引言

暴雨是我国主要的气象灾害之一，由于其突发性和局地性，常常导致城市内涝，对人民生命财产和经济建设造成严重影响。上海地区夏季暴雨过程多发，且影响严重，如1999年6月上旬至7月初的梅雨期，上海和长三角地区出现历史上罕见的连续性暴雨天气，多个水文站水位均突破历史最高纪录，河道堤坝险情不断。全市受淹农田超过127万亩(1亩≈666.6 m²)，100多条交通干线积水，直接经济损失8.7亿元。2001年8月5—9日上海连续暴雨造成市区476个路段积水，l万公顷农田被淹，280多公顷绝收。

就暴雨的预报时效而言，分为短中期和长期两种。短中期预报主要针对暴雨天气过程，预报时效在10 d以内；长期预报的时效虽可达月际年的时间尺度，但仅能做趋势预报。而10 d以上的暴雨过程预报方法少之又少。若能建立长时效的暴雨过程预报方法，则可为防汛争取宝贵时间，尽力减轻暴雨灾害对生产生活造成的损失。

自Madden等(1971；1972)发现热带地区MJO以后，大气中普遍存在的季节内振荡现象逐渐被认识。我国学者在大气低频振荡与降水的关系的研究方面取得了丰硕的成果(李崇银，1990；Yang等，2003；琚建华等，2005；孙国武，2010；张耀华等，2012)。目前，MJO的监测、预测及其应用已成为热点问题，Wheeler等(2004)定义的RMM1、RMM2作为MJO实时监测预报的指数，被广泛应用于天气及气候预报领域。美国、欧洲中心、澳大利亚等国也已将动力模式应用于对MJO的延伸期预报中。近几年，我国诸多学者(李崇银等，1991；丁一汇等，2010；梁萍等，2012)也对MJO进行了深入研究及应用，取得了许多有意义的成果。

我国的一些学者很早提出利用低频演变解决过程预报的思想。杨鉴初等(1979)提出了用环流演变图预报长期天气过程并与旱涝冷暖结合的方法。这一思想为研发长期天气过程预报方法提供了有益的参考。20世纪90年代初，孙国武(1998)和章基嘉等(1991)就提出用大气低频振荡来预报中长期天气过程的方法——低频天气图。2007年起，上海气候中心开始研发延伸期降水预报方法。经过几年的努力，建立了低频天气图方法，并与2010年开始发布上海地区汛期延伸期(10~30 d)强降水过程预报专报。该方法在重大天气气候服务及异常天气气候的预报方面均表现出稳定的预报性能。同时上海市气候中心牵头研发了月内重要过程和趋势预报系统(MAPFS)(陈伯民等，2013)。在国家科技支撑项目和中国气象局现代气候业务发展与改革试点工作的推动下，目前“月内重要过程趋势预测系统(MAPFS 2.1)”平台已推广至全国，多个省市气候中心已利用低频天气图方法制作本地化预报。

目前低频天气图方法已被多家省级业务部门应用，用其预测强降水的延伸期过程的预报效果较好(胡春丽等，2013)。随着应用的不断深入，存在的难题是该方法能否对强降水预报的量级加以区分。本文在总结多年实际预报经验的基础上，利用低频天气图方法分析暴雨以上量级发生前后大气低频信号的变化特征，进而建立暴雨及以上量级的延伸期过程预报模型。

1 资料及方法

文中使用的资料：(1)2005—2015年NCEP/NCAR1的700 hPa经、纬向风场的逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°经纬网格。(2)2005—2015年上海市11个观测站6—9月逐日(20—20时)降水资料。

绘制低频流场图时利用定长滚动法(孙国武等，2013)。利用Batterworth带通滤波器滤波，保留30~50 d周期信息。利用向量场的经验正交函数分解(EOF)对暴雨期环流进行分型分析(信飞等，2013)，用以获取上海地区暴雨的延伸期预报模型。

