基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析_刘彦.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023刘彦，苏德斌，杨宁，等，2023.基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析 J.高原气象，42（3）：748-757.LIU Yan，SU Debin，Yang Ning，et al，2023.Case Study of Hail Size Distribution in Bayannur Area based on Two-Dimensional Video Disdrometer J.Plateau Meteorology，42（3）：748-757.DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00059.基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析刘彦1，2，3，苏德斌1，2，3，杨宁1，3，王亮1，3（1.成都信息工程大学电子工程学院，四川 成都 610225；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100000；3.中国气象局大气探测重点开放实验室，四川 成都 610225）摘要：布设在内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县气象局的二维雨滴谱仪（2DVD）在2020年7月27日观测到一次含雹混合降水事件，基于粒子直径与本地下落末速度对2DVD数据质控后，分析了此次过程不同直径-速度和不同直径-轴比下的粒子数量分布以及粒子谱、中值体积直径、质量加权平均直径、粒子数浓度和降水强度等参数随时间的演变。结果表明：（1）直径0.10.5 mm的雨滴实测下落末速度偏大于经验公式计算的下落末速度，直径510.4 mm的冰雹粒子下落速度为5.511.6 m s-1，直径小于6 mm的冰雹粒子下落速度分布较广。直径0.12 mm的小雨滴轴比为0.91.1，直径25 mm的大雨滴轴比为0.71.0，直径510.4 mm的冰雹粒子轴比为0.51。（2）本次降雹类型为先雨后雹，雹雨混降，雹后持续降雨，冰雹谱谱宽为10.4 mm。逐分钟降水粒子谱存在3个直径极大值，在降水和降雹之间存在短暂的无降水，谱宽和粒子数浓度随时间同时增大和减小，并在降雹阶段，各参数陡增至峰值。（3）冰雹谱分布呈单调递减型，通过M-P分布函数分段模拟了降雹时段的雨滴谱和冰雹谱，模拟的粒子谱大于2DVD实测的粒子谱，且模拟雨滴谱与实测谱的数浓度对数均方根误差为1.02，模拟冰雹谱与实测谱的数浓度均方根误差为2.21。关键词：二维雨滴谱仪；雨滴谱；冰雹谱；M-P分布文章编号：1000-0534（2023）03-0748-10 中图分类号：P426.64 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000591 引言 强对流天气是我国主要的灾害性天气之一，冰雹灾害则是强对流天气下发生比较常见的气象灾害，它的发生会给农业生产和人民的生命财产安全构成威胁（李红斌等，2010；万红莲等，2017；刘新伟等，2021；吴海英等，2021）。巴彦淖尔市北部为乌拉特草原，中部为阴山山地，南部为河套平原，阴山山脉狼山段位于巴彦淖尔市中部，最高海拔约2800 m，将巴彦淖尔市一分为二，山前为富饶的河套平原，山后为荒漠化草原。受此特殊地理环境的影响，冰雹成为巴彦淖尔市夏季主要气象灾害之一。对雨滴谱的观测方法有滤纸法，面粉法和使用一维雨滴谱仪与二维雨滴谱仪器的光学法，Kathiravelu et al（2016）对雨滴观测技术和原理做了总结和分类。2DVD 可以快速记录每个粒子的二维信息，国内外许多学者使用2DVD研究降水的微物理过程（Luo et al，2021；王梦瑶，2019）。