降水测量对比试验及其主要结果

为了实现国内固态降水测量的自动化,同时了解我国降水测量与国际标准仪器DIFR间降水测量的差异,2006年中国气象局在大西沟、长春、通河气象站进行了为期近1年的降水测量对比试验。分别针对固态和液态降水分析了我国台站长期使用的普通雨量器的捕捉率大小及其与风速的简要关系、不同安装方式的雨量器间的防风效果。根据降水捕捉率及观测过程中的实际状况,对参加对比试验的7种自动化雨量计进行了性能分析,为业务上完全实现降水自动化观测而提供依据及建议。     

几种雨量观测方式比对试验分析

为进一步了解不同雨量观测方式对降水测量的影响,在中国气象局大气探测试验基地进行了几种雨量观测方式的比对试验。本文利用该试验的观测资料,分析了不同雨量计及其不同安装方式对降水测量的影响,并分别给出了各雨量计的测量值。结果表明:降水测量与雨量计的安装方式极其相关,坑式安装测量的雨量值最大,其余依次为双栅、防风圈和平地安装(呈水口高出地面70cm);当前业务观测方式测得的降雨量偏小;降雪测量受风场的影响比液态降水测量更显著。     

称重与人工观测降水量的差异

为了更好地使用降水观测数据,对引起称重观测和人工观测的差异原因进行分析,选取北京市15个国家级地面观测站2012年11月—2014年1月称重式降水传感器与人工观测降水量业务资料,探讨称重观测与人工观测累积降水量的差异,并细化为对固态降水和液态降水两种降水类型进行相关性研究。结果表明:称重观测与人工观测日降水量相关系数为0.9990, 88.0%的对比次数中, 两者日降水量差值满足业务要求;在出现固态降水时,称重观测较人工观测降水量偏大,在出现液态降水时,称重观测较人工观测降水量偏小;两者在日降水量等级判断差异较小,小量降水时称重观测的能力较优;防风圈可显著提高称重观测固态降水的捕捉率,而称重观测内筒蒸发对夏季降水测量有一定影响。     

湖南省雨滴谱仪与常规降水观测对比分析

湖南省97个国家气象站自2017年开始陆续安装了雨滴谱仪,2018年1月1日起进行平行观测。为分析评估其探测降水量的准确性,选取湖南省12个国家站2018年雨滴谱仪观测资料和自动站翻斗雨量计小时降水资料,从总体观测误差、不同降水量级下观测误差和累积降水量观测误差3个方面进行对比分析,结果表明：（1）雨滴谱仪小时降水量和翻斗雨量计小时降水量存在显著的相关性,R2平均为0.94,其中南岳站R2最低为0.90,浏阳站R2最高为0.98,12个站的小时降水量绝对偏差均值为0.34mm;（2）当小时降水量Rh<1.0mm时,各站雨滴谱仪降水量较翻斗雨量计降水量平均偏大0.05mm,且平均差值绝对值均在0.2mm以下;当1.0mm≤Rh<2.6mm时,大部分站点雨滴谱降水量均大于或与翻斗雨量计降水量相当;当2.6mm≤Rh<5.0mm时,株洲和南岳站雨滴谱降水量较翻斗雨量计降水量明显偏小,武冈和娄底站雨滴谱仪降水量则明显偏高;当5.0mm≤Rh<8.0mm时,除株洲和南岳站外,其它各站雨滴谱降水量均大于或与翻斗雨量计降水量相当;当8.0mm≤Rh<16.0mm 时,除株洲和南岳站雨滴谱仪降水量偏小外,其他各站雨滴谱仪降水量均较翻斗雨量计降水量偏大;当Rh≥16.0mm时,雨滴谱仪降水量偏差明显变大,平均偏差绝对值达到3.570mm;（3）雨滴谱仪累计降水量和翻斗雨量计累计降水量变化趋势基本一致,除汨罗和南岳站外,雨滴谱仪累计降水量常表现为偏多。通过分析可见,湖南省雨滴谱仪雨量观测有较好可靠性,可为强降水监测预警、人工影响天气及降水数据订正等提供数据支撑。     

