半高原气候下对流与层状降水的雨滴谱和雨滴下落速度外文翻译资料

 2022-11-29 15:40:57

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第49卷

应用气象学与气候学期刊

JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGY AND CLIMATOLOGY

半高原气候下对流与层状降水的雨滴谱和雨滴下落速度

Shengjie Niu and Xingcan Jia

Key Laboratory of Meteorological Disaster (KLME)， Ministry of Education， School of Atmospheric Physics，
Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing， China

Jianren Sang

Ningxia Institute of Meteorological Science， Yinchuan， China

Xiaoli Liu and Chunsong Lu

Key Laboratory of Meteorological Disaster (KLME)， Ministry of Education， School of Atmospheric Physics，
Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing， China

Yangang Liu

Brookhaven National Laboratory， Upton， New York
(Manuscript received 3 March 2009， in final form 11 November 2009)

摘要

2007年7月至8月在位于中国宁夏固安的一个半干旱点（36oN，106oE）进行采样，使用激光降水粒子谱仪（PARSIVEL）得到雨滴谱和下落速度。对比层状和对流性降水的雨滴谱表明：对流性降雨率的提高是由于数浓度和雨滴直径的增加引起的，而层状性降雨率的提高是由于数浓度大的雨滴数目的增加造成的。层状降水和对流性降水之间的另一个明显区别是，来自层状（对流性）的雨滴谱的谱宽倾向于随着降雨率的增加而变窄（变宽）。统计分析表明，两种降雨类型的雨滴谱可以通过gamma;分布来拟合。对雨滴下落速度的研究表明，空气密度的差异导致下落速度发生变化，有组织的空气运动（上升气流和下沉气流），湍流，雨滴破裂和凝聚可能造成雨滴下落速度变大。小（大）雨滴有较快（较慢）下落末速度，小雨滴的下落速度的正偏差远大于大雨滴下落末速度的负偏差。

1 介绍

作为水循环的关键组成部分，降水对于了解地球气候和预测由人类活动如：温室气体和气溶胶颗粒排放到大气中（Chahine,1992; Entekhabi et al,1999）导致的气候变化是至关重要的。降水过程需要在全球气候模型中进行参数化。在过去几十年中，我们在全球卫星遥感降水（Tokay and Short,1996）和全球气候模式中降水过程参数化（Rotstayn,1997）的两个领域都取得了巨大进展，但是降水测量和参数化仍然有很大的不确定性，还有许多工作需要我们去做。

作为降水最基本的微物理属性，了解雨滴谱（Rain Distribution Spectrum）对进一步提高遥感和降水过程参数化是至关重要的。雨滴谱的准确了解在电信通讯行业，气溶胶颗粒的沉淀清除，土壤侵蚀和理解物理沉淀中也很重要（Uijlenhoet et al,2003;Uijlenhoet and Torres,2006）。遥感技术的近期发展允许雨滴谱物理参数的长期检索（Bringi et al,2003; Kirankumar et al,2008）。这些进展增强了我们监测降水的能力，并提供了强大的工具来研究降水微物理学。研究表明，雨滴谱在空间和时间上都不同，不仅在气候条件下，而且不同时间不同地点下也不同（Nzeukou et al,2004）。雨滴谱宽的多变性是遥感在降雨评估上不准确的原因，由于当前遥感技术的敏感性和准确性有限，对于直径小于1.5mm的液滴尤其不准确（Williams et al,2000）。我们对雨滴谱的变化，特别是不同降水类型下的雨滴谱变化不够了解，所以需要在各种气候条件下进行更多分析。

雨滴下落速度也是一个重要的物理量，与雨滴谱的测量和各种积分值（例如降雨率）密切相关。使用在静态空气中测量的下落末速度（Gunn and Kinzer,1949）与雨滴直径一一对应关系来进行与雨有关的研究，例如数值模拟和遥感（Pruppacher and Klett,1998;Cotton and Anthes,1989）。雨滴下落速度除了受雨滴直径的影响外，还受到许多其它因素的影响，例如，降雨通常与云内和云下的各种空气运动（例如，上升气流和下沉气流）有关（Battan,1964）;在上升气流和下沉气流中相同直径的雨滴具有不同的下落速度。最近的研究表明，湍流（Pinsky and Khain,1996）和雨滴破碎/碰并（Montero-Martinez et al,2009）也对雨滴下落速度产生重大影响。空气运动和其他因素对雨滴下落速度的复杂影响有待探究。

