新探测仪器资料在短时强降水过程中的应用

新探测仪器资料在短时强降水过程中的应用
崔雅琴;张佃国;龚佃利;王洪;张骞;刘泉;张秋晨
【摘要】结合新一代多普勒天气雷达观测,利用德国RPG-HATPRO-G3型14通道并行地基微波辐射计观测的温度和液态水路径数据、THIES公司THIES CLIMA LNM型地面激光雨滴谱仪获取的地面雨强资料,综合分析了2015年8月3日济南短时强降水天气过程逆温层分布特征、液态水路径变化、雨滴谱特征分布及拟合分析.结果表明,由于受强对流降水过程中的潜热增温作用,大气中存在逆温层,且较强;液态水含量存在较强的短时积聚现象,降水前液态水含量路径起伏较大,跃增非常明显,伴随降水强度的减弱,液态水路径起伏减小;整个降水过程中,前期雨滴谱呈现双峰分布,强降水和后期降水为单峰谱,雨滴谱特征符合Gamma分布.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2016(044)006
【总页数】7页(P875-881)
【关键词】微波辐射计;激光雨滴谱仪;液态水路径;逆温特征
【作者】崔雅琴;张佃国;龚佃利;王洪;张骞;刘泉;张秋晨
【作者单位】山东省气象信息中心,济南250031;山东省人民政府人工影响天气办公室,济南250031;山东省人民政府人工影响天气办公室,济南250031;山东省气象信息中心,济南250031;山东省气象台,济南250031;山东省人民政府人工影响天气办公室,济南250031;山东省人民政府人工影响天气办公室,济南250031
【正文语种】中文
强对流天气是指出现短时强降水、雷雨大风、龙卷风、冰雹等现象的灾害性天气，它发生在对流云系或单体对流云块中，在气象上属于中小尺度天气系统。

短时强降水是强对流天气的一种表现形式，同时，是气象预报中的重点和难点，时常会引发城市洪涝、渍涝灾害和山洪、山体滑坡、泥石流等次生地质灾害，是气象工作者重点关注的天气现象之一。

因此对短时强降水进行研究，提高其预报预测能力极为重要。

国内气象工作者对短时强降水过程做了大量的研究，尹承美等[1]研究了济南市区短时强降水特征，分析了产生短时强降水的天气类型。

郑永光等[2]使用地球静止气象卫星相当黑体亮度温度(TBB)资料分析了北京及周边地区的中尺度对流系统的时空分布特征。

王晓芳等[3]给出了中国长江中下游地区梅雨期线状中尺度对流系统的组织类型特征。

李文莉等[4]针对河西地区强降水天气，进行了中尺度分析。

耿建军等[5]利用北京多普勒雷达资料，分析了北京一次强降水过程。

总之，以上研究均取得了有意义的结果和有益成果。

但是，目前国内利用新探测设备观测资料来研究短时强降水过程甚少。

本文运用高时空分辨率地基微波辐射计[6]和激光雨滴谱仪观测资料，结合新一代多普勒天气雷达观测，从降水形成机制、微物理特征变化等方面，以2015年8月3日济南降水过程，进行了分析研究，揭示了此类强降水变化规律，为提高短时强降水的预报水平，减少洪涝、渍涝和次生地质灾害造成的损失提供一些参考依据。

1.1 微波辐射计
德国RPG-HATPRO-G3型14通道并行地基微波辐射计[7]，可以自动并快速获取10 km高度范围内大气垂直和天顶二维的温、湿、液态水和水汽含量等云物理信息，同时观测地面温、压、湿和降水要素，观测温度范围为-60～60 ℃，湿度范围为1%～100%;系统14个接收器并行观测，每个通道拥有独立的带宽、滤波器和接收器系统，采样得到垂直高度的温度、湿度、液态水和综合水汽含量信息，并实时显示。

自2014年8月起，山东气象工作者针对该设备观测做了大量有效的工
作，进行了与探空和系留飞艇观测仪器的对比试验(论文待发表)，分析了观测数据的可靠性，确保了观测数据的稳定性和准确度,为科学研究打下了坚实的基础。

1.2 雨滴谱仪
德国THIES公司LNM型地面激光雨滴谱仪[5,8-9]，可进行连续分钟级的采样观测，测量降水粒子直径在0.16～8 mm范围内，实施观测时，剔除了直径小于
0.16 mm和大于8 mm及落速小于0.2 m/s的粒子数据，可记录下落中的毛毛雨、小雨、大雨、冰雹、雪花等降水过程，可计算各种降水类型的强度、下落速度等参量，进行云降水物理方面的研究。