中国降水测量误差的研究

20世纪 ,国际上许多国家对降水测量进行了对比试验工作 ,以研究降水测量中的误差大小与分布。由于各个国家降水测量仪器的型式、尺寸以及安装高度不同 ,试验对比的降水测量误差的大小也就不同。为了弄清中国降水测量误差的大小 ,中国气象局选择了 30个基准基本站 ,建立标准雨量站网进行试验对比。本文介绍了中国标准雨量站网的设置以及对比资料的获取情况 ,对比分析了中国降水测量的随机误差、沾湿与蒸发误差、风场变形误差。经 30个标准雨量站 7a 2 90 0 0多次的 1台坑式雨量器、2台台站雨量器的对比观测 ,给出了中国降水量测量误差的大小、降水测量中的随机误差与系统误差的分布情况。经分析 ,对于收集口口径为 2 0cm ,安装高度为 70cm的台站普通雨量器 ,每次测量随机误差累计平均值为 0 .0mm ,沾湿误差为 0 .2mm ,蒸发误差为 0 .0mm ,降雨风场变形误差为 0 .19mm ,降雪为 0 .32mm。降雨测量的平均相对误差约为 4 .34%～ 15 .2 8% ,降雪测量的平均相对误差约为 6 .17%～ 39.99%。     

Observation of snowfall with a low-power FM-CW K-band radar (Micro Rain Radar)

Quantifying snowfall intensity especially under arctic conditions is a challenge because wind and snow drift deteriorate estimates obtained from both ground-based gauges and disdrometers. Ground-based remote sensing with active instruments might be a solution because they can measure well above drifting snow and do not suffer from flow distortions by the instrument. Clear disadvantages are, however, the dependency of e.g. radar returns on snow habit which might lead to similar large uncertainties. Moreover, high sensitivity radars are still far too costly to operate in a network and under harsh conditions. In this paper we compare returns from a low-cost, low-power vertically pointing FM-CW radar (Micro Rain Radar, MRR) operating at 24.1?GHz with returns from a 35.5?GHz cloud radar (MIRA36) for dry snowfall during a 6-month observation period at an Alpine station (Environmental Research Station Schneefernerhaus, UFS) at 2,650?m height above sea level. The goal was to quantify the potential and limitations of the MRR in relation to what is achievable by a cloud radar. The operational MRR procedures to derive standard radar variables like effective reflectivity factor (Z _e) or the mean Doppler velocity (W) had to be modified for snowfall since the MRR was originally designed for rain observations. Since the radar returns from snowfall are weaker than from comparable rainfall, the behavior of the MRR close to its detection threshold has been analyzed and a method is proposed to quantify the noise level of the MRR based on clear sky observations. By converting the resulting MRR-Z _e into 35.5?GHz equivalent Z _e values, a remaining difference below 1?dBz with slightly higher values close to the noise threshold could be obtained. Due to the much higher sensitivity of MIRA36, the transition of the MRR from the true signal to noise can be observed, which agrees well with the independent clear sky noise estimate. The mean Doppler velocity differences between both radars are below 0.3?ms^?1. The distribution of Z _e values from MIRA36 are finally used to estimate the uncertainty of retrieved snowfall and snow accumulation with the MRR. At UFS low snowfall rates missed by the MRR are negligible when comparing snow accumulation, which were mainly caused by intensities between 0.1 and 0.8 mm?h^?1. The MRR overestimates the total snow accumulation by about 7%. This error is much smaller than the error caused by uncertain Z _e?Csnowfall rate relations, which would affect the MIRA36 estimated to a similar degree.     

