發(fā)布時間：2020-11-15 14:16

　　 冰雹災害是由強對流天氣系統(tǒng)引起的一種季節(jié)性明顯、局地性強、具有突發(fā)性和陣性特征的氣象災害。因缺乏冰雹形成物理過程的詳細觀測,人們對冰雹形成的宏觀動力和微觀物理機制了解還很不夠,冰雹預報問題也是目前一國際難點。以往研究表明,制約模式冰雹預報能力的關鍵在于模式中微物理過程參數化方案不能準確地描述風暴中冰雹粒子的譜分布及生長過程。本文選取脈沖和多單體兩類不同冰雹風暴為研究對象,開展冰雹定量預報方法及評估不同微物理參數化方案對冰雹定量預報能力的研究。在此基礎上,設計出基于診斷譜形參數的雙參數微物理方案�；�于模擬結果,分析了冰雹形成的主要微物理過程。另外,還研究了長生命史多單體冰雹風暴的觸發(fā)和維持機制,為提高我國強對流風暴的預報能力提供依據。對于脈沖冰雹風暴,本文以2014年3月19日浙江臺州冰雹風暴為例,采用ARPS數值模式中單參數、雙參數和三參數微物理方案進行高分辨數值模擬。結果表明,三參數方案模擬的風暴演變、地面累計降水及最大可能冰雹尺度等與觀測最為接近�；�于三參數模擬結果,分析了脈沖冰雹風暴的微物理結構演變特征。根據地面降雹通量的時間變化傾向,將此次脈沖風暴的生命史分為三個階段:發(fā)展期、成熟期和消亡期。采用數值診斷分析方法對不同生命史階段的微物理過程和微物理結構特征進行分析,探索了此類短生命史脈沖冰雹風暴的生消機理及其風暴的垂直結構與環(huán)境風切變的關系。最后,提出包含動力和微物理過程相互作用的脈沖冰雹風暴生命史概念模型。對于多單體冰雹風暴,本文選取2015年4月28日江蘇冰雹風暴進行研究。本文使用ARPS模式進行高分辨率數值模擬,采用多種不同微物理方案進行敏感性實驗。將模擬結果與業(yè)務雷達組合反射率以及由雷達觀測反演的冰雹最大可能尺度進行對比,發(fā)現三參數的微物理方案對于此次多單體冰雹風暴的演變及風暴強度及地面最大可能冰雹尺度預報具有較大優(yōu)勢;其客觀評估指數(Fraction skills score)與其他方案相比也明顯比其他方案更高,其模擬的風暴內冰雹尺度分布及地面累積冰雹質量和濃度的分布也更為合理。粒子分選對風暴內雹分布具有重要作用。微物理過程及冰雹滴譜診斷結果顯示,不同微物理方案中雹生長過程存在顯著差異,是由于不同方案對冰雹粒子譜分布的形狀參數描述存在差異。不同方案模擬的風暴內雹粒子分選程度及雹生長微物理過程這兩方面的差異,共同導致了雹暴內及地面累積的雹分布特征差異。此外,本文三參數方案的模擬結果,利用最小二乘法對三參方案診斷的譜形參數和平均中值直徑進行擬合,得出新的譜形參數與粒子平均中值直徑的關系,并利用該關系建立了診斷譜形參數的雙參數微物理方案。將該方案耦合到ARPS模式中,并對江蘇多單體冰雹風暴進行模擬并與觀測進行對比檢驗,結果表明,新設計的診斷譜形參數的雙參方案顯著提高了原始雙參數方案對冰雹的預報能力,較好再現了實際冰雹風暴的強度及地面雹分布特征,結果接近于三參數方案,而計算成本與雙參數方案相當。最后,利用高時空分辨率的衛(wèi)星、雷達觀測及高分辨率數值模擬的結果,對影響范圍廣、持續(xù)時間長、造成雹災嚴重的江蘇多單體冰雹風暴的觸發(fā)和維持機制進行分析。結果表明,此次多單體冰雹風暴系統(tǒng)的發(fā)展可分為兩個階段,第一階段,對流單體主要沿著江蘇西北邊界不斷觸發(fā)加強,風暴組織成西北-東南走向的線狀,并向江蘇東南部移動;江蘇低層陸地和中國東海上兩個低渦之間形成強輻合線,為此階段的主要觸發(fā)機制。第二階段,強對流系統(tǒng)自身降水形成陣風鋒,鋒前偏北風與南風輻合加強,不斷觸發(fā)新的對流。另外,干濕敏感性實驗表明,前行對流系統(tǒng)在海上降水形成冷池,冷池后向擴散將斜壓水平渦管向上抬升,形成江蘇東部海上低渦。該低渦與我國東部沿海陸地低渦之間形成強烈輻合。該低渦環(huán)流對江蘇強對流冰雹風暴的觸發(fā)及發(fā)展維持均起著重要作用。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P458.121.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 冰雹強對流風暴的國內外研究進展
