Parsivel(R)激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果,在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义.传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律,德国OTT公司的Parsivel(R)激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题.该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器,采用平行激光束和光电管阵列结合,当有降水粒子穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度,通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度,根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类,并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子,以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码,实现天气现象的自动识别.激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测.在雷达气象学领域可用于Z/R关系的拟合修正,比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多;由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正.人工影响天气的效果检验一直是一个难题,自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别.如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性.未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性,在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大.利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测,并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比,发现有较好的一致性.     

Parsivel激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果，在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律，德国OTT公司的Parsivel固激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题。该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器，采用平行激光束和光电管阵列结合，当有降水粒子穿越采样空间时，自动记录遮挡物的宽度，通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度，根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类，并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子，以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码，实现天气现象的自动识别。 激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。在雷达气象学领域可用于Z／R关系的拟合修正，比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多；由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度，可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正。 人工影响天气的效果检验一直是一个难题，自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别，人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别，就能够充分说明人工催化的有效性。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹，就有充分证据表明人影作业的有效性，在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大。 利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测，并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比，发现有较好的一致性。     

两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究北大核心CSCD

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。     

DSG5型降水天气现象仪观测数据分析与应用

目前DSG5型降水天气现象仪已在国内台站大量列装,观测记录了许多宝贵的资料。本文通过一次降水天气过程,分析了DSG5型降水天气现象仪的数据结构、内容及其在业务中的应用。发现:DSG5型降水天气现象仪记录的降水天气现象与人工观测基本一致,但记录的降水开始时间比实际滞后,结束时间比实际提前,一些微弱降水没有记录;利用观测的雨滴谱数据可以揭示降水过程的细微结构和演变特征,加深对降水过程的认识,为处理地面观测中出现的降水量与天气现象矛盾等问题提供观测依据;本次降水过程中雨滴数和雨滴尺度谱存在明显的时间变化。较多的是直径0.3mm左右的小雨滴,但对降水强度影响比较大的是直径大于1mm的雨滴,且伴随着大于1mm雨滴增加,雨滴尺度谱加宽,地面降水显著增强。     

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。     

对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析

利用OTT Parsivel激光降水粒子谱仪观测的南京地区梅雨季节对流性降水过程的雨滴谱资料和江苏省气象台龙王山雷达观测资料,结合天气形势,对梅雨季节对流性降水过程的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析;在对平均谱拟合时发现,Gamma分布对小滴数目的估计和大滴端形状的符合程度效果好于M-P分布和对数正态分布,并且拟合了Gamma分布参数μ和λ的二次项关系;建立了雷达反射率因子与雨强的相关关系,并将Parsive激光降水粒子谱仪观测计算的回波强度与雷达观测的回波强度作以比较,结果表明:对于此次暴雨过程,雷达观测到的回波强度有低估的现象,并且Parsivel粒子激光探测仪观测计算的回波强度越大,雷达低估的现象越为明显。回波修正后,用统计的Z-I关系式估算的降水量与Parsivel测得的降水量更为接近。     

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。     

雨滴谱垂直演变特征的微雨雷达观测研究

雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar,简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据,在对比3种仪器观测结果的基础上,研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明:MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好,且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性,而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1）,液水含量和降水强度随高度降低减小,雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1）,随高度降低,雷达反射率因子增大,小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显,雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%,小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。     

联合降水微物理特征测量仪、激光雨滴谱仪和雨量计的降水对比观测分析

为了对降水微物理特征测量仪(PMCS)的测量性能进行评估,利用PMCS、激光雨滴谱仪(OTT)和雨量计(Gauge)在南京地区进行了降水对比观测实验,通过分析各仪器所测得的降水强度和累计降水量,研究了PMCS和OTT在不同降水强度条件下的尺度谱及其谱参数测量的差异性。结果表明:PMCS所测得的降水强度和累计降水量较OTT小,但更接近于Gauge所测得标准降水强度和累计降水量,3种仪器降水强度结果的相关性均在0.96以上。PMCS测得的谱均值、谱方差、雷达回波强度均小于OTT所测得结果,数密度均大于OTT所测得结果,两者所测得谱参数的变化趋势具有较好的一致性。在相同降水强度范围内,PMCS和OTT所测得的雨滴尺度谱分布趋势具有较好的一致性,在雨滴大尺度段,PMCS测得的雨滴数较OTT偏少,PMCS和OTT对于雨滴的捕获性能随着降水强度增加而增强,并在达到峰值后逐渐减弱。     

