黄山不同高度雨滴谱的演变特征

陈聪,银燕,陈宝君

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;2.南京大学,江苏 南京 210093)



黄山不同高度雨滴谱的演变特征

陈聪1,银燕1,陈宝君2

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044;2.南京大学,江苏 南京 210093)

摘要：选取2011年6月黄山地区一次降水过程,利用测得的雨滴谱资料对不同高度上降水微物理量及雨滴谱分布特征进行分析,并讨论其中的差异。结果表明:此次降水较强,各直径微物理量在山腰最大、山底次之、山顶最小;山腰的雨强最大,而山顶数浓度最大。在雨滴谱分布中,小于1 mm的雨滴数密度是山顶大于山腰大于山底,这与小雨滴的蒸发和碰并有关;大于1.5 mm的雨滴数密度则是山腰大于山顶和山底,这可能与地形抬升使得云系加强有关。由各微物理量的时间序列可将降水过程分为两个阶段,第一阶段各微物理量值明显大于第二阶段,其中第一阶段的降水量约为第二阶段的3倍。雨强与雷达反射率、数浓度、最大直径近似成幂函数关系,其中雨强与雷达反射率相关性最好。

关键词：雨滴谱;黄山;不同高度

0引言

雨滴谱是雨滴数密度随雨滴尺度的变化关系,是降水最基本的微物理量。雨滴是云的动力过程和微物理过程的最终结果,其对进一步了解自然降水的物理过程,研究成雨机制、评估人工增雨的云水条件、检验效果以及数值模拟提供科学的依据有重要意义。

雨滴谱随时空变化很大,学者在许多地区和天气系统下分析了不同云系降水的雨滴谱特征不同(李艳伟等,2003;李娟等,2006;张欢等,2007;胡娅敏等,2008;陈磊等,2013;封秋娟等,2013;周黎明等,2014)。雨滴在下落过程中会受到碰撞碰并、破碎、蒸发等作用,所以雨滴谱在不同高度上会有所不同(贾星灿和牛生杰,2008;张昊等,2011;张宇等,2013)。孟蕾等(2010)分析了降水对雾中能见度参数化的影响。Martner et al.(2008)分析了加利福尼亚海岸雷达回波不同降水的雨滴谱特征。Maki et al.(2001)分析了澳大利亚达尔文的飑线系统雨滴谱特征。Radhakrishna and Narayana(2010)对比了南亚不同季风带来的气旋降水及非气旋降水雨滴谱。Tokay et al.(2008)分析了热带气旋雨滴谱的特性,雨滴谱显示出高浓度的中小雨滴。Tzivion et al.(1989)用模式模拟了雨滴谱演变过程。发现较宽的初始谱会通过破碎作用变窄,而较窄的初始谱会通过碰并变宽。Levin et al.(1991)对比了瑞士阿尔卑斯山不同高度的观测和模拟的雨滴谱。模式与观测有较好的一致性。

国内外对不同高度雨滴谱的演变特征研究较少。对不同高度雨滴谱的研究有助于了解不同高度上成云致雨的微物理过程,同时为了了解黄山地区的降水微物理特征,本文选取2011年6月黄山地区一次较长时间、范围较大的降水过程,对不同高度的雨滴谱分布进行分析。

1观测点、仪器介绍及数据处理

1.1　观测点

观测点选在黄山地区。黄山位于安徽黄山市黄山区境内,南北长约40 km,东西宽约30 km。年平均降雨日数183 d。

观测仪器为3台激光降水粒子谱仪,分别架设在黄山光明顶气象站(海拔1 840 m,118°09′E、30°08′N)、半山寺景点(海拔1 351 m,118°10′E、30°07′N)、寨西人工影响天气示范基地(海拔464 m,118°09′E、30°03 ′N)。

1.2　数据处理方法

采用德国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子谱仪,数据共分为32个尺度通道和32个速度通道,粒子尺度范围为0.2～25 mm。在数据处理过程中,由于前两个尺度通道的雨滴直径很小,很容易受到湍流和地面飞溅的影响,误差大,所以在处理数据时不予考虑。同时人为检查数据,剔出不合理的异常值。雨滴在下落过程中受到空气阻力的作用会产生形变,这就需要对雨滴直径进行校正。当雨滴小于1 mm时,雨滴的形变可以忽略不计,当雨滴直径在1～5 mm时作如下近似:

