面向雷电预报的雷达、卫星遥感资料同化及其应用初步研究

论文摘要

以面向雷电预报的雷达、卫星遥感资料同化及其应用为研究目的,利用NCEP资料、新一代多普勒雷达网、FY2C气象卫星、闪电定位仪网、自动气象站等观测资料的诊断、同化模拟以及理论分析等方法,对气象遥感资料的同化设计及其在雷暴天气条件下雷电预测方面的应用进行了综合研究和初步分析。主要得到了以下结论:1)雷达资料间接同化方面:以夏季暴雨为研究对象,用MUSCAT技术做双多普勒雷达风场反演资料的间接同化,与非同化实验相比,同化风场反演资料的实验能够对初始风场做有效调整;随着积分的进行,可预报出风场、温度场等的中尺度结构。但总体来说,对湿度场的调整并不显著,而且受双雷达反演区域较小的限制,短时降水模拟结果与实况有出入。但同化实验对于主要降水中心的反映仍然比非同化实验好得多,对于初始场调整、模式预报仍然起到了积极作用。2)雷达资料直接同化方面:以夏季暴雨为研究对象,在仅有NCEP资料的情况下,通过ARPS-3DVar和ADAS同化系统直接同化多普勒雷达资料可以对气象要素场产生显著影响和改善。多普勒雷达资料的同化时次越多,对于风场、水汽场等的调整与实际观测越接近,尤其是水汽场,使得短时降水模拟与实况越吻合;直接同化结果比间接同化显著。其中,径向风资料对初始风场调整显著,使中尺度特征明显地表现出来;当积分开始进行后（如1h）,径向风资料同化实验的水汽场出现大值中心,但这种水汽条件与实际不符。反射率因子资料对初始水汽场调整明显,在风暴发生处产生清晰的水汽中心;当积分进行1h后,反射率因子资料同化实验对风场的调整已经相对清晰,与此时的径向风同化实验类似,基本可以模拟出风暴的中尺度风特征,并且保持。个例实验说明反射率因子资料在改进模式预报场方面更加显著。3)卫星资料间接同化方面:分别用TCFM导风技术和国家局下发的云导风资料,进行了卫星资料间接同化实验。以台风个例作为研究对象,TCFM云导风资料同化实验对初始的垂直风场调整显著,不论是低、中、高层,在台风眼壁区域均出现强烈的上升运动,且这种特征一直持续数小时。配合此处模式模拟得到的水汽中心,为台风眼壁区的强风暴、降雨创造了条件。同化实验对于台风眼区的螺旋形雨带贡献显著,说明TCFM云导风资料同化实验不仅有效调整了模式的垂直速度场,还对降水模拟有了明显改善。4)通过理论分析,利用云粒子与极化降水粒子碰撞并弹离的感应起电机制和较大过冷云滴与雹粒碰冻并产生冰屑的温差起电机制下得到的E-Ir,由雷达、卫星遥感资料直接和间接同化模拟得到Ir,来反推E,了解雷暴云中闪电强度的平面分布,设置放电阈值为300KV/m,推算出放电的位置和首次发生闪电的时间。计算的闪电发生的时间和位置无法区分是IC还是CG。但计算结果和LLS观测资料也有可比性。5)个例分析表明,自动气象站实测的降水和LLS观测的CG资料对比分析结果为:二者在时、空同时配对出现的几率很小;降雨与-CG所占比例关系较为密切,二者峰谷配合,在时间上-CG峰值出现时间一般比降雨早10min左右。+CG则可能与雷暴过程中的龙卷、冰雹等强天气过程相关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1 选题的意义
• 2 各种非常规遥感观测资料同化
• 2.1 雷达资料同化
• 2.1.1 雷达径向速度资料的间接同化与应用
• 2.1.2 雷达反射率因子资料的间接同化与应用
• 2.1.3 雷达资料直接同化及综合应用
• 2.2 卫星资料同化
• 2.2.1 卫星水汽产品资料的间接同化
• 2.2.2 卫星导风资料的间接同化
• 2.2.3 卫星资料直接同化
• 3 自动气象站、闪电定位资料的应用
• 4 雷电研究现状
• 4.1 遥感手段在雷电探测、分析中的应用
• 4.2 雷电起电过程研究
• 4.3 雷电与降水之间的关系
• 5 讨论
• 6 本文研究所用的资料和方法简介
• 第二章 多尺度、非静力大气模拟和预报模式ARPS介绍
• 1 概述
• 2 ARPS模式动力学方程
• 2.1 笛卡尔坐标系控制方程
• 2.1.1 运动方程
• 2.1.2 湿空气状态方程
• 2.1.3 连续性方程
• 2.1.4 热力学方程
• 2.1.5 各种水凝物守恒方程
• 2.2 坐标系
• 2.3 区面坐标系总公式
• 3 物理问题参数化
• 3.1 次网格扰动参数化
• 3.2 行星边界层（PBL）参数化
• 3.3 下垫面
• 3.4 降水过程参数化
• 3.4.1 微物理过程参数化
• 3.4.2 积云参数化过程
