六盘山区夏季一次层状云降水成因及宏微观特征分析_党张利.pdf

2期引言云宏微观结构变化与降水和人工增雨雪关系密切，尤其是层状云降水云系是我国大部分地区人工增雨雪的作业目标1，随着探测技术的发展，利用人影特种观测设备对人工增雨雪作业目标进行研究2，基于国内外云宏微观探测设备的应用，也取得了一系列成果，樊曙先等3和王研峰等4利用飞机探测资料对层状云系微观物理特征进行了分析，发现云滴浓度与平均直径呈负相关，高层云的小云粒子浓度低，低云粒子浓度高，液态含水量高；丁建芳等5和程鹏等6对河南、甘肃降水云系的雨滴谱特征进行了分析，发现层状云降水雨滴谱分布较窄，雨滴谱数浓度随着海拔高度增加呈增加趋势，而等效直径随着海拔高度增加呈减小趋势；周非非等7利用微波辐射计对层状云系进行分析，发现层状云系不同部位的宏微观结构和降水特征都存在不均匀性。六盘山区位于宁夏固原市，属季风区的边缘，西临青藏高原，西南部为四川盆地，东南部为秦岭。近几年随着六盘山大气科学野外观测研究站的不断完善，对六盘山区云降水特征有一些研究，发现六盘山区夏秋季大气水汽含量和液态水含量均较高8，同时利用微雨雷达和云雷达对层状云特征进行分析，发现地形强迫使山脊降水云的物理和动力过程较山谷更剧烈910。不同地区、不同天气背景云的宏微结构具有明显的差异，为了对六盘山区层状云宏微观结构特征有更清晰的认识，本文利用六盘山大气科学野外试验基地布设的X波段双偏振雷达、云雷达、雨滴谱仪观测设备，对2021年6月1317日六盘山区降水成因和降水云系垂直、水平宏微观变化特征进行分析，为科学选择人影作业条件、分析作业效果提供依据。1数据处理1.1研究区域和观测设备本研究区域为宁夏固原市六盘山站（山顶）、大湾人影作业点（东侧）、隆德站（西侧），观测的雨滴谱仪为OTT公司生产的Parsivel2激光雨滴谱探测系收稿日期：2022-11-15基金项目：宁夏自然科学基金项目（2021AAC03489）、中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室项目（CAMP202106）作者简介：党张利（1988），女，工程师，主要从事人工影响天气方面的研究。Email：1336833529qqcom六盘山区夏季一次层状云降水成因及宏微观特征分析党张利1，2，马思敏1，2（1中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川750002；2宁夏回族自治区人工影响天气中心，银川750002）摘要：利用六盘山区1部X波段双偏振雷达、3部ka波段云雷达、3部Parsivel2雨滴谱仪的观测资料，分析了六盘山区夏季一次层状云降水成因及降水云系宏微观变化特征。结果表明，受锋面过境影响，六盘山区降水的时间和空间差异较大，降水云系反射率因子在2036 dBZ之间，差分反射率因子在035dBZ之间，受阵性降水影响双偏振雷达显示相关系数均值在0508之间；此次降水雨滴的等效直径较小，雨滴谱数浓度与等效直径随海拔高度增加分别呈现增大和减小趋势，由于山顶距离云底较近或在云内，小雨滴的浓度较大，随着降水的发生，西坡雨滴的谱型发生变化，而东坡谱型未发生变化，说明西坡由于碰并和小雨滴的蒸发，出现较强的阵性降水，与实况降水表现一致。关键词：六盘山区；层状云降水；双偏振雷达；雨滴谱中图分类号：P426文献标识码：Adoi：10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.2.13党张利，马思敏六盘山区夏季一次层状云降水成因及宏微观特征分析J气象研究与应用，2023，44（2）：7580Dang Zhangli，Ma Simin Analysis of the causes and macrophysical and microphysical in a summer stratiform precipitation over theLiupan MountainJJournal of Meteorological Research and Application，2023，44（2）：7580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卷气象研究与应用统；山顶和东西两侧还布设了3部Ka波段毫米波云雷达；固原市彭阳县孟塬人影作业点（3559N，10649E）布设了一部PR11D型X波段双偏振雷达，通过三类观测设备对六盘山区层状云宏微观特征进行分析，仪器具体站点布局如表1。同时还使用了ERA5再分析资料，资料的时间分辨率为1h，水平 分 辨 率 为025025，垂 直 分 辨 率 为37层（1000hPa到1hPa）。1.2数据处理方法本文主要对OTT雨滴谱仪数据进行处理，其中，公式（1）是计算雨滴谱分布函数N（Di），N（Di）j132nijAitVjDi（1）其中，Di为第i档的体积等效直径，Ai为每档粒子的有效采样面积，t为采样间隔，Vj为第j速度等级对应的平均速度，DiDi1Di。利用雨滴谱仪观测数据，公式（23）计算雨滴谱数浓度和质量等效直径，NTi132j132nijAitVj（2）Dmi132N（Di）Di4Dii132N（Di）Di3Di（3）其中，NT为雨滴谱数浓度，Dm为滴谱分布的质量等效直径。2结果与分析2.1天气背景分析21.1天气形势6月13日至17日六盘山区出现一次持续的降水天气过程。降水发生前（13日20时），六盘山区处于槽底西南气流，随着降水的开始，贝加尔湖附近的低涡东移南压加强，东北浅槽增强，14日08时东北浅槽移至六盘山区边缘，受陕西中部低涡切变影响，六盘山区出现降水，14日20时低涡继续维持在贝加尔湖西北侧，东北浅槽维持在内蒙古至辽宁一带，低涡切变东移减弱，影响六盘山区的天气系统移出，第一阶段降水结束。