【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(cè)預(yù)測(cè)方法,對(duì)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(dá)等高頻觀測(cè)資料和準(zhǔn)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(bào)性能,因此模式初值對(duì)水凝物量的準(zhǔn)確描述,對(duì)實(shí)現(xiàn)模式熱啟動(dòng),提高暴雨預(yù)報(bào)能力起關(guān)鍵作用。高時(shí)空分辨率業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)資料的實(shí)時(shí)獲取及在數(shù)值模式中有效同化,有助于提高暴雨監(jiān)測(cè)及數(shù)值預(yù)報(bào)能力。但我國不同波段不同型號(hào)的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)水平和垂直探測(cè)有效距離差異較大,存在系統(tǒng)偏差,影響雷達(dá)資料在模式中同化效果。為提高數(shù)值模式對(duì)暴雨預(yù)報(bào)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(duì)雷達(dá)反射率因子進(jìn)行訂正的變分分析技術(shù),通過開展數(shù)值試驗(yàn),研究該變分分析技術(shù)的應(yīng)用對(duì)雷達(dá)資料同化及暴雨預(yù)報(bào)的作用;并基于較準(zhǔn)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(cè)對(duì)雷達(dá)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(hào)新一代業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度系統(tǒng)偏差造成的雷達(dá)資料在數(shù)值模式中有效同化問題。變分分析后的雷達(dá)資料同化可改進(jìn)降水時(shí)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(dá)反射率因子同化,可調(diào)整對(duì)流層低層暴雨區(qū)域濕度,為模式提供較準(zhǔn)確描述大氣狀態(tài)的初值基本要素,提高模式對(duì)中尺度暴雨落區(qū)、強(qiáng)度、降水時(shí)段、動(dòng)力配置和水汽輸送條件等的模擬能力。批量數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,變分分析后的上游高原雷達(dá)資料同化,有助于改進(jìn)下游區(qū)域大雨和暴雨預(yù)報(bào),尤其對(duì)系統(tǒng)性暴雨過程有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)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(jī)制。在有利的大尺度天氣系統(tǒng)配置下,中尺度對(duì)流帶的對(duì)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(duì)流不穩(wěn)定、充沛水汽輸送、底層空氣輻合增強(qiáng)、低空急流的加強(qiáng)、傾斜的垂直結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵區(qū)上空劇烈的上升運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)減弱,導(dǎo)致暴雨對(duì)流系統(tǒng)衰亡。
【圖文】：

圖 2.1 LAPS 功能模塊示意圖2.1.2 雷達(dá)反射率因子在云分析中的應(yīng)用方法雷達(dá)反射率因子在 LAPS 中不是直接同化，而是先利用三維雷達(dá)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(dá)反射率因子。圖 2.2 為 LAPS 云分析流程圖。LAPS 結(jié)合地面觀測(cè)、飛機(jī)、衛(wèi)星紅外云圖及可見光云圖、雷達(dá)三維反射率拼圖，配合 LAPS 分析的溫度場(chǎng)與高度場(chǎng)，進(jìn)行三維云分析。LAPS 云分析主要步驟如下：第一步，將地面觀測(cè)及飛機(jī)報(bào)內(nèi)插至 LAPS 網(wǎng)格點(diǎn)，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(jìn)模式背景場(chǎng)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(cè)資料，進(jìn)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(chǎng)，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(cè)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(duì)于低云的探測(cè)不靈敏，因此對(duì)判斷依據(jù)加以調(diào)整：若飛機(jī)觀測(cè)或地面觀測(cè)的

基于 LAPS 雷達(dá)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(jìn)一步分析該變分分析技術(shù)的應(yīng)用對(duì)雷達(dá)反射率因子的訂正程度，繪制了不同時(shí)刻不同層次變分分析前后雷達(dá)回波強(qiáng)度差量圖。圖 2.8 為 5 日 00 時(shí)和 15 時(shí)訂正前后 850hPa 雷達(dá)回波強(qiáng)度差量。從圖 2.8 可知，不同時(shí)刻實(shí)況降水區(qū)域存在差別，但該變分分析技術(shù)利用地面實(shí)況降水對(duì)相應(yīng)區(qū)域的雷達(dá)回波強(qiáng)度有較大的修正，5 日 00 時(shí)，降水主要位于貴州中部，在該區(qū)域訂正后為正偏差，增強(qiáng)了該區(qū)域的雷達(dá)回波強(qiáng)度；5 日 15時(shí)，降水范圍向北向南擴(kuò)大，強(qiáng)降水中心主要位于（106-107°E，25.5-26.5°N）范圍內(nèi)，且強(qiáng)度增加（圖 2.9a），反映在雷達(dá)回波強(qiáng)度圖上，在相應(yīng)區(qū)域均有調(diào)整，且隨著降水強(qiáng)度的增強(qiáng)，該區(qū)域的雷達(dá)回波強(qiáng)度也增大。由于該變分分析技術(shù)是利用動(dòng)態(tài) Z-R 關(guān)系基于地面觀測(cè)雨量對(duì)插值到 LAPS 三維網(wǎng)格的雷達(dá)反射率因子進(jìn)行訂正，因此不同層次的雷達(dá)回波強(qiáng)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(jí)和區(qū)域有關(guān)，在降水大值區(qū)，為正偏差，對(duì)不同高度的回波強(qiáng)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P412.25;P426.62

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2705968