关中地区对流性降水雨滴谱特征分析

宋嘉尧,罗俊颉,梁 谷,王天祥

(1.陕西省人工影响天气办公室,西安 710014; 2.中国人民解放军61243部队,兰州 730000)

关中地区对流性降水雨滴谱特征分析

宋嘉尧1,罗俊颉1,梁 谷1,王天祥2

(1.陕西省人工影响天气办公室,西安 710014; 2.中国人民解放军61243部队,兰州 730000)

为了研究关中地区对流性降水微物理特征的差异,对ParSivel激光降水粒子谱仪2012年夏季的观测结果进行统计分析。选取2012年7月13日和30日两个天气过程,分析了对流性降水雨滴谱时间演变特征、雨滴谱分布、平均直径、众数直径、优势直径、中数直径等参数特征,对对流性降水雨滴速度和直径的关系进行了讨论。结果表明:关中地区对流性降水雨滴谱分布符合伽玛分布;雨滴在0.5～2.0 mm之间的粒子约占总降水的80%;平均直径均大于1.15 mm,优势直径均大于1.5 mm,平均体积直径均大于1.2 mm,中数体积直径均大于1.5 mm;雨滴末速度同直径具有指数关系。

雨滴谱;对流性降水;激光降水粒子谱仪;关中地区

对流性降水的形成不仅涉及到云动力学,同时也涉及到云微物理的变化。通过对宏观动力场与云降水微观物理过程相互作用的研究,有助于提高对人工影响天气的科学认识。雨滴谱观测是微观云降水物理研究的重要内容之一。研究雨滴谱的分布可以分析自然降水的微物理结构及其演变特征,有针对性地设计播云方案,对提高人工影响天气的科学作业水平有很重要的意义[1-2]。我国从20世纪60年代就开展了雨滴谱的研究工作。早期采用色斑法测量雨滴粒子的直径,该方法获取的资料精度较高,但数据处理非常困难。90年代以后,随着大气科学的发展与电子科学的进步,人们逐步利用新型的光电、声电雨滴谱测量仪器开展雨滴谱相关研究[3-5]。德国OTT公司生产的ParSivel激光降水粒子谱仪是以激光为基础的新一代高级光学粒子测量器及气象传感器,可同时测量降水中所有液体和固体粒子的尺度和速度。本文利用设在陕西省西安市长安区气象站的ParSivel激光降水粒子谱仪在2012夏季观测的数据,分析关中地区对流性降水雨滴谱特征,并对雨滴粒子落速与直径的关系进行讨论。

1 资料来源

ParSivel激光降水粒子谱仪(为阅读方便,下文均以雨滴谱仪代替)是一种基于现代激光技术的光学测量系统,可以测量降水强度为0.001～1 200 mm/h的各类型降水。粒径的测量范围为0.2～25 mm,粒子速度范围为0.2～20 m/S,分别有32个尺度档和32个速度档;每个采样样本中的粒子谱测量数据都有32×32 =1 024个。在实际观测中,液态降水的直径范围为0.2～5.8 mm[6],故本文对观测记录中直径大于5.8 mm的数据,认为是由雨滴重叠造成的仪器观测误差,可在分析过程中予以剔除。2012年5月,陕西省气象局在长安气象站布设了雨滴谱仪,开展了对关中地区的雨滴谱观测,采样时间设为1 min。2012年6—10月,观测到了10次完整的降水过程。其中,由对流云系引起的对流性降水2次,分别为7月13日和30日。本文将利用这两日的雨滴谱资料进行分析。

2 天气背景

2012年7月13日08时(北京时间,下同) 500 h Pa高空图上(图略),欧亚中高纬度呈两槽一脊,贝湖冷空气在巴湖形成切断低压,陕西省中北部受脊前西北气流控制,14时地面图上,该地区处于大范围低值区中,受上述系统影响,陕西省关中地区午后出现对流性降水。长安站降水时段为16:57—19:52,累计降水量30.2 mm。从西安多普勒雷达组合反射率 (37号产品)回波图(图1a)看,雨滴谱仪所在位置(图中黄色五角星号标注位置)正处于雷达回波强中心点,回波最大强度在65 d Bz左右,剖面显示强回波顶在10 km左右(图1b)。

