云分辨尺度数值预报模式中闪电资料的同化应用研究

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飑线中尺度对流系统往往带来强风暴雨和剧烈闪电活动,研究飑线系统闪电活动,发展资料同化技术,有助于提升强对流天气预警预报能力,实现减灾防灾目的。论文基于北京闪电定位网(BLNET)、多普勒雷达、地面自动气象站、气象探空等多种观测资料,研究了北京地区两次飑线系统闪电活动和地面相当位温以及雷暴云结构之间的关系;在国际上已有的闪电资料同化方案基础上,提出了一种综合调整冰相粒子浓度和水汽含量的闪电资料同化方案,并在中尺度系统数值模式WRF中进行了闪电资料同化应用,对比分析了不同闪电资料同化方案模拟结果的差异。主要研究结果如下。  1.通过对两次飑线过程闪电活动和地面相当位温进行精细化分析,发现飑线冷池出流边界附近相当位温θe梯度很强,闪电集中在θe强梯度带上空。地面θe随着飑线移近不断降低,80%以上的闪电发生在θe降低区域上空。当θe出现较明显的降低时,闪电频数随后将明显增加,一般在20-30分钟后闪电频数达到峰值;闪电多发生在冷池中心附近和冷池后部,冷池出流边界附近闪电较少。通过数值模拟,发现出流边界附近上空垂直速度很大但上升区较窄,上升气流质量通量和软雹含量都较小,而在冷池中心及其后部区域,大范围的上升运动区产生了大量的软雹,上升气流质量通量和软雹含量较大,这可能造成了飑线内部不同对流区域存在不同的闪电活动。  2.在国际上已有的两种云分辨尺度下调整混合相态层内水汽含量(简称F12)和冰相粒子浓度(简称Q14)的闪电资料同化方案的基础上,提出了一种综合调整水物质含量的闪电资料同化方案(简称C17),以总体理查德森数衡量模式动力、热力状况,根据模式不同动力、热力状况以及格点闪电活动来调整闪电格点上低层大气水汽混合比和混合相态层内软雹含量。  3.将F12、Q14和C17三种闪电资料同化方案应用于上述两次飑线过程,对比分析了三种闪电资料同化方案模拟结果与实际观测之间的差异。发现采用闪电资料同化后,模式对对流活动的模拟更加接近实际观测,但不同同化方案模拟出的对流活动有所差异。在同化期间,Q14方案模拟出的对流回波强度最大,C17方案次之,F12方案最弱。Q14方案模拟出的对流落区和实际观测最为接近,C17方案模拟出的对流落区略微偏下游,F12方案模拟出的对流落区明显偏向下游。  4.同化结束后,F12地表冷池增强,形成大范围层云区。Q14方案模拟出的冷池范围最大,强度最强,但冷池中心偏下游。C17方案模拟出冷池强度和范围和实际观测最为接近。随着飑线系统发展演变,Q14方案强回波迅速移动,衰减较快,而F12和C17方案中对流系统维持时间较久。  5.F12方案模拟的雨区范围扩大,但由于雨水混合比较低,降水强度较弱,形成了大范围的弱降水区。Q14方案降水中心偏下游,降水区向雷暴移动方向下游扩展。C17方案中降水强度大于F12方案,弱降水范围扩大,降水落区接近实际观测。同化结束后Q14方案降水的预报能力保持时间较短,而F12和C17方案对降水的预报能力保持时间更长。
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