關(guān)中地區(qū)對(duì)流性降水雨滴譜特征分析

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(guó)人民解放軍61243部隊(duì),蘭州 730000)

關(guān)中地區(qū)對(duì)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(guó)人民解放軍61243部隊(duì),蘭州 730000)

為了研究關(guān)中地區(qū)對(duì)流性降水微物理特征的差異,對(duì)ParSivel激光降水粒子譜儀2012年夏季的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。選取2012年7月13日和30日兩個(gè)天氣過(guò)程,分析了對(duì)流性降水雨滴譜時(shí)間演變特征、雨滴譜分布、平均直徑、眾數(shù)直徑、優(yōu)勢(shì)直徑、中數(shù)直徑等參數(shù)特征,對(duì)對(duì)流性降水雨滴速度和直徑的關(guān)系進(jìn)行了討論。結(jié)果表明:關(guān)中地區(qū)對(duì)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(shì)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(guān)系。

雨滴譜;對(duì)流性降水;激光降水粒子譜儀;關(guān)中地區(qū)

對(duì)流性降水的形成不僅涉及到云動(dòng)力學(xué),同時(shí)也涉及到云微物理的變化。通過(guò)對(duì)宏觀動(dòng)力場(chǎng)與云降水微觀物理過(guò)程相互作用的研究,有助于提高對(duì)人工影響天氣的科學(xué)認(rèn)識(shí)。雨滴譜觀測(cè)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(gòu)及其演變特征,有針對(duì)性地設(shè)計(jì)播云方案,對(duì)提高人工影響天氣的科學(xué)作業(yè)水平有很重要的意義[1-2]。我國(guó)從20世紀(jì)60年代就開展了雨滴譜的研究工作。早期采用色斑法測(cè)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(xué)的發(fā)展與電子科學(xué)的進(jìn)步,人們逐步利用新型的光電、聲電雨滴譜測(cè)量?jī)x器開展雨滴譜相關(guān)研究[3-5]。德國(guó)OTT公司生產(chǎn)的ParSivel激光降水粒子譜儀是以激光為基礎(chǔ)的新一代高級(jí)光學(xué)粒子測(cè)量器及氣象傳感器,可同時(shí)測(cè)量降水中所有液體和固體粒子的尺度和速度。本文利用設(shè)在陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)氣象站的ParSivel激光降水粒子譜儀在2012夏季觀測(cè)的數(shù)據(jù),分析關(guān)中地區(qū)對(duì)流性降水雨滴譜特征,并對(duì)雨滴粒子落速與直徑的關(guān)系進(jìn)行討論。

1 資料來(lái)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(shù)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),可以測(cè)量降水強(qiáng)度為0.001～1 200 mm/h的各類型降水。粒徑的測(cè)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(gè)尺度檔和32個(gè)速度檔;每個(gè)采樣樣本中的粒子譜測(cè)量數(shù)據(jù)都有32×32 =1 024個(gè)。在實(shí)際觀測(cè)中,液態(tài)降水的直徑范圍為0.2～5.8 mm[6],故本文對(duì)觀測(cè)記錄中直徑大于5.8 mm的數(shù)據(jù),認(rèn)為是由雨滴重疊造成的儀器觀測(cè)誤差,可在分析過(guò)程中予以剔除。2012年5月,陜西省氣象局在長(zhǎng)安氣象站布設(shè)了雨滴譜儀,開展了對(duì)關(guān)中地區(qū)的雨滴譜觀測(cè),采樣時(shí)間設(shè)為1 min。2012年6—10月,觀測(cè)到了10次完整的降水過(guò)程。其中,由對(duì)流云系引起的對(duì)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(jìn)行分析。

2 天氣背景

2012年7月13日08時(shí)(北京時(shí)間,下同) 500 h Pa高空?qǐng)D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(shí)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(guān)中地區(qū)午后出現(xiàn)對(duì)流性降水。長(zhǎng)安站降水時(shí)段為16:57—19:52,累計(jì)降水量30.2 mm。從西安多普勒雷達(dá)組合反射率 (37號(hào)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(hào)標(biāo)注位置)正處于雷達(dá)回波強(qiáng)中心點(diǎn),回波最大強(qiáng)度在65 d Bz左右,剖面顯示強(qiáng)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(duì)流性降水。長(zhǎng)安站降水時(shí)段為17:38—00:24,累計(jì)降水量13.5 mm。圖2a為30日19:01西安多普勒雷達(dá)組合反射率回波,圖2b為強(qiáng)中心的垂直剖面圖?？梢钥闯?對(duì)流云團(tuán)向東北方向移動(dòng),雨滴譜儀所在位置正好在對(duì)流云團(tuán)移動(dòng)路徑上,雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)55 dBz,強(qiáng)回波頂為5 km左右。

3 結(jié)果分析

3.1 雨滴譜時(shí)間演變特征

圖3為7月13日對(duì)流性降水過(guò)程分鐘雨滴粒子數(shù)濃度及分鐘平均直徑的時(shí)間演變圖。由圖3可得,7月13日的降水過(guò)程集中在16:59—18:23這段時(shí)間。開始儀器觀測(cè)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(shuō)明此時(shí)正處于對(duì)流云團(tuán)快速發(fā)展至成熟,雨滴粒子快速碰并增長(zhǎng)隨后下落破碎的過(guò)程。相對(duì)雨滴粒子數(shù)濃度,此次對(duì)流性過(guò)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(shí)平均直徑才突然下降至0.5 mm以下。

