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下垫面环境、微物理过程和雷达资料同化在冰雹云形成演变及数值预报中的作用

胡金磊  
【摘要】:本文利用NECP/FNL再分析资料、多普勒雷达基数据等,结合中尺度数值模式WRF,模拟研究了2005年5月31日和2008年6月23日发生在北京地区的两次典型冰雹天气过程,研究了下垫面、地形、云滴(云凝结核)浓度对雹云形成发展的影响过程及机理。探讨了雹云中冰雹增长的条件以及雷达资料同化在冰雹云模拟及预报中的作用等问题,取得了一些新的认识。 下垫面特征敏感性试验表明,与农田相比,城市下垫面的地面感热通量显著增加,与城市热岛效应叠加,有利于雹云的发展增强和垂直气流增强,有利于大冰雹的形成,使地面累积降雹量增加,但对雹云移动路径影响不大;农田下垫面具有较大的潜热通量,局地蒸发强,有利于大量小冰雹的形成,云中冰雹含量增加,但垂直气流较弱,地面累积降雹量小。 地形高度在对流启动具有较高的敏感性。地形高度升高,低层暖湿气流遇山阻挡,有利于气流抬升,水汽聚集,温度增加,从而引起不稳定能量累积,对冰雹云形成和发展有加强作用;否则,不利于对流生成。地形高度增加使迎风坡一侧雹云的降水、降雹增多,这是由于地形高度增加造成不稳定能量增加,使雹云发展加强。 云滴(云凝结核)浓度的敏感性试验表明,随着雹云中云滴浓度的增加,雹云降水率和降雹率减小,总降水量、降雹量也相应减少;同时,云滴数浓度增加以后,雹云中雹含量减少而雹数浓度增多,造成雹粒子平均直径减小;污染型大气(云滴数浓度高)中,云滴数浓度显著增加,不利于雹云增强,大冰雹不容易形成;清洁型大气(云滴数浓度低)中,云滴数浓度较少,有利于雹云发展,降雹、降水增加。 冰雹在不同高度微物理形成机制存在一定的差异:4km高度以上雹粒子生成以后主要通过撞冻过冷云水和霰来增大;在4km以下,雹粒子主要撞冻过冷雨水增大。水平风场与垂直风场形成的流场是冰雹能否长大的关键。 雷达资料同化有利于改进冰雹云模拟与预报效果。将雷达反射率因子信息引入到初始场中,可明显改善初始场中的水凝物信息,使初始场更加符合实际大气状况。利用改进后的初始场进行数值模拟发现,模式对雹云强度和空间位置3小时以内预报效果较好。降水降雹提早一个小时发生,并且降水降雹的峰值也提前出现,明显减少模式spin-up时间。


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