2 上海地区暴雨的延伸期预报模型 2.1 暴雨期主要低频配置模态

低频天气图方法对强降水过程的预报能力依赖于低频系统的演变规律。因此获取暴雨预测模型的前提是掌握暴雨期低频系统的配置。暴雨日的定义为：上海11个观测站中至少3站或以上出现24 h雨量≥10 mm降水，且至少2站或以上出现24 h雨量≥50 mm降水。统计结果为:2005—2014年6—9月上海共出现112个暴雨日。6和8月是暴雨发生最为频繁的时期，均占总暴雨日数的30%以上。这两个峰值对应上海汛期强降水多发的两个主要时段：梅雨期强降水与盛夏—初秋强降水。

取2005—2014年6—9月上海地区暴雨日的700 hPa低频风场进行经验正交函数分解。所得的前两个主成分的累积贡献率为52.1%。第一主成分的方差贡献率为32.8%，其空间分布主要表现为30°N北侧为低频反气旋，南侧为低频气旋，北侧低频反气旋南部及南侧低频气旋北部的气流交汇于上海附近，导致暴雨过程的发生，将这类模型定义为低频气旋型(图 1a)。第二主成分的方差贡献率为19.3%(图 1b)，其空间分布恰与第一类相反，即低频反气旋型，30°N以北为低频气旋，以南为低频反气旋。如此分布造成低频西北及西南气流辐合于长江中下游地区，引起暴雨过程。不论是低频气旋型还是低频反气旋型均有利于低频气流在上海附近辐合，产生暴雨过程。此外，两种类型低频系统的空间分布特征均表现出由南至北低频气旋与反气旋交替出现的特征。第一类配置表现为-+-的波列分布。第二类配置表现为相反的+-+的特征。

统计分析表明，低频气旋型及低频反气旋型是上海地区暴雨期间的主要低频配置型，两类之和占暴雨总日数的60%左右。其余暴雨日的低频配置无明显一致性。在大暴雨日(100 mm以上)中，低频气旋型占61%，为大暴雨发生时期的最主要的低频配置型。气旋型配置多发生在7—9月的盛夏期，尤以7月底至9月初最盛。这类强降水型多为北上的气旋(台风)与北方的低频反气旋共同作用引起的。

2.2 静态概念模型

在经验正交分解主要模态分型的基础上，综合分析近10年暴雨期700 hPa流场的低频配置特征，总结出暴雨的静态低频预报模型(图 2)。图 2a为低频气旋预报型，若预测未来某一时段在低纬度关键区(0°~30°N、120°~160°E)可能出现低频气旋，同时在中纬度关键区(30°~50°N、100°~150°E)可能出现低频反气旋，则将该时段确定为暴雨期。在低频气旋型配置中，中低纬的低频气旋起决定性作用，为关键低频系统；中高纬低频反气旋为次关键系统。图 2b为低频反气旋预报型，预报中，未来某一时段低纬度关键区出现低频反气旋，中纬度关键区出现低频气旋，则预测该时段有暴雨发生。若南北波列排列分布清晰，则出现暴雨的可能性更大。

2.3 大暴雨的动态概念模型

在建立暴雨期的低频静态模型的基础上，进一步分析暴雨发生前后低频系统的演变规律，提炼低频系统的动态模型，便可跟踪分析低频系统的移动变化，并作出预报。在分析中发现，暴雨发生前期低频系统的演变较为复杂，若将研究范围进一步缩小至大暴雨过程，则低频系统在大暴雨发生前的移动变化则有较为一致的规律可循。统计上海地区2005—2015年大暴雨过程(24 h降水量≥100 mm)发生前约30 d高(低)纬度地区700 hPa低频系统的演变规律，建立大暴雨的低频动态概念模型。

