基于雨滴谱和雨量筒观测资料不同类型云降水对比分析_景坤.pdf

2期引言雨滴谱是指单位体积内各种大小雨滴的数量随其直径的分布，是雨滴生成、下落、增长、破碎、蒸发等过程的综合结果，可直观反映云降水的微物理过程。不同类型云的降水，其雨滴谱分布也不同。对不同地区、不同类型云降水的雨滴谱进行研究，探讨不同降水云的微物理量特征及其演变规律，对检验人工增雨效果1、实现雷达定量估算降水有重要意义12。早期，Gamache等3使用雷达反射率因子来划分降水类型，将雷达反射率因子大于38dBZ的降水的过程认为是对流云降水。Tokay等4采用Gamma函数的时间变化来划分对流云降水和层状云降水。随着雨滴谱资料的应用，刘红燕等5利用地面雨滴谱资料分析不同类型云降水的特征，使用平均体积直径和中数体积直径等参数来划分层状云和对流云降水。王秋淞等6根据雨滴谱仪观测资料采用5mmh-1为临界值划分降水类型，即雨强超过这个值时，则认为是对流云降水。在雷达定量估测降水方面，普遍认为暴雨过程雨强越大，雷达估测降雨的偏差越大7。但采用雨滴谱资料，建立反演降水的ZI关系估算降水，结果显示可提高降水估算精度8。与此同时，随着雨滴谱仪的普及，相关雨滴谱仪自动观测与人工观测的评估分析910及其与雨量传感器观测降水量误差分析的研究也相继出现11。更多研究结果表明激光雨滴谱仪与自动雨量站观测的累积降雨量结果基本一致1213，但是对雨滴谱仪与雨量筒观测的降雨是否具有普适性仍然缺少大量的数据统计。本实验依据文献6的方法，结合降水宏观特征量、雨滴谱资料，将降水类型划分为对流云降水和层状云降水。降水现象观测是地面气象观测的基本内容之一，实现降水现象自动观测，将有效提高观测的频次和质量1415。选取2019年112月广西北海国家气候观象台观测资料，统计分析不同类型降水云雨滴谱仪的观测差异，并探究其与雨量传感器观测得到雨量在时间上变化以及累积量的差异，结果可为下一步探究不同类型云的降水估测及不同雨强雨收稿日期：2022-09-28基金项目：广西壮族自治区气象技术装备中心自立项目“广西植被生态监控软件研制”、“降水过程雨滴谱的统计特征研究”作者简介：景坤（1993），男，助理工程师，主要从事气象探测、装备运行保障工作。Email：1053667281qqcom*通讯作者：周坤论（1994），男，硕士，工程师，主要从事气象探测技术保障和雨滴谱特征研究。Email：980289314qqcom基于雨滴谱和雨量筒观测资料不同类型云降水对比分析景坤，周坤论*，吕抒航，王乙竹，梁振清（广西壮族自治区气象技术装备中心，南宁530022）摘要：选取北海国家气候观象台2019年112月的雨滴谱和雨量筒资料，根据雨强划分降水类型，对比分析两种设备观测对流云和层状云降水的差异。结果表明：（1）两次降水过程均以“雨”和“阵雨”为主，由于仪器测量精度不同，雨滴谱和雨量筒观测到的降水量有所差别。（2）对于对流云和层状云降水，雨量筒与雨滴谱累积降水量绝对误差均小于20，相关性系数均达到099；另外，对流云事件雨滴谱与雨量筒累积降水量平均值误差大于层状云事件的。（3）雨滴谱仪观测出现降雨时间早于雨量筒记录的，降雨结束时间则晚于雨量筒记录的。相比于层状云降水，对流云降水起始阶段雨量更大，降雨速度更快，雨滴谱仪和雨量筒记录到有降水现象的时间差更小。关键词：北海；雨滴谱；雨量筒；对流云；层状云中图分类号：P468.024文献标识码：Adoi：10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.2.12景坤，周坤论，吕抒航，等基于雨滴谱和雨量筒观测资料不同类型云降水对比分析J气象研究与应用，2023，44（2）：6974Jing Kun，Zhou Kunlun，Lv Shuhang，et al.Comparative analysis of different types of cloud precipitation based on raindrop spectra andrain gauge dataJJournal of Meteorological Research and Application，2023，44（2）：6974第44卷第2期气象研究与应用Vol.44 No.22023年6月JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATIONJun.202344卷气象研究与应用滴谱特征分析提供借鉴和参考。