一次冰雹过程降水量观测对比分析

申高航 高安春* 王子悦 刘婷婷

(1 山东省临沂市气象局,临沂 276004; 2 山东省临沂市费县气象局,费县 273400)

引言

降水是自然大气中水循环的主要环节,反映了地球大气的动力、热力、水汽等多种要素的相互作用,其中包含有云降水微物理过程的复杂信息。作为一个重要气象观测要素,降水量观测历来受到气象工作者的重视,国内外曾多次进行降水测量仪器的比对试验。2007年10月至2008年9月,WMO在Vignadi Valle(Italy)开展了不同采样机制雨量计的比对试验,探索不同雨量计及其不同安装方式的测量误差,研究如何提高降水量测量的准确性[1-3]。我国也建立了标准雨量站网,任芝花等研究了该网的设置以及资料的获取情况,对比分析了中国降水测量的随机误差、沾湿与蒸发误差、风场变形误差[4-5]。双翻斗式雨量传感器和称重式雨量传感器是我国地面观测业务中广泛使用的2类降水测量仪器,由于工作原理不同,其测得的降水量也存在一定的差异。李林、倾鹏程等对翻斗雨量传感器和称重降水传感器进行了比较分析[6-9],发现两者在降雨量小的时段数据一致性较好,在雨量偏大的时段,会出现明显的误差。

目前,我国国家气象站已经大量布设DSG5等类型的降水天气现象仪,并在实时业务中代替人工观测,实现了降水天气现象观测的自动化,积累了大量的降水粒子谱观测资料,也为降水量的测量提供了一种新方法[10-15]。对降水粒子谱的观测和研究,不仅可以判断降水粒子类别、估算降水量,而且有助于加深对大气微物理过程的认识、改进和优化数值预报模式中的降水参数化方案、提高雷达定量估测降水的精度,为气象灾害评估和人工影响天气效果评估提供可靠的依据[16-18]。

从目前气象观测业务的实际来看,翻斗雨量计主要作为液态降水的测量工具;称重雨量计全年运行,冬季作为固态降水的主要测量工具,夏季辅助翻斗雨量计观测;DSG5等类型的降水天气现象仪全年运行,主要实现降水天气现象的自动化观测。这样,针对夏季同一个降水过程,一个国家气象站就可以获取3种时间分辨率为1 min的降水信息资料。充分挖掘这些高时间分辨率降水资料中蕴含的气象信息,可以为中小尺度天气系统的分析提供重要的技术支撑,有助于提高短临预报预警的水平,更好地发挥气象业务现代化建设的综合效益。

2020年6月1日下午至夜间,受高空槽和低层切变影响,山东省大部地区出现强对流天气,地处沂蒙山腹地的蒙阴县先后遭受到两轮冰雹袭击。本文以蒙阴县国家气象观测站翻斗雨量计、称重雨量计和DSG5型降水天气现象仪观测到的分钟降水资料为基础,分析了降雹对DSG5降水天气现象判断造成的干扰,基于DSG5降水天气现象仪判据对降水中的冰雹和雨滴进行了区分,分别计算了冰雹和雨滴形成的分钟降水量时间序列;对翻斗雨量计、称重雨量计和由DSG5计算的分钟降水量的时间序列进行了综合对比,探讨了不同降水量观测方法对冰雹过程降水的探测能力。本文拓展了DSG5降水粒子资料在气象观测业务中的应用,丰富了冰雹过程的观测信息,对比了不同降水量观测设备对冰雹过程的响应能力,有助于业务人员了解不同的雨量观测设备,从而更好的使用各种观测资料,加深对冰雹天气过程及其微物理机制认识,做好灾害性天气的预报预警服务。

1 设备、资料与方法

蒙阴县国家气象观测站所用翻斗雨量计和称重雨量计基本参数如表1所示:

表1 蒙阴站翻斗雨量计和称重雨量计基本参数

蒙阴县国家气象观测站DSG5型降水天气现象仪是一种采用现代激光技术的光学测量系统,它可以测量降水粒子的尺度和速度,并通过判据实现天气现象的自动观测与识别。DSG5型降水天气现象仪的结构如图1a,它的两侧分别是激光发射端和接收端,顶部有防溅罩遮盖,其间是取样激光束。取样激光束宽30 mm、长180 mm,距地高度2 m。图1b展示了降水天气现象仪边沿效应的问题,即降水粒子从激光束的边沿下落,只有一部分遮挡了激光束,这种情况下,降水天气现象仪测出的粒子直径要小,但下落速度不受影响。DSG5对粒子等效体积粒径测量范围为0.125～26.0 mm,划分到32个尺度区间;下落末速度测量范围为0.1～22.4 m·s-1,划分到32个速度区间。根据降水粒子直径和垂直下落末速度的关系,DSG5将降水粒子分为毛毛雨、雨(阵雨)、雪(阵雪)、雨夹雪(阵性雨夹雪)、冰雹和未知类型降水等6类。

图1 DSG5型降水天气现象仪的结构(a)和原理(b)

第i个尺度、第j个速度区间内降水粒子的体积数密度Ν(D,v)ij(个·m-3·mm-1)为[19-20]:

(1)

其中:n(D,v)ij为第i个尺度、第j个速度区间内降水粒子数,Di是第i个尺度区间的平均等效直径(mm),ΔDi是第i个尺度区间的宽度(mm),vj是第j个速度区间的平均速度(m·s-1),Δt是取样的时间间隔(s)。

降水强度R(mm·h-1)为[19-20]:

(2)

其中:π为圆周率,ρ为降水粒子的密度,本文中水密度取为1 g·cm-3,冰雹密度取为0.9 g·cm-3。Di为第i个尺度区间的平均粒子直径,N(D)i为第i个尺度区间的粒子个数,v(D)i为第i个尺度区间粒子的平均速度(m·s-1),ΔDi为第i个尺度区间的区间宽度(mm)。

雨滴末速度(V)与等效直径(Dle)的关系[16]:

V=9.65-10.3exp (-0.6Dle)

(3)

其中:Dle为雨滴粒子等效直径(mm)。

冰雹末速度(V)与等效直径(Dle)的关系[21]:

(4)

其中:Die为冰雹粒子的等效直径(mm)。

自然降水中的雨滴在直径超过5 mm时就极易破碎,DSG5降水天气现象仪用5 mm直径区分冰雹和雨滴,本文分析中采用这条判据。但考虑到在冰雹和雨水混合的降水过程中,由于冰雹的融化,可能存在更大的雨滴,但直径很难超过8 mm,分析中也采用8 mm作为辅助指标[19-20]。

2 冰雹天气概况

受高空槽和低层切变影响,2020年6月1日下午至夜间山东省大部地区出现冰雹天气,部分地区伴有8～10级雷雨大风和短时强降水。强冰雹主要出现在德州夏津至临沂蒙阴一线。本次强对流天气过程中,济南多普勒雷达观测到有两个超级单体先后影响蒙阴,蒙阴县先后遭受二轮冰雹袭击,并出现了大风、暴雨和短时强降水等灾害性天气。综合气象信息员的报告和各地反馈信息,蒙阴县第一轮冰雹开始于18:00左右,持续时间约30 min,最大冰雹直径约40 mm;第二轮冰雹开始于19:00左右,持续时间约10 min,最大冰雹直径约20 mm。冰雹影响到6个乡镇的111个村,农作物受灾面积5218公顷,直接经济损失19028.32万元。

从蒙阴县国家气象站的观测资料和备注信息看:蒙阴站两轮冰雹分别出现在18:24—18:41和19:29—19:34两个时间段内,中间间隔48 min;测站测量到的最大冰雹直径为35 mm。根据翻斗雨量计观测,第一轮降水量48.1 mm,第二轮降水量26.2 mm,都达到短时强降水的标准;过程总量74.3 mm,达到暴雨标准;最大风速出现在18:50,2 min平均风速为12.7 m·s-1。