• 3.5 辐射方案
• 4 数值问题求解
• 4.1 空间离散化——空间格点分布方案
• 4.2 时间离散化——控制方程的时间积分方案
• 4.3 边界问题
• 4.3.1 侧边界
• 4.3.2 垂直边界
• 4.4 滤波
• 第三章 多普勒雷达资料间接同化应用及分析
• 1 多普勒雷达速度场资料间接同化应用
• 1.1 实验实况及资料分析
• 1.2 径向风资料的应用
• 1.2.1 双多普勒雷达MUSCAT三维风场反演技术
• 1.2.2 坐标变换
• 1.2.3 插值
• 1.2.4 风场反演
• 1.3 ARPS-ADAS的数据处理
• 1.4 实验方案
• 1.5 实验结果分析
• 1.5.1 初始和预报的风场
• 1.5.2 预报时段的温度场分析
• 1.5.3 预报时段的湿度场分析
• 1.5.4 短时降水模拟结果分析
• 2 多普勒雷达强度场资料间接同化应用
• 3 本章小结
• 第四章 多普勒雷达资料直接同化应用及分析
• 1 ARPS数据同化/分析系统
• 2 云分析
• 2.1 降水类型的判断
• 2.1.1 反射率因子方程
• 2.1.2 由反射率因子对水汽凝结体的初始判断
• 2.2 分析云水和云冰
• 2.3 云内的热力调整
• 3 ARPS-3DVAR系统
• 3.1 ARPS-3DVAR目标泛函的标准形式
• 3.2 多普勒雷达径向速度同化
• 3.3 质量守恒约束项
• 4 多普勒雷达径向风及反射率因子资料的单独直接同化实验分析
• 4.1 反射率因子资料同化
• 4.2 径向风资料同化
• 4.3 实验方案
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 水汽场分析
• 4.4.2 风场分析
• 4.4.3 综合结果分析
• 5 反射率因子与径向风资料同时直接同化
• 5.1 实验个例及方案设计
• 5.2 多普勒雷达资料同化方法和实验方案
• 5.2.1 径向速度资料处理
• 5.2.2 反射率因子资料处理
• 5.3 模拟结果分析
• 5.3.1 同化实验和非同化实验的初始场对比分析
• 5.3.2 同化实验和非同化实验的预报场对比分析
• 5.3.3 同化实验的水汽场分析
• 5.3.4 不同同化频次实验的要素场预报分析
• 5.3.5 降水模拟对比
• 5.4 本章小结
• 第四章 附图
• 第五章 卫星遥感资料间接同化研究—TCFM导风资料在数值模式中的应用
• 1 TCFM导风
• 1.1 原理
• 1.2 选择示踪云
• 1.3 示踪云高度
• 1.4 追踪算法
• 1.5 目标模块的最终位置
• 1.6 风矢质量控制原则
• 2 TCFM导风资料的同化
• 2.1 实验个例选择
• 2.2 TCFM云导风资料
• 2.3 实验方案
• 2.4 实验结果分析
• 2.4.1 云水和垂直速度
• 2.4.2 降水和水平风场
• 3 本章小结
• 第六章 遥感资料同化在雷电预警预报中的初步应用
• 1 雷电与降水之间的关系分析
• 1.1 降水和雷电的观测个例关系研究
• 1.2 一次实际个例观测分析
• 1.2.1 分析时段及资料状况
• 1.2.2 每10min时段内地闪和降雨
• 2 不同起电过程降雨强度与雷电关系
• 2.1 积雨云电场强度和雨强的关系通式
• 2.2 感应起电机制
• 2.2.1 极化降水粒子选择捕获大气离子的起电机制
• 2.2.2 云粒子与极化降水粒子碰撞并弹离的起电机制
• 2.3 温差起电机制
• 2.4 破碎起电机制
• 2.5 现有各种起电机制分析
• 3 雷达资料直接同化用于雷电预警
• 3.1 多普勒雷达直接同化方案
• 3.1.1 同化实验设计
• 3.1.2 同化实验结果分析
• 3.1.2.1 云中粒子的模拟结果
• 3.1.2.2 垂直气流
• 3.1.2.3 降水模拟
• r关系模拟雷电发生时间及位置'>3.1.2.4 由E-I_r关系模拟雷电发生时间及位置
• 4 卫星资料间接同化用于雷电预警
• 4.1 卫星云导风资料
• 4.2 卫星云导风资料的间接同化实验
• 4.3 模拟结果分析
• 4.3.1 观测的地闪与模拟的降水
• r关系模拟雷电发生时间及位置'>4.3.2 由E-I_r关系模拟雷电发生时间及位置
• 5 本章小结和讨论
• 第七章 总结和讨论
• 1 全文总结
• 2 主要创新点
• 3 存在的主要问题及分析
• 3.1 资料同化方面
• 3.2 雷电研究方面
• 博士在读期间发表论文情况
• 主要参考文献
• 致谢