WRF模式对多单体风暴中强地闪活动的模拟方法

摘要

本发明提供一种WRF模式对多单体风暴中强地闪活动的模拟方法，本发明利用WRF模式对多单体风暴进行数值模拟试验，运用模式输出的高分辨率资料，分析了WRF模式输出量对强雷电活动的指示性，利用WRF模式选取多单体雷暴天气过程为研究个例进行数值模拟研究，分析多单体风暴发展过程中强雷电活动期地闪跃增的动力因子及水成物粒子的变化特征，利用WRF模式输出量对多单体风暴中强地闪活动进行有效预警、为防雷减灾工作提供指导意义。

说明书

技术领域

本发明属于气象灾害预报预警，涉及一种WRF模式对多单体风暴中强地闪活动的模拟方法。

背景技术

中小尺度天气系统雷暴发生时常伴有强降水、雷电等剧烈的天气现象，雷暴产生强降水通常比较集中，具有强度大、历时短的特征(Zhang Jin,2009)；雷暴中闪电的发生具有瞬时性、随机性特征，闪电在首次回击前通道具有较多分支，其中某些分支会在很短的时间内到达地面，形成多接地点闪击(Qie Xiushu，2003)，综合这些特征致使对雷暴系统的观测及预报成为难点。随着气象雷达、卫星等非常规观测资料、数值模式输出的高时空分辨率资料的应用，使得对中小尺度的雷暴天气系统进行实时观测和准确地预报成为可能。中尺度高分辨率数值模式WRF水平分辨率可达1～10km，支持多种动力和微物理参数化方案，可以清楚地分辨、模拟中小尺度强对流天气系统，是研究雷暴等强对流天气的有力方法之一。目前，国内外很多研究者采用WRF模式对雷暴天气进行数值模拟研究，Zepka(2013)采用不同动力和微物理参数化组合方案对巴西东南部的多次雷暴天气过程进行数值模拟研究表明，模式输出的各参数能够对总闪进行有效预警。文献(付伟基等，2009；徐良韬等，2012；龚嘉锵等，2014)对雷暴进行数值模拟研究结果表明，WRF模式对中小尺度雷暴系统的预报效果较好，分析预报雷暴切实可行。

发明内容

本发明提出了WRF模式对多单体风暴中强地闪活动的模拟方法，利用WRF模式选取多单体雷暴天气过程为研究个例进行数值模拟研究，分析多单体风暴发展过程中强雷电活动期地闪跃增的动力因子及水成物粒子的变化 特征，利用WRF模式输出量对多单体风暴中强地闪活动进行有效预警、为防雷减灾工作提供指导意义。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种WRF模式对多单体风暴中强地闪活动的模拟方法，WRF模式采用FNL1°×1°资料对多单体雷暴天气过程进行数值模拟，对比WRF模拟降水和TRMM与其他卫星联合估测降水发现，TRMM联合其他卫星估测的降水区；通过提高观测资料的分辨率或通过资料同化等方式取得初始场，使模拟结果更逼近真实天气过程。

本发明的特点：

本发明利用WRF模式对多单体风暴进行数值模拟试验，运用模式输出的高分辨率资料，分析了WRF模式输出量对强雷电活动的指示性得到以下结论：

(1)云地闪频数与多单体风暴结构演变特征及发展强度密切相关，研究发现在多单体风暴形成阶段云地闪相对活跃；成熟阶段，出现-63℃风暴冷中心，地闪频数激增；云顶温度越低，越有利于云内粒子荷电，云内起电越活跃；云顶温度低于-55℃区域和温度梯度大的前沿指示着地闪活跃区；占总地闪的绝大多数的负地闪在风暴形成、成熟阶段持续跃增，成熟阶段后期锐减；相反，正地闪在风暴成熟阶段跃增现象明显；在消散阶段，云地闪明显减少。

(2)通过对华北地区多单体雷暴天气过程的数值模拟研究分析表明：在多单体风暴形成阶段，假相当温度θse场大于340K的分布范围覆盖华北地区，水汽聚集区通量可达10～18g·hPa·cm^-1·s^-1，WRF能够再现强雷暴天气形成的背景及环境条件；热动力不稳定参数CAPE、CIN、θe、KI演变情况能够直观地反应出现强雷电活动的局地热动力条件；区域平均的CAPE峰值(0440UTC，1105.94J/kg)、θe峰值(0800UTC，312.95K)、CIN谷值(0320UTC，1.72J/kg)早于地闪峰值出现约1h以上，对强雷电活动的预警效果明显，KI的演变对强雷暴发生前闪电变化趋势指示作用较好。

