水平风作用下雨滴水平速度的数值仿真

为了研究雨滴在水平风作用下的水平移动情况,在分析水平风作用下雨滴受力情况的基础上,通过对曳力系数与雷诺数对应关系的研究,采用数值仿真的方法分别对海平面大气条件和不同大气条件下雨滴水平运动速度进行仿真.结果表明:当有水平风作用时,雨滴的水平运动速度不等于风的速度,而是随雨滴直径和水平风速的变化而变化;在水平风作用下,雨滴的水平移动速度可以在较短的时间内(一般小于15 s)达到一个稳定的值;在水平风速相同的情况下,气压越高、温度越低,雨滴达到平衡时的水平移动末速度相对越大,反之则越小.这些结论对基于图像采集原理的光学降水自动观测仪器进行雨滴图像拼合有重要的应用价值.     

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。     

降水现象对大气消光系数和能见度的影响

大气中各种粒子对大气消光系数和能见度有不同程度影响,除气溶胶粒子外,降水粒子对能见度影响也不可忽视。为了解降水粒子对能见度的影响,确定能见度变化与降水现象之间的关系,该文在分析降水粒子的大小、速度、形状、谱分布、光学特性等特征的基础上,忽略气溶胶粒子的影响,建立基于实测谱分布的降水与能见度的理论模型,讨论不同类型降雨、降雪对大气消光系数和能见度的影响。同时选取Parsivel降水粒子谱仪在南京地区的降雨和降雪观测记录,利用实测数据来对比验证本文所建立的降水-能见度理论模型。结果表明:能见度随着降水强度的增大呈指数降低;受降水粒子特性和天气条件等多种因素影响,能见度与降水强度之间的关系并不是唯一对应的;降雨和降雪对能见度的影响各不相同,相比而言,降雨对能见度的影响比较容易确定,而降雪对能见度的影响比较复杂,主要因为雪花或冰晶的类型复杂多变,对大气消光系数有不同程度的影响。结合理论分析和实测数据对比验证,降水现象对能见度的影响得到了证实。     

数字全息云粒子测量技术现状及进展

准确获取大气中云粒子的原位探测信息,对于揭示气溶胶—云—降水形成物理机制、改进数值预报模式微物理参数化方案、评估人工影响天气催化效果等具有重要的应用价值。数字全息测量技术能够同时获取云粒子的尺度、速度、相态和空间位置等信息,且具有覆盖粒子尺度范围广（μm～mm）、空间采样精度高（可达mm量级）和仪器采样体积可准确确定等诸多优点,在云微物理观测领域具有广阔的应用前景。总结了目前国内外数字全息云粒子测量仪器的研究现状,分析了仪器研制所涉及的全息光路设计、机械防护和全息图处理等几个关键技术问题,并介绍了全息云粒子观测结果在揭示混合云内冰晶冻结机制和云中湍流混合作用影响微物理机制等方面的应用。最后,从技术应用角度对全息光路优化设计、全息图处理方法、仪器结构防护和外场观测试验等方面作了一定的思考和展望,以期为开展相关仪器研制和云微物理观测应用研究提供参考。     

基于降水微物理特征测量仪的雨滴形状观测与分析

利用自主研制的降水微物理特征测量仪开展降水观测试验,得到了大量的雨滴图像。研究了异常雨滴图像的形成原因和处理方法,以此为基础重点研究了在极坐标下基于Akima插值的数字雨滴图像矢量化方法,得到了雨滴平均形状特征和轴比分布特征。结果表明,直径小于1 mm的雨滴以圆形为主,在1.0~3.0 mm的雨滴以椭圆形为主,大于3.0 mm的雨滴逐渐呈现顶部凸起,底部偏平的形状;雨滴的平均轴比分布与经验分布一致,相互之间差异在±0.04 mm范围以内;雨滴的平均轴比与经验模型的差值在粒径3.4~3.8 mm出现峰值,该范围内的雨滴较经验关系具有更圆的形状特性。     

