南京地区雨滴谱参数的详细统计分析及其在天气雷达探测中的应用

雨滴谱包含了降雨的丰富信息,不仅能反映雨滴群的微物理特性,也能反映降雨类型、降雨强度等宏观特性,并且在雷达气象领域也有重要的价值。论文对2015和2016年度南京地区32次降雨过程的雨滴谱资料进行了处理、并对多种雨滴参数进行了详细的统计和分析,拟合了层状云降雨、对流云降雨以及积层混合云降雨的雨滴谱Gamma分布参数。另外,还基于雨滴谱数据拟合了雷达反射率因子Z与降雨强度R的Z-R关系,计算了差分反射率Z_DR、相位常数K_DP以及衰减参数,并利用衰减参数进行了C波段雷达回波的衰减订正试验。结果表明:（1）层状云降雨的各微物理参数比较稳定,积雨云的变化剧烈;层云降雨和积层混合云降雨的中雨滴、积雨云降雨的大雨滴对雷达反射率因子的贡献最大。（2）积雨云降雨的滴谱最宽,层状云降雨的最窄。（3）利用依据雨滴谱数据拟合的三类降雨Z-R关系,可以一定程度地提高雷达估测降雨的精度。（4）利用基于雨滴谱数据拟合的衰减系数,有效地进行了C波段双偏振雷达回波强度的衰减订正,体现了统计参数和拟合参数准确性。     

辽宁地区不同降水云系雨滴谱参数及其特征量研究

利用位于辽宁省沈阳市和辽阳市的Parsivel（Particle Size and Velocity）激光雨滴谱仪观测到的雨滴谱资料按照积雨云降水系统、积层混合云降水系统和层状云降水系统分析雨滴谱特征量和谱参数的平均特征及随时间的演变特征。结果表明:Gamma分布拟合谱参数N₀和λ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序减小,谱参数μ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序增大;直径小于1 mm的降水粒子对数浓度的贡献最大,直径大于1 mm的降水粒子对雷达反射率的贡献最大;M-P分布的谱参数N₀与雨强I具有幂函数关系,并且随着雨强I的增大而增大,谱参数λ与雨强I具有指数函数关系,随着雨强I的增大而减小。     

山东三类降水云雨滴谱分布特征的观测研究

利用激光雨滴谱仪2009年8月—2010年10月观测获取的滴谱资料,分析了山东省三类云降水雨滴微结构参量特征及滴谱随降水过程的演变特征。按照降水云系不同分别对各微物理参量进行比较,结果表明,各值由大到小排序依次均为积雨云、混合云和层状云。三类云降水过程中雨强与雨滴数浓度和最大直径间存在较好的相关关系;层状云和混合云降水以直径小于2 mm的雨滴为主,而积雨云降水以1~3 mm的雨滴对雨强贡献最大。层状云降水雨滴谱很窄,呈单峰或双峰型;积雨云降水雨滴谱宽,在大滴端呈多峰结构;混合云降水谱宽介于前两者之间。另外,统计得到该地区三类云降水的Z-I关系式,为雷达定量测量降水提供了一定的参考。     

宁夏盛夏层状云降水雨滴谱特征分析

利用1982年7月在宁夏银川机场地面4次观测获取滴谱资料, 分析了宁夏夏季层状云雨滴的瞬时和平均谱及有关物理量的特征,总结出了层状云降水的一些主要特征.文中给出了4次降水的平均谱分布及谱参数的演变,进行了M-P分布的拟合分析,得出雨滴谱基本符合M-P分布.还分别建立了雷达反射率因子、雨强和雨水含量之间的相关关系,并分析了层状云降水的特点以及与积雨云、混合云的特征量进行对比,总结出三种降水的不同之处.     

伊宁春季层状云和混合云降水的雨滴谱统计特征分析

利用设在伊宁的激光雨滴谱仪获取的2013年4月的降水资料,对层状云和混合云降水粒子谱的微物理参量平均值和Gamma函数拟合结果以及Z-I关系进行对比分析。计算结果表明,伊宁地区春季降水的微物理参量普遍偏小,小滴对降水浓度的贡献达到92%以上,即降水主要以小滴为主。层状云降水的雨强、雨滴数浓度、雨滴的各类微物理特征参量的平均值均大于混合云降水。函数拟合结果表明,混合云降水的雨滴谱宽大于层状云降水的雨滴谱宽,层状云和混合云降水的雨滴谱都比较符合Gamma分布,在小滴段Gamma分布对实际谱都有一定的低估,在大于1 mm的粒径段,拟合结果有一定的偏差。还讨论了雨滴大小因子Λ和形状因子μ之间的关系以及Z-I关系,Λ-μ关系与粒子尺度有关,根据拟合的二项式得到层状云降水粒子的平均直径大于混合云降水的平均直径。     

