基于LAPS雷达资料变分分析技术的暴雨数值模拟及其中尺度结构特征研究
发布时间：2020-06-10 07:18
【摘要】：深入研究暴雨中尺度系统结构特征及暴雨监测预测方法,对于提高我国防灾减灾能力具有重大战略意义。研究暴雨中尺度系统结构特征,需要借助雷达等高频观测资料和准确的数值模拟。模式云微物理过程中水凝物相互转化影响降水预报性能,因此模式初值对水凝物量的准确描述,对实现模式热启动,提高暴雨预报能力起关键作用。高时空分辨率业务天气雷达资料的实时获取及在数值模式中有效同化,有助于提高暴雨监测及数值预报能力。但我国不同波段不同型号的业务天气雷达水平和垂直探测有效距离差异较大,存在系统偏差,影响雷达资料在模式中同化效果。为提高数值模式对暴雨预报能力及深入分析并揭示暴雨中尺度系统结构特征,本文提出了基于LAPS(Local Analysis and Prediction System)对雷达反射率因子进行订正的变分分析技术,通过开展数值试验,研究该变分分析技术的应用对雷达资料同化及暴雨预报的作用;并基于较准确的数值模拟结果,研究暴雨中尺度系统结构特征。主要结论如下:(1)提出的基于LAPS利用地面降水观测对雷达反射率因子订正的变分分析技术,解决了因我国不同波段不同型号新一代业务天气雷达回波强度系统偏差造成的雷达资料在数值模式中有效同化问题。变分分析后的雷达资料同化可改进降水时段雨区上空水凝物的分布,有助于分析暴雨过程中降水云微物理三维结构特征。(2)变分分析后的雷达反射率因子同化,可调整对流层低层暴雨区域湿度,为模式提供较准确描述大气状态的初值基本要素,提高模式对中尺度暴雨落区、强度、降水时段、动力配置和水汽输送条件等的模拟能力。批量数值试验结果表明,变分分析后的上游高原雷达资料同化,有助于改进下游区域大雨和暴雨预报,尤其对系统性暴雨过程有较强的预报能力。(3)采用该变分分析技术后的暴雨数值模拟结果,可揭示梅雨锋暴雨中尺度系统初生、发展、成熟、衰亡阶段的三维中尺度结构特征及形成机制。在有利的大尺度天气系统配置下,中尺度对流带的对流单体持续穿过暴雨关键区,是大暴雨产生的原因。暴雨关键区低层对流不稳定、充沛水汽输送、底层空气辐合增强、低空急流的加强、倾斜的垂直结构以及关键区上空剧烈的上升运动,造成暴雨关键区内降水持续发展。不稳定能量减小,低空急流快速减弱,中低层层结稳定,上升运动减弱,导致暴雨对流系统衰亡。
【图文】：
图 2.1 LAPS 功能模块示意图2.1.2 雷达反射率因子在云分析中的应用方法雷达反射率因子在 LAPS 中不是直接同化，而是先利用三维雷达反射率拼图订正LAPS 云分析，由云分析估算三维云量，结合温度等诊断出云水、云冰、雨水等水凝物量，从而间接同化雷达反射率因子。图 2.2 为 LAPS 云分析流程图。LAPS 结合地面观测、飞机、卫星红外云图及可见光云图、雷达三维反射率拼图，配合 LAPS 分析的温度场与高度场，进行三维云分析。LAPS 云分析主要步骤如下：第一步，将地面观测及飞机报内插至 LAPS 网格点，得到初步分析，提供大致的云层垂直与水平分布。第二步，，引进模式背景场的云液态水、云冰、混合比等云参数，利用 Barnes 分析法，结合第一步的观测资料，进行逐层水平分析，可得初步三维云结构；然后利用 LAPS 温度及高度分析场，推导出初步云结构的三维亮温分布。第三步，利用卫星观测的云顶温度值，调整第二步所推导的初步云结构。由于卫星红外辐射对于低云的探测不灵敏，因此对判断依据加以调整：若飞机观测或地面观测的
基于 LAPS 雷达资料变分分析技术的暴雨数值模拟及其中尺度结构特征研究为进一步分析该变分分析技术的应用对雷达反射率因子的订正程度，绘制了不同时刻不同层次变分分析前后雷达回波强度差量图。图 2.8 为 5 日 00 时和 15 时订正前后 850hPa 雷达回波强度差量。从图 2.8 可知，不同时刻实况降水区域存在差别，但该变分分析技术利用地面实况降水对相应区域的雷达回波强度有较大的修正，5 日 00 时，降水主要位于贵州中部，在该区域订正后为正偏差，增强了该区域的雷达回波强度；5 日 15时，降水范围向北向南扩大，强降水中心主要位于（106-107°E，25.5-26.5°N）范围内，且强度增加（图 2.9a），反映在雷达回波强度图上，在相应区域均有调整，且随着降水强度的增强，该区域的雷达回波强度也增大。