宁夏六盘山区地面雨滴谱特征统计分析.pdf
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1、第40卷第8期2023年8月Vol.40No.8Aug.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI:10.13866/j.azr.2023.08.01宁夏六盘山区地面雨滴谱特征统计分析马思敏1,2,舒志亮1,2,常倬林1,2,周楠1,2,刘士军3(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川750002;2.宁夏回族自治区气象灾害防御技术中心,宁夏 银川750002;3.乌海市气象局,内蒙古 乌海016000)摘要:利用20202021年六盘山区58次降雨过程不同站点的雨滴谱数据,对层状云、对流云、积层混合云三类降雨的微物理参量、
2、雨滴谱平均特征,以及Gamma分布参数等进行了分析。结果表明:(1)同一站点的各微物理参量以及特征直径均值表现为:对流云积层混合云层状云;在层状云和积层混合云中,平均直径Dave、众数直径Dmode表现为山腰大于山顶和山底,随着东、西坡两侧海拔高度的升高,其最大直径Dmax、质量加权平均直径Dm、雨强R、雷达反射率Z、液态含水量Q逐渐增大;(2)层状云和积层混合云小雨滴对雨强和数浓度的贡献均为最大,对流云小雨滴对数浓度贡献最大,而中等雨滴对雨强的贡献最大;(3)Gamma分布的参数N0(阶距参数)、(形状参数)、(斜率参数)随着海拔高度的升高而减小,-拟合曲线的斜率与降水类型密切相关;(4)山
3、顶站点雨滴粒子数浓度Nw较山脚站点有所减小,而平均尺度Dm增大;(5)西北气流型的雨滴谱各特征直径参量及各微物理参量大于东高西低型和平直气流型。关键词:六盘山;雨滴谱;微物理特征;Gamma分布雨滴是云中动力过程、微物理过程以及多种因素综合作用的结果,是云降水宏、微观过程的最终产 物。雨 滴 谱(Raindrop Size Distributions,简 称RSD)是单位体积内雨滴的数浓度随其直径大小的分布。云中水凝物粒子经过一系列复杂过程后,形成雨滴降落到地面,雨滴谱的谱型特征以及相关微物理参量可以反映出降水的微物理特征1。通过研究雨滴谱分布,对深入认识自然降水过程的形成机制,评估人工增雨潜
4、力和效果检验,以及指导人工影响天气作业均有重要意义,也对改进雷达定量估测降水准确性具有重要价值2-3。因此,雨滴谱特征是研究云和降水形成微物理机制最重要的内容之一。雨滴谱分布的概念最早由Marshall and Palmer于1948年提出,他们认为指数方程可较好地描述雨滴大小和浓度的分布情况(简称M-P分布)4。后来,Ulbrich在1983年指出,M-P分布在描述大雨滴和小雨滴的分布上与真实的降水特征相比存在较大的差异,于是他提出了三参数的Gamma 分布模型5,该模型增加了形状参数,可以更好地描述小雨滴的变化情况。大量研究表明,与 M-P 分布相比,Gamma分布能更好地表征积层混合云与
5、积状云降水的雨滴谱分布特征2,6-8。近年来,我国学者利用地面激光雨滴谱仪开展了大量研究,不同地区、不同降水类型、不同海拔高度、不同天气系统的雨滴谱特征存在显著的差异。如牛生杰等9研究了19841986年宁夏不同地区、不同环流形势下的雨滴谱特征差异;张玉欣10等研究了祁连山南麓夏季对流云和层状云降雨滴谱特征,发现相同尺度的对流云降雨粒子下落速度略大于层状云;王昀等11分析了天山三类降雨的微物理结构特征,分析由于山区地形作用,天山地区降雨的小雨滴浓度高,且雨滴尺度小,增雨潜力大。通过在山体不同高度布设地面雨滴谱仪,可以获得降收稿日期:2023-01-18;修订日期:2023-05-11基金项目:
6、宁夏回族自治区重点研发计划(2022BEG02010);国家自然科学基金联合基金项目(U22A202286);第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0104);中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室开放研究项目(CAMF-202207)共同资助作者简介:马思敏(1991-),女,工程师,研究方向为大气物理.E-mail:通讯作者:舒志亮.E-mail:12031214页40卷干旱区研究水微物理特征在不同高度上的差异;李慧等12的研究表明,黄山层状云相比于对流云,雨滴谱随高度的变化较为稳定,山腰位置的雨滴尺度大于山顶和山底,可能与各观测点相对云底的不同位置有关;
