基于高山观测的两次天气过程云微物理特征分析

论文总字数：14946字

目 录

1 引言 - 1 -

2 资料和方法 - 2 -

2.1 观测地点 - 2 -

2.2 仪器介绍 - 2 -

2.2.1 FM-100 型雾滴谱仪 - 2 -

2.2.2 Particle激光降水粒子谱仪 - 3 -

2.3 基本特征量计算方法 - 4 -

3 天气形势及云系分析 - 5 -

3.1 2011年8月13日 - 5 -

3.2 2011年8月24日 - 9 -

4 雾滴谱和雨滴谱 - 14 -

4.1 雾滴谱 - 14 -

4.2 雨滴谱 - 22 -

5 结论 - 26 -

参考文献 - 26 -

致谢 - 28 -

基于高山观测的两次天气过程中云微物理特征分析

赵鹏程

，China

Abstract：The cloud microphysical characteristics including number concentration, rainfall intensity, average diameter, water content and spectral distribution were analyzed using the data of droplet spectrum and raindrops spectrum in Bright top of Mount Huangshan on August 13, 2011 and August 24. The numerical value of each quantity and time synchronization between the different variables were discussed. The main results were as following: With time changing, the relationship with average droplet diameter and droplet moisture was best, the peak of the average droplet diameter corresponds to the peak water droplet, and the droplet concentration has a certain relationship with the two, but sometimes was not very obvious. The relationship between rainfall intensity and rain water content was good, with the peak value of raindrop content corresponding to the peak value of rain water content.

Key words：Weather; Raindrop spectrum; Droplet spectrum; Mount Huangshan

1 引言

数值天气预报是实现精细化预报的有效途径，而目前由于人们对物理过程的定量认识水平有限，所以数值模式中对物理过程的数学描述还具有不确定性，这严重影响了数值天气预报的准确性，并成为实现精细化天气预报的瓶颈之一。云微物理过程是一种重要的物理过程，尤其对降水的精细化预报，对云微物理特征的定量描述显得很重要。因此，云微物理特征研究有助于提高数值模式中对云微物理过程的定量描述，进而可以为提高降水精细化预报水平提供基础。

云微物理特征包括云中水凝物的相态、形状、尺度、数浓度及谱密度等。观测是其主要研究方法，包括卫星雷达遥感、飞机或地面直接观测。被动式卫星遥感主要提供云顶信息，Kerkmann et al.发展了一种能够形象地显示高层云顶粒子尺度特征的“对流风暴RGB”，它能够很好地区分出由小粒子构成的冰云顶和没被冰云覆盖的区域^[1] 。Mária Putsay等用该技术在中尺度对流系统的卷云砧中识别存在大量小冰相粒子的区域，认为这也许是强上升气流造成的^[2]。为了获得云内信息，Rosenfeld等和Lensky等提出了一种基于各态历经假定的云内微物理特征卫星遥感方法^[3、4]。Rosenfeld等又提炼出凝结增长、碰并增长、雨胚形成、混合相增长、冰化增长5个过程带的T-R_e关系概念模型^[5]。利用该方法及概念模型，戴进等分析了强对流云中的云微物理过程层次^[6、7]，徐小红等进行了关于强对流预警的尝试。目前卫星遥感云微物理特征主要是反演云顶和云内水凝物的相态和尺度^[8]，其中对云内信息，当区域内的云处于发展阶段时所得反演结果才比较可信。卫星遥感方法目前还无法获得水凝物粒子数浓度及谱密度信息。至于雷达遥感，主要获得的是雷达反射率因子。人们也在尝试雷达反演水凝物的形状等微观信息，例如，何宇翔等尝试使用X 波段双线极化雷达系统探测资料，利用模糊逻辑方法对水凝物粒子进行了分类^[9]。目前人们也在利用主动式卫星资料反演各高度的云滴有效半径。云微物理特征的遥感虽然具有覆盖面广，观测不受自然条件限制的优点，但目前的误差还是很大，对其可信度的判定还需要飞机或地面直接观测结果。

