一次冰雹過程降水量觀測對比分析

申高航 高安春* 王子悅 劉婷婷

(1 山東省臨沂市氣象局,臨沂 276004; 2 山東省臨沂市費縣氣象局,費縣 273400)

引言

降水是自然大氣中水循環的主要環節,反映了地球大氣的動力、熱力、水汽等多種要素的相互作用,其中包含有云降水微物理過程的復雜信息。作為一個重要氣象觀測要素,降水量觀測歷來受到氣象工作者的重視,國內外曾多次進行降水測量儀器的比對試驗。2007年10月至2008年9月,WMO在Vignadi Valle(Italy)開展了不同采樣機制雨量計的比對試驗,探索不同雨量計及其不同安裝方式的測量誤差,研究如何提高降水量測量的準確性[1-3]。我國也建立了標準雨量站網,任芝花等研究了該網的設置以及資料的獲取情況,對比分析了中國降水測量的隨機誤差、沾濕與蒸發誤差、風場變形誤差[4-5]。雙翻斗式雨量傳感器和稱重式雨量傳感器是我國地面觀測業務中廣泛使用的2類降水測量儀器,由于工作原理不同,其測得的降水量也存在一定的差異。李林、傾鵬程等對翻斗雨量傳感器和稱重降水傳感器進行了比較分析[6-9],發現兩者在降雨量小的時段數據一致性較好,在雨量偏大的時段,會出現明顯的誤差。

目前,我國國家氣象站已經大量布設DSG5等類型的降水天氣現象儀,并在實時業務中代替人工觀測,實現了降水天氣現象觀測的自動化,積累了大量的降水粒子譜觀測資料,也為降水量的測量提供了一種新方法[10-15]。對降水粒子譜的觀測和研究,不僅可以判斷降水粒子類別、估算降水量,而且有助于加深對大氣微物理過程的認識、改進和優化數值預報模式中的降水參數化方案、提高雷達定量估測降水的精度,為氣象災害評估和人工影響天氣效果評估提供可靠的依據[16-18]。

從目前氣象觀測業務的實際來看,翻斗雨量計主要作為液態降水的測量工具;稱重雨量計全年運行,冬季作為固態降水的主要測量工具,夏季輔助翻斗雨量計觀測;DSG5等類型的降水天氣現象儀全年運行,主要實現降水天氣現象的自動化觀測。這樣,針對夏季同一個降水過程,一個國家氣象站就可以獲取3種時間分辨率為1 min的降水信息資料。充分挖掘這些高時間分辨率降水資料中蘊含的氣象信息,可以為中小尺度天氣系統的分析提供重要的技術支撐,有助于提高短臨預報預警的水平,更好地發揮氣象業務現代化建設的綜合效益。

2020年6月1日下午至夜間,受高空槽和低層切變影響,山東省大部地區出現強對流天氣,地處沂蒙山腹地的蒙陰縣先后遭受到兩輪冰雹襲擊。本文以蒙陰縣國家氣象觀測站翻斗雨量計、稱重雨量計和DSG5型降水天氣現象儀觀測到的分鐘降水資料為基礎,分析了降雹對DSG5降水天氣現象判斷造成的干擾,基于DSG5降水天氣現象儀判據對降水中的冰雹和雨滴進行了區分,分別計算了冰雹和雨滴形成的分鐘降水量時間序列;對翻斗雨量計、稱重雨量計和由DSG5計算的分鐘降水量的時間序列進行了綜合對比,探討了不同降水量觀測方法對冰雹過程降水的探測能力。本文拓展了DSG5降水粒子資料在氣象觀測業務中的應用,豐富了冰雹過程的觀測信息,對比了不同降水量觀測設備對冰雹過程的響應能力,有助于業務人員了解不同的雨量觀測設備,從而更好的使用各種觀測資料,加深對冰雹天氣過程及其微物理機制認識,做好災害性天氣的預報預警服務。

1 設備、資料與方法

蒙陰縣國家氣象觀測站所用翻斗雨量計和稱重雨量計基本參數如表1所示:

