一次冰雹天氣的降水現(xiàn)象儀觀測(cè)分析

吳世美，徐飛英，沈楊迪

(貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

一次冰雹天氣的降水現(xiàn)象儀觀測(cè)分析

吳世美，徐飛英，沈楊迪

(貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001)

冰雹和它所伴隨的雷暴、大雨、颮線及龍卷等，是常見災(zāi)害性天氣之一，準(zhǔn)確觀測(cè)冰雹天氣現(xiàn)象的發(fā)生地點(diǎn)、起止時(shí)間、強(qiáng)度變化和演變特點(diǎn)，對(duì)天氣分析和氣象服務(wù)具有重要意義。天氣現(xiàn)象儀是目前主要的冰雹天氣現(xiàn)象的自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，該文針對(duì)貴陽市2017年4月5日冰雹過程對(duì)降水現(xiàn)象儀的觀測(cè)結(jié)果與人工觀測(cè)記錄進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，設(shè)備總體性能較好，可準(zhǔn)確觀測(cè)到冰雹過程，但存在大雨強(qiáng)時(shí)錯(cuò)報(bào)成冰雹類型的可能，建議后期增加識(shí)別算法，提高設(shè)備的識(shí)別準(zhǔn)確性。

冰雹；雨滴譜；天氣現(xiàn)象；強(qiáng)對(duì)流；降水現(xiàn)象儀

1 引言

冰雹是從強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云中降落到地面的固體降水，大小差異大，最大直徑可達(dá)數(shù)十毫米。雖然冰雹天氣時(shí)間短，范圍小，但突發(fā)性強(qiáng)，往往伴有雷電大風(fēng)，所經(jīng)之處房屋倒塌，樹木電桿折斷，農(nóng)作物被毀，危及人畜安全。降水現(xiàn)象儀是國內(nèi)較為流行的降水類型天氣現(xiàn)象儀，可用于雨、毛毛雨、雪、雨夾雪和冰雹觀測(cè)。貴陽國家基本站于2016年底安裝降水現(xiàn)象儀并投入業(yè)務(wù)測(cè)試運(yùn)用。2017年4月5日晚，受南支槽及低層切變共同影響，貴陽多地發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣過程，4月5日傍晚開始，貴陽市自北向南出現(xiàn)雷雨天氣，烏當(dāng)區(qū)(百花、水田)、貴陽城區(qū)在雷雨中夾降冰雹，最大直徑15 mm左右，最大密度在100粒/m2左右，發(fā)生罕見的冰災(zāi)。本文就本次貴陽國家基準(zhǔn)氣象站降水現(xiàn)象儀冰雹過程記錄與人工觀測(cè)記錄進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果為設(shè)備改進(jìn)、天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)提供參考。

2 觀測(cè)原理

降水現(xiàn)象儀基于激光消減原理，實(shí)時(shí)輸出降水類型。在開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，有激光發(fā)射單元發(fā)射一束平行光，光學(xué)接收單元將接收到的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。當(dāng)無粒子通過采樣光帶時(shí)，接收單元輸出連續(xù)固定的電壓值；當(dāng)有粒子通過采樣光帶時(shí)，會(huì)遮擋采樣區(qū)域內(nèi)的部分光束，降低接收單元的輸出電壓值，形成波谷。接收單元利用采樣區(qū)域內(nèi)粒子對(duì)激光帶的遮擋程度、持續(xù)時(shí)間及遮擋次數(shù)測(cè)量雨滴粒子的粒子直徑、下落末速度及粒子數(shù)目[1-2]。降水現(xiàn)象儀的數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)粒子分布情況結(jié)合降水類型分類圖[3](如圖1所示)判別降水類型。降水現(xiàn)象儀采樣周期為1 min，可全天工作，維護(hù)簡單。

圖1 降水類型分類圖Fig.1 Classification map of precipitation types

3 要素變化分析

本次冰雹過程主要分布在貴陽城區(qū)，貴陽國家基準(zhǔn)站人工觀測(cè)到5 min冰雹，發(fā)生在21時(shí)21分—21時(shí)25分之間。從整個(gè)強(qiáng)對(duì)流天氣過程來看，本站氣壓變化大，變化值達(dá)4 hPa；貴陽站在20時(shí)22分相對(duì)濕度開始增大， 20—21時(shí)氣溫逐步降低，20時(shí)30分左右和21時(shí)后氣溫發(fā)生急劇變化，在21時(shí)23分左右出現(xiàn)最低值。從風(fēng)向風(fēng)速來看，風(fēng)向風(fēng)速變化較為明顯的時(shí)段為20時(shí)—20時(shí)30分和21時(shí)—21時(shí)30分，且風(fēng)速在21時(shí)23分出現(xiàn)最大值，平均風(fēng)速9.6 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)15 m/s，發(fā)生在冰雹過程中。從分鐘降水量信息可知，21時(shí)13分起出現(xiàn)降水，降水強(qiáng)度較大，21時(shí)23分出現(xiàn)最大值為2.8 mm，發(fā)生在冰雹過程中，小時(shí)降水量達(dá)到23.0 mm。降水過程天氣要素具體變化情況如圖2所示。在冰雹時(shí)段，氣溫、降水強(qiáng)度、風(fēng)速都出現(xiàn)了極值，如圖3所示。

4 降水現(xiàn)象儀實(shí)測(cè)分析

4.1 記錄情況

降水現(xiàn)象儀的記錄共有12 min冰雹記錄，21時(shí)15分—21時(shí)17分，21時(shí)21分—21時(shí)29分，覆蓋人工記錄21時(shí)21分—21時(shí)25分，從21時(shí)24分起鏡頭受到輕微污染，圖4是降水現(xiàn)象儀雨滴譜記錄實(shí)況。

