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
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1、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
2、 .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
3、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
4、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 West
5、Tianshan 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
6、,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 Scienc
7、es,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,Warn
8、ing 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
9、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 p
10、rimarily 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
11、 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 inte
12、nsities.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 wat
13、er 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
14、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;Re
15、ddy 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
16、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
17、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,也是主要的人口聚居区。从全球大气环流角度看,新疆处于西风带地区,降水与西风带常年存在的槽和涡向东移动有关。因此,云和降水对这一地区的生态环境和生命有着极其重要的作用(Zengetal.,2020a)。
18、以往对新疆降雨的研究主要集中在天气系统、中尺度系统和降雨环境(杨莲梅等,2 0 11;曾勇等,2 0 19;ZengandYang,2 0 2 0),对降雨云宏微物理的研究较少。Zengetal.(2 0 2 0 a,2 0 2 1)使用雨滴谱仪对西天山地区春季和雨季雨滴谱等微物理特征进行研究,但只是对近地面的雨滴谱特性进行分析,没有对高空中降雨云微物理特征进行研究。伊犁河谷是西天山具有代表性的降水区域。中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2 0 19 年1月2 2 日在伊犁河谷新源气象站(432 7 N,8 318 E、海拔:9 2 8 m)(图1)安装毫米波云雷达进行观测。本文选取毫米波云雷
19、达反射率因子、径向速度、云顶高参数以及通过反演得到的液态含水量,对新源站2 0 19 年58 月、758Vol.47ChinesernaericSciences47卷学科云雷达雨量计46N44N-42N-Xinyuan StationAltitude(m)High:8 2 6 3065130260km40N+LoW:-15678E80E82E84E86E88E图1新源气象站位置(432 7 N,8 318 E,海拔:9 2 8 m)和毫米波云雷达、雨量计图Fig.1 Location of Xinyuan Meteorological Station(XY,4327 N,8318 E,928
20、m above sea level)and the photos of the millimeter-wave cloud andrain gauge2020年58 月降雨云宏微观特性进行分析(降雨量使用气象站雨量计观测数据),初步认识了西天山区降雨云宏微观物理特征。2资料与方法2.1数据资料本文使用中国航天科工集团2 3所研制的Ka波段雷达,型号为HMB-KPS,该雷达采用全相干、全固态、脉冲压缩、脉冲多普勒、单偏振、垂直向上的方式2 4h连续观测。云雷达数据包括反射率因子、径向速度、速度谱宽、云顶、云底等。其他主要参数见表1。雷达有3中探测模式参数见表2。选取2 0 19 年、2 0 2
21、0 年58 月共8 个月降雨时的数据,降雨量为逐小时降水资料,单位为mmhl。在分析和统计过程中,小时降雨量大于等于0.1mmh-1的时次判定为有降雨发生。通过对云雷达资料观察即使有些时次被判定为有降雨发生,但由于降雨时间较短也会有一些时刻并没有发生降雨,由于云雷达在夏季非降雨时刻在低层会出现晴空回波,因此本文通过对云雷达资料进行观察,剔除无降雨时刻的数据,只保留被判定为有降雨发生时次且有降雨表1毫毫米波云雷达主要参数Table1 Main performance indexes of the Ka-bandmillimeter-wave cloud radar system参数名称参数值工作
22、频率35GHz500MHz波束宽度0.4发射功率500W天线增益52dB天线直径1.8 m探测范围0.21 15 km时间分辨率1min空间分辨率30m发射波长8.6 mm时刻的数据。由于降雨时毫米波雷达的回波强度会有衰减,因此厂家使用了k-Z衰减订正法(王振会等,2 0 11)对回波强度进行了订正。本文所使用时间除特别说明外均为北京时间。雷达参数在3.8 km高度上有明显的分层(如图2),这是由于毫米波云雷达在探测弱回波时,不仅需要满足探测距离而且还要确保探测能力采用脉冲互补技术造成的,雷达使用宽脉冲保证有足够No.3759ZHANG Jinru eestTianshan张晋茹等:基于Ka波
23、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期的探测能力对弱回波进行探测,但是在低层会有探测盲区的出现,这部分盲区使用窄脉冲来进行探测,但窄脉冲对弱回波的探测能力有限,因此低层回波很弱时就会有回波不连续的现象发生。陈羿辰等(2 0 18)和黄钰等(2 0 2 0)基于云雷达对降雪过程进行观测也有相似分层现象,即使存在断层现象也能够得到一些有用的结论。选择有降雨发生时刻的降雨量数据和该时刻所对应的云雷达数据进行分析。小时降雨量为R,本表2 毫米波云雷达三种探测模式(边界层模式、中云模式、卷云模式)对应的工作参数Table 2 Detailed parameters of the bound
24、ary layer,middle cloud,and cirrus observation modes of Ka-bandmillimeter-wavecloud radar项目边界层模式中云模式卷云模式脉冲宽度0.2 s8us24 s脉压比140120脉冲重复60 us120 s167 us周期相干积211累数非相干积323232累数FTT点数256256256探测盲区210m1.2 km3.8 km探测能力-18.2 3dBZ5km-32.54dBZ5km-30.78dBZ10km文参考黄秋霞等(2 0 15b)分类标准,按照小时降水量0.1 mmR1 mm、1 m m R 3 m m、
25、3R m m将降雨分为小雨强、中雨强、大雨强。观测期间一共有38 1h的降雨,其中小雨强有2 42 h,中雨强有110 h,大雨强有2 9 h。由于各种原因导致云雷达有些缺测,因此云雷达的有效降雨数据有32 3h,其中小雨强有2 14h,中雨强有8 8 h,大雨强有21h。云雷达时间分辨率为1min,将1min作为1个观测样本,因此共获得了19 9 8 0 份有效降雨观测样本,其中小雨强、中雨强、大雨强分别有12840、52 8 0、12 6 0 份。2.2方法2.2.1云雷达云顶分析方法本文按照吴独等等(2 0 17)的方法得到云顶高度。将云雷达观测到的有效云信号的边界作为云边界,沿距离把云
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