观测冰雹的仪器有测雹板、雹雨分测计、一维雨滴谱仪和二维雨滴谱仪等。对冰雹的研究，国外 Macklin and Ludlam（1961）直接测量了从2 km高空落下的人造收稿日期：20211009；定稿日期：20220531资助项目：西北区域人工影响天气能力建设项目（ZQC-R18217）；国家自然科学基金项目（42075001）作者简介：刘彦（1997-），男，四川宜宾人，硕士研究生，主要从事气象探测领域研究.E-mail：通信作者：苏德斌（1966-），男，江苏扬州人，教授，主要从事气象探测数据分析及应用、云和降水物理等领域研究E-mail：刘彦等：基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析3 期冰雹的最终下落速度。Auer（1972）在北美高原2.1 km的海拔测量了球形和锥形软冰雹及冰雹的下落末速度。Thurai et al（2011）指出一维雨滴谱仪和2DVD对小冰雹进行观测时，一维雨滴谱仪观测的质量加权平均直径和降雨率值高于 2DVD。Bringi et al（2017）结合2DVD和S波段双偏振雷达对一次冬季霰雨进行研究发现霰颗粒主要呈块状，平均形状较长。Dieling et al（2020）在实验室内测试探究冰雹密度、拖拽系数、冰雹形状、空气密度和大风对冰雹下落速度的影响。国内牛生杰等（1999）在固原使用测雹板组成测雹板网对冰雹谱分布和冰雹落地动能进行观测分析。石安英等（1989）在张家口使用测雹板观测到315份雹谱资料，拟合出6类雹谱分布类型。孙玉稳等（2012）使用雹雨分测计在张家口地区记录的资料总结出了 5种降雹类型及相关因子分布特征。岳治国和梁谷（2018）使用一维雨滴谱仪对陕西渭北一次降雹过程进行了粒子谱特征分析，拟合了冰雹直径与平均冰雹末速度的关系。陶然亭（2020）结合2DVD和称重式降水传感器，分析了南京冬季降雪的雪花下落速度、密度和粒子谱分布等特征。王俊等（2021）基于Parsivel激光雨滴谱仪和CINRADA/SA多普勒雷达观测资料对冰雹云降水个例进行雨滴谱特征分析。由于2DVD布设相对较少，且降雹过程不易捕获，目前国内少有使用2DVD观测降雹的研究。2DVD相较于测雹板具有可以直接获得冰雹下落速度、轴比、记录时间和更高的测量精度等优势；相较于雹雨分测计具有直接获得冰雹下落速度、轴比和更高的测量精度等优势；相较于一维雨滴谱仪具有直接获得冰雹轴比、二维信息和更高的测量精度等优势。降水粒子尺度谱在不同时间，不同地点，不同降水过程的形态都不一样，但具有统计规律。为拟合实际观测的雨滴谱资料，常采用M-P分布函数和分布函数，其中M-P分布对于稳定降水拟合效果较好，分布对云中起伏较大的降水拟合效果较好（赵震等，2005；郑姣恒和陈宝君，2007；李山山等，2020；刘胜男和王改利，2020）。针对冰雹谱拟合的研究，牛生杰等（1999）指出冰雹谱服从幂指数分布和指数分布，岳治国和梁谷（2018）使用 M-P分布分段拟合降雹过程的雨滴谱和冰雹谱，本文采用 M-P分布分段拟合降雹时段的雨滴谱和冰雹谱。冰雹谱是冰雹微结构的重要特征之一，也是进行人工防雹作业的重点，了解冰雹的微结构特征及其形成机理，对于防雹减灾具有重要意义。本文利用巴彦淖尔市五原县气象局 2DVD 在 2020 年 7 月27日观测到的1次含雹混合降水资料，对含雹混合降水事件进行不同直径-速度大小和不同直径-轴比的粒子数量分布以及粒子谱参数随时间演变的分析，同时结合地面测雹板对2DVD观测的冰雹直径进行了验证。由于冰雹落点位置的不确定，提前布设雨滴谱仪来捕获冰雹是比较困难的，在此次西北人研究试验项目中，利用2DVD实测的冰雹谱和雷达结合起来研究冰雹的发生发展与消亡，发现降雹过程的微物理特征，提高对降雹的认知，另外对冰雹谱进行M-P分布拟合的结果也将有利于改进模式微物理参数化。2 数据来源与方法介绍 2.1数据来源中国气象科学研究院组织实施西北地区人工影响天气研究试验项目，在巴彦淖尔地区开展防雹技术研究试验，为加强外场试验的科学观测，增设了二维雨滴谱仪（由成都信息工程大学支持），考虑到设备运行及维护，遂将该设备布设在了五原县气象局（108.2936E，41.0583N，53337），2DVD 位置如图1所示。