Experimental study of extreme shear stress for shallow flow under simulated rainfall

The raindrop impact and overland flow are two major factors causing soil detachment and particle transportation. In this study, the turbulent characteristics of the shallow rain‐impacted water flow were investigated using a 2‐D fibre‐optic laser Doppler velocimetry (FLDV) and an artificial rainfall simulator. The fluctuating turbulent shear stress was computed using digital data processing techniques. The experimental data showed that the Reynolds shear stress follows a probability distribution with heavy tails. The tail probability increases with an increase of rainfall intensity or raindrop diameter, and it decreases with an increase of Reynolds number. A modified empirical equation was derived using both the raindrop diameter and rainfall intensity as independent variables to provide a better prediction of the Darcy‐Weisbach friction coefficient f under rainfall conditions. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

雨滴谱的变化对降水估计的影响

针对雨滴谱的变化对降水估计的影响,提出根据激光雨滴谱仪上方雷达回波的结构特征将降水过程划分为对流云降水和层状云降水交替分布5个部分,通过基于2种降水类型的第1种分类Z-R关系、基于5个部分的第Ⅱ种分类Z-R关系和基于整个降水过程的总体Z-R关系分析雨滴谱的变化对降水估计的影响.结果表明:当对流云降水向层状云降水过渡时,指数谱从无到有、多峰谱比例减小,Nw减小、μ增大、Dm变化不大;Mw与R变化相似,当Z增大时μ和Dm分别是递减和递增的;Z-R关系(Z=aRb)中a值变化范围较大、系数b在1～2波动且与层状云阶段相比,对流云阶段的a和b值较小;利用第Ⅱ种分类Z-R关系反演的雨强与基于雨滴谱仪观测数据计算的雨强最接近;雨滴谱仪在层状云阶段的反演效果明显强于对流云阶段,这与对流云降水中雨滴谱信息变化大且快等因素有关.     

黄山不同高度雨滴谱的演变特征

选取2011年6月黄山地区一次降水过程,利用测得的雨滴谱资料对不同高度上降水微物理量及雨滴谱分布特征进行分析,并讨论其中的差异。结果表明:此次降水较强,各直径微物理量在山腰最大、山底次之、山顶最小;山腰的雨强最大,而山顶数浓度最大。在雨滴谱分布中,小于1mm的雨滴数密度是山顶大于山腰大于山底,这与小雨滴的蒸发和碰并有关;大于1.5 mm的雨滴数密度则是山腰大于山顶和山底,这可能与地形抬升使得云系加强有关。由各微物理量的时间序列可将降水过程分为两个阶段,第一阶段各微物理量值明显大于第二阶段,其中第一阶段的降水量约为第二阶段的3倍。雨强与雷达反射率、数浓度、最大直径近似成幂函数关系,其中雨强与雷达反射率相关性最好。     

伊犁河谷汛期一场短时强降水雨滴谱特征分析

利用常规地面、高空资料、新一代天气雷达资料、雨滴谱资料,对2012年8月3日发生在伊犁河谷的一次较大范围暴雨的天气背景、雷达回波特征和降雨微物理特征等进行深入分析。结果表明,200hPa西西伯利亚西风槽、500hPa中亚低涡和地面冷锋是这次强降雨过程的主要影响系统。河谷喇叭口地形对气流的机械挤压、东高西低地形对对流的触发、地形强迫抬升对对流和降水的增强具有重要影响。这场降水过程属于积层混合云降水,其中大面积的层状云中嵌有多个对流云团,这些云团连接在一起就构成了对流性雨带,通过对暴雨雨滴谱演变分析得出,这次暴雨主要降水由对流性云团造成,对流云团微物理结构存在明显的不均匀性,其中存在多个强降水中心,其水平尺度多维持在10km左右,持续时间维持在5分钟到10分钟之内,降水集中且雨滴数浓度较高,一般在1000m-1个以上,雨滴谱宽及分布差异很大,小于1mm粒子数浓度很高,对雨强的贡献占两成以上。     

利用毫米波测云雷达反演层状云中过冷水

毫米波测云雷达已成为研究云内微物理参数的有效工具,利用其从混合相云中识别出过冷水,对人工影响天气及预防飞机积冰具有重要意义,对我国毫米波雷达的数据处理也具有借鉴作用。本文利用英国的35 GHz、94 GHz测云雷达,结合激光雷达和探空资料,采用阈值法,反演分析了层状云中的过冷水。结果表明:(1)毫米波雷达联合激光雷达可以识别层状云中的过冷水,其结果与微波辐射计测量的液态水路径或毫米波雷达的双峰谱相符合;(2)利用多普勒速度的双峰谱可以反演混合相云中的过冷水含量、冰晶含水量。混合相云的雷达反射率因子主要取决于冰晶,根据雷达反射率因子反演会低估云内液态水含量;(3)本次层状云降水的亮带以上含有较多过冷水,此处35 GHz的雷达回波强度随冰晶的增大而减弱,且冰晶的含水量主导了总液态水含量。     

