基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究.pdf

Band Cloud Radar J.Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),47(3):756-768.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21112Jinru,YANTnmUJFan.etal.2023.Macro-V1TTEysical Characteristics of Rainfall Clouds in the West TianshanMountainsBasedon Ka-ZHANG张晋茹，杨莲梅，刘凡，等.2 0 2 3.基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究 .大气科学，47(3)：7 56-7 6 8.May 20232023年5月ChinciencesVol.47 No.3第47 卷第3期科学基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究1,2,3刘凡 1,2,3 张晋茹1,2,3杨莲梅李建刚1,2,3周玉淑4,51中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐8 30 0 0 22新疆云降水物理与云水资源开发实验室，乌鲁木齐8 30 0 0 23西天山云降水物理野外科学观测基地，乌鲁木齐8 30 0 0 24中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京10 0 0 2 95中国科学院大学，北京10 0 0 49摘要利用Ka毫米波云雷达与自动气象站降雨资料，研究了西天山地区2 0 19 年和2 0 2 0 年58 月的降雨云宏微观特性。结果表明：（1）降雨主要发生在夜间，累积降雨量集中在2 1:0 0（北京时间，下同）至次日0 7:0 0，降雨频次和累积降雨量相关系数为0.7 1。大雨强频次虽最少，但对总累积降雨量贡献较显著。（2）小雨强、中雨强、大雨强平均反射率因子最大值分别为30 dBZ、35.8 d BZ和39.5dBZ，最大平均液态水含量分别为1.5gm3、4.2 g m和7.3gm3。（3）不同降雨强度对应的反射率因子都有两个集中区域，2.0 4.4km反射率因子集中在152 6 dBZ，地面附近的小雨强、中雨强、大雨强对应的反射率因子分别集中在2 432 dBZ、2938 d BZ和3142 dBZ。1.7 5k m以下中雨强和大雨强液态含水量小于1gm的频率明显少于小雨强，降雨强度的越大降雨粒子径向速度越集中。关键词同西天山地区毫米波云雷达降雨云反射率因子液态水含量文章编号10 0 6-9 8 9 5(2 0 2 3)0 3-0 7 56-13中图分类号P412文献标识码马Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2112.21112Macro-Micro Physical Characteristics of Rainfall Clouds in the WestTianshan Mountains Based on Ka-Band Cloud RadarZHANG Jinru1,2,3,YANG Lianmeieil.2,3,LIU Fannl,2 3,LI Jiangang1,2,3and ZHOU Yushu451 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 8300022 Xinjiang Cloud Precipitation Physics and Cloud Water Resources Development Laboratory,Urumqi 8300023Field Scientific Observation Base of Cloud Precipitation Physics in West Tianshan Mountains,Urumqi 8300024 Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Bejing1000295 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049收稿日期2021-07-01；网络预出版日期2 0 2 2-0 3-0 7作者简介张晋茹，女，19 9 2 出生，硕士，助理研究员，主要从事大气探测研究。E-mail:通讯作者杨莲梅，E-mail:；李建刚，E-mail:shzlig_资助项目国家重点研发计划“重大自然灾害监测预警与防范”重点专项2 0 18 YFC1507102，国家自然科学基金项目U2003106，新疆维吾尔自治区引进高层次人才天池计划项目（2 0 19FundedbyNational Key Research and Development Program Monitoring,Warning and Prevention of Major Natural Disasters Key Project(Grant2018YFC1507102),National Natural Science Foundation of China(Grant U2003106),Flexible Talents Introducing Project of Xinjiang(2019)757No.3ZHANG Jinru et al.Macrostics of Rainfall Clouds in the West Tianshan.Soaiharagt张晋茹等：基于Ka波段云雷达观测的中国西天山降雨云宏微观物理特征研究3期Abstract This study