中尺度因素在冰雹日深对流开始阶段的作用及其与天气特征的关系外文翻译资料

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中尺度因素在冰雹日深对流开始阶段的作用及其与天气特征的关系

E. Garciacute;a-Ortega, A. Merino, L. Loacute;pez, J.L. Saacute;nchez

摘要

冰雹预测是有挑战性的任务。对流天气的发展与天气环境和中尺度因素相关，其特征和演化在很大程度上取决于研究区的地形。本文研究了2001至2008年西班牙Ebro山谷(MEV)中部发生的12个主要的冰雹事件中影响深对流开始阶段的中尺度因素。以往的研究结果依据对流层中低层的大气状况将冰雹天气分为五类。利用中尺度模型MM5研究了包含对流不稳定性，水汽辐合度和低层风等中尺度因素对对流发展的促进作用。研究日观测到的天气异常与深对流运动开始阶段的中尺度特征有关。结果显示定义明确的模式在属于不同类别的数之间存在明显差异。三个选定的因素的权重和空间格局在不同分类的天数之间存在差异，导致了降水场的差异。这种中尺度研究及其与天气异常与冰雹降水的空间分布的双向关系构成了学术界预报对流天气潜在的有用工具。

1.引言

使用数值天气预报(NWP)模式进行的降水预报是个公开问题。冰雹尤其难以预测和识别，因为他们往往与对流运动的产生相关，并且在时空上具有高度地域性。中纬度地区是夏季冰雹高发区。冰雹对基础设施和农业具有高度风险。在过去的几年中，冰雹事件引发的社会和经济影响导致了人们对更加精确的预测的需求不断增加。

Ronero et al.(1998)认为，将与强对流降水相关的大气天气状态与强地形因素相结合可以使利用中尺度预报模型改进预测成为可能。在过去的10年里，中尺度场在天气预报方面的普遍应用已经向我们提供了天气环境，特定区域中尺度对流触发因子，以及二者对降水场的空间特征产生的影响之间的关系的更详细的认知。

当前研究的重点是位于西地中海区域的Ebro山谷中部(MEV)，包含法国南部，科西嘉岛，撒丁岛，北非和西班牙东部。该地区位于伊比利亚半岛东北部(图1)，是欧洲受天气现象影响程度较高，冰雹天气发生频率最高的地区，每年夏天约有60个冰雹日。这意味着高度的社会和经济风险。

图1 顶部：目标区域。底部：埃布罗山谷。圆包括C波段雷达的范围。比利牛斯山、山谷和伊比利亚地区。

该地区是一个高山环绕的低地，北部是比利牛斯山脉，南部和西部是伊比利亚山系，夹于大西洋和地中海之间。这些地形特征使该地区具有独特的特征，表现在风，湿度和温度上，这些都与流天气发展有关。依据数值模拟，最近的研究表明，中尺度结构的形成与地形因素有关。Ronero et al.(2001)和Tuduri et al(2003)认为，热中低压和地形对风场的影响都促进了引发强风暴的对流系统的发展。Aran et al.(2007)对东Ebro山谷数个冰雹个例的研究表明了天气状况对不同射电探空观测仪观测代表性的影响。Garcia et al.(2007)利用灵敏度数值实验表明该地区地形对2003强冰雹的位置和发展起至关重要的作用。

在阿根廷门多萨，Garcia et al.(2009)研究了两个不同的伴有冰雹的强对流天气的中尺度特征。该研究发现，该地区的地貌特征对引发对流运动的低层大气的辐合运动与不稳定性起关键作用。

2001年5月至9月，里昂大学大气物理研究小组(GAP)开展了多个MEV地区伴有和非伴有冰雹的对流降水天气的研究。该小组在西班牙Zaragoza安装了C波段雷达系统来监测风暴活动。分布在MEV的测雹板和观测器网络收集关于冰雹大小分布和能量的附加地面观测数据库。这个数据库使我们能够建立起一个低错误率的冰雹临近预报模型