2结果与讨论

2.1　天气形势

2011年6月14日,地面,黄山附近存在一条静止锋。500 hPa上,黄山位于槽前,西南暖湿气流带来大量的水汽,这有利于降水。降水云系为积层混合云,主要呈东西走向,并自西向东移动,从北到南穿过黄山地区。

2.2　微物理量特征

表1为此次降水过程的起始时间及样本数。此次降水从6月14日的06:41(北京时间,下同)开始,至15日16:00结束,持续了约33 h,山顶累积降水达到141 mm,山底为182 mm,山腰的累积降水量最大为308 mm。山顶、山腰、山底的降水开始和结束时间差异与总的持续时间相比很小,可以忽略不计,因此认为山顶、山腰、山底三个点是受同一过程同一云系的影响,三个站点可以代表不同高度上的雨滴谱特征。

表2为降水过程中微物理量平均值。直径参量可以反映出雨滴的尺度大小,平均直径反映了降水粒子的平均大小,山顶平均直径为0.705 mm,山腰为0.917 mm,山底为0.809 mm,其中山腰最大。最大直径山顶为1.67 mm,山腰为2.335 mm,山底为2.079 mm,仍是山腰最大。这里最大直径为平均值,所以看起来较小,实际山顶山底的最大雨滴为5.25 mm,山腰为7.7 mm,存在较大的降水粒子。众数直径反映数密度最大的直径,山顶为0.635 mm,山腰为0.904 mm,山底为0.878 mm。优势直径为对含水量贡献最大的直径。所有直径参量均是山腰大于山底大于山顶。

表1降水时间

Table 1Time of precipitation

站点开始时间结束时间样本数山顶2011-06-14T06:412011-06-15T15:5811987山腰2011-06-14T06:412011-06-15T16:0211683山底2011-06-14T06:412011-06-15T16:212021

表2微物理量均值

Table 2Average values of microphysical parametersmm

站点平均直径最大直径众数直径体积中值直径优势直径中值直径山顶0.7051.6700.6351.0971.1770.644山腰0.9172.3350.9041.5931.7250.824山底0.8092.0790.8781.1961.2380.766

不同物理量能反映出降水的其他特征,表3为其他物理量值。均方根直径、均立方根直径与平均直径的规律相似,山腰最大,山底次之。由雨强可知降水的强度,此次降水较强,山腰最大,山顶最小,山顶为4.24 mm·h-1,山腰为9.50 mm·h-1,山底为4.62 mm·h-1。雷达反射率是雷达遥感探测得到的直接量,用于反演降水强度,山顶为32.8 dBz,山腰为39.5 dBz,山底32.8 dBz。数浓度山顶为589 m-3,山腰为434 m-3,山底为378 m-3。与之前的参量不同,其值山顶大于山腰大于山底。李艳伟等(2003)在新疆天山观测中当雨强达到7.44 mm·h-1时,数浓度为2 831 m-3,当雨强为2.15 mm·h-1时,数浓度为542 m-3。张昊等(2011)在庐山观测中当雨强为19.24 mm·h-1,数浓度为376.41 m-3。相同雨强下黄山降水的数浓度比新疆天山要小,比庐山要大。

表3其他微物理量均值

Table 3Average values of other microphysical parameters

站点均方根直径/mm均立方根直径/mm雨强/(mm·h-1)雷达反射率因子/dBz液态含水量/(g·m-3)数浓度/m-3山顶0.7570.8354.2432.80.235589山腰1.0131.1229.5039.50.364434山底0.8710.9454.6232.80.227378