圖4為7月30日對(duì)流性降水過(guò)程分鐘雨滴粒子數(shù)濃度及分鐘平均直徑的時(shí)間演變圖?？梢钥吹酱舜谓邓^(guò)程并不連續(xù),陣性降水特征明顯,這與雷暴單體同觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置及其移動(dòng)有關(guān)。相比7月13日的過(guò)程,此次降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),但強(qiáng)度較小,整個(gè)過(guò)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(shí),此次過(guò)程雨滴平均直徑相比13日過(guò)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(duì)流性降水過(guò)程剛開始時(shí),均有雨滴粒子較大但雨滴粒子數(shù)濃度小的特點(diǎn)。隨著降水過(guò)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(huì)下降。在變化趨勢(shì)上,雨滴粒子直徑會(huì)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(shí)機(jī)的選擇很重要,對(duì)對(duì)流云而言,在云發(fā)展成熟,即粒子數(shù)濃度增長(zhǎng)至最大值之前進(jìn)行催化,可以有效提高云內(nèi)上升氣流,推遲云成熟時(shí)間,從而增加降水量,減少降雹可能[7]。從上述兩次個(gè)例分析可以看出,關(guān)中地區(qū)對(duì)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(shí)間。而這段時(shí)間正是對(duì)流云催化的關(guān)鍵時(shí)機(jī)。

3.2 雨滴譜分布及微物理特征

MaShall和Palmer[8]經(jīng)過(guò)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(dá)式為N(D)=n0e-λD;也有學(xué)者[9]用伽瑪分布擬合實(shí)際雨滴譜,表達(dá)式為:N(D)=n0Dμe-λD。其中, N(D)為1 min采樣時(shí)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(shí)際觀測(cè)中,由于雨滴會(huì)受到風(fēng)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(duì)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(shí)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(duì)流云系地面降水的雨滴譜采用伽瑪分布進(jìn)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(jìn)一步揭示雨滴的尺度與降水之間的關(guān)系,表2給出了各直徑區(qū)間雨滴對(duì)地面降水的貢獻(xiàn)情況。四個(gè)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(duì)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(xiàn)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(duì)雨滴直徑的各種統(tǒng)計(jì)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(jì)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(shì)直徑、Dnd為中數(shù)直徑、Dn為中數(shù)體積直徑。根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式,計(jì)算出了兩次對(duì)流性降水的微物理特征參量值,見表4。

13日降水過(guò)程雖然持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,樣本個(gè)數(shù)相對(duì)較少,但雨滴粒子平均數(shù)濃度較大,8個(gè)直徑特征統(tǒng)計(jì)值中除了中數(shù)直徑,其他值均大于30日的特征值,說(shuō)明粒子粒徑大,過(guò)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(shí)間較長(zhǎng),長(zhǎng)安站實(shí)測(cè)雨量卻較小。過(guò)程中直徑0.5～1.0 mm粒子所占比例大。這兩次過(guò)程雨滴譜的平均直徑均大于1.15 mm,優(yōu)勢(shì)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(xiàn)[12]中對(duì)流性降水雨滴譜特征較為一致,即認(rèn)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(duì)流云降水。

3.3 雨滴落速與拉徑關(guān)系

ParSivel激光雨滴譜儀可以探測(cè)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(shí)也是濾紙觀測(cè)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(guò)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(yùn)動(dòng)。根據(jù)雨滴譜觀測(cè)到的速度與直徑大小,綜合力學(xué)上雨滴下落速度計(jì)算原理,對(duì)二者間關(guān)系進(jìn)行擬合。

圖6是兩次對(duì)流性降雨的粒子落速v與直徑D關(guān)系圖。實(shí)線為BeSt[13]根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yàn)關(guān)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(guò)程中所有雨滴粒子實(shí)測(cè)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(yàn)關(guān)系偏差較大,可見BeSt經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的模擬值不適用于關(guān)中地區(qū)對(duì)流性降水的速度模擬。對(duì)實(shí)際降水的速度v同直徑D進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)v-D具有一定的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,即:v=a D6。擬合度,即相關(guān)系數(shù)的平方R2均大于0.8。由圖可知兩次對(duì)流性過(guò)程v-D關(guān)系的系數(shù)a和指數(shù)6相差不大,關(guān)系式分別為:v=5.16D0.43和v= 5.12D0.44。

4 結(jié)論

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

(1)兩次對(duì)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(guān)中地區(qū)對(duì)流性降水的最主要貢獻(xiàn)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(guò)程雨滴譜的平均直徑均大于1.15 mm,優(yōu)勢(shì)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?duì)流性降水的雨滴譜參量值特征。

(4)兩次對(duì)流性過(guò)程速度與直徑具有指數(shù)關(guān)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(duì)人工影響天氣作業(yè)時(shí)機(jī)的把握具有一定指導(dǎo)意義,但僅對(duì)兩次對(duì)流性降水的雨滴譜特征進(jìn)行了分析,樣本數(shù)較少。隨著觀測(cè)資料的補(bǔ)充,今后應(yīng)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(jì)劃項(xiàng)目(2012M-48);陜西省氣象局研究型業(yè)務(wù)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2012Z-13)