北京夏季两种降水云系粒子微物理特征研究.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sS e p 收稿日期:基金项目:北京市气象局科技项目(BMB K J )资助.作者简介:张龙斌(),男,硕士,工程师.主要从事综合气象观测设备数据研究工作.通信作者:姜涛(),男,大学,工程师.主要从事综合气象观测设备数据研究工作.北京夏季两种降水云系粒子微物理特征研究张龙斌,姜涛,倪文亮,郝亚明,沈鹿鸣,洪林峰,赵森,姬艳,左雨欣(北京市气象探测中心,北京 ;天水市气象局,天水 ;库尔勒市气象局,库尔勒 ;秦皇岛市气象局,秦皇岛 )摘要:文章选取反射率、径向速度、退偏振比、速度谱宽、粒子含水量、相态识别和粒子有效半径等多种雷达产品,对 /以层状云为主的降水过程进行分析,从而获取积云降水云系及层状云降水云系粒子的微物理特征.该研究方法和结果可以为人工影响天气中增雨增雪工作提供更直接的指导产品,为人工影响天气作业条件效果分析提供帮助.关键词:层状云降水;降水粒子;微物理特征;人工影响天气中图分类号:P 文献标识码:A文章编号:X()S t u d yo np a r t i c l em i c r o p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f t w ok i n d so fp r e c i p i t a t i o nc l o u d so v e rB e i j i n g i ns u mm e rZ h a n gL o n g b i n,J i a n gT a o,N iW e n l i a n g,H a oY a m i n g,S h e nL u m i n g,H o n gL i n f e n g,Z h a oS e n,J iY a n,Z u oY u x i n(B e i j i n gM e t e o r o l o g i c a lO b s e r v a t i o nC e n t e r,B e i j i n g ;T i a n s h u iM e t e o r o l o g i c a lB u r e a u,T i a n s h u i ;K o r l aM e t e o r o l o g i c a lB u r e a u,K o r l a ;Q i n h u a n g d a oM e t e o r o l o g i c a lB u r e a u,Q i n h u a n g d a o )A b s t r a c t:T h i sp a p e rs e l e c t sav a r i e t yo fr a d a rp r o d u c t ss u c ha sr e f l e c t i v i t y,r a d i a lv e l o c i t y,d e p o l a r i z a t i o nr a t i o,v e l o c i t ys p e c t r u m w i d t h,p a r t i c l e w a t e rc o n t e n t,p h a s ei d e n t i f i c a t i o na n dp a r t i c l ee f f e c tr a d i u st oa n a l y z et h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s sd o m i n a t e db ys t r a t i f o r mc l o u d sf r o m M a y t o,s oa st oo b t a i nt h em i c r o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o f c u m u l u s p r e c i p i t a t i o n c l o u d s y s t e ma n d s t r a t i f o r mp r e c i p i t a t i o n c l o u d s y s t e mp a r t i c l e s T h e r e s e a r c hm e t h o da n d r e s u l t s c a np r o v i d em o r ed i r e c tg u i d a n c ep r o d u c t s f o r t h ew o r ko f i n c r e a s i n gp r e c i p i t a t i o na n ds n o wi na r t i f i c i a lw e a t h e rm o d i f i c a t i o n,a n dh e l p t o a n a l y z e t h e e f f e c t o f a r t i f i c i a lw e a t h e rm o d i f i c a t i o no p e r a t i o n c o n d i t i o n s K e yw o r d s:s t r a t i f o r mc l o u dp r e c i p i t a t i o n;p r e c i p i t a t i o np a r t i c l e s;m i c r o p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s;a r t i f i c i a li n f l u e n c eo nt h ew e a t h e r引言目前,国内已有多位学者对降水云系微物理特征进行研究.