利用PMS的 GBPP-100型雨滴谱仪观测资料确定Z-R关系

根据地面雨滴谱确立雷达反射率因子Z和雨强R之间的关系需要大量的观测资料.本文利用GBPP-100型地面雨滴谱仪在沈阳、哈尔滨和河南观测的雨滴谱资料做形变误差订正后,用最小二乘法拟合三地的Z-R关系,并按照层状云、积层混合云和积雨云降水分类,确定了三种降水类型的Z-R关系.结果表明,Z=ARb形式能够很好地描述以上的Z-R关系,对降水类型分类得到的Z-R关系代表性更好.系数A、b以层状云最小,积层混合云次之,积雨云最大.A值随着雨滴尺度的增大而增大,随数密度增大而减小,b值则随着数密度和雨滴尺度的共同增大而增大.     

黄河上游地区降水雨滴谱特征分析

利用黄河上游地区不同降水云系31次降水的激光雨滴谱仪观测资料,对不同云系降水雨滴物理参量特征及滴谱的演变特征进行统计分析。结果表明:在黄河上游地区,层状云系降水和混合云系降水雨滴粒子呈单峰型分布,对流云系降水雨滴粒子呈双峰型分布。层状云系降水雨滴粒径峰值出现在0.4 mm,粒径范围较窄,雨滴数密度最大;对流云系降水雨滴粒径峰值出现在0.8 mm,粒径分布范围较宽,雨滴数密度最小;混合云系降水雨滴粒径峰值和粒径分布范围介于两者之间。雨滴各微物理参量(平均直径、均方根直径、平均体积直径、中值直径和体积中值直径)由大到小排序依次为对流云降水、混合云降水和层状云降水。降雨强度和雨滴数密度变化趋势一致,对流云和混合云降水强度和雨滴粒子数浓度有较好的相关性。通过雨滴谱特征的研究,有利于认识该地区降水微物理特性及成雨机制,为实施科学人工增雨提供一定的科学依据。     

哈尔滨地区雨滴直径分布函数

采用美国PMS公司生产的GBPP－100型地面雨滴谱仪，对1999年5－7月哈尔滨地区几次降水过程进行了观测。根据雷达资料和宏观观测，把降水云分为层状云，积层混合云和积雨云，分析了3类云降水微物理结构，重点研究了不同类型降水的雨滴谱分析特征，拟合了雨滴直径分布函数。     

拉萨夏季一次典型降水过程雨滴谱特征及Z-I关系分析

研究降水滴谱特征和谱分布对了解高原降水的微物理特征、雷达定量估测降水以及科学实施人工增雨作业尤为重要。本文选取2018年7月8—9日拉萨夏季一次典型降水过程，利用DSG5型降水现象仪和地面小时降水资料分析了高原夏季对流云和混合云降水的雨滴谱分布特征及〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系。结果表明：降水现象仪和翻斗雨量计的降水变化趋势较为一致。对流云降水中2.0~3.0 mm的降水粒子对雨强的贡献最大，混合云降水雨强的主要贡献者是1.0~2.0 mm的粒子；混合云降水阶段的雨滴谱数浓度比对流云大一个量级。对流云和混合云降水的雨强与雨滴的质量加权平均直径和数浓度密切相关。拉萨地区雨滴谱适合〖WTBX〗Γ〖WTBZ〗分布，其拟合谱参数与青藏高原其他地区的差异表明高原地区雨滴谱分布存在时空差异；混合云降水谱参数〖WTBX〗N0、μ〖WTBZ〗和〖WTBX〗λ〖WTBZ〗与雨强的变化趋势相反。混合云降水〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系的系数和指数均小于对流云降水。应用标准〖WTBX〗Z I〖WTBZ〗关系，对流云降水阶段雷达低估降水强度；混合云降水阶段，当雨强<2.3 mm雷达低估降水，否则雷达高估降水。     

空中、地面雨滴谱特征的观测分析

利用1982年7月9日宁夏银川站的一次层状云降水过程中地面、空中观测的雨滴谱资料,分析了宁夏地区层状云降水过程中地面、空中的雨滴谱特征,并对地面和空中雨滴谱进行对比。结果表明：地面雨滴谱以指数型为主（61.9%）,空中雨滴谱以多峰型为主（86.4%）;对于空中、地面雨滴平均谱,Gamma分布拟合的相关系数更高;地面雨滴谱中小滴较多,空中雨滴谱中大滴较多,可能受到碰并、蒸发、破碎的共同影响。研究地面雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N与雨强I的关系,Z-I关系和W-I关系的相关性很好,而N-I、N0-I、λ-I关系的相关性不是很好。     