利用这个数据库，Garcia et al.(2011)建立了MEV的冰雹日的天气模式特征的分类。他根据2001年至2008年间260个冰雹日的大气环境，将其分为个五类别。这些结果是预报冰雹的有用工具，因为确定了出现在MEV的冰雹日的大气环境。

然而，这种大气分类并不能使我们依据观测到的降水空间模式建立一个相似的分类模式。在冰雹降水上，并不是所有的同一类的事件都会导致相似的空间模式。这种族内的变化限制了中尺度大气的状态，因此深对流运动的开始阶段很大程度上取决于这种变化，并影响着冰雹发生的确切地点和空间演化。

因此，通过研究冰雹日的中尺度条件来确定对流引发因素及其与现有的大气状态的关系是必要的。这个研究主要针对造成研究区域内最大经济损失的冰雹事件，既因为受影响区域的范围也因为冰雹的尺度。这些冰雹日因而被称为特殊日(SD)。

本文旨在：其一，研究MEV区域有利于冰雹发展的天气模式异常状况，并确定哪些异常发生在SD；其二，该研究重点确定发生在SD的深对流的初期影响因子，将目前的大气特征及其导致的降水模式建立联系。这个结果可用于预报MEV地区利于冰雹尺度发展的中/天气尺度模式，并且可以确定研究区域内受影响程度最大的大致区域。

本文结构如下：第2节描述了天气和中尺度的分析方法观测数据集合。第3节，我们给出了为中尺度模拟和输出验证所采用的标准。第4节给出了SD的天气异常，详细的中尺度数值结果和相应的讨论。最后，在第5节我们给出了研究的结论。

2.方法与数据库

本研究的第一个目标是甄别在每一类中可能观察到的异常与标准值的偏离。为了研究簇内变化，我们利用Garcia et al.(2011)的研究结果来计算每一类的平均位势高度场(phi;)和温度场(T)的绝对偏离，分别为500hPa和800hPa。偏离使我们能够了解研究区域内变化最高的区域，从而了解每一类大气模式与其平均代表值存在重要差异的区域。这里必须提到，除了因大气结构位置改变引起的簇内变化外，还有一类大气变化，即发生在研究时间内5月至9月的月份的中尺度大气温度发生变化，伴有槽脊强度以及冷暖空气质量和强度的变化。

本研究的主要目的是确定影响SD内深对流开始阶段的中尺度因素以及他们与大气环境之间的关系。中尺度分析对研究对流发展的触发因素至关重要。这些结果，再加上对SD内天气异常与其所属簇的标准值的进行比较的研究，使我们能够确定引发冰雹事件的大气状态和哪些地区会受到冰雹影响。

2.1.选择特殊天数

为了进行中尺度研究，每个类选择两个SD，第4，5类选择三个SD，因为这些类代表了主要的冰雹日(Garcia et al., 2011)。选择的SD构成研究区冰雹事件的集合，其选取遵循以下两个标准：

·空间标准：每一类中对应冰雹范围最大的事件。

·严重程度标准：因冰雹尺寸巨大而引发巨大经济损失的冰雹降水事件，即使是局部强冰雹。

SD的选择是基于不同地面观测数据集提供的信息。冰雹的时空观测是由一个GAP安装并且坐落于研究区域中部的C波段雷达完成的，其具有140km的探测半径。这个雷达有一个通过减少误报率的临近预报模型来确定冰雹的发生可能性的算法(Lopez and Sanchez,2009)。因此，为了确定受冰雹影响的区域，我们仅考虑显示冰雹发生可能性超过90%的像素。通过密集的雨量计网络(多达255次实地测量)，分布于研究地区的超过300个冰雹垫层，以及覆盖大部分地区的729名志愿观测员，我们获得了降水的空间分布和冰雹尺寸分布。

