闪电资料在GRAPES云分析中的应用研究

发布时间：2020-08-15 14:50

【摘要】：GRAPES_gcas(GRAPES Cloud Analysis System)即GRAPES云分析系统,融合了多普勒天气雷达资料、卫星资料和地面云观测资料,从而调整模式生成的云信息。GRAPES云分析系统的研究与应用,可以使数值模式初始场中包含云信息,这在现代数值预报中具有非常重要的意义。目前GRAPES云分析系统还不具有使用闪电定位资料的功能,国内对闪电定位资料在数值预报中的应用研究相对较少。本文首先运用现有的云分析系统对重要天气过程进行了模拟分析,同时对闪电定位资料进行了分析;然后研究了在云分析系统中加入闪电定位资料的方法;最后通过包含各种观测资料的对比数值试验,分析了云分析系统的应用情况,重点分析了ADTD闪电定位资料研究应用情况。具体结论如下:(1)论文通过经验关系,将ADTD闪电定位资料转化为三维雷达反射率的形式,并融合多普勒雷达反射率三维组网拼图资料,利用GRAPES云分析系统对模式初始场的云水、云冰等云微物理变量进行了调整和分析。(2)针对分别发生在华北和华南的两次强对流天气过程,设计了两组个例试验和一组批量试验。首先对比分析了云分析过程中加入闪电定位信息对雷达反射率的直接影响;其次对比分析了在模式初始时刻云微物理变量(云水、云冰、雪)的变化;最后,比较了模式降水的预报效果。在此基础上,又进一步进行了批量试验。结果表明:(a)云分析系统在加入雷达反射率资料以后,能在模式初始场中较准确的计算模式的初始水物质;(b)闪电定位资料转换成的替代雷达反射率对原有的雷达反射率有一定的补充作用,使模式的初始场与真实状况更接近;(c)从模式降水的角度看,在加入雷达资料以后,GRAPES云分析可以显著提高6小时以内降水的模拟效果,而闪电定位资料的加入,对中雨以上量级的降水模拟有进一步的改进作用。(d)从连续一周的批量试验检验结果来看,当对流天气特征较明显,闪电频率较高时,闪电定位资料的加入对模式的预报结果具有正效果。(3)本文的研究表明,闪电定位信息的应用是对具有中国自主知识产权的GRAPES云分析系统的进一步完善和补充,为闪电定位信息在我国数值预报中的进一步应用提供了有益的参考或一定的研究基础,这对改善模式的初始场,提高模式对强对流天气的预报准确率有科学和实际意义。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P427.3;P412
【图文】：

闪电频率,回波反射,反射率因子,最大反射率

闪电资料在 GRAPES 云分析中的应用研究实测的雷达组合反射率因子相比较，取最大值作为最终的雷达反射率因子并带入到GRAPES 云分析系统中进行运算。表 1 闪电频率与柱最大回波反射率因子经验关系表（summer）Table 1 empirical relationship between lightning frequency and reflectivity（summer）闪电频率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10柱最大回波反射率因子30.13 31.61 32.78 33.86 34.68 35.34 36.13 36.15 37.02 37.04闪电频率 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20柱最大回波反射率因子37.74 38.00 38.56 38.85 39.10 39.37 39.78 39.98 40.64 41.33闪电频率 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30柱最大回波反射率因子41.50 41.65 41.85 42.08 42.77 43.03 43.26 43.53 43.74 43.73

闪电频率

闪电定位资料对模式模拟结果的影响，通过几组试验结果之间以及与试验结果与实况之间的对比，对这种闪电定位资料的使用方案的可行性和有效性进行检验。3.1 个例的选取本文选取 2016 年 6 月 13 日山西、河北北部、山东西部一次强对流天气过程进行实验分析。此次强对流过程造成局地出现 20mm 以上大冰雹，10~12 级雷暴大风，并伴随强烈的闪电现象(曹艳察，张涛，2016)。图 3.1 为 2016 年 6 月 13 日 0：00-24：00（UTC）ADTD 闪电定位网探测到的每三十分钟闪电频数分布柱状图，探测范围为 108-123oE，32-44oN。从图 1 中可以看出，这一天闪电活动比较频繁，峰值在 12:00 左右（北京时间20:00）可以达到每 30 分钟 1000 次以上。此后，闪电频数逐渐下降。统计该日闪电频数峰值时刻即 12：00 前后 40min（向前 30min，向后 10min）闪电频数的空间分布图 2(a)，以及 12：00（UTC）雷达实测最大反射率分布图 2(b)。由图 3.2 可以看出，闪电的分布与实测雷达反射率高值区域的形状较为一致，闪电高频区域与雷达反射率高值区域的位置也基本对应。此次强对流活动主要集中在山东中西部，山西、河北的西北部。

闪电频率,雷达反射率因子

值试验设计了研究雷达反射率资料和闪电定位资料在云分析过程中的作用以及其对模式积影响，本文共设计 4 组试验，分别将雷达资料和闪电资料加入云分析过程中，、云冰等水物质在初始场的演变。方案 1 为控制试验，在进行云分析时只加入（采用 FY-2G 黑体辐射亮温（TBB）数据和总云量(CTA)数据），简写为 CTR2 除加入卫星资料以外，还使用闪电定位资料，按照 2.4 中介绍的方法进行云分简写为 TEST1；方案 3，在 CTRL 试验的基础上，还加入了三维雷达反射率资分析试验，简写为 TEST2。方案 4，除 TEST2 的两种资料以外，还加入了闪电进行云分析试验，简写为 TEST3。具体实验设计如表 3.1：表 3.1 试验设计方案Table 3.1 design schemes of test卫星资料雷达反射率资料闪电定位资料CTRL √ × ×

【参考文献】