表1 蒙陰站翻斗雨量計和稱重雨量計基本參數

蒙陰縣國家氣象觀測站DSG5型降水天氣現象儀是一種采用現代激光技術的光學測量系統,它可以測量降水粒子的尺度和速度,并通過判據實現天氣現象的自動觀測與識別。DSG5型降水天氣現象儀的結構如圖1a,它的兩側分別是激光發射端和接收端,頂部有防濺罩遮蓋,其間是取樣激光束。取樣激光束寬30 mm、長180 mm,距地高度2 m。圖1b展示了降水天氣現象儀邊沿效應的問題,即降水粒子從激光束的邊沿下落,只有一部分遮擋了激光束,這種情況下,降水天氣現象儀測出的粒子直徑要小,但下落速度不受影響。DSG5對粒子等效體積粒徑測量范圍為0.125～26.0 mm,劃分到32個尺度區間;下落末速度測量范圍為0.1～22.4 m·s-1,劃分到32個速度區間。根據降水粒子直徑和垂直下落末速度的關系,DSG5將降水粒子分為毛毛雨、雨(陣雨)、雪(陣雪)、雨夾雪(陣性雨夾雪)、冰雹和未知類型降水等6類。

圖1 DSG5型降水天氣現象儀的結構(a)和原理(b)

第i個尺度、第j個速度區間內降水粒子的體積數密度Ν(D,v)ij(個·m-3·mm-1)為[19-20]:

(1)

其中:n(D,v)ij為第i個尺度、第j個速度區間內降水粒子數,Di是第i個尺度區間的平均等效直徑(mm),ΔDi是第i個尺度區間的寬度(mm),vj是第j個速度區間的平均速度(m·s-1),Δt是取樣的時間間隔(s)。

降水強度R(mm·h-1)為[19-20]:

(2)

其中:π為圓周率,ρ為降水粒子的密度,本文中水密度取為1 g·cm-3,冰雹密度取為0.9 g·cm-3。Di為第i個尺度區間的平均粒子直徑,N(D)i為第i個尺度區間的粒子個數,v(D)i為第i個尺度區間粒子的平均速度(m·s-1),ΔDi為第i個尺度區間的區間寬度(mm)。

雨滴末速度(V)與等效直徑(Dle)的關系[16]:

V=9.65-10.3exp (-0.6Dle)

(3)

其中:Dle為雨滴粒子等效直徑(mm)。

冰雹末速度(V)與等效直徑(Dle)的關系[21]:

(4)

其中:Die為冰雹粒子的等效直徑(mm)。

自然降水中的雨滴在直徑超過5 mm時就極易破碎,DSG5降水天氣現象儀用5 mm直徑區分冰雹和雨滴,本文分析中采用這條判據。但考慮到在冰雹和雨水混合的降水過程中,由于冰雹的融化,可能存在更大的雨滴,但直徑很難超過8 mm,分析中也采用8 mm作為輔助指標[19-20]。

2 冰雹天氣概況

受高空槽和低層切變影響,2020年6月1日下午至夜間山東省大部地區出現冰雹天氣,部分地區伴有8～10級雷雨大風和短時強降水。強冰雹主要出現在德州夏津至臨沂蒙陰一線。本次強對流天氣過程中,濟南多普勒雷達觀測到有兩個超級單體先后影響蒙陰,蒙陰縣先后遭受二輪冰雹襲擊,并出現了大風、暴雨和短時強降水等災害性天氣。綜合氣象信息員的報告和各地反饋信息,蒙陰縣第一輪冰雹開始于18:00左右,持續時間約30 min,最大冰雹直徑約40 mm;第二輪冰雹開始于19:00左右,持續時間約10 min,最大冰雹直徑約20 mm。冰雹影響到6個鄉鎮的111個村,農作物受災面積5218公頃,直接經濟損失19028.32萬元。

從蒙陰縣國家氣象站的觀測資料和備注信息看:蒙陰站兩輪冰雹分別出現在18:24—18:41和19:29—19:34兩個時間段內,中間間隔48 min;測站測量到的最大冰雹直徑為35 mm。根據翻斗雨量計觀測,第一輪降水量48.1 mm,第二輪降水量26.2 mm,都達到短時強降水的標準;過程總量74.3 mm,達到暴雨標準;最大風速出現在18:50,2 min平均風速為12.7 m·s-1。