1资料与方法1.1数据来源和处理数 据 来 源 于 北 海 国 家 气 候 观 象 台。采 用Parsivel2激光雨滴谱仪（简称雨滴谱）和翻斗式雨量传感器（简称雨量筒）的观测资料，选取2019年1月12月雨滴谱和雨量筒同时观测（记录）到有降水过程的时间段，记录雨滴谱和雨量筒观测到的起始时刻与结束时刻，通过雨滴谱反演计算公式即可计算出雨滴谱仪观测到分钟累积降水量11。此次共获得样本事件（降水过程）总计79次，激光雨滴谱观测到的降水过程持续时间（结束时刻与起始时刻之差）均在05h以上。在资料处理方面，为保证数据质量将样本事件逐分钟数据中雨滴数小于10或雨强小于01mmh的数据视为噪音16；由于大于6mm的雨滴在自然界中很难维持17，考虑个别时刻出现大于6mm的雨滴粒子是瞬时雨强较大导致雨滴重叠的，对以上情况数据予以剔除11。全年观测到有雨滴粒子数记录的有效分钟样本数总计11214min。由样本数据可知，北海降雨较为频繁，主要在夏秋两季，呈现出频次高且不连续的规律。北海全年（2019年）未出现雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、冰雹等降水类天气现象。此外，以平均降水强度5mmh1为临界值划分降水类型6，2019年北海降水包括对流云降水39次（样本5839min），层状云降水40次（5375min），总体上层状云和对流云降水次数和样本个数相当。1.2雨滴谱反演计算公式由于Parsivel2激光雨滴谱仪设计时考虑了雨滴的形变18，故不对雨滴谱记录的雨滴粒子进行形变订正。雨滴粒子数密度计算公式6表示为N（Di）=32j=1nijATVj（1）N=32i=1N（Di）（2）其中，式（1）N（Di）为各粒径粒子数密度；nij代表降水粒径第i级、速度第j级的雨滴个数；A为激光雨滴谱仪采样底面积为5400mm2（180mm30mm）；T为取样时间1min（60s）；Vj第j速度级的速度值，单位为ms。单位时间（1min）的降水量，即单位时间内通过激光带的所有粒子的体积之和除以面积（A），公式表示12为Rt=632i=1n（Di）Di35400（3）其中，R为t（降水过程逐1min）时间的降水量（mm），为水的密度（gcm3），n（Di）为t（降水过程逐1min）。降水过程累积降水量（Pt）公式12表示为Pt=tRt（5）其中，Pt为降水起始到t时刻累积的降水量（mm）。2结果与分析2.1典型事件分析图1（a，b）为层状云、（c，d）对流云事件的典型事例。图1（a，b）为2019年3月24日、（c，d）为2019年4月1日的雨量筒与雨滴谱累积降水量、雨强随时间变化情况。总体上看，图1（a，c）雨滴谱和雨量筒累积降雨量具有很好的一致性，二者测量的累积降雨量在时间轴上总体趋势基本一致；另外，雨量筒记录的累积降水量折线呈锯齿状，而激光雨滴谱仪观测的反而较连续平滑，呈现这样的变化趋势主要是仪器自身的精度和设计特点造成的。结合表1，2019年3月24日降水过程雨滴谱于503开始观测到有0021mm降水记录，雨量筒则在621分开始记录到有01mm的累积降水记录，相比于雨量筒，雨滴谱观测有降水记录早78min；雨滴谱观测到降水结束时间为0933（累积降雨量075mm），雨量筒记录结束时间为802（累积降雨量为08mm），雨滴谱观测降水结束时间比雨量筒晚91min。