Derivation of an adjustment factor map for the estimation of the water equivalent of snowfall from ruler measurements in Canada

Abstract

This paper provides an updated fresh snowfall water equivalent adjustment factor (ρ_swe) map for Canada to allow the estimation of solid precipitation amount from ruler measurements of the depth of freshly fallen snow, which has been the standard method for measuring snowfall since Canadian climate measurements began in the middle of the nineteenth century. The ρ_swe map is created based on the comparison of corrected solid Nipher gauge precipitation to snowfall ruler depth measurements at 175 stations with more than 20 years of concurrent observations. The Nipher gauge correction process involved a careful analysis of station metadata to obtain precise information on anemometer heights and the dates that Nipher gauges were activated. The updated fresh snowfall water equivalent adjustment factor map allows estimates of ρ_swe to be obtained for all long‐term climate stations in Canada. The spatial pattern is consistent with processes influencing the density of fresh snowfall and its initial settling with values ranging from more than 1.5 over the Maritimes to less than 0.8 over southern‐ central British Columbia.     

华南地区5月降水的水汽特征分析

利用国家气候中心的降水资料及NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海温资料分析了华南地区5月降水的主要水汽通道及变异机制。发现异常多雨年的水汽主要来自南海、孟加拉湾和青藏高原南侧;异常少雨年则因西太平洋副热带高压(简称副高)偏东,来自南海的水汽缺失,只有来自孟加拉湾和高原南侧的两股水汽,因而南海的水汽是影响华南地区5月降水的重要因素。分析发现当北太平洋的准东西向海温异常是"负正负"分布时,南海地区为异常的反气旋性环流,有利于副高西伸加强;北太平洋海温距平为"正负正"异常分布时,南海地区为异常的气旋性环流,副高东退减弱。此外,北方南下冷空气的阻挡使得季风北界位置偏南,冷空气和季风在华南地区交汇导致5月降水异常增多。     

A field study of orographic precipitation anomalies during high velocity winds using an aerofoil rain gauge

Summary This study was prompted by a need to explain an anomaly in the apparent precipitation distribution over a prominent mountain subject to a high velocity westerly airstream. Historical data reveal that the lee receives 58% more precipitation than the summit. A novel rain gauge with a vertically orientated collecting orifice, 3 standard rain gauges and complementary wind data were procured from 3 sites on the mountain to assess the effect of the airstream on the precipitation distribution. The catch efficiency of standard rain gauges decrease after the wind velocity exceeds 2.5 ms^–1 Results indicate that the summit actually receives 59% more precipitation than the lee, where a vortex directly affects the precipitation distribution over, and east, of the mountain.With 11 Figures     

丹东地区沿海和山区降雪气候特征

利用丹东地区4个观测站1955—2010年逐年10月至翌年4月逐日降水量、天气现象、雪深等资料,对丹东地区南部沿海和北部山区降雪气候特征进行了分析,结果表明:丹东地区沿海和山区降雪初日、终日及初终日间隔日数、年降雪日数、年降雪量、降水相态、日最大降雪量、日最大积雪深度等平均特征不同。与山区相比,沿海降雪初期较晚,终期较早,初、终日间日数较短,年降雪日数和年降雪量相对较少。在丹东地区1955—2010年降雪时段平均气温升高趋势显著背景下,丹东地区降雪初期推迟、终期提前、初终日间隔日数缩短;降雪日数减少,其中雨夹雪日数所占百分比显著增多;降雪量减少,其中主要是纯雪量减少;日最大降雪量和积雪深度呈减小趋势;沿海和山区变化幅度不同。     

利用雷达资料对自动雨量计实时质量控制的方法研究

自动雨量计资料是对降水的直接测量,在流域面雨量计算、气候研究、气象服务等方面具有重要意义。但是,由于风力、蒸发、灌溉、校准、漏斗堵塞、机械故障、信号传输等原因往往造成其存在不同类型的系统误差和随机误差, 自动雨量计数据在定量使用前需要进行质量控制。目前,天气雷达以其高时空分辨率的优势已经成为监测降水的重要手段,本文首先采用两步校准法改善雷达估测降水,然后对雷达—雨量计对之间的差异进行统计学的分析,确定自动雨量计质量控制的一些标准,从而对雨量计进行质量控制。最后用两个降水过程对自动雨量计质量控制的结果进行了检验,结果表明:两步校准法改善了雷达估测降水的系统性偏差,并减小了雨量计站点上的相对误差;可以利用雷达估测降水实现对自动雨量计的实时质量控制,就整个数据集而言,约0.1%的数据被怀疑为误判,误判的自动雨量计主要位于雨带的边缘。但该质量控制算法同时也存在一定的局限性:在雨带的边缘或没有天气雷达覆盖的区域,以及雷达资料存在数据质量问题的情况下,往往会造成对雨量计的误判。     

