中国东部地区强对流冰雹过程数值模拟和机理分析

发布时间：2020-11-15 14:16

　　 冰雹灾害是由强对流天气系统引起的一种季节性明显、局地性强、具有突发性和阵性特征的气象灾害。因缺乏冰雹形成物理过程的详细观测,人们对冰雹形成的宏观动力和微观物理机制了解还很不够,冰雹预报问题也是目前一国际难点。以往研究表明,制约模式冰雹预报能力的关键在于模式中微物理过程参数化方案不能准确地描述风暴中冰雹粒子的谱分布及生长过程。本文选取脉冲和多单体两类不同冰雹风暴为研究对象,开展冰雹定量预报方法及评估不同微物理参数化方案对冰雹定量预报能力的研究。在此基础上,设计出基于诊断谱形参数的双参数微物理方案。基于模拟结果,分析了冰雹形成的主要微物理过程。另外,还研究了长生命史多单体冰雹风暴的触发和维持机制,为提高我国强对流风暴的预报能力提供依据。对于脉冲冰雹风暴,本文以2014年3月19日浙江台州冰雹风暴为例,采用ARPS数值模式中单参数、双参数和三参数微物理方案进行高分辨数值模拟。结果表明,三参数方案模拟的风暴演变、地面累计降水及最大可能冰雹尺度等与观测最为接近。基于三参数模拟结果,分析了脉冲冰雹风暴的微物理结构演变特征。根据地面降雹通量的时间变化倾向,将此次脉冲风暴的生命史分为三个阶段:发展期、成熟期和消亡期。采用数值诊断分析方法对不同生命史阶段的微物理过程和微物理结构特征进行分析,探索了此类短生命史脉冲冰雹风暴的生消机理及其风暴的垂直结构与环境风切变的关系。最后,提出包含动力和微物理过程相互作用的脉冲冰雹风暴生命史概念模型。对于多单体冰雹风暴,本文选取2015年4月28日江苏冰雹风暴进行研究。本文使用ARPS模式进行高分辨率数值模拟,采用多种不同微物理方案进行敏感性实验。将模拟结果与业务雷达组合反射率以及由雷达观测反演的冰雹最大可能尺度进行对比,发现三参数的微物理方案对于此次多单体冰雹风暴的演变及风暴强度及地面最大可能冰雹尺度预报具有较大优势;其客观评估指数(Fraction skills score)与其他方案相比也明显比其他方案更高,其模拟的风暴内冰雹尺度分布及地面累积冰雹质量和浓度的分布也更为合理。粒子分选对风暴内雹分布具有重要作用。微物理过程及冰雹滴谱诊断结果显示,不同微物理方案中雹生长过程存在显著差异,是由于不同方案对冰雹粒子谱分布的形状参数描述存在差异。不同方案模拟的风暴内雹粒子分选程度及雹生长微物理过程这两方面的差异,共同导致了雹暴内及地面累积的雹分布特征差异。此外,本文三参数方案的模拟结果,利用最小二乘法对三参方案诊断的谱形参数和平均中值直径进行拟合,得出新的谱形参数与粒子平均中值直径的关系,并利用该关系建立了诊断谱形参数的双参数微物理方案。将该方案耦合到ARPS模式中,并对江苏多单体冰雹风暴进行模拟并与观测进行对比检验,结果表明,新设计的诊断谱形参数的双参方案显著提高了原始双参数方案对冰雹的预报能力,较好再现了实际冰雹风暴的强度及地面雹分布特征,结果接近于三参数方案,而计算成本与双参数方案相当。最后,利用高时空分辨率的卫星、雷达观测及高分辨率数值模拟的结果,对影响范围广、持续时间长、造成雹灾严重的江苏多单体冰雹风暴的触发和维持机制进行分析。结果表明,此次多单体冰雹风暴系统的发展可分为两个阶段,第一阶段,对流单体主要沿着江苏西北边界不断触发加强,风暴组织成西北-东南走向的线状,并向江苏东南部移动;江苏低层陆地和中国东海上两个低涡之间形成强辐合线,为此阶段的主要触发机制。第二阶段,强对流系统自身降水形成阵风锋,锋前偏北风与南风辐合加强,不断触发新的对流。另外,干湿敏感性实验表明,前行对流系统在海上降水形成冷池,冷池后向扩散将斜压水平涡管向上抬升,形成江苏东部海上低涡。该低涡与我国东部沿海陆地低涡之间形成强烈辐合。该低涡环流对江苏强对流冰雹风暴的触发及发展维持均起着重要作用。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P458.121.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 冰雹强对流风暴的国内外研究进展
        1.2.1 冰雹天气气候特点
        1.2.2 冰雹云宏微观结构
        1.2.3 冰雹增长理论
    1.3 冰雹预报方法
    1.4 本文研究内容及意义
    1.5 本文创新点
    参考文献
第二章 ARPS模式、微物理过程参数化与冰雹定量预报
    2.1 ARPS模式
    2.2 模式微物理过程参数化
        2.2.1 Bin方案
        2.2.2 Bulk方案
    2.3 冰雹定量预报方法
        2.3.1 地面最大可能冰雹尺度-MESH
        2.3.2 地面累积一定尺度冰雹数-SAHNC
h及最大冰雹尺度-Dmax'>        2.3.3 雹云内大于某尺度雹总数N_h及最大冰雹尺度-Dmax
    2.4 Neighborhood-based方法对冰雹MESH预报定量评估
    2.5 本章小结
    参考文献
第三章 一次脉冲冰雹风暴中冰雹定量预报和机理分析
    3.1 引言
    3.2 脉冲冰雹风暴个例简介和实验设计
        3.2.1 个例简介
        3.2.2 实验设计
    3.3 冰雹定量预报
    3.4 脉冲冰雹云的宏微观结构与冰雹生长机理
        3.4.1 发展阶段（0940-1010UTC）
        3.4.2 成熟阶段（1010-1040UTC）
        3.4.3 消散阶段（1040-1120UTC）
    3.5 脉冲冰雹风暴演变概念模型
    3.6 本章小结
    参考文献
第四章 一次江苏多单体冰雹风暴冰雹定量预报及预报能力评估
    4.1 引言
    4.2 多单体冰雹风暴个例简介和实验设计
        4.2.1 个例简介
        4.2.2 实验设计
    4.3 不同微物理方案模拟冰雹风暴强度差异
    4.4 不同微物理参数化方案的冰雹定量预报能力评估
        4.4.1 地面最大可能冰雹尺度-MESH
        4.4.2 地面累积冰雹质量和浓度
        4.4.3 冰雹云内雹尺度分布特点
    4.5 不同微物理方案中冰雹生长差异诊断分析
    4.6 本章小结
    参考文献
第五章 基于诊断谱形参数的双参数微物理方案设计和性能评估
    5.1 引言
    5.2 方案设计思路及与ARPS的耦合
    5.3 设计方案性能评估
        5.3.1 实验设计
        5.3.2 实验结果分析
    5.4 本章小结
    参考文献
第六章 江苏多单体冰雹风暴触发和演变机理分析
    6.1 引言
    6.2 冰雹风暴天气背景分析
    6.3 实验设计
    6.4 模拟结果与观测验证
        6.4.1 雷达反射率对比
        6.4.2 地面累积降水分布
    6.5 对流触发与维持机制
    6.6 海上低涡涡度来源分析
    6.7 本章小结
    参考文献
第七章 总结与展望
    7.1 全文总结
    7.2 讨论与展望
致谢
附录

