利用激光雨滴谱仪对一次雨转雪过程分析
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作者: 张治 刘青 李崇 班伟龙 崔景琳 张帅
摘要 不同相态降水粒子的地面雨滴谱具有不同特征。本文利用HSC-PS32激光雨滴谱仪和人工加密观测资料对2014年11月30日发生在沈阳的一次雨转雪天气过程进行了初步的分析，研究了降水相态转换时，其雨滴谱特征的演变。结果表明：受蒙古气旋影响，该过程经历了不同的降水相态，包括雨、雨夹雪和雪。这3种降水相态对应着不同的滴谱特征。具体表现为降雨阶段，粒径小、谱宽较小；雨夹雪阶段，谱宽增大；而降雪阶段，粒子直径大、维持较宽谱宽。不同降水相态的平均雨滴谱相对较近，经历了单峰到波动的演化过程。从波峰对应的粒子直径的角度来看，雨小于雨夹雪，雨夹雪小于雪。降雨阶段粒子数浓度最大，降雪阶段粒子谱宽最大。
关键词 降水相态；激光雨滴谱仪；地面雨滴谱
中图分类号 P458 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）04-0219-03
雨滴谱是指在单位体积内雨滴大小的分布[1]。雨滴谱对降水过程科学研究，天气雷达地面降水校准，人工增雨、防雹作业检验等方面都具有重要意义[2-5]。雨滴谱观测方式方法和观测仪器在不断变化发展。传统观测方法有动力学方法、斑迹法、面粉球法、照相法和浸润法；观测仪器有冲击型雨滴谱仪、光学雨滴谱仪、声学雨滴谱仪[2-3]，这为雨滴谱的研究提供了更加多样化的方式。本文利用HSC-PS32激光雨滴谱仪对沈阳一次雨转雪天气过程进行了诊断分析，配合人工加密观测资料，研究了降水相态转换时其雨滴谱特征的演变。
1 观测仪器
HSC-PS32激光雨滴谱仪采用Parsivel2雨滴谱传感器。雨滴谱传感器由一对带状激光发射和接收传感器组成，激光发射装置可以产生一束水平激光，接收传感器可以将光信号转换成电子信号。在测量区域，当粒子穿过光束时，信号会改变。明暗程度，反映了空气中粒子大小，根据信号的持续时间计算出粒子下降速率。Parsivel2采用现代激光技术的光学遥测系统，测量的基本参数为粒径和速度，对通过激光带的粒子进行分级和统计。其粒子的直径从0.2 mm到25 mm分成32个通道，粒子速度从0.2 m/s到20 m/s分成32个通道，因此总的类别就是1 024种[5]（表1）。由此推导出粒径分布、降水量、能见度、降水动能和降水类型等。
2 天气实况
受蒙古气旋影响，2014年11月30日沈阳地区出现一次雨转雪天气过程，沈阳地区降水于8：00开始，20：00结束，过程降水量5.4 mm，降水主要集中在沈阳市区（图1）。
冷空气南下，由北至南逐渐转雪。沈阳市区共有3个国家站，由北向南分别为沈北新区（站号54248）、浑南（站号54342）、苏家屯（站号54340）。根据人工加密观测资料发现，转雪时间分别为12：27、13：10、13：26。证明此次过程是自北向南发生相态转换，由雨逐渐转为雪。
从小时降水量可以看出，雨雪相态发生转换时（12：00―13：00），小时降水量最大。其中浑南小时降水量最大达1.6 mm，降水强度较小（表2）。
3 资料选取
目前，沈阳城区有5台HSC-PS32激光雨滴谱仪。根据配备有激光雨滴谱仪的站点的位置分布，选取离浑南（54342）观测站最近的南昌中学站点进行重点分析。南昌中学站点（123.37°E，41.54°N）位于浑南站点（123.31°E，41.44°N）的西北部，直线距离12.2 km；位于沈北新区站点（123.32°E，42.02°N）的南部，直线距离53.6 km。南昌中学站点位于浑南（54342）观测站和沈北新区（54248）观测站点中间，偏近浑南观测站。由于此次过程由北向南发生相态转换，因此南昌中学发生相态转换的时间范围，在12：27―13：10之间。HSC-PS32激光雨滴谱仪每分钟采样1次，选取最短采样周期1 min。采样初始时间为8：00，结束时间为20：00。激光雨滴谱仪探测过程降水量为4.79 mm，接近国家站降水量。每分钟粒子个数随时间变化出现3个波峰（图2），最大每分钟粒子个数出现在17：43，为1081。降水强度随时间变化形状与粒子个数相近，为3个波峰，最大降水强度出现在13：47，为16.5 mm/h。但二者波峰出现时间不同，因粒子直径、数密度不同，因此对降水强度贡献不同[6]。南昌中学站降水过程可分为3段，根据之前推论可判断中间段11：17―14：02应出现降水相态转换，故下面主要针对该时段降水进行研究。
4 结果分析
