雨滴轴比订正对雷达参量及其关系的影响研究

利用Parsivel雨滴谱仪在山西祁县、介休两地2008年7、8月观测的数据资料,对比分析了两地的总雨滴谱样本特征和雷达参量的分布概率,研究了雨滴轴比订正对降雨率R、雨滴含水量W和反射率因子Z计算的影响,结果表明雨滴轴比对雷达参量影响不可忽略。雨滴轴比订正效果随着R的增大而增大,当R>5mm·h-1时,轴比订正效果明显,而因Z正比于尺度D的6次方,其订正效果更加明显。最后,在雨滴轴比订正基础上给出两地的Z-R关系,同时确定了未经过轴比订正的反射率因子Znoncorr与订正后的降雨率Rcorr之间的Znoncorr-Rcorr关系,以及反射率因子Z与雨水含量W的Z-W关系,为当地雷达定量测量降水、深入研究云降水形成的微物理过程和雷电对区域降水的影响等提供了科学依据。     

An observational study on vertical raindrop size distributions during stratiform rain in a semiarid plateau climate zone

雨滴谱随高度变化的观测有助于我们改进雷达估雨精度和认识云雨微物理过程的特征。以往研究较少关注半干旱区的垂直雨滴谱及Z–R关系回归方法的不确定性。在我国半干旱区内蒙古锡林浩特地区,我们使用一台小型垂直指向测雨雷达MRR,观测了两次夏季层状云降雨过程的雨滴谱垂直分布,并利用强度顺序滤波(SIFT)方法计算了Z–R关系。结果表明:这两次层状云降雨过程在零度层以下的平均雨强、平均雨滴总数及Z–R关系的两个参数(a和b)垂直变化较小;利用SIFT方法计算的Z–R关系估算降雨比传统的最小二乘法准确。     

利用PMS的 GBPP-100型雨滴谱仪观测资料确定Z-R关系

根据地面雨滴谱确立雷达反射率因子Z和雨强R之间的关系需要大量的观测资料.本文利用GBPP-100型地面雨滴谱仪在沈阳、哈尔滨和河南观测的雨滴谱资料做形变误差订正后,用最小二乘法拟合三地的Z-R关系,并按照层状云、积层混合云和积雨云降水分类,确定了三种降水类型的Z-R关系.结果表明,Z=ARb形式能够很好地描述以上的Z-R关系,对降水类型分类得到的Z-R关系代表性更好.系数A、b以层状云最小,积层混合云次之,积雨云最大.A值随着雨滴尺度的增大而增大,随数密度增大而减小,b值则随着数密度和雨滴尺度的共同增大而增大.     

雪和冰粒的等效雷达反射因子

雷达观测中常常提出这样的问题:如何把雪和冰粒的雷达观测值与这些质粒尺度资料作比较,即根据雷达观测值来估计降雪量.由于天气雷达通常测量的是等效雷达反射因子Z_e,所以任何涉及降水质粒尺度的计算最后都得用Z_e来表示. 一、Z-Z_e关系由于物理因子和公认的常规方法使得上述问题复杂化,所以最好从Z的基本定义着手加以讨论.雨滴的雷达反射因子Z可以用     

南京地区雨滴谱参数的详细统计分析及其在天气雷达探测中的应用

雨滴谱包含了降雨的丰富信息,不仅能反映雨滴群的微物理特性,也能反映降雨类型、降雨强度等宏观特性,并且在雷达气象领域也有重要的价值。论文对2015和2016年度南京地区32次降雨过程的雨滴谱资料进行了处理、并对多种雨滴参数进行了详细的统计和分析,拟合了层状云降雨、对流云降雨以及积层混合云降雨的雨滴谱Gamma分布参数。另外,还基于雨滴谱数据拟合了雷达反射率因子Z与降雨强度R的Z-R关系,计算了差分反射率Z_DR、相位常数K_DP以及衰减参数,并利用衰减参数进行了C波段雷达回波的衰减订正试验。结果表明:（1）层状云降雨的各微物理参数比较稳定,积雨云的变化剧烈;层云降雨和积层混合云降雨的中雨滴、积雨云降雨的大雨滴对雷达反射率因子的贡献最大。（2）积雨云降雨的滴谱最宽,层状云降雨的最窄。（3）利用依据雨滴谱数据拟合的三类降雨Z-R关系,可以一定程度地提高雷达估测降雨的精度。（4）利用基于雨滴谱数据拟合的衰减系数,有效地进行了C波段双偏振雷达回波强度的衰减订正,体现了统计参数和拟合参数准确性。     