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 马秀梅;雷生国;殷显辉;;海东地区一次冰雹天气分析[J];现代农业科技;2016年22期

2 孟莹;;内蒙古鄂温克族自治旗冰雹天气分布特征分析[J];畜牧与饲料科学;2017年05期

3 聂晓婷;邹晓玲;;冰雹天气的地面气象观测技术[J];广东气象;2016年03期

4 赵强;郭莉;;商洛地区冰雹天气形势及潜势预报指标[J];陕西气象;2014年06期

5 王海娥;余学英;沈洁;;2012年夏季西宁地区两次冰雹天气的对比分析[J];青海气象;2014年04期

6 杨淑梅;董学贤;;一次明显的冰雹天气分析[J];北京农业;2015年29期

7 高晓梅;马守强;王旭;闫凤君;孙丽娟;;潍坊地区一次强冰雹天气成因分析[J];中国农学通报;2014年11期

8 崔庭;袁洪钊;杜龙彩;冷海燕;孙旭东;黄焱;;黔西南州两次特殊天气系统发生冰雹天气的对比分析[J];贵州气象;2013年S1期

9 杨新海;任朝武;谢巍;康巍;;农七师垦区一次冰雹天气特征分析[J];农村科技;2011年01期

10 黄河清;江苏盐场冰雹天气初析[J];苏盐科技;2005年02期

相关博士学位论文 前1条

1 罗丽萍;中国东部地区强对流冰雹过程数值模拟和机理分析[D];南京大学;2018年

相关硕士学位论文 前9条

1 杨旭;金字塔点阵结构冰雹冲击响应及损伤预测研究[D];中国民航大学;2017年

2 杨冉;基于ABAQUS的汽车夹层玻璃受冰雹冲击的动态响应研究[D];青岛理工大学;2017年

3 王成坤;2014年3月19日冰雹天气发生的分析与数值模拟[D];浙江大学;2015年

4 石宝灵;云南多普勒天气雷达网探测冰雹能力的评估与冰雹识别方法研究[D];兰州大学;2017年

5 魏勇;新疆石河子垦区沙漠边缘地带的冰雹预警指标研究[D];成都信息工程大学;2017年

6 孙莹;广西地区冰雹天气成因研究[D];南京信息工程大学;2007年

7 王培涛;滨州地区冰雹天气分型和物理量指标研究及应用[D];兰州大学;2017年

8 孙旭映;甘肃省冰雹天气形成机理、特征及雷达识别技术研究[D];南京信息工程大学;2007年

9 裴江文;利用多种气象资料对南疆西部冰雹的研究[D];兰州大学;2014年

本文编号：2884848