研究表明上海地区2005—2015年大暴雨期的最主要的低频模态为低频气旋型，这种类型约占大暴雨总日数的60%。并且低频气旋型在大暴雨发生前30 d至发生时的动态移动路径较为一致。在统计2005—2015年低频气旋型大暴雨过程的基础上，总结出低频系统动态演变的概念模型(图 3)。源自高纬度的低频反气旋在大暴雨发生前30 d左右生成于乌拉尔山以东西西伯利亚地区。其后便逐渐向东或东南方向移动，若是向东移动，-20 d左右大致移至新疆及以北地区；若是向东南方向移动，-20 d左右大致移至蒙古地区。大暴雨过程发生期间低频反气旋位于我国东部。低纬地区热带洋面在-20 d左右进入低频气旋生成发展活跃期，-10 d时菲律宾以东洋面有低频气旋盘踞并逐渐向我国东部沿海靠近。大暴雨发生期间移至我国东南沿海附近，此时东部的低频配置符合低频气旋型静态预报模型。

由于低频系统在移动路径和周期变化上具有准周期性，因此对低频系统的外推要比天气系统稳定。实际预报中，在充分掌握逐日低频天气图上低频系统变化特征的基础上，利用各个区域低频系统的显著周期进行外推，预测未来低频环流的配置。若逐日跟踪分析低频系统演变时，发现源自高纬度的低频反气旋稳定发展且逐渐南下，如再配合热带洋面低频气旋活跃，则需注意加密跟踪低频反气旋和气旋的移动路径，对未来的配置进行预判，当预判某一时段低频系统的配置及波列分布既符合静态模型又符合动态模型时，便可利用此强信号预报大暴雨过程。

3 大暴雨过程的预测个例及效果

2015年8月下旬前期，受西风槽和201515号台风天鹅外围云系共同影响，上海出现强降水过程，本次过程从20日开始，至25日结束。24日降水最盛，市中心徐家汇站的24 h雨量达151 mm，雨量最大的嘉定站为211.4 mm(图 4)。这是2015年汛期最强的降水过程。

3.1 大暴雨过程的主要影响系统

201515号台风天鹅于8月15日在南海生成。21日，“天鹅”路径由西移转为北上，25日经过上海同纬度(31.6°N、130.0°E)。同时，南下东移影响华东中北部的西风槽受副热带高压南侧“天鹅”的阻挡，在华东中北部停滞少动。由于“天鹅”移动缓慢，中尺度辐合线23—24日在上海附近维持(图 5)，并且，由于台风路径在此期间出现了东西向的摆动，中尺度辐合线也出现了东西向的摆动，形成了上海强降水过程。

3.2 本次过程的延伸期预报

2015年8月7日发布的《上海地区10~30 d强降水预报》中预测8月24—26日上海地区将出现强降水过程，预报时效为17 d。虽然预测时段与实况相比稍有滞后，但考虑到提前17 d的预报时效，本次预报较为成功。预报中利用动态和静态模型相结合的方法。7月下旬起跟踪700 hPa低频流场的演变，根据低频系统的周期特征进行外推，8月上旬预测8月下旬中期将出现符合暴雨静态模型的低频配置(低频气旋型)，确定8月24—26日为暴雨发生时段。

实况天气图上低频系统的演变与预测基本一致。7月下旬开始监测到乌拉尔山以东的低频反气旋逐渐形成并向东南方向移动。此时东部的低纬度及中纬度关键区的低频配置符合低频反气旋型(图 6a), 实况显示7月24—25日上海经历了一场单日最大降水量达74 mm的暴雨过程。8月24日大暴雨发生前20 d高纬低频反气旋移至蒙古高原(图 6b)，随后继续南下，在8月中旬与东部北上的低频反气旋合并(图 6c)。同时西太平洋上的低频气旋进入活跃期，热带低纬低频气旋逐渐发展并向西移动。8月下旬前期(图 6d)，来自北方的低频反气旋与来自南方的低频气旋逐渐交汇，低频气旋携带的大量水汽与低频反气旋带来的冷空气在长江下游相遇，造成上海地区2015年最强降水过程。