因为观测站点缺乏，西部半干旱高原的降水问题尤其突出。为了克服这些缺陷，在中国宁夏固安（36oN，106oE）进行了半干旱高原气候降雨的采样，使用PARSIVEL激光降水粒子谱仪同时测量雨滴谱和雨滴下落速度（详见第2b节关于PARSIVEL激光降水粒子谱仪的介绍）。本文研究了收集到的测量数据，从三个方面来展开：1）层状和对流降雨的雨滴谱的谱型特征的对比，以及它们随降雨率的变化;2）描述雨滴谱的表达式;3）雨滴下落速度和影响它的各种因素。本文的其余部分安排如下：第2节描述采样点。第3节呈现雨滴谱的分析。第4节讨论了雨滴下落速度的测量。第5节总结了主要研究结果。

2 实验介绍

a.位置

在固原进行雨滴采样（见图1）。该点位于黄河上游黄土高原丘陵区;并处于半干旱温带大陆性气候区，年平均气温为4.4o-7.1oC，累积降雨量478 mm，蒸发量为1100-2000 mm。

b.PARSIVEL激光降水粒子谱仪和数据 使用由OTT Messtechnik，德国制造的PARSIVEL 激光降水粒子谱仪测量雨滴谱。Loffler-Mang and Joss（2000）提供了该仪器的详细描述。简而言之，PARSIVEL激光降水粒子谱仪是一种基于激光的光学测量仪，可以同时测量沉淀颗粒的直径和下落速度。仪器的核心元件是发射一束水平光线（长180mm，宽30mm，高1mm）的光学传感器。透过平行光的颗粒由于消光而引起信号减少，信号偏差的幅度是颗粒直径的量度，并且信号的持续时间是颗粒下落速度的估计。仪器可检测直径在0.2和25mm之间，下落速度在和之间的颗粒。根据粒子尺寸和粒子速度的不同，将其分类为32个不同粒子尺寸大小，32个不同粒子速度，按照分类将其装入不同宽度的箱内。

将仪器放置在地面上约1.8米处。 在采样前进行校准和日常维护。测量时间为从2007年7月17日至8月26日，包含了雨季（从7月初到9月下旬）。每次雨滴谱测量的时间间隔为10s。29次降水中收集了共15895个即时的雨滴谱样品。

图1（左）实验地点和雷达站点的地形分布。 CINRAD站点的高程为2853米。 （右）中国大陆，方块代表域名，如左图所示。

已知PARSIVEL激光降水粒子谱仪存在一些潜在的仪器误差：它不能区分给定直径间隔内的雨滴直径，会造成一些测量误差，特别是对于直径大于10mm的雨滴。由于大雨滴直径的间隔大（ge;2mm），在光片内存在一些边缘坠落物，因此看起来比它同直径的雨滴下落得更快（Yuter et al,2006）。Krajewski et al（2006）提出，雨滴的飞溅和随后的碎裂可能产生较慢的下落速度。此外，由于信号质量差、信号短，可能无法准确测量直径lt;1mm的小雨滴（Loffler-Mang and Joss,2000）。为了减小这些潜在的仪器误差，在选择用于分析的数据时使用以下标准：1）丢弃在两个最小直径间隔段（lt;0.25mm）中的雨滴; 2）使用总雨滴浓度超过10的雨滴谱;3）雨滴谱的最大雨滴直径大于1mm（避免了砂砾的干扰）。使用3sigma;标准，使用速度-直径关系来识别潜在错误的数据。