7、陈聪等13也在黄山地区的一次降水过程中发现相同的规律;张昊等14在庐山的观测研究发现,直径小于1 mm的小雨滴在海拔较高处占比较大,而相同尺度的雨滴在海拔较低处下落末速度较大;程鹏等15分析了祁连山一次层状云降水地面雨滴谱资料发现,高海拔站点的雨滴直径小且浓度大;李山山等 16 发现,随着青藏高原东坡的海拔增高,弱降水的雨滴粒子数浓度增大,而平均直径减小,强降水的雨滴粒子数浓度减小,而平均直径快速增大。六盘山是全国为数不多的近南北走向的狭长山地,其主峰海拔2942 m,山地东坡陡峭,坡度2660,西坡和缓,坡度2035,为气流在连续山脉的传播以及云降水物理过程的研究提供了有利条件。六盘山区是我
8、国西北地区的主要水源涵养地17,该地区750 hPa以下以东南暖湿气流为主导,该气流在受到六盘山东坡的地形抬升后上升凝结,形成深厚云层18。对于六盘山地区,陶涛等19利用地面激光雨滴谱仪分析了一次强对流天气降雹过程的微物理特征;曹宁等20利用微雨雷达对比分析了六盘山区对流云、层状云、浅积云及其降水微物理特征。前人在对六盘山区的降水微物理特征的研究方面,缺乏连续观测资料的平均特征分析研究,对不同地形位置的雨滴谱特征差异研究较少,本文利用六盘山区20202021年观测降雨期间的雨滴谱资料,探讨该地区不同类型、不同位置降水的微物理参量、雨滴谱平均特征和Gamma分布参数及其关系等,旨在揭示该地区地面
9、降雨微物理特征,对探究六盘山地形云降雨的发生发展规律和形成机理有积极意义。1设备、资料和方法1.1 设备和资料介绍本文选取在六盘山大气科学野外试验基地布设的5部DSG5型激光雨滴谱仪(常年观测),图1为仪器具体地理位置示意图,表1为观测站点基本信息。DSG5型激光雨滴谱仪观测原理是基于降水粒子对激光衰减的原理,它共有32个非等间距直径通道和32个非等间距速度通道,降水粒子直径测量范围为0.225 mm,速度测量范围为0.220 ms-1,具体参数见表2。已有研究表明,通过对其标定、监测,其误差范围在20%以内21。本文挑选20202021年5个雨滴谱仪站点完整观测的58次降雨过程数据,利用位于
10、六盘山气象站(106.2E,35.68N,海拔2860 m)的新一代多普勒图1 野外试验位置示意图Fig.1 Location diagram of field experiment表1 六盘山大气科学野外试验基地DSG5型激光雨滴谱仪观测站点信息Tab.1 Observation site information of DSG5 laserraindrop spectrometer in Liupanshan atmospheric sciencefield experiment base站点名六盘山站(LPS)陈靳站(CJ)城关站(CG)大湾站(DW)惠台站(HT)经度106.20E106
11、.15E106.10E106.26E106.32E纬度35.66N35.57N35.63N35.70N35.53N海拔/m2845.22254.02284.01952.41985.0表2 DSG5型激光雨滴谱仪主要技术参数Tab.2 The main specifications of the DSG5参数测量区域时间分辨率粒径范围速度范围雨强范围范围54 cm260 s0.225 mm0.220 ms-10.001999.999 mmh-112048期马思敏等:宁夏六盘山区地面雨滴谱特征统计分析天气雷达以及卫星云图资料,对降雨类型进行了分类,包括6次层状云降雨(S)、14次对流云降雨(C)和
12、38次积层混合云降雨(SC)过程,挑选的降雨个例经数据质控后各站降水持续时间均30 min,由于对流云降水具有局地性,故挑选对流云降水个例的标准为3个以上雨滴谱站点观测到降水的个例。个例开始时间和结束时间分别是5个雨滴谱仪站点中最早和最晚观测到降水粒子的时间,具体降水个例见表3。此外,还根据六盘山区上空500 hPa气流场,将58次降雨过程分成东高西低型、西北气流型和平直气流型,其中东高西低型36次,占比最多,为60%,西北气流型为18次,占比32%,平直气流型为4次,占比最少,为7%。层状云和积层混合云中东高西低型占比最多,分别为83%和68%,而对流云西北气流型占比最多,为64%。1.2