analyzed the physical characteristics of rainfall clouds in the West Tianshan Mountains,from May2019 to August 2020,based on the Ka-band millimeter-wave cloud radar and rainfall data from automatic weatherstations.The findings demonstrate that:(I)Rainfall occurs primarily at night.The cumulative rainfall was concentratedfrom 2100 BJT to 0700 BJT the next day.There was a significant beneficial correlation between rainfall frequency andaccumulated precipitation.The frequency of heavy rainfall was the lowest,but its contribution to total accumulatedrainfall was significant.(2)The maximum average reflectivity of light,moderate,and heavy rainfall intensities were 30,35.8,and 39.5 dBZ,respectively,and the maximum average liquid water content was 1.5,4.2,and 7.3 g m,respectively.(3)There are two concentrated areas for the reflectivity of various rainfall intensities.The reflectivity of 2.04.4 km wasconcentrated in 15-26 dBZ,and the reflectivity of light,moderate,and heavy rainfall intensities near the surface wasrespectively concentrated in 24-32 dBZ,29-38,and 31-42 dBZ.The frequency of moderate and heavy rain intensitybelow 1.75 km,where the liquid water content is less than 1 g m,is significantly lower than light rain intensity.Thegreater the intensity of rainfall,the more concentrated the radial velocity of rainfall particles.KeywordsTianshan Mountains region,Millimeter wave cloud radar,rainfall clouds,Reflectivity,Liquid water content1引言云是天气和气候变化的主要影响因子之一，通过大气热力运动引起的辐射强迫影响地球的能量收支和水循环（Wielicki et al.,1995;Stephens,2005;Zhouetal.,2016)。云的宏微观特性能够反映云降水潜力及内部动力、热力特征，因此，对云的宏微观物理特征进行观测、反演和研究，对于改进模型中云的参数，了解云在气候变化中的反馈效应具有重要意义（Harrison et al.,1990;Ackerman and Stokes,2003;Buetal.,2016)。目前，云的宏微物理特征可以通过飞机、卫星和地面设备进行观测（Yinetal.,2013;Chen et al.,2016;Reddy et al.,2018)。飞机虽然可以得到精细的观测结果，但是采样空间较小且成本较高（ParishandLeon,2013）。卫星的探测范围广，但时空分辨率低（Yi,2019）。毫米波云雷达有很高的灵敏度和时空分辨率（张晋茹和杨莲梅，2 0 19；马宁堃等，2 0 19），可对云进行连续观测，还能够通过反射率因子、径向速度等产品获取云的宏微观物理垂直结构特征（K o l l i a s e t a l.,2 0 11；李海飞等，2 0 17），因此毫米波云雷达是研究云宏微观物理特征的有效观测仪器。在我国，研究人员仅在中国中部和东部以及青藏高原利用毫米波云雷达进行了研究（彭亮等，2 0 12；Zhao et al.,2016;汪会和郭学良，2 0 18)。Zhang etal.（2 0 19）基于云雷达三年的观测资料对北京地区云的垂直结构进行了研究，研究发现夏季和秋季云顶高度和反射率因子大于春季和冬季。王柳柳等（2 0 17）利用云雷达对贵州威宁冻雨一降雪微物理和动力特征进行分析，结果表明冻雨和降雪初始时粒子的平均半径分别在40 m和12 0 m左右。Qiuetal.（2 0 19）使用云雷达对青藏高原地区夏季云垂直结构和含水量进行分析，发现当地时间0 0:0 0 06:00、0 6:0 0 12:0 0、12:0 0 18:0 0 和18:0 0 2 4:0 0云的出现概率分别为8 2.7%、56.2%、55.3%和65.4%。这类研究对于了解中国云和降水的宏微观物理特征具有重要意义。然而，利用毫米波云雷达对我国干旱地区降雨过程开展的研究还很少。新疆是典型的干旱、半干旱区域（黄秋霞等，2015a)，与中国东部不同，该地区不受季风系统影响，降水量偏少（Huangetal.,2017）。天山山脉是新疆最重要的山脉，最高海拔超过50 0 0 m，天山山麓是降水最多的地区，