封秋娟等利用粒子测量技术资料分析山西省在人工影响天气作业过程中飞机上升和下降阶段云系的垂直结构特征;杨文霞等对机载粒子测量系统资料进行研究,发现河北省春季层状云降水的不均匀性;李仑格等利用人工增雨飞机和机载粒子测量系统对高原东部地区春季人工增雨主要降水云层的微物理结构进行详细研究,分析低层大气气溶胶微粒的分布特征及其与大气层结的关系;刘春文等利用机载云粒子测量设备在气 象 水 文 海 洋 仪 器S e p 云南地区展开观测,数据分析表明云南的云粒子数浓度远高于华北地区;张佃国等通过试验分析了山东省云中过冷水以及冰晶浓度的分布特征,可知山东省降水云系中存在较为丰富的过冷水,且云粒子谱为负指数型卓峰谱,峰值在小值端.但国内学者对北京地区降水云系微物理特征研究较少,文章将选取北京闫家坪站次以层状云降水为主的降水过程,利用毫米波云雷达对降水云系中降水粒子的各类微物理特征进行研究.基本产品分析月 日的降水过程由块云系构成,第块降水云系主要以积云为主,第块降水云系是典型的层状云,块云系降水时间有约h的空档期.反射率反射率与云系中的粒子直径和粒子数量有关.反射率强的地方,并不一定代表该范围内有直径很大的粒子,也有可能是粒子多造成的.通过图可知,积云云系的降水时间为:,云顶高度大约为k m k m,k mk m高度的回波强度最强,达 d B Z.层状云云系的降水时间从:开始,前期云顶高度大约为k m,后期达到k m左右并维持较长时间.:时段内k mk m高度的回波强度最强,最大强度为 d B Z.:后降水逐渐减弱,:时段内k mk m高度有少量最大强度为 d B Z的回波,其余回波强度均在 d B Z.图月 日:月 日:毫米波云雷达反射率 退偏振比毫米波云雷达自身具有退偏振功能.可以将毫米波云雷达看作一个简易的双偏振雷达,工作模式为单发双收.雷达发射一个水平电磁波,在接收水平电磁波的同时,还能接收到水平电磁波在垂直方向上的分量,垂直分量与水平分量的比值,即退偏振比.退偏振比主要反映云系中粒子的形状,当粒子的形状变化越大(趋近非球形)时,其数值越大,粒子越接近球形时,其数值越小.在云雷达中,主要通过退偏振比图观察零度层亮带.此外,当有冰雹云生成时,会出现异常大的退偏振比值.通过图可以看到明显的零度层亮带,退偏振比对云中冰水的混合相态非常敏感,所以会出现个极大值,而且会看到条明显的零度层亮带.一般情况下可以通过雷达反射率观察零度层亮带,但云雷达反射率的零度层亮带不明显,主要因为高于零度层的区域已经存在衰减,回波底层的降雨更是一个比较强的衰减过程,所以无法清楚地看到零度层亮带,但是通过径向速度图(图)可以看到一个比较明显的分界.:时间段积云云系退偏振比在k m k m高度维持在 d B,其余区域维持在 d B.层状云零度层亮带前期高度维持在k m左右,随着时间推移,:左右零度层亮带高度开始下降,维持在k m左右.前期零度层亮带厚度约 m,:后零度层亮带厚度开始增加,同时回波强度增强,:后零度层亮带厚度变薄,回波强度减弱.零度层亮带以上粒子更趋近于球型,退偏振比维持在 d B.零度层亮带以下退偏振比维持在 d B.图月 日:月 日:毫米波云雷达退偏振比 径向速度径向速度表示云系中的粒子相对毫米波云雷达的综合速度.径向速度中负值表示降水云系中的粒子正在进行向下掉落的运动,正值表示降水云系中的粒子正在进行向上攀升的运动.如在 m/s的区域内,粒子处于缓慢上升状态,在 m/s的区域内,粒子处于快速下降状态.通过图可以明显看到积云云系中有大量的径向速度正值区域,说明存在大量的粒子处于上升状态.:时间段积云云系在k m k m高度径向速度在m/s,k m k m高度径向速度普遍维持在 m/s,k m以上个别区域径向速度最大达到 m/s.而在层状云降水较强的区域,虽然径向速度都是较第期张龙斌,等:北京夏季两种降水云系粒子微物理特征研究大的负值,但结合速度谱宽(图)分析,在相同区域内存在较大的谱宽值,因此也可以判断出该区域内同样存在大量的粒子处于上升状态.在零度层亮带以下区域内,径向速度普遍在 m/s,零度层亮带以上径向速度普遍在 m/s.:后,径向速度同样普遍在 m/s.图月 日:月 日:毫米波云雷达径向速度 速度谱宽速度谱宽表示在一个采样体积内,云系中不同移动方向的粒子谱的分布情况.谱越宽,则该点所测的速度代表性越差;谱越窄,则该点所测的速度代表性越好.假设采样体积由 个雨滴构成,则 个雨滴的运动方向和运动速度都可能有所差异,运动方向和速度差异越大,谱宽越宽,运动方向和速度差异越小,则谱宽越窄,径向速度更具有代表性.