3 不同設備冰雹過程降水量觀測對比

3.1 翻斗雨量計和稱重雨量計測量

圖2a是兩輪降雹期間(18:20—20:00)翻斗雨量計和稱重雨量計觀測的分鐘降水量和氣溫時間序列折線圖。圖中兩降水量折線走勢和起伏基本相似,但稱重雨量計觀測的結果滯后翻斗雨量計6 min。和氣溫曲線對照,翻斗雨量計所測序列與氣溫變化比較吻合,降雹開始后,冰雹在下落過程中不斷融化、吸收大量的熱、氣溫陡降;稱重雨量計所測時間序列明顯滯后氣溫變化,特別是在18:55—19:00之間,對應稱重雨量計所測的分鐘降水量極大值,氣溫卻有明顯升高。

圖2b是累積分鐘降水量序列。圖中表示兩種設備的曲線變化非常一致,稱重雨量計的結果比翻斗雨量計滯后6 min。第一輪降雹翻斗雨量計共測得48.1 mm降水,稱重雨量計測得48.6 mm,稱重雨量計偏多1.04%(0.5 mm); 第二輪降雹翻斗雨量計測得26.2 mm降水,稱重雨量計測得27.1 mm,稱重雨量計偏多3.44%(0.9 mm)。

調整時間延遲,制作兩序列的氣泡圖2c。圖中氣泡大小代表兩種設備分鐘雨量的絕對差值大小,灰度表示分布點密度。總體上看,氣泡主要沿對角線分布,說明翻斗雨量計和稱重雨量計測量結果的一致性較好;當分鐘降水量小于1 mm時,翻斗雨量計所測分鐘降水量偏大;當分鐘降水量大于2 mm時,稱重雨量計所測分鐘降水量偏大。這一結果說明較大冰雹需要一定的融化時間,不能立即被翻斗雨量計測量,而稱重雨量計則不受影響。

在兩序列的箱型圖2d中,槽口最窄處的橫線是分鐘降水量中位數所在的位置,槽口最寬處的寬度對應信度95%的中位數置信區間,箱體的上下邊分別是75%和25%分位數所在的位置,箱體上下的橫線分別代表分鐘降水量最大值和最小值所在的位置。圖中,兩箱體槽口平齊,中位數所在高度一致,說明兩序列的分布一致;兩箱體的分布和箱體上方虛線的長度還表明,翻斗雨量計分鐘降雨量中位數以下至0.1 mm的計數較多,稱重雨量計分鐘降水量大于2.4 mm的計數較多;這與圖2c的結果一致。總體來看,翻斗雨量計分鐘降水量分布的峰度為1.6153,偏度為0.3977;稱重雨量計分鐘降水量分布的峰度為1.569,偏度為0.3972。兩序列分布參數基本相近。

3.2 雨滴和冰雹的分離方法

DSG5的防濺罩可以減少打到上面的雨滴濺入取樣激光束[19]。但降落在防濺罩上的冰雹不能像雨滴那樣可以依靠表面張力附著在罩上,更容易滾入取樣區域。從防濺罩邊沿濺落的雨滴或滾入的冰雹,距離取樣激光束的垂直距離很小(5 cm), 由重力作用獲得的垂直速度較小(小于1 m·s-1),而且由于時間足夠短,大小粒子的垂直速度非常接近;也有一些冰雹在防濺罩上發生彈跳后又落入取樣區域,假設其彈起的垂直高度達到40 cm, 由重力作用獲得的垂直速度也只有2.8 m·s-1(如果考慮相關阻力的情況,以上估算的速度還要小)。這樣,在如圖3所示的降水粒子速度-尺度譜分布圖中,從防濺罩邊沿濺落的不同大小的雨滴或滾入的冰雹,應該在縱坐標1 m·s-1以下,分布成平行于尺度軸的窄帶;從防濺罩彈跳進入的冰雹,由于彈跳的高度差異,則在縱坐標1 m·s-1至2.8 m·s-1間零散分布。

圖3 不同時間段蒙陰站降水粒子的速度-尺度譜特征:(a)18:24—18:52, (b)19:29—19:42, (c)18:35—18:40, (d)18:45—18:50(橘色實線是水凝物分類邊界, 藍色虛線-式(3),紅色虛線-式(4))

鑒于DSG5型降水天氣現象儀在實時業務中的普遍使用和其在天氣現象識別方面的良好表現[22],本文以DSG5判據為基礎,對第一輪降雹(18:24—18:52)、第二輪降雹(19:29—19:42),以及第一輪降雹中降雹最強的5 min(18:35—18:40)和降雹間歇的5 min(18:45—18:50),共4個時間段的降水粒子速度-尺度譜進行分析。