2.2.MM5实验

SD的中尺度特征由宾夕法尼亚大学-国家大气研究中心的中尺度模型的非流体静力版本MM5v3利用数值模拟进行描述。三个嵌套区域已经由一个双向嵌套策略定义，其水平空间分辨率分别为36，12和4km；30层垂直地形，利用sigma;水平分辨。初始和边界条件由NCEP以1.0°的分辨率再分析设定。再实验覆盖的时间内，对每一个研究个例进行时长36h的模拟，适应调整时间超过12h。

表1选择SD进行每个聚类的中尺度分析（YYYYMMDD）。根据雷达数据估计受冰雹影响的区域、用冰雹测量的最大直径和观察员估计的最大直径。

NWP模型包含了一系列可能的参数化方案，这些方案解释了影响微物理量、湿度、边界层等的过程。然而不同参数化方案的设定会提供不同的输出结果，特别是在考虑到累计降水模式时(Tapiador et al.,2012b)。

为了获得中尺度气象场，特别是降水的最佳描述，我们对对流和湿度的不同参数化方案进行了敏感度研究。参数化方案的选定考虑到了混合相凝结物的微物理增长过程，以及其他对同一研究区域内对流降水研究的先前结果。为了获得最佳中尺度描述情景，我们利用降水场对不同参数化组合进行确认。因为对该区域内空间布局和降水量的充分重建涉及到的困难较多，模拟的降水量的验证不一定与冰雹降水量直接对应，所以如果认为模型内的降水结果是正确的，那么模拟对展开中尺度研究是有效的。

图2 MM5模拟的嵌套域

Belair et al.(1994)，Kuo et al.(1997)和Molinari and Dudek(1992)的研究表明，3-5km的网格分辨率可能是对流运动高精确度网格尺度分辨率的上限。Cheng and Cotton(2004)和Guichard et al.(2004)建立了4km或更小的可作为适当的水平网格间距的云分辨率。为了解决任何疑问，我们对每个SD应用了Kain-Fritsch (Kain,2002)积云模式对所有嵌套域或仅有最大嵌套域进行模拟，对流在内嵌套域内得到精确解。

Reisner雪雹湿度方案在先前的严重冰雹事件的研究中展现了良好的结果(Gracia et al.,2007,2009)。其他的作者对西地中海严重降水事件使用了相同的方案。然而，Tapiador et al.(2012b)在对西班牙的一个恶劣天气事件的多物理集成研究中使用了WRF模型，不久前证明了Goddard方案的表现良好。在本研究中，我们在每一个SD模拟中比较了两种湿度方案，所以每一个个例进行四次模拟。

基于降水场，我们应用倾向性评分对不同的累计降水量阈值进行客观验证。因为雨量计网络逐渐增加，雨量计的使用因年而异。在2002年有156个雨量计，至2008年，雨量计网络增加到255个。此外，考虑到研究区域内的地貌单位，我们基于降水模式研究进行了主观分析。

2.3.诊断场

在验证模拟结果以及选择最佳参数化方案组合后，我们进行了中尺度研究。分析的场有温度平流场，位涡场，涡度平流场和上层散度场。这些场的特征与天气尺度的位势高度场和温度场的特征具有逻辑相关性。然而，这些特征并没有为中尺度对流开始的精确地点提供相关信息。因此，我们选定了两个诊断场，这两个诊断场已经被用来描述Gracia et al.(2009)中深对流可能发生的地区。

·对流不稳定性(CI,K)指数定义为700hPa与900hP上等效势温的差值。该量级表示了基于气块饱和的可能性，两层间的热力学不稳定性，即水汽含量。

·水汽通量散度(WVFD,gm^-2s^-1)定义在1000-700hPa之间。该指数描述了低气压下的水汽辐合。区域内负值越多代表该区域内辐合程度(水汽通量辐合，WVFC)越高。

此外，我们研究了低层大气流量和湿度。风场

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