(3)地形的强迫抬升、风暴前沿冷出流与环境风场辐合形成的强上升运动是雷电活动强盛并持续发展的动力因子，垂直气流跃变能够指示地 闪跃增；55dBZ强回波的出现和回波顶持续增高预示着闪电活动增强，40dBZ的回波顶高维持在-10℃层以上对强雷电活动的持续发展有着较好的指示意义；但也有少部分地闪发生区弱回波或超前于强回波(约20～50km)。

(4)在非感应起电机制下，云中起电活动与霰、冰晶、雪晶、云水含量粒子有关，各水成物粒子的垂直层内大值区分布高度依次为3～13km、10～15km、5～12km、2～8km；在强雷电活跃时，霰、冰晶、雪晶、云水含量最大混合比分别达10g/kg、1.6g/kg、4g/kg、4g/kg，其含量和分布指示地闪跃增及峰值。值得说明的是，由于闪电通道的弯曲发展和闪电先导受下垫面(山地、建筑物)的影响，使得雷暴云中起电的位置与地闪回击点的位置会有一定的偏差，加之雷暴云内起电放电由多种机制作用且各粒子相互作用复杂，因此利用WRF输出的水成物粒子分布对地闪的预警时，需要综合考虑冰、液相粒子对地闪落区的指示效果。

综上述，WRF模式的输出量能够对多单体风暴强雷电活动进行有效的指示及预警，但在雷暴云发展成熟后，云内起电放电机制、电荷结构更为复杂，因而利用单一的模式输出量对地闪活动的指示区与实际观测的闪电落区存在一定差异，本专利只讨论了典型雷暴天气过程中单个物理量场对雷暴电活动的指示性，有必要做更多的观测和数值模拟试验，并综合考虑多个热动力、微物理量进行雷暴电活动预警。

附图说明

图1a8月9日0800UTC石家庄多普勒天气雷达观测图；

图1b8月9日0900UTC石家庄多普勒天气雷达观测图；

图1c是8月9日0800UTC石家庄WRF模拟的组合反射率图；

图1d是8月9日900UTC石家庄WRF模拟的组合反射率图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

WRF模式(V3.5.1)采用FNL 1°×1°资料对此次多单体雷暴天气过程进行数值模拟，模式模拟时段为2008年8月9日0000～1800UTC，微物理过程和积云参数化方案分别为Kain-Fritsch和Morrison(2moments)，其他试验方案设计如表1。

表1数值模拟试验方案设计

模拟降水与实况对比分析

对比8月9日0730～1330UTC(地闪活跃时段)WRF模拟降水和TRMM与其他卫星联合估测降水发现，TRMM联合其他卫星估测的降水区主要有两个分布区：其一在冀、晋交界的市区(忻州、石家庄、保定等，称南部降水区)，降水量可达60mm；另一个位于锡林浩特南部以及张家口(称北部降水区)；WRF模式模拟出了两个降水分布区：北部降水区与实况降水落区有偏差；南部降水落区与观测落区非常接近，模拟降水量较实况降水量偏大(常规观测资料的站点降水达97mm)；

分析模拟降水偏大的影响因素主要有两个：

1)由于WRF模式模拟的结果与真实雷暴过程存在差异，需要对模式进一步优化；同时可以通过提高观测资料的分辨率或通过资料同化等方式取得更加理想、准确的初始场，使模拟结果更逼近真实天气过程；

2)星载雷达探测降水时，由于气体分子、液态及固态的云和降水粒子都会吸收和散射电磁波，从而使入射方向的电磁波能量产生不同程度的衰减，导致卫星联合估测的降水偏小。总体而言，模拟结果可用来分析区域R中强雷电活动的动力、微物理场的演变情况。

为了进一步验证WRF模式对此次多单体风暴过程模拟的可靠性，选取 石家庄站多普勒雷达的组合发射率产品与WRF模拟的组合发射率进行对比。与0800UTC组合发射率产品对比发现，WRF模式成功模拟出了由晋北地区(忻州、太原、榆次等)移向京、津、冀的对流单体，并且WRF模式能够捕捉到位于保定(阜平、涞源交界)的中尺度对流云团，模拟的40dBZ回波强度与观测相符，中心位置稍有偏移；对流云带后部的层状云回波强度大于25dBZ，与观测相符图1a和1c。0900UTC模拟的对流单体趋于线状排列，保定对流单体强度增至50dBZ以上，与实况回波相比强度吻合，但位置稍有滞后图1b和1d。总体来说在采用积云动力Kain-Fritsch和微物理过程方案Morrison(2moments)的组合下所模拟的结果能够真实再现此次天气过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。