宋嘉堯,羅俊頡,梁 谷,王天祥

(1.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014; 2.中國人民解放軍61243部隊,蘭州 730000)

關中地區(qū)對流性降水雨滴譜特征分析

宋嘉堯1,羅俊頡1,梁 谷1,王天祥2

(1.陜西省人工影響天氣辦公室,西安 710014; 2.中國人民解放軍61243部隊,蘭州 730000)

為了研究關中地區(qū)對流性降水微物理特征的差異,對ParSivel激光降水粒子譜儀2012年夏季的觀測結(jié)果進行統(tǒng)計分析。選取2012年7月13日和30日兩個天氣過程,分析了對流性降水雨滴譜時間演變特征、雨滴譜分布、平均直徑、眾數(shù)直徑、優(yōu)勢直徑、中數(shù)直徑等參數(shù)特征,對對流性降水雨滴速度和直徑的關系進行了討論。結(jié)果表明:關中地區(qū)對流性降水雨滴譜分布符合伽瑪分布;雨滴在0.5～2.0 mm之間的粒子約占總降水的80%;平均直徑均大于1.15 mm,優(yōu)勢直徑均大于1.5 mm,平均體積直徑均大于1.2 mm,中數(shù)體積直徑均大于1.5 mm;雨滴末速度同直徑具有指數(shù)關系。

雨滴譜;對流性降水;激光降水粒子譜儀;關中地區(qū)

對流性降水的形成不僅涉及到云動力學,同時也涉及到云微物理的變化。通過對宏觀動力場與云降水微觀物理過程相互作用的研究,有助于提高對人工影響天氣的科學認識。雨滴譜觀測是微觀云降水物理研究的重要內(nèi)容之一。研究雨滴譜的分布可以分析自然降水的微物理結(jié)構及其演變特征,有針對性地設計播云方案,對提高人工影響天氣的科學作業(yè)水平有很重要的意義[1-2]。我國從20世紀60年代就開展了雨滴譜的研究工作。早期采用色斑法測量雨滴粒子的直徑,該方法獲取的資料精度較高,但數(shù)據(jù)處理非常困難。90年代以后,隨著大氣科學的發(fā)展與電子科學的進步,人們逐步利用新型的光電、聲電雨滴譜測量儀器開展雨滴譜相關研究[3-5]。德國OTT公司生產(chǎn)的ParSivel激光降水粒子譜儀是以激光為基礎的新一代高級光學粒子測量器及氣象傳感器,可同時測量降水中所有液體和固體粒子的尺度和速度。本文利用設在陜西省西安市長安區(qū)氣象站的ParSivel激光降水粒子譜儀在2012夏季觀測的數(shù)據(jù),分析關中地區(qū)對流性降水雨滴譜特征,并對雨滴粒子落速與直徑的關系進行討論。

1 資料來源

ParSivel激光降水粒子譜儀(為閱讀方便,下文均以雨滴譜儀代替)是一種基于現(xiàn)代激光技術的光學測量系統(tǒng),可以測量降水強度為0.001～1 200 mm/h的各類型降水。粒徑的測量范圍為0.2～25 mm,粒子速度范圍為0.2～20 m/S,分別有32個尺度檔和32個速度檔;每個采樣樣本中的粒子譜測量數(shù)據(jù)都有32×32 =1 024個。在實際觀測中,液態(tài)降水的直徑范圍為0.2～5.8 mm[6],故本文對觀測記錄中直徑大于5.8 mm的數(shù)據(jù),認為是由雨滴重疊造成的儀器觀測誤差,可在分析過程中予以剔除。2012年5月,陜西省氣象局在長安氣象站布設了雨滴譜儀,開展了對關中地區(qū)的雨滴譜觀測,采樣時間設為1 min。2012年6—10月,觀測到了10次完整的降水過程。其中,由對流云系引起的對流性降水2次,分別為7月13日和30日。本文將利用這兩日的雨滴譜資料進行分析。

2 天氣背景

2012年7月13日08時(北京時間,下同) 500 h Pa高空圖上(圖略),歐亞中高緯度呈兩槽一脊,貝湖冷空氣在巴湖形成切斷低壓,陜西省中北部受脊前西北氣流控制,14時地面圖上,該地區(qū)處于大范圍低值區(qū)中,受上述系統(tǒng)影響,陜西省關中地區(qū)午后出現(xiàn)對流性降水。長安站降水時段為16:57—19:52,累計降水量30.2 mm。從西安多普勒雷達組合反射率 (37號產(chǎn)品)回波圖(圖1a)看,雨滴譜儀所在位置(圖中黃色五角星號標注位置)正處于雷達回波強中心點,回波最大強度在65 d Bz左右,剖面顯示強回波頂在10 km左右(圖1b)。