  1. 雨滴谱

a.层状和对流性降雨中的雨滴谱比较

降水通常被认为分为两种不同的类型：层状和对流。了解这两种降水类型的雨滴谱特征可以应用到许多领域，例如在加热分布计算中（Lang et al,2003），降雨检索算法的开发和大气模型的降水参数化（Tokay and Short,1996;Rotstayn,1997）。一般来说，云内的垂直空气速度在两种类型降水之间有很大的区别，层状（对流）云具有较弱（较强）的垂直运动。Houghton（1968）表明，层状和对流降水之间的微物理差异取决于云内垂直空气运动的大小和沉淀的时间。Steiner et al（1995）指出，亮带区域为层状降水，其余部分为对流性降水，但这种方法不够准确。他们进一步提出了一种方法，使用雷达反射率的强度和峰值识别对流类型。根据这些先前的研究和我们可获得的数据，在本文中，基于亮带标准，Steiner et al（1995）提出的方法对降雨类型分类的方法：有雷达反射率的明亮带的降雨是层状降水。考虑到明亮带只能在清晰的降水中识别，有可能会忽略一些层结效应。Steiner et al（1995）提出的雷达反射率来识别不同云系降水的方法：基于对流中心和峰值的概念识别对流类型。反射率大于30dBZ的区域为对流中心。30dBZ作为对流中心阈值反射率，在半干旱大陆性气候区域较低（Zhang and Du,2000）。使用峰值标准来补充对流中心，如果相应的反射率超过在背景（以网格点为中心的11公里半径圆）上平均的平均强度：，0dBZle;Zbgle;4243dBZ;，Zbg＜0dBZ，Zbg是背景反射率。非零反射率的其余点认为是层状区域。如果降雨期间的80％的点是对流点，则该次降雨为对流类型。对流降雨主要伴随着雷，鬃积雨云和积云。此外，由于局部热不稳定性，到下午的时候发生降雨。图2对比了雷达反射率因子（dBZ）的平面位置指示器（PPI）的两个图像：（i）北京时间2007年7月19日20时19分。使用固原附近的天气雷达（CINRAD/CD）获得雷达反射率数据。 CINRAD/CD是一个5厘米波长，体积扫描的多普勒雷达，半功率波束宽度和0.3公里水平分辨率。每次扫描需要6分钟完成。

统计到实验期间共11次层状降雨和18次对流降雨（表1）。图3比较了整个实验期间采样的每个瞬时雨滴谱。层状降水的雨滴直径比对流性降水的雨滴直径要小。层状和对流降雨的平均直径分别为0.52mm和0.91mm。2008年在长春（0.72 mm）和伊通（0.74 mm）观察到了层状降水更大的雨滴直径，这两地都属于温带大陆性季风气候。地形效应和高蒸发速率可能是层状降水雨滴直径较小的原因。以前的研究表明，提供足够的冷凝物会产生大量的小雨滴，造成谱宽特别窄的雨滴谱（Rosenfeld and Ulbrich，2003）。此外，对流性降水的雨滴谱比层状性降水的雨滴谱宽，对流和层状降水的最大雨滴直径分别为7.5mm和3.8 mm。

b.雨滴谱随降雨率的变化

为了进一步识别对流和层状降水之间的差异，根据其降雨率(mm·h-1)进一步分为六个或七个级别：Rle;2，2lt;Rle;4，4lt;Rle;6，6 lt;Rle;10，10 lt;Rle;20，20 lt;Rle;40和40lt;R（表2）。图4a和4b分别呈现了层状和对流降雨在不同降雨率的平均雨滴谱。对于对流性降雨，当降雨率增加时，它们的最大雨滴直径和直径对应的数量浓度增加，这表明对流性降雨率的增加源于雨滴数浓度和雨滴直径共同增加。层状降水雨滴谱的变化与对流性降水显著不同。仅当Dgt;1.3 mm时，层状降雨中的数量集中度随着降雨率的增加而增加;对于D lt;1 mm的小滴，浓度随着降雨率（Rgt;10mm·h-1）的增加而显著降低。这些结果表明，层状降水降雨率的增加主要是由于Dgt; 1.3mm的雨滴浓度增加。

图2雷达反射系数（dBZ）的PPI显示：（a）2019BJT 2007年7月19日的层状横断面情况;（b）2007年8月12日在固原观察到的对流

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