冰雹災(zāi)害是由強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)引起的一種季節(jié)性明顯、局地性強(qiáng)、具有突發(fā)性和陣性特征的氣象災(zāi)害。因缺乏冰雹形成物理過程的詳細(xì)觀測,人們對冰雹形成的宏觀動力和微觀物理機(jī)制了解還很不夠,冰雹預(yù)報問題也是目前一國際難點(diǎn)。以往研究表明,制約模式冰雹預(yù)報能力的關(guān)鍵在于模式中微物理過程參數(shù)化方案不能準(zhǔn)確地描述風(fēng)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(fēng)暴為研究對象,開展冰雹定量預(yù)報方法及評估不同微物理參數(shù)化方案對冰雹定量預(yù)報能力的研究。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出基于診斷譜形參數(shù)的雙參數(shù)微物理方案�；谀M結(jié)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(fēng)暴的觸發(fā)和維持機(jī)制,為提高我國強(qiáng)對流風(fēng)暴的預(yù)報能力提供依據(jù)。對于脈沖冰雹風(fēng)暴,本文以2014年3月19日浙江臺州冰雹風(fēng)暴為例,采用ARPS數(shù)值模式中單參數(shù)、雙參數(shù)和三參數(shù)微物理方案進(jìn)行高分辨數(shù)值模擬。結(jié)果表明,三參數(shù)方案模擬的風(fēng)暴演變、地面累計(jì)降水及最大可能冰雹尺度等與觀測最為接近。基于三參數(shù)模擬結(jié)果,分析了脈沖冰雹風(fēng)暴的微物理結(jié)構(gòu)演變特征。根據(jù)地面降雹通量的時間變化傾向,將此次脈沖風(fēng)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(shù)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(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析,探索了此類短生命史脈沖冰雹風(fēng)暴的生消機(jī)理及其風(fēng)暴的垂直結(jié)構(gòu)與環(huán)境風(fēng)切變的關(guān)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(fēng)暴生命史概念模型。對于多單體冰雹風(fēng)暴,本文選取2015年4月28日江蘇冰雹風(fēng)暴進(jìn)行研究。本文使用ARPS模式進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬,采用多種不同微物理方案進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)。將模擬結(jié)果與業(yè)務(wù)雷達(dá)組合反射率以及由雷達(dá)觀測反演的冰雹最大可能尺度進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)三參數(shù)的微物理方案對于此次多單體冰雹風(fēng)暴的演變及風(fēng)暴強(qiáng)度及地面最大可能冰雹尺度預(yù)報具有較大優(yōu)勢;其客觀評估指數(shù)(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(fēng)暴內(nèi)冰雹尺度分布及地面累積冰雹質(zhì)量和濃度的分布也更為合理。粒子分選對風(fēng)暴內(nèi)雹分布具有重要作用。微物理過程及冰雹滴譜診斷結(jié)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(shù)描述存在差異。不同方案模擬的風(fēng)暴內(nèi)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(dǎo)致了雹暴內(nèi)及地面累積的雹分布特征差異。此外,本文三參數(shù)方案的模擬結(jié)果,利用最小二乘法對三參方案診斷的譜形參數(shù)和平均中值直徑進(jìn)行擬合,得出新的譜形參數(shù)與粒子平均中值直徑的關(guān)系,并利用該關(guān)系建立了診斷譜形參數(shù)的雙參數(shù)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(fēng)暴進(jìn)行模擬并與觀測進(jìn)行對比檢驗(yàn),結(jié)果表明,新設(shè)計(jì)的診斷譜形參數(shù)的雙參方案顯著提高了原始雙參數(shù)方案對冰雹的預(yù)報能力,較好再現(xiàn)了實(shí)際冰雹風(fēng)暴的強(qiáng)度及地面雹分布特征,結(jié)果接近于三參數(shù)方案,而計(jì)算成本與雙參數(shù)方案相當(dāng)。最后,利用高時空分辨率的衛(wèi)星、雷達(dá)觀測及高分辨率數(shù)值模擬的結(jié)果,對影響范圍廣、持續(xù)時間長、造成雹災(zāi)嚴(yán)重的江蘇多單體冰雹風(fēng)暴的觸發(fā)和維持機(jī)制進(jìn)行分析。結(jié)果表明,此次多單體冰雹風(fēng)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(qiáng),風(fēng)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(qiáng)輻合線,為此階段的主要觸發(fā)機(jī)制。