本發(fā)明屬于氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警，涉及一種WRF模式對(duì)多單體風(fēng)暴中強(qiáng)地閃活動(dòng)的模擬方法。

背景技術(shù)：

中小尺度天氣系統(tǒng)雷暴發(fā)生時(shí)常伴有強(qiáng)降水、雷電等劇烈的天氣現(xiàn)象，雷暴產(chǎn)生強(qiáng)降水通常比較集中，具有強(qiáng)度大、歷時(shí)短的特征(Zhang Jin,2009)；雷暴中閃電的發(fā)生具有瞬時(shí)性、隨機(jī)性特征，閃電在首次回?fù)羟巴ǖ谰哂休^多分支，其中某些分支會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)地面，形成多接地點(diǎn)閃擊(Qie Xiushu，2003)，綜合這些特征致使對(duì)雷暴系統(tǒng)的觀測(cè)及預(yù)報(bào)成為難點(diǎn)。隨著氣象雷達(dá)、衛(wèi)星等非常規(guī)觀測(cè)資料、數(shù)值模式輸出的高時(shí)空分辨率資料的應(yīng)用，使得對(duì)中小尺度的雷暴天氣系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)成為可能。中尺度高分辨率數(shù)值模式WRF水平分辨率可達(dá)1～10km，支持多種動(dòng)力和微物理參數(shù)化方案，可以清楚地分辨、模擬中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)，是研究雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣的有力方法之一。目前，國內(nèi)外很多研究者采用WRF模式對(duì)雷暴天氣進(jìn)行數(shù)值模擬研究，Zepka(2013)采用不同動(dòng)力和微物理參數(shù)化組合方案對(duì)巴西東南部的多次雷暴天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究表明，模式輸出的各參數(shù)能夠?qū)傞W進(jìn)行有效預(yù)警。文獻(xiàn)(付偉基等，2009；徐良韜等，2012；龔嘉鏘等，2014)對(duì)雷暴進(jìn)行數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，WRF模式對(duì)中小尺度雷暴系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果較好，分析預(yù)報(bào)雷暴切實(shí)可行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了WRF模式對(duì)多單體風(fēng)暴中強(qiáng)地閃活動(dòng)的模擬方法，利用WRF模式選取多單體雷暴天氣過程為研究個(gè)例進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析多單體風(fēng)暴發(fā)展過程中強(qiáng)雷電活動(dòng)期地閃躍增的動(dòng)力因子及水成物粒子的變化 特征，利用WRF模式輸出量對(duì)多單體風(fēng)暴中強(qiáng)地閃活動(dòng)進(jìn)行有效預(yù)警、為防雷減災(zāi)工作提供指導(dǎo)意義。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種WRF模式對(duì)多單體風(fēng)暴中強(qiáng)地閃活動(dòng)的模擬方法，WRF模式采用FNL1°×1°資料對(duì)多單體雷暴天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比WRF模擬降水和TRMM與其他衛(wèi)星聯(lián)合估測(cè)降水發(fā)現(xiàn)，TRMM聯(lián)合其他衛(wèi)星估測(cè)的降水區(qū)；通過提高觀測(cè)資料的分辨率或通過資料同化等方式取得初始場(chǎng)，使模擬結(jié)果更逼近真實(shí)天氣過程。

本發(fā)明的特點(diǎn)：

本發(fā)明利用WRF模式對(duì)多單體風(fēng)暴進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，運(yùn)用模式輸出的高分辨率資料，分析了WRF模式輸出量對(duì)強(qiáng)雷電活動(dòng)的指示性得到以下結(jié)論：

(1)云地閃頻數(shù)與多單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)演變特征及發(fā)展強(qiáng)度密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)在多單體風(fēng)暴形成階段云地閃相對(duì)活躍；成熟階段，出現(xiàn)-63℃風(fēng)暴冷中心，地閃頻數(shù)激增；云頂溫度越低，越有利于云內(nèi)粒子荷電，云內(nèi)起電越活躍；云頂溫度低于-55℃區(qū)域和溫度梯度大的前沿指示著地閃活躍區(qū)；占總地閃的絕大多數(shù)的負(fù)地閃在風(fēng)暴形成、成熟階段持續(xù)躍增，成熟階段后期銳減；相反，正地閃在風(fēng)暴成熟階段躍增現(xiàn)象明顯；在消散階段，云地閃明顯減少。