哈尔滨地区春夏季降水微结构特征

为了研究大气水资源本底分布特征，本文提供人工影响天气潜力和背景依据，采用PMS公司生产的GBPP－100型地面雨滴谱仪，取得哈尔滨地区1999年春夏季积雨云，积层混合云和层状云27次降水资料，分析了三类降水云雨滴微结构参量及其演变，并使用线性回归和逐步判别，对Г分布参量n0,λ和μ的线性关系进行统计计算，得出了一些有意义的结果。     

山西汾阳地区层状云和对流云降水雨滴谱特征

基于多普勒天气雷达和OTT Parsivel激光雨滴谱仪资料对山西汾阳地区2次降水进行分析,对比对流云和层状云降水的雨滴谱特征。结果表明:层状云降水雨滴平均数浓度和雨强分别为286.20个·m~(-3)和1.33 mm·h~(-1),对流云降水雨滴平均数浓度和雨强分别为516.13个·m~(-3)和10.17 mm·h~(-1);对流云降水雨强主要由降水粒子数浓度决定,直径为1—2 mm的粒子对2种云系雨强贡献最大;2种云系不同雨强下雨滴谱分布和雨滴平均谱分布均呈单峰型,对流云降水雨滴平均谱宽大于层状云降水雨滴平均谱宽,Gamma分布对2种云系降水平均谱拟合均存在一定偏差;通过雨滴谱计算的雷达反射率因子估算降水会造成对降水的低估。     

三类降水云雨滴谱分布模式

利用沈阳１９９４年７～８月雨滴谱观测资料,进行积雨云、层状云和积层混合云Ｍ－Ｐ分布和Γ分布拟合分析,讨论了两种分布适用范围,给出了分布参数随雨强变化关系。     

太原地区雨滴谱季节分布特征北大核心CSCD

利用2017年12月-2022年11月太原雨滴谱数据,研究太原地区不同雨强和不同降水类型雨滴谱季节分布特征。结果表明:太原地区四季谱分布均呈单峰结构且均以雨滴直径D<1 mm的小雨滴为主,但对雨强R贡献最大的是D为1~2 mm的雨滴。各季节R<1 mm·h^(-1)的降雨均占比最大,但夏季超过50%雨量来自R≥5 mm·h^(-1)雨滴的贡献;R<2 mm·h^(-1)时,冬季大雨滴浓度更高,而小雨滴浓度相对较低;R≥5 mm·h^(-1)时,夏季雨滴浓度更高。四季均以层状云降水为主,标准化截距参数lgNw和质量加权直径D_(m)差异较小;对流云降水多发生在夏季且更接近海洋性对流,春、秋季既非大陆性也非海洋性对流。采用最小二乘法得到形状因子与斜率参数的μ-λ、降水动能以及反射率因子与雨强的Z-R关系曲线,其中μ-λ季节变化小,但地域性差异显著;幂函数和二项式函数分别对于降水动能参数关系E_(t)-R和E_(d)-D_(m)拟合效果更优;Z-R关系系数与指数成反比,对于层状云降水,春、秋季经典关系均高估降雨,冬、夏季存在经典关系由高估转为低估的情况;对于对流云降水,夏、秋季经典关系略高估降雨。     

雷达回波强度与雨滴谱参数的相关性研究

在雷达定量探测降水方面,目前大都采用雷达回波强度与降水强度的相关性来定量估算,但雷达回波强度与降水强度并非一一对应。本文利用从庐山和南京收集到的雷达观测资料和同步Parsivel观测到的雨滴谱数据,建立雷达回波强度与不同雨滴谱参数的函数关系,将由确定的函数关系式拟合后的雷达回波强度与雷达实测的回波强度作对比,以检验假定函数关系式的合理性,同时通过对比两地两类云降水拟合值的相对误差,给出了函数关系式中的最优y选项,为雷达定量估算降水量寻找新的途径。研究结果表明:庐山和南京两地两类云降水的雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合普遍较好,其中对流云降水的拟合都明显好于层状云降水。两地层状云降水中各个雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合曲线都大体相近,而对流云降水中,不同雨滴谱参数对雷达回波强度的拟合曲线差异较大。南京两类云降水拟合的相对误差要小于庐山两类云降水拟合的相对误差。除庐山对流云降水外,DV是两地两类云降水拟合公式中最优的y选项。而庐山对流云降水拟合式中,以N和DP的拟合最佳。     

