基于激光雨滴谱仪的一次降水云滴谱特征分析

利用2012年4月30日湖北省发生的一次降水过程中收集到的地面雨滴谱资料,对不同站点对流性降水和层云性降水雨滴谱特征进行分析,并将激光雨滴谱所测降水与自动站雨量计降水进行对比分析。研究表明:不同类型降水粒子平均体积直径、优势直径、中数体积直径差异显著;对流性降水粒子谱为单峰型分布,层状云降水粒子谱为双峰型分布特征;激光雨滴谱仪和自动站雨量计观测到的小时降水量变化趋势基本一致,定量分析发现,激光雨滴谱仪测值相对与雨量计测值存在系统性偏低的情况,且雨强越大,测量偏差越大。      

Parsivel与LNM激光雨滴谱仪降水观测的差异

为研究Parsivel与LNM两种激光雨滴谱仪观测性能的差异,通过分析北京南郊观象台试验场地的两台激光雨滴谱仪2014年7—11月(北方雨季条件下123天)的观测数据,并辅以同期的人工观测作为参考标准,将上述两种设备的累积降水量、起止时间、粒子采样信息等采集数据进行对比。分析结果表明:LNM激光雨滴谱仪较Parsivel激光雨滴谱仪的反映时间短,总是提早观测到降水现象的发生。Parsivel激光雨滴谱仪粒子等级信息较为丰富,同一降水过程中,Parsivel输出的粒子直径比LNM大。在降水量方面,两台设备与翻斗雨量计的结果基本一致,但累积降水量大于10mm时,LNM累积降水量的输出值明显大于Parsivel。     

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。     

江淮之间夏季雨滴谱特征分析

分析了2011—2013年夏季(6—8月)滁州地基雨滴谱观测资料,根据雨强及其随时间的变化将降水分成对流降水和层云降水,分析不同降水类型的雨滴谱特征。结果表明:滁州地区对流降水的质量加权直径D_m和标准化参数lgN_w的平均值分别为1.67 mm和3.91 mm^-1·m^-3,层云降水D_m和lgN_w的平均值分别为1.18 mm和3.57 mm^-1·m^-3,对流降水雨滴平均尺度更大。N_w相比Γ分布参数N₀能更好地反映总数浓度N_t的大小。Γ分布3参数均随雨强的增大而减小,当雨强增长到一定程度时,μ(谱型)和Λ(斜率)趋于常数。研究了μ-Λ关系和Z(反射率因子)-R(雨强)关系。对流降水和层云降水的Z-R关系分别为Z=408R^1.20和Z=301R^1.21。新的Z-R关系和经典Z-R关系(Z=300R^1.40)反演的雨强相比实际观测值均偏小,但新的Z-R关系反演的雨强与实际观测值更接近。     

Parsivel激光雨滴谱仪观测较强降水的可行性分析和建议

为了研究OTT-Parsivel激光雨滴谱仪(简称Parsivel)在较强降水观测中应用的可行性,用南京地区2012年6—7月份4个典型的降水个例,对Parsivel和SL3-1翻斗式雨量计(简称雨量计)的累积降水量、降水强度观测资料进行对比分析,并与人工雨量筒观测作以比较。结果表明:Parsivel测值是可信的,在累积降水量观测上,与雨量计具有很好的相关性,但测值始终偏高,该现象主要是粒子相互遮挡造成的。雨量计的反应时间,明显滞后于Parsivel。雨量计测值接近人工测值;而Parsivel与人工测值的偏差明显大于雨量计。结合实验分析与业务应用,提出3点使用建议:(1)仪器应架设在无遮蔽物的开阔地带。(2)采样周期应随着降水强度(地理位置)的不同而改变。(3)对降水微物理参量特征以及粒子谱分析时,可剔除直径过大、速度很低的粒子。     

激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

该文研究PARSIVEL激光雨滴谱仪的测量误差并提出订正方法。对2014年在广东阳江的PARSIVEL激光雨滴谱仪采集的两次降水过程数据进行分析发现,雨滴下落速度V随粒径D变化与静止大气中雨滴下落末速度随粒径变化的Atlas-Ulbrich曲线分布趋势一致,但D < 1 mm及D > 3 mm的速度偏差较大。其主要原因是大粒径雨滴形变造成速度偏离较大,仪器测量误差造成小粒径测速偏大,激光雨滴谱仪所在高度的大气垂直运动影响雨滴下落速度。根据PARSIVEL激光雨滴谱仪测量原理,基于雨滴形变与粒径关系,给出形变订正后的Atlas-Ulbrich修正曲线,并用于对小粒径测速订正。比较订正前后的雨滴谱分布,订正后的小雨滴浓度明显增加,大雨滴浓度略有减小,订正后浓度参数和斜率参数均增加,形状参数变化不明显。     

Parsivel激光雨滴谱仪观测降水中异常数据的判别及处理

2009年利用Parsivel激光雨滴谱仪连续观测太湖地区自然降水,发现对流云降水采样的粒子谱数据常常包含有少数异常高、低数据.从Parsivel激光雨滴谱仪的测量原理出发,分析了产生测量误差的原因.然后依据3σ准则(莱以特准则)对采集的一次对流云降水粒子谱数据进行分析,对其是否存在粗大误差进行判别和消除.结果表明:异常数据即为仪器测量的粗大误差,消除误差后的数据在表征降雨量、雷达反射率因子等降水特征量时更加接近于仪器自身输出值.同样地将此方法用来分析层状云降水,有利于消减仪器测量中粒子重叠所造成误差.     

