第3期(总第96期) 2011年9月 山 西 气 象 No.3(Sum No.96) Sep.2011 SHANXI METEOROLOGICAL QUARTERLY 次层状云降水空中 地面雨滴谱特征观测研究 一封秋娟 ,李培仁 ,申东东 ,余小红 (1山西省人工降雨防雹办公室,山西太原030032;2.山西省气象干部培韧I中心,山西太原030032) 摘要:利用2010年5月27日,祁县、介休一次层状云降水过程中地面、空中观测的雨滴谱资料,分析了山西层状云 降水过程中地面、空中雨滴谱特征,并对地面和空中雨滴谱进行比较。 关键词:地面雨滴谱;空中雨滴谱:层状云 中图分类号:P 426.5 文献标识码:A 0引言 程在6个观测点进行雨滴谱取样,通过对比不同站 雨滴谱(RSD)是降水最基本的微物理特征量, 是雨滴数浓度随雨滴尺度变化的函数。通过研究雨 滴谱,可以更深入地认识降水的微观物理过程和宏 观动力结构,对于更清楚地认识降水的发展演变过 程,揭示层状云中的降水机制,具有重要的现实意 点的资料,分析了层状云降水的特点,并得出了当地 的z—R关系。胡娅敏等_7_对河南省临颖和孟津2 个测站在一次层状云降水天气下利用色斑法获取的 地面雨滴谱资料进行对比,分析了锋前锋后的雨滴 谱特征。李娟和游来光[81等通过对玛曲地区雨滴谱 的分析,推测出玛曲当地的雨滴尺度普遍比较大。 刘红燕 利用声雨滴谱仪器测量得到的雨滴谱资 料,结合降水云的结构将降水云系划分成为对流云 降水云系和层状云降水云系两类,通过分析这两类 义。我国从20世纪60年代开始对地面雨滴谱进行 观测和研究,利用地面雨滴谱连续观测资料,对不同 地区、不同类型的雨滴谱分布形式分类分析,进而分 析降水特征和形成机制。宫福久等[1】利用GBPP一100 型地面雨滴谱仪在沈阳夏季测得的积云、层状云和 积层混合云的降水资料,分析了三类降水云系的雨 滴谱的谱型、微结构参量及其短时变化特征。樊玲 等[2-3]利用GBPP一100型地面雨滴谱仪资料分析了 降水云系中的稳定雨滴谱各种特征直径(平均直径、 众数直径、平均体积直径、优势直径、中数直径和中 数体积直径)、峰值结构和z—R关系等特征参量, 进一步提出划分降水云系的判据。从上述前人的工 作中可以看到,雨滴谱特征参量的研究对于认识不 同天气系统的降水特性,深入探讨降水理论和雨滴 谱的实际应用都具有重要的意义。 本文采用Parsivel激光降水粒子谱和机载云物 理探测系统二维降水粒子图像探头PIP (Precipitation Imaging Probe)连续观测2010年5月 哈尔滨地区春夏季层云、积云降水的雨滴谱分布特 征。周毓荃 等利用唐河站17次降水资料分析了 河南省干旱年的地面雨滴谱特征。牛生杰}5l等利用 1982年一1984年在7个气象站200次观测获取的 6053份滴谱资料,分析了宁夏雨滴谱及有关物理量 的特征,并给出了不同雨强条件下的平均谱分布及 谱参数的演变以及对降水有影响的3种环流形势下 平均滴谱的特征,在此基础上,分别建立了雷达反射 率因子z与雨强、雨滴落地动能通量和雨水含量之 27日,祁县、介休一次层状云降水过程地面、空中雨 滴谱资料,研究层状云降水特点和空中雨滴谱的变 化机制,建立地面雨强与雷达反射率因子、雨水含 间的相关关系。石爱丽、郑国光[61采用滤纸色斑法 对2002年10月17 Et一20日河南省层状云降水过 收稿日期:2011—05—25 量、雨滴数浓度、Gamma分布的谱参数的相关关系, 探讨空中雨滴的变化机制,为数值模拟和实际应用 提供基础理论,完善人工增雨的科学理论依据。 1资料的获取 作者简介:封秋娟(1982一),女,江苏杨州市人。2007年毕业于南 京信息工程大学大气物理学与大气环境专业,工程师。 此次观测在山西祁县、介休进行,并在地面、空 中同时采集雨滴样本,获得了同一次降水过程中的 山 西 气 象 2011年第3期 地面、空中雨滴谱资料。地面雨滴谱的观测采用德 国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子谱,该仪 器的数据共有32个尺度测量通道和32个速度测量 通道,其中粒子尺度测量32个通道对应的数据范 围为0.2 mm~25mm,实际测量中,前两通道无数 据;粒子速度测量通道数据范围对应着0.2 m,8~ 20 m/s。