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。     

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。     

安宁河谷雨季层状云和对流云降水的雨滴谱特征

利用2017年8—10月安宁河谷的激光雨滴谱仪观测数据,对层状云和对流云降水粒子谱的微物理参量、Gamma函数拟合、Z-I拟合关系、降水粒子对数浓度和降水强度贡献率进行了分析。结果表明：层状云雨滴谱较对流云窄,对流云降水粒子总数浓度、降水强度、液态水含量和雷达反射率因子等均显著高于层状云。Gamma函数可以较好地拟合雨滴谱的分布情况,层状云的函数曲线较对流云更加平滑。层状云、对流云降水的Z-I拟合关系均较好,分别为Z=181.90I^1.54和Z=175.59I^1.54。层状云降水强度贡献率的80%集中在直径不超过2 mm的粒子,而对流云的90%集中在直径超过1 mm的粒子,表明降水粒子尺度较浓度对降水强度的影响更大,大尺度降水粒子对降水强度贡献更大。     

雨滴谱参数化及其在降水估计中的应用

结合2014年7月30—31日滁州地区一次强飑线降水过程的地面雨滴谱观测资料,构建了雨滴谱模型参数与雷达反演降水中常用的Z=ARb中系数A和指数b之间的相关关系,得出了适用于此次飑线降水的新Z-R关系。通过与雨滴谱观测结果和参考关系(Z=300R1.40)反演结果进行对比,对新的Z-R关系反演降水效果进行了评估。结果表明:利用降水强度对粒子数浓度和尺度标准化处理后,Gamma分布可以较好地描述此次飑线降水的雨滴谱分布。Z-R关系随着降水雨滴谱的变化而变化,指数b与不同阶数矩量随雨强的变化有关,系数A与雨滴谱的谱型分布有关。此次飑线降水Z-R关系的指数b=1.37;雨滴谱在Gamma分布下,系数A=340.91,在指数分布下,系数A=371.95。新的Z-R关系和参考关系反演的降水强度较实际观测值均偏小,但新的Z-R关系提高了此次飑线降水的总体估计效果。     

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(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。     

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。     

2021年夏季长白山麓雨滴谱分布特征

利用2021年6—8月吉林靖宇Parsivel2型雨滴谱观测数据,研究长白山麓夏季不同降水类型和不同降水强度条件下雨滴谱特征,并与国内外研究对比。结果表明:长白山麓夏季降水雨滴直径对降水量贡献呈先增大后减小的趋势,贡献较大的直径区间为0.812~2.375 mm,随着降水强度增大,大雨滴(直径D≥2.75 mm)对降水量贡献也增大;对流降水比层云降水的雨滴谱更宽,雨滴数浓度及平均直径也更大;与国外经典对流降水雨滴谱相比,长白山麓对流降水标准截距参数lgNw及质量等效直径Dm特征更接近海洋型降水,与北京延庆及大兴、安徽滁州、江苏浦口相比,长白山麓夏季降水雨滴具有较小的直径和较大的数浓度;长白山麓夏季对流降水和层云降水反射率因子Z与降水强度R拟合关系分别为Z=290.64R1.27和Z=193.36R1.65,经典Z-R关系对该地区降水估测存在低估;形状参数μ、斜率参数Λ存在较好的二项式拟合关系。     

微雨雷达在宁波典型降水过程中的表现特征

利用宁波微雨雷达(MRR)数据,进行仪器观测雨强评估,在此基础上,分析了宁波地区三次典型过程的雨滴谱和降水特征量分布情况,并对降水特征量在雨强预报中的应用做了初步分析。结果表明,MRR具备较可靠的降水观测能力,三次过程中雨滴粒子浓度均随雨滴直径增大而减小。西风槽和梅雨过程雨滴谱基本相似,液态水含量均较小且变化不明显;而台风"黑格比"雨滴粒子浓度更高,粒径范围更大,液态水含量显著提高且随高度降低而减小,粒子有效直径随高度降低明显增大,粒子数浓度明显减小,说明台风中雨滴碰并增长作用较强,大量小粒子相互碰并成大粒子。整层积分的液态水含量和整层平均的粒子有效直径对降水强度预报有较好的指示作用,二者变化均提前于降水强度变化约10min左右。     