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。     

利用激光降水粒子谱仪研究雨滴谱分布特性

利用Parsivel激光降水粒子谱仪2009年3—6月在南京观测获取雨滴谱资料,分类对各次降水过程雨滴谱进行Gamma分布拟合,对比分析了南京地区不同云系降水的雨滴谱分布特征以及Gamm a分布参数相关特性,并且讨论了标准化Gamma分布参数随雨强及雷达反射率因子的变化关系。结果表明:用Gamma分布拟合本次试验不同云系降水的雨滴谱分布精度都比较高;标准化的Gamma分布参数较Gamma分布参数更具有物理意义,且其参数μ和Dm与雷达反射率因子Z均具有较佳的对应关系,μ随Z的增大依次递减,Dm则随Z的增大呈指数型递增。     

一种激光雨滴谱仪小雨滴检测方法

针对激光雨滴谱仪中接收端信号非常微弱、小雨滴信号容易受噪声干扰的特点,为提高系统的信噪比和小雨滴检测能力,基于微弱信号检测原理,优化前端模拟电路设计,采用数字锁相放大(DLIA)技术,构建了以OMAP3530的DSP Core为核心的数字锁相放大器.系统结构简单、易于实现,可以避免模拟器件的零漂、非线性等问题.仿真结果表明:这种数字锁相放大器能实现微弱信号的恒定放大,抑制了对带外噪声的放大,提高了信噪比(SNR),能有效提高激光雨滴谱仪的小雨滴检测能力.     

北京山区和平原地区夏季雨滴谱特征分析

山区和平原地区降水的雨滴谱特征由于下垫面等因素的影响有时存在较大的差别,分析两者的差异有助于深入理解降雨的微物理特征以及对提高不同下垫面雷达定量估测降水的准确性起到重要作用。利用2017—2018年北京地区夏季雨滴谱站和自动站资料,选取延庆站和大兴站分别代表北京山区和平原地区,通过降水分类方法研究了两站不同降水类型雨滴谱分布的特征。研究结果表明,北京地区夏季雨强(R≤5 mm·h~(-1)的降水频次较多(山区和平原站均为86.0%),但对整体雨量贡献较小(山区站为33.0%,平原站为29.0%);而R5 mm·h~(-1)的降水频次较少,却对整体雨量贡献较大。较为深入的研究表明,对流云降水比层状云降水具有更大的质量平均直径(D_m)、标准化参数lgNw和分布谱宽。两站相比,延庆站(山区站)不同降水类型的D_m (lgN_w)均大于(小于)大兴站(平原站),表明北京山区滴谱粒径偏大、数浓度偏低。与国外经典对流滴谱相比,山区(平原)更倾向于大陆性(海洋性)对流滴谱。对D_m-R关系、lgN_w-R关系、μ(谱型)-Λ(斜率)关系和Z-R关系的分析表明,这些关系都符合经典研究结论,但是拟合的参数与其他地区具有一定的差别,体现出北京地区不同下垫面与其他研究结果的差别。延庆站和大兴站的Z-R拟合关系分别为Z=764R~(1.20)和Z=386R~(1.32),其中大兴站的Z-R关系与代表夏季对流云降水的Z=300R~(1.40)较为一致,而延庆站的则与其存在一定差别,体现出北京山区和平原降水的差异。     

深圳地区Parsivel雨滴谱仪与SL3-1雨量筒对比分析

为深入研究Parsivel激光雨滴谱仪在深圳暴雨多发天气条件下的适应性情况,选取了2015—2016年共2年的降水过程为研究对象,将降水过程按小时最大雨量分为5类:0~10、10~20、20~30、30~40、40~60 mm。分别利用激光雨滴谱仪和SL3-1雨量筒测得的分钟雨量进行一致性对比分析,结果表明:在不同降水量级中,激光雨滴谱仪和雨量筒都有比较好的一致性关系。当分钟雨量较大时(2 mm),激光雨滴谱仪测得的结果会出现偏大或者偏小的情况,这主要是由于测量原理产生的误差。以上结果表明激光雨滴谱仪是能够适应深圳市暴雨频发的天气条件的。     

基于雨滴谱的增雨作业微物理特征分析

针对2018年3月16-17日四川盆地西北部一次典型层状云降水天气过程,利用云模式、卫星、雷达、探空等资料,分析了人工增雨作业条件和物理响应.同时,基于雨滴谱观测数据开展了人工增雨作业微物理特征分析,重点研究了粒径速度谱分布特征.结果 表明:人工增雨作业后,不同粒径、不同粒速的粒子数变化明显,大滴粒子显著增多,雨滴谱变...     

上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

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。     

激光雨滴谱仪与自动气象站观测雨量对比分析

介绍了LNM激光雨滴谱仪的构成及原理,对由激光雨滴谱仪和自动气象站同步观测所获取的雨量资料进行对比分析,并结合新一代多普勒雷达基数据提供的反射率因子与雨量作对比分析。结果表明,两种仪器探测到的雨强随时间变化趋势较为一致,但变化幅度差异大,激光雨滴谱仪探测到的雨强最大值远大于自动气象站测得的最大值且出现时间要提早些;两种仪器观测到的雨量资料与观测点处雷达反射率因子的对比表明,激光雨滴谱仪探测到的雨量与雷达反射率因子有更好的一致性。     

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...     

激光雨滴谱仪在山东的布设和初步应用

在介绍了激光雨滴谱仪的工作原理、主要技术指标、用途及仪器存在的优缺点等内容基础上,着重介绍了该仪器在山东的总体布设情况和实际应用的主要技术思路。归纳了山东利用获取的激光雨滴谱仪资料开展的一些研究工作和取得的初步成果。根据业务和科研的需求,初步提出了有关激光雨滴谱仪资料需要深入应用和研究的方向。     

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)。     

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。