引闪前后对流有效位能(CAPE)变化特征计算分析

论文总字数：18072字

目 录

1 引言 5

1.1本文的目的及意义 5

1.2国内外研究现状 5

1.2.1对流有效位能(CAPE)的研究现状 5

1.2.2地基微波辐射计的应用现状 6

2对流有效位能及其计算 6

2.1对流有效位能的定义 6

2.2 埃玛图制作及对流有效位能表示 7

2.3微波辐射计二级数据简介和质量控制 10

2.3.1微波辐射计二级数据简介 10

2.3.2微波辐射计二级数据质量控制 11

3结果分析 14

3.1引雷前后时刻CAPE变化分析 14

3.1.1 2016年6月9日 14

3.1.2 2016年6月11日 15

3.1.3 2016年6月13日 15

3.1.4 2016年6月14日 16

3.1.5 2016年6月15日 16

3.2引雷前后一小时CAPE变化分析 17

4总结与展望 18

4.1总结 18

4.2展望 19

参考文献 19

致谢 22

附表 23

引闪前后对流有效位能(CAPE)变化特征计算分析^[2]

张爽

， China

Abstract:The convective effective potential energy is widely used in weather service forecasting and the diagnosis and analysis of severe convective weather. It is an important reference for the prediction of strong convection. This paper collected the 2016 Conghua artificial lightning base type MWP967KV microwave radiometer of two level data in the atmospheric temperature and humidity profile， using ground-based microwave radiometer features continuous high time observation of selected artificial lightning before and after the occurrence of the atmospheric temperature and humidity profile data， calculated with MATLAB artificial CAPE value before and after the analysis of the mine. Conghua triggered changes before and after Cape ray base lightning. The results show that the effective potential energy is reduced in an hour after the artificial mine is struck. It is hoped that this paper can provide some reference for the meteorological applications of the two level data of ground-based microwave radiometer.

Key words: Convective available potential energy; the two level data of ground-based microwave radiometer; artificial lightning

1 引言

1.1本文的目的及意义

我国自主研制的MWP967KV型地基微波辐射计在正常观测模式下能够以被动方式测量特定频段毫米波的大气噪声强度电信号并将其转化为不同强度的亮温，进而通过神经网络算法反演获得1-10千米高度不同垂直分辨率的每四分钟一次的温度、相对湿度、水汽密度、液态水密度等物理量。MWP967KV型地基微波辐射计的高时间连续性使将微波辐射计二级数据应用于观测人工引雷前后较短时间段CAPE值变化成为可能。

CAPE与环境联系在国内外的气象学者中到得了广泛的认可。本文是基于微波辐射计高时间分辨率基础上，收集从化地区人工引雷基地闪电发生前后波辐射二级数据中的大气温湿层结数据，利用MATLAB软件绘制埃玛图、计算CAPE^[1-4]。总结人工引雷基地晴空、引闪前后对流有效位能CAPE的变化特征，弥补常规探测资料由于时间连续性不好而导致的CAPE值连续性不好的缺点，为微波辐射计二级数据应用于CAPE的计算、在对流性天气尤其是雷暴闪电的预报能力提供参考依据。

1.2国内外研究现状

1.2.1对流有效位能(CAPE)的研究现状

Doswell与Rasmussen^[15]指出，对流有效位能是垂直积分位势稳定度指数，在深厚对流可能发生的环境里，是与环境最密切的一个量。Bluestein和Jain^[17]指出混合比每增加1g或温度升高1℃，都会使对流有效位能增加500-600 J/Kg. Blanchard^[18]1998年引入的归一化对流有效位能NCAPE，使CAPE仅仅与自由对流厚度内的平均浮力有关。Renno与Ingersoll^[19]给出了存在于行星大气中克服粘性耗散、维持对流运动的对流有效位能CAPE统计平衡量的大小，认为大气对流是一部自然热机，将对流热机所做的功对气柱积分，此积分被认为是统计平衡条件下的行星状态的一个基本的全球性数字。Edward J. Zipser^[23]指出CAPE的影响因素。

