概念
空報是因為大氣是沒有國界的，各地的天氣變化相互關聯，製作天氣預報需要全球觀測資料。如果把全球每一個經緯度算作一個格點，沿著緯線是360個格點，沿著經線是180個格點，垂直方向大氣也是運動的，考慮50層，也就是50個格點。這樣，描述全球大氣運動需要格點的數量級為10 到10 。但是，遠遠做不到全球這些格點上都有觀測。全球每3小時觀測數據為10 到10 ，差了一到兩個數量級。像青藏高原、海洋等區域，觀測資料就更少。這個觀測網路對中小尺度的天氣系統會有疏漏，就像大網撈小魚，容易漏掉。
另外，觀測數據會有誤差，而初始觀測的誤差會導致後來的天氣預報有很大的出入，這就是美國氣象學家羅倫茲提出的著名的“蝴蝶效應”。
其次，模擬數據不能完全再現真實大氣運動，也就是說，數值天氣預報模型不能完全模擬大氣演變。
一次暴雨空報的診斷分析
暴雨預報是一個非常困難的問題。暴雨具有局地性、突發性和活動規律多變等特點。對暴雨形成的機制迄今尚未揭示清楚，暴雨的預報就更有難度了。2006年7月10日08時，常規氣象資料表現出有利鄂東及武漢單站有暴雨發生，所以對外發布了24小時內鄂東及武漢有暴雨，結果暴雨沒有產生。事實證實了暴雨預報的難度。特別是單站暴雨預報就更難了。
研究利用T213數值預報產品中多物理要素，對7月10日鄂東地區及武漢單站暴雨空報現象進行物理要素診斷分析，探討空報原因。為日後暴雨的落區、落點預報提供點啟示和參考。
常規資料分析
（1）高低層天氣系統與降水落區的分析
7月10日08時500、700和850hPa圖表明，在湖北東部高層有冷槽、低層有切變線，降水天氣系統的時空配置很好。另外，500hPa槽後有大片偏北氣流，700和850hPa切變線南部有大片西南急流，表現出冷暖交匯處在鄂東，有利鄂東產生強降水。武漢處在鄂東。
（2）武漢單站的T-Td與降水落點分析
使用500、700、850hPa三層武漢單站溫度露點差之和，來表示站點整層大氣飽和程度。通過分析7月10日08時實時疊加值可以看出，漢口站的值為2.9，表明其單站整層大氣非常飽和，局地水汽條件充足。深厚的濕層是單站暴雨發生的必要條件。
（3）武漢單站K指數和沙氏指數與降水落點分析
用K指數來衡量大氣中潛在的能量。單站的K指數越大表明潛能越大。經驗表明，當K≥35℃時，大氣就具備了較高的潛能。7月10日08時武漢單站探空圖上表現出K=40℃，說明單站K指數大，存在較大的潛能，具備暴雨天氣發生所需的大量的不穩定能量。
沙氏指數是判斷對流性天氣穩定度的一種重要指標。沙氏指數越小越不穩定。暴雨發生前沙氏指數為負值，表示大氣處於不穩定狀態。通常沙氏指數<1.0有暴雨發生。7月10日08時武漢單站探空圖上表現出沙氏指數=一3.0℃，說明大氣處在不穩定狀態，有利武漢暴雨天氣產生。K指數和沙氏指數充分證實了武漢單站處在潛能較大的不穩定狀態。這種狀態是發生強降水重要條件之一。
（4）雷達回波的分析
7月10日10時49分武漢雷達圖表明，鄂東及武漢周邊有35～45dBz的強回波核存在，回波帶呈西南一東北向。回波的分布和動態，有利鄂東及武漢發生強降水。
上述實時天氣系統和各物理要素場和值都支持預報24小時內鄂東及武漢單站有暴雨發生的可能。但降水實況與暴雨量級相差太大。下面將對T213數值預報產品中多個物理要素進行診斷分析。其目的是想通過診斷分析，探討暴雨落區、落點預報空報原因。
降水預報產品的分析