根据HSC-PS32激光雨滴谱仪数据库中每分钟天气现象，可判断11：17―12：37为雨，12：38―13：08为雨夹雪，13：09―14：02为雪（图3）。其中将冻雨天气现象算作雨夹雪，并将较为分散的12：25、13：15、13：27的3个时次雨夹雪天气现象分别算作雨、雪、雪。占每分钟粒子总数最多的直径通道主要有3～8通道，其他通道粒子数较少，甚至部分直径通道（1、2、26、27、28、29、30、31、32）粒子数为0。可以发现在降雨阶段，粒子数总量与降水强度相对应，4直径通道级别粒子数明显高于其他级别粒子数；在雨夹雪阶段，占每分钟粒子总数最多的通道明显发生转换，由4直径通道逐渐转为6、5直径通道，临近降雪阶段又转为4直径通道，降水粒子直径先增大再减小。13：09―14：02降水相态主要为雪，总体来看5直径级别粒子数高于其他级别粒子数，在降雪趋于结束时，由5直径通道逐渐转为6、7、8直径通道，粒子直径增大。11：17―14：02降水阶段中4直径通道粒子相态主要以水为主，5、6、7、8直径通道粒子相态主要以雪为主。
11：17―14：02降水阶段粒子平均直径（D），随着降水相态转变，趋于平稳增大，在降雨阶段区间范围为0.53～0.85 mm；雨夹雪阶段区间范围与降水阶段接近为0.57～0.89 mm；降雪阶段区间范围为0.70～1.67 mm；总区间范围为0.53～1.67 mm。粒子最大直径（Dmax）先波动性增大，至13：42达到波峰9.50 mm开始波动性减小，降雨阶段波动较小，区间范围为1.06～2.75 mm；雨夹雪阶段波动开始增大，区间范围为1.63～3.75 mm；降雪阶段先波动性增大再波动性减小，波动性减小与降雪趋于结束有关；总区间范围为1.06～9.50 mm。谱宽变化趋势与Dmax基本一致。粒子最小直径（Dmin）趋于平稳，区间范围0.31～0.44 mm（图4）。 根据何雪松等[7]粒子数浓度计算公式计算出粒子数浓度，计算公式如下：
式中，N（D）为粒子数浓度，n（D）为各通道实测的粒子数，△D为该通道所占有的尺度宽度，v（D）为该通道对应的粒子速率，S为采样面积，T为采样时间。
将不同降水相态平均雨滴谱（图5）进行比较，从不同降水相态平均雨滴谱型较为接近，均经历了单峰到波动的演变过程。从波峰对应的粒子直径来看，雪大于雨夹雪，雨夹雪大于雨。降雪阶段粒子谱宽最大，降雨阶段粒子数浓度最大。
5 结论
本文利用HSC-PS32激光雨滴谱仪对沈阳一次雨转雪天气过程进行了诊断分析，配合人工加密观测资料，研究了降水相态转换时，其雨滴谱特征的演变，得到如下几个方面的结论：
（1）这次过程经历了不同的降水相态，包括雨、雨夹雪和雪。这3种降水相态对应着不同的雨滴谱特征。具体表现为：降雨阶段，粒径小，谱宽较小；雨夹雪阶段，谱宽增大；而降雪阶段，粒子直径大，维持较宽谱宽。
（2）4和5直径级别粒子数对此次过程降水相态具有的指示意义。4直径级别粒子数主要对应降水相态为雨，5直径级别粒子数主要对应降水相态为雪。
（3）不同降水相态平均雨滴谱型较为接近，均经历了单峰到波动的演变过程。从波峰对应的粒子直径的角度来看，雨小于雨夹雪，雨夹雪小于雪。降雨阶段粒子数浓度最大，降雪阶段粒子谱宽最大。
本文得出的雨、雨夹雪和雪的滴谱特征，与李德俊等[8]、Yuter等[9]的研究结论基本一致，即不同降水相态降水粒子的滴谱特征具有不同的变化特征，这些特征可以用来区分不同的降水类型[10]。
6 参考文献
[1] 濮江平，张伟，姜爱军，等.利用激光降水粒子谱仪研究雨滴谱分布特性[J].气象科学，2010，30（5）：701-707.
[2] 余东升，徐青山，徐赤东，等.雨滴谱测量技术研究进展[J].大气与环境光学学报，2011，6（6）：403-408.
[3] 朱亚乔，刘元波.地面雨滴谱观测技术及特征研究进展[J].地球科学进展，2013，28（6）：685-694.
[4] 周黎明.地面雨滴谱观测与分析研究进展[J].山东气象，2014（3）：1-5.
[5] 濮江平，赵国强，蔡定军，等.Parsivel激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用[J].气象与环境科学，2007，30（2）：3-8.
[6] 宫福久，刘吉成，李子华.三类降水云雨滴谱特征研究[J].大气科学，1997，21（5）：607-614.
[7] 何雪松，王瑞田，濮江.Parsivel雨滴谱仪数据处理方法及其应用[C]//2009第五届苏皖两省大气探测、环境遥感与电子技术学术研讨会专辑，2009：214-216.
[8] 李德俊，熊守权，柳草，等.武汉一次短时暴雪过程的地面雨滴谱特征分析[J].暴雨灾害，2013，32（2）：188-192.
[9] YUTER S E，KINGSMILL D E，NANCE L B，et al.Observations of precipitation size and fall speed characteristics within coexisting rain and wet snow[J].J Appl Meteor，2006，45（10）：1450-1464.
[10] 邵本军，刘丽敏.一次雨转雪天气成因分析[J].黑龙江气象，2011（1）：15.
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