根据雨滴直径大小可以将尺度谱分为4档,第一档是粒径小于1 mm的雨滴,第二档是1～2 mm的雨滴,第三档是2～3 mm的雨滴,第四档是粒径大于3 mm的雨滴。定义4档雨滴数浓度和雨强依次分别为:N1、I1,N12、I12,N23、I23,N3、I3,一般第一档为小雨滴,第四档为大雨滴。表4为各档雨滴对数浓度(N)及雨强(I)的贡献,可以看出第一档雨滴对数浓度贡献最大,山顶第一档雨滴对总数浓度贡献为81.1%,山腰为65.5%,山底为73%。低于新疆天山的96%,但是高于庐山的69%。第二档山顶贡献为18.4%,山腰为30.7%,山底为26.1%。第三、第四档雨滴对总数浓度的贡献几乎忽略不计。三个点都是第一档比例最大,说明小雨滴的数量最多,虽然山底小滴比例大于山腰,但是山顶小滴数多于山腰多于山底,其数浓度分别为473.9、297.9、261.7 m-3。第二档数浓度三个点相差不大,分别为111.9、120.3、112.7 m-3。山顶小雨滴对雨强的贡献为44%,山腰为20.8%,山底为34.4%。第二档对雨强贡献为49.3%,山腰为49.8%,山底为56%,第三档对雨强的贡献山腰为26.5%,山顶山底都很小,第四档由于雨滴数量太少,对雨强的贡献可以忽略不计。小雨滴的数量虽然多,但是由于其粒径小,其对雨强的贡献相对减小,第二档雨滴的数量比第一档小,但粒径大,其对雨强的贡献反而是各档中最大的。大雨滴粒径虽然大,但数量太少,所以贡献很小,只有山腰第三档的雨滴对雨强的贡献较大。

表4各档雨滴对数浓度和雨强的贡献

Table 4Contributions of raindrop in each bin to number concentration and rainfall intensity%

站点N1/NN12/NN23/NN3/NI1/II12/II23/II3/I山顶81.118.40.50.00444.049.36.60.4山腰65.530.73.60.20020.849.826.59.9山底73.026.10.90.00534.456.09.52.1

2.3　雨滴谱的分布特征

各微物理量都是由雨滴谱分布决定的,而雨滴在下落过程中会受到碰并、破碎、蒸发等作用,谱分布随之发生改变。图1为三个点的平均谱分布。可知,山顶的雨滴谱分布近似为指数型,山腰山底近似为单峰型,峰值分别出现在0.427和0.562 mm。谱分布中小于1 mm的雨滴数密度依次山顶明显大于山腰大于山底,由观测资料算得山顶平均风速为6.3 m/s,山腰山底分别为0.76和0.44 m/s。可能是山顶较大的风速使得较大雨滴不稳定从而破碎成小雨滴,所以山顶小滴数密度很大。下落过程中由于大雨滴对小雨滴的碰并作用和小雨滴自身的蒸发作用,使得山腰的小雨滴数密度要小于山顶,小雨滴继续蒸发直至到达山底,其数密度进一步减小。与小雨滴不同,大于1.5 mm的雨滴数密度山腰大于山顶和山底,这可能与地形抬升作用以及云的高度有关。地形抬升使得山腰供水云系加强,雨滴碰并作用加强增加了较大雨滴,使雨滴谱型拓宽。同时山顶处于云中,雨滴尚未完全碰并,山腰处于云下,雨滴完全碰并增大。此外山顶由于地形凸起,呈锥形状,供水云系易从两侧绕流,碰并作用未能加强。山底由于蒸发作用使得谱分布变窄。相同点是大于3.5 mm的雨滴数密度随尺度的减小趋势与之前粒径相比有所减缓,这说明黄山充足的云水条件可以产生较大雨滴。