2012年7月30日,受切变和副高外围偏南暖湿气流的共同影响,陕西中南部地区出现对流性降水。长安站降水时段为17:38—00:24,累计降水量13.5 mm。图2a为30日19:01西安多普勒雷达组合反射率回波,图2b为强中心的垂直剖面图。可以看出,对流云团向东北方向移动,雨滴谱仪所在位置正好在对流云团移动路径上,雷达回波强度达55 dBz,强回波顶为5 km左右。

3 结果分析

3.1 雨滴谱时间演变特征

图3为7月13日对流性降水过程分钟雨滴粒子数浓度及分钟平均直径的时间演变图。由图3可得,7月13日的降水过程集中在16:59—18:23这段时间。开始仪器观测到雨滴粒子数浓度很小,缓慢增大至500 m-3后又突然降低,随后在10 min内陡然增大至2 000 m-3以上,后又缓慢下降。说明此时正处于对流云团快速发展至成熟,雨滴粒子快速碰并增长随后下落破碎的过程。相对雨滴粒子数浓度,此次对流性过程的雨滴粒子平均直径的变化较平稳,分钟平均直径大于1.0 mm的雨滴粒子所占比例大,只有在降水临近结束时平均直径才突然下降至0.5 mm以下。

图4为7月30日对流性降水过程分钟雨滴粒子数浓度及分钟平均直径的时间演变图。可以看到此次降水过程并不连续,阵性降水特征明显,这与雷暴单体同观测点的相对位置及其移动有关。相比7月13日的过程,此次降水持续时间较长,但强度较小,整个过程的雨滴粒子数浓度在20:00和21:40出现了两次峰值,最大峰值仅为800 m-3。同时,此次过程雨滴平均直径相比13日过程略小,平均直径0.5～1.0 mm的雨滴所占比例大。结合两张图发现,对流性降水过程刚开始时,均有雨滴粒子较大但雨滴粒子数浓度小的特点。随着降水过程的结束,雨滴粒子分钟平均直径和粒子分钟数浓度均会下降。在变化趋势上,雨滴粒子直径会随粒子数浓度的大小有一定起伏,但并不明显。

人工影响天气作业时机的选择很重要,对对流云而言,在云发展成熟,即粒子数浓度增长至最大值之前进行催化,可以有效提高云内上升气流,推迟云成熟时间,从而增加降水量,减少降雹可能[7]。从上述两次个例分析可以看出,关中地区对流云从产生有效降水至云发展成熟,仅有大约10～20 min时间。而这段时间正是对流云催化的关键时机。

3.2 雨滴谱分布及微物理特征

MaShall和Palmer[8]经过研究发现雨滴谱的分布一般呈指数分布(M-P分布),表达式为N(D)=n0e-λD;也有学者[9]用伽玛分布拟合实际雨滴谱,表达式为:N(D)=n0Dμe-λD。其中, N(D)为1 min采样时间内单位面积不同直径档的雨滴粒子数,n0为常数,λ、μ为参数,D为雨滴直径。在实际观测中,由于雨滴会受到风及大气湍流的影响发生破碎、蒸发和碰并,从而造成雨滴谱分布存在差异性,在对流性降水中差异尤其显著。图5及表1给出了7月13日和30日两次降水雨滴谱拟合结果,实线为M-P分布拟合曲线,虚线为伽玛分布拟合曲线。可以看出,对流云系地面降水的雨滴谱采用伽玛分布进行拟合的结果较好,在大滴端较M-P分布有更好的精确度。

为了进一步揭示雨滴的尺度与降水之间的关系,表2给出了各直径区间雨滴对地面降水的贡献情况。四个直径档位区间分别为0.2～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm和2.0～3.0 mm。由表2可见,对流性降水中地面直径为0.2～0.5 mm的雨滴偏少,仅占总数浓度的10%～15%,直径为0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm的雨滴是地面降水的最主要贡献者,二者所占比例约为80%,直径为2.0～3.0 mm的雨滴约占5%～10%。