河北春季一次飞机人工增雪的综合分析

2013年4月19日,河北省人工影响天气办公室在河北中南部地区根据云系特点首次采用多层次水平催化和垂直验证的方式对层状云进行人工催化和探测。本文利用机载仪器所取得的飞机探测资料,结合实时天气、卫星、雷达、探空和雨量观测资料,分析了河北春季层状云增雪作业的技术指标,探讨了航测微物理参量和卫星、雷达、探空等资料在作业中的应用。结果表明：云在发展期雷达回波由15 dBZ逐步上升到25-35 dBZ,卫星反演的云顶高度、云顶温度、有效粒子半径、光学厚度等都有增加;云在中后期有效粒子半径、光学厚度、液水路径迅速下降,雷达回波同时减弱。在高度3 177-5 723 m之间过冷云滴达100-700个/cm^3,含水量在0.01 g·m^-3左右,最大0.081 g·m^-3,云粒子主要在此增长,形成降水粒子,该区间适宜催化。作业后,影响区内云体发展,雷达回波增强,出现35 dBZ强回波,且强回波中心扩大;卫星反演的云顶高度、光学厚度等比对比区有明显增加。     

山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

针对山西省2010年5月27日一次层状云降水过程,利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验,分析了云微物理特征,并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示：空中云垂直和水平结构分布不均匀,CDP、CIP探测最大粒子浓度分别为165．20、1．08cm^（-3）。地面雨滴微物理量的平均值说明本次降水是典型的层状云降水,雨强主要由雨滴数密度决定,雨滴微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强,与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数眠、A的相关关系,Z-I、W-I,相关性很好,N-I、N_0-I、λ-I,相关性较差。地面平均雨滴谱较空中平均雨滴谱窄、谱型陡。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布发现,本次降水是冷云和暖云降水共存。     

Variability of Raindrop Size Distribution during a Regional Freezing Rain Event in the Jianghan Plain of Central China

The characteristics of the raindrop size distribution(DSD) during regional freezing rain(FR) events that occur throughout the phase change(from liquid to solid) are poorly understood due to limited observations. We investigate the evolution of microphysical parameters and the key formation mechanisms of regional FR using the DSDs from five disdrometer sites in January 2018 in the Jianghan Plain(JHP) of Central China. FR is identified via the size and velocity distribution measured from a disdrom...     

庐山一次积冰天气过程冻雨滴谱及下落末速度物理特征个例研究

利用PARSIVEL激光雨滴谱仪和自动气象站观测资料及MICAPS数据,对2014年2月7~15日庐山地区积冰天气期间持续时间在5 h以上的2次冻雨过程[2月10日（个例1）和2月13日（个例2）]降水谱分布特征及下落末速度粒径分布进行研究。所观测到的两次个例均是以冻雨为主体的混合相态降水,下落末速度粒径分布偏离G-K曲线,与常规液态降水存在差异,低落速的冻雨滴随降水过程会逐渐向冰粒和干雪转化。结果表明:（1）个例1总降水粒子谱谱宽大于个例2,但峰值数密度比个例2小:个例1谱宽为10 mm,个例2谱宽为4.25 mm,两者峰值粒径均为0.5 mm;个例1降水粒子谱宽为干雪>冻雨>冰粒,个例2降水粒子谱宽为冻雨>干雪>冰粒。（2）Gamma分布更适合描述混合相态降水粒子谱以及冻雨滴谱,个例1中总降水粒子谱Gamma分布为:N（D）=20D-3.61exp（-0.08D）,冻雨Gamma分布:N（D）=76D-2.18exp（-1.11D）;个例2中总降水粒子谱Gamma分布为:N（D）=30D-4.68exp（-0.75D）,冻雨Gamma分布:N（D）=30D-4.67exp（-0.75D）。（3）混合相态降水因混有干雪或冰粒而使得下落末速度粒径谱分布表现出不同程度地向大粒径小落速方向或小粒径大落速方向延展的趋势,这为今后依据下落末速度粒径谱区分同时期降水类型提供了新的思路。     

天津地区一次对流性降水过程雨滴谱特征分析

激光雨滴谱仪是天津人影部门近年新引入的探测设备,它对降水过程的即时监测具有重要意义。本文基于LPM-THIES激光雨滴谱仪探测资料,对天津地区2015年7月19日的对流性降水过程进行了分析。研究显示:雨滴谱仪和翻斗雨量计所获取的逐时降水其变化趋势存在一致性,但雨滴谱仪获得的累积雨量要偏大;降水过程的时空差异性大,不同测站雨强差异明显,4站降水粒子平均直径介于0.40~0.64mm,且2.0mm以下的降水粒子占到了粒子总数的95%以上;降水时段的雨强与雷达反射率的起伏变化十分明显,雨滴数浓度基本上处于103量级;蓟县站3个时次的瞬时谱均呈现单峰型分布,且峰值位于0.5mm附近。