陇东南地区短时强降水时空分布特征及短时临近预报技术研究

作     者：张之贤 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张强

授予年度：2013年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：陇东南地区 舟曲泥石流 短历时强降水 持续时间 日变化 最优化法 分型Z-I关系 变分-卡尔曼滤波 中尺度物理量 边界层 

摘      要：短时强降水的研究一直是一个热点问题,而关于它的预报则是天气预报中一个很难但又很重要的问题。首先对2010年“8.8舟曲特大山洪泥石流灾害的特征和成因进行了分析;利用2009-2010年陇东南地区的小时降水和雷达、探空资料,分析了降水的时空分布特征,进行了陇东南地区短时强降水的雷达回波特征和定量反演降水的研究,并对面雨量进行估算,研究了在强降水和无降水时中尺度物理量分布规律,确定了物理量阈值;最后通过使用2006-2011年的降水、探空和陆面资料,分析了在对流降水时的边界层特征和陆面过程特征。主要结论如下： (1)通过利用舟曲气象和地质资料分析了“8.8舟曲特大山洪泥石流灾害的特征和成因。这次泥石流是在舟曲特殊的地质地貌和地理环境下,由于前期干旱,突遇强降水而发生的一次特大地质灾害。崩塌、滑坡、地震和人为因素,特别是“5.12汶川地震,较大程度上破坏了舟曲地质,为泥石流提供了丰富的物质来源;前期干旱在一定程度上加剧了这次灾害;超历史极值的强降水是触发泥石流的直接因素。通过对舟曲气候研究发现,7、8月降雨频繁,过程雨量大,尤其8月上旬大雨发生频率最高,应密切关注可能引发的地质灾害。天气学分析表明这次强降水是在高空冷平流入侵,与700hPa切变线配合,由地面冷空气扩散触发对流不稳定能量释放,造成强对流天气。由于地形等原因形成的一系列γ中尺度气旋造成了降水分配极不均匀;强降水与亮温有很好的对应关系,但亮温并非其唯一影响因素;多普勒雷达的径向速度对γ中尺度气旋具有很好的指示意义,表现在旋转速度可以指示涡旋强度;降水与γ中尺度气旋有很好的正相关关系。加强对地质地貌的保护,确定在不同地形和地质地貌背景下的泥石流降水量阈值,对泥石流的预报有很大意义。 (2)通过研究陇东南地区短历时降水的特征发现4-9月是一年降水的主要时段,占到了80%以上,空间分布上从西北向东南迅速增大,离高原近的地区高低值中心较多,可能是因为高原季风和高原地形的影响更大;随持续时间的增加将使峰值呈现出了反位相分布,并且振幅逐渐减弱;短历时降水无论是频数还是对降水的贡献都占了很大比例,有40.3%的降水事件属于短历时降水,甚至有部分测站短历时降水的贡献超过了90%,表明短历时降水是研究地区的一种重要降水形式;在短历时降水量构成中有19.4%的降水由短时强降水产生,表明短时强降水是短历时降水的重要组成部分;分析了短时强降水的日变化特征,傍晚达到最大,此外还有一个次峰值是在午夜时分;此外还用新定义的概念计算了研究地区的集中期和集中度分布,发现集中度普遍较大,基本在0.6以上,主要集中在7、8月发生,进一步计算映证了“七下八上的主汛期。 (3)雷达定量测量降水在时间和空间上具有很大优势,但降水反演关系式随地形、降水特点变化很大。利用雷达资料进行降水定量估测是提高雷达应用能力的主要方向之一。利用雷达基数据资料对比了天水、庆阳和兰州三部多普勒雷达等距离水平剖面上同步观测的回波强度差异,并且进行了陇东南地区短时强降水的雷达回波特征和反演降水的研究。研究发现,当回波强度10dBz时这三部雷达并不存在显著差异;从区域站和自动站的降水量对比分析上看,造成短时强降水的天气学尺度较小,对雷达回波的统计也映证了这一结论,有75%的强降水尺度在20km以下,表明原有的气象站点并不能较好的反应局地降水;运用分组估测法、整体和分型Z-I关系法定量估测降水,发现分型Z-I关系法可以较好的反映陇东南地区的降水特点,较好的解决了低量值高估和高量值低估的问题,其中雨强在15-20mm时反演效果最好,最后尝试用多因子定量估测降水,但还需要以后继续研究。 (4)雷达-雨量计联合校准降水结合了雷达区域覆盖和雨量计单点精度高的优势,利用雷达进行区域降水量估计是提高雷达应用能力的重要方向之一。通过上面统计得到的雷达回波-降水反演关系式对2012年5月10日的一次区域性强降水过程进行反演比较,并利用平均校准法、最优插值法和用卡尔曼滤波确定变分系数的变分-卡尔曼滤波进行空间校准。研究发现利用最优化法得到的本地降水反演关系式效果要明显优于其它波段或地域的固有关系式,可以有效改变过低估计的状况;变分-卡尔曼滤波由于考虑了雷达区域扫描的优势,校准效果最好,可以细致反映空间降水分布,对降水预报、地质灾害预警等都有重要意义。 (5)探空资料在强降水天气分析中占有重要地位,强天气的出现必然对应某些中尺度物理量的异常。本文通过使用站点降水资料和探空资料,研究了在强降水和无降水时中尺度物理量分布规律,并且通过确定物理量阈值,计算了在不同不稳定和稳定物理量个数时的命中率、降水几率等。研究发现,平均而言,热力稳定度类物理量相关系数最高,也就表明陇东南地区短时强降水主要是由热力不稳定所引起,通过订正对流有效位能(CAPE)值发现订正后的