圖1 2006年7月10日08時中央台，暴雨所，日，T213降水預報圖1給出了各類降水預報產品預報24小時內降水分布情況：中央台預報鄂東有小雨(武漢10mm)；暴雨所預報鄂東小到中雨，局部大雨(武漢5mm)；日本預報鄂東小到中雨(武漢5mm)；T213預報鄂東偏東地區有小雨(武漢無雨)。幾種降水產品預報鄂東及武漢的降水量級差異較大。這給預報帶來一定難度。降水實況為，鄂東大部地區下了小雨，局部大到暴雨。如：黃石57.4mm，赤壁42.2mm，局部大到暴雨數值預報漏報。
研究結論
上述分析得出：對於區域性暴雨和單站暴雨預報而言，雖然降水天氣系統存在、降水雲團也生成了，但還要診斷分析數值預報是否支持預報區域性和單站有暴雨。也就是說，是否有某些物理量場和值支持降水天氣系統和降水雲團的繼續發展和加強，如果有，則有區域暴雨發生，相反則無。更重要的是要通過診斷分析單站熱力、動力、水汽條件，當這些次級環流條件滿足強降水天氣發生的條件後，再預報單站有強降水天氣發生。這就可以減免區域性和單站暴雨空報現象。
各家數值預報產品的種類較多，其準確率也在不斷提高。但是，各家數值預報產品，在預報某一地區和某一要素時，它們的差別還是較大的。所以，在實際預報工作中，還需要針對不同的地區，不同的預報對象進行多個個例的診斷分析，特別是對災害性天氣更要多做些診斷分析工作。這對提高災害性天氣預報準確率必定有益。
有利環流形勢下北京降雪空報原因
在北京地區，降雪天氣的預報難度較大，而且近年來隨著城市化進程步伐的加快以及社會經濟的快速發展，城市交通的脆弱性明顯增加，降雪及衍生的道路結冰已經成為城市的主要致災天氣之一，因此冬季的降雪也越來越受到一些研究者的關注。研究表明，充沛的水汽和能量是北京降雪的必要條件。此外，當華北東部地區形成回流後，回流冷墊將強迫偏南暖濕氣流爬升形成淺薄的飽和層，從而有利於降雪的產生。在對1979年2月21～23日在北京的一場特大降雪(南苑降雪量為31.4mm)的分析中強調，在回流形勢下，回流冷空氣與西來冷空氣常常在河套地區形成華北錮囚，當錮囚鋒東移時，壞天氣往往在河套地區發展，並東移影響華北東部地區。儘管基於上述研究，可以勾勒出北京地區出現降雪天氣的基本概念模型，但是與夏季降水相比，對於降雪的分析研究仍比較薄弱，基本概念模型還不能完全解決一些非典型過程的空報和漏報問題。因此，有必要對北京地區降雪的預報問題作進一步的研究，特別要分析那些預報失誤的個例，為提高對降雪天氣的認識進而對日後降雪的準確預報提供借鑑。
過程概述
圖2 2007年2月7日08：00至8日08：00華北(a)及北京地區(b)降水量2007年2月7～8日，受高空冷空氣南移和偏南暖濕氣流的共同影響，華北地區出現了一次降雪天氣，北京市氣象台於6日下午和7日早晨分別做出了7日北京將出現降雪天氣的預報。此次過程華北大部分地區達到小到中雪，局部地區達到大到暴雪，最大降雪量在內蒙古的呼和浩特市，降雪量達到15mm，但是京津的大部分地區沒有出現降水(圖2a)。3h降水區域動態圖表明，7日08:00降水區位於山西和內蒙中部。之後降水區緩慢東移擴大。14:00降雪範圍達到最大，雪區覆蓋內蒙中部、河北大部和山西、北京的部分地區。14:00以後雪區逐漸縮小，到8日08:00，除河北北部的部分地區以外，降水已經停止。
北京西北部海拔較高的一些山區測站(霞雲嶺、延慶、八達嶺和佛爺頂)在7日16:00左右開始出現較明顯降雪，其中西北部的高山站佛爺頂降雪量最大，為1.7mm。東部的密雲、上甸子、湯河口和觀象台在7日20:00左右出現了微量降水(圖2b)，而市區未出現降水。
確定降雪落區的大尺度條件
（1）北京地區降雪天氣概念模型概述
