2018年冬季南京三次暴雪过程微物理特征分析

为深入研究南京降雪微物理特征及变化,利用第二代激光雨滴谱仪PARSIVEL2、自动气象站观测资料及MICAPS数据,对2018年冬季南京的四次罕见强降雪过程中雪花的微物理参量进行分析。结果表明:（1）雪花谱基本呈多峰分布,个例1降雪强度增大时有小雪花向大雪花的转化,而其余三次过程则有雪花数浓度的显著增大。温度的差异使个例1大雪花形成机制与其余个例不同,最终导致了降雪稳定阶段,雪强增大的机制不同。（2）使用Gamma分布和M-P分布分别对四次降雪的不同阶段进行了拟合,Gamma 分布在各阶段的拟合优度均高于M-P分布拟合,降雪终止阶段拟合优度低于起始阶段及降雪全过程的拟合。四次降雪过程降雪粒子谱的Gamma分布分别为N＝107D-0.21exp(-0.54D)、N＝136D-0.54exp(-0.60D)、N＝256D0.38exp(-1.01D)、N＝9.39×104D4exp(-7.81D),其中,N为降雪粒子数浓度、D为雪花直径。（3）个例1在3 mm左右速度谱存在两个峰值,分别贴近结霜曲线和未结霜曲线,说明该次降雪大雪花的形成存在结霜增长和结霜碰并两种机制。（4）综合个例1、2、3,给出南京地区稳定的层状云强降雪的Z-I关系为Z＝1708I1.51。     

GRAPES_MESO模式预报降水相态诊断及应用研究

当地面气温在0℃附近时,降水相态通常比较复杂,降水相态预报一直是天气预报的难点之一。本文根据降水粒子在下落过程中的热力结构,利用BTC算法、修订的BTC算法、Ramer算法、Bourgouin算法4种计算方案,通过GRAPES_MESO中尺度模式提供所需参数,对落到地面的降水相态进行诊断,诊断的降水相态包括雨、雪、冻雨和冰粒4种,然后利用集成方法获得大概率且破坏程度大的降水相态预报产品。基于2个冬季降水个例,研究发现4种计算方案都能较合理地得到雨雪分界线,以及降雨、降雪落区范围。其中,修订后的BTC算法可以修正原始BTC算法对降雪的诊断偏差,并且预测的冰粒比原始冰粒更少。Ramer算法会比其他几种算法获得更多的冻雨事件,而Bourgouin算法最接近合成算法的结果。对于不确定性较大的中间态的冻雨和冰粒预报,鉴于其高影响特性,方案倾向于过高估计冻雨和冰粒的预报落区。集成的最终降水相态产品反映其发生的概率大或影响程度大,能为防灾减灾提供有效的警示信息。     

黄山雨滴下落过程滴谱变化特征

利用2011—2012年4—10月安徽省黄山山顶和山底两个站点同时采集的雨滴谱数据,共选取17个降水个例,将17个降水个例分为对流云降水和层云降水,对不同高度和不同云系降水雨滴谱特征分析得出以下结论:对于不同云系的降水,山顶平均雨滴数浓度大于山底,平均峰值直径和平均质量半数直径在下落过程中均增加,平均雨强和平均雷达反射率因子变化幅度较小。不同云系的雨滴在下落过程中,雨滴谱谱宽变化较小,但雨滴谱均从M-P (Marshall-Palmer) 分布转向了Gamma分布。降水粒子在下落过程中,大部分通道的数浓度均出现损失,最大损失超过50%,随着粒子尺度增加损失逐渐减少,大粒子数浓度在降落时有所增加,增加幅度为10%左右,降水粒子的碰并和蒸发过程很可能是造成降水粒子下落过程中滴谱变化的两个主要原因。     

