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行业专项成果综述-复杂山地环境下凝冻形成机理及防范措施研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/12/4 15:51:40   标签:   浏览次数:5286

项目编号GYHY201306051

研究周期2013年01月—2015年12月

国拨经费125万元

项目负责人王瑾

项目骨干成员高守亭、韩永翔、杜小玲、邓涤菲、张智、张昕、许丹、罗喜平、刘朝茹、王柳柳、许弋、李玮

项目承担单位贵州省山地环境气候研究所

项目协作单位】中国科学院大气物理研究所、南京信息工程大学

主要研究成果

一、总结贵州冻雨的准静止锋天气系统的结构特征。

利用同化了地面、探空资料的WRF针对准静止锋影响下的贵州冻雨进行数值模拟来研究冻雨的发生机制,揭示出准静止锋上贵州地区冻雨的层结结构和云物质在冻雨区的分布特征,分析了准静止锋下冻雨和雪的中低空环流特征、水汽条件以及垂直层结结构;通过数值试验研究贵州地形和冻雨的关系,研究表明贵州特殊的地形对于冷暖空气的相对运动,云南贵州准静止锋的位置和强度及其降水都有着极为重要的作用。结合贵州冻雨期中高层和低层的大气特征,总结出贵州冻雨的一个简单概念模型

二、提出贵州凝冻的集合动力因子预报方法 

建立凝冻天气的动力因子预报模型及数值预报方法。利用动力因子SUMBV找到未来因斜压性较强而易发生弱降水的区域,再结合预报场的单站探空资料,进行三步判断方法,就能比较全面地判断冻雨发生的区域,对冻雨进行准确预报。

三、总结贵州冻雨微物理及动力特征

在贵州冻雨形成的机理方面,主要抓住非地转位势引发的垂直环流以及暖层维持的原因这两点进行展开。利用推导出的带有平流产生非地转位势强迫项的广义非地转omega方程及其平衡近似,能很好地诊断出在云贵高原地形强迫引起的气流扰动背景下,受快速变化的高低空锋区与急流系统影响的贵州冻雨发生过程中垂直速度的变化特点,进而能够分析造成冻雨区上空垂直速度分布的原因,弥补了准地转垂直速度的局限。利用滞黏性近似下的连续方程和运动学方程,在环境场满足静力平衡假设下,我们得到气压扰动诊断方程,可以看到,虽然暖层内有向上方向的浮力作用,但向下的扰动气压梯度力和向上浮力可达到相互近似平衡,暖区不会产生强烈的上升运动,同时,由于近地面是冷层,暖区也不会向下运动,综合这些作用,暖层得以稳定维持。

开展凝冻微观机理研究。对两种冻雨机制出现的概率进行了分析,认为海拔高度较高地区发生冻雨更多为暖雨机制,海拔较低地区发生冻雨较多冰相机制,由此提出了相对暖层的概念;研究了高原山地环境下冻毛毛雨微物理特征;对威宁地区冻结降水、雾过程微物理进行了分析。

四、建立交通、电力行业的凝冻灾害影响的预警指标

建立道路结冰的预警指标:选取19712010年冬季贵州高等级公路沿线24站点凝冻日的气象要素资料,分析各站凝冻日数的地温、气温、相对湿度、降水资料,建立道路结冰的预报指标。初次道路结冰指标:最低地温低于0°C(即气温低于-1°C左右),同时伴有降水。持续道路结冰指标:第一种情况:前一日有结冰发生,同时站点的最低气温、地温满足以下临界值(见表6.26),并且有降水;第二种情况:前一日有结冰发生,同时站点的最低气温低于0°C(即气温低于-1°C左右),可以无降水。

五、基于外场观测试验,建立凝冻灾害综合数据库

开展凝冻天气过程野外科学试验和复杂地形下凝冻外场观测试验。按照观测方案,观测项目包括:双偏振雷达、云雷达观测、云微物理观测、CLOUDSAT云雷达观测、GPS/MET水汽观测、探空加密观测、常规多普勒雷达观测、台站常规气象资料及雨淞雾淞观测、卫星观测、交通自动站道路道路积冰观测。

基于毫米波云雷达,建立冻雨宏微观特征的识别模型。利用毫米波云雷达观测得到的功率谱数据进行相关的数据处理分析,对毫米波云雷达的功率谱数据进行了时间平均、噪声电平的确定、云信号的识别、五个谱矩量参数的提取,并对反射率因子进行了降水时段时间-高度的绘制,得到冻雨过程宏微观的特征。