一次典型积层混合云降水过程雨滴谱特征

利用激光雨滴谱仪观测到的资料,对2009年8月29日山东省一次典型积层混合云降水过程中雨滴谱特征进行了分析。结果表明:降水强度主要取决于最大雨滴直径,与雨滴浓度也呈正相关性,而与平均直径的关系甚微;本次降水过程中雨滴平均谱以双峰和多峰结构为主,在0.5mm左右处存在峰值;Г分布各拟合参数随时间起伏变化趋势一致,强降水时段中各拟合参数起伏变化缓慢,各值基本保持在同一水平;建立了雷达回波强度与降水强度之间的相关关系。     

乌鲁木齐两种类型降水的雨滴谱特征

利用乌鲁木齐2018年1—12月雨滴谱仪观测数据,分析了两种类型降水(雨、雨加雪)滴谱的微物理参量,以探究乌鲁木齐不同类型降水的雨滴谱特征,此外,对总粒子数浓度与降水强度(Nt-R)、雷达反射率因子与降水强度(Z-R)等关系也进行了研究。结果表明:(1)两种类型降水的雨滴谱均为单峰分布,粒子数浓度峰值均在低谱段,雨夹雪的滴谱宽度为0.31～7.50 mm,雨的谱宽为0.31～5.50 mm。(2)雨的平均粒子尺度参数(如质量加权平均直径Dm)和降水强度R均略大于雨夹雪,而雨夹雪的平均总粒子数浓度Nt比雨的约大23.7%。(3)文中拟合得到的雨、雨加雪Z-R关系分别为Z=181.7R1.45、Z=205.4R1.27。     

2014—2015年南京春夏两季降水微物理特征分析

利用激光雨滴谱仪OTT的观测资料,分析了2014—2015年南京地区春、夏两季小雨、中雨、大雨、暴雨四类不同降水强度的雨滴的微物理参量的演变特性,以及雷达反射率因子Z与降水强度R的关系。结果表明,不同强度等级降水的粒子平均直径差异较小,降水粒子数浓度、单位体积含水量均随降水强度等级的增强而增大;Gamma拟合分布时春季和夏季暴雨的效果最好;春季和夏季降水的Z—R关系间存在较好的指数关系。     

雨滴谱仪网数据在雷达定量降水估测中的应用

为了探讨利用雨滴谱数据验证雷达观测的回波强度的偏差和实时拟合反射率因子(Z)与降水强度(R)的关系(即Z-R关系)进行定量降水估测的可能性,以发生在江苏南部的三次大范围降水过程为例,首先分析雨滴谱数据、雷达数据和雨量计数据的一致性,然后利用雨滴谱仪网法和传统方法分别进行降水估测,并对比两种方法的降水估测效果。结果表明:雷达和雨滴谱仪观测的回波强度具有较好的一致性;采用雨量计数据和雨滴谱计算的平均降水强度存在一定差异,但其变化趋势基本一致。相对于层状云降水,两种方法对对流云降水估测的误差更大,对层状云降水的估测,雨滴谱仪网法略优于传统方法,但对对流云降水的估测,雨滴谱仪网法更具优势。总体上,雨滴谱仪网法估测的降水,其偏差和相对误差更小,估测值总量与雨量计观测雨量更接近,估测降水的效果更好。     

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。     

哈尔滨春夏季地面雨滴谱特征分析

本文采用滤纸法观测到的2003年和2004年绥化地面雨滴谱资料,利用称重法得到的地面降水量资料以及2003～2006年哈尔滨雷达站观测到的新一代天气雷达资料。分析了地面雨滴谱谱型、雨强、含水量以及雷达回波强度随时间的变化、雨滴各档尺度对总雨强的贡献等宏、微观特征,雨滴直径和斑迹直径、斑迹面积之间的关系。通过对地面雨滴谱观测和资料处理方法的研究以及获取资料的分析得出以下结论：在不同直径雨滴对地面雨强的贡献分析中发现,贡献较大的降水粒子直径集中在0.7～1.3 mm,也就是说这一范围的雨滴直径对地面降水贡献最大,起主要作用;雨强、含水量和雷达回波强度随时间的变化步调保持一致;层状云的降水谱比较窄,积层混合云较宽;层状云的降水强度范围较窄,对流云的降水强度范围较大,混合云居中;对于层状云降水,M-P分布拟合的效果比较好,混合云效果稍差一些,但也符合M-P分布。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