13、数据质量控制受灵敏度和采样面积等因素的限制,激光雨滴谱仪资料应进行数据质量控制。由于前两个尺度通道(0.050.25 mm)的雨滴直径很小,很容易受到湍流和地面飞溅的影响,信噪比较低不可用22,直径8 mm的雨滴在自然界基本不存在3,所以在进行数据质量控制时剔除前两个尺度档和雨滴直径8 mm的数据,考虑到潜在的非降水样本,删除雨滴总数10或雨强积层混合云层状云,各站点R平均值分别为层状云0.32 mmh-1、积层混合云0.95 mmh-1、对流云2.9 mmh-1;在层状云和积层混合云降雨中,海拔最低的大湾站点的N最大,为103.7 m-3,其次是山顶的六盘山站点,为89.7 m-3,陈靳站点
14、数浓度最小,为48.1 m-3,可以看出,雨滴数浓度山顶和山底的较大,山腰较小;六盘山站点的R、Z较其他站点大,比R、Z最小的站点分别大0.21 mmh-1和6.15 dBZ,随着海拔高度的升高,东、西坡两侧的R、Z、Q逐渐增大;对流云降雨局地性较强,5个站点同时出现降雨的个例占57%,西坡陈靳站点R、N、Q均为最大,山顶六盘山站点的雷达反射率Z最大,东坡两个站点的Q、R、Z均比西坡两个站点小,各微物理量统计特征与海拔高度的相关性和层状云、积层混合云不一致。为了更好地研究雨滴尺度分布对降雨微物理参量的贡献,将雨滴按直径大小分为4类,第一类:D1 mm,第二类:1 mmD2 mm,第三类:2 m
15、mD3 mm,分别计算各类雨滴对数浓度N和雨强R的贡献。图5是不同云系降雨过程中各类雨滴的贡献,层状云和积层混合云结果比较相似,小雨滴占比最多,各站点的第一类小雨滴对数浓度的贡献均超过了80%,其中山顶六盘山和西坡陈靳站点占比较大,东坡惠台站点占比最小,第一类小雨滴对雨强的贡献也是最大的,均超过了50%;中等雨滴(第二类和第三类)积层混合云占比高于层状云降雨;第三类大雨滴六盘山站点占比最大,这也是其最大直径Dmax、质量加权平均直径Dm大注:Dave为平均直径(mm),Dmax为最大直径(mm),Dm为质量加权平均直径(mm),Dmode为众数直径(mm);LPS表示六盘山站,CJ表示陈靳站,
16、CG表示城关站,DW表示大湾站,HT表示惠台站;S表示层状云降雨,C表示对流云降雨,SC表示积层混合云降雨。下同。图3 不同云系降水粒子各直径统计特征Fig.3 Values of diameter parameters for raindrop spectra at different rainfall events120740卷干旱区研究于其他站点的原因。在对流云降水中,第一类小雨滴数浓度的贡献也是最大的,均超过了60%,其中山顶六盘山站点占比最小,然而第一类小雨滴对雨强的贡献却不是最大的,均在30%以下,第二类雨滴对雨强的贡献是最大的,山顶六盘山站点第四类大雨滴占比最大,对雨强贡献也最大
17、。2.2 不同降水性质的雨滴谱分布特征及Gamma函数拟合Gamma分布模型由于引入了形状参数,更接近真实雨滴谱分布情况,拟合效果优于M-P分布模型。由图6可以看出,层状云降雨的滴谱谱宽最窄,其中六盘山站点为6.5 mm最大,陈靳站点最小为3.75 mm;对流云和积层混合云降雨的谱宽较宽,均为 7.5 mm。层状云中,大湾站点在小滴端(D1 mm的雨滴数密度大于其他站点;西坡城关较陈靳站点海拔高度略高,东坡惠台较大湾站点海拔高度略高,惠台和城关站点的小滴端(D1 mm的数密度则大于陈靳和大湾站点。积层混合云中,六盘山站点在大滴端(D3 mm)数密度大于其他站点,而大湾站点在小滴端(D3 mm)
18、六盘山和陈靳站点数密度差异甚微,东坡的惠台和大湾站点雨滴数密度明显低于其他站点。总体来看,Gamma分布拟合效果呈现出层状云积层混合云对流云的特点,层状云和积层混合云相关性普遍在0.94以上,对流云除大湾站点相关性为0.84,其他站点均在0.93以上。利用3、4、6阶距法计算了Gamma函数的N0、三个参数,表 4 列出了各站点不同云系降雨的Gamma谱参数均值。N0为截断参数,普遍表现为层状云N0较大,对流云的N0最小,说明层状云小雨滴数浓度较多。斜率参数表征了雨滴谱拟合曲线的倾斜程度,即降水粒子浓度随直径增大而减小的速率,越小,曲线越缓,谱宽则较宽。在六盘山区,普遍层状云的较大,对流云最小
19、,积层混合云居中,这与实况观测到的层状云雨滴尺度较小、对流云雨滴尺度较大的事实相吻合。形状因子表征了拟合曲线弯曲特性,0曲线表现为向上弯曲,积层混合云对流云,在定义中,Dm=(+4)/,层状云的斜率最大,说明Dm最小,斜率与降水类型密切相关。2.3 不同降水性质的雨滴微物理特征参量分布雨滴质量加权平均直径Dm和广义截距参数Nw能反映雨滴的数浓度和尺度的总体情况29。为了比较六盘山区不同云系、不同地形位置的雨滴谱差异,统计了所有样本的Dm-Nw的分布,并且按照雨强大小进行了区分。图7为lgNw-Dm散点分布,可以看出:广义截距参数Nw表现为随着质量加权平均直径Dm的增加而减小,且散点集中区域在D