2012年7月30日,受切變和副高外圍偏南暖濕氣流的共同影響,陜西中南部地區(qū)出現(xiàn)對流性降水。長安站降水時段為17:38—00:24,累計降水量13.5 mm。圖2a為30日19:01西安多普勒雷達組合反射率回波,圖2b為強中心的垂直剖面圖?？梢钥闯?對流云團向東北方向移動,雨滴譜儀所在位置正好在對流云團移動路徑上,雷達回波強度達55 dBz,強回波頂為5 km左右。

3 結(jié)果分析

3.1 雨滴譜時間演變特征

圖3為7月13日對流性降水過程分鐘雨滴粒子數(shù)濃度及分鐘平均直徑的時間演變圖。由圖3可得,7月13日的降水過程集中在16:59—18:23這段時間。開始儀器觀測到雨滴粒子數(shù)濃度很小,緩慢增大至500 m-3后又突然降低,隨后在10 min內(nèi)陡然增大至2 000 m-3以上,后又緩慢下降。說明此時正處于對流云團快速發(fā)展至成熟,雨滴粒子快速碰并增長隨后下落破碎的過程。相對雨滴粒子數(shù)濃度,此次對流性過程的雨滴粒子平均直徑的變化較平穩(wěn),分鐘平均直徑大于1.0 mm的雨滴粒子所占比例大,只有在降水臨近結(jié)束時平均直徑才突然下降至0.5 mm以下。

圖4為7月30日對流性降水過程分鐘雨滴粒子數(shù)濃度及分鐘平均直徑的時間演變圖。可以看到此次降水過程并不連續(xù),陣性降水特征明顯,這與雷暴單體同觀測點的相對位置及其移動有關。相比7月13日的過程,此次降水持續(xù)時間較長,但強度較小,整個過程的雨滴粒子數(shù)濃度在20:00和21:40出現(xiàn)了兩次峰值,最大峰值僅為800 m-3。同時,此次過程雨滴平均直徑相比13日過程略小,平均直徑0.5～1.0 mm的雨滴所占比例大。結(jié)合兩張圖發(fā)現(xiàn),對流性降水過程剛開始時,均有雨滴粒子較大但雨滴粒子數(shù)濃度小的特點。隨著降水過程的結(jié)束,雨滴粒子分鐘平均直徑和粒子分鐘數(shù)濃度均會下降。在變化趨勢上,雨滴粒子直徑會隨粒子數(shù)濃度的大小有一定起伏,但并不明顯。

人工影響天氣作業(yè)時機的選擇很重要,對對流云而言,在云發(fā)展成熟,即粒子數(shù)濃度增長至最大值之前進行催化,可以有效提高云內(nèi)上升氣流,推遲云成熟時間,從而增加降水量,減少降雹可能[7]。從上述兩次個例分析可以看出,關中地區(qū)對流云從產(chǎn)生有效降水至云發(fā)展成熟,僅有大約10～20 min時間。而這段時間正是對流云催化的關鍵時機。

3.2 雨滴譜分布及微物理特征

MaShall和Palmer[8]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)雨滴譜的分布一般呈指數(shù)分布(M-P分布),表達式為N(D)=n0e-λD;也有學者[9]用伽瑪分布擬合實際雨滴譜,表達式為:N(D)=n0Dμe-λD。其中, N(D)為1 min采樣時間內(nèi)單位面積不同直徑檔的雨滴粒子數(shù),n0為常數(shù),λ、μ為參數(shù),D為雨滴直徑。在實際觀測中,由于雨滴會受到風及大氣湍流的影響發(fā)生破碎、蒸發(fā)和碰并,從而造成雨滴譜分布存在差異性,在對流性降水中差異尤其顯著。圖5及表1給出了7月13日和30日兩次降水雨滴譜擬合結(jié)果,實線為M-P分布擬合曲線,虛線為伽瑪分布擬合曲線?？梢钥闯?對流云系地面降水的雨滴譜采用伽瑪分布進行擬合的結(jié)果較好,在大滴端較M-P分布有更好的精確度。

為了進一步揭示雨滴的尺度與降水之間的關系,表2給出了各直徑區(qū)間雨滴對地面降水的貢獻情況。四個直徑檔位區(qū)間分別為0.2～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm和2.0～3.0 mm。由表2可見,對流性降水中地面直徑為0.2～0.5 mm的雨滴偏少,僅占總數(shù)濃度的10%～15%,直徑為0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm的雨滴是地面降水的最主要貢獻者,二者所占比例約為80%,直徑為2.0～3.0 mm的雨滴約占5%～10%。