空中雨滴谱观测采用美国DMT公司生产 的机载云物理探测系统二维降水粒子图像探头 PIP,PIP可以显示每档雨滴或雪晶等降水粒子的个 数,并计算出降水粒子的总浓度、液态含水量及降水 粒子中值体积直径、有效直径。通过PIP探头的图像 资料可以进行粒子相态和形状的判别。PIP量程从 100 m到6200IX m,分62档,每档的直径间隔为 100 m。 空中雨滴谱共采集6949个样本,在空中观测时 间段内,地面利用激光雨滴谱仪进行雨滴谱观测,取 样间隔时间是1min,地面雨滴谱共258个样本。 表1 2010年5月27日观测资料 样本个数 观测时间 取样时间间隔 观测地点 探测飞机为运一12,飞行区域为祁县、介休上 空,9时11分飞机从太原武宿机场起飞,本场小雨, 起飞后垂直爬升飞往祁县,9时34分到达祁县,高 度5600 m(未到云顶)。随后保持高度5600 m折线 飞往介休并作业,9时55分从介休保持5600 irl平 飞往祁县回穿作业云,10时04分在祁县盘旋下降 600 m后保持5000 m平飞到介休,10时17分在介 休盘旋下降600m后保持4400 m平飞到祁县,10 时29分在祁县盘旋下降600 m后保持3800m平 飞到介休,10时44分从介休返航回太原。根据飞行 记录返航途中2100 ITI高度左右飞机出云,1 1时l9 分降落。 图1 2010年5月27日飞行轨迹图 2天气背景 2.1高空形势 2010年5月26日08时,500 hPa图上,从巴尔 喀什湖移入的冷空气在东北部与蒙古西部交界 处形成一冷性低涡,其向南伸出两个槽线,东部槽线 位于河西走廊一带,西部槽线则在东南部。在 700 hPa中层冷涡前移至河套顶部,其槽线经河套地 区向西南伸至四川中部地区。在850 hPa低层从四 川省东部向北伸出一冷性倒槽,河套顶部有-JJ,涡, 山西处于此倒槽前部。 2010年5月27日08时,在500 hPa高空图上, 冷涡加强东移至蒙古中部,其南向的两条低槽合并 为一条低槽经蒙古南部河套西部伸至四川南部,山 西处于槽前西南气流控制之中。在700 hPa图上,冷 涡略向北抬强度增大,其向南低槽经蒙古东部、河 套东部、陕西南部至四川东部地区,山西处于槽前偏 南气流当中。在850 hPa图上,小型冷涡向北移至蒙 古中东部,26日08时的倒槽被中心位于东北的高 压切断,山西处于此高压控制的东南气流之中。 2.2地面形势 2010年5月26日08时,地面图上与850 hPa 形势类似,中心位于四川中部的倒低压向北伸展至 河套顶部,山西处于低压前部,在山西中南部地区雨 区由西往东逐渐发展。2010年5月27日08时,在 蒙古中东部地区有一低压中心,长江以南为一倒低 压区,朝鲜半岛有一高压中心其向西发展延伸控制 了河套、黄淮地区,山西全境处于此高压控制之中, 全省下了小到中雨。2010年5月26 El 1 1时,南北 低压带稳定少变,中部高压继续向西扩展,山西全省 下了小雨局部中到大雨。 2.3地面降水 2010年5月26日一5月27 El,山西出现全省 范围的连续性的小到中雨,全省降水量为4.7 mm~ 40-3 mm,最大出现在芮城站。2010年5月26日08 时运城先出现小雨,l7时系统东移山西中南部大部 分地区降小雨,2010年5月26日17时一5月27日 20时为全省范围的小到中雨,5月27日23时全省 降水基本结束。5月27日探测时间段(9时l 1分 一11时19分)空中的主要云系是高层云,降水类型 是连续性小雨,其中介休2.5 film,祁县2.1mm。 2.4卫星云图 根据2010年5月27日10时红外及可见光云 山 西 气 象 表2雨滴谱谱型 2011年第3期 l ‘ { Z l <_ 图6(a)空中平均雨滴谱,(b)地面平均雨滴谱 2.5ram的宽滴谱占空中雨滴谱的81.4%,而地面雨 滴谱中介休仅占8.5%,祁县占38.7%。可见,在雨 滴到达地面的过程中,大雨滴破碎、蒸发,消耗明 显。 3.2空中和地面雨滴平均谱的对比 地面雨滴的平均谱比空中雨滴的平均谱窄, 谱型较陡(图6)。对雨滴直径D<1.2 mm的雨滴, 地面雨滴谱数浓度大于空中雨滴谱数浓度。空中 雨滴谱在D>1.6 mm的区间,数浓度较大。反映出 地面小雨滴比空中多,空中大雨滴比地面多,这可 能是雨滴下落到地面的过程中不断的破碎和蒸发 所致。 