完成贵州凝冻资料数据库建设。开发了数据库管理系统,收集了08年以来凝冻过程的风云2C卫星1小时间隔资料;全省5部多普勒雷达6分钟一次体扫观测资料;贵阳、威宁6小时一次加密探空资料;84个气象台站常规观测资料及导线积冰观测资料;6个交通自动站观测资料(10分钟间隔);部分凝冻期间电力和交通行业灾害资料;凝冻期间CLOUDSAT云雷达资料;部分凝冻期间预报资料(MICAPS格式);云雷达观测资料;2014-20155部雨滴谱仪、1部雾滴谱、云凝结核计数器、冰核采样器、浊度仪等微观观测资料。

六、基于毫米波云雷达,建立冻雨宏微观特征的识别模型

国内对冬季降水过程垂直结构的精细化观测还十分缺乏,因此限制了我们对冬季降雨、冻雨和降雪形成和发展过程的微物理和动力特征的理解。本项目利用毫米波云雷达观测得到的功率谱数据进行相关的数据处理分析,对毫米波云雷达的功率谱数据进行了时间平均、噪声电平的确定、云信号的识别、五个谱矩量参数的提取,并对反射率因子进行了降水时段时间-高度的绘制,得到冻雨过程宏微观的特征。

七、建立凝冻天气的动力因子预报模型及数值预报方法

在冬季风暴各种降水类型中,冻雨的预报是其中最有难度也最具挑战的一种。贵州冻雨是在对流层高、中、低层各纬度天气系统相互作用下形成的,其中最直接主要的影响系统有:高层的副热带高空急流-锋区、低层的云贵准静止锋以及中低层的西南低空急流。在这种复杂的天气背景下,为了准确地分析预报出冻雨的发生区域,在仔细分析冻雨发生的大气背景和天气特点后,我们探索性地提出一套冻雨的诊断预测方法,即“动力因子”和“三步判别法”相结合的方法。同时,我们把该方法应用到中国冻雨最为频发的贵州地区,首先利用动力因子SUMBV找到未来因斜压性较强而易发生弱降水的区域,再结合预报场的单站探空资料,进行三步判断方法,就能比较全面地判断冻雨发生的区域,对冻雨进行准确预报。

发表论文6篇,其中SCI文章1篇,出版专著一部。

成果应用情况

项目经过近3年的研究,在贵州冻雨的准静止锋天气系统的结构特征、微物理及动力特征、地形对凝冻过程的影响、凝冻天气的动力因子预报模型及数值预报方法、贵州交通、电力行业冻雨风险区划及预警指标、毫米波云雷达对贵州冻雨天气系统的观测及识别模型研究等方面取得了重要研究成果,有5篇文章在1级核心期刊发表,其中1篇被SCI收录。经过精心编写形成专著《复杂山地环境下冻雨形成机理研究》,将于气象出版社出版,该成果对国内冻雨形成机理研究具有重要的理论参考意义,对冻雨的预报业务工作及准确率的提高具有重要的指导意义,对冻雨灾害的预警尤其是交通、电力行业的凝冻灾害影响的预警具有重要的应用推广价值。

另一方面,国内对冬季降水过程垂直结构的精细化观测还十分缺乏,因此限制了我们对冬季降雨、冻雨和降雪形成和发展过程的微物理和动力特征的理解。本项目在威宁组织了冻雨的综合外场观测试验,在国内首次利用毫米波云雷达开展揭示贵州冻雨天气系统的结构特征问题,建立凝冻灾害综合数据库,提供贵州凝冻天气过程的高分辨资料数据集,这为国内研究冻雨的形成机理提供了宝贵的综合观测数据。

项目本着边研究边应用的思想,研究成果相继投入实际工作中应用,针对在数值模式中并没有冻雨这一降水类型的直接输出量,为了准确地分析预报出冻雨的发生区域,在仔细分析冻雨发生的大气背景和天气特点后,根据统计结果和预报员的经验总结出了一套判断冻雨落区的诊断方法,即“集合动力预报因子”冻雨预报方法,在20142015年在贵州进行了业务应用。在多次冻雨过程中,物理概念清晰,预报效果明显,为气象业务单位准确开展行业气象服务提供了技术参考。

 

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