呼和浩特降雨和降雪过程粒子谱分布特征分析

为深入了解呼和浩特地区降雨和降雪过程中降水粒子谱的分布特征,利用Parsivel观测数据并结合常规观测资料,对2017—2019年发生在呼和浩特地区的8次降雨过程和10次降雪过程的降水粒子谱进行分析。结果表明:雨滴谱和雪花谱都比较符合Gamma分布,平均降雪谱的峰值直径、峰值浓度以及最大直径均大于平均雨滴谱,降水强度相近时,降雪个例的粒子数浓度和尺度参数均大于降雨个例;Gamma拟合的形状因子(μ)和斜率参数(Λ)在降雨和降雪过程中均满足二项式关系,但雪花尺度的变化范围较大导致降雪的μ-Λ拟合效果略差;雪花的下落速度小于雨滴的下落速度,降雨过程中雨滴的下落速度多集中于2~5 m·s^-1,而降雪过程雪花的下落速度多集中于0.5~2 m·s^-1,呼和浩特地区降雪的雪花下落速度更接近于未结凇或干雪的情况。     

基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析

布设在内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县气象局的二维雨滴谱仪(2DVD)在2020年7月27日观测到一次含雹混合降水事件,基于粒子直径与本地下落末速度对2DVD数据质控后,分析了此次过程不同直径-速度和不同直径-轴比下的粒子数量分布以及粒子谱、中值体积直径、质量加权平均直径、粒子数浓度和降水强度等参数随时间的演变。结果表明：(1)直径0.1～0.5 mm的雨滴实测下落末速度偏大于经验公式计算的下落末速度,直径5～10.4 mm的冰雹粒子下落速度为5.5～11.6 m·s^-1,直径小于6 mm的冰雹粒子下落速度分布较广。直径0.1～2 mm的小雨滴轴比为0.9～1.1,直径2～5 mm的大雨滴轴比为0.7～1.0,直径5～10.4 mm的冰雹粒子轴比为0.5～1。(2)本次降雹类型为先雨后雹,雹雨混降,雹后持续降雨,冰雹谱谱宽为10.4 mm。逐分钟降水粒子谱存在3个直径极大值,在降水和降雹之间存在短暂的无降水,谱宽和粒子数浓度随时间同时增大和减小,并在降雹阶段,各参数陡增至峰值。(3)冰雹谱分布呈单调递减型,通过M-P分布函数分段模拟了降雹时段的雨滴谱和冰雹谱,模拟的粒...     

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。     

2014—2016年南京地区降雪微物理特征

利用OTT激光雨滴谱仪观测的南京地区2014—2016年共六场降雪粒子谱资料,按仪器记录的降水类型将资料分为雨夹雪、小雪、中雪,利用Gamma和M—P函数对粒子的尺度谱进行拟合,拟合参量由阶矩法求出。线性拟合得出降雪粒子末速度的V—D曲线,并与经验曲线进行对比分析;μ、λ关系由拟合所得二项式表示。结果表明：南京地区降雪尺度谱分布更接近于Gamma分布;小雪、中雪粒子的下落末速度同粒子直径变化无较大关联,降雪粒子以湿雪为主;雨夹雪很好地满足μ、λ二项式关系,小雪和中雪的μ、λ二项式关系相对更差,利用此关系简化Gamma函数进行遥感反演降水参量时,对于不同凝结状态的降雪需采取不同的μ、λ函数关系来表示。     

武汉一次短时暴雪过程的地面雨滴谱特征分析

利用Thies Clima激光雨滴谱仪(TCLPM)和站点加密观测资料,对2011年2月12日发生在武汉的一次短时暴雪天气过程的演变特征进行了初步分析。结果表明:人工观测与激光雨滴谱仪自动探测的累积降雪量较为一致,均为5.6 mm。该短时暴雪过程,先后经历降雨、雨夹雪和纯雪三个阶段,且激光雨滴谱仪监测到了这三种降水相态对应的不同滴谱特征,即:降雨阶段,粒子下落速度大而粒径小;纯雪阶段,粒子下落速度小而粒径大。同时,监测到三个阶段雨滴谱型的变化较明显,其经历了单峰、波动再多峰的演变过程,谱宽与数浓度呈明显增加趋势。降雨强度与反射率因子和粒子质量加权平均直径呈正相关:雨强大对应反射率因子和雨滴平均直径值大,雨强小对应反射率因子和雨滴平均直径也小。     