南京青奥会开幕式期间人工减雨作业对雨滴谱的影响分析

本文利用南京青奥会开幕式期间的OTT雨滴谱仪观测资料、探空数据和地面降雨及雷达等资料,结合火箭减雨作业的时间和地点,通过人工减雨作业对雨滴谱的影响分析来评估开幕式期间人工减雨作业的效果。首先以奥体中心为目标区域,利用探空数据分析火箭减雨作业的最佳高度和作业点与奥体中心的最佳距离,所得结果与实际作业情况一致。然后,利用实测雨滴谱拟合滴谱廓线,计算雨滴粒子平均直径、中数直径等特征直径,对比南京站点人工减雨作业前后时刻的雨滴谱变化;再拟合各时刻的雨滴粒子总数浓度、雨滴谱谱型参数γ(反映雨滴粒子尺度分布),将人工减雨作业后同时段内的南京站点与芜湖站点的雨滴谱作比较分析。结果发现人工减雨作业后,南京站点的雨滴谱较作业前谱宽变窄,直径小于1 mm的小滴粒子占比增加,大于1 mm的大滴粒子减少,雨滴粒子各特征直径均小于作业前;同时段内南京站点雨滴粒子总数浓度、质量加权平均直径在减雨作业影响时段内均小于芜湖站点,而谱型参数γ总体大于芜湖,且随时间变化趋势与芜湖站点相反。这些特征表明人工减雨作业明显改变了雨滴谱分布,有效减小了雨滴群中的大粒子,从而抑制了降雨的发展,起到减雨效果。     

基于雷达反射率因子的降水性层状云中雨滴谱参数的反演方法与检验研究

对基于雷达反射率因子观测数据的层状云降水粒子谱参数反演算法进行研究。（1）给出层状云降水粒子谱参数的反演理论和反演算法流程;（2）选取吉林省伊通县的一次降水层状云过程进行反演试验和验证分析,利用雷达反射率因子观测数据反演得到雨滴平均直径和数浓度参数,并用放置在伊通县气象局观测场中的Parsivel激光雨滴谱仪的实测数据与近地层反演结果进行对比。结果发现,通过反演算法计算得到的滴谱与实测滴谱的变化趋势基本相同,而且反演的雨滴平均直径和数浓度在量级和数值上的大小与实测数据具有良好的一致性,说明该反演方法用于从现有天气雷达回波强度数据中挖掘出降水性层状云的微物理参数是可行的。      

利用激光雨滴谱仪检验消（减）雨作业效果

为了有效地检验人工影响效果,设计了地面火箭和飞机催化作业方案,分析了2009年秋季的雨滴谱观测资料。计算了火箭作业点相对于激光雨滴谱仪的距离和方位,为了便于实际作业指挥中的灵活应用,将结果标注在多普勒雷达的地图上。分析了10次降水过程共5338min的雨滴浓度资料。结果显示,秋季积层混合云的雨滴浓度小于500个的占87.6%,而大于3000个的浓度出现几率很低,不同过程雨滴浓度分布有明显差别;2009年10月16日降水过程出现最大雨滴浓度6003个,部分原因可能与火箭消减雨催化作业有关。     

基于雨强分级的夏季降水微物理特征分析

利用南京地区2013—2014年夏季Parsivel激光雨滴谱观测资料,讨论了小、中、大、暴4种降水强度等级的微物理参量演变特性、雨滴谱形状因子μ与尺度参数λ关系、雷达反射率因子Z与降水强度R关系。结果表明:1不同强度等级降水的粒子平均直径差异较小,降水粒子数浓度、单位体积含水量、单位时间降水能量均随降水强度等级的增强而增大。2在小雨阶段,Gamma分布函数会高估D小于0.625mm的粒子数,在暴雨阶段会低估D小于1mm的粒子数;不同强度等级降水的μ-λ间均存在较好的二项式函数关系,小雨样本的拟合曲线与所有样本拟合曲线接近,中雨、大雨与R大于5mm/h样本拟合曲线接近,暴雨则高于R大于5mm/h样本拟合曲线。3夏季降水的Z-R间存在较好的指数关系,但如果采用所有样本拟合关系估计降水,会存在高估暴雨阶段降水强度的现象。