上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

祁连山春季一次层状云降水的雨滴谱分布及地形影响特征

祁连山是青藏高原东北部重要的生态屏障和冰川与水源涵养生态功能区,是黄河流域重要水源产流地,但针对该地区的云和降水过程研究很少。本文利用祁连山地区11个Parsivel2雨滴谱仪的观测数据,研究了祁连山地区春季一次层状云降水过程的雨滴谱分布及地形影响特征。此次降水过程主要受短波槽影响,降水时空差异较大。雨滴谱观测数据表明,此次降水过程的雨滴等效直径（D_m）较小,雨滴谱数浓度（N_T）与D_m随海拔高度升高分别呈增加和减小的趋势,低海拔站点logN_w（N_w为雨滴谱截断参数）和D_m分布有着明显的层状云降水特征,而整个祁连山地区在同样D_m下有着更低的N_w。低海拔站点由于碰并和小雨滴的蒸发,有着更少的小雨滴（＜1 mm）和更多的大雨滴,而高海拔站点由于距离云底较近或位于云内,云滴尺度小且浓度大,D_m随R（R为降水强度）增大变化趋势不明显。M-P分布和Gamma分布在低海拔站点的拟合效果要优于高海拔站点,相较于Gamma分布,M-P分布对高海拔站点的小雨滴和大雨滴浓度有一定的高估和低估,因此更适用于高海拔站点雨滴谱的描述。对比于低海拔站点,高海拔站点的μ–Λ（μ、Λ分别为Gamma分布的形状参数和斜率参数）关系与相关研究的结果较为接近,但在Λ较小（＜40 mm?1）时拟合结果较为接近。受海拔高度与云底的相对位置和地形的影响,祁连山地区的Z–R（Z为雷达反射率因子）关系与其他地区或研究有着较大的区别。     

闽南沿海2018—2019年季风爆发前后雨滴谱特征对比分析

为研究华南前汛期季风爆发前后闽南地区的雨滴谱特征差异,利用2018—2019年厦门站和同安站4—6月的降水现象仪资料,对比分析了季风爆发前后闽南沿海层状云和对流云的雨滴谱分布及微物理参数差异。结果表明,华南前汛期闽南沿海层状云降水占比明显高于对流云降水,但对流云降水的滴谱分布更宽,峰值粒径以上的各粒径区间粒子浓度均大于层状云降水。不论层状云或是对流云降水,2018年季风爆发后均表现为质量加权平均直径（D_m）减小,广义截距参数（N_w）增大。2019年季风爆发后D_m增大,层状云的N_w减小,对流云N_w增大。两年整体呈现相反的演变趋势。层状云的降水率（R）和液态水含量（W）的演变趋势与N_w一致,而对流云的R和W与D_m一致。闽南沿海雨滴谱微物理参数接近于华南沿海,与华东区域相比,整体浓度更高,粒子尺度略小。Z-R关系拟合表明季风爆发前、后层状云与对流云的拟合系数、决定系数具有较大差异,其中对流云拟合效果相对更好。基于Z=300R1.4的定量降水估测对层状云降水和量级较小的对流云降水整体上存在不同程度的低估,对于量级较大的对流云降水存在高估。探讨了环流形势对雨滴谱的可能影响。结果表明绝对水汽含量可能会影响粒子数浓度,而西南风等动力条件和对流有效位能等热力条件会通过影响对流的高度和降水的微物理过程进而可能会影响雨滴谱分布。      

四川省稻城地区雨滴谱特征研究

利用四川稻城地区2019年5~8月雨滴谱资料,研究不同雨强和不同降水的雨滴谱特征,并提出反射率因子Z、质量加权平均直径D_m粒、粒子总数浓度N_T、含水量W与雨强R之间的关系,以及Gamma谱形状参数μ和斜率参数Λ之间的关系,并比较了该地区雨滴谱与我国其他地区的差异。结果表明:随着R增大,雨滴谱数浓度、粒径和谱宽也逐渐增大,雨滴谱逐渐变宽、变平坦;对流云雨滴谱明显比层状云宽、数浓度更高,谱型分别呈略微的上凸和下凹;W–R和Z–R幂函数关系最密切,其次为D_m–R和N_T–R,μ–Λ很好符合二项式关系;稻城地区的D_m和截距参数Nw与其他区域不同,D_m仅大于亚洲季风区江淮流域,而N_w仅比华北地区大。      