Parsivel激光雨滴谱仪与雨量计观测降水的一致性分析

利用南京市气象局在江宁布设的激光雨滴谱仪、称重式雨量计和翻斗式雨量计,整理2014—2018年期间2590h的降水观测资料,重点分析了Parsivel激光雨滴谱仪对降雨和降雪的测量性能。结果表明,与称重式雨量计结果相比,翻斗式雨量计测量的降水时数和累积降水量均偏低,激光雨滴谱仪测量的降雨时数偏低,但累计降水量偏高15.07%;激光雨滴谱仪能够有效跟踪降水强度的变化,但在雨强较小(2.5mm·h~(-1))时对雨强略有低估,在降雨强度较大(≥2.5mm·h~(-1))时对雨强有不同程度的高估,最大可达近50%,而且雨强越大,一致性就越差;翻斗式雨量计无法有效测量降雪;激光雨滴谱仪则可以有效跟踪降雪的变化情况,但是受到测量原理的限制,对等效降水强度则有不同程度的高估。从5年数据来看,没有发现随着激光雨滴谱仪安装时间的增长,性能变差的问题。     

基于微波链路的天气雷达降水场校准方法

为减小天气雷达反演降水场与地面实际降水的偏差,提出了利用贴近地面的微波链路对天气雷达降水场实施校准的方法,包括变分校准法、卡尔曼滤波校准法、平均校准法和克里金校准法。为验证校准效果,在两次不同类型的实际降水过程中,利用两条微波链路,对S波段天气雷达反演的降水场进行了校准,校准结果与地面雨量计实测值进行了比较,结果表明:四种校准方法均取得了一定的校准效果,改善了降水过程Ⅰ中强降水的低估问题和过程Ⅱ中弱降水的高估问题。校准后的雨强分布与雨量计测值的一致性得到提升,统计误差明显降低,改善程度由高至低依次为平均误差、均方根误差、平均绝对误差。综合各种校准方法在两次降水过程中的表现,克里金校准法的效果相对较好,变分校准法和平均校准法的效果优于卡尔曼滤波校准法。对平均误差和均方根误差改善幅度最大的是克里金校准法,对平均绝对误差改善幅度最大的为变分校准法。平均校准法和卡尔曼滤波校准法得到的校准因子为某一时次的区域平均校准因子,而克里金校准法和变分校准法能够得到随时间和空间位置变化的校准因子场。研究结果表明微波链路是校准雷达降水场的有效手段。     

微波链路测量降水研究综述

利用微波链路测量降水是降水测量的最新技术,具有作用于近地面大气、时空分辨率高等优势。文章总结了微波链路测量降水方法的发展现状和技术难点,结合微波通信的实际应用,分析了频段的选择依据、雨衰减量的精确测量和正演模型的精确建模需要考虑的因素,指出降水起始时间的准确识别和区域化反演算法是解决该方法实用化问题的关键技术,为利用微波链路测量降水的进一步研究提供了借鉴。     

微波雨衰特性在降雨测量中的应用

利用微波链路雨衰测量值反演雨强是一种新型降雨测量方法,可以依托全球广泛分布的微波通信链路获取丰富的气象观测资料。本文在分析微波雨衰特性的基础上,首次进行了15～20 GHz频段链路测量降雨的试验研究。试验设计了距离6 km的视距微波通信链路,选择降雨前临界时间段内接收电平的均值作为雨衰计算的基准值,通过实际接收电平与基准接收电平的雨衰减差值反演计算实际降雨量。试验结果表明,降水强度为2～70 mm/h时,该频段微波雨衰值变化显著,完全可以进行更精确空间尺度局部降水的实时测量,通过雨衰减值反演计算的降雨量值与雨滴谱仪的实际测量值有较好的相关性,分析了试验中的误差及误差产生的原因,为下一步在正演模型等方面的深入研究指明了方向。     

近红外波段凝结核性质对雨滴散射特性的影响

用M ie散射理论,在已知大气气溶胶粒子的折射率基础上,计算并讨论大气气溶胶以及在其上凝结形成的雨滴的散射相函数、散射效率因子等散射特性。结果表明,对流层中气溶胶粒子的散射能力依次为水滴,冰晶,海洋性粒子,沙尘性粒子,水溶性粒子,煤烟。对于在可溶性核上凝结形成的雨滴,海洋性核的散射能力强于水溶性核的散射能力。由不可溶性核凝结形成雨滴的散射能力依次为煤烟核、冰晶核和沙尘性核。纯水雨滴的散射能力介于沙尘性核和冰晶核之间,强于海洋性核。该结论可以为光学测雨仪器在不同地区条件下的参数设置提供依据。