地面雨滴譜的觀測及特征分析

鄭藝

摘要：降水粒子特性是大氣運動和云內微物理過程的綜合結果，在云降水物理及人工影響天氣領域有著重要的意義。利用南京信息工程大學大氣物理與大氣環(huán)境實驗室的激光氣象粒度儀（Parsivel），選取了2007年12月9日到12日的5次降水過程的觀測數(shù)據(jù)，對雨強；降水量；雷達反射率等這些微物理參量進行分析。

關鍵詞：雨滴譜； 觀測方法； 雨滴譜函數(shù)； Parsivel； 微物理參量

1觀測儀器介紹

本次觀測所用的儀器就是激光粒度氣象儀（Parsivel）（Parsivel激光粒度氣象儀設備外觀圖（見圖4），它是一種現(xiàn)代化的以激光為基礎的光學測量系統(tǒng)，由德國OTT公司開發(fā)研制的。數(shù)據(jù)獲取和存儲是通過一個快速的數(shù)字化信號處理器完成的。激光氣象粒度儀以激光測量為基礎，測量的基本參數(shù)為粒徑和速度，采用平行激光束和光電管陣列結合，當有降水粒子穿越采樣空間時，自動記錄遮擋物的寬度，通過穿越時間計算降水粒子的尺度和速度。由此推導出從靜風到颶風所有風速下粒徑分布、降水量、能見度、雷達反射率、降水動能和降水類型。

中粒子尺度測量的數(shù)據(jù)范圍為0.2～25 mm，粒子速度測量的數(shù)據(jù)范圍對應著0.2～20 m·s-1。

粒子尺度的測量：降水粒子下降過程中經(jīng)過探測儀器的采樣空間時，粒子的直徑a由被遮擋的接收二極管d個數(shù)確定。粒子速度的測量：粒子的下降速度V由接收二極管d被遮擋的時間t和粒子直徑a計算確定，即V=f（d，t）。假設粒子尺度均勻非變形，則有Vt=f（a）。由于計算速度足夠快，系統(tǒng)能夠響應所有經(jīng)過的遮蔽物，從而可以統(tǒng)計所有降水粒子顆粒的尺度與速度。但是如果有兩個甚至多個降水粒子同時到達采樣面時，就會產(chǎn)生重疊誤差，無論是對尺度測量還是對速度的計算，都會產(chǎn)生很大的影響。

2資料及處理方法

南京屬北亞熱帶季風氣候，四季分明，冬夏長而春秋短。雨水充沛，光能資源充足，年平均溫度16℃。夏季最高氣溫可達38℃；冬季最低氣溫達零下8℃。年平均降雨117天，降雨量1106.5毫米；無霜期長，年平均239天。每年6月下旬到7月中旬為梅雨季節(jié)。此次觀測主要針對南京市2007年12月9日到12日的降水情況和降水的微物理參量進行分析。南京的冬天雨雪少，11-12月多濃霧天氣，冬季寒冷干燥。

圖1是2007年12月11日雨強和數(shù)濃度隨時間的變化圖，從圖中看出，降水的變化強度非常劇烈，雨強的變化主要集中在23：00至24：00之間，在23：30的時候出現(xiàn)了一個峰值，降水強度達到2 mm·h-1，持續(xù)一個小時左右，降水強度下降到接近于1的一個最小值，隨后逐漸增大，到23：40左右，出現(xiàn)一天中的最大值，降水強度接近4 mm·h-1，隨后降水強度開始下降至1.5 mm·h-1左右。幾分鐘后又出現(xiàn)了一個峰值，大概時間在23：50左右，此峰值為4.0 mm·h-1左右。這一天數(shù)濃度的變化還是要分為兩個階段，前一個階段持續(xù)時間較短只有二十幾分鐘，后一個階段從23：00開始到00：00結束，后一個階段在前半小時主要呈現(xiàn)上升趨勢，到23：30時出現(xiàn)一個峰值，隨后逐漸下降，到降水結束。總體來看，2007年12月11日的降水主要集中在23：00左右，在此階段，降水量很大，降水粒子集中。

圖2是2007年12月9日雷達回波強度和雨強隨時間的演變，從圖中看出，雨強和雷達反射率因子的變化是一致的，也就是說雨強越大，雷達反射率因子就越大，在22：50左右，兩者均出現(xiàn)了一個峰值，雨強達到1.5mm·h-1，雷達反射率因子達到1.8dBz，隨后逐漸下降，雖然兩者在或一階段都出現(xiàn)了幾個小峰值，但是總體來說還是處于下降趨勢。

根據(jù)2007年12月9日到12日四天的雨滴譜擬合圖，在9日，最大直徑為2.5 mm，最小直徑只有0.25 mm，所以譜寬大概為2.25 mm。由此可以得到，10日最大直徑為2.3 mm，最小直徑為0.24 mm，所以譜寬為2.06 mm。11日最大直徑為2.5 mm，最小直徑為0.24 mm，譜寬為2.26 mm，12日最大直徑為2.3 mm，最小直徑為0.24 mm，譜寬為2.06 mm，所以2007年12月9日到12日這四天的平均譜寬為2.16 mm，因此雨滴總數(shù)密度和雨滴平均尺度較小。從圖中還可以看出，不同雨強的雨滴譜分布譜形相似，都是單峰分布，峰值出現(xiàn)的雨滴直徑有所差別，雨強越大，峰值對應的雨滴直徑越大，譜越寬。從圖中還可以看出，在只有較弱降水的9日，數(shù)濃度的峰值為85 mm-1m-3 ，峰值區(qū)在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間，而10日和11日都有中等降水出現(xiàn)，在10日當天，數(shù)濃度的峰值為140 mm-1m-3 左右，峰值區(qū)在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間，在11日當天，數(shù)濃度的峰值為90 mm-1m-3 左右，峰值區(qū)在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間；而12日是強降水天氣，數(shù)濃度的峰值為1200 mm-1m-3 左右，峰值區(qū)在直徑為0.5mm到1.0 mm之間。

3結論

（1）南京地區(qū)2007年12月9日到12日的降水屬于層狀云降水。

（2）在降水總體較弱或者較強的時候，雨強越大雨滴數(shù)濃度越小，雨強越弱雨滴數(shù)濃度越大；在降水總體強度中等時，雨強和雨滴數(shù)濃度變化趨勢一致，雨強大雨滴數(shù)濃度也大。

（3）雷達反射率因子Z和雨強I隨時間的演變趨勢相同，Z和I呈正相關關系。雨強越大，雷達反射率因子就越大。經(jīng)過對實測點擬合發(fā)現(xiàn)雷達反射率因子Z是雨強I的指數(shù)函數(shù)。

（4）每日降水的平均雨滴譜表現(xiàn)為單峰，濃度隨直徑增大出現(xiàn)一個峰值后遞減，降雨越強，譜寬越大，數(shù)濃度反而小。雨滴譜在峰值右側的譜線呈負指數(shù)分布，即M-P分布。

參考文獻

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[2]陳德林，谷淑芳.大暴雨雨滴平均譜的研究.氣象學報，1989，21-26.