20、m较小的一端,说明尺度较小的雨滴占比多;随着雨强的增大,lgNw-Dm散点“向上向右”延伸,广义截距参数Nw和质量加权平均直径Dm均呈现增大趋势;同一站点,对流云和积层混合云的雨滴粒子的数浓度和尺度明显比层状云大;六盘山站点lgNw-Dm散点主要分布在lgNw0.54.5和Dm0.56.0,陈靳站点散点主要分布在lgNw1.24.5和Dm0.55.0,城关站点散点主要分布在lgNw1.34.4和Dm0.64.5,大湾站点散点主要分布在lgNw1.24.8和Dm0.564.1,惠台站点散点图5 各站点层状云(a)、对流云(b)、积层混合云(c)降雨中各类雨滴对数密度N、雨强R的贡献Fig.5 C
21、ontributions to number concentration N,rain rate R from different sizes of raindrops at each site:(a)stratiform rainfall;(b)cumulonimbus rainfall;(c)stratocumulus rainfall120940卷干旱区研究主要分布在lgNw1.54.5和Dm0.54.0,山顶较山脚站点lgNw-Dm散点“向下向右”延伸,这是由于山顶站点水汽充沛,雨滴的蒸发、破碎过程不明显,导致雨滴数浓度减小而平均尺度增大。2.4 不同环流形势的雨滴微物理参量特征不同降
22、水性质的雨滴谱特征存在显著差异,不表4 观测站点雨滴谱Gamma分布函数对应的拟合参数Tab.4 Fit parameters of the Gamma distribution function fitted to raindrop spectrum at the five stations站点六盘山陈靳城关大湾惠台层状云lgN010.312.012.123.913.914.719.118.640.223.725.429.435.375.136.3对流云lgN05.86.75.88.27.110.711.910.815.513.212.415.013.220.415.4积层混合云lgN08.
23、39.99.313.110.711.816.014.323.618.219.423.821.639.726.4图6 观测站点不同云系平均雨滴谱分布与Gamma拟合曲线Fig.6 Raindrop size distributions and Gamma-distribution fitting curves for different rainfall events at three stations12108期马思敏等:宁夏六盘山区地面雨滴谱特征统计分析同环流形势的雨滴谱特征也存在明显差异。我们根据500 hPa的大气环流形势,将58次降雨过程分为东高西低型、西北气流型和平直气流型3类,将5
24、个雨滴谱站点的所有样本进行平均后,其平均雨滴谱微物理参量如表6所示。由表6可以看出,三种环流形势中,西北气流型的各特征直径(Dave、Dmax、图7 观测站点不同云系降雨的lgNw-Dm的散点分布Fig.7 Scatterplot of lgNwversus Dmfor different rainfall events at three stations表5 观测站点雨滴谱Gamma分布-关系(=a2+b+c)拟合结果Tab.5 Fitting results for the-relationship of the Gamma distribution function at the sta
25、tions站点六盘山陈靳城关大湾惠台层状云a-0.00150.00080.0015-0.0003-0.0005b1.761.361.941.931.54c0.252.89-2.78-1.440.36对流云a0.00280.00150.00220.00090.0028b1.061.261.191.421.10c0.10-0.67-0.51-2.450.05积层混合云a0.00030.00020.00050.00020.0002b1.541.471.471.481.43c1.090.0040.270.150.05121140卷干旱区研究Dm、Dmode)及各微物理参量(N、Z、R、Q)均为最大,这
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