毫米波测云雷达在降雪观测中的应用初步分析

本文利用毫米波云雷达联合称重式雨量计、气球探空和S波段天气雷达在北京对2015年11月三次降雪进行了观测,以2015年11月22~23日降雪过程为例,主要从降雪系统的宏观结构特征、微物理变化以及毫米波雷达在降雪探测中电磁波衰减情况、雪粒子含水量和地面降雪量估测几方面进行初步分析。结果表明:（1）毫米波云雷达具有高时空分辨率,能对降雪系统进行精细化探测,在降雪系统发展最旺盛的阶段能够通过反射率（Z）、退极化比（LDR）和径向速度（V）初步判断出云中是否含有过冷液滴;（2）降雪回波强度最大值能反映整层云系中含水量最大的区域,当最大值Z大于20 dBZ时,最大值的大小、最大值持续时间、最大值出现的高度与地面降水量成正相关,速度最大值表示云中粒子上升最大速度（速度为正时）或者粒子下落的最小速度（速度为负时）,主要分布在－0.5~2 m s?1,速度最小值表示粒子下落的最大速度,主要在－3~－1 m s?1;（3）随着高度增加反射率的垂直廓线会出现多个峰值,这是由于不同高度层风速分布不均造成的,降雪回波这种特点比降雨回波更明显;（4）对比Ka与S波段雷达反射率可知,两雷达反射率平均差值小于2.5 dBZ,Ka波段反射率略大S波段雷达反射率;（5）降雪量反演与地面降雪量仪数据对比,逐小时降雪量反演精度为20.38%,累计降雪量反演误差为6.58%,24小时累计降雪量绝对误差为1.9 mm,说明云雷达估算累计降雪量具有较高的可行性,能够很准确的反映地面实际降雪情况,当降雪系统发展旺盛时,雪粒子含水量分布在0.05~0.15 g m?3,在降雪初期或者降雪系统消散期,雪粒子含水量一般小于0.04 g m?3,能够很好地反映出整层降雪回波的雪粒子含水量。这些云雷达在降雪观测中的应用和初步分析结果可以更好的地了解降雪系统宏微观结构,为云模式的发展和人工影响天气中增雪潜力评估提供一些参考。     

张家口市崇礼的雪季与冬奥会赛期的降雪特征分析

利用张家口市崇礼1960-2014年逐日降水和天气现象资料,分析了雪季与冬奥会赛期(2月4-20日)的降雪特征。结果显示：崇礼最早降雪初日为10月13日,最迟降雪终日为4月30日,初、终雪日多年平均为11月2日和4月6日;雪季长度最长和最短分别为190 d和123 d,多年平均为156 d。雪季间最长连续无降雪时段多出现在12月末到1月下旬。冬奥会赛期前的11月上旬降雪日数少,但降雪量较大;此后各旬降雪日数、雪量差异不大。2月4-20日间平均4~5 d出现一次降雪,且主要为中小雪,出现大雪的概率极低。这些结果为冬奥会赛场充分利用降雪资源、制定赛事计划和赛事期间的气象条件预测及预报等保障提供参考依据。     

