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        地面雨滴譜的觀測及特征分析

        2017-08-01 12:31:58鄭藝
        環(huán)球人文地理·評論版 2017年2期

        鄭藝

        摘要:降水粒子特性是大氣運(yùn)動和云內(nèi)微物理過程的綜合結(jié)果,在云降水物理及人工影響天氣領(lǐng)域有著重要的意義。利用南京信息工程大學(xué)大氣物理與大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的激光氣象粒度儀(Parsivel),選取了2007年12月9日到12日的5次降水過程的觀測數(shù)據(jù),對雨強(qiáng);降水量;雷達(dá)反射率等這些微物理參量進(jìn)行分析。

        關(guān)鍵詞:雨滴譜; 觀測方法; 雨滴譜函數(shù); Parsivel; 微物理參量

        1觀測儀器介紹

        本次觀測所用的儀器就是激光粒度氣象儀(Parsivel)(Parsivel激光粒度氣象儀設(shè)備外觀圖(見圖4),它是一種現(xiàn)代化的以激光為基礎(chǔ)的光學(xué)測量系統(tǒng),由德國OTT公司開發(fā)研制的。數(shù)據(jù)獲取和存儲是通過一個快速的數(shù)字化信號處理器完成的。激光氣象粒度儀以激光測量為基礎(chǔ),測量的基本參數(shù)為粒徑和速度,采用平行激光束和光電管陣列結(jié)合,當(dāng)有降水粒子穿越采樣空間時,自動記錄遮擋物的寬度,通過穿越時間計算降水粒子的尺度和速度。由此推導(dǎo)出從靜風(fēng)到颶風(fēng)所有風(fēng)速下粒徑分布、降水量、能見度、雷達(dá)反射率、降水動能和降水類型。

        中粒子尺度測量的數(shù)據(jù)范圍為0.2~25 mm,粒子速度測量的數(shù)據(jù)范圍對應(yīng)著0.2~20 m·s-1。

        粒子尺度的測量:降水粒子下降過程中經(jīng)過探測儀器的采樣空間時,粒子的直徑a由被遮擋的接收二極管d個數(shù)確定。粒子速度的測量:粒子的下降速度V由接收二極管d被遮擋的時間t和粒子直徑a計算確定,即V=f(d,t)。假設(shè)粒子尺度均勻非變形,則有Vt=f(a)。由于計算速度足夠快,系統(tǒng)能夠響應(yīng)所有經(jīng)過的遮蔽物,從而可以統(tǒng)計所有降水粒子顆粒的尺度與速度。但是如果有兩個甚至多個降水粒子同時到達(dá)采樣面時,就會產(chǎn)生重疊誤差,無論是對尺度測量還是對速度的計算,都會產(chǎn)生很大的影響。

        2資料及處理方法

        南京屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,冬夏長而春秋短。雨水充沛,光能資源充足,年平均溫度16℃。夏季最高氣溫可達(dá)38℃;冬季最低氣溫達(dá)零下8℃。年平均降雨117天,降雨量1106.5毫米;無霜期長,年平均239天。每年6月下旬到7月中旬為梅雨季節(jié)。此次觀測主要針對南京市2007年12月9日到12日的降水情況和降水的微物理參量進(jìn)行分析。南京的冬天雨雪少,11-12月多濃霧天氣,冬季寒冷干燥。

        圖1是2007年12月11日雨強(qiáng)和數(shù)濃度隨時間的變化圖,從圖中看出,降水的變化強(qiáng)度非常劇烈,雨強(qiáng)的變化主要集中在23:00至24:00之間,在23:30的時候出現(xiàn)了一個峰值,降水強(qiáng)度達(dá)到2 mm·h-1,持續(xù)一個小時左右,降水強(qiáng)度下降到接近于1的一個最小值,隨后逐漸增大,到23:40左右,出現(xiàn)一天中的最大值,降水強(qiáng)度接近4 mm·h-1,隨后降水強(qiáng)度開始下降至1.5 mm·h-1左右。幾分鐘后又出現(xiàn)了一個峰值,大概時間在23:50左右,此峰值為4.0 mm·h-1左右。這一天數(shù)濃度的變化還是要分為兩個階段,前一個階段持續(xù)時間較短只有二十幾分鐘,后一個階段從23:00開始到00:00結(jié)束,后一個階段在前半小時主要呈現(xiàn)上升趨勢,到23:30時出現(xiàn)一個峰值,隨后逐漸下降,到降水結(jié)束??傮w來看,2007年12月11日的降水主要集中在23:00左右,在此階段,降水量很大,降水粒子集中。

