1 3—5月天气概况

2011年3—5月，全国平均降水量较常年同期偏少，为1961年以来历史同期最少。除西藏中部、东北地区中西部等地降水量偏多3成至1倍外，全国其余大部地区接近常年或偏少，其中内蒙古中西部、黄淮南部、长江中下游及其以南大部分地区、贵州等地降水量偏少3至8成。上海、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、贵州春季降水量为历史同期最小值，江苏为历史同期次小值。

3—5月，全国平均气温较常年同期略偏高。除云南东南部、贵州南部、广西中西部地区气温偏低1~2℃，海南南部局地偏低2~4℃外，全国其余大部地区气温接近常年或偏高，其中江淮中部、河南中部和南部、湖北中部和北部及新疆等地偏高1~2℃。海南平均气温为历史同期最低值。

3—5月，长江中下游地区降水量异常偏少，气温比常年同期偏高0.7℃。雨少温高导致上述地区出现严重气象干旱，江河、湖泊、水库等水位异常偏低，水体面积减少明显，人们生产生活受到严重影响。此次干旱具有少雨程度重、持续时间长、干旱范围广、迎汛期受旱等特点。综合分析表明，此次气象干旱为该地区近60年历史同期最严重干旱。

2 资料

本文选取2011年3—5月T639、ECMWF及日本模式20时(北京时)实况分析场和96小时预报场进行中期天气学检验及预报效果的对比分析，检验所用的资料主要包括各模式的500 hPa高度场、850 hPa温度场以及海平面气压场。T639模式资料分辨率为1.125°×1.125°经纬网格、ECMWF模式和日本模式资料分辨率均为2.5°×2.5°经纬网格。

3 三种模式的中期预报性能检验 3.1 亚洲地区中高纬环流形势的预报检验

西风指数是反映中高纬大尺度环流形势演变和调整的重要指标，是中期预报最为常用的工具之一。图 1是根据2011年3—5月T639、ECMWF及日本模式500 hPa高度实况分析和96小时预报计算所得的亚洲中高纬西风指数逐日演变曲线。

从三种模式实况分析来看，3—5月，西风指数处于多波动状态，说明亚洲中高纬度环流形势不断调整，冷空气活动十分频繁。其中，3月份西风指数出现了3次下降过程，但降幅相对较小，说明弱冷空气活动频繁，导致新疆、西藏、云南、甘肃、陕西、黑龙江等省(区)的部分地区遭受了低温冷冻害和雪灾；江南、华南、西南地区东部等地出现了低温阴雨寡照天气。4月6—20日，西风指数出现了一次明显的下降过程，从426 dagpm不连续下降到67 dagpm，为春季降幅最大的一次。这一时期我国山东、河南、江苏、湖南、四川、安徽、河北、北京等省(市)共有75站出现极端日降温事件，其中山东、江苏、河南、安徽等地有20站突破历史极值。5月16—20日，西风指数又出现了1次明显的下降过程，从323 dagpm急剧下降到101 dagpm，正好对应一次全国性强冷空气过程，过程降温幅度一般为8~12℃，长江流域超过14℃。四川等省共71站日降温幅度达到极端事件监测标准，其中甘肃、湖北、四川、重庆等地共16站日降温幅度突破历史极值。综合来看，三种模式都能较好地预报出西风指数的多波动状态以及明显的下降过程，96小时预报与实况呈同位相变化，只是在时间或强度上存在一些偏差。相比较而言，对于西风指数的小幅波动，ECMWF模式预报偏差比日本、T639模式小。

为了进一步比较中期时段内其余时效预报场的性能，图 2给出了三家模式对西风指数96~168小时预报场与零场的相关系数。从中可以看出，三家模式96小时预报场与各自零场的相关系数都达到0.9以上，说明三种模式在96小时时效内对于亚洲中高纬大尺度环流的重大调整过程均有一定的预报能力，对灾害性天气的中期预报都有较好的指示意义，这与马杰等^[1-3]的检验结果比较一致。另外，不论哪个时效，仍然是ECMWF模式对于西风指数的预报效果最好，日本模式仅次于ECMWF模式，T639模式第三，且随着预报时效的延长，与前两种模式的差距越来越大。