3 不同设备冰雹过程降水量观测对比

3.1 翻斗雨量计和称重雨量计测量

图2a是两轮降雹期间(18:20—20:00)翻斗雨量计和称重雨量计观测的分钟降水量和气温时间序列折线图。图中两降水量折线走势和起伏基本相似,但称重雨量计观测的结果滞后翻斗雨量计6 min。和气温曲线对照,翻斗雨量计所测序列与气温变化比较吻合,降雹开始后,冰雹在下落过程中不断融化、吸收大量的热、气温陡降;称重雨量计所测时间序列明显滞后气温变化,特别是在18:55—19:00之间,对应称重雨量计所测的分钟降水量极大值,气温却有明显升高。

图2b是累积分钟降水量序列。图中表示两种设备的曲线变化非常一致,称重雨量计的结果比翻斗雨量计滞后6 min。第一轮降雹翻斗雨量计共测得48.1 mm降水,称重雨量计测得48.6 mm,称重雨量计偏多1.04%(0.5 mm); 第二轮降雹翻斗雨量计测得26.2 mm降水,称重雨量计测得27.1 mm,称重雨量计偏多3.44%(0.9 mm)。

调整时间延迟,制作两序列的气泡图2c。图中气泡大小代表两种设备分钟雨量的绝对差值大小,灰度表示分布点密度。总体上看,气泡主要沿对角线分布,说明翻斗雨量计和称重雨量计测量结果的一致性较好;当分钟降水量小于1 mm时,翻斗雨量计所测分钟降水量偏大;当分钟降水量大于2 mm时,称重雨量计所测分钟降水量偏大。这一结果说明较大冰雹需要一定的融化时间,不能立即被翻斗雨量计测量,而称重雨量计则不受影响。

在两序列的箱型图2d中,槽口最窄处的横线是分钟降水量中位数所在的位置,槽口最宽处的宽度对应信度95%的中位数置信区间,箱体的上下边分别是75%和25%分位数所在的位置,箱体上下的横线分别代表分钟降水量最大值和最小值所在的位置。图中,两箱体槽口平齐,中位数所在高度一致,说明两序列的分布一致;两箱体的分布和箱体上方虚线的长度还表明,翻斗雨量计分钟降雨量中位数以下至0.1 mm的计数较多,称重雨量计分钟降水量大于2.4 mm的计数较多;这与图2c的结果一致。总体来看,翻斗雨量计分钟降水量分布的峰度为1.6153,偏度为0.3977;称重雨量计分钟降水量分布的峰度为1.569,偏度为0.3972。两序列分布参数基本相近。

3.2 雨滴和冰雹的分离方法

DSG5的防溅罩可以减少打到上面的雨滴溅入取样激光束[19]。但降落在防溅罩上的冰雹不能像雨滴那样可以依靠表面张力附着在罩上,更容易滚入取样区域。从防溅罩边沿溅落的雨滴或滚入的冰雹,距离取样激光束的垂直距离很小(5 cm), 由重力作用获得的垂直速度较小(小于1 m·s-1),而且由于时间足够短,大小粒子的垂直速度非常接近;也有一些冰雹在防溅罩上发生弹跳后又落入取样区域,假设其弹起的垂直高度达到40 cm, 由重力作用获得的垂直速度也只有2.8 m·s-1(如果考虑相关阻力的情况,以上估算的速度还要小)。这样,在如图3所示的降水粒子速度-尺度谱分布图中,从防溅罩边沿溅落的不同大小的雨滴或滚入的冰雹,应该在纵坐标1 m·s-1以下,分布成平行于尺度轴的窄带;从防溅罩弹跳进入的冰雹,由于弹跳的高度差异,则在纵坐标1 m·s-1至2.8 m·s-1间零散分布。

图3 不同时间段蒙阴站降水粒子的速度-尺度谱特征:(a)18:24—18:52, (b)19:29—19:42, (c)18:35—18:40, (d)18:45—18:50(橘色实线是水凝物分类边界, 蓝色虚线-式(3),红色虚线-式(4))

鉴于DSG5型降水天气现象仪在实时业务中的普遍使用和其在天气现象识别方面的良好表现[22],本文以DSG5判据为基础,对第一轮降雹(18:24—18:52)、第二轮降雹(19:29—19:42),以及第一轮降雹中降雹最强的5 min(18:35—18:40)和降雹间歇的5 min(18:45—18:50),共4个时间段的降水粒子速度-尺度谱进行分析。