15日20时贝加尔湖附近低涡东移南压，低涡中心高度为5556m，冷中心强度为26，其底部短波槽影响六盘山区，东北冷涡后部冷平流和高原低涡前部暖平流在六盘山区相遇，形成较大量级降水，16日08时贝加尔湖低涡东移南压，冷空气继续影响六盘山区，六盘山区位于冷暖平流交汇的后部，16日20时东移南压的贝加尔湖低涡与东北冷涡重建成，切变线南压，六盘山区受短波槽影响还存在弱降水，17日20时东北冷涡形成，六盘山区受槽后西北气流影响，降水结束。21.2环境场特征根据平凉崆峒山探空资料分析可知，降水发生前中低层吹东南风，600hPa相对湿度低于80，随着东北冷涡西北气流和高原低压偏南气流的影响，整 层 相 对 湿 度 增 加，450hPa以 下 相 对 湿 度 大 于85，受冷涡后部西北气流的影响，低层以偏北风为主，相对湿度减弱，第一阶段降水趋于结束，随着东北冷涡的发展和低涡前部切变线的发展，15日20时中低层以偏南风为主，相对湿度大于90，雨强增强，直至17日08时中低层转向偏北风，降水强度减弱，低涡切变线南压，17日20时相对湿度减弱，降水结束。对15日20时ERA5再分析资料沿35N36N的垂直涡度剖面（如图1）进行分析，发现六盘山区有一气旋性涡度从800hPa延伸到300hPa，正涡度中心在600hPa附近，强度在1520106s1之间，表1六盘山区地形云试验基地特种观测设备经纬度和海拔高度仪器类型 站名 经度/。纬度/。海拔高度/m 六盘山站(山顶)106.20 35.66 2845.2 隆德站(西坡)106.11 35.61 2078.6 雨滴谱仪 大湾人影作业点(东坡)106.26 35.70 1980 X 波段双偏振雷达 孟塬人影作业点 106.84 35.98 1758 六盘山站(山顶)106.20 35.66 2845.2 隆德站(西坡)106.11 35.61 2078.6 Ka 波段云雷达 大湾人影作业点(东坡)106.26 35.70 1980 762期200hPa为负涡度，强度为05106s1左右，垂直涡度的这种配置表示该过程低层辐合，中高层辐散，为六盘山区降水过程提供了所需要的抬升条件，从地面自动站气温和风速也可以印证，进一步表明，中尺度辐合为降水提供了动力条件，印证这一点的还有水汽通量散度场，低层正的水汽通量散度，高层负的水汽通量散度，既表明了低层水汽辐合高层辐散的动力条件，从相对湿度剖面图显示500hPa以下六盘山区相对湿度较好，为降水提供了水汽条件。2.2云降水雷达回波特征双偏振雷达从15日14时开始出现点状回波，15时降水云系前缘自西南向东北进入六盘山区南部，回波较弱，尚未连成片，15日16时降水云系主体已经影响六盘山区，回波均匀，回波面积较大，没有明显的强回波中心，系典型的层状云回波特征，此时六盘山区的反射率因子平均值为2236dBZ，最大值为325dBZ，差分反射率因子（如图2a）平均值为006dB，最大值为325dB，差分传播相移最大值为8km-1，相关系数（如图2c）最大值为098，回波主体往东北方向移动；15日22时在六盘山区偏南区域自西南至东北方向云系进入六盘山区，此时回波主体的反射率因子平均值为2596dBZ，最大值为335dBZ，差分反射率因子最大值为325dB，差分传播相移最大值为8km-1，相关系数最大值为097，之后受分散状回波影响出现阵性降水，16日03时自西南东北方向出现片状回波，反射率因子平均图16月15日20时沿35N36N方向的垂直涡度剖面图22021年6月15日1603和16日0300X波段双偏振雷达差分反射率因子、相关系数分布图（a）15日1603差分反射率因子；（b）16日0300差分反射率因子；（c）15日1603相关系数；（d）16日0300相关系数(a)(b)(c)(d)党张利，马思敏：六盘山区夏季一次层状云降水成因及宏微观特征分析气压/hPa36N35.835.635.435.2352003004005006007008009001000100-0.500.511.522.533.544.55-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-2.0-0.52.00.51.01.52.02.53.03.54.01209060300-30-60-90-120-120-90-60-300306090120距离/km距离/km1209060300-30-60-90-120-120-90-60-300306090120距离/km距离/km1209060300-30-60-90-120-90-60-300306090距离/km距离/km1209060300-30-60-90-120-120-90-60-300306090120距离/km距离/km-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-2.0-0.52.00.51.01.52.02.53.03.54.00.990.980.970.960.950.940.920.90.850.800.700.600.500.300.100.990.980.970.960.950.940.920.90.850.800.700.600.500.300.107744卷气象研究与应用值为2392dBZ，最大值为365dBZ，差分反射率因子（如图2b）最大值为325dB，差分传播相移最大值为8km-1，相关系数（如图2d）最大值为099，强回波中心在隆德上空，16日06时在西南方向出现范围更大、强度较弱的片状回波，位置在六盘山东南方向，17日08时出现不连片的块状回波，回波强度在2025dBZ之间，相关系数最大值大于090，平均值为068。差分反射率因子最大值为325dB，平均值在01dB之间，说明大部分降水粒子接近于球形，部分降水区降水粒子较大；相关系数最大值均大于09，均值在0508之间，主要受到阵性降水影响，差分传播相移最大值均为8km-1，符合降雨时的偏振雷达参量。对应分析山顶和东西坡云雷达的云底高度和回波强度，整体上随着降水的开始，云底高度降低，云层数减少，雷达回波强度增大。15日16时六盘山站能见度降低，根据云高仪显示的云底高度，在16时前六盘山站已在云内，隆德和大湾站云底高度明显降低，云底高度在20