降水对雾中能见度参数化的影响

孟蕾,周奇越,牛生杰,柯怡明,杨志彪

(1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京 210044;2.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;3.湖北省气象局,湖北武汉 430074)

降水对雾中能见度参数化的影响

孟蕾1,周奇越2,牛生杰1,柯怡明3,杨志彪3

(1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京 210044;2.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;3.湖北省气象局,湖北武汉 430074)

雾的能见度是雾滴数浓度和含水量的函数,可以利用雾滴数浓度和含水量进行参数化得到能见度拟合值。但是当雾中有降水存在时,降水会影响雾滴数浓度和含水量,进而影响能见度参数化。2009年1月19日至3月5日在湖北恩施雷达站进行了包括雾微物理特征、雨滴谱及雨滴末速度、能见度以及基本气象要素的观测。利用不同的能见度参数化公式得到能见度拟合值,并与实测值进行对比分析,考虑雾中降水影响时的能见度拟合值要比不考虑降水时的能见度偏差大,因此在有降水伴随雾产生时,降水的效应可忽略不计。同时,利用40%的雾滴谱观测数据建立了良好的模型用于拟合当地的能见度,并利用Gultepe公式得到相应的参数,对当地的能见度进行了计算和预报。

能见度;参数化;雾滴谱;雨滴谱

0 引言

大气能见度是表征大气透明程度的一个重要的物理量,它与人们的日常生活生产都密不可分,低能见度会很大程度上影响海陆空交通运输,给人们的生命和财产造成无法估量的损失,因此引起了社会各界的广泛关注。

地面气象观测规范说明,能见度用气象光学视程表示,气象光学视程是指白炽灯发出色温为2 700 K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路途长度。能见度又分为白天能见度和夜间能见度。白天能见度是指视力正常(对比感阈为0.05)的人,在当时天气条件下,能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大距离。实际上也是气象光学视程。夜间能见度是指假定总体照明增加到正常白天水平,适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离或者中等强度的发光体能被看到和识别的最大距离[1]。

在20世纪早期的研究中就已得出能见度与雾微物理特性的关系。Koschmieder[2]在1920年提出了能见度与大气消光系数的关系式,直至今日这个关系式依然作为各种能见度测量仪器的基础原理。Koening[3]于1971年表明消光系数是雾滴谱分布和米散射消光系数的函数。Eldridge[4]和Pinnick等[5]以及Kunkel[6]则分别推导出消光系数与液水含量的参数化公式,公式中只考虑了含水量与消光系数的关系。Meyer等[7]于1980年提出能见度与雾滴直径的平方和数浓度成正比。李子华和彭中贵等[8]、李子华等[9]用雾滴有效半径和雾水含量拟合得到能见度,唐浩华等[10]则用雾滴平均半径和雾水含量计算得到能见度,以此作为雾生消发展的依据。Bott和Trautmann[11]使用预报方程发展出一个可以预报雾滴数浓度和含水量的模式,而这一部分工作则是预报能见度的基础。

Gultepe等[12-14]发现能见度不应只跟含水量有关,还应该考虑雾滴数浓度,当数浓度作为雾能见度参数化的一个因子时,能见度的拟合效果可以提高50%。Niu等[15]分析了2006年12月24—27日的一场浓雾,结果表明数浓度和含水量的同步增长是此次雾过程强浓雾累计时间接近40 h的主要原因,表明了同时考虑雾滴数浓度和含水量的重要性。Lu和Niu[16]分析了连续三年冬季在南京观测的雾的相关特征,利用雾滴谱数据拟合出能见度,与能见度测量仪器观测到的能见度值作对比,其相互关系符合Patterson等[17]提出的拟合值与观测值之间并非一一对应而是存在着函数关系的结论,这种函数关系一般是指数关系。

Gultepe和Isaac[18]也同样讨论了没有雾的出现但是有降水时能见度与雨强的关系。而当降水伴随雾同时出现时,能见度参数化往往没有考虑降水对雾的影响。利用在2009年1月到3月湖北恩施雷达站的雾滴谱、雨滴谱、雨滴末速度、能见度以及基本气象要素等观测资料,本文将分析降水对雾中能见度参数化的影响。

1 观测仪器和观测原理

中国湖北省恩施雷达站海拔1 722m,观测时间为2009年1月19日至3月5日,观测项目包括能见度、雾滴谱、降水量和基本气象要素的观测。采用B IRAL公司生产的VPF-730能见度仪(VPF-730 COMB INED V IS IB IL ITY&PRESENT WEATHER SENSOR)对能见度进行观测,能见度在16 km以下时的误差小于10%,能见度小于等于2 km时,误差小于2%。仪器接收并测量采样体积中悬浮颗粒的前向散射光强度,计算得到大气消光系数,进而通过能见度与消光系数的关系获得能见度值。能见度仪在温度较低的天气条件下同样运行良好,每隔30 s测得一组数据。