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。     

青藏高原墨脱地区云降水综合观测及初步统计特征分析

为加深对雅鲁藏布大峡谷水汽通道入口处云和降水三维结构及微物理特征的认识,在第二次青藏高原综合科学考察研究专题和国家重点研发计划项目的支持下,中国气象科学研究院于2019年在西藏墨脱地区建立了野外观测试验基地,开展了水汽、云和降水的综合观测,先后布设了先进的Ka波段云雷达、微波辐射计、X波段双偏振相控阵雷达、降水现象仪、K波段微雨雷达等设备,获取了高时、空分辨率的云和降水的宏、微观数据。文中简单介绍了此次观测的情况,并利用云雷达2019年的观测数据和降水现象仪2019年6月至2020年6月的观测数据对云的宏观特征及雨滴谱特征进行了统计分析。从云的宏观特征来看,该地区云的发生率较高,云廓线占2019年云雷达观测廓线的67%,降水云廓线占总云廓线的45%。旱季和雨季云底高度的频率分布在垂直方向均有两个高值区,分别为0—1 km和2—3 km,且超过40%的云底高度低于1 km,这可能是墨脱降水云较多造成的。接近60%的云顶高度在4—7 km。总的来说,墨脱地区以中云和低云为主,云通常在下午到晚上形成,早上到中午慢慢消散;从雨滴谱分布特征来看,该地区平均的雨滴谱谱宽和大雨滴的浓度随雨强的增大而增大,降水以中、小粒子为主,中、小粒子浓度超过粒子数浓度的99%。对流云降水的特点是粒子直径较小,而数浓度较高。粒子质量加权平均直径（D_m）的范围在1.0—1.6 mm（平均1.38 mm）,标准化截距参数（lgN_w）的范围在3.6—4.5（平均4.01）,表现出海洋性对流降水的特征。此外,该地区降水的lgN_w呈现双峰特征,分别对应于对流云和层状云降水。      

湖北省极端短时强降水MCS类型及特征分析

重点利用新一代天气雷达、常规探空和地面中尺度观测等资料,在详细分析湖北省2008—2015年62例极端短时强降水中尺度对流系统演变过程的雷达回波特征基础上,研究归纳了湖北省6类极端短时强降水MCS模态,其中包括4类线状(尾随层状云、平行层状云、后向扩建类、邻近层状云类)和2类非线状(涡旋状类和层状云环绕类)MCS模态。初步研究表明:(1)4类线状MCS的模态和环境风相对对流线分量的垂直分布与早期的研究结果基本一致。(2)非线状的涡旋状类MCS模态典型特征是大范围层状云降水包裹着螺旋式涡旋对流回波带,多形成于西南涡前切变线附近,主要与西南涡前鄂西山地平原过渡带边界层中尺度涡旋系统的触发和组织有关。(3)湖北省后向扩建类MCS常出现在山脉迎风坡一侧,与中尺度地形对冷池的阻挡、冷池对MCS的组织作用等有关。(4)涡旋状MCS持续时间较长、范围较大,而层状云环绕类MCS维持时间较短。     