北京地區有利於出現降雪的環流形勢可概括為兩類：低槽(渦)型與中亞低槽東亞高后型。將統計結果與預報經驗相結合，歸納出北京地區出現降雪的有利條件為：①對流層中層有輻合系統(低槽或低渦)；②槽(渦)前偏南暖濕氣流較強；③回流使近地面層盛行偏東風。如果地面在河套地區有倒槽，並且倒槽東移影響北京，則降雪量將較大。降雪區一般分布在槽前暖區中和地面倒槽與700hPa槽之間。暖區中的降雪主要由槽前偏南暖濕氣流沿近地面層回流冷墊爬升達到飽和後產生，而地面倒槽和高空槽則帶來系統性降雪。
（2）有利大範圍環流形勢
在北京地區，對流層中層的系統強弱、位置與降雪有密切關係。
圖3 2007年2月6日20:00、7日08:00、20:00，8日08:00降水量圖3給出了此次降雪過程6日08:00至8日08:00中國東部地區700hPa的環流形勢及過去12h降水量的演變。6日08:00，在河套以西地區(即102°E附近)有一個經向度很大的高空槽，槽前偏南氣流從30°N一直北伸到40°N。在槽的北端氣旋性環流剛剛形成，環流的中心位於(102°E，37°N)附近，此處的位勢高度值約為3000gpm。此時，降水區在槽前30°--35°N偏南氣流中。華北大部地區處於寬廣的高空脊區，脊線呈西北一東南向，北京受脊前西北偏西氣流控制。6日20:00，華北的高壓脊加強並向北伸展，經向度有所增大，脊線走向略呈順時針方向旋轉。位於河套西部的輻合系統範圍減小並且略向東北方向移動，氣旋性環流已經演變成為一個低渦，但是中心附近的位勢高度較上一時次增加了20gpm。在低渦低槽附近出現了一條近於南北走向的降水帶，12h降水量為3mm。此時北京地區仍處於脊前的西北氣流中。7日08:00，高空脊東移，脊線進一步作順時針旋轉。低渦繼續東移北上，同時加深發展，中心位於(108°E，40.5°N)附近，中心高度再次降至3000gpm，主槽位於109°E附近(即河套東部陝西一帶)，此時華北大部分地區轉受槽前偏南氣流的控制。與輻合系統對應的降水區仍然呈帶狀分布，主要位於低渦中心附近和槽前偏南氣流中。降水區的範圍比6日20:00有所增大，其前邊界已經進入河北中部。而且12h的降水量也有所增加，低渦中心附近的降水量達到8mm。7日20:00，低渦東移北上減弱成槽，同時脊減弱，脊線呈西北偏北一東南偏南走向，系統的移動性增強。6日20:00至7日08:00，北京上空700hPa的風向由西北轉為西南，而且到7日20:00偏南風速明顯加大(6日20:00西北風8m/s，7日08:00西南風10m/s，7日20:00西南風增至18m/s)。此時，華北東部除京津以外，均出現了降水天氣。河北南部和北部以及內蒙的中南部12h降水量達到2.5mm。8日08:00，高空槽過境，700hPa北京處在槽後西北氣流中，此時華北地區的降水基本結束。
水汽通量散度計算結果(圖3陰影區)表明，槽前偏南氣流中有水汽通量輻合。而且，地面降水區與水汽通量輻合區有較好的對應關係。因此，系統前偏南氣流的水汽輸送為華北地區的這次降水提供了良好的條件。就北京地區而言，在6日20:00到7日08:00之間，由水汽通量輻散區轉為輻合區，到7日20:00仍然在輻合區的控制之下。水汽通量的輻合使北京上空的大氣濕度增加。南郊觀象台的微波輻射計探測結果顯示，7日06:000前對流層內的濕度均在70%以下，3km以上的相對濕度只有20%—40%。06:30後，2—6km層內的濕度增加，在2～3.5km間形成了一個濕層，最大相對濕度超過90%。但是，邊界層內的濕度仍然較小。