通过速度谱宽(图)可知,积云云系:的 降 水 阶 段 和 层 状 云 云 系:的降水较强时段速度谱宽值普遍较大,因为不同大小的粒子分布不均匀,粒径较小的粒子在气流中上升较快,粒径较大的粒子上升较慢,在采样体积中存在大量粒径和升速都不同的粒子,所以会形成速度谱宽的大值区.积云云系在:时间段内速度谱宽为 m/s.:时间 段层状云云 系在k mk m高度速度谱 宽在 m/s,k m以上区域速度谱宽在 m/s;:后速度谱宽在 m/s.图月 日:月 日:毫米波云雷达速度谱宽二次产品分析 粒子含水量零度层以下的粒子含水量是液水含量,零度层以上的粒子含水量是冰水含量,将冰相态的粒子含水量统一等效为液态含水量进行计算,统称为粒子含水量.该产品在人工影响天气中应用广泛,在进行增雨或者防雹的效果评估时会关注粒子含水量的变化情况.粒子含水量越高,增雨潜力越大.在做增雨潜力分析时,常将粒子含水量作为一个重要的已知量来计算增雨潜力区域.还可以为增雨和防雹作业过程的用弹量评估提供有效的数据支撑.通过粒子含水量(图)可知,:时段积云云系粒子含水量在k m k m高度的对流中心区域内,粒子含水量基本都大于 g/m,k mk m高度的 降 水 区 域 内,粒 子 含 水 量 普 遍 在 g/m,在k m高度以上的降水区域内,粒子含水量普遍较小,最大不超过 g/m.在层状云降水过程中,在降水量较大的时间段(:),液相降水区域中,粒子含水量普遍大于 g/m,冰相降水区域中,粒子含水量普遍维持在 g/m.:降水时间段内,液 相 降 水 区 域 中,粒 子 含 水 量 普 遍 大 于 g/m,冰相降水区域中,粒子含水量普遍维持在 g/m.:以后降水逐渐停止,但是由图可知,:,k m k m高度的粒子含水量依旧很高,通过粒子相态可知,在该时段内k m k m高度是粒子混合相态的区域,虽然降水已经逐渐停止,但云系中依旧存在较强的对流,使得底层的水汽对上层进行补充,所以粒子含水量依旧很高.图月 日:月 日:毫米波云雷达粒子含水量 粒子相态识别降水粒子相态可以分为类:一类是液态粒子,如雨;一类是固态粒子,如雪、霰等.文章研究气 象 水 文 海 洋 仪 器S e p 的粒子相态主要包括雨、毛毛雨、霰、液水、混合相态、冰晶和雪.通过相态分布(图)可知,:时段积云云系相态在k m k m高度的对流中心区域内,粒子相态主要以雨和毛毛雨为主;k m k m高度的降水区域内,粒子相态主要以混合相态为主;k m以上区域,粒子相态主要为霰和冰晶.层状云降水过程中,在降水量较大的时间段(:),液相降水区域中,粒子相态主要以雨和毛毛雨为主;冰相降水区域中,k mk m高度粒子相态主要以混合相态和雪为主,k m k m高 度 粒 子 相 态 主 要 以 冰 晶 为 主.:时段,k mk m高度粒子相态主要为毛毛雨和雨,k mk m高度粒子相态主要为雪和混合相态,k m k m高度粒子相态主要以冰晶为 主.:后 降 水 逐 渐 停 止,:时段,k m k m高度粒子相态主要为毛毛雨(:后逐渐消失),k m k m高度粒子相态主要以混合相态为主,夹杂部分雪和霰,k m k m高度粒子相态主要以冰晶为主.图月 日:月 日:毫米波云雷达粒子相态分布 粒子有效半径粒子有效半径表示云系中各种粒子的半径,可以反映出云系中不同粒子的大小.通过粒子有效半径(图)可知,:时段积云云系粒子有效半径在k mk m高度普遍大于 m,k m k m高度粒子有效半径普遍在 m m,k m以上高度粒子有效半径在 m m.:时段层状云云系在k mk m高度粒子有效半径普遍在 m m,k mk m高度粒子有效半径普遍在 m m,k m以上高度粒子有效半径在 m m.:时段k mk m高度粒子有效半径普遍在 m m,k mk m高度粒子有效半径普遍在 m m,k m k m高度粒子有效半径普遍在 m m.:时段k mk m高度粒子有效半径普遍在 m m,k mk m高度粒子有效半径普遍在 m m.图月 日:月 日:毫米波云雷达粒子有效半径结束语由于毫米波云雷达自身的探测模式,采用宽脉冲和窄脉冲进行联合探测,当回波强度在个脉宽探测临界区域时,层数据拼接时会出现明显的分隔带.针对该问题提出建议:)与雷达生产厂家合作,改进雷达探测模式,增加波形,使用多个脉冲进行数据拼接;)降低脉冲宽度,减小底层盲区,但是会牺牲部分探测能力,高层探测能力会减弱.此外,建议使用毫米波云雷达观测以层状云降水为主的降水过程.在对流云降水的观测中,仍存在部分问题.发生强对流天气(尤其是冰雹天气)时,电磁波衰减非常严重,因此使用毫米波云雷达进行观测应充分考虑衰减情况.参考文献:封秋娟,李培仁,晋立军,等山西夏季层积云降水微物理特征分析J高原气象,():杨文霞,牛生杰,魏俊国,等河北省层状云降水系统微物理 结构 的 飞机 观测 研 究J高 原 气 象,():李仑格,德力格尔高原东部春季降水云层的微物理特征分析J高原气象,():刘春文,郭学良,段玮,等云南省积层混合云微物理特征飞机观测J应用气象学报,():张佃国,郭学良,龚佃利,等山东省 年 架次飞机云微物理结构观测试验结果J气象学报,():