微波辐射计和雨滴谱仪均安装在济南市天桥区无影山顶(36°41′20" N，116°58′ 37" E)，所在地点地势较高，受周围障碍物影响小，有利于科学观测研究。

结合新一代多普勒天气雷达观测，利用新型探测仪器地基微波辐射计和地面激光雨滴谱仪取得的数据，分析了2015年8月3日(本文中时间均为北京时，下同)济南市短时强降水云物理参量特征变化。

新型探测设备与雷达相距较近，约35 km，
具有较高的精准度，有利于分析研究。

针对此次降水过程，选取了对应时段的微波辐射计观测温度和液态水路径数据以及激光雨滴谱仪观测资料；为凝练雨滴谱的变化规律，对滴谱资料进行20 min的平均平滑处理,针对降水粒子谱的特征，进行
了M-P分布和Gamma分布两种函数的拟合分析。

3.1 降水特征分析
图1给出了此次降水过程中雨滴谱仪观测雨强的时间变化特征,可以看出，降水持
续时间比较长，从17:47开始到23:55结束，持续时间达6 h，降水起伏较大，从毛毛细雨到暴雨，有着几个量级的变化，突现明显的峰值，最大雨强可达99.23 mm/h(图1b)。

整个降水过程可分为3个阶段:弱降水时段(图1a),17:47—19:05
约为1 h 20 min,此时段降水分布不均匀,有增强的趋势，降水强度均在1.6 mm以下；强降水时段(图1b),19:05—20:05约为1 h，此时段起伏较大，从小于1 mm
到大于90 mm，并且伴有雷电、大风和冰雹，造成了较为严重的灾害；强降水后期(图1c)，20:05—23:55，约为3 h，此时段降水比较均匀，有减弱的趋势，雨强小于13 mm。

3.2 逆温层
图2为地基微波辐射计观测降水过程4 km以下大气温度的垂直变化情况。

可以看出，廓线密集区温度除了在近地层存在几十米的逆温变化外，整层温度递减率比较均匀；在14:48-15:52时间范围内，温度廓线变化比较剧烈，随时间的变化逆温层特征凸现明显，最大逆温层厚度可达1.2 km，此次短时强降水与大气逆温变化有着密切的关系，形成逆温层的原因是大气中使空气趋于饱和，饱和湿空气中的凝结潜热对大气有加热的作用所致，逆温层的破坏反过来又加剧了对流的强度，促成了此次强降水过程。

3.3 雷达回波特征
图3给出了此次降水过程济南齐河雷达站新一代多普勒天气雷达观测的雷达回波演变特征，齐河雷达站位于济南市西北方向约22 km位置(116°46′51″E，
36°48′10″N)，海拔高度72.9 m。

可见，降水初期(18:59,图1a), 回波中间集中、周围零散，中间出现一条东北-西南方向的强回波带，呈现简单直线形型[10]，周围回波较弱，在15 dBz以下；伴随着降水的加强，回波逐渐增强合并(19:14,图1b)，中心强回波区增大，周围开始出现较强回波区，并与中心回波合为一体，主要表现在济南以南的位置，该时刻对应短时强降水的峰值；伴随降水继续持续，受气旋的影响，在线状回波两端有加强的趋势(19:43,图1c)，线状回波逐渐转变为块状回波，在块状回波中间形成一个强回波中心，最强回波55 dBz；20点以后，降水强度逐渐减小，回波开始减弱分散(20:24,图1d)。

分析可知，此次降水过程，主要是由于气旋的影响产生的。

4.1 液态水路径
云液态水含量是影响云降水的一个重要物理参数，是实施人工增雨的参考指标，国内研究人员利用其他设备进行了大量的观测和分析[11-16]，取得了有意义的成果。