3-3雨滴平均谱的拟合 不同云状降水雨滴谱的研究,对于云内成雨 机制的探索、人工增雨效果的检验、雷达定量测量 降水等都具有重大的理论意义和实用价值。雨滴 谱是指在单位空间体积内,直径在D~D+Ad的 雨滴的数目,即单位体积内雨滴大小的分布。雨滴谱 观测是云和降水物理观测的重要项目之一。通过地面 雨滴谱资料,可以分析降水的物理结构及其演变特 征,对于进一步研究降水微观物理过程有着重要意 义。 通常用来对雨滴谱进行模拟的方法是: a)Marshall和Palmer分布(M—P分布),形式为: N:Ⅳ。exp(一入D),其中Ⅳ为雨滴密度分布函数,Ⅳ 和入为两个参数,并且入和雨强/l(mm,h)有如下 关系:A=41R-0.21(em ),Ⅳ。为常数,其值为8000 m一 mm~。由于M—P分布具有一般雨滴谱的共同特点, 图7空中雨滴谱的拟合 图8地面雨滴谱的拟合 2011年9月 封秋娟,等:一次层状云降水空中地面雨滴谱特征观测研究 表3空中、地面雨滴谱M—P和r谱分布拟合参数 M~P分布 N o 相关系数 N。 Gamma分布 相关系数 从而得到广泛应用。 b)Gamma分布,分布形式为:N=N o D exp (一入D),其中, 是新增的一个参数, >0表示 曲线向上弯曲, <0表示曲线向下弯曲。D 的 引进提高了在微小粒子和大粒子区段的拟合精 度。 对空中雨滴平均谱进行M—P分布和Gamma 分布的拟合。空中雨滴平均谱M—P分布的拟合 结果是入=1.521,N =832.6。Gamma分布拟合的 结果是入:1.751, =0.501,No=1 106.6。M—P 拟合结果和观测值的相关系数为96.9%,Gamma 分布拟合的相关系数为97.5%,见表3、图7。 表4各高度层雨滴谱特征量 高度层 平均温度,℃平均数浓度,(个・L ) 平均直径(mm) 对地面雨滴平均谱进行M—P分布和Gamma 分布的拟合。祁县M—P拟合结果入:2.761,N = 1161.5。Gamma分布拟合的结果是入=4.039, = 1.916,N。=5628.7。M—P拟合结果和观测值的相 关系数为96.1%,Gamma分布拟合的相关系数为 98-3%。介休M—P拟合结果入=3.787,N = 31 15.0。Gamma分布拟合的结果是入=6.302,肛= 3.388,N。=67287.0。M—P拟合结果和观测值的相 关系数为95.7%,Gamma分布拟合的相关系数为 97.5%。可见两种拟合相差不大,均能较好拟合这 次降水的空中、地面雨滴平均谱,但Gamma分布 提高了小滴和大滴段的精度,见图8。 3.4空中雨滴谱随高度的分布 对20l0年5月27日观测到的空中雨滴谱样本 按高度将其分为7层:5600 m、5000 m、4400 m、 图9不同高度层雨滴谱 表5 雨强I与各谱特征参量及谱参数的相关关系 3800 m、3000 m、2100 m、1500 m。由云的宏观资料得 知这段雨滴谱位于云的中下部(包括冷云中下部和全 部暖云)和云底,暖云影响雨滴数浓度、大小的主要因 素是与云滴和小雨滴的碰并、破碎、蒸发,冷云影响降 水的主要因素包括冰晶的凝华增长、破碎、繁生与碰 并增长,碰并增长又分为淞结与丛集两种不同的过 程。各高度层雨滴谱特征量见表4。粒子平均数浓度 0℃层出现最大值,冷云部分大于暖云部分,这表明粒 子特征量垂直结构反映出水凝物粒子存在着增长差 异。4400 m在0℃层附近,此时雨滴平均数浓度最大, 在3800 m高度层雨滴平均直径最大,此层以下随着 高度的降低雨滴总数浓度和平均直径均较少,可能受 雨滴在下落过程中碰并和蒸发作用影响。但2100 m 高度层不满足上述变化,雨滴谱在D>1.3ram呈明显 的多峰变化。 各高度层雨滴平均谱的变化如图9所示。比较 5600 m与5000 m高度雨滴谱分布,5600 m高度层雨 滴数浓度小于5000 m处,这里应是出现了冰晶之间 的聚合,另一方面又和雪晶碰撞而冻结,使雪晶进一 步长大。3800 m高度层的雨滴数浓度在雨滴直径 2mm<D<3.8mm时大于4400 m,此阶段雨滴碰并云 滴,凝结增长显著,使得雨滴平均直径呈增加趋势。与 ・44・ 山 西 气 象 2011年第3期 ‘。E E N ‘∈ E E 图10介休雨强J与雨滴谱物理特征量和谱参数的相关关系 a.雷达反射率因ff-;b.