第一轮降雹的降水粒子速度-尺度谱图3a中,降水粒子主要集中在雨区和冰雹区,降水粒子数密度大值区基本沿雨区中的蓝色虚线和冰雹区中的红色虚线分布。另外,雪区和雨夹雪区的粒子数密度也较大。雪区中在MN虚线以下有一条明显的平行于尺度轴的窄带,表明有比较多的雨滴和冰雹从防溅罩边沿溅落或滚入采样区;由防溅罩弹跳入采样区的冰雹则零散地出现在雪区稍高的位置上。雨夹雪区的粒子主要分布在分区左侧,粒子直径小于5 mm的地方,向上紧接雨区;有些研究将该部分粒子判定为霰[19-20],考虑到实际天气状况,该部分粒子可能处于不同的融化状态,密度应当较接近雨滴的密度,本文将其并入雨区。

图3b是第二轮降雹的降水粒子速度-尺度谱。该时间段降雹较弱,冰雹数密度较小,降水粒子主要集中在雨区。被识别到雪区的降水粒子明显减少,在1 m·s-1纵坐标以下,平行横轴向右延伸的窄带变短变弱,说明雨滴溅射、冰雹滚入和弹跳效应明显减弱。

分别制作第一轮降雹中最强时间段和降雹间隙时间段的降水粒子速度-尺度谱(图3c和图3d),对比发现:图3c中在虚线MN以下出现了明显的窄带,说明在5 min的强降雹时段内,雨滴溅射、冰雹滚入和弹跳对DSG5的干扰很大;而相邻的冰雹间隙期(图3d)内(只有降雨),雪区的干扰几乎完全消失。

综合以上分析发现:从防溅罩边沿滚入和弹跳入采样区的冰雹粒子,对DSG5降水天气现象的识别产生严重干扰,而且,冰雹体积数密度越大、降雹越强,这种干扰就越严重。但是这些干扰粒子的垂直速度比自然降落的降水粒子速度明显偏低,主要被DSG5识别到了雪区。由于这些干扰粒子主要从采样区外进入采样区,本文在对DSG5降水粒子资料进行分析反演时略去了被识别到了雪区的粒子,既可以减少了DSG5降水天气现象仪的误判,又可以提高过程降水量的反演精度。另外,将毛毛雨区、雨夹雪区分布的粒子并入雨区处理。这样,就可以利用DSG5判据将降水粒子谱中的雨滴和冰雹分开,为研究降雹过程中雨滴和冰雹的谱分布及其时间变化、反演过程中由冰雹和雨滴产生的降水量提供了便利。

3.3 DSG5计算雨量与雨量计实测雨量的比较

将降雹过程中的雨滴和冰雹分开后,就可以分别计算雨滴和冰雹形成的降水量,分析比较降雹过程中雨滴量和冰雹量的时间变化,探讨冰雹的谱分布。这些信息有助于研究强对流天气的形成机理,分析强对流天气中的中小尺度系统的变化及影响。图4a是第一轮降雹期间(18:20—19:00),根据DSG5雨滴谱资料分别计算的雨滴和冰雹形成的分钟降水量。由图可见,该时段内降雹和降雨几乎同时开始,强降雹时段和强降雨时段对应,且主要位于强降雨时段的前部;分钟降雹量和降雨量都表现出很强的阵性特点;18:40之前,降雹量大于降雨量;18:40之后,降雹量明显小于降雨量,而且逐渐变小。统计分析表明:第一轮降雹期间,雨滴相当的降水量为26.03 mm,冰雹相当的降水量为20.44 mm,计算总降水量为46.47 mm,比翻斗雨量计实测(48.1 mm)小1.63 mm,偏少3.39%;总体来看,本文采用的分离雨滴和冰雹的方法、以及雨滴和冰雹降水量的计算方法具有一定的精度。

图4 2020年6月1日18:20—20:00蒙阴站DSG5计算和翻斗雨量计及称重雨量计观测的分钟降水量序列:(a)冰雹和雨滴分钟降水量,(b)冰雹和雨滴总量分钟降水量,(c)分钟降水量累积,(d)DSG5计算和翻斗雨量计实测分钟降水量相对分布气泡图