在雨滴譜特征分析中,對雨滴直徑的各種統(tǒng)計特征的研究是必不可少的[10-11]。表3給出了文中所列的雨滴直徑特征量的計算方法,其中,Dm為平均直徑、Dmax為最大直徑、Dd為眾數(shù)直徑、Dv為平均體積直徑、Dp為優(yōu)勢直徑、Dnd為中數(shù)直徑、Dn為中數(shù)體積直徑。根據(jù)數(shù)學表達式,計算出了兩次對流性降水的微物理特征參量值,見表4。

13日降水過程雖然持續(xù)時間相對較短,樣本個數(shù)相對較少,但雨滴粒子平均數(shù)濃度較大,8個直徑特征統(tǒng)計值中除了中數(shù)直徑,其他值均大于30日的特征值,說明粒子粒徑大,過程中大于1.0 mm粒子所占比例較大;而30日雖然降水持續(xù)時間較長,長安站實測雨量卻較小。過程中直徑0.5～1.0 mm粒子所占比例大。這兩次過程雨滴譜的平均直徑均大于1.15 mm,優(yōu)勢直徑均大于1.5 mm,平均體積直徑均大于1.2 mm,中數(shù)體積直徑均大于1.5 mm。與文獻[12]中對流性降水雨滴譜特征較為一致,即認為雨滴譜的平均體積直徑大于1.20 mm和中數(shù)體積直徑大于1.5 mm的降水是對流云降水。

3.3 雨滴落速與拉徑關系

ParSivel激光雨滴譜儀可以探測到不同直徑區(qū)間粒子的下落末速度。這是人工模擬降雨跟自然降雨相似性研究的重要因子,同時也是濾紙觀測法獲取不到的數(shù)據(jù)。雨滴落速是在雨滴從高空豎直落到地面的過程中,受到重力和空氣阻力的共同作用,雨滴在下落一段距離后就做勻速運動。根據(jù)雨滴譜觀測到的速度與直徑大小,綜合力學上雨滴下落速度計算原理,對二者間關系進行擬合。

圖6是兩次對流性降雨的粒子落速v與直徑D關系圖。實線為BeSt[13]根據(jù)實驗數(shù)據(jù)給出的海平面正常大氣條件下(1 013 hPa,20℃)雨滴末速度同直徑的經(jīng)驗關系模擬曲線,即:v= A0{1-exp[-(D/a)n]},其中A0、a和n均為常量。+++線為降水過程中所有雨滴粒子實測下落速度同直徑的擬合曲線。如圖,大部分雨滴粒子主要分布在小尺度的區(qū)域內(nèi),且同BeSt經(jīng)驗關系偏差較大,可見BeSt經(jīng)驗關系的模擬值不適用于關中地區(qū)對流性降水的速度模擬。對實際降水的速度v同直徑D進行擬合后發(fā)現(xiàn)v-D具有一定的指數(shù)相關關系,即:v=a D6。擬合度,即相關系數(shù)的平方R2均大于0.8。由圖可知兩次對流性過程v-D關系的系數(shù)a和指數(shù)6相差不大,關系式分別為:v=5.16D0.43和v= 5.12D0.44。

4 結(jié)論

利用長安站ParSivel激光降水粒子譜儀的觀測資料,對2012年夏季2次對流性降水過程的滴譜變化特征進行了分析,初步得到如下結(jié)論。

(1)兩次對流性降水雨滴譜采用伽瑪分布擬合結(jié)果較好,在大滴端有更好的精確度。

(2)粒徑在0.5～2.0 mm之間的粒子為關中地區(qū)對流性降水的最主要貢獻者,所占比例約為80%;直徑0.2～0.5 mm和2.0～3.0 mm的粒子比例約占20%。

(3)兩次過程雨滴譜的平均直徑均大于1.15 mm,優(yōu)勢直徑均大于1.5 mm,平均體積直徑均大于1.2 mm,中數(shù)體積直徑均大于1.5 mm?；痉蠈α餍越邓挠甑巫V參量值特征。

(4)兩次對流性過程速度與直徑具有指數(shù)關系,分別為v=5.16D0.43和v=5.12D0.44,擬合度均大于0.8。

(5)本文研究對人工影響天氣作業(yè)時機的把握具有一定指導意義,但僅對兩次對流性降水的雨滴譜特征進行了分析,樣本數(shù)較少。隨著觀測資料的補充,今后應研究更多的樣本,使結(jié)果更具代表性。

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1006-4354(2015)05-0015-06

2014-12-19

宋嘉堯(1984—),女,漢族,甘肅蘭州人,碩士,工程師,主要研究方向大氣物理。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計劃項目(2012M-48);陜西省氣象局研究型業(yè)務重點科研項目(2012Z-13)