雨水含量;c.雨滴浓度;d.谱参数%;e.谱参数 薯 量 图11祁县雨强j与雨滴谱物理特征量和谱参数的相关关系 f雷达反射率因子;g.雨水含量;h.雨滴浓度;i.谱参数No;j.谱参数A Ⅲle- 2011年9月 封秋娟,等:一次层状云降水空中地面雨滴谱特征观测研究 ・45・ 3800 I13高度层相比,3000 in、2100 113和1500 rll b)地面平均雨滴谱比空中雨滴平均谱窄,谱型较 陡。对雨滴直径D<1.2 mm的雨滴,地面雨滴谱数浓 度大于空中雨滴谱数浓度。空中雨滴谱在D>1.6 mm 的区间,数浓度较大。这可能是受到碰并、蒸发、破碎 的共同影响。 的雨滴数浓度明显减小,谱宽变窄。对于3000 m 高度层的雨滴,D>0.7ram的小雨滴浓度显著降 低,滴谱呈现不连续的多峰分布,说明雨滴在此高 度层雨滴之间的碰并比较活跃。雨滴在3000 1TI、 2100 1TI高度层,雨滴可能受到蒸发影响,雨滴数浓 度总体减少,雨滴在下落过程中碰并、破碎、蒸发 c)M—P分布和Gamma分布均能较好拟合这次 降水的空中、地面雨滴平均谱分布,两种拟合相差不 且伴随着凝结增长。 3.5谱特征参量与地面雨强的关系 雨强在气象站都有观测记录,通过建立雷达反 射率因子z、雨水含量 、雨滴数浓度N、Gamma 分布的谱参数-No、入和雨强I的相关关系,可由 雨强反演降水的物理特征量 、Ⅳ及谱参数 和 A,了解降水的物理性质。同时,由雷达观测降水 的z值计算雨强 ,也可测定降水量和区域降水 量。表5给出了地面雨滴谱的谱特征量及谱参数 与雨强1的关系式,对关系式进行拟合,将指数形 式转化为线性,确定A、6的值。 介休雨滴谱Z一1关系可表示为Z=212.941I ㈣, 一I关系可表示为 =60.2561“ ,Ⅳ一J关系可表 示为jv=201.3861 0.495。祁县雨滴谱z—J关系可表 示为Z=349.0981 , 一I关系可表示为W: 53.781J ,』v—J关系可表示为Ⅳ=137.8401 ∞ 。与牛生杰等 利用1982年一1984年6月一9 月在宁夏7个气象站200次观测获取的6053 份滴谱资料所得出的层状云降水相关关系结果 相近。介休No=1191.381J “ ,入=2.651r ” ,祁县 Ⅳ0=614.673I“ ,入=2.2761 。Ⅳ0有随J的增大 而增大, 有随J的增大而减小的趋势,但是相关 系数较低。 图10、图11分别给出介休、祁县各谱特征参 量及谱参数与I的关系。由图l0、图1 1可以看出, 双对数坐标上z—J关系和 一J关系点分布较 为集中,相关性很好,介休、祁县z—J、 一J相关 系数分别为42.1%、93.3%和51.3%、94.5%。而 』v—J、入一J关系的点较为分散,相关性不是很 好。 4 结论 a)此次层状云系的降水,地面雨滴谱中祁县、 介休多峰型分别占总样本数的82.9%、68.2%,单 峰型次之,指数型最少。空中雨滴谱主要是多峰 } … I一 —日 一 型,占99.5%o 大,但Gamma分布提高了小滴和大滴段的精度。 d)粒子平均数浓度0℃层出现最大值,冷云部分 大于暖云部分,这表明粒子特征量垂直结构反映出 水凝物粒子存在着增长差异。5600 In、5000 nl高度为 冰晶之间的聚合及冰晶和雪晶碰撞而冻结。3800 m 雨滴碰并云滴,凝结增长显著,3000 m、2100 m高 度层,雨滴可能受到蒸发影响,雨滴数浓度总体减少。 e)介俪滴谱z—J关系可表示为Z=212.941I , —J关系可表示为 =60.2561“ ,Ⅳ一I关系可表示 为jv=201.386 J 0.4 9 5o祁县雨滴谱z—J关系可表示为 Z=349.098 J 187, 一I关系可表示为 =53.7811。’ ,Ⅳ一J关系可表示为Ⅳ=137.840I 569o Z—J关系 和 一 关系点分布较为集中,相关性很好。介休 Ⅳ0=1 191.38¨。 ,入=2.651I ” , 祁县Ⅳ0= 6l4.6731 0.583,入=2.276/ 。lⅣ 有随J的增大而增大, 入有随J的增大而减小的趋势,Ⅳ一J、入一I关系 的点较为分散,相关系数较低。 参考文献 【1】宫福久,李子华,刘吉成.三类降水云雨滴谱特征分 析[JJ.大气科学,1997,21(5):607—614. 【2]樊玲,袁成,张云峰.哈尔滨地区层状云降水微物 理特征[J].