圖4 2007年2月7 13 08：00、14：00和20：00海平面氣壓上述分析表明，在華北出現降雪天氣的過程中，對流層中層有輻合系統從河套西部東移人海並且經過本市。在輻合系統靠近時，北京上空出現了西南急流。西南急流將高濕的空氣輸送到北京上空。相應的降水區主要位於低渦附近和槽前偏南氣流中，呈帶狀分布，並且隨著系統移動。因此，700hPa是典型有利於降雪天氣的環流形勢。
在地面上(圖4)，7日08:00，從巴爾喀什湖到日本海一帶為強大的冷高壓，高壓前沿已到達華北東部地區，河套地區為華北氣旋，河北和京津地區在氣旋東側的東南風中。地面降水區位於氣旋的前部偏南風中和氣旋的頂部。14:00，東北冷高壓向北收縮，北京處於高壓底部偏東氣流中；華北氣旋東移並略減弱成倒槽；此時。降水區呈帶狀分布於倒槽前部。20:00，東北冷高壓勢力明顯減弱，倒槽繼續東移，主體位於山西高原上，其邊緣接近北京，並與水汽通量輻合區有較好的配合。因此，地面也構成了有利的降雪形勢。
（3）京津地區未出現明顯降水原因
圖5 2007年2月7日08:00、14:00、20:00和8日02:00沿40°N垂直速度
圖6 2007年2月7日14:00和20:00沿116°E垂直速度甜的垂直剖面儘管7日20:00以前的700hPa和地面形勢演變表明，華北東部地區已形成了有利於降雪天氣出現的環流型，但是京津地區卻未出現明顯降水。其可能的原因主要有2個：①邊界層以下的輻合抬升條件較差。②地面輻合區在京津地區上游填塞，地面始終受反環流控制。7日08:00～14:00，東北冷高壓勢力較強，並控制了華北東部地區，同時另一股冷空氣進入河西走廊，冷高壓伸到河套西部(圖5，見圖版)。東西兩股冷空氣形成對峙，但由於東部冷空氣勢力略強，致使華北氣旋在較長時間內少動。7日20:00，東北的冷高壓減弱，為由華北氣旋減弱形成的倒槽東移創造了條件。倒槽前部影響到了河北西部。但是此後有一股弱冷空氣從河套頂部南下，表現為位於倒槽北部的冷高壓逐漸南壓。當冷空氣侵入到倒槽後，致使其減弱填塞，沒有影響京津地區。另一方面，高空槽造成的上升運動在700hPa以下很弱。使用NCEP資料分析了7日08:00至8日02:00垂直速度沿40°N的垂直剖面。由圖5可看出，7日08:00，上升運動區位於110°E附近，北京(116°E左右)上空低層為弱的上升運動，而中高層垂直運動不明顯。7日14:00，中高層上升區東移至115°E附近，低層上升區位於111°E附近，北京中高層為上升運動，但中低層為弱下沉運動。7日20:00，北京中高層處於上升區的邊緣，低層仍然維持弱上升運動。8日02:00，上升運動區進一步東移且明顯減弱，北京及其上游整層開始轉入下沉運動區。整個演變過程表明，與高空低槽對應的上升區在8日02:00已完全移出117°E，對北京地區，在14:00至20:00，高低層上升區先後到達，但700hPa以下的上升運動很弱。從7日14:00和20:00沿116°E垂直速度的垂直剖面(圖6)也可看出，7日14:00～20:00，北京上空的上升運動區過境後向北移動，之後中低層(600hPa以下)轉入上升區，但上升運動很弱。
其次，對流層低層濕度較小。如前所述，高空輻合區接近北京後，使得2500m以上的大氣濕度明顯增加，但是對流層低層的相對濕度仍然較小。表明儘管北京低層一直是偏東風，但是這支偏東氣流的含水量不大，沒有給北京帶來水汽。此外，微波輻射計的觀測表明邊界層內輻合系統前部的偏南氣流也沒有向北京輸送水汽。對流層低層濕度小必然導致抬升凝結高度較高，也就是說雲底的高度較高。而且，濕層也較薄，即雲層厚度較小。而在北京出現明顯降雪時(例如2009年2月17日)，大濕度層次高度較低、濕層較厚。這表明，北京上空的濕層高度較高而且較薄，是北京城區沒有降雪的另一個原因。因此，大氣濕度的垂直分布對北京出現降雪不利。