4.2 雨滴譜分析

從降水現(xiàn)象儀冰雹時(shí)刻的分鐘雨滴譜數(shù)據(jù)整體來看，12 min的數(shù)據(jù)中均觀測(cè)到大粒徑、高下落末速度的降水粒子。降水粒子直徑小于5 mm時(shí)，粒子下落末速度基本上集中在10 m/s以下，降水粒子直徑大于5 mm時(shí)，粒子下落末速度基本上集中在10 m/s以上，其中21時(shí)22分—25分的雨滴粒子總數(shù)和直徑大于5 mm、下落末速度10 m/s以上的粒子數(shù)量明顯增多，與翻斗雨量記錄時(shí)刻及人工記錄的冰雹時(shí)刻重合。理論上認(rèn)為雨滴粒子直徑最大為7～8 mm，在4～5 mm較容易發(fā)生破裂，且降水粒子(液態(tài)和固態(tài))直徑小于15 mm時(shí)最大下落末速度不會(huì)超過16 m/s，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果不一致，圖中21時(shí)22分、21時(shí)25分、21時(shí)26分、21時(shí)27分、21時(shí)29分，出現(xiàn)了直徑小于15 mm最大下落末速度超過16 m/s的降水粒子，是儀器測(cè)量誤差還是受污染等導(dǎo)致，其原因有待多次觀測(cè)結(jié)果去確認(rèn)。從粒子尺寸來看，本次冰雹過程人工測(cè)量的冰雹粒子最大直徑為6 mm，儀器觀測(cè)最大達(dá)到13 mm，應(yīng)該來自于人工與儀器觀測(cè)位置不同；儀器與人工觀測(cè)降雹時(shí)間的差異，可能是人的聽覺受環(huán)境噪音影響和視覺影響所致。

圖3 冰雹時(shí)段氣象要素變化情況Fig. 3 Variation of meteorological factors during hail period

圖4 冰雹時(shí)刻雨滴譜(黑色實(shí)線為GK曲線)Fig. 4 Raindrop spectra at hail time (black solid line is GK curve)

續(xù)圖4 冰雹時(shí)刻雨滴譜(黑色實(shí)線為GK曲線)Fig. 4 Raindrop spectra at hail time (black solid line is GK curve)

5 結(jié)論

本文針對(duì)貴陽市2017年首次冰雹過程對(duì)降水現(xiàn)象儀的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了初步分析，得出如下認(rèn)識(shí)：

①降水現(xiàn)象儀可準(zhǔn)確觀測(cè)到冰雹過程，且相較人工記錄的起止時(shí)間外，還包含粒子粒徑、粒子下落末速度及粒子數(shù)目等豐富信息。

②降水現(xiàn)象儀可能存在冰雹誤報(bào)現(xiàn)象，特別是在瞬時(shí)雨強(qiáng)較大的暴雨時(shí)刻，建議后期增加識(shí)別算法，提高設(shè)備的識(shí)別準(zhǔn)確性。

③儀器輸出冰雹類型時(shí)段內(nèi)，由于風(fēng)要素的變化較為劇烈而影響降水現(xiàn)象儀對(duì)粒子下落末速度的測(cè)量過程，建議增加多要素綜合質(zhì)控方法，以剔除或修正采樣樣本。

[1] 張曉宇,雷勇,王柏林,等.Parsivel與LNM激光雨滴譜儀降水觀測(cè)的差異[J].氣象科技,2016,44(4):548-554.

[2] 濮江平,張偉,姜愛軍,等.利用激光降水粒子譜儀研究雨滴譜分布特性[J].氣象科學(xué),2010,30(5):701-707.

[3] L?fflermang M, Joss J. An Optical Disdrometer for Measuring Size and Velocity of Hydrometeors[J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology,2000,17(2):130-139.

[4] 吳世美，吳有恒，饒鵬程.環(huán)境因素對(duì)前向散射能見度儀測(cè)定精度的影響研究[J].貴州氣象，2015，39(4)：52-54.

[5] 李剛，羅喜平，韓曉令.貴州中西部道路結(jié)冰氣象影響因子檢驗(yàn)評(píng)估[J].貴州氣象，2016，40(4)：6-10.

ObservationAnalysisofPrecipitationPhenomenonMetertoaHailWeatherProcess

WU Shimei, XU Feiying, SHEN Yangdi

(Guiyang Meteorological Bureau, Guiyang 550001, China)

Hail is one of the common disastrous weather in China, which is usually accompanied by thunderstorms, heavy rain, squall line and tornado. It is of great importance for meteorological analysis and service support to accurately observe the occurrence site, start and stop time, intensity changes and evolution characteristics of hail weather phenomenon. Weather phenomena instrument, as a major automatic observation device for hail weather phenomena, has the misinformation of hail phenomenon, especially at the moment when the instantaneous rainfall intensity is heavy. This study preliminarily evaluated the observational performance of precipitation meters based on the observations of hail processes occurred in Guiyang city on April 5, 2017.The results show that the equipment with good performance can record the hail process accurately. But there was a possibility that the rain will be wrongly reported as hail. Therefore, we propose that identification algorithms should be designed to improve the recognition accuracy of the devices in the future.

hail; raindrop spectrum; weather phenomenon; strong convection; precipitation meter performance

1003-6598(2017)05-0079-04

2017-06-01

吳世美(1972—)，女，工程師，主要從事綜合氣象觀測(cè)工作，E-mail:qxjwsm@163.com。

R414.9

B