一次强寒潮过程的多相态降水分析

综合利用常规观测资料、双偏振雷达和雨滴谱仪探测资料，对2020年3月28日发生在常州地区的一次罕见强寒潮引起的降雨、雨夹雪和雪不同相态降水天气进行了分析。结果表明：①此次3月末罕见强寒潮和降水主要是在高空槽、中低层切变线和西南急流与地面冷高压配合下，强冷平流入侵以及850 hPa明显干层的蒸发（或升华）吸热的共同作用引起的，中低层温度的急剧下降，导致降水相态发生变化。②双偏振雷达监测到3种降水相态呈现出不同的偏振变量特征：降雨相态向雨夹雪转变时，反射率因子Z增大，差分反射率因子ZDR增大，相关系数CC有明显的低值带状分布，呈现出Z>30 dBz，ZDR>1 dB，CC<0.95组成的雨雪相态混合区域；而纯雪则为Z>22 dBz，ZDR<1 dB，CC>0.98。③雨滴谱仪显示降雨阶段主要由高浓度小粒子构成，雨滴速度〖CD*2〗尺度谱呈现为倾斜的带状；雨夹雪阶段数浓度减小，粒径范围较宽，质量加权平均直径明显增大，雨滴速度〖CD*2〗粒径范围介于降雨和纯雪之间；纯雪阶段速度〖CD*2〗尺度谱下压右伸，粒子直径分布较宽。     

河南省层状云降水雨滴谱特征分析

利用2015-2017年河南省层状云降水过程的Parsivel(Partical Size and Velocity)激光雨滴谱观测资料,对层状云降水的雨滴数浓度、含水量、雨滴直径等微物理参量特征及不同尺度的降水粒子对雨强的贡献进行了统计分析,并采用2种拟合方法对层状云降水雨滴谱进行了拟合。结果表明:河南省层状云降水的空间结构不均匀,各微物理参量的变化存在着起伏,雨滴数浓度为10²个/m³量级,个别达到10³个/m³,含水量在10^-2~10^-1 g/m³,粒子平均直径<0.5 mm左右,统计的不同台站平均最大粒子直径为1~2 mm,雨强平均值不超过1 mm/h。直径为<2 mm的雨滴对雨强的贡献占96.23%,直径小于1 mm的雨滴对数浓度的贡献最大。雨强是由雨滴最大直径、平均直径和数浓度3者共同决定。层状云降水雨滴的谱分布较窄,滴谱曲线比较平滑。降水开始时,谱型为单峰结构;降水处于稳定阶段时,谱型为双峰和单峰相结合的结构。层状云拟合M-P分布和Г分布偏差均出现在直径<1 mm的小雨滴端,对于微小粒子随直径增大而增多导致的曲线弯曲没能表现出来,相对而言Г分布拟合效果明显略优于M-P分布的拟合效果。河南省层状云降水的2种分布形式分别为N(D)=7373.9exp(-3.67D)和N(D)=10492.05D1.62exp(-5.11D)。     

山西云微物理特征的地面观测

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪和激光降水粒子谱测量仪对山西地面的云凝结核和雨滴谱进行了观测研究.研究结果表明,云凝结核(CCN)数浓度具有明显的日变化特征,1天出现了两次峰值,数浓度日变化与气象因子、人类活动有关.降水对CCN具有冲刷作用.利用关系式NCCN=CSk拟合得到的地面CCN活化谱参数C值明显较大,k值较高,属于典型的大陆型核谱.对层状云、层积云降水雨滴微物理特征参量分析发现:3次层状云、层积云降水雨滴数密度变化范围分别为74～229 m-3、305～743 m-3,平均含水量量级分别为10-2 g/m3、10-1g/m3,最大雨滴直径分别为1.78 mm、4.7 mm.对层状云降水雨滴的数密度和雨强贡献较大的分别是小于1 mm、0.2～2 mm的雨滴;对层积云降水雨滴的数密度和雨强贡献较大的分别是0.2～2 mm、1～3 mm的雨滴.层积云出现稳定谱的比例高于层状云.从瞬时谱型分布看,层状云出现单、双、三峰多,第四、五峰值的频率比较少,层积云雨滴谱分布没有出现指数型,常有多峰.从平均谱分布看,层状云谱宽窄于层积云,层状云雨滴平均谱服从指数分布,层积云曲线呈向下弯曲的趋势.对汾阳2008年7月17日一次积层混合云降水雨滴谱资料分析发现积层混合云降水雨滴微物理量起伏大,降水雨强主要由雨滴数密度决定.相同雨强下,若有相对更多的大雨滴,雷达反射率会更大一些.随着强回波云块的过境,雨滴数浓度、雨滴谱峰值个数、谱宽均明显增大.     