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。     

不同雨型的Z—I关系及几种误差讨论

本文根据湖南、安徽两地共437张雨滴谱资料做了以下几项工作: 1.分别按不同雨型、不同反射因子Z和雨强I值统计了它们的Z—I关系,结果表明按雨型统计的Z—I关系最合理。2.不同雨型的Z—I关系有显著性差异,不能互相代用。3.湖南、安徽两地对流性降水的Z—I关系无显著性差异,从而得到两地对流性降水中统一的Z—I关系式。4.分别对(1)不同雨型、不同地点或不同时间降雨的Z—I关系的性质;(2)雨滴谱取样间隔对统计Z—I关系的影响;(3)雷达上不同读数(或开机)时间间隔造成的测量误差进行了讨论。     

桂西南不同季节雨滴谱特征

利用崇左国家基本气象站2019—2022年的雨滴谱观测数据,研究桂西南不同季节雨滴谱特征。结果表明：（1）降水微物理参数的平均值具有季节性差异,夏季雨强（R）最强,春季、秋季和冬季则依次递减。质量加权平均直径（Dm）、雨水含量（W）、雷达反射率（Z）的季节演变趋势与R一致。广义截距参数（Nw）则以秋季为最高,冬季略低于秋季,夏季最低,春季次低。（2）小雨滴是雨滴数浓度的主要来源。不同季节之间的各类雨滴对雨强的贡献存在差异,春季、夏季降雨以中、大雨滴贡献为主,秋季、冬季则以中、小雨滴贡献为主。     

柴达木盆地东北缘山区和平原区雨滴谱特征对比研究

利用2020年7-9月在柴达木盆地东北缘宗务隆山不同海拔处的雨滴谱观测资料,对不同降雨强度下不同粒径雨滴微物理参量的贡献、粒径-粒子数浓度平均谱、微物理特征参量和反射率因子-降雨强度（Z-R）关系展开研究。结果表明：雨滴数密度主要由小雨滴贡献,中雨滴和大雨滴则是反射率因子Z、降雨强度R和液态水含量W的主要贡献,大雨滴对Z、R和W的贡献在海拔较高的山区站占比更高。山区站在小雨、中雨和大雨时的谱宽更宽,且在不同降雨强度下大雨滴端的粒子数浓度要更高,地形的抬升对较大雨滴的N(D)有明显的促进作用。质量加权平均直径（Dm）随海拔升高而增大,R更高时雨滴直径也越大。广义截断参数（Log10Nw）会随降雨强度升高而先增大后有所减小,较小雨滴是构成降雨的主要来源,柴达木盆地降雨有其独特的雨滴谱结构特征。山区站Log10Nw与Dm的分布更为离散,且山区站相比平原站Log10Nw偏低而Dm偏高。若采用统一的降水估测公式Z=300R1.4会产生对降雨量的高估,山区站点降雨的高估更严重。     

713雷达估算降水量方法探讨

现用的713雷达基本上只能起到强降雨的预警作用,而无法直接实现降雨的定量预测,对气象防灾减灾工作很难给出量化的降雨预警信息。在雷达气象方程中,平均接收功率Pr与反射因子Z成正比;而根据理论和实际观测,Z和降水强度存在着一定的关系,因此可以考虑用雷达直接测量降水。本文详细介绍了713雷达定量定点预测降雨量的技术和系统开发时可能用到的一些算法。     

基于实测雨滴谱数据的微波链路和天气雷达降水估计关系研究

利用南京地区连续两年夏季的实测雨滴谱数据,分析了雨滴谱和降水特征,区分降水类型计算了微波链路衰减系数与雨强的关系(雨衰关系)和雷达反射率因子与雨强(Z-R)的关系,所得关系与ITU-R雨衰模型和常用Z-R关系均有差异,其中对流性降水中的Z-R关系为Z=161.63R~(1.55),层状云降水中为Z=227.23R~(1.53)。在两次不同类型降水过程中利用微波链路和天气雷达反演降水,结果表明:使用ITU-R雨衰关系反演降水存在高估层状云降水、低估对流性降水的问题,使用常用Z-R关系反演降水存在明显低估降水的问题,而使用雨滴谱计算的雨衰关系和Z-R关系反演的降水与雨量计实测降水更加一致,平均绝对误差降低,相关性明显提高。说明使用实测雨滴谱数据计算得到的本地化的雨衰关系和雷达Z-R关系,能够提升定量测量降水的准确性。     

梅雨锋暴雨的雨滴谱分析

本文根据1983年6月29—30日梅雨锋暴雨过程的雨滴谱观测资料,分析了这次梅雨锋暴雨的雨滴谱特征,着重分析了雨团内外的雨滴谱特征及其演变情况,并用雷达回波资料进行了解释。此外,还分析了雨强I与雷达反射因子Z等各参量之间的关系。     

