论文总字数：22712字

目 录

1 引言 1

1.1 概述 1

1.2 研究进展 1

1.2.1 观测方法 1

1.2.2 数值模式 2

1.2.3 成雹机理研究 3

2 雹谱分布特征 3

2.1 雹谱类型 3

2.2 数据来源 4

2.3 不同区域雹谱分布特征 4

2.3.1 华北地区 4

2.3.2 西北地区 6

2.3.3 黄淮地区 7

2.3.4 西南地区 8

2.3.5 雹谱综合分析 9

3 WRF数值模式实例模拟 10

3.1 WRF模式简介 10

3.2 个例分析 11

3.2.1 实况分析 11

3.2.2 模拟方案设计 13

3.1.3 模拟结果分析 14

3.3 敏感实验 15

3.4 结论 16

4 成雹机理研究 16

4.1 三维冰雹云分档模式实例模拟 16

4.1.1 实际云概况 17

4.1.2 模拟结果 17

4.2 结论 20

5 结论与讨论 21

5.1 主要结论 21

5.2 讨论与展望 21

参考文献 21

致谢 25

冰雹谱分布特征及成雹机理研究

王吉麟

, China

Abstract: In this paper, hail spectrum distribution characters in four different regions are obtained through statistical analysis, and then use the WRF mesoscale numerical model to carry out a sensitivity test of hail spectrum parameters. Finally, in order to figure out the microphysical mechanism of hail formation, this paper use the 3-D hail-category hailstorm model to simulate and compare hail spectrum distribution characters in Mancheng, Hebei and Zhaosu, Xinjiang.

According to analyzing the hail spectrum characters in North China, Northwest China, Huang-huai and Southwest China, it can be found that the hail spectrums of the four regions are all decreased monotonously or singled peaked. Hails in North China, Huang-huai and Southwest China are usually generated from single-cell hail storm, which make hails smaller and will not cause great harm to agriculture or people’s daily lives; hailstorms in Northwest China are always mixture of single-cell storms and multi-cell storms, which makes hails bigger and cause more severe damage. However, hail concentration in Northwest China is lower than that in Southwest China.

The result from sensitivity tests shows that, the simulated precipitation is quite sensitive to hail spectrum parameters used in WRF model. To some extent, choosing appropriate parameters in the microphysical process parameterization scheme will improve the simulation ability. Therefore, it will make great significance to study hail spectrum distribution characters in different regions.

The study on 3-D hail-category hailstorm model indicates that spectrum characters of hail is related with the type of hailstorm and updraft, which means the stronger updraft is, the wider hail spectrum becomes. Besides, stronger updraft will make hail grow bigger, hail concentration become higher, and will be more inclined to hail disasters.

Key words: hail spectrum distribution characters; WRF mesoscale numerical model; hail spectrum parameter; 3-D hail-category hailstorm model; mechanism of hail formation

1 引言

受自然环境与天气背景条件影响，中国成为冰雹灾害多发的国家之一。冰雹是由强对流天气系统引起的一种剧烈的气象灾害，虽然它出现的范围小、时间短，但是来势猛、强度大，会对农业、交通以及人民生命财产安全造成巨大的损失^[1]。因此，国内外均十分重视冰雹研究和人工防雹工作。

1.1 概述

冰雹指直径5 mm以上的固态降水。从广义上来说，人们常把霰、小冻雹、冰粒等固态降水也归为冰雹^{[1, 2]}。国外将直径大于19 mm的冰雹称为强降雹。我国大多数省份均遭受不同程度的雹灾，其中新疆、甘肃等山区，受地形影响雹灾更为严重。据统计，我国平均每年遭受雹灾面积，造成的经济损失达几亿元甚至几十亿元^[3]。因此，对各地降雹特征及成雹机理的系统性分析研究对于我国的防雹减灾工作具有重要意义。

1.2 研究进展

冰雹一般出现在发展旺盛的积雨云中，一般来说，冰雹云尺度小，能量集中，会造成严重灾害。冰雹云的发生、发展及消亡通常是天气尺度系统与中尺度系统共同作用的结果，同时雹云内部存在非常剧烈的活动，伴随着各种微物理过程，因此，我们无法对雹云内部结构进行直接的探测，这使得成雹机理和防雹理论的研究更加困难。九十年代以来，现代化的数值模拟方法开始被引入冰雹云的研究中，其与日益精确的观测资料相结合，使得冰雹形成规律及成雹机理研究取得了很大进展^{[3, 4]}。

1.2.1 观测方法

早期的冰雹观测主要依靠场外观测实验，自20世纪50年代后期，国外学者开始对雹谱进行观测研究^[5-9]。我国起步较晚，在20世纪60年代中期开始研究冰雹谱^[10-15]。地面雹谱观测方法主要为测雹板法，利用测雹板收集下落的冰雹，读取冰雹痕迹的大小，查鉴定曲线得出冰雹的实际直径，分档统计其冰雹个数，即可形成雹谱^[10]。在我国，自上世纪60年代以来，已在新疆、西藏、甘肃、宁夏、陕西、青海、山东、河北、云南等地开展冰雹谱观测，获取了70余次降雹过程的近600份雹谱资料，丰富的观测资料为雹谱研究提供了重要的理论依据。

此外，随着科学技术的发展，多普勒雷达、卫星遥感及闪电定位等遥感观测新技术已经广泛地应用到冰雹灾害的预警预测和科学研究工作中。天气雷达，特别是多普勒天气雷达是现代化气象观测网中最重要的设备之一。多普勒雷达不但可以探测回波反射率，而且能够探测径向速度和速度谱宽，另外，通过多台多普勒雷达的共同探测，可以较为精确地确定云中气流的三维分布，并描述中小尺度的流场特征。20世纪60年代初，Browning^[16]提出，超级单体的一个重要特征就是，雷达回波上存在一个弱回波区WER (Weak Echo Region)或有界弱回波区 BWER^[17]。美国空军也将雷达反射率和回波顶高等参数作为降雹临近预报的预报因子。卫星遥感探测资料也是冰雹云研究的重要理论依据。从可见光和红外云图上可以直观地看到中尺度天气云系特征，为冰雹天气的预报提供了重要信息。此外，卫星资料还有助于深入理解中尺度天气过程，从冰雹云的宏观分布上研究冰雹天气过程形成的根本原因^[18]。

1.2.2 数值模式

目前，冰雹形成机理的研究中最大的问题在于难以直接入云观测的限制造成的对冰雹云微观物理结构及冰雹形成的微物理过程的不确定性。因此，冰雹云研究需要借助于各种中尺度数值模式。作为观测资料的有效补充，数值模式为研究雹云及其演变特征提供了一种定量的方法^{[19, 20]}。

近几十年来，云数值模式有了很大的发展。模式维数由一维、二维发展到三维，时间上有定常和时变，模式的动力框架从静力近似、滞弹性近似到全弹性，微物理方案上也从参数化方法到分档方法，其中参数化又包括单参数化和双参数化方案^{[20, 21]}。最早的云数值模拟可追溯到五十年代中期，各国开始建立多种一维及二维云模式，如Danielsen^[22]建立的一维模式，Takahashi^[23]建立的二维轴对称积云动力模式及Oville^[24]等提出的二维时变冰雹云模式等。随着计算机性能的提高，Steiner^[25]于1973年首先提出了三维积云数值模式，随后Klemp^[26]、Cotton^[27]及Schlesinger^[28]等又在动力框架和微物理过程等方面作了进一步改进。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22712字

相关图片展示：