（4）降雪空報的主要原因
造成空報的原因之一是模式預報有一定偏差。模式對於高空輻合系統和700hPa相對濕度的預報基本正確，但是邊界層內相對濕度預報值過高，致使預報人員判斷失誤。6日發布預報時使用的是5日20:00為初始場的ECMWF預報。模式預報7日20:00(模式輸出的48h預報)700hPa上的低渦位於山西以北的內蒙中部地區，低槽位於山西和陝西交界處，華北處於槽前偏南氣流中。8日20:00輻合系統已經過境。實況顯示，7日20:00的低渦主體位於河北西北部，包括了河北北部地區，低槽斷開分為南北兩部分。因此，模式預報的系統移速略偏慢，強度略偏弱。模式預報的海平面氣壓場上，河北及東北地區存在一高壓，高壓主體位於遼寧附近，中心值超過了1029hPa，在外蒙地區也存在一高壓系統，在兩高之間，即山西至內蒙中部地區為一呈東北一西南走向的低壓倒槽系統，北京處於東北地區的高壓範圍內。實況場上，7日20:00，我國東北地區也為一高壓，但其主體在黑龍江附近，西部的高壓主體在100°E以西，在兩高之間存在接近南北向的倒槽系統，範圍較為寬廣，北京位於倒槽前部的偏東氣流中。這表明，模式預報的東北高壓位置偏東偏南，系統的移速偏慢。在700hPa高度上，模式預報從湖北向河北西南部沿偏南氣流存在一條大濕度區，最大相對濕度超過95%，比實際的大濕度帶的位置略偏西，這與預報的天氣系統移速偏慢對應。根據模式預報，850hPa相對濕度同樣很大，7日20:00北京被70%的等值線所包圍，西南部的相對濕度達到了90%。也就是說，模式預報的濕層非常厚。如前所述，微波輻射計觀測表明在輻合系統影響的過程中，邊界層的相對濕度只有40%左右，誤差很大。
此外，日本數值模式6日08:00預報的7日20:00形勢場上，700hPa層北京處於輻合上升和大濕度區中，地面氣壓場上東北地區為一高壓，中心位於遼寧附近，且高壓已經向西南方向伸展；倒槽輻合區位於河套及其東北部。這與歐洲中心的預報相近，其反映的直觀信息是，低層系統將於7日20:00逐步進入北京地區，而下一時次的預報是在12h之後(即8日08:00)，低層的系統已經減弱東移，北京已進入高壓控制，在此期間的形勢演變難以判斷。這是造成降雪空報的另一個原因。
研究結論
利用高解析度的資料並結合常規探空分析了2007年2月7日華北東部地區出現大範圍降雪天氣的情況下，京津地區未產生降水和預報失誤的原因。得出以下幾點結論。
(1)在華北地區出現大範圍降雪天氣之前，700hPa以上的輻合系統前較強的偏南氣流將水汽輸送到降水區，而且回流冷空氣形成的冷楔以及華北氣旋(或倒槽)為暖濕空氣抬升形成降水提供了有利的背景條件。但是，當倒槽即將影響京津地區時，弱冷空氣從倒槽頂部侵入導致其填塞。而且邊界層內輻合系統產生的上升氣流較弱，是造成京津大部分地區未出現降水的原因之一。此外，微波輻射計觀測表明，北京上空的濕層高度較高而且較薄，是北京城區沒有降雪的另一個原因。
(2)數值預報結果雖能給出較為準確的天氣形勢預報，但邊界層內的相對濕度存在較大偏差。由於數值預報的時效間隔較長，此間的天氣形勢難以判斷。而天氣形勢實況分析和簡單外推仍然有利於降雪的出現。這兩點是導致降雪空報的重要原因。
(3)新型探測資料分析表明，較強的偏南暖濕氣流和高海拔、水汽易於凝結是西北部高海拔測站出現降雪的可能原因，而東部個別測站出現降水很可能是由於短時回流條件具備的同時有高空槽過境造成。