观测中采用激光前向散射雾滴谱仪即美国DMT公司生产的FM-100型雾滴谱仪对雾的微物理特征量进行测量。雾滴谱仪包括光学底座、信号处理器以及对经过光学窗口的粒子进行除尘用的真空部分。光学底座接收经过光学窗口的粒子的前向散射光,信号处理器把光脉冲转好成电压,放大并滤波,然后传输给数据处理系统。雾滴谱仪可以连续测量雾滴数浓度、谱分布,根据不同大小的雾滴对激光散射强度的不同,对雾滴进行分档计数,所测雾滴粒径范围为2～50μm,最大数密度为104个/cm3。观测连续进行,每秒钟能产生一组数据。

同时采用德国O TT公司生产的雨滴谱仪(Parsivel Precipitation Particle D isdrom eter)每隔10s测量一组雨滴下落速度和尺度大小。下落速度和雨滴尺度大小的测量范围分别为0.1～20m/s和0.25～26mm。仪器通过激光系统测量降水粒子的形态(冰雹、雨滴、霰、雪、霜和融化的粒子)、速度和直径。PARSIV EL分别有32个粒径通道(在实际测量中,前两通道无数据)和32个速度通道。仪器的激光发生器发射780nm的激光波长,功率为5 mW,取样面积为30mm×160mm。PARSIV EL激光粒子谱仪的激光探头距地1.8m,各站点的取样间隔均为10s,观测数据能被仪器自动存储。

除了上述测量仪器所得的资料外,温度、相对湿度、气压、风向、风速由位于恩施雷达站的自动气象站观测得到。

2 资料分析原理

能见度参数化对雾的预报是十分重要的,随着能见度参数化的发展,现在已有几个公式被广泛应用。本文也使用这几个公式进行了有无降水时雾中能见度拟合效果的比对。

Koschmieder[2]在1924年提出的能见度与大气消光系数的关系式成为能见度仪器的测量基础,并一直作为能见度拟合的主要公式。

式中:Vis表示能见度(单位:km);β为消光系数;对比视感阈ε是指当亮度对比值减小到目标物不能见时的亮度对比值。有关ε的取值有两种,国际民航组织(ICAO)推荐的取值为0.05,世界气象组织(WMO)推荐的取值为0.02。本文遵循世界气象组织推荐的取值,ε=0.02[1]。消光系数β则与米散射系数和滴谱本身以及液滴有效截面有关。

式中:Qext是与数浓度、粒径半径以及可见光波长有关的米散射系数;n(ri)是j档半径为ri的粒子的数密度。当雾滴粒径小于4μm时,Qext的值在0.9至3.8之间波动,当粒径大于4μm时,取值为2。此次观测中,雾滴大小在3μm到50μm之间,本文在计算时Qext取值为2。

李子华和彭中贵[8]、李子华等[9]用雾滴谱的有效半径和雾水含量的经验公式计算得到能见度值,能见度值的起伏变化作为判断雾生消发展的重要依据。

式中:re为雾滴有效半径(单位:μm);L是指雾水含量(LW C;单位:g/m3);2.62则是一个经验系数。

唐浩华等[10]用雾滴平均半径和雾水含量的经验公式计算得到能见度值。能见度与平均半径成正比,与含水量成反比。

式中:¯r为雾滴有效半径(单位:μm);L是指雾水含量(LW C;单位:g/m3);2.5则是一个经验系数。

Gultepe等[12-14]给出了能见度与含水量、雾滴数浓度之间的函数关系,并证明了在能见度拟合中考虑雾滴数浓度能将拟合效果提高50%,

式中:Vis是能见度(单位:km);L表示含水量(LW C;单位:g/m3);N表示雾滴数浓度(单位:cm-3);a、b分别是根据实际情况待确定的系数。

3 结果分析

利用(1)～(4)式计算并比较雾中有降水和雾中无降水天气条件下能见度的不同。其结果将说明雾中有降水时,利用雾滴谱资料进行的能见度参数化过程是否需要考虑降水的影响。