3.2 500 hPa环流形势的预报检验

在天气分析中，通常利用500 hPa等高线来分析对流层中层的形势变化。中期数值预报模式对500 hPa环流形势及西北太平洋副热带高压(以下简称副高)的预报能力是衡量该模式预报性能好坏的重要标志之一。下面就对2011年3—5月T639模式、ECMWF模式和日本模式500 hPa平均位势高度零场及对应的96小时预报场进行比较。

如图 3所示，对于500 hPa平均位势高度场，ECMWF(图 3b)和日本模式(图 3c)的96小时预报场都与其各自的零场吻合得较好，特别是在中高纬地区96小时预报场的可信度相当高，预报场与零场的偏差只在±1 dagpm左右。而在低纬度地区，ECMWF和日本模式的零场虽然显示的副高均呈块状分布，但还是略有差异。ECMWF模式零场中副高的面积比日本模式大，96小时预报场中ECMWF模式的副高比其零场预报的偏弱、日本模式则比其零场预报的偏东。ECMWF模式对20°N以南地区的高度场预报均偏弱，此为ECMWF模式的系统性误差，可在日常业务预报中进行相应的订正。而T639模式(图 3a)的预报场与其零场的偏差幅度比前两种模式都大，对于副高的预报比其零场偏强。

再对比一下三家模式中南支槽的表现。南支槽是冬半年副热带南支西风气流在高原南侧孟加拉湾地区产生的半永久性低压槽，是冬半年影响南亚和东亚的主要天气系统之一，而春季又是南支槽最活跃的时期。2011年3月，南支槽较常年同期偏强，槽前西南暖湿气流活跃，配合北方频繁南下的弱冷空气，江南、华南、西南地区东部等地出现了持续阴雨寡照天气。从图 3可以看出，ECMWF模式对于南支槽的预报与其零场相当吻合，说明ECMWF模式对于青藏高原及其以南地区平均位势高度场的描述十分细致；日本模式预报场也和其零场比较接近；而T639模式对南支槽的预报比其零场明显偏强。

综合来看，对于500 hPa平均位势高度场，ECMWF模式和日本模式对中高纬地区的96小时预报可信度相当高，但在低纬度地区还是略有偏差；而T639模式的预报场与其零场的偏差幅度比前两种模式都大。

3.3 850 hPa温度趋势预报检验

为了解各模式对850 hPa温度的预报性能，选取了(40°N、117.5°E)和(25°N、115°E)两个格点分别代表北方和南方地区，检验三种模式对850 hPa温度变化趋势的中期预报能力。

2011年春季，我国冷空气活动频繁，气温多起伏、冷暖变化幅度较大。从三种模式850 hPa温度逐日演变图中可以看出(图 4)，各家模式的850 hPa温度变化均呈多波动状态，96小时预报场与各自的零场基本都吻合得较好。其中，5月18—22日，受强冷空气影响，我国出现了大范围明显降温天气，过程降温幅度一般为8~12℃，长江流域超过14℃。三家模式对北方地区这次大幅降温的趋势预报均较接近零场，但强度预报各有偏差，日本模式的偏差最小，ECMWF和T639模式对前期回温都预报过高，T639模式偏高的幅度更大。而对于南方地区温度96小时预报，三家模式对这次强降温过程的降幅预报均偏小，从而造成对冷空气强度预报偏弱，T639模式偏差幅度最大。

综合来看，三种模式基本都能反映出温度的转折性变化趋势。比较而言，ECMWF和日本模式对850 hPa温度的预报效果较好，不论是升降温幅度或是时间都与实况较为接近，无明显系统性误差；而T639模式对温度剧烈变化的预报有时偏差较大，它对于北方地区强降温过程的幅度预报往往偏强，而对南方地区预报往往偏弱，需要在日常业务预报中进行相应的订正。