图4b比较了该时段翻斗雨量计、称重雨量计测量和DSG5雨滴谱资料计算的分钟降水量(冰雹和雨滴总量)时间序列。图中称重雨量计测量结果存在明显滞后。翻斗雨量计和DSG5雨滴谱计算结果变化趋势基本一致,但也存在明显差别:计算降水量的峰值比翻斗雨量计实测高,谷值比实测低,计算降水量表现出更强的阵性,而且其极值出现的时间比实测雨量略早;图中18:30计算雨量的峰值为3.51 mm,相应实测分钟雨量峰值出现在18:31,峰值为2.9 mm,时间上滞后了1 min,量级上少了0.61 mm; 18:32计算分钟雨量的谷值为1.45 mm, 相应实测分钟雨量谷值出现在18:34, 谷值为1.8 mm,时间上滞后了2 min,量级上高了0.35 mm,实测分钟降水量的振幅比计算雨量少了0.96 mm。

图4c是雨滴谱计算和翻斗雨量计实测分钟降水量的累积和序列。图中两曲线变化比较一致,18:45之前,由DSG5计算值略大于翻斗雨量计实测结果;18:45之后,翻斗雨量计实测结果明显超过DSG5计算值。分别利用Ansari-Bradley和Kolmogorov-Smirnov方法对序列分布一致性进行假设检验[23],结果都表明,雨滴谱计算、翻斗雨量计和称重雨量计实测分钟降水量服从同一连续分布(假设检验的信度大于95%)。

在DSG5计算分钟雨量和翻斗雨量测量分钟雨量的气泡图4d中,气泡主要沿对角线分布,说明DSG5计算的分钟雨量和翻斗雨量计实测结果具有较好的一致性;当分钟降水量小于1 mm时,翻斗雨量计所测分钟降水量偏大;当分钟降水量大于2 mm时,气泡对称地分布在对角线两侧,这种现象与翻斗雨量计测量冰雹降水的滞后有关。

综合以上分析可见:依据DSG5降水粒子分类判据可以分开冰雹过程中的雨滴和冰雹,分别计算出降雹量和降雨量,并且具有一定的精度。 DSG5计算的分钟降水量序列、翻斗雨量计和称重雨量计实测分钟降水量序列的总体分布具有较好的一致性,但在分钟雨量的瞬时变化方面存在明显差异。雨滴谱计算雨量能更好地反映冰雹降水的瞬时变化和阵性特点,但误差较大。翻斗雨量计承雨器的底部是孔径1 mm的过滤网,进入承雨器的冰雹受过滤网的阻挡,不能立刻进入翻斗进行测量,必须待其充分融化,对冰雹和雨滴混合的降水起了削峰填谷的作用,使测量得到的分钟雨量阵性幅度变小,变化时间滞后。称重雨量计消除误差波动使用的算法使得其测量结果明显滞后[24]。

4 结论

受高空槽和低层切变影响,2020年6月1日18:00—20:00,蒙阴县出现了冰雹天气。本文分析了降雹过程中DSG5探测的降水粒子谱特征,探讨了降雹对降水天气现象识别造成的干扰和在降水中区分雨滴和冰雹的方法,分别计算了雨滴和冰雹形成的降水量。对过程中翻斗雨量计、称重雨量计测量和由DSG5计算的降水量进行了综合比较。

(1)冰雹易于从DSG5防溅罩边沿滚入或在防溅罩上弹起后重新落入采样区,对降水天气现象的判断产生严重的干扰,干扰粒子一般被DSG5识别到雪区。基于DSG5判据可以把降水中的冰雹和雨滴区分开,分别计算其形成的降水量。

(2) 翻斗雨量计、称重雨量计测量和由DSG5计算的过程分钟降水量序列总体上服从同一个连续分布,具有较好的一致性。

(3) DSG5降水天气现象仪能更灵敏和快速地侦测到降水的起始、结束时间,更准确地反映降水强度随时间的变化,为中小尺度天气系统的研究提供精准的降水变化信息;翻斗雨量计和称重雨量计对冰雹过程分钟降水量的观测存在一定的缓冲,不能准确描述分钟降水量的实时强度的变化;称重雨量计观测的冰雹过程分钟降水量序列存在明显的滞后。