2019年4月1日降水过程雨滴谱于0155开始观测到有0021mm降水记录，在0217分则达到067mm的累积降水量，而雨量筒 在0217分开始记 录到有05mm的累积降水记录，相比于雨量筒，雨滴谱观测有降水记录早23min；雨滴谱观测到降水结束时间为0452（累积降雨量5164mm），雨量筒记录结束时间为0451（累积降雨量5040mm），雨滴谱观测降水结束时间比雨量筒晚1min。据雨滴谱仪识别的天气现象情况，两次降水过程降雨类型均以“雨”和“阵雨”为主，由于仪器测量精度不同，雨滴谱和自动雨量站观测到有降水记录的时间也会有所差别，即雨滴谱仪只要出现一个小雨滴，就能出现降水记录，702期而自动雨量站则要出现01mm的降水才会出现降雨记录。相关研究结果也表明激光雨滴谱仪对降水的响应明显提前于自动雨量站13，17。此外，典型事件中层状云、对流云降水量相对误差分别为625、246，造成激光雨滴谱仪测量结果偏大或偏小的主要原因是降雨过程易造成雨滴重叠或雨滴破碎，导致识别的雨滴粒子直径偏大或偏小。2.2累积降水量分析北海地区2019年对流云（39次）和层状云（40次）降雨次数相当。所有79个样本事件激光雨滴谱仪与雨量传感器累积降水量关系如图2。图2（a）为所有样本事件激光雨滴谱仪与雨量传感器累积降水量的相关性拟合。据统计，无论是对流云事件还是层状云事件，雨量筒与雨滴谱累积降水量绝对误差均小于20，相关性系数均达到099。图2（b）所有事件激光雨滴谱仪与雨量传感器的累积降水量差的分布图，由图可知，对流云事件C雨滴谱-C雨量筒小于0部分（大于0部分）有17个（22个），均值分别为682mm（262mm），5次 降 水 过 程 累 积 降 水 量 之 差 大 于5mm，2次小于5mm；而层状云事件C雨滴谱-C雨量筒基本分布5mm的范围内，在小于0部分（大于0部分）有15个（25个），均值分别为035mm（035mm）。结合累积降水量和降水时长分析激光雨滴谱仪观测对流云和层状云累积降水量差异，主要是由于两种类型降雨云特征差异导致的，即对流云中云滴和水滴碰撞增长，产生大量大直径的雨滴，大雨滴之间相互碰撞而破碎18，另外遇到短时强降雨时，雨滴重叠会导致雨滴粒子直径偏大或者雨滴数减少，激光雨表1雨量筒和雨滴谱统计表图1层状云、对流云事件的累积降雨量时间变化图（a，c），层状云、对流云事件的雨强时间变化图（b，d）（红色实线表示雨量筒，蓝色实线表示雨滴谱，绿色虚线表示雨滴谱仪观测降水过程起止时间）景坤，周坤论，吕抒航，等：基于雨滴谱和雨量筒观测资料不同类型云降水对比分析2.01.51.00.50.0累积降雨量/mm累积降雨量/mm806040200050006000300040001000200起始时间：2019/04/01 010005000600030004000200起始时间：2019/04/01 01000100050006000700080009001000起始时间：2019/03/24 0500050006000700080009001000起始时间：2019/03/24 05001086420雨强/（mmh-1）雨强/（mmh-1）150100500雨量筒雨滴谱雨量筒雨滴谱雨量筒雨滴谱雨量筒雨滴谱(a)(b)(c)(d)事件时间 仪器 起始时间 结束时间 持续时间/min 累积雨量 P?/m 雨量筒 06:21 08:02 102 0.8 2019-03-24(层状云)雨滴谱 05:03 09:33 271 0.75 雨量筒 02:17 04:51 155 50.40 2019-04-01(对流云)雨滴谱 01:55 04:52 178 51.64 7144卷气象研究与应用滴谱仪观测的降雨强度和累积降水量偏大或偏小；而层状云降水各微物理量的变化比较平缓19，这也进一步解释了层状云C雨滴谱-C雨量筒基本分布5mm的范围。图3为所选样本事件雨量筒和雨滴谱仪累积降水量、有效时间统计直方图。统计结果显示，图3a雨量筒记录对流云、层状云事件累积降水量均值分别为3285mm、438mm；图3b雨滴谱仪记录对流云、层 状 云 事 件 累 积 降 水 量 均 值 分 别 为3140mm、447mm；显然，雨量筒和雨滴谱仪