(2)通過對(duì)華北地區(qū)多單體雷暴天氣過程的數(shù)值模擬研究分析表明：在多單體風(fēng)暴形成階段，假相當(dāng)溫度θse場(chǎng)大于340K的分布范圍覆蓋華北地區(qū)，水汽聚集區(qū)通量可達(dá)10～18g·hPa·cm^-1·s^-1，WRF能夠再現(xiàn)強(qiáng)雷暴天氣形成的背景及環(huán)境條件；熱動(dòng)力不穩(wěn)定參數(shù)CAPE、CIN、θe、KI演變情況能夠直觀地反應(yīng)出現(xiàn)強(qiáng)雷電活動(dòng)的局地?zé)釀?dòng)力條件；區(qū)域平均的CAPE峰值(0440UTC，1105.94J/kg)、θe峰值(0800UTC，312.95K)、CIN谷值(0320UTC，1.72J/kg)早于地閃峰值出現(xiàn)約1h以上，對(duì)強(qiáng)雷電活動(dòng)的預(yù)警效果明顯，KI的演變對(duì)強(qiáng)雷暴發(fā)生前閃電變化趨勢(shì)指示作用較好。

(3)地形的強(qiáng)迫抬升、風(fēng)暴前沿冷出流與環(huán)境風(fēng)場(chǎng)輻合形成的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)是雷電活動(dòng)強(qiáng)盛并持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力因子，垂直氣流躍變能夠指示地 閃躍增；55dBZ強(qiáng)回波的出現(xiàn)和回波頂持續(xù)增高預(yù)示著閃電活動(dòng)增強(qiáng)，40dBZ的回波頂高維持在-10℃層以上對(duì)強(qiáng)雷電活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展有著較好的指示意義；但也有少部分地閃發(fā)生區(qū)弱回波或超前于強(qiáng)回波(約20～50km)。

(4)在非感應(yīng)起電機(jī)制下，云中起電活動(dòng)與霰、冰晶、雪晶、云水含量粒子有關(guān)，各水成物粒子的垂直層內(nèi)大值區(qū)分布高度依次為3～13km、10～15km、5～12km、2～8km；在強(qiáng)雷電活躍時(shí)，霰、冰晶、雪晶、云水含量最大混合比分別達(dá)10g/kg、1.6g/kg、4g/kg、4g/kg，其含量和分布指示地閃躍增及峰值。值得說明的是，由于閃電通道的彎曲發(fā)展和閃電先導(dǎo)受下墊面(山地、建筑物)的影響，使得雷暴云中起電的位置與地閃回?fù)酎c(diǎn)的位置會(huì)有一定的偏差，加之雷暴云內(nèi)起電放電由多種機(jī)制作用且各粒子相互作用復(fù)雜，因此利用WRF輸出的水成物粒子分布對(duì)地閃的預(yù)警時(shí)，需要綜合考慮冰、液相粒子對(duì)地閃落區(qū)的指示效果。

綜上述，WRF模式的輸出量能夠?qū)Χ鄦误w風(fēng)暴強(qiáng)雷電活動(dòng)進(jìn)行有效的指示及預(yù)警，但在雷暴云發(fā)展成熟后，云內(nèi)起電放電機(jī)制、電荷結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因而利用單一的模式輸出量對(duì)地閃活動(dòng)的指示區(qū)與實(shí)際觀測(cè)的閃電落區(qū)存在一定差異，本專利只討論了典型雷暴天氣過程中單個(gè)物理量場(chǎng)對(duì)雷暴電活動(dòng)的指示性，有必要做更多的觀測(cè)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，并綜合考慮多個(gè)熱動(dòng)力、微物理量進(jìn)行雷暴電活動(dòng)預(yù)警。