3.4 沙尘天气的预报能力检验

沙尘天气是春季天气预报重点关注的对象。2011年3—5月，我国共出现8次沙尘天气过程(4次扬沙，2次沙尘暴，2次强沙尘暴过程)，沙尘天气过程数比常年同期(19.2次)明显偏少，比2001—2010年近10年同期平均(12.7次)偏少4.7次。首次沙尘天气过程发生时间为3月12日，与近10年沙尘首发时间(2月4日)相比偏晚1个多月，是2001年以来最晚的一年。

2011年4月28—30日，北方地区出现2011年以来强度最强的沙尘天气过程。新疆东部和南疆盆地、甘肃大部、内蒙古中西部、宁夏、陕西大部、山西、河北、北京、天津、山东北部、河南西部和北部等地出现扬沙或沙尘暴，新疆南疆盆地、甘肃金塔、酒泉、永昌等地出现强沙尘暴。其中，甘肃省受灾人口39.2万人，农作物受灾面积2.28万hm²，直接经济损失1.12亿元。下面就以其为例分析三种模式对沙尘天气的预报能力。

预报沙尘天气的发生，重点在于参考气压梯度来预报地面大风。本文以T639、ECMWF和日本模式4月28日20时的海平面气压零场和对应的96小时预报场进行对比分析(图 5)。

此次沙尘天气的直接影响系统是蒙古气旋和地面冷锋。4月28日20时，气旋位于蒙古国中部，中心气压990 hPa；冷锋位于内蒙古西部至新疆天山一带；锋后的冷高压中心强度为1025 hPa。锋后的强冷平流和锋前的强暖平流造成强的斜压性发展，使锋区附近产生较大的气压梯度和变压梯度，使得冷锋后部出现地面强风，从而引发了此次沙尘天气过程。由图 5不难发现，三家模式的零场中自蒙古国西部到新疆天山一带均存在较大的气压梯度、且冷高压位置相似，即模式对冷空气和造成强风的地面气压梯度的表征较为准确。再比较三家模式的96小时预报场可知，三者对于冷高压和蒙古气旋中心位置和强度的预报与其各自的零场都比较接近，只是略有偏差，均能够指示上述地区将有沙尘天气发生。ECMWF和T639模式预报的冷高压中心强度均为1020 hPa，比零场偏弱5 hPa；T639模式预报的蒙古气旋中心强度也偏弱5 hPa，因此等压线的密集程度比零场偏弱；日本模式预报的蒙古气旋比其零场略偏北，但其等压线的走向和密集程度与零场最接近，对于此次沙尘天气的预报具有更好的参考价值。

值得注意的是，沙尘天气个例不同，各模式预报性能差异较大，结合王超等^[4-5]的分析结果，各家模式对沙尘天气的预报各有优劣。

4 小结

(1) 三种模式对2011年3—5月96小时500 hPa西风指数的变化趋势预报与实况较为一致，能较准确地反映亚洲中高纬地区大尺度环流的调整和演变，对转折性、灾害性等重大天气过程均具有较强的指示意义。另外，不论哪个时效，仍然是ECMWF模式对于西风指数的预报效果最好，日本模式仅次于ECMWF模式，T639模式第三，且随着预报时效的延长，与前两种模式的差距越来越大。

(2) 对于500 hPa平均位势高度场的预报，ECMWF和日本模式对中高纬地区的96小时预报可信度相当高，但在低纬度地区还是略有偏差；而T639模式的预报场与其零场的偏差幅度比前两种模式都大。

(3) 对于850 hPa温度预报，三种模式基本都能反映出温度的转折性变化趋势，ECMWF和日本模式对850 hPa温度的预报效果较好，不论是升降温幅度或是时间都与实况较为接近，无明显系统性误差；而T639模式对温度剧烈变化的预报有时偏差较大，对于北方地区强降温过程的幅度预报往往偏强，而对南方地区降温过程预报往往偏弱。

(4) 对于2011年4月28—30日的沙尘天气过程，三家模式的预报能力相当，都较好地预报出引起本次沙尘天气的冷空气位置和范围，其中日本模式对此次沙尘天气的预报具有更好的参考价值。