锋面与暖区短时强降水的特征差异分析

选择2012—2013年锋面和暖区强降水过程,利用自动站、Micaps和SWAN雷达拼图资料分析两类短时强降水的雨强及伴随的灾害性大风特征,并针对典型强降水风暴的环境场和雷达物理量特征进行对比,结果发现:(1)暖区强降水过程出现80 mm/h以上超强降水的概率更大,降水极值也更大,但锋面强降水更容易伴随有灾害性大风出现。(2)暖区强降水通常发生在不稳定能量较高的环境场中,湿层深厚,低空暖湿急流输送是重要原因,而锋面强降水过程中,容易受锋面或中层冷空气逆温影响,使得CAPE明显偏小。(3)锋面短时强降水风暴的最大反射率因子更强,核心高度更高,VIL和强回波区VIL密度更大,具有更深厚的强回波核区,平均移动速度也更快;锋面强降水风暴具有强度更大和更为深厚的强回波核心区,决定了此类风暴的对流性更明显。     

地面激光雨滴谱仪反演降水参量的特性探究

采用河南省2016—2017年100个日降水资料,对比分析雨滴谱反演回波与雷达回波的差异、雨滴谱反演降水强度与雨量计观测降水强度的差异;进行雨滴谱Gamma拟合,以探究河南省雨滴谱分布及降水云系类型;进行Z-I关系拟合,以探究河南省降水回波与降水强度的关系。结果表明:(1)雨滴谱反演回波、雷达观测回波的变化趋势具有较好一致性。而前者普遍小于后者,其可能原因:一是雷达通过最低仰角观测到的地面雨滴谱仪上方回波与地面雨滴谱仪之间存在一定高度差,二是雨滴下落时的蒸发、破碎过程,使到达地面的雨滴直径减小。(2)雨滴谱反演的降水强度与雨量计观测的降水强度相比,存在一定差异,但无显著偏大或偏小规律性特征。(3)对流云及层积混合云的雨滴谱宽大于层状云,中等尺度雨滴数密度较大。层状云的小水滴数密度较大。河南省大部分降水过程为雨滴谱较窄的层状云降水。(4)河南省降水回波与降水强度的拟合公式:Z=262I~(1.34),层状云拟合公式:Z=219I~(1.30),对流云拟合公式:Z=307I~(1.38)。(5)雨滴数浓度较高月份为6—7月(1500个·m~(-3)左右),降水强度较高月份为8—10月(60 mm·h~(-1)),雨滴最大直径较高月份为4—8月(4.3～4.8 mm),雨滴平均直径较高月份为3—4月(3 mm左右)。雨滴数浓度、降水强度、最大直径、平均直径的月份特征变化无一致性。     

新探测仪器资料在短时强降水过程中的应用

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。     

青藏高原东部玉树地区雨滴谱特征及云微物理结构分析

利用青藏高原东部玉树地区的雨滴谱仪和云雷达观测资料,研究了高原东部地区三类云降水微物理特征参量并且拟合出积雨云降水、混合云降水和层状云降水的雨滴谱分布参数,拟合分析参数斜率因子λ与形状因子μ之间的关系。研究不同雷达反射率因子Z和降雨强度R的关系,分析Ka波段云雷达观测下三类降水云的结构特征。得到的结论如下:玉树地区主要降水类型为层状云降水,降雨量小,持续时间短,降雨次数多;三类云降水在玉树地区的Gamma分布拟合模拟较好的粒径在0.562～5.5 mm;利用μ-λ的经验关系分析,层状云雨滴谱浓度分布中小粒径占主要贡献且谱宽最窄,而混合云与积雨云的雨滴谱浓度分布主要贡献粒径分布均匀且谱宽较宽;对三类云降水进行了Z-R关系拟合,B值从积雨云、混合云到层状云是逐渐递减的,有助于参数本地化;云雷达分析降水结构,积雨云和混合云发生发展旺盛,最高云高可达13 km,但混合云降水平均持续时间短于积雨云;层状云发展较为平稳,云高在6～7 km,平均降水持续时间最短。     