3.3 近5年汛期最强大暴雨过程的预报效果检验

近5年低频天气图方法在暴雨预报方面体现出一定的预报能力。表 1统计了2011年以来上海各年最强大暴雨过程及其延伸期预报效果。利用动静态模型相结合的方法成功预报出近年汛期最强降水过程，预报时效在12~27 d。如2011年5月30日提前18 d预报出6月17—21日的强降水过程，实况显示6月17—19及6月21日分别出现强降水，3个站点24 h累积雨量超100 mm，单站日最大雨量达126.3 mm，最小雨量也达到76 mm。近5年低频方法对上海地区汛期延伸期强降水过程的预测效果较好。统计表明：近5年该方法的准确率为62%，空报率为27%。

4 结论和讨论

本文利用低频天气图方法建立暴雨的延伸期预报模型，并将该模型用于近几年的延伸期预报中。

(1) 取2005—2014年6—9月上海地区出现的112个暴雨日的700 hPa低频风场进行经验正交函数分解。前10个主成分的空间分布大致可分为两种类型，第一种类型为以长江中下游为界，北侧为低频反气旋，南侧为低频气旋，北侧低频反气旋南部及南侧低频气旋北部的偏北气流辐合于上海附近，导致暴雨过程的发生。第二类空间分布特征是长江中下游以北为低频气旋，以南为低频反气旋。低频西北及西南气流辐合于长江中下游地区，造成暴雨过程。两种类型低频系统在空间分布上表现出低频气旋与反气旋交替出现的特征。第一类配置的低频系统表现为-+-的波列分布。第二类配置表现为相反的+-+的特征。

(2) 在经验正交分解主要模态分型的基础上，综合分析2005—2015年近10年暴雨期700 hPa流场的低频配置特征，总结出暴雨的静态预报模型，即低频气旋型和低频反气旋型。预报中，若预测未来某一时段在低纬度关键区出现低频气旋，同时在中纬度关键区出现低频气旋，则符合低频静态预测模型，将该时段确定为暴雨期。若此时高纬度地区再配合以低频气旋组成波列，则更有利于暴雨发生。若未来某一时段低纬关键区出现低频反气旋，中纬关键区出现低频气旋，则为低频反气旋静态预测模型。

(3) 研究表明上海地区近10年的大暴雨期最主要的低频模态为低频气旋型，这种类型约占总日数的60%，对这一类型的低频过程进行跟踪分析得到，大暴雨过程发生-30~0 d期间低频系统演变具有较为一致的特征。具体表现为：源自高纬度的低频反气旋在大暴雨发生前30 d左右生成于乌拉尔山以东西西伯利亚地区。随后逐渐向东或东南方向移动。大暴雨发生当天(0 d)移至我国东部。低纬地区在-20 d左右进入低频气旋活跃期，0 d时移至我国东南沿海附近，此时上海附近地区为低频气旋及反气旋辐合区，即低频气旋型静态预报模型。

(4) 将动静态模型相结合预测暴雨特别是大暴雨过程取得了较好的效果。2015年8月23—24日上海遭受大暴雨袭击，城市内涝严重。预测中，从7月下旬起跟踪700 hPa低频流场的演变，根据低频系统的周期特征进行外推，8月上旬预测8月下旬中期将出现符合暴雨静态模型的低频配置(低频气旋型)，确定8月24—26日为暴雨发生时段，预测时效达17 d。近5年的实际预报结果显示，该方法对汛期暴雨过程的预报效果良好，特别是各年汛期最强降水过程，预报时效在12~27 d。

(5) 本文仅针对最易引起大暴雨的低频气旋型建立动态预报模型，对占大暴雨20%的低频反气旋型的动态模型的研究工作以及除大暴雨外的暴雨过程的动态模型的研发工作仍在继续。

(6) 本文仅从低频风场角度建立模型。所涉及的延伸期预报方法本身及研究对象仍存在很多局限和不足。暴雨的影响因子众多，如暴雨分布模型中气旋、反气旋的纬向分布特征体现了低频能量的传播。后续对低频能量的传递对产生暴雨的作用还将进行深入研究。另外对低频高度场、水汽场等的分析也在进行中。以求建立更为多元化的低频天气图预报模型。