一次层状云降水过程中微雨雷达探测精度分析

2021-05-10党张利常倬林米勇平

宁夏工程技术 2021年1期

党张利，常倬林*，曹宁，米勇平，王敏

（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.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002；3.宁夏人工影响天气中心，宁夏银川 750002）

我国幅员辽阔，降水分布不均，国内对于降水结构特征以及时空变化的研究众多。雨滴谱是雨滴数浓度随雨滴尺寸的分布变化，对于了解降水微物理过程，改进数值模式，改进降水参数化方案，提高降水预报准确度具有重要作用。华云雨滴谱仪是目前国内观测雨滴谱分布的重要手段，但其仅能观测单点某一高度上的雨滴谱分布，无法观测不同高度的雨滴谱，相关研究也比较少。20 世纪90 年代以来，微雨雷达的出现对于雨滴谱、定量降水估计和降水微物理结构特征研究具有重大意义，微雨雷达是一种垂直指向的调频连续波多普勒雷达，能够连续测量不同高度降水特征量和雨滴谱的分布特征。近年来，国内学者针对不同降水类型下微雨雷达的变化特征进行了研究。温龙等[1]根据微雨雷达反演结果发现，微雨雷达对层状云降水过程的探测能力优于对流云降水过程；杨文霞等[2]对河北层状云进行了分析，发现云内粒子下落速度由高空向地面逐渐增大；崔云扬等[3]对河北冷锋云系进行了分析，发现降水在云内和云外受不同微物理过程影响，垂直变化特征不同；曹宁等[4]对六盘山区山脊和山谷不同类型降水过程中的云微物理特征进行了分析，发现六盘山区三类降水云山脊的反射率及反射率衰减程度均高于山谷。针对微雨雷达反演结果的准确性，国内学者在不同地区将微雨雷达的反演结果与雨量计、雨滴谱仪结果进行对比分析。其中，宋灿等[5]对观测资料、微雨雷达和雨滴谱仪3 种数据进行对比分析，发现雨滴谱仪和微雨雷达观测降水强度的相关性较好，微雨雷达对于小粒子反演效果较好；王洪等[6—7]对微雨雷达和雨滴谱仪数据进行对比，也发现两者相关性较好；王洪等[6]还利用数值模拟，针对济南市一次降水过程，对微雨雷达与THIES 雨滴谱仪数据进行对比，发现微雨雷达与THIES 雨滴谱仪的雷达反射率因子、雨强、雨滴数浓度、雨滴中值体积直径变化趋势和幅度相近，且低层对液滴直径反演的影响大于高层；崔云扬等[3]对100，200，300 m 高度处的微雨雷达、雨滴谱仪和雨量计数据进行对比，发现微雨雷达、雨量计及雨滴谱仪累计雨量结果较为接近，且趋势一致，其中，微雨雷达在200 m 高度处雨强值与地面雨滴谱仪雨强值偏差最小，平均偏差为0.05 mm/h，相关系数为0.93；相比雨滴谱仪，微雨雷达雷达反射率因子和雨滴有效直径结果偏小，雨强与液态水含量结果接近，雨滴数浓度差别较大；微雨雷达观测到的小雨滴数浓度出现高估，大雨滴数浓度出现低估，中雨滴数浓度较为一致；微雨雷达在100 m 处雨滴谱和特征量均与雨滴谱仪观测结果偏差较大，可能是由于受到近地层的干扰。

宁夏使用微雨雷达刚刚起步，研究成果不多。本文利用六盘山地形云野外科学试验基地布设在六盘山气象站和大湾人工影响天气标准化作业点的微雨雷达，对六盘山区一次不同高度上层状云降水过程进行分析，探索六盘山地形影响下不同高度雨滴谱的变化特征，对进一步发掘六盘山地形条件下人工影响天气潜力提供依据。

1 研究资料与方法

研究利用2019 年9 月11—13 日六盘山区一次典型层状云降水过程中六盘山气象站、大湾人工影响天气标准化作业点的微雨雷达观测资料，分析六盘山区雨滴谱垂直分布特征。六盘山气象站位于北纬35°40′，东经106°12′，海拔高度2 842 m，接近700 hPa 高度，是国家基准气候站，具有代表性。大湾人工影响天气标准化作业点位于泾源县，处于六盘山东坡山腰。

微雨雷达可以定量反演雷达上方的降雨率、雨滴谱分布、雷达反射率、水滴下落速度及其他降雨参数的垂直廓线，探测的垂直分辨率为150 m，时间分辨率为10 s，最大测量距离为4 650 m，其主要参数见表1。

表1 微雨雷达主要参数

2 结果与分析

2.1 降水过程概况

由2019 年9 月11 日08：00 500，700 hPa 环流形势图（图略）可以看出，整个欧亚范围内为两槽一脊形势，巴湖前为一大槽，宁夏处于槽底平直西风气流中，其上游存在弱暖脊，受槽底东移扩散冷空气影响，再加上高空西风急流，冷空气势力较强，宁夏北部有冷空气侵入，配合高原的暖湿空气，产生降水天气过程。宁夏处于暖舌中，暖湿空气较为充沛，至11 日20：00 北部高空槽东移接近10 个纬度，宁夏处于槽底偏西气流中，700 hPa 与500 hPa环流场基本一致，表现出深厚的冷空气。从12 日20：00 500 hPa 环境形势图（图略）中看出，冷空气势力强，降温剧烈，700 hPa 冷暖切变线位于宁夏南部，从西北方向南下的强冷空气主体南压到北纬30°，高空急流位于北纬30°～45°，13 日500 hPa 以偏南风水汽输送为主，700 hPa 也以偏南风水汽输送为主，存在切变线，13 日20：00 系统持续发展，高、低空均有西南风水汽输送，700 hPa 切变线较显著，在此环流背景影响下，降水开始发展。六盘山气象站出现了46.3 mm 的累计降水，降水从11 日19：00 开始，在12 日12：00 小时雨量达到峰值，为8.6 mm，从小时雨强数据看，降水呈先增多后减少，再增多，最后停止的过程，在12 日11：00—14：00，12日21：00 至13 日00：00 降水量稍偏大。

