季风从云贵高原爬升形成的西南气流在青藏高原东侧独特地形条件作用下，形成气旋性环流，影响着西南低涡的形成位置和强弱。

在集合预报方法的应用方面，国外起步较早且发展较为成熟。欧洲中期数值预报中心（ECMWF）在集合预报领域处于领先地位，其集合预报系统涵盖了全球范围，通过不断改进初始扰动方案和物理过程参数化，提高了集合预报的准确性和可靠性。ECMWF利用奇异向量技术生成初始扰动，充分考虑了大气初始状态的不确定性，使得集合成员能够更好地反映大气的可能变化。美国国家环境预报中心（NCEP）的集合预报系统也广泛应用于业务预报中，该系统通过多模式集合的方式，综合不同模式的优势，提高了对