摘要
强对流天气系统往往伴随闪电、大风、暴雨等高影响天气灾害，对人类生产生活造成危害。闪电资料作为一种新型的同化来源，开展闪电资料在数值预报模式中的同化方法研究，有助于提高对强对流天气系统的预报预警能力，避免和减少高影响天气带来的损失。本文基于WRF(Weather Research andForecasting)与WRFDA（WRF Data Assimilation）建立的快速更新同化预报系统，研究了将调整动力场的闪电资料同化方法加入短临预报系统的应用效果以及闪电资料与雷达资料的协同同化对强对流天气系统预报的改进作用，并探讨了闪电资料同化方法在不同天气背景下的适用性。论文的主要研究成果如下: (1)利用调整动力场的闪电资料同化方法，以2018年7月15日一次长达58小时的大暴雨过程期间的两次降水阶段为典型个例，仅同化雷达反射率作为控制实验，并在此基础上进行了同化雷达径向风、同化闪电资料、以及雷达资料与闪电资料相结合的共计4组实验，对闪电资料同化与雷达资料同化的协同作用进行研究。结果表明，同化闪电资料后降水预报评分均有显著提升，预报效果的提升能维持3小时以上，预报效果会随着快速更新同化的频次而提升。ADTD (ADvanced TOA and Direction System)河北三维定位网与北京宽频带闪电定位网BLNET (Beijing Broadband Lightning NETwork)两种来源的闪电资料都能起到较好的同化效果，ADTD可以探测到整个京津冀区域，因此对北京地区外的降水过程能发挥较好的作用。 (2)对比了闪电资料同化实验与雷达径向风同化实验的预报效果，发现雷达径向风同化对强降雨的后续发展影响比较大，加入闪电资料的作用则主要改进临近预报雨带的强度与位置，闪电资料同化在雷达径向风资料缺失时也会有着较好的效果。结合了雷达反射率、雷达径向风、闪电资料同化的实验中预报降雨带有着最准确的移向、位置与强度。雷达与闪电两种资料同化在调整动力场的同时，由于模式中平衡约束的作用，也对热力场与水汽场进行了间接的调整。雷达资料与闪电资料协同促进了风场辐合，增加了降水带附近的温度梯度，提高模式大气的不稳定性，伴随更加深厚的水汽，进一步促进了对流发展。 (3)导致北京地区发生暴雨的两种最常见的天气背景分别为副高西风槽型与蒙古低涡型。选择副高西风槽型、蒙古低涡型局地新生型与蒙古低涡型移入/混合型影响下的8次强对流降水过程，以雷达资料同化实验作为控制组，加入闪电资料进行批量同化对照实验，发现对于不同天气背景下的降水系统，强降水预报的提升效果最好，各量级降水在3-4小时预报提升效果最明显。对于副高西风槽型降水，闪电资料同化提高了强降水落区的预报精度，改善了过预报趋势，该种情境下强对流的产生主要受水汽影响，而闪电资料同化在调整水汽场中起间接作用，因此对于中小雨阈值（小时降水量5mm）的降水的提升不明显。蒙古低涡型降水相对于北京区域分为局地新生型与移入型/混合型降水，对于蒙古低涡型局地新生型降水，加入闪电资料同化后强降水预报得到显著改善，对中小雨阈值降水的预报在前两小时后改善明显。蒙古低涡型移入/混合型降水的发生发展主要受动力因素影响，因此加入闪电资料同化的降水预报效果最稳定。
NETL