        圖2是2007年12月9日雷達(dá)回波強(qiáng)度和雨強(qiáng)隨時間的演變,從圖中看出,雨強(qiáng)和雷達(dá)反射率因子的變化是一致的,也就是說雨強(qiáng)越大,雷達(dá)反射率因子就越大,在22:50左右,兩者均出現(xiàn)了一個峰值,雨強(qiáng)達(dá)到1.5mm·h-1,雷達(dá)反射率因子達(dá)到1.8dBz,隨后逐漸下降,雖然兩者在或一階段都出現(xiàn)了幾個小峰值,但是總體來說還是處于下降趨勢。

        根據(jù)2007年12月9日到12日四天的雨滴譜擬合圖,在9日,最大直徑為2.5 mm,最小直徑只有0.25 mm,所以譜寬大概為2.25 mm。由此可以得到,10日最大直徑為2.3 mm,最小直徑為0.24 mm,所以譜寬為2.06 mm。11日最大直徑為2.5 mm,最小直徑為0.24 mm,譜寬為2.26 mm,12日最大直徑為2.3 mm,最小直徑為0.24 mm,譜寬為2.06 mm,所以2007年12月9日到12日這四天的平均譜寬為2.16 mm,因此雨滴總數(shù)密度和雨滴平均尺度較小。從圖中還可以看出,不同雨強(qiáng)的雨滴譜分布譜形相似,都是單峰分布,峰值出現(xiàn)的雨滴直徑有所差別,雨強(qiáng)越大,峰值對應(yīng)的雨滴直徑越大,譜越寬。從圖中還可以看出,在只有較弱降水的9日,數(shù)濃度的峰值為85 mm-1m-3 ,峰值區(qū)在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間,而10日和11日都有中等降水出現(xiàn),在10日當(dāng)天,數(shù)濃度的峰值為140 mm-1m-3 左右,峰值區(qū)在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間,在11日當(dāng)天,數(shù)濃度的峰值為90 mm-1m-3 左右,峰值區(qū)在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間;而12日是強(qiáng)降水天氣,數(shù)濃度的峰值為1200 mm-1m-3 左右,峰值區(qū)在直徑為0.5mm到1.0 mm之間。

        3結(jié)論

        (1)南京地區(qū)2007年12月9日到12日的降水屬于層狀云降水。

        (2)在降水總體較弱或者較強(qiáng)的時候,雨強(qiáng)越大雨滴數(shù)濃度越小,雨強(qiáng)越弱雨滴數(shù)濃度越大;在降水總體強(qiáng)度中等時,雨強(qiáng)和雨滴數(shù)濃度變化趨勢一致,雨強(qiáng)大雨滴數(shù)濃度也大。

        (3)雷達(dá)反射率因子Z和雨強(qiáng)I隨時間的演變趨勢相同,Z和I呈正相關(guān)關(guān)系。雨強(qiáng)越大,雷達(dá)反射率因子就越大。經(jīng)過對實(shí)測點(diǎn)擬合發(fā)現(xiàn)雷達(dá)反射率因子Z是雨強(qiáng)I的指數(shù)函數(shù)。

        (4)每日降水的平均雨滴譜表現(xiàn)為單峰,濃度隨直徑增大出現(xiàn)一個峰值后遞減,降雨越強(qiáng),譜寬越大,數(shù)濃度反而小。雨滴譜在峰值右側(cè)的譜線呈負(fù)指數(shù)分布,即M-P分布。

        參考文獻(xiàn)

        [1]B.J.梅森.云物理學(xué).中國科學(xué)院大氣物理研究所譯.北京.1978.154-158.

        [2]陳德林,谷淑芳.大暴雨雨滴平均譜的研究.氣象學(xué)報,1989,21-26.

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