气象,2001,27(12):42—46. [3】樊玲,张新玲,张云峰,等.哈尔滨地区积雨云降水微 结构特征[J].气象科学,2001,21(4):399—408. 【4】周毓荃,刘小天,周非非,等.河南干旱地面雨滴谱特 征….应用气象学报,2001,12(增刊):39—47. [5】牛生杰,安夏兰,桑建人.不同天气系统宁夏夏季降 雨谱分布参量特征的观测研究[J】.高原气象,2005, 21(1):37—44. [6】石爱丽,郑国光,黄庚,等.2002年秋季河南省层 状云降水的雨滴谱特征Ⅲ.气象,2004,30(8): 12—17. 【7】胡娅敏,沈桐立,廖菲.一次河南省春季层状云降水 的地面雨滴谱特征【JI.南京气象学院学报,2005,28 (4):508—515. 【8】李娟,游禾光,胡志晋,等.黄河上游玛曲地区雨 ・46・ 山 西 气 象 2011年第3期 滴谱特征的观测研究【JJ.高原气象,2009,25(5): 942—949. 和对流云降水的特征[J】.大气科学,2006,30(4) 693—702. [9】刘红燕,雷恒池.基于地面雨滴谱资料分析层状云 The Study of the Air and Ground Raindrop Spectrum in Once Stratiform Cloud Feng Qiujian ,Li Peiren ,Shen Dongdong ,Yu Xiaohong (1.Weather Modiifcation Ofice of fShanxi Province,Taiyuan,Shanxi,030032; 2.Shanxi Meteorological Training Center,030032) Abstract:The ground and air raindrop spectrum characteristics of were analyzed in stratiform cloud of Shanxi using the raindrop spectral data on May 27,2010 in Qixian and Jiexiu. Key words:Ground raindrop spectrum,Air raindrop spectrum,Stratiform cloud. (上接第38页) 干空气混合时,含水量比较小。 C)在云层中夹有干层时,上下两层云中都是下 部云粒子浓度最大,云底次之,云顶最小。云层中没 有干层时,整个云层表现出此特点。 拟合,发现r分布的拟合结果接近云滴谱的实际分 布。 参考文献 [1】黄美元,徐华英.云和降水物理[M].北京:科学出版 社,1999. d)受冷锋影响时,云滴谱呈双峰或多锋型,谱 宽较宽,是锋前层积云的典型谱型;冷锋过境后,谱 型呈单峰或双峰型,谱宽明显变窄,是锋后高层云的 [2】王鹏飞,李子华.微观云物理学[M].北京:气象出版 社,1989. 典型谱型;使用M—P分布及r分布对云滴谱进行 The Characteristics of Cloud Particles in Once Stratiform Cloud Li Yiyu,Li Peiren,Feng Qiujuan (Weather Modifiatcion Ofice of fShanxi Province,Taiyuan,Shanxi,030032) Abstract:The macro and micro characteristics of the precipitation which there was from June 1 8 to 1 9, 2009 were analyzed using the weather charts of Micaps and DMT data.The distribution of cloud droplet spectum was rfitted by the distirbution of F and the result was same as actual distibutrion. Key words:Stratiform cloud,Number concentration,Moisture content,Diameter,Cloud droplet spectrum