根据能见度的大小,雾的记录分为3个等级:能见度小于1.0km但大于0.5km时记录雾,能见度小于0.5km但大于0.1km时为大雾,能见度小于0.1km时记为浓雾[1]。图1给出了无降水时V PF-730能见度仪的观测值和由公式计算得到的能见度值。计算值要远高于实测值,只有当实际能见度低于0.5km时,两者较接近,即雾滴谱仪在大雾或浓雾阶段能更准确地记录雾微物理特征,计算得到的测量值与观测值比较一致。因为在湖北恩施山上,当雾处于能见度大于0.5km的阶段时,雾滴随风速移动较快或者近地面湍流使得雾滴谱仪采样体积中雾滴数不稳定,以及观测仪器本身的限制使得雾滴谱仪在记录雾滴谱进而计算成能见度时,与能见度仪测得的实测值出现较大的差异。而在大雾和浓雾阶段,雾滴谱仪采样体积中雾滴数浓度高且含水量高且稳定,有利于仪器的稳定采样,由此得到的计算值与实测值吻合较好。

当有降水伴随雾发生时,需要考虑雨滴对空气中含水量的贡献和对雾滴数浓度波动的影响。考虑雨滴对空气中含水量的贡献是指根据雨强与含水量的经验公式计算含水量,对于公式(1),需要通过雨强计算雨滴的消光系数,同时结合雾滴的消光系数,两者结合可以得到有降水时雾中的能见度值。即

式中:β为总的消光系数;βf为雾滴消光系数;βr为雨滴消光系数。当有雾有雨时,这两个消光系数相加求和得到总的消光系数。

当考虑降雨对(3)和(4)式计算得到的能见度的影响时,首先考虑雨强和雾滴综合得到的含水量,有降雨时,通过雨强计算含水量可用Best公式[19]表示:

式中:L为含水量(LW C);P为雨强(单位:mm/h)。

图1 无降水存在时能见度的计算值与观测值的对比(对观测能见度按照0.05km间隔进行分档,小方块为每一档内的计算能见度的平均值;拟合值曲线是对分段平均值的拟合线) a.根据公式(1)计算得到的能见度(黑点);b.根据公式(3)计算得到的能见度(黑点);c.根据公式(4)计算得到的能见度(黑点)Fig.1 The comparison between the calculated visibility values and the observed visibility values a.the visibility values calculated from Form ula(1);b.the visibility values calculated from Form ula(3);c.the visibility values calculated from Form ula(4)

降雨对雾滴数浓度波动的影响是指当降水强度大于一定阈值时,由于雨滴的拖曳作用致使原本悬浮在空中的雾滴迅速沉降,雾会很快消散。根据本文所得到的观测数据可知,只有当降水强度小于1.8mm/h时,雾滴不会因雨滴的拖曳作用出现显著减少或增加。因此,当降雨和雾同时存在时,雨滴是通过影响含水量的变化进而影响能见度拟合值。

图2分别给出了考虑降水影响和不考虑降水影响的能见度实测值与计算值对比关系。由图2a、c、e可见,考虑雨滴的影响作用时,能见度计算值相比观测值,演变趋势不正确,不能正确描述能见度实际演变情况。图中都出现了能见度计算值在随着实测值的增长而增长到一定阶段后又开始下降,即与实测值演变相反的趋势。

由图2b、d、f可见,当不考虑降水对雾滴的影响时,计算值与观测值的变化趋势一致,呈现一种指数关系,而当实际观测能见度小于0.5km时,计算值与实测值较相近。

对比V PF-730能见度仪观测值与由雾滴谱仪测得的雾滴谱数据代入公式(1)、(3)、(4)计算的能见度值可知,有降水伴随雾发生时,考虑雨滴对雾水含量的影响会导致能见度计算值出现更大偏差,因此能见度的参数化应忽略降水的影响。这一点在计算能见度的公式中均适用,在Gultepe公式的计算和比较中同样可以得到很好的证明。

利用公式(5)拟合此次观测的能见度值。根据恩施雷达站的实际观测情况和仪器的探测界限,选取含水量L大于等于0.000 1g/m3,数浓度N大于等于1cm-3和能见度大于0.01km的数据进行拟合分析。选取全部数据中40%的雾滴谱数据,用回归分析可以得到参数a和b分别为0.133 3和0.341 8。40%的数据能够建立一个比较好的模型,用于能见度的拟合,获得参数a和b,然后把另外60%的数据代入(5)式中计算能见度值。

图3是不考虑有无降水时能见度拟合值与实测值的比较,同时给出了绝对误差和相对误差。结果表明,用Gultepe公式对恩施雾能见度的拟合更好,更加接近观测值,在能见度高于0.5km时准确率依然较高。利用Gultepe公式计算两种不同天气条件下的a和b,仅仅利用雾滴谱仪器所测得的雾滴谱资料,而不考虑降雨的影响。在有雾有雨的时段,利用雾滴谱资料计算得:a=0.097 7,b=0.324 4;在有雾无雨的时段,利用雾滴谱资料计算得:a=0.103 0,b=0.334 0。