国内外已经进行了大量飞机观测云微物理特征的研究。国内的飞机观测主要是利用机载粒子探测系统PMS(Particle Measurement System)对层状云微物理特征进行观测^[10-15]，例如，牛生杰等、樊曙先、黄梦宇等、张佃国等、范烨等、张佃国等。即便是针对对流云带的观测，由于安全问题，飞机很难进入主上升或下沉区进行观测，主要也是在层状云区域进行^[16]。由于地面雨滴谱能在一定程度上反映云中降水特征，而不受天气、地理等条件限制，资料获取比较容易，因而常用地面雨滴谱连续观测资料分析降水特征和形成机制。早期利用滤纸色斑法观测到一些雨滴谱特征^[17、18]，后来也有利用GBPP-100地面光振雨滴谱仪对雨滴谱分布函数及谱参数的研究^[19、20]，我国也有学者进行过声雨滴谱仪测雨研究^[21]，近年来被广泛使用的是激光雨滴谱仪。利用这些方法和仪器人们在地面获取了大量雨滴谱样本，研究了雨滴数浓度、尺度以及雨滴谱分布函数。但是飞机观测也有着其本身的局限性，比如说受天气影响十分严重，受航空管制的影响而无法按计划飞行观测。此外飞机观测的花费也相当昂贵。如果进行地面观测，得到的雨滴谱受云下蒸发的影响，毕竟不同于空中雨滴谱，而在模式中更需要云中雨滴谱等微观特征。光明顶是黄山的主峰之一，海拔1840米，这里云雾出现的频率远远高于平地，是非常理想的自然云雾实验室。

本文将选取2011年8月13日和2011年8月24日两天的黄山光明顶云降水个例，利用雾滴谱和雨滴谱在黄山光明顶所测得的数据进行分析，分析数浓度、雨强、平均直径、含水量、谱分布在内的云微物理特征量。

2 资料和方法

本文主要利用2011年夏季黄山观测试验资料进行分析。主要分析雾滴谱和雨滴谱观测资料。

2.1 观测地点

观测地点为黄山光明顶，黄山为于安徽省黄山市黄山区，光明顶是黄山的主峰之一。光明顶位于北纬30°，东经118°，海拔1 840 m。光明顶东部为长三角江浙沪地区，西北部为九华山山脉和长江，南部为武夷山，西南为潘阳湖，图1为黄山光明顶地形图。黄山为亚热带季风气候，夏无酷暑，冬少严寒，四季的温度差仅为20℃左右。夏季最高气温27℃，冬季最低气温-22℃，年平均气温7.8℃，夏季平均温度为25℃，冬季平均温度在0℃以上。年平均降雨频次为183d，并且降水多集中在4-6月，山顶全年累积降水量为2395mm，并且西南风、西北风频率最大。

图1 黄山位置地形图

2.2 仪器介绍

2.2.1 FM-100 型雾滴谱仪

该仪器由美国DMT公司生产，是一台全天候的仪器，常用来研究雾的成因。它能够连续测量直径位于2～50 μm的雾滴尺度和浓度，并由此来得出雾滴谱数浓度。该雾滴谱仪是根据粒子前向散射光来确定粒子的大小，并通过测量气流速度来计算粒子数浓度。从而实现测量。激光发射器功率为50 mW，激光波长680 nm。进入激光照射范围的粒子对激光来进行散射，前端的接收器可以探测散射角介于5°～14°的粒子前向散射光，并将光信号转化为电信号输出，供数据系统处理。此接收器包含三个部分：光具座、电子信号处理器和真空盒。其中，光具座用来收集通过光束的单个粒子的前向散射光；电子信号处理器把光脉冲转换为电压差，通过信号放大、信号滤波和模/数转换，把数字信号传输出去；其中真空盒通过静压力、压差和环境温度控制空气密度来计算气流速度，从而实现粒子数浓度的测量。雾滴谱仪是由人工设置数据采样频率的，本次测量中采样频率为1 Hz，我们将测量范围内液滴分为20档来记录。表1是FM-100 型雾滴谱仪的基本特征：

表1 雾滴谱仪的基本参数

2.2.2 Particle激光降水粒子谱仪

由德国OTT公司生产的Particle激光降水粒子谱仪所提供的，它是激光测量为基础最为普及的的光学粒子测量传感器，主要由平行激光束发射器、光电管阵列接收传感器和控制端、运算储存等模块组成。水滴落入观测区域时，激光束改变平行状态，光电管阵列接收传感器记录下落雨滴的降落速度和宽度。表1展示了该技术的主要指标，采样区设置为180mm*30mm* lOmm，观测间隔为15s。该仪器分成了32个速度测量通道，32个尺度测量通道用来测量数据。子尺度范围为0.2-25mm，粒子速度范围为0.2-20m/s 。一次采样时间间隔内的粒子谱测量数据都有32x32=1024个，通过ASDO完成对仪器的控制和数据的实时采集及查看。该仪器具有采用有专利的消光测量方法的优点。使用不需要人力维护的激光技术，操作讯速且可连续，并在良好或是恶劣的气候条件和环境下都很可靠，能够识别一切的降水类型，甚至是融化层的混合降水。该仪器分析复杂的降水过程中使用了两维的粒径和速度分布，为防止水滴溅落在传感器头上引起副光谱该仪器还采用了专用的测量头，而且变送器和接收器的设计也非常完美，捕捉降水也变得比较容易。

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