第一輪降雹的降水粒子速度-尺度譜圖3a中,降水粒子主要集中在雨區和冰雹區,降水粒子數密度大值區基本沿雨區中的藍色虛線和冰雹區中的紅色虛線分布。另外,雪區和雨夾雪區的粒子數密度也較大。雪區中在MN虛線以下有一條明顯的平行于尺度軸的窄帶,表明有比較多的雨滴和冰雹從防濺罩邊沿濺落或滾入采樣區;由防濺罩彈跳入采樣區的冰雹則零散地出現在雪區稍高的位置上。雨夾雪區的粒子主要分布在分區左側,粒子直徑小于5 mm的地方,向上緊接雨區;有些研究將該部分粒子判定為霰[19-20],考慮到實際天氣狀況,該部分粒子可能處于不同的融化狀態,密度應當較接近雨滴的密度,本文將其并入雨區。

圖3b是第二輪降雹的降水粒子速度-尺度譜。該時間段降雹較弱,冰雹數密度較小,降水粒子主要集中在雨區。被識別到雪區的降水粒子明顯減少,在1 m·s-1縱坐標以下,平行橫軸向右延伸的窄帶變短變弱,說明雨滴濺射、冰雹滾入和彈跳效應明顯減弱。

分別制作第一輪降雹中最強時間段和降雹間隙時間段的降水粒子速度-尺度譜(圖3c和圖3d),對比發現:圖3c中在虛線MN以下出現了明顯的窄帶,說明在5 min的強降雹時段內,雨滴濺射、冰雹滾入和彈跳對DSG5的干擾很大;而相鄰的冰雹間隙期(圖3d)內(只有降雨),雪區的干擾幾乎完全消失。

綜合以上分析發現:從防濺罩邊沿滾入和彈跳入采樣區的冰雹粒子,對DSG5降水天氣現象的識別產生嚴重干擾,而且,冰雹體積數密度越大、降雹越強,這種干擾就越嚴重。但是這些干擾粒子的垂直速度比自然降落的降水粒子速度明顯偏低,主要被DSG5識別到了雪區。由于這些干擾粒子主要從采樣區外進入采樣區,本文在對DSG5降水粒子資料進行分析反演時略去了被識別到了雪區的粒子,既可以減少了DSG5降水天氣現象儀的誤判,又可以提高過程降水量的反演精度。另外,將毛毛雨區、雨夾雪區分布的粒子并入雨區處理。這樣,就可以利用DSG5判據將降水粒子譜中的雨滴和冰雹分開,為研究降雹過程中雨滴和冰雹的譜分布及其時間變化、反演過程中由冰雹和雨滴產生的降水量提供了便利。

3.3 DSG5計算雨量與雨量計實測雨量的比較

將降雹過程中的雨滴和冰雹分開后,就可以分別計算雨滴和冰雹形成的降水量,分析比較降雹過程中雨滴量和冰雹量的時間變化,探討冰雹的譜分布。這些信息有助于研究強對流天氣的形成機理,分析強對流天氣中的中小尺度系統的變化及影響。圖4a是第一輪降雹期間(18:20—19:00),根據DSG5雨滴譜資料分別計算的雨滴和冰雹形成的分鐘降水量。由圖可見,該時段內降雹和降雨幾乎同時開始,強降雹時段和強降雨時段對應,且主要位于強降雨時段的前部;分鐘降雹量和降雨量都表現出很強的陣性特點;18:40之前,降雹量大于降雨量;18:40之后,降雹量明顯小于降雨量,而且逐漸變小。統計分析表明:第一輪降雹期間,雨滴相當的降水量為26.03 mm,冰雹相當的降水量為20.44 mm,計算總降水量為46.47 mm,比翻斗雨量計實測(48.1 mm)小1.63 mm,偏少3.39%;總體來看,本文采用的分離雨滴和冰雹的方法、以及雨滴和冰雹降水量的計算方法具有一定的精度。

圖4 2020年6月1日18:20—20:00蒙陰站DSG5計算和翻斗雨量計及稱重雨量計觀測的分鐘降水量序列:(a)冰雹和雨滴分鐘降水量,(b)冰雹和雨滴總量分鐘降水量,(c)分鐘降水量累積,(d)DSG5計算和翻斗雨量計實測分鐘降水量相對分布氣泡圖