国内气象工作者在推进强对流天气参数CAPE在预报方面应用也作了许多研究工作。李耀东^[20]等人实现挨玛图的微机制作并计算对流有效位能后，推进了CAPE在天气分析的应用。廖晓农^[29]等使用美国Radiometrics公司的12通道地基微波辐射计反演的温湿廓线计算对流有效位能并指出CAPE对雷暴大风的发生有指示意义。李耀东等^[21]后来又对流有效位能的的计算进行再思考后指出虚温订正对对流有效位能计算的影响。二十一世纪初，王咏薇、陈艳^[6-7]将环境参量CAPE应用于强对流风暴分析中进而得出CAPE的变化与强对流风暴有很好的对应关系的结论。叶磊等^[30]基于NCEP数据分别计算长三角地区和华东地区的对流有效位能并统计了两个地区的雷暴天气特征。张建春^[31]等利用天津地区NCEP再分析资料对CAPE预报能力进行了统计分析。随着模式输出探空资料及日常探空计算CAPE的普遍分析与研究，可以看出CAPE作为一个预报参数的实用性越来越被气象学者接受和认可，已成为强对流天气分析预报的一个重要常用参数。

1.2.2地基微波辐射计的应用现状

20世纪60年代国外就已经开始了微波辐射计的研究和应用工作^[23-24]，Mee Ks和Lilley^[16]首次通过测氧气谱线区的微波辐射热辐射推导出大气温度。70年代，Westwater E.R分别使用星载微波探测单元MSU和地基微波辐射计进行大气温度的联合反演^[9] 。80年代，地基微波辐射计数据应用于反演大气温湿层结技术在我国开始^[1-4][15]并逐步走向成熟。

20世纪70年代，我国开始微波辐射计的研发与应用工作。北京大学赵柏林教授率领的课题组研制了我国第一台扫角方式遥感大气温度层结5 mm频段单通道狄克型地基微波辐射计^[11]。1974年，中科院大气物理研究所制出用于区域降雨量的观测试验3 cm频段单通道狄克型地基微波辐射计^[9]。21世纪，中科院长春地理研究所研制了用于云液水和过冷水含量的机载观测试验K频段数字增益波动补偿辐射计^[25-26]，中电集团电波传播研究所研制了用于大气参数观测和电波传播K频段双通道地基微波辐射计^[27]。上世纪90年代，闪电图像感应器被成功地载入到卫星上，加快了人类对闪电的研究步伐。

到21世纪，我国气象学者^[13-14]开始利用地基微波辐射计资料研究雷暴天气。魏东等^[16]对利用微波辐射计资料对局地暴雨CAPE定量应用进行可行性分析。刘志雄等^[17]利用微波辐射计资料对强冰雹的温湿水汽含量进行了个例分析。廖晓农等^[18]利用微波辐射计资料对雷暴大风CAPE进行了个例分析。2013年，曹雪芬^[12]利用地基微波辐射计资料对闪电高温响应展开工作。2016年，王基鑫^[11]展开对中国闪电次数与CAPE相关性研究。

2对流有效位能及其计算

2.1对流有效位能的定义

smith^[8]指出，若把在自由对流高度(LFC)到平衡高度(EL)间的层结曲线与状态曲线所围成的面积称为正面积(PA)，且忽略摩擦效应和冻结过程等造成的潜热释放，则上述PA与LFC到EL间正浮力产生的动能大小成正比。对于热力学图解上的正面积，目前大多数气象学家沿用文献^[3]的叫法，称曰对流有效位能CAPE，定义如下式:

（1）

其中Tvp为气块的虚温、Tve为环境的虚温，Z_LFC为自由对流高度、Z_EL为平衡高度，其他为惯用符号。

根据LV2数据做出层结曲线

根据温度廓线利用标准大气

式3.2压高公式反演出温压

廓线做出状态曲线

计算抬升凝结高度(LCL）的温度和压强

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