發(fā)布時間：2020-06-10 07:18

【摘要】：深入研究暴雨中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及暴雨監(jiān)測預(yù)測方法,對于提高我國防災(zāi)減災(zāi)能力具有重大戰(zhàn)略意義。研究暴雨中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征,需要借助雷達等高頻觀測資料和準確的數(shù)值模擬。模式云微物理過程中水凝物相互轉(zhuǎn)化影響降水預(yù)報性能,因此模式初值對水凝物量的準確描述,對實現(xiàn)模式熱啟動,提高暴雨預(yù)報能力起關(guān)鍵作用。高時空分辨率業(yè)務(wù)天氣雷達資料的實時獲取及在數(shù)值模式中有效同化,有助于提高暴雨監(jiān)測及數(shù)值預(yù)報能力。但我國不同波段不同型號的業(yè)務(wù)天氣雷達水平和垂直探測有效距離差異較大,存在系統(tǒng)偏差,影響雷達資料在模式中同化效果。為提高數(shù)值模式對暴雨預(yù)報能力及深入分析并揭示暴雨中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征,本文提出了基于LAPS(Local Analysis and Prediction System)對雷達反射率因子進行訂正的變分分析技術(shù),通過開展數(shù)值試驗,研究該變分分析技術(shù)的應(yīng)用對雷達資料同化及暴雨預(yù)報的作用;并基于較準確的數(shù)值模擬結(jié)果,研究暴雨中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征。主要結(jié)論如下:(1)提出的基于LAPS利用地面降水觀測對雷達反射率因子訂正的變分分析技術(shù),解決了因我國不同波段不同型號新一代業(yè)務(wù)天氣雷達回波強度系統(tǒng)偏差造成的雷達資料在數(shù)值模式中有效同化問題。變分分析后的雷達資料同化可改進降水時段雨區(qū)上空水凝物的分布,有助于分析暴雨過程中降水云微物理三維結(jié)構(gòu)特征。(2)變分分析后的雷達反射率因子同化,可調(diào)整對流層低層暴雨區(qū)域濕度,為模式提供較準確描述大氣狀態(tài)的初值基本要素,提高模式對中尺度暴雨落區(qū)、強度、降水時段、動力配置和水汽輸送條件等的模擬能力。批量數(shù)值試驗結(jié)果表明,變分分析后的上游高原雷達資料同化,有助于改進下游區(qū)域大雨和暴雨預(yù)報,尤其對系統(tǒng)性暴雨過程有較強的預(yù)報能力。(3)采用該變分分析技術(shù)后的暴雨數(shù)值模擬結(jié)果,可揭示梅雨鋒暴雨中尺度系統(tǒng)初生、發(fā)展、成熟、衰亡階段的三維中尺度結(jié)構(gòu)特征及形成機制。在有利的大尺度天氣系統(tǒng)配置下,中尺度對流帶的對流單體持續(xù)穿過暴雨關(guān)鍵區(qū),是大暴雨產(chǎn)生的原因。暴雨關(guān)鍵區(qū)低層對流不穩(wěn)定、充沛水汽輸送、底層空氣輻合增強、低空急流的加強、傾斜的垂直結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵區(qū)上空劇烈的上升運動,造成暴雨關(guān)鍵區(qū)內(nèi)降水持續(xù)發(fā)展。不穩(wěn)定能量減小,低空急流快速減弱,中低層層結(jié)穩(wěn)定,上升運動減弱,導(dǎo)致暴雨對流系統(tǒng)衰亡。
【圖文】：

圖 2.1 LAPS 功能模塊示意圖2.1.2 雷達反射率因子在云分析中的應(yīng)用方法雷達反射率因子在 LAPS 中不是直接同化，而是先利用三維雷達反射率拼圖訂正LAPS 云分析，由云分析估算三維云量，結(jié)合溫度等診斷出云水、云冰、雨水等水凝物量，從而間接同化雷達反射率因子。圖 2.2 為 LAPS 云分析流程圖。LAPS 結(jié)合地面觀測、飛機、衛(wèi)星紅外云圖及可見光云圖、雷達三維反射率拼圖，配合 LAPS 分析的溫度場與高度場，進行三維云分析。LAPS 云分析主要步驟如下：第一步，將地面觀測及飛機報內(nèi)插至 LAPS 網(wǎng)格點，得到初步分析，提供大致的云層垂直與水平分布。第二步，，引進模式背景場的云液態(tài)水、云冰、混合比等云參數(shù)，利用 Barnes 分析法，結(jié)合第一步的觀測資料，進行逐層水平分析，可得初步三維云結(jié)構(gòu)；然后利用 LAPS 溫度及高度分析場，推導(dǎo)出初步云結(jié)構(gòu)的三維亮溫分布。第三步，利用衛(wèi)星觀測的云頂溫度值，調(diào)整第二步所推導(dǎo)的初步云結(jié)構(gòu)。由于衛(wèi)星紅外輻射對于低云的探測不靈敏，因此對判斷依據(jù)加以調(diào)整：若飛機觀測或地面觀測的

基于 LAPS 雷達資料變分分析技術(shù)的暴雨數(shù)值模擬及其中尺度結(jié)構(gòu)特征研究為進一步分析該變分分析技術(shù)的應(yīng)用對雷達反射率因子的訂正程度，繪制了不同時刻不同層次變分分析前后雷達回波強度差量圖。圖 2.8 為 5 日 00 時和 15 時訂正前后 850hPa 雷達回波強度差量。從圖 2.8 可知，不同時刻實況降水區(qū)域存在差別，但該變分分析技術(shù)利用地面實況降水對相應(yīng)區(qū)域的雷達回波強度有較大的修正，5 日 00 時，降水主要位于貴州中部，在該區(qū)域訂正后為正偏差，增強了該區(qū)域的雷達回波強度；5 日 15時，降水范圍向北向南擴大，強降水中心主要位于（106-107°E，25.5-26.5°N）范圍內(nèi)，且強度增加（圖 2.9a），反映在雷達回波強度圖上，在相應(yīng)區(qū)域均有調(diào)整，且隨著降水強度的增強，該區(qū)域的雷達回波強度也增大。由于該變分分析技術(shù)是利用動態(tài) Z-R 關(guān)系基于地面觀測雨量對插值到 LAPS 三維網(wǎng)格的雷達反射率因子進行訂正，因此不同層次的雷達回波強度均有不同程度的調(diào)整，從低層到高層訂正范圍與降水量級和區(qū)域有關(guān)，在降水大值區(qū)，為正偏差，對不同高度的回波強度均有修正。
【學(xué)位授予單位】：中國氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P412.25;P426.62

【參考文獻】

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