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。     

乌鲁木齐地区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Nt-R、Z-R等关系也进行了研究。结果表明：（1）两类降水的雨滴谱均为单峰分布，粒子浓度峰值均在低谱段，雨夹雪的滴谱宽度约为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，与传统天气雷达降水估测关系Z=300R1.4对比分析后，发现利用Z=300R1.4进行降水估测时存在低估现象，而对降雨的估测误差更大。     

雨滴在静止大气中的平均多卜勒速度

为了克服用雷达反射因子Z求静止大气中平均多卜勒速度■关系式(即■_0—Z关系)随时间、地点、雨型而显示出的不稳定性,本文导出了雷达反射因子Z、雨强I和■_0之间的新关系式,即■_0=1.288(Z/I)0.2537。资料验证表明,这个新关系式是稳定的,而且精度比■_0—Z关系高。它还为使用常规测雨雷达和雨量计这种半遥感方法确定■_0提供了理论依据。     

天气雷达参数变化后反射因子(Z)值的订正方法

雷达常数(C)是由天气雷达本身的参数所决定的。雷达使用一段时间以后,有关参数的变化能够使雷达常数产生波动,造成反射因子(Z)值的变化。当发现天气雷达参数有变化后,台站就必须按照公式重新计算、点绘“距离-Z值图”和“回波强度分档图”。这无疑是很麻烦的。本文介绍一种在天气雷达参数发生变化后,对反射因子(Z)值进行订正的简便方法,供天气雷达台站参考。     

由雨滴谱型订正雷达测量降水的一种方法

人们在用雷达测雨的近半个世纪中,发现单参量雷达测量降水是有限制的。因为反射率因子Z和降水率R至少取决于雨滴谱分布的两个参量,即雨滴谱的谱宽和浓度。它们与不同类型降水物理过程(雨滴大小分选、破碎、蒸发、凝结和碰并)的巨大时空变化以及局地地形特点有密切关系。致使历来用指数分布: N(D)=N_0exp(-D) (1)拟合得到的Z-R经验关系测雨产生较大误差。最近,Ulbrich(1983),Atlas和Ulbrich(1984)对大量雨滴谱观测结果表明:用gamma谱分布比用指数谱分布表征雨滴谱分布要好,使雷达测量降水的精度可提高22％,并且指数谱只是gamma谱的一个特例(μ=0)。他们认为:gamma谱分布参数μ值取-2≤μ≤3可以代表所有降水谱分布的形状。     

西安地区积层混合云的Z-R关系研究

根据2013—2014年5—10月西安地区观测得到的雨滴谱数据,结合C波段新一代多普勒天气雷达的观测资料,对西安地区43次积层混合云降水的平均雨滴谱分布、微物理特征量及雷达反射率因子Z和雨强R的关系进行统计分析。结果表明:积层混合云降水的平均雨滴谱呈单峰型,Gamma分布对降水大粒子的拟合明显优于M-P分布;积层混合云中雨滴数浓度最大值及对雨强贡献最大值均出现在雨滴直径小于1 mm的范围内;利用最小二乘法建立了西安地区积层混合云的Z-R关系Z=168R1.43;当雨滴谱数据计算的回波强度小于(大于)30 dBz,雷达对回波强度有明显高估(低估)现象,针对此现象提出了积层混合云雷达回波的5档修正方案;利用Z=168R1.43估算西安积层混合云降水个例的降雨量更接近实测降雨量,估算降雨量的相对误差从51.3%减小到25.4%。     

雨滴谱仪与风廓线雷达反射率对比试验

针对风廓线雷达估算的反射率数据需要进行验证。开展雨滴谱仪与风廓线雷达反射率对比试验,通过两种不同探测设备观测数据的对比,以验证风廓线反射率数据的可靠性和可用性。结果表明:确定了以风廓线低模360~1440 m采样体积内的反射率与3 min雨滴谱反射率数据对比方法能最大程度的减少时空差异;在雨滴谱仪反射率小于40 dBz时,对应的风廓线雷达反射率数据是可靠和可用的;同时由于风廓线雷达有限的动态范围造成反射率低估的现象,使得风廓线雷达反射率在大气垂直结构以及微物理特性等方面应用受到一定的局限性。     

下沉气流对Z-I关系的影响

采用伽玛分布形式的雨滴谱表达式，讨论了下沉气流W对Z－I关系的影响。发现随着W（向下为正）增大，关系式Z＝AI^b中系数A值减小,b值增大。利用地面实测雨滴谱资料计算出不同下沉气流下Z、I后回归得到的A、b值，以及根据由平均谱拟合得到的伽玛分布参数计算出A、b值，它们随W改变的变化趋势，均与理论分析结果一致。还讨论了环境气压场p对Z－I关系的作用，气压减小时，A值减小，b值增大，但变化不如W影响时的变化影响。此外，结合实测雨滴谱资料，分析了雨滴平均谱特征以及相关物理量的演变过程。