2019年8月10日于巴彦淖尔五原气象局对2DVD进行了校正，2020年7月27日2DVD观测到2次降水过程，其中19:36（北京时，下同）-20:16为含雹混合降水过程。2.2仪器介绍奥地利 Joanneum 研究所研制的 2DVD是一个粒子成像系统，2DVD基于两个垂直摆放且具有高度差的快速扫描相机，可以记录每个粒子的尺寸、下落速度和形状信息。许多学者已经详细地介绍了 2DVD 的结构、设计和测量原理等（Kruger and Krajewski，2002；Schnhuber et al，2007，2008）。2DVD内部光学系统提供了两个光平面，两个光平面穿过大约10 cm10 cm的虚拟测量区域，并投影到两个快速线扫描相机上。如图2（a）所示，（左侧）t1时刻水凝物在光面上方，所有光电探测器都被照亮，t2，t3，t4时刻水凝物进入光面，遮挡产生阴影被光电传感器记录。（右侧）水凝物轮廓近似构建。水凝物穿过光平面产生的阴影被相机记录，2DVD将此阴影换算为水凝物的轮廓宽度。如图2（b）所示，两个光平面具有约7 mm的高度差，2DVD利用高度差和相机记录水凝物进入和离开第一，第二个平面的时间来计算出粒子的下落速度，即：v=2d(t2-t0)+(t3-t1)（1）749高原气象42 卷式中：v（单位：m s-1）为下落末速度；d（约7 mm）为相机A和B的垂直距离；t0，t1（t2，t3）分别为水凝物第一次进入和完全离开相机 A（B）探测平面的时刻。线扫描相机约每18 us对每个平面进行一次采样，当水凝物落入测量区域时，2DVD从两侧记录水凝物经过测量区域的多个线扫描结果，获得粒子图1巴彦淖尔高程图Fig.1Bayannur elevation map图22DVD工作原理示意图Fig.22DVD working principle diagram750刘彦等：基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析3 期两侧的轮廓，最后通过两侧轮廓计算出水凝物的等效体积直径和扁平率。2DVD自1991年开始开发以来，现在已经发布了三个版本：the Classic Tall 2DVD，the Low_Profile 2DVD，the Compact 2DVD，本次试验使用的是第三代the Compact 2DVD。2DVD对粒子的水平探测分辨率为 0.2 mm，垂直分辨率为 0.10.2 mm。2DVD观测数据存在质量问题，尤其是对小粒子的观测。Kruger and Krajewski（2002）指出2DVD存在粒子误匹配问题，粒子速度异常偏大与偏小，并且在强降水时粒子错误匹配现象更严重。尽管2DVD已经通过设计入口（25 cm）比相机视野（位于入口中间，宽约为10 cm）宽来尽量减少雨滴从边缘外壳飞溅进入采样区域造成的不良影响（Schnhuber et al，2008），但研究发现2DVD仍存在对粒子的虚假检测，尤其是直径小于0.6 mm的粒子（Larsen and Schnhuber，2018）。Thurai et al（2017）通过比较气象粒子光谱仪和2DVD观测的雨滴谱，指出2DVD对直径大于0.7 mm的粒子提供更准确的测量。2.3数据质控本文参照Kruger and Krajewski（2002），Schnhuber et al（2008）和 Luo et al（2021）研究，雨滴从2DVD设备边缘处飞溅进入采样区，以及两个相机对小粒子图像的错误匹配会造成观测的粒子下落速度异常偏大与偏小，因此可以先通过经验公式计算出雨滴下落末速度来确定下落速度可信区间，再将下落速度在可信区间外的粒子剔除，只保留下落速度在可信区间内的粒子，从而保证研究数据的质量。雨滴下落末速度经验公式是Atlas et al（1973）在标准大气压下总结出的，且雨滴下落速度会受到空气密度的影响。参照Niu et al（2010）本地化Atlas下落末速度经验公式的方法，应用到本次试验，得到 2DVD 观测站点的雨滴直径-下落末速度，再由理论下落末速度确