第二階段,強(qiáng)對流系統(tǒng)自身降水形成陣風(fēng)鋒,鋒前偏北風(fēng)與南風(fēng)輻合加強(qiáng),不斷觸發(fā)新的對流。另外,干濕敏感性實(shí)驗(yàn)表明,前行對流系統(tǒng)在海上降水形成冷池,冷池后向擴(kuò)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(qiáng)烈輻合。該低渦環(huán)流對江蘇強(qiáng)對流冰雹風(fēng)暴的觸發(fā)及發(fā)展維持均起著重要作用。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(qiáng)對流風(fēng)暴的國內(nèi)外研究進(jìn)展
        1.2.1 冰雹天氣氣候特點(diǎn)
        1.2.2 冰雹云宏微觀結(jié)構(gòu)
        1.2.3 冰雹增長理論
    1.3 冰雹預(yù)報方法
    1.4 本文研究內(nèi)容及意義
    1.5 本文創(chuàng)新點(diǎn)
    參考文獻(xiàn)
第二章 ARPS模式、微物理過程參數(shù)化與冰雹定量預(yù)報
    2.1 ARPS模式
    2.2 模式微物理過程參數(shù)化
        2.2.1 Bin方案
        2.2.2 Bulk方案
    2.3 冰雹定量預(yù)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(shù)-SAHNC
h及最大冰雹尺度-Dmax'>        2.3.3 雹云內(nèi)大于某尺度雹總數(shù)N_h及最大冰雹尺度-Dmax
    2.4 Neighborhood-based方法對冰雹MESH預(yù)報定量評估
    2.5 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章 一次脈沖冰雹風(fēng)暴中冰雹定量預(yù)報和機(jī)理分析
    3.1 引言
    3.2 脈沖冰雹風(fēng)暴個例簡介和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
        3.2.1 個例簡介
        3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    3.3 冰雹定量預(yù)報
    3.4 脈沖冰雹云的宏微觀結(jié)構(gòu)與冰雹生長機(jī)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(fēng)暴演變概念模型
    3.6 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第四章 一次江蘇多單體冰雹風(fēng)暴冰雹定量預(yù)報及預(yù)報能力評估
    4.1 引言
    4.2 多單體冰雹風(fēng)暴個例簡介和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
        4.2.1 個例簡介
        4.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    4.3 不同微物理方案模擬冰雹風(fēng)暴強(qiáng)度差異
    4.4 不同微物理參數(shù)化方案的冰雹定量預(yù)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(zhì)量和濃度
        4.4.3 冰雹云內(nèi)雹尺度分布特點(diǎn)
    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(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章 基于診斷譜形參數(shù)的雙參數(shù)微物理方案設(shè)計(jì)和性能評估
    5.1 引言
    5.2 方案設(shè)計(jì)思路及與ARPS的耦合
    5.3 設(shè)計(jì)方案性能評估
        5.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
        5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    5.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章 江蘇多單體冰雹風(fēng)暴觸發(fā)和演變機(jī)理分析
    6.1 引言
    6.2 冰雹風(fēng)暴天氣背景分析
    6.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    6.4 模擬結(jié)果與觀測驗(yàn)證
        6.4.1 雷達(dá)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(jī)制
    6.6 海上低渦渦度來源分析
    6.7 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 討論與展望
致謝
附錄

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本文編號：2884848