基于观测事实的四川天气现象发生空间分布特征

利用四川省145个气象台站1981～2013年连续人工观测资料,对34种天气现象发生日数和概率进行统计。结果表明:除极光外,四川省共观测到33种天气现象,露和轻雾日平均发生频率大于40%;雨和阵雨日平均发生频率大于20%;结冰、霜和雷暴日平均发生频率大于10%。露、霜、结冰、雷暴、闪电、大风、积雪、雨、阵雨、雨夹雪、雪11种天气全省各站均有发生,而雨凇、雪暴、吹雪、龙卷仅在个别站点发生。液态降水、雾、轻雾、霾、浮尘、烟幕、露均是盆地内多于高原,而混合降水、固态降水、扬沙、沙尘暴、吹雪、雪暴、雷暴、霜、大风、结冰、积雪、冰针、龙卷、尘卷风则是川西高原多于盆地。      

Observational Study on the Supercooled Fog Droplet Spectrum Distribution and Icing Accumulation Mechanism in Lushan,Southeast China

A fog monitor, hotplate total precipitation sensor, weather identifier and visibility sensor, ultrasonic wind speed meter,an icing gradient observation frame, and an automated weather station were involved in the observations at the Lushan Meteorological Bureau of Jiangxi Province, China. In this study, for the icing process under a cold surge from 20–25 January2016, the duration, frequency, and spectrum distribution of agglomerate fog were analyzed. The effects of rain, snow, and supercooled fog on icing growth were studied and the icing and meteorological conditions at two heights(10 m and 1.5 m)were compared. There were 218 agglomerate fogs in this icing process, of which agglomerate fogs with durations less than and greater than 10 min accounted for 91.3% and 8.7%, respectively. The average time interval was 10.3 min. The fog droplet number concentration for sizes 2–15 μm and 30–50 μm increased during rainfall, and that for 2–27 μm decreased during snowfall. Icing grew rapidly(1.3 mm h-1) in the freezing rain phase but slowly(0.1 mm h-1) during the dry snow phase. Intensive supercooled fog, lower temperatures and increased wind speed all favored icing growth during dry snow(0.5 mm h-1). There were significant differences in the thickness, duration, density, and growth mechanism of icing at the heights of 10 m and 1.5 m. Differences in temperature and wind speed between the two heights were the main reasons for the differences in icing conditions, which indicated that icing was strongly affected by height.     

江淮气旋影响下的山东降雪过程相态特征

利用常规的地面观测资料、高空探测资料、自动气象站1 h间隔观测资料、NCEP/NCAR再分析资料（1°×1°,6 h）和ERA5再分析资料（0.25°×0.25°,1 h）,针对1999—2013年山东省12例江淮气旋降雪过程,总结了降水形态类型及时空分布、相态转换等特征并讨论了降水相态“逆转”现象的物理机制。结果表明：1）江淮气旋降雪过程的降水形态种类多样,可出现雨、雪、雨夹雪、冰雹、冰粒、霰、米雪和雨凇,降水相态转换过程中,除了雨夹雪,冰粒也是一种过渡形态;2）冰雹、冰粒、霰、米雪和雨凇5种特殊降水形态最易出现在2月和3月,“雷打雪”现象亦多发于2月和3月;3）鲁东南和半岛南部地区以降雨为主,鲁西北地区多出现降雪,雷暴集中出现在鲁中的中西部和鲁南地区,尤其是鲁东南地区;4）江淮气旋降雪过程相态转换的基本形式为雨转雪,以有无明显雨雪分界线为依据,可分为“典型雨转雪”和“无明显雨雪转换”两类,二者的影响系统特点显著不同;5）范围较大的相态逆转现象易发区域在地面雨雪分界线附近,位于地面倒槽后部,走向与地面倒槽槽线走向一致。气旋生成前低层暖温度平流增强引起低层增温以及气温日变化导致的中午前后近地层浅薄增温均可引起相态逆转,上述两个因素均与地面倒槽的发展态势关系密切。     