图2 有无考虑降水影响时的能见度拟合值与实测值的比较 a,c,e.考虑降水影响时分别根据公式(1)、(3)、(4)得到的能见度拟合值;b,d,f.没有考虑降水影响时分别根据公式(1)、(3)、(4)得到的能见度拟合值Fig.2 Comparison between the observed visibility and the calculated visibility with or without rain effect (a),(c)and(e)show the calculated visibility values obtained by Formulas(1),(3)and(4),respectively,w hen the effect of raindrop is considered;(b),(d)and(f)show the calculated visibility values obtained by Formulas(1),(3)and(4),respectively,w hen the effect of raindrop is not considered

图4表明,在有雾有雨或有雾无雨的天气情况下,均不考虑降水影响,仅用雾滴谱资料拟合得到能见度的计算值,有无降水时的两种参数化无显著差别,Gultepe公式拟合效果较好,验证了利用雾滴谱数据拟合能见度时应该忽略降水影响的结论。

4 结论

图3 根据公式(5)中a=0.133 3、b=0.341 8计算得到的能见度拟合值(a)以及绝对误差(b)和相对误差(c)与观测值之间的关系Fig.3 (a)The visibility values calculated from Equation(5)with a=0.133 3and b=0.341 8,and(b)their absolute errors and(c)relative errors as a function of the observed visibility

图4 利用Gultepe公式计算的两种天气条件下的能见度拟合值与实测值的比较 a.有降水伴随雾存在时的能见度拟合值;b.只有雾存在没有降水时的能见度拟合值Fig.4 The comparison between the calculated visibility values obtained by using the Gultepe formula and the observed ones under two different weather conditions a.the calculated visibility values under the situation of fog along with rainfall;b.the calculated visibility values under the situation of fog occurring without rainfall

利用雾滴谱和雨滴谱资料,对比计算了有降水存在时雾中能见度拟合值和实测值的差别。能见度参数化与雾滴数浓度和含水量有关,考虑降水对含水量和数浓度的影响会引起能见度变化趋势和数值计算上的较大误差。因此,在有降水伴随雾出现时,能见度参数化方案不应将降水的作用计算在内,当能见度距离小于0.5km,即处于大雾和浓雾阶段时,雾滴谱资料的拟合值可以作为预报能见度变化的基础。

Gultepe公式同时考虑雾中含水量和数浓度的影响,本文选取雾滴谱观测数据中的40%建立当地雾中能见度的拟合公式,利用得到的a和b两个相关参数对另外60%的数据进行了能见度计算,效果较好。

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Effect of Rainfall on Parameterization of Fog Visibility

MENG Lei1,ZHOU Qi-yue2,N IU Sheng-jie1,KE Yi-ming3,YANG Zhi-biao3

(1.School of Atmospheric Physics,NU IST,Nanjing 210044,China;2.School of Atmospheric Sciences,NU IST,Nanjing 210044,China;3.Hubei Meteorological Bureau,Wuhan 430074,China)

Fog visibility is a function of fog droplet number concentration and liquid water content,both of which can be used to parameterize the visibility.However,when fog and rain are coexisting,rainfall can affect the fog droplet concentration and liquid water content,in such as to affect the visibility parameterization.The fog microphysical characteristics,the raindrop spectrum,the velocity of raindrop,the visibility,and some basic meteorological elements were measured in Enshi,Hubei Province,China from 19 January to 5 March 2009.The different formulas were used to parameterize the visibility,which were compared with the observed ones.When the influence of raindrops was considered,the errors of the calculated visibility values with respect to the observed ones were much higher,in such a way that the impact of rainfall should be neglected.It is suggested that fog visibility can be parameterized only using fog spectrum,which can be obtained by the fog droplet spectrometer regardless of the presence of rainfall.40%of the droplet spectra data have been employed to construct an adequate model to simulate the visibility.Furthermore,together with the parameters from Gultepe formula,the local visibility can be calculated and predicted.

visibility;parameterization;fog droplet spectrum;raindrop spectrum

P401

A

1674-7097(2010)06-0731-07

2010-04-08;改回日期:2010-07-29

国家科技支撑计划项目(2008BAC48B01)

孟蕾(1985—),女,湖南常德人,硕士,menglei_07@nuist.edu.cn;牛生杰(通信作者),博士,教授,博士生导师,niusj@nuist.edu.cn.

孟蕾,周奇越,牛生杰,等.降水对雾中能见度参数化的影响[J].大气科学学报,2010,33(6):731-737.MengLei,Zhou Qi-yue,Niu Sheng-jie,et al.Effect of rainfall on parameterization of fog visibility[J].TransAtmos Sci,2010,33(6):731-737.

(责任编辑:倪东鸿)