图1　不同高度的平均雨滴谱分布Fig.1　Average raindrop size distribution at different altitudes

2.4　雨滴谱分布时间演变特征

为了进一步了解此次降水的特性,图2给出不同高度雨强随时间变化。由图可知,不同高度雨强随时间变化趋势基本上是一致的,其值都存在波动,出现许多降水峰值,这说明降水云系在空间上是不均匀的,存在大量对流泡。山顶和山腰雨强相关系数为0.68,山顶和山底为0.32,山腰和山底为0.44。山腰的雨强明显大于山顶和山底。山顶平均降水量为4.24 mm·h-1,标准差为6.51 mm·h-1,山腰平均降水量9.50 mm·h-1,标准差为13.62 mm·h-1,山底平均降水量为4.62 mm·h-1,标准差为5.72 mm·h-1,降水强度越大,波动偏差就越大。根据雨强大小可以将降水过程分成两个阶段,第一阶段主要云系通过黄山地区并带来较强降水,第二阶段黄山处于降水云系的上边缘,降水较小。第一阶段6月14日06:41—15日00:00,该阶段山顶平均雨强为6.38 mm·h-1,山腰为14.46 mm·h-1,山底为6.78 mm·h-1。第二阶段6月15日00:00—16:00,其间山顶平均雨强为1.93 mm·h-1,山腰为4.43 mm·h-1,山底为2.33 mm·h-1。第一阶段的降水强度是第二阶段的三倍左右。雨强是由雨滴谱分布决定的,其与雨滴的数浓度和雨滴的尺度有关。山顶和山腰的雨滴数浓度相关系数为0.47,山顶和山底为0.37,山腰和山底为0.41。山顶和山腰的数浓度要明显大于山底,第一阶段的数浓度山顶为682.01 m-3,山腰为547.15 m-3,山底为491.72 m-3。第二阶段三个点分别为490.14、319.41、259.74 m-3。第一阶段比第二阶段高出50%左右,增加幅度比雨强小。最大直径山腰最大,第一阶段山顶为1.84 mm,山腰为2.51 mm,山底2.16 mm,第二阶段中三个点分别是1.48、2.16、1.99 mm。第一阶段比第二阶段大了约10%。

图2　不同高度雨强的时间序列　　a.山顶;b.山腰;c.山底Fig.2　Time series of rainfall intensity at different altitudesa.mountaintop;b.mountainside;c.mountain bottom

图3为两个阶段的平均雨滴谱谱分布,可以看出第一阶段降水较强,各高度的谱型都比第二阶段宽,各高度谱分布特征为:小雨滴端数密度山顶大于山腰大于山底,大雨滴端数密度山腰最大,与总的平均雨滴谱分布特征一致。

图3　降水第一阶段(a)和第二阶段(b)的平均雨滴谱Fig.3　Average raindrop size distribution in (a)the first stage and (b)the second stage

2.5　微物理参量随时间变化

为了进一步讨论三个点的雨强与其他微物理量的关系,图4给出三个观测点数浓度、最大直径、雷达反射率随雨强的散点分布。由图可知,雨强(I)和数浓度(N)、最大直径(Dmax)、雷达反射率(Z)都近似为幂指数关系。数浓度随雨强的增大而增大,其散点分布较分散,相同雨强时山顶数浓度最大,山腰散点的分散范围要大于山底。数浓度与雨强相关性最差,拟合的系数山顶最大为299.16。指数在山顶山底相差不大,山腰最小为0.438。最大直径的散点分布也较分散,但三点分布都差不多,其范围及趋势基本一致。最大直径与雨强的相关系数稍大于数浓度,拟合系数和指数三个点的值相差不大,系数依次递增,指数依次递减。雷达反射率随雨强的散点分布集中,并且三点的趋势一致,相关性最好,都达到0.95以上,Z-I关系常被用于雷达测量反演降水,常用的标准关系为Z=300I1.4。山顶系数最小为135.92,山腰系数最大为177.77,山底为160.29。三个点的系数都远小于300,三个点的指数依次递减,而且都接近1.4。不同高度的Z-I关系是存在差异的。

图4　数浓度(a)、最大直径(b)和雷达反射率(c)随雨强的分布Fig.4　Distributions of (a)number concentration,(b)maximum diameter,and (c)radar reflectivity with rainfall intensity

雨强与雨滴个数以及尺度有关,图5为各档数浓度随雨强的分布,基本呈幂函数关系,第二档相关性最好,三个点分别是0.91、0.85、0.91,其次第三档和第二档。

图5　各档雨滴数浓度随雨强的分布　　a.山顶;b.山腰;c.山底Fig.5　Distributions of number concentration of raindrop in each bin with rainfall intensity　　a.mountaintop;b.mountainside;c.mountain bottom