降水时间随机性对月总降水量的影响

降水量在时间分布上呈现较大的随机性,极端降水事件尤为如此。受此影响,月初(月末) 1～5 d之内的累积降水量很可能会超过当月总降水量的50%乃至更多。对1961—2017年中国2 400多站点资料统计分析结果发现,月初(月末) 1～5 d累积降水量对当月总降水量显著影响事件的出现频次,在季节和空间分布上都有鲜明特征。主要包括:1)月初累积降水量对秋冬季中各月的总降水量影响更大,月末累积降水量对1—4月的月总降水量影响较大。2)受月初累积降水量的影响,显著站点数在某些年份的某些月份出现极大值;受单次事件显著影响的站点数占全国总站点数的30%～50%,此即对应着一次全国大范围的极端降水事件。3)受月初(月末)累积降水量显著影响的站点空间分布随季节变化呈现出明显空间集聚特征。     

A relation between extreme daily precipitation and extreme short term precipitation

The Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI) has published the KNMI’06 climate scenarios in 2006. These scenarios give the possible states of the climate in The Netherlands for the next century. Projections of changes in precipitation were made for a time scale of 1 day. The urban drainage sector is, however, more interested in projections on shorter time scales. Specifically, time scales of 1 h or less. The aim of this research is to provide projections of precipitation at these shorter time scales based on the available daily scenarios. This involves an analysis of climate variables and their relations to precipitation at different time scales. On the basis of this analysis, one can determine a numeric factor to translate daily projections into shorter time scale projections.     

Evaluation of precipitation trends from high-resolution satellite precipitation products over Mainland China

Climate Dynamics - Many studies have reported the excellent ability of high-resolution satellite precipitation products (0.25° or finer) to capture the spatial distribution of precipitation....     

Urban impacts on precipitation

Weather and climate changes caused by human activities (e.g., greenhouse gas emissions, deforestation, and urbanization) have received much attention because of their impacts on human lives as well as scientific interests. The detection, understanding, and future projection of weather and climate changes due to urbanization are important subjects in the discipline of urban meteorology and climatology. This article reviews urban impacts on precipitation. Observational studies of changes in convective phenomena over and around cities are reviewed, with focus on precipitation enhancement downwind of cities. The proposed causative factors (urban heat island, large surface roughness, and higher aerosol concentration) and mechanisms of urban-induced and/or urban-modified precipitation are then reviewed and discussed, with focus on downwind precipitation enhancement. A universal mechanism of urban-induced precipitation is made through a thorough literature review and is as follows. The urban heat island produces updrafts on the leeward or downwind side of cities, and the urban heat island-induced updrafts initiate moist convection under favorable thermodynamic conditions, thus leading to surface precipitation. Surface precipitation is likely to further increase under higher aerosol concentrations if the air humidity is high and deep and strong convection occurs. It is not likely that larger urban surface roughness plays a major role in urbaninduced precipitation. Larger urban surface roughness can, however, disrupt or bifurcate precipitating convective systems formed outside cities while passing over the cities. Such urban-modified precipitating systems can either increase or decrease precipitation over and/or downwind of cities. Much effort is needed for in-depth or new understanding of urban precipitation anomalies, which includes local and regional modeling studies using advanced numerical models and analysis studies of long-term radar data.     

北京地区夏季极端降水变化特征及城市化影响

利用1981-2016年京津冀地区174个国家站逐日降水资料,采用百分位方法和线性倾向估计方法对京津冀地区极端降水的时空分布特征及演变趋势进行了分析。结果表明：（1）对于京津冀地区极端降水空间分布,不同百分位降水阈值表现为一致的分布特征,年平均极端降水量、平均极端降水强度与百分位极端降水阈值分布大体一致,而年平均极端降水日数的分布则与其相反。（2）年平均极端降水量在103.6~259.1 mm之间,年平均极端降水日数在3.0~4.0 d之间,平均极端降水强度在大雨到暴雨之间,极端降水量对总降水量贡献达28%以上。（3）极端降水总站次和极端降水日数年变化趋势一致,7月、8月和10月是极端降水较活跃月份。（4）在36 a期间,年平均极端降水量、年平均极端降水日数、平均极端降水强度以及极端降水量对总降水量贡献的变化趋势分布情况基本一致,呈减少趋势的站点均相对较多,年平均极端降水量增减幅度较大,年平均极端降水日数变化在1 d·（10 a）^-1以内,平均极端降水强度和极端降水量对总降水量贡献减少趋势相对明显。