由于该变分分析技术是利用动态 Z-R 关系基于地面观测雨量对插值到 LAPS 三维网格的雷达反射率因子进行订正，因此不同层次的雷达回波强度均有不同程度的调整，从低层到高层订正范围与降水量级和区域有关，在降水大值区，为正偏差，对不同高度的回波强度均有修正。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P412.25;P426.62
【图文】：
图 2.1 LAPS 功能模块示意图2.1.2 雷达反射率因子在云分析中的应用方法雷达反射率因子在 LAPS 中不是直接同化，而是先利用三维雷达反射率拼图订正LAPS 云分析，由云分析估算三维云量，结合温度等诊断出云水、云冰、雨水等水凝物量，从而间接同化雷达反射率因子。图 2.2 为 LAPS 云分析流程图。LAPS 结合地面观测、飞机、卫星红外云图及可见光云图、雷达三维反射率拼图，配合 LAPS 分析的温度场与高度场，进行三维云分析。LAPS 云分析主要步骤如下：第一步，将地面观测及飞机报内插至 LAPS 网格点，得到初步分析，提供大致的云层垂直与水平分布。第二步，，引进模式背景场的云液态水、云冰、混合比等云参数，利用 Barnes 分析法，结合第一步的观测资料，进行逐层水平分析，可得初步三维云结构；然后利用 LAPS 温度及高度分析场，推导出初步云结构的三维亮温分布。第三步，利用卫星观测的云顶温度值，调整第二步所推导的初步云结构。由于卫星红外辐射对于低云的探测不灵敏，因此对判断依据加以调整：若飞机观测或地面观测的
基于 LAPS 雷达资料变分分析技术的暴雨数值模拟及其中尺度结构特征研究为进一步分析该变分分析技术的应用对雷达反射率因子的订正程度，绘制了不同时刻不同层次变分分析前后雷达回波强度差量图。图 2.8 为 5 日 00 时和 15 时订正前后 850hPa 雷达回波强度差量。从图 2.8 可知，不同时刻实况降水区域存在差别，但该变分分析技术利用地面实况降水对相应区域的雷达回波强度有较大的修正，5 日 00 时，降水主要位于贵州中部，在该区域订正后为正偏差，增强了该区域的雷达回波强度；5 日 15时，降水范围向北向南扩大，强降水中心主要位于（106-107°E，25.5-26.5°N）范围内，且强度增加（图 2.9a），反映在雷达回波强度图上，在相应区域均有调整，且随着降水强度的增强，该区域的雷达回波强度也增大。由于该变分分析技术是利用动态 Z-R 关系基于地面观测雨量对插值到 LAPS 三维网格的雷达反射率因子进行订正，因此不同层次的雷达回波强度均有不同程度的调整，从低层到高层订正范围与降水量级和区域有关，在降水大值区，为正偏差，对不同高度的回波强度均有修正。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P412.25;P426.62
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 刁秀广;孟宪贵;万明波;张骞;李静;;源于飑线前期和强降雨带后期的弓形回波雷达产品特征及预警[J];高原气象;2015年05期
2 张艳霞;蒙伟光;张诚忠;徐道生;钟水新;;LAPS云分析中卫星资料的应用及对GRAPES模式短时预报的影响[J];热带气象学报;2015年05期
3 王红艳;刘黎平;何丽萍;;浙江山区新一代天气雷达波束遮挡分析[J];高原气象;2014年06期
4 李红莉;彭菊香;张艳霞;;多源观测资料在LAPS中尺度分析场中的作用分析[J];暴雨灾害;2014年03期
5 程兴宏;刘瑞霞;申彦波;朱蓉;彭继达;杨振斌;徐洪雄;;基于卫星资料同化和LAPS-WRF模式系统的云天太阳辐射数值模拟改进方法[J];大气科学;2014年03期
6 宇婧婧;沈艳;潘e
本文编号：2705968
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/qxxlw/2705968.html