雨滴谱的变化对降水估测的影响研究

选取2013年5月20日发生在广东三水的一次飑线过程作为研究对象,首先结合飑线回波带移经三水及其上空雷达回波的时间-高度分布特征将降水过程划分为3个阶段,然后通过计算各时刻的粒子总数密度、中值体积直径和峰值数分析降水过程雨滴谱的变化,再对Z-R关系(Z=aR~b)进行分析,根据雨滴谱实测资料分别统计整体Z—R关系和3个降水阶段的Z—R关系,在此基础上讨论雨滴谱的变化和雷达观测的回波强度对降水估计的影响。结果表明:中值体积直径在对流云降水阶段和层状云降水阶段基本一致,但对流云降水阶段的粒子总数密度远大于层状云降水阶段;对流云降水阶段以双峰型为主,当降水向层状云类型发展时,多峰谱比例增加;雷达观测的回波强度常低于雨滴谱计算的反射率因子,离地面越近两者的相关性越好;根据3个降水阶段分别进行Z—R关系拟合,即分型Z-R关系,通过相对误差分析可知,利用分型Z—R关系反演雨强的效果明显优于整体Z-R关系反演效果,雨滴谱在层化降水阶段估计的相对误差最小、对流云降水阶段反演精度稍低于层状云降水阶段,这与对流云降水中雨强和雨滴谱谱型变化大且快有关;在雷达观测方面,利用分型Z-R关系反演雨强的相对误差较小而雷达观测的误差在对流云降水阶段较小,当降水向层状云降水转化时,雷达观测引起的相对误差增大,这主要是由于对流云降水阶段中雨滴谱仪和雷达对应的回波强度误差最小,也与雷达观测精度、两种仪器采样的时空差异和雨滴谱特征变化等因素有关。     

山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

针对山西省2010年5月27日一次层状云降水过程,利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验,分析了云微物理特征,并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示：空中云垂直和水平结构分布不均匀,CDP、CIP探测最大粒子浓度分别为165．20、1．08cm^（-3）。地面雨滴微物理量的平均值说明本次降水是典型的层状云降水,雨强主要由雨滴数密度决定,雨滴微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强,与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数眠、A的相关关系,Z-I、W-I,相关性很好,N-I、N_0-I、λ-I,相关性较差。地面平均雨滴谱较空中平均雨滴谱窄、谱型陡。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布发现,本次降水是冷云和暖云降水共存。     

黄山层状云和对流云降水不同高度的雨滴谱统计特征分析

根据2011年6~7月在黄山不同高度采用PARSIVEL雨滴谱仪测得的雨滴谱数据,对不同海拔高度上两类（层状云和对流云）降水粒子谱的微物理特征量、Gamma函数拟合以及雨滴的下落速度进行对比分析,结果表明:对流云降水的雨水含量和降水强度、雨滴的各类尺度参数和数浓度都比相同位置上层状云降水的大,同类降水中,山腰的雨滴尺度大于山顶和山底,这可能与各观测点和云底相对位置的不同有关;随降水强度增加,雨滴的质量加权平均直径D_m逐渐增大,广义截距参数（log₁₀N_w）的标准差逐渐减小。拟合结果表明各高度的雨滴谱都比较符合Gamma分布,由拟合参数分析雨滴谱的演变,发现相对于对流云降水,层状云降水粒子谱随高度的变化较小,雨滴谱的演变较为稳定。此外,本文还对两类降水中雨滴的下落速度及影响落速的因素进行了分析。     

秦岭山区东麓一次短时强降水特征及成因分析

摘要：利用陕西省区域自动站常规观测资料、NCEP 0.25o×0.25o再分析资料、华山站地面雨滴谱观测资料、商洛市雷达观测资料,从宏观和微观两方面对2021年7月22-23日秦岭山区东部一次强降水过程的特征进行分析。结果表明：本次山区暴雨在实况上具有强降水范围小、持续时间长、短时雨量大、极易引发地质灾害的特点。本次山区暴雨发生在弱天气强迫和强层结不稳定的环境下,由地形抬升和850 hPa冷平流共同触发此次对流。高层辐散抽吸使得上升气流加强,合并商洛市山阳县特殊地形的增幅作用共同造成山阳县法官镇短时雨强的极端性,小尺度地形作用下风的辐合和温度差异使得强降水在局地长时间维持。强降水在微观层面上表现为高浓度的小雨滴和部分大雨滴的共同作用。850 hPa水汽通量在此次暴雨预报中具有一定的指示意义,22日20时山区强降水在发展之前,商洛市东南部水汽通量突增至20～30 g·cm-1·hPa-1·s-1。雷达上表现为商洛市北部和南部30～45 dBz的大片层积混合云回波长时间维持,局地回波云团的合并对应降水增强。     