2.2 降水过程微雨雷达、雨滴谱仪、雨量计对比

六盘山气象站微雨雷达、雨滴谱仪在同一高度上安装，相距不到10 m，雨量计安装在六盘山气象站观测场内，高度低于两个特种观测仪器，相距几十米，3 种仪器安装海拔高度一致。为了更直观地分析微雨雷达、雨滴谱仪两种特种观测仪器对雨量的观测误差，通过图1 描述两种仪器与雨量计实测数据之间的差值。在12 日08：00 之前，雨量计观测到22 次0.1 mm 的微量降水。微雨雷达对于12 日08：00之前的降水量观测次数大于22 次，大部分0.1 mm的降水量都能提前观测，在时间上提前了5～15 min，对于降水累计量微雨雷达的观测结果均小于0.1 mm。雨滴谱仪对于0.1 mm 的降水量基本既没有预示也没有观测到。分析11 日17：05 至12 日08：00 的156 个样本，发现累计降水量为0.1 mm 的观测次数出现22 次，微雨雷达在150 m 高度处反演出25 次降水，比雨量计的14 次降水提前5～10 min，在300 m高度处反演出12 次降水，在450 m 高度处反演出9次降水，在300～450 m 高度处降水均出现在雨量计观测之前，雨滴谱仪反演出0 次降水，对微量降水敏感性较弱。12 日10：10 至14：10 出现连续降水，随着降水量的增加，微雨雷达与雨量计的降水量差距越来越大，当降水量≥0.4 mm 时，在300 m 高度处微雨雷达降水量更接近雨量计实测值，而在150 m高度处微雨雷达降水量比雨量计实测值偏低，在450 m 高度处微雨雷达降水量比雨量计实测值偏高，当降水量超过0.5 mm 时，微雨雷达反演误差增大，从降水开始减弱时，在150～450 m 高度处微雨雷达反演结果均小于雨量计观测值，这段时间由于雨滴谱仪故障，其未能观测到降水。12 日14：55 至12 日18：55 降水断断续续，10 min 内均会出现降水，微雨雷达和雨滴谱仪均反演出连续降水，但量值小于实测值；12 日20：20 至13 日04：35 出现小于0.5 mm 的降水，雨滴谱仪和微雨雷达反演的降水量均小于实测值，82%的样本的差值在0.1 mm范围内。

图1 9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盘山气象站微雨雷达、雨滴谱仪、雨量计5 min 累计降水量的时间序列图

2.3 微雨雷达和雨滴谱仪的相关性

9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盘山气象站微雨雷达与雨量计5 min 累计降水量散点图见图2。从线性拟合结果看，150 m 高度处，降水量越小微雨雷达反演结果越好，随着降水量的增加反演结果越差；300 m 高度处，当降水量在0.4～0.6 mm，微雨雷达反演的降水量与实测值基本吻合，当降水量大于0.6 mm 时，反演结果偏差较大；450 m 高度处，降水量在0.4 mm 左右，微雨雷达反演结果与实测值基本吻合。对微雨雷达与雨量计5 min 累计降水量的相关系数和均方根误差分析结果表明，150 m 高度处两者的相关系数为0.767 4，均方根误差为0.732 2；300 m 高度处两者的相关系数为0.817 6，均方根误差为0.402 0；450 m 高度处两者的相关系数为0.811 5，均方根误差为0.492 5，这与崔云扬等[3]在河北邢台对微雨雷达和雨滴谱仪比较结果一致，即300 m 高度处微雨雷达反演降水量更接近于实测值。以上结果表明，微雨雷达安装的海拔高度不会对降水的反演产生影响，150 m 高度处降水反演的误差主要受下垫面影响。微雨雷达和雨滴谱仪时间分辨率均为1 min，因此，利用1 min 数据可对微雨雷达的可靠性进行验证。

图2 9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盘山气象站微雨雷达与雨量计5 min 累计降水量散点图

由于六盘山气象站雨滴谱仪观测资料的缺失，仅对六盘山气象站和大湾人工影响天气标准化作业点微雨雷达和雨滴谱仪进行对比，发现两者每分钟降水量都能表现出提前预示，且两者之间表现出一致的变化（图略）。由9 月11 日20：00 至13 日08：00 大湾标准化作业点微雨雷达和雨滴谱仪的雨强散点图（图3）发现，3 个高度层微雨雷达与雨滴谱仪的雨强偏差较小，均方根误差均在2.0 mm/h 以内，两种仪器的相关性较好。

图3 9 月11 日20：00 至13 日08：00 大湾人工影响天气标准化作业点微雨雷达与雨滴谱仪雨强散点图

2.4 降水个例分析

9 月11 日20：00 至13 日07：00 六盘山降水累计量为46.3 mm，最大雨强出现在12 日12：00，值为8.6 mm/h；最大反射率、降水率均提前于最大雨强，最大值分别为38 dBZ，12 mm/h；降水量开始于11 日20：00，微雨雷达雷达强度、雨强、液态水含量和下落末速度没有明显的跃增，12 日08：00 和20：00 跃增明显，但12 日08：00 液态水含量、下落末速度对于降水的变化较小，20 日20：00 下落末速度的变化范围增大（图4）。