雷达反射率因子反演云微物理量和垂直速度及其数值试验

摘要

本文首先根据雷达探测的特点对雷达原始资料进行了坐标转换和平滑，并进行了简单的质量控制。然后在云雨处于定常状态的前提下，根据暖雨过程，设计了一个反演方案，由雷达反射率因子反演出了物理上相互协调的雨水混合比qr，云水混合比qc、水汽混合比qv和垂直速度w。通过“牛顿连续松弛逼近”(Nudging)同化方法，应用到我国新一代数值预报模式GRAPES中，并采用合肥Doppler雷达反射率因子资料，对2003年7月5日02时至08时(北京时)的降水过程进行了数值模拟和对比试验。主要得出以下结论： (1)本文得到的雷达回波的主要特征及量值分布与雷达站的CAPPI图像基本一致，表明本文对雷达原始资料的处理是合理的。 (2)由雷达反射率因子反演的水汽、云水、雨水和垂直速度量值大小的分布与雷达回波强度的分布也是一致的，反演资料之间相互匹配，各物理量量级也在合理范围内，体现出了对流结构中水成物和垂直速度的三维分布。 (3)采用Nudging方法对云水、雨水和垂直速度进行初始化，可使背景场中的温度场、气压场、水平风场与观测反演资料相协调，并在一定程度上解决模式的热启动问题，使模式预报的开始时刻就产生降水，消除spin-up现象。 (4)对比试验表明，本文方案反演的水成物和垂直速度比较适合Kessler暖云模式和NCEP-3Class简冰模式，对Liuqijun简冰方案不太适用。由于背景场中包含的中小尺度信息不足，2h左右初始对流单体消亡之后，若无新的观测引入，模式最终会将整个饱和区调整成一个较大的涡旋状对流结构。 (5)从模拟结果来看，水汽对降水是至关重要的，它是降水的源泉，对降水的强度和持续时间都有重要影响；云水、雨水和垂直速度决定了初始时刻对流的强弱分布并产生降水；水平风场决定了系统的移动方向。 (6)基本成功的模拟了6h的降水过程，中尺度天气系统的主要时空特征十分明显，对流中心上升速度最大值约2.0m/s，云水含量400hPa以上较大，最大值约1.5g/kg，雨水含量500hPa以下较大，最大约3.0g/kg，在对流结构的低层存在明显的辐合，高层有明显的辐散，系统基本沿着引导气流移动。 鉴于使用单部雷达资料的反射率因子资料，没有风场信息；天气系统被人为截断，雷达资料没有覆盖整个模式区域；背景场与观测资料之间没有进行平滑，物理量梯度较大；反演同化过程中使用了一些经验参数和方法；所以，以上结果还有许多地方有待进行更深入的研究。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明和使用授权声明

第一章前言

第二章GRAPES_Meso中尺度数值预报模式介绍

第三章雷达探测理论与雷达资料的预处理

第四章反演过程的理论基础与反演方案

第五章Nudging技术简介与同化结果分析

第六章数值模拟试验及对流结构分析

第七章结论和讨论

参考文献

致谢