2.6　雨滴谱分布及参数时间序列

观测得到的雨滴谱分布都是离散的,通过拟合的方法可得到连续的雨滴谱分布。常用有两种分布来拟合雨滴谱。一种是M-P分布,另外一种是Gamma分布。研究表明M-P分布适合稳定的层状云,Gamma分布具有普适性,所以本文选用Gamma分布,即N(D)=N0Dμexp(-λD)。先求降水过程中各时刻雨滴谱的拟合参数再求平均,结果发现误差极大。所以采用先求平均雨滴谱,再求拟合参数的方法。拟合效果较好,由图6可知由于大雨滴端数密度减小趋势的减缓,造成较大的偏差。但是相关系数分别为0.96、0.87、0.98,都达到0.85以上。

图6　观测和拟合的谱分布　　a.山顶;b.山腰;c山底Fig.6　Observed and fitted raindrop size distributions　　a.mountaintop;b.mountainside;c.mountain bottom

拟合分布如下:

N(D)=5 188.120D0.195exp(-3.148D),

N(D)=1 532.021D-0.1exp(-2.070D),

N(D)=16 897.65D2.076exp(-4.307D)。

Gamma分布有三个参量,这三个参量之间并不是完全独立的,许多研究表明λ(斜率因子)与μ(形状因子)之间存在一定关系,由图7可知,斜率因子随形状因子增大而增大,三个点的增大趋势不同,拟合的二项式关系的相关性很高,都达到0.9以上。

图7　斜率因子随形状因子的分布　　a.山顶;b.山腰;c山底Fig.7　Distributions of solpe parameter with shape parameter　　a.mountaintop;b.mountainside;c.mountain bottom

3结论

1)此次降水较大,各直径微物理量在山腰最大,山底次之,山顶最小,山腰雨强最大,山顶数浓度最大。小雨滴对数浓度的贡献最大,中小雨滴对雨强的贡献最大,山顶小滴比例最大。

2)对比不同高度雨滴谱平均谱分布,小于1 mm的雨滴数密度山顶大于山腰大于山底,这与小雨滴的蒸发和碰并有关,而大于1.5 mm的雨滴则是山腰大于山顶和山底,这可能与地形抬升加强云系有关。

3)由雨强的时间序列可将降水分成两个阶段,其中第一阶段各微物理量明显大于第二阶段,第一阶段的降水量约是第二阶段的3倍。

4)雨强与雷达反射率、数浓度、最大直径近似成幂指数关系,其中雨强与雷达反射率相关性最好。

5)Gamma分布拟合谱分布效果较好,其中斜率参数随形状参数增加而增加,用二项式拟合效果较好。

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(责任编辑：刘菲)

Raindrop size distribution at different altitudes in Mt. Huang

CHEN Cong1,YIN Yan1,CHEN Bao-jun2

(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration,NUIST,Nanjing 210044,China; 2.Nanjing University,Nanjing 210093,China)

Abstract:Based on the raindrop size distribution data observed in a precipitation process in Mt. Huang in June 2011,this paper studies the characteristics of raindrop size distribution and microphysical parameters at different altitudes as well as the discrepancy.It shows that all of the microphysical diameter parameters are the highest in the mountainside and the lowest in the mountaintop.The rainfall intensity is the highest in the mountainside,while the number concentration is the highest in the mountaintop.On the one hand,it is the highest in the mountaintop and the lowest in the mountain bottom that the number density of raindrops with diameter less than 1 mm,which is related to evaporation and collision coalescence of small raindrops,on the other hand,the number density of raindrops with diameter larger than 1.5 mm in the mountainside is lager than that in the mountaintop or the mountain bottom,which may be due to the topographic forcing.The precipitation process can be divided to two stages based on the time series of each microphysical parameter.The values of each microphysical parameter in the first stage are obviously higher than those in the second stage.The rainfall intensity in the first stage is about three times larger than that in the second stage.There are approximate power function relationships between rainfall intensity and radar reflectivity,number concentration and maximum diameter,and the correlation between rainfall intensity and radar reflectivity is the best.

Key words:raindrop size distribution;Mt. Huang;different altitudes

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130223001

文章编号：1674-7097(2015)03-0388-08

中图分类号：P426.62

文献标志码：A

通信作者：银燕,博士,教授,研究方向为云降水物理与大气气溶胶,yinyan@nuist.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41030962);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

收稿日期：2013-02-23；改回日期：2013-05-20

陈聪,银燕,陈宝君.2015.黄山不同高度雨滴谱的演变特征[J].大气科学学报,38(3):388-395.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130223001.

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