张志红[12]的观测分析得出在降水开始前，空中液态水含量明显增加，地面降水的产生滞后于空中液态水含量的增加。

敖雪[12]的研究表明，降水发生前，大气水汽含量在5 cm以上，并随雨强的增加而增大。

杨大生[13]给出了中国地区夏季6—
8月平均云液水含量的经向和纬向变化特征。

万蓉[14]得出了一次积层混合云降水微波辐射计所测云液水含量随时间的变化。

田磊[15]研究了我国银川地区云液水含量的日变化情况。

党张利[16]的研究中给出了降水样本在降水前云液态水含量随时间的变化情况。

可见，云液态水路径的变化对降水的预示作用非常重要。

图4给
出了利用地基微波辐射计探测的2015年8月3日08:00至4日08:00的济南周
边地区云液态水含量随时间的变化特征，纵轴为液态含水量变化，横轴为时间。

分析显示，整个降水过程，液态水含量分布非常不均匀，在短时强降水来临前(19:05之前)，云液态路径上出现了液态水含量的3次跃增：13：50出现第一次跃增，
增加幅度和强度比较小；15：45出现第二次跃增，增加幅度和强度有所增加；18：00—19：20出现第三次跃增，增加的幅度和强度变大，时间变长，垂直路径上峰值含水量可达2982.7 g/m3，为强降水提供了丰富的云水供应。

在强降水开始后(19:20—20:10)，液态水含量迅速出现梯度下降，降幅可达一个量级；均匀性降水阶段，即强降水后期(20:10—23:55)，液态水分布也不均匀，存在比较小的起伏变化，但是也存在降水前的液态水含量堆积，和降水后的减小的变化。

4.2 雨滴谱分析
雨滴谱曲线的型式通常称为谱型，经研究表明谱型可分为三类[17]：指数型、多峰型、单峰型。

对于层状云、积雨云和积层混合云，谱型分别为指数型、多峰型和单峰型分布。

图5为此次降水过程中的雨滴谱变化特征，可以看出整个降水过程雨
滴谱变化分三个不同阶段，与研究结果相同。

强降水前期的弱降水时段(图5a)，
降水粒子谱为双峰谱，谱型尾部起伏较大，粒子谱数浓度比较小，谱宽较窄，小
于3 mm；强降水时段(图5b)，降水粒子谱为单峰谱，比较平滑，粒子谱数浓度
比较大、短时间内增加了7个量级的变化，谱宽迅速展宽，从小于3 mm增至8 mm以上，这种大的降水粒子应该是雨滴密集碰并的结果，此时地面出现了短时
强降水；强降水后期的稳定降水时段(图5c)，降水粒子谱型为单峰谱，起伏较大，偶尔也会出现多峰变化，还有断裂的现象，应该是云层分布不均匀造成的。

4.3 雨滴谱拟合分析
用来拟合雨滴谱的常用函数主要有两种：
(1)M-P分布n(D)=n0exp(-λD)，由Mashall和Palmer[18]推算得出，其中
n(D)(个·m-3·mm-1)为单位尺度间隔、单位体积内的雨滴数浓度，D(mm)为降水
粒子直径，n0和λ分别是降雨粒子数浓度和尺度参数。

(2)Gamma分布：n(D)= n0Dμexp(-λD)，Gamma分布是在M-P分布中引入一
个形状因子μ，当μ>0表示曲线向上弯曲，μ<0表示曲线向下弯曲，μ=0时就退化为M-P分布。

为揭示此次降水过程中雨滴谱的规律性，图6在3个不同降水阶段分别选取了30 min的雨滴谱资料进行M-P分布和Gamma分布两种平滑处理，剔除个别不规则信息。

降水初期时段为17:51—18:10(图6a,d)，强降水期时段为19:21—
19:50(图6b,e),降水后期时段为22：31—23:00(图6c,f)。

表1和表2给出了3个降水阶段中M-P分布和Gamma分布两种函数的拟合参数变化情况。

经分析可见，M-P拟合大于1 mm的雨滴趋势相似，曲线形状有较大差异，小滴端尤为突出，大滴端比较理想；Gamma拟合具有较好的一致性，降水初期整体拟合比较一致，在峰值上有一定的差距，强降水时段，形状和趋势均比较一致，降水后期拟合形状相似，但是在小滴端有比较大的差距。

综合分析了2015年8月3日济南短时强降水过程的逆温层特征、液态水路径和
雨滴谱分布特征，得到以下结论：
(1)本次降水过程大体可以分为3个阶段：弱降水时段、短时强降水时段和稳定降水时段，短时强降水对降水贡献较大。

(2)整层大气变化比较平缓，边界层以下存在70 m贴地逆温层，在降水前，逆温层突然增强，最大厚度可达1.2 km，主要是降水释放潜热造成的，对此次降水有很大的贡献作用。

(3)本次降水过程雨滴谱符合以前积层混合云研究结果，符合Gamma分布特征，降水初期整体拟合比较一致，在峰值上有一定的差距，强降水时段，形状和趋势均比较一致，降水后期拟合形状相似，但是在小滴端有比较大的差距。