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EVAD技术的改善及其在人工影响天气中的应用

作　者: 李瑞义
导　师: 刘黎平
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: EVAD技术傅里叶级数非线性人工影响天气
分类号: P48
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水平风场线性假设的传统EVAD技术适用范围为大面积回波降水,因为大面积回波降水水平风场往往相对均匀,更易于满足线性的假设,但真实风场并不是理想线性的而是非线性的。传统EVAD技术允许表征水平风场非线性程度较大的等距离圈(下文统称“等距离圈的非线性程度”)进入计算,尽管赋以较小权重,但理论分析等距离圈非线性程度较大时不满足线性假设公式,因此在水平风场非线性程度较大的高度层会计算出代表性差的平均风场信息。针对传统EVAD技术存在的不足,本文对其进行了改善,仅让非线性程度较好满足线性假设的等距离圈进入计算,剔除掉非线性程度较大的等距离圈,使传统EVAD技术得到改善。提出了两种改善方法,一种方法是与传统EVAD技术一样在计算前固定水平范围,剔除掉固定计算范围内非线性程度较大的不满足线性假设的等距离圈,从而使传统EVAD技术得到改善;第二种方法是在计算前不固定水平计算范围,根据水平风场的连续性原理,等距离圈随着半径的增大非线性程度有增大趋势,分析雷达站上空等距离圈随着半径增大非线性程度的变化,当等距离圈非线性程度较大时,则此时的半径作为摒弃距离,半径小于摒弃距离的等距离圈进入计算。通过分析知2阶傅里叶级数拟合均方根误差RMS的大小能表征等距离圈非线性程度,因此设定合理的RMS阈值可以将非线性程度较大的等距离圈剔除掉,从而对传统EVAD技术进行改善。针对改善方法一,文中分析了三个不同类型降水个例,一个为广州对流性积云降水,一个为合肥飑线降水,一个为西宁积层混合云降水个例,分析阈值分别设置为1.5m/s、3m/s EVAD技术计算的平均速度垂直廓线与传统EVAD技术不设置阈值计算的平均风场信息的差异,并分析了计算的平均速度对真实速度场的代表性。对改善方法二,文中分析了2009年5月23发生在广州的一次积云降水过程,验证改善效果。第二部分内容是分析EVAD技术计算的平均风场垂直廓线信息与降水系统发展变化的关系以及在人工影响天气中的应用。在人工影响天气中,作业时机的选择很重要,而作业时机的选择又与降水系统的发展趋势有密切联系。利用EVAD技术计算的雷达站上空平均风场信息可以一定程度上预测降水系统发展变化。在文中分析了广州对流性积云降水个例、西宁积层混合云降水个例雷达站上空散度垂直廓线、速度垂直廓线、空气垂直速度垂直廓线与降水发展变化的关系,分析了两个个例人工增雨潜力。并分析了平均散度垂直廓线与雷达站上空表征降水系统发展变化的雷达参量的关系,包括回波体积、回波顶高、总回波强度等,进一步研究辐合辐散与降水系统发展变化的关系。论文的初步结论如下:(1)当雷达站上空水平风场非线性程度较小时,传统EVAD技术以及阈值设置为3m/s都能计算出代表性较好的平均风场信息,阈值设置为1.5m/s尽管最符合线性假设,但阈值太小会使非线性程度较小的高度层无法计算出代表性较好的平均风场信息。(2)当雷达站上空水平风场非线性程度较大时,传统EVAD技术会计算出代表性差的平均风场信息,阈值设置为3m/s在一定程度上可以避免计算出代表性差的平均风场信息,用缺省值“ND”表示。(3)不固定水平计算范围对传统EVAD技术改善方法,通过个例分析尽管对传统EVAD技术有一定改善,但其计算的各高度层平均风场信息代表范围不同,会给使用平均风场信息垂直廓线带来不便。(4) EVAD技术计算的平均风场信息对真实风场的代表性,可以利用计算范围内所有等距离圈2阶傅里叶级数拟合均方根误差加权平均来表征,平均RMS越大,则代表性越差,反之,平均RMS越小,代表性越好。个例分析中也表征了各高度层平均RMS能够代表EVAD技术计算的平均风场信息对真实风场的代表性。(5)通过个例初步分析出,雷达站上空水平风垂直切变的出现以及空气辐合上升往往预示着降水系统未来可能进一步发展,人工影响天气作业需要继续观察降水系统的发展情况再做出是否作业的决定。广州个例中,低层东南风的出现与中高层西南气流的相互作用以及空气的辐合上升使雷达站上空回波强度以及面雨强都明显增大,如果在此时进行人工增雨作业反而可能会使雨强减小,该降水过程人工增雨潜力相对较小。西宁个例中,大部分时段空气的辐合上升都没有使雷达站上空回波强度明显增大并且降水强度也较小,其原因可能是尽管水汽辐合上升供应相对较好但没有形成较大的降水粒子,因此在西宁个例中人工增雨作业潜力相对较大。(6)在分析的一次弱降水和一次强降水中,雷达站上空平均散度垂直廓线与回波强度体积、回波顶高的变化线性关系较好,强降水中散度垂直廓线与液水总含量以及面雨强线性关系都好于弱降水中,其原因是弱降水中辐合上升水汽凝结后没有充分降落,对下一时段分析造成影响。

EVAD技术的改善及其在人工影响天气中的应用

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