Page 223 - 《高原气象》2026年第2期

2 期 杨 查等：地形追随坐标系下的二阶湿位涡及其在改进降水预报中的初步应用研究 523
为典型的漏斗状分布， 说明降水区附近大气高温高 从相似性预报法的基本思想出发， 该方法不仅
湿的特性， 垂直方向上广义位温随高度而增大， 垂 适用于风场订正， 对降水同样可能存在订正效果，
直梯度存在明显变化。在我们关注的关键区内， η= 而其关键在于如何从历史预报资料中找到与当前
0. 8~0. 72时340~344 K等值线之间广义位温垂直梯 预报场相似的时刻从而得到对当前预报场准确的
度较小， 这和大气低层的干侵入过程［如图 2（c）， 误差估计。Monache et al（2011）在进行地面 10 m风
（d）的高低空配置和图 3的天气形势所示］稀释了降 场的预报时采用了地面 10 m 风速和风向以及与风
水区的高温高湿空气有关， 而 η=0. 72~0. 63 时广义 场有关的地面气压、 湿度和地面温度等作为相似物
位温垂直梯度显著增大， 说明这种干侵入造成的广 理量， 通过对比当前预报时刻与历史预报时刻的这
义位温垂直梯度随高度的增大较好地反映在二阶 些物理量场挑选与当前预报时刻最为相似的时刻。
湿位涡垂直分布上， 如图 6（a）， 二阶湿位涡在 η= 这也表明， 在选择相似物理量时不仅要从预报量本
0. 8~0. 72时呈现强负值区。对比图 7（f）， 红色框内 身着手， 还应考虑和预报量有关的形势场配置、 预
850~500 hPa高度上， 由于等压面与地面相交， 广义 报量的形成机制等。相比于风场， 降水产生过程要
位温并未出现明显的二阶非连续性， 二阶湿位涡 复杂得多， 需要大气宏观条件的合理配置， 如低层
［图 7（b）］也未出现明显异常。这也表明， 在地形追 辐合、 高层辐散， 大气不稳定， 大气斜压性等， 同
随坐标系下， 地形附近与降水相关的物理过程能够 时需要积云及云微物理过程直接制造降水， 因此，
更好地反映在动力因子中， 从而提高动力因子对降 为了通过相似法获得降水预报订正， 除了模式降水
水的指示能力。 本身， 还需要其他能够体现降水宏观特征的物理量
用于挑选相似预报场。结合本文研究， 地形追随坐
5 地形追随坐标系下二阶湿位涡在 标系下的二阶湿位涡综合包含大气风场、 温度场和
降水预报中的应用 湿度场， 不仅能够体现降水产生时的大气动热力学

以上分析表明地形追随坐标系下的二阶湿位 特点， 还将这些信息耦合在一起， 能够在一定程度
涡能够反映与地形降水有关的关键动热力信息， 且 上描述强降水过程中常常存在的干侵入过程以及
在高地形条件下的降水诊断方面更具优势。如何 风场切变等。为此， 参考 Monache et al （2011）， 本
将这种优势应用于地形降水预报的改进是本文要 文将模式降水与地形追随坐标系下的二阶湿位涡
探讨的另一个问题。以往将二阶湿位涡等动力因 作为相似物理量， 定义相似矩阵如下：

子应用于降水预报通常采用的方法是多元线性回  F t ，A t' = 1 ( P t - A Pt' ) + 1 ( S t - A St' ) 2 （11）
2
归， 通过长时间序列的动力因子与观测降水建立线 σ Pi σ Si
式中： F t 为时刻 t的预报场； A t' 为历史时刻 t'的预报
性回归方程， 再将其应用于降水预报。该方法简便
场； P t 为时刻 t 的模式降水预报； A Pt' 为历史时刻 t'
易实现， 但建立的动力因子和降水的回归关系是线
的降水预报； σ Pi 为利用所有历史时刻计算的模式降
性的， 且可移植性较低， 当系统进行升级或改进
水的标准差； S t 为时刻 t 的预报场计算的二阶湿位
后， 预报效果往往会明显降低。
涡； A St' 为历史时刻 t' 的的预报场计算的二阶湿位
由于模式误差（包括系统误差和随机误差）是
涡； σ Si 二阶湿位涡标准差， 其中标准差的引入是为
限制数值模式降水预报效果的主要因素之一， 包括
了使两个相似物理量单位一致。根据式（11）， 相似
初始条件、 大气物理和化学过程的参数化过程、 模
矩阵值越小， 表明时刻 t 和 t' 的预报场相似度越高。
式本身计算方案的设计及简化等引起的误差， 这些
利用该相似矩阵， 从历史时段中挑选 N a 个相似度
偏差常常导致模式降水出现空报、 漏报等。为此，
最高的时次（即将所有历史时刻的相似矩阵从小到
有研究者期望能够对模式偏差本身进行预报， 并利
大排序并挑选前 N a 个时刻）得到时刻 t 的降水偏差
用预报出的模式偏差对原有预报作出订正， 改进模
AE t ：
式本身的预报。基于该思想， Monache et al（2011）
N a
提出一种相似性预报法， 其认为当模式的两个不同 AE t = ∑ r i E （12）
i，t i
时刻的预报场相似时， 二者的模式预报偏差也是相 i = 1
式中： E = O - P 为挑选的第 i 个相似时刻的
似的， 而对于历史预报， 因误差是已知的， 从而能 i，t i i，t i i，t i
够通过历史预报误差推断当前预报误差， 并对当前 降水偏差， 为第 i 个相似时刻的降水观测 O 与降
i，t i
预报作出订正。将该方法应用于地面 10 m 风场的 水预报 P 之差， r i 为第 i个相似时刻的降水偏差所
i，t i
预报， 预报效果较模式本身预报提高显著。 占权重。