附圖說明

圖1a8月9日0800UTC石家莊多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)圖；

圖1b8月9日0900UTC石家莊多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)圖；

圖1c是8月9日0800UTC石家莊WRF模擬的組合反射率圖；

圖1d是8月9日900UTC石家莊WRF模擬的組合反射率圖；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

WRF模式(V3.5.1)采用FNL 1°×1°資料對(duì)此次多單體雷暴天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模式模擬時(shí)段為2008年8月9日0000～1800UTC，微物理過程和積云參數(shù)化方案分別為Kain-Fritsch和Morrison(2moments)，其他試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1。

表1數(shù)值模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

模擬降水與實(shí)況對(duì)比分析

對(duì)比8月9日0730～1330UTC(地閃活躍時(shí)段)WRF模擬降水和TRMM與其他衛(wèi)星聯(lián)合估測(cè)降水發(fā)現(xiàn)，TRMM聯(lián)合其他衛(wèi)星估測(cè)的降水區(qū)主要有兩個(gè)分布區(qū)：其一在冀、晉交界的市區(qū)(忻州、石家莊、保定等，稱南部降水區(qū))，降水量可達(dá)60mm；另一個(gè)位于錫林浩特南部以及張家口(稱北部降水區(qū))；WRF模式模擬出了兩個(gè)降水分布區(qū)：北部降水區(qū)與實(shí)況降水落區(qū)有偏差；南部降水落區(qū)與觀測(cè)落區(qū)非常接近，模擬降水量較實(shí)況降水量偏大(常規(guī)觀測(cè)資料的站點(diǎn)降水達(dá)97mm)；

分析模擬降水偏大的影響因素主要有兩個(gè)：

1)由于WRF模式模擬的結(jié)果與真實(shí)雷暴過程存在差異，需要對(duì)模式進(jìn)一步優(yōu)化；同時(shí)可以通過提高觀測(cè)資料的分辨率或通過資料同化等方式取得更加理想、準(zhǔn)確的初始場(chǎng)，使模擬結(jié)果更逼近真實(shí)天氣過程；

2)星載雷達(dá)探測(cè)降水時(shí)，由于氣體分子、液態(tài)及固態(tài)的云和降水粒子都會(huì)吸收和散射電磁波，從而使入射方向的電磁波能量產(chǎn)生不同程度的衰減，導(dǎo)致衛(wèi)星聯(lián)合估測(cè)的降水偏小?？傮w而言，模擬結(jié)果可用來分析區(qū)域R中強(qiáng)雷電活動(dòng)的動(dòng)力、微物理場(chǎng)的演變情況。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證WRF模式對(duì)此次多單體風(fēng)暴過程模擬的可靠性，選取 石家莊站多普勒雷達(dá)的組合發(fā)射率產(chǎn)品與WRF模擬的組合發(fā)射率進(jìn)行對(duì)比。與0800UTC組合發(fā)射率產(chǎn)品對(duì)比發(fā)現(xiàn)，WRF模式成功模擬出了由晉北地區(qū)(忻州、太原、榆次等)移向京、津、冀的對(duì)流單體，并且WRF模式能夠捕捉到位于保定(阜平、淶源交界)的中尺度對(duì)流云團(tuán)，模擬的40dBZ回波強(qiáng)度與觀測(cè)相符，中心位置稍有偏移；對(duì)流云帶后部的層狀云回波強(qiáng)度大于25dBZ，與觀測(cè)相符圖1a和1c。0900UTC模擬的對(duì)流單體趨于線狀排列，保定對(duì)流單體強(qiáng)度增至50dBZ以上，與實(shí)況回波相比強(qiáng)度吻合，但位置稍有滯后圖1b和1d?？傮w來說在采用積云動(dòng)力Kain-Fritsch和微物理過程方案Morrison(2moments)的組合下所模擬的結(jié)果能夠真實(shí)再現(xiàn)此次天氣過程。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。