圖4b比較了該時段翻斗雨量計、稱重雨量計測量和DSG5雨滴譜資料計算的分鐘降水量(冰雹和雨滴總量)時間序列。圖中稱重雨量計測量結果存在明顯滯后。翻斗雨量計和DSG5雨滴譜計算結果變化趨勢基本一致,但也存在明顯差別:計算降水量的峰值比翻斗雨量計實測高,谷值比實測低,計算降水量表現出更強的陣性,而且其極值出現的時間比實測雨量略早;圖中18:30計算雨量的峰值為3.51 mm,相應實測分鐘雨量峰值出現在18:31,峰值為2.9 mm,時間上滯后了1 min,量級上少了0.61 mm; 18:32計算分鐘雨量的谷值為1.45 mm, 相應實測分鐘雨量谷值出現在18:34, 谷值為1.8 mm,時間上滯后了2 min,量級上高了0.35 mm,實測分鐘降水量的振幅比計算雨量少了0.96 mm。

圖4c是雨滴譜計算和翻斗雨量計實測分鐘降水量的累積和序列。圖中兩曲線變化比較一致,18:45之前,由DSG5計算值略大于翻斗雨量計實測結果;18:45之后,翻斗雨量計實測結果明顯超過DSG5計算值。分別利用Ansari-Bradley和Kolmogorov-Smirnov方法對序列分布一致性進行假設檢驗[23],結果都表明,雨滴譜計算、翻斗雨量計和稱重雨量計實測分鐘降水量服從同一連續分布(假設檢驗的信度大于95%)。

在DSG5計算分鐘雨量和翻斗雨量測量分鐘雨量的氣泡圖4d中,氣泡主要沿對角線分布,說明DSG5計算的分鐘雨量和翻斗雨量計實測結果具有較好的一致性;當分鐘降水量小于1 mm時,翻斗雨量計所測分鐘降水量偏大;當分鐘降水量大于2 mm時,氣泡對稱地分布在對角線兩側,這種現象與翻斗雨量計測量冰雹降水的滯后有關。

綜合以上分析可見:依據DSG5降水粒子分類判據可以分開冰雹過程中的雨滴和冰雹,分別計算出降雹量和降雨量,并且具有一定的精度。 DSG5計算的分鐘降水量序列、翻斗雨量計和稱重雨量計實測分鐘降水量序列的總體分布具有較好的一致性,但在分鐘雨量的瞬時變化方面存在明顯差異。雨滴譜計算雨量能更好地反映冰雹降水的瞬時變化和陣性特點,但誤差較大。翻斗雨量計承雨器的底部是孔徑1 mm的過濾網,進入承雨器的冰雹受過濾網的阻擋,不能立刻進入翻斗進行測量,必須待其充分融化,對冰雹和雨滴混合的降水起了削峰填谷的作用,使測量得到的分鐘雨量陣性幅度變小,變化時間滯后。稱重雨量計消除誤差波動使用的算法使得其測量結果明顯滯后[24]。

4 結論

受高空槽和低層切變影響,2020年6月1日18:00—20:00,蒙陰縣出現了冰雹天氣。本文分析了降雹過程中DSG5探測的降水粒子譜特征,探討了降雹對降水天氣現象識別造成的干擾和在降水中區分雨滴和冰雹的方法,分別計算了雨滴和冰雹形成的降水量。對過程中翻斗雨量計、稱重雨量計測量和由DSG5計算的降水量進行了綜合比較。

(1)冰雹易于從DSG5防濺罩邊沿滾入或在防濺罩上彈起后重新落入采樣區,對降水天氣現象的判斷產生嚴重的干擾,干擾粒子一般被DSG5識別到雪區。基于DSG5判據可以把降水中的冰雹和雨滴區分開,分別計算其形成的降水量。

(2) 翻斗雨量計、稱重雨量計測量和由DSG5計算的過程分鐘降水量序列總體上服從同一個連續分布,具有較好的一致性。

(3) DSG5降水天氣現象儀能更靈敏和快速地偵測到降水的起始、結束時間,更準確地反映降水強度隨時間的變化,為中小尺度天氣系統的研究提供精準的降水變化信息;翻斗雨量計和稱重雨量計對冰雹過程分鐘降水量的觀測存在一定的緩沖,不能準確描述分鐘降水量的實時強度的變化;稱重雨量計觀測的冰雹過程分鐘降水量序列存在明顯的滯后。