新疆短时强降水天气系统环流配置及雷达回波特征

利用2010—2018年新疆105个国家站、1240个区域自动站逐时降水资料及8部多普勒天气雷达资料,从预报业务应用角度提出新疆短时强降水过程定义并遴选468次短时强降水过程,分析短时强降水影响系统环流配置和雷达回波特征。结果表明新疆短时强降水的影响系统主要有中亚低槽(涡)、西西伯利亚低槽(涡)、西北低空急流。造成新疆短时强降水的对流风暴主要有合并加强型、列车效应型和孤立对流单体型,其中合并加强型最多,占45.1%,孤立对流单体型占34.8%,列车效应型最少,占20.2%,且各区域对流风暴的影响比例也有一定差异。南疆短时强降水过程中多普勒雷达最大反射率因子强度(Z max)、强回波中心顶高(D max)、回波顶高(ET)、最大垂直累积液态水含量(VIL)预警阈值小于北疆,且伊犁州最大,阿克苏最小,伊犁州短时强降水以低质心回波为主,其他区域则为低质心和高质心回波。     

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。     

基于双偏振雷达和降水现象仪的郑州“7·20”极端强降水微物理特征分析

利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。     

昆仑山北坡短时强降水天气分型及雷达回波特征分析

应用昆仑山北坡小时、分钟降水资料以及和田C波段多普勒天气雷达资料,分析近8年该区域短时强降水天气分型,对比分析对流云与混合云2型5类短时强降水的回波强度、顶高、垂直液态含水量等回波特征量值以及持续时间的差异.得出昆仑山北坡短时强降水中,中亚低涡(槽)型环流形势和块状多单体回波最多,昆仑山北坡无超级单体回波.需高度关注3...     

副热带高压背景下极端短时强降水的双偏振相控阵雷达观测分析

为了研究副热带高压（副高）背景下极端短时强降水系统的动力和云物理结构特征,利用厦门X波段双偏振相控阵雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术并结合高精度的地形数据,对2021年8月11日发生在厦门地区的一次极端短时强降水事件进行了分析。研究表明:（1）这次过程发生在副高控制之下,具有弱天气尺度强迫特征。地面辐合线促进了线状对流系统的形成,其后向传播过程导致了局地极端强降水的发生。（2）对流系统的中层存在大粒子累积区,大粒子的下泻导致雨强增大。倾斜上升（下沉）气流的配置使得大粒子的下泻不会影响上升气流,有利于对流系统的发展与维持。下沉气流与偏南气流相遇触发了上游对流系统的发展,形成后向传播。（3）在弱天气尺度系统背景下,局地地形对于降水系统的影响得以凸显。地形造成的低层辐合使得差分反射率因子（Z_DR）、差分传播相移率（K_DP）等双偏振参数在迎风坡处明显增大,且大值区在此处维持。更大、更浓密的降水粒子形成了极高的降雨效率。（4）暖雨过程和冰相过程在这次极端降水事件中并存,前者对雨水的形成起主导作用,冰相粒子的融化加速了这一进程。（5）强降水时雨滴的破碎和碰并趋于平衡,雨强的增大取决于雨滴浓度的升高。因此,K_DP可作为判断雨强是否增大的指标。（6） Z_DR柱与K_DP柱的演变对于地面雨强的变化具有预示性,特别是在持续降水过程中,Z_DR（K_DP）柱的再度发展预示着降水系统的再次增强。