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。     

Microphysical Characteristics of Precipitation during Pre-monsoon,Monsoon, and Post-monsoon Periods over the South China Sea

Raindrop size distribution (RSD) characteristics over the South China Sea (SCS) are examined with onboard Parsivel disdrometer measurements collected during marine surveys from 2012 to 2016. The observed rainfall is divided into pre-monsoon, monsoon, and post-monsoon periods based on the different large-scale circumstances. In addition to disdrometer data, sounding observation, FY-2E satellite, SPRINTARS (Spectral Radiation-Transport Model for Aerosol Species), and NCEP reanalysis datasets are used to illustrate the dynamical and microphysical characteristics associated with the rainfall in different periods. Significant variations have been observed in respect of raindrops among the three periods. Intercomparison reveals that small drops (D < 1 mm) are prevalent during pre-monsoon precipitation, whereas medium drops (1?3 mm) are predominant in monsoon precipitation. Overall, the post-monsoon precipitation is characterized by the least concentration of raindrops among the three periods. But, several large raindrops could also occur due to severe convective precipitation events in this period. Classification of the precipitation into stratiform and convective regimes shows that the lg(N_w) value of convective rainfall is the largest (smallest) in the pre-monsoon (post-monsoon) period, whereas the D_m value is the smallest (largest) in the pre-monsoon (post-monsoon) period. An inversion relationship between the coefficient A and the exponential b of the Z?R relationships for precipitation during the three periods is found. Empirical relations between D_m and the radar reflectivity factors at Ku and Ka bands are also derived to improve the rainfall retrieval algorithms over the SCS. Furthermore, the possible causative mechanisms for the significant RSD variability in different periods are also discussed with respect to warm and cold rain processes, raindrop evaporation, convective activities, and other meteorological factors.     

秦皇岛地区雨滴谱仪和雷达探测的反射率因子差异分析研究

利用布设在秦皇岛市抚宁地区的OTT Parsivel激光雨滴谱仪和卢龙地区S波段天气雷达,对2017—2019年4—9月共23次降水过程进行了观测,并分析了基于雨滴谱参数(滴谱粒子数N(D)和粒子直径大小D₀)计算的雷达反射率因子Z_D和雷达探测的雷达反射率因子Z_R的差异Z_C。结果表明,N(D)主要集中在130～530个范围内,Z_C标准差随着N(D)的增大而逐渐减少;D₀主要集中在0.8～1.6 mm范围内,Z_C标准值在D₀<1.2 mm范围内随着D₀的增大而逐渐减少,D₀在1.2～1.6 mm范围内趋于稳定;Z_D主要集中在15～40 dBZ范围内,Z_C标准差在15～35 dBZ范围内随着Z_D值增大而减小。     

冰雪晶二维图像及霰粒子谱特征分析

分析了１９９１－１９９３年人工降水期间共１３个架次粒子测量系统（ＰＭＳ）获取的冰、雪粒子的二维图像资料，分析了雪粒子的形态特征，重点分析霰粒子出现的频率及其尺度谱特征；并利用霰粒子的直径大小，在一定的假设条件下，估算了观测高度以上云中所包含的过冷水的累积含量；借以了解飞行层以上的的人工降水潜力状况。初步分析结果表明，不少架次的飞行过程都出现有持续时间不等的霰粒子，估算出的最大积分过冷水含水量为１３     

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。     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。