     

近20年中国气象灾害损失的初步分析

采用全国气象部门收集的县（区）域行政单元灾情普查资料,结合全国气象站点降水观测资料,分析了1984—2008年中国暴雨及其引发的洪涝灾害的时空演变特点及灾害损失情况,揭示了气候变化及人类活动双重作用下中国暴雨洪涝灾害变化趋势和演变特点,以及暴雨洪涝灾害影响的时空差异性。结果表明：近25 a来中国暴雨日数总体上稍有增加,暴雨强度和暴雨天数的空间分布均表现为南方高于北方,东部高于西部的特点,20世纪90年代中后期为中国暴雨高发期。研究时段内,中国暴雨洪涝灾害造成的直接经济损失呈增加趋势,但直接经济损失占当年GDP的比例则呈下降趋势,平均每年经济损失约为573亿元人民币,损失较高的地区主要集中在中国南方地区,县域年平均损失超过2 000万元的县约占15%,其中有34个县超过亿元。受灾人口呈增加趋势,但因灾死亡人口呈下降趋势;暴雨洪涝灾害对农作物受灾面积和绝收面积的影响均呈微弱上升趋势,年平均作物受灾面积近9.00×10⁶ hm²,作物绝收面积为1.27×10⁶ hm²。

     

1958—2007年天津降水量和降水日数变化特征

采用1958—2007年天津逐日降水观测数据,探讨降水变化特征。结果表明：近50 a来天津年降水量和年降水日数总体减少,二者每10 a分别减少8.9 mm和4.1 d,其中年降水日数的减少比年降水量的减少显著;四季中,夏冬季降水量明显减少而春秋季呈增加趋势,四季的降水日数均减少;年降水日数在1980年前后有一次明显突变,夏季降水量和春夏秋的降水日数在20世纪70年代和80年代均存在一次明显突变。降水日数和降水量的不同步变化反映发生极端降水事件的概率增加,这对农业生产和生态环境不利。     

格点降水资料在中国东部夏季降水变率研究中的适用性

本文使用1951~2010年PREC、CRU、APHRO和GPCC 4种格点降水资料,通过比较其与中国756站点观测降水资料在中国东部(105°E以东)夏季降水变率中的差异,检验和评估了它们的可靠性和适用性。结果表明:中国东部夏季降水变率的前3个主要模态分别是以江淮流域、长江流域和华北与东北南部为核心的经向多中心分布,有明显的年际和年代际变率特征,且干旱特征较洪涝更明显;长江流域夏季降水异常的主周期为3~7 a和20~50 a,而江淮流域和华北地区夏季降水异常的主周期则为准2 a和准10 a。另外,长江与江淮流域和华南地区分别在1970s末和1990s初发生了显著的年代际转变;4种格点降水资料都能很好地再现中国东部夏季降水的时空变率特征,但由于GPCC格点降水资料是基于更多的基站观测和更精细复杂的质量控制方案得到的,因此它具有更高的可靠性。     

中国南方降水及其极端事件的动力-统计相结合延伸期预报

延伸期预报是无缝隙预测系统中的薄弱环节,如何提高灾害天气过程的延伸期预报技巧是国际热点及前沿问题。本研究基于2005年12月—2014年8月的观测/再分析资料,通过奇异值分解方法,揭示了与中国南方低频降水变化高度耦合的热带对流和中纬度波列信号。利用中国气象局参加国际次季节至季节预报计划模式（BCC-CPS-S2Sv2模式,简称BCC S2S模式）的回报数据,对中国南方低频降水异常场进行统计降尺度,构建了一套动力-统计相结合的延伸期降水预测模型。独立预测时段（2014年12月—2019年8月）的结果表明,BCC S2S模式可以提前10—15 d预报中国南方大部分区域的异常降水;提前15—20 d以上预报时,动力-统计结合预报模型对冬季（夏季）华南沿海地区（长江以北地区）的降水时间演变、降水空间分布及极端强降水事件的预报技巧均优于BCC S2S模式。文中提出的思路和方法可广泛应用于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报。