        1.2.1 冰雹天氣氣候特點
        1.2.2 冰雹云宏微觀結構
        1.2.3 冰雹增長理論
    1.3 冰雹預報方法
    1.4 本文研究內容及意義
    1.5 本文創(chuàng)新點
    參考文獻
第二章 ARPS模式、微物理過程參數化與冰雹定量預報
    2.1 ARPS模式
    2.2 模式微物理過程參數化
        2.2.1 Bin方案
        2.2.2 Bulk方案
    2.3 冰雹定量預報方法
        2.3.1 地面最大可能冰雹尺度-MESH
        2.3.2 地面累積一定尺度冰雹數-SAHNC
h及最大冰雹尺度-Dmax'>        2.3.3 雹云內大于某尺度雹總數N_h及最大冰雹尺度-Dmax
    2.4 Neighborhood-based方法對冰雹MESH預報定量評估
    2.5 本章小結
    參考文獻
第三章 一次脈沖冰雹風暴中冰雹定量預報和機理分析
    3.1 引言
    3.2 脈沖冰雹風暴個例簡介和實驗設計
        3.2.1 個例簡介
        3.2.2 實驗設計
    3.3 冰雹定量預報
    3.4 脈沖冰雹云的宏微觀結構與冰雹生長機理
        3.4.1 發(fā)展階段（0940-1010UTC）
        3.4.2 成熟階段（1010-1040UTC）
        3.4.3 消散階段（1040-1120UTC）
    3.5 脈沖冰雹風暴演變概念模型
    3.6 本章小結
    參考文獻
第四章 一次江蘇多單體冰雹風暴冰雹定量預報及預報能力評估
    4.1 引言
    4.2 多單體冰雹風暴個例簡介和實驗設計
        4.2.1 個例簡介
        4.2.2 實驗設計
    4.3 不同微物理方案模擬冰雹風暴強度差異
    4.4 不同微物理參數化方案的冰雹定量預報能力評估
        4.4.1 地面最大可能冰雹尺度-MESH
        4.4.2 地面累積冰雹質量和濃度
        4.4.3 冰雹云內雹尺度分布特點
    4.5 不同微物理方案中冰雹生長差異診斷分析
    4.6 本章小結
    參考文獻
第五章 基于診斷譜形參數的雙參數微物理方案設計和性能評估
    5.1 引言
    5.2 方案設計思路及與ARPS的耦合
    5.3 設計方案性能評估
        5.3.1 實驗設計
        5.3.2 實驗結果分析
    5.4 本章小結
    參考文獻
第六章 江蘇多單體冰雹風暴觸發(fā)和演變機理分析
    6.1 引言
    6.2 冰雹風暴天氣背景分析
    6.3 實驗設計
    6.4 模擬結果與觀測驗證
        6.4.1 雷達反射率對比
        6.4.2 地面累積降水分布
    6.5 對流觸發(fā)與維持機制
    6.6 海上低渦渦度來源分析
    6.7 本章小結
    參考文獻
第七章 總結與展望
    7.1 全文總結
    7.2 討論與展望
致謝
附錄

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本文編號：2884848