在雨滴谱特征分析中,对雨滴直径的各种统计特征的研究是必不可少的[10-11]。表3给出了文中所列的雨滴直径特征量的计算方法,其中,Dm为平均直径、Dmax为最大直径、Dd为众数直径、Dv为平均体积直径、Dp为优势直径、Dnd为中数直径、Dn为中数体积直径。根据数学表达式,计算出了两次对流性降水的微物理特征参量值,见表4。

13日降水过程虽然持续时间相对较短,样本个数相对较少,但雨滴粒子平均数浓度较大,8个直径特征统计值中除了中数直径,其他值均大于30日的特征值,说明粒子粒径大,过程中大于1.0 mm粒子所占比例较大;而30日虽然降水持续时间较长,长安站实测雨量却较小。过程中直径0.5～1.0 mm粒子所占比例大。这两次过程雨滴谱的平均直径均大于1.15 mm,优势直径均大于1.5 mm,平均体积直径均大于1.2 mm,中数体积直径均大于1.5 mm。与文献[12]中对流性降水雨滴谱特征较为一致,即认为雨滴谱的平均体积直径大于1.20 mm和中数体积直径大于1.5 mm的降水是对流云降水。

3.3 雨滴落速与拉径关系

ParSivel激光雨滴谱仪可以探测到不同直径区间粒子的下落末速度。这是人工模拟降雨跟自然降雨相似性研究的重要因子,同时也是滤纸观测法获取不到的数据。雨滴落速是在雨滴从高空竖直落到地面的过程中,受到重力和空气阻力的共同作用,雨滴在下落一段距离后就做匀速运动。根据雨滴谱观测到的速度与直径大小,综合力学上雨滴下落速度计算原理,对二者间关系进行拟合。

图6是两次对流性降雨的粒子落速v与直径D关系图。实线为BeSt[13]根据实验数据给出的海平面正常大气条件下(1 013 hPa,20℃)雨滴末速度同直径的经验关系模拟曲线,即:v= A0{1-exp[-(D/a)n]},其中A0、a和n均为常量。+++线为降水过程中所有雨滴粒子实测下落速度同直径的拟合曲线。如图,大部分雨滴粒子主要分布在小尺度的区域内,且同BeSt经验关系偏差较大,可见BeSt经验关系的模拟值不适用于关中地区对流性降水的速度模拟。对实际降水的速度v同直径D进行拟合后发现v-D具有一定的指数相关关系,即:v=a D6。拟合度,即相关系数的平方R2均大于0.8。由图可知两次对流性过程v-D关系的系数a和指数6相差不大,关系式分别为:v=5.16D0.43和v= 5.12D0.44。

4 结论

利用长安站ParSivel激光降水粒子谱仪的观测资料,对2012年夏季2次对流性降水过程的滴谱变化特征进行了分析,初步得到如下结论。

(1)两次对流性降水雨滴谱采用伽玛分布拟合结果较好,在大滴端有更好的精确度。

(2)粒径在0.5～2.0 mm之间的粒子为关中地区对流性降水的最主要贡献者,所占比例约为80%;直径0.2～0.5 mm和2.0～3.0 mm的粒子比例约占20%。

(3)两次过程雨滴谱的平均直径均大于1.15 mm,优势直径均大于1.5 mm,平均体积直径均大于1.2 mm,中数体积直径均大于1.5 mm。基本符合对流性降水的雨滴谱参量值特征。

(4)两次对流性过程速度与直径具有指数关系,分别为v=5.16D0.43和v=5.12D0.44,拟合度均大于0.8。

(5)本文研究对人工影响天气作业时机的把握具有一定指导意义,但仅对两次对流性降水的雨滴谱特征进行了分析,样本数较少。随着观测资料的补充,今后应研究更多的样本,使结果更具代表性。

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P426.6

:A

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1006-4354(2015)05-0015-06

2014-12-19

宋嘉尧(1984—),女,汉族,甘肃兰州人,硕士,工程师,主要研究方向大气物理。

陕西省气象局科技创新基金计划项目(2012M-48);陕西省气象局研究型业务重点科研项目(2012Z-13)