广东东莞不同类型云的雨滴谱和降水特征

利用设置在东莞站的Parsivel激光降水粒子谱测量系统于2010年获取的观测资料,对数据有效性进行验证并开展15次降水的特征参量分析。层状云降水（S）、积层混合云降水（M）、积雨云降水（C）各选取两次典型过程,对各种特征参量之间的相关性和雨滴谱特征进行细致分析,结果表明：平均粒子直径、平均雨强、平均雨水含量、过程最大立方根直径、过程最大雨强的分布规律明显,基本遵循“C>M>S”的规律;同种类型降水的雨滴谱型非常接近,层状云存在单峰谱,混合云和积状云是明显的双峰谱或多峰谱; M、C型降水的大雨滴明显多于S型降水;雨水含量与雨强的相关性最好,雷达反射率因子与雨强的相关性次之;层状云降水主要为1 mm以下小粒子,积状云和积层混合云降水雨滴谱宽较大,1 mm以上大粒子数浓度较大。     

庐山地区层状云和对流云降水特征对比分析

根据Parsivel激光雨滴谱仪在庐山高海拔观测场获取的2011年降水资料,结合宏观特征量、雨滴谱资料和雷达图像资料,将降水划分为对流云降水和层状云降水,选取了12次典型降水过程。对两类云降水的6种特征直径、各档雨滴对降水参量的贡献、降水微物理参量的演变等进行了分析,并利用M-P分布和Gamma分布对两类云降水雨滴谱进行拟合,对拟合参数以及拟合效果进行了分析。结果表明：两类云降水微物理特征有着本质的区别,层状云降水谱宽相对较窄,参量随时间变化比较平缓,直径不超过1 mm的小滴对降水贡献最大;对流云降水谱宽相对较宽,出现了直径接近10 mm的大滴,参量起伏较大,对数密度贡献很小的大滴对雨强、含水量贡献却比较大。从拟合效果检验来看,层状云降水拟合时的M-P曲线在大部分区段比Gamma曲线更接近实测雨滴谱曲线;对流云降水拟合时的Gamma分布曲线与实际雨滴谱分布曲线整体吻合程度较高。M-P分布和Gamma分布两种拟合方法都适用于层状云降水,对流云降水雨滴谱拟合时Gamma拟合效果优于M-P拟合效果。     

东北冷涡天气系统的雨滴谱特征

为了对东北冷涡天气下的人工增雨作业和效果评估提供背景资料,采用GBPP-100型地面雨滴谱仪在辽宁对2002年7—8月和2003年7—8月几次冷涡降雨过程进行了观测。利用观测资料,分析了东北冷涡天气系统下层状云、积层混合云和积雨云降雨的微物理特征、各微物理参数随时间的变化以及各参量间的相关性。用Г分布函数拟合了这三类云降雨的平均雨滴谱,分析了Г分布函数中各拟合参数随时间的变化以及各拟合参数与雨滴各微物理参量间的相互关系。     

对积雨云、层状云降水雨滴谱个例对比分析

利用北京市人工影响天气办公室2008年获取的典型积雨云、层状云降水过程雨滴谱资料,通过雨强、雨滴空间浓度、最大雨滴等特征值对比分析了两类降水过程的微物理特征。,个例中积雨云和层状云的谱宽分别是6mm和4mm,但雨滴算数平均直径都是0．96mm,在过程平均空间浓度上积雨云高了近一倍,达到318m^-3而两个例中直径超过1mm的雨滴所占总空间浓度的比例均接近1／4、积雨云强中心和边缘的降水雨滴谱、雨强的差别很大,强中心直径大于4mm的大滴占总雨强的比例达到55％,谱宽达到6mm,而强中心过后的降雨边缘谱宽则小于4mm。稳定的层状云降水的雨滴谱、雨强在时空上存在分布不均匀和大、小滴空间浓度反向变动的特征。     

四川盆地云和降水观测科学试验设计与实践

2014—2017年四川地区开展了大范围云系观测科学试验。观测对象以盆地层状云系和积层混合云系为主,积状云(对流云)为辅。本文围绕试验目标、区域、观测要素、观测布局设计、观测方案设计、设备技术参数和典型个例等7个方面进行介绍,根据不同类型云系和降水变化特征,设计有针对性的观测方案,获得了不同类型云系和降水的多尺度连续性观测数据,为四川地区开展云和降水关系研究提供详实的综合型外场观测数据。层状降水云典型个例云高可达8km,云强核心部位的云雷达反射率可达28dBz,径向速度可达-6m·s~(-1),在0℃附近,反射率和退偏振因子LDR上有一条明显的亮带,表现为极大值,液态水主要集中于4.5km以下,随着雨强增大,液水含量增加,降水滴谱分布较窄,随着雨强减小,雨滴谱和速度谱变窄,但小粒径数浓度增加,说明对层状云雨强起主导作用的是雨滴直径,而不是数浓度;无降水层状云典型个例云层厚度为3.2km,云顶约为4km,云雷达反射率不超过0dBz,径向速度不超过5m·s~(-1),层状云内整层水汽含量和液水含量较为稳定,云中主要为液态粒子且粒径偏小、小粒径数浓度较高。