安徽大别山一次强雨雪天气过程降水粒子特征分析

通过对降水粒子特征研究,以便探讨云、降水的形成机制。利用一台安装在安徽大别山区潜山县气象局楼顶无障碍平台上,德国OTT公司生产的Parsivel激光降水粒子测量系统所获取的2008年1月26—28日强雨雪天气过程的2540份资料,对不同降水类型的粒子数浓度及其谱分布、下落速度及其谱分布进行了特征分析。结果表明:(1)这次强雨雪天气过程中不同降水类型降水粒子中雨夹雪平均数浓度最大,每分钟可达589个;雨最小,为每分钟255个。(2)雪与冻雨的数浓度是双峰型,其他降水的数浓度都是单峰型。(3)不同类型降水粒子尺度谱主要出现在直径为0.125～1.00 mm之间。谱最宽的是雪,最窄的是毛毛雨。整个过程的平均谱分布都是单峰型,但峰值却有所不同。(4)整个过程不同降水类型降水粒子的最大下落速度主要集中在1.0～4.8 m·s~(-1)段。在此段中毛毛雨、毛毛雨与雨、雨、雨夹雪、冻雨和雪的粒子数分别占各自粒子总数的98.68%、98.46%、97.72%、94.79%、93.69%,和85.83%。(5)不同类型降水粒子平均速度谱中雨和雨夹雪的谱最宽,最大落速可达9.6 m·s~(-1),毛毛雨最窄,最大落速只有5.6 m·s~(-1);其他大体相当。在整个过程中不同类型降水粒子平均速度谱都是单峰型,但峰值所处的位置却有较大差异。     

风廓线雷达资料在乌鲁木齐一次大暴雪过程分析中的应用

利用常规观测、自动站逐时降水量、乌鲁木齐市风廓线雷达及ECMWF1°×1°再分析等资料,对2018年10月17—18日乌鲁木齐雨夹雪转大暴雪过程进行分析。结果表明,大暴雪是在低空西北气流与中高层西南急流叠加并维持的有利环流背景下,由700～850 hPa风切变、风速辐合、地面冷锋及地形强迫抬升等多尺度系统共同作用造成的。强降雪时雷达探测高度维持较高达7500 m,随着降雪结束探测高度明显降低。水平风场表明低空西北急流与中高层偏南急流形成的垂直风切变廓线的维持,是强降雪持续的动力条件。大气折射率结构常数C_n~2、垂直速度的大小与雨雪的开始、结束时间有较好的对应关系,且低层较强偏北风与C_n~2大值区相对应,降雪时低层垂直速度为0.8～1.2 m·s~(-1),雨或雨夹雪时垂直速度为1.8～2.5 m·s~(-1)。因此,水平风向风速、C_n~2和垂直速度的垂直变化对暴雪短临预报有很好的参考价值。     

中国南方地基雨量计观测与星载测雨雷达探测降水的比较分析

利用热带测雨卫星(TRMM)上搭载的测雨雷达(PR)探测结果和中国40°N以南地区约430个台站雨量计观测结果,分析研究了1998-2005年中国南方地区这两种降水资料气候分布的异同.研究结果表明两种降水资料在2.5°空间水平分辨率上,所描述的中国南方降水率气候分布在多年年平均和季平均上具有较好的一致性,但在降水率极值和极值区范围大小等细节上两者还存在一定的差异,主要是地面雨量计结果相对PR结果偏高,其中中同南方50%以上地区两者相差在1 mm/d以内、30%的地区两者相差在1-2 mm/d,夏季差异可超过2 mm/d.对两种降水资料差异的原因分析表明,地面雨量计空间分布密度是影响两者差异的决定性因素,当格子内雨量计超过6个时,两者的相关系数大于0.7;夏季两种降水资料的相关性都比其他季节差,不论格子内的雨量计数量多与少;对流降水多发地区,两种降水资料之间的差异大于层云降水多发地.利用PR探测结果对夏季青藏高原多年月平均降水率分布及高原东、西部的降水特点的分析表明,6月高原东部出现2 mm/d左右的降水区,而在7和8月1 mm/d的降水区域基本覆盖了除高原西部以外的整个高原,其中高原中部地区出现降水率近3mm/d的大值区.月降水距平的时间演变表明,高原降水偏少月份要多于偏多月份.