霍朝阳;阮征;魏鸣;葛润生;李丰;阮悦
【摘 要】地面雨滴谱常呈现gamma分布,gamma函数三个参数分布特征与降水云性质有关,采用不同拟合方法得到雨滴谱分布参数亦存在差异.利用2016年6～7月华南前汛期降水观测试验期间广东龙门地面PARSIVEL激光雨滴谱数据和相同地点的C波段调频连续波垂直探测雷达数据进行层状云及对流云分类,对地面雨滴谱数据按照15 min时长进行分组,得到了102组层状云降水样本和64组对流降水样本,开展降水雨滴谱gamma模型函数拟合方法的评估试验.对雨滴谱分布平均值特征曲线的代表性确认后,分别进行了非线性最小二乘法拟合以及多种阶矩法的拟合试验;使用地面实测数据与gamma拟合函数三个参数分别计算雨滴谱数浓度均方根误差、质量加权中值粒径的相对误差和降水强度的相对误差评估拟合结果.结果表明,使用非线性最小二乘法拟合效果最优.联合2016年6月13日调频连续波雷达探测一次降水过程不同阶段的地面雨滴谱特征,得到降水强度与gamma参数的相关关系,为降水云体垂直结构及降水微物理研究提供合理方法. 化学是你化学是我【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2018(018)034
【总页数】10页(P1-10)
【关键词】雨滴谱;gamma分布;激光雨滴谱仪;C-FMCW雷达
【作 者】霍朝阳;阮征;魏鸣;葛润生;李丰;阮悦
【作者单位】南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081;南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081;福建省气象台,福州 350001
【正文语种】中 文
【中图分类】美洲虎攻击机P413.2+1
雨滴谱(rain drop size distribution, DSD)对于研究降水性质至关重要，通过雨滴谱信息可以
清楚地认识降水的微物理机制并精确估测降水。多项研究发现在不同的气候类型、地形条件和降水类型下，雨滴谱显示不同的分布特征[1—5]。
早期对雨滴谱的测量方法主要是滤纸法，由获取的雨滴数、取样面积、取样时间及静止大气下落雨滴的降落速度计算出雨滴谱密度分布[6]。20世纪60年代，研发了撞击型雨滴谱仪，根据雨滴撞击传感器的撞力来测量雨滴大小[7]。仪器实现了测量的自动化，但仍由取样面积、取样时间及静止大气下的雨滴下降末速度来计算雨滴谱，忽略了近地面大气运动对雨滴下降速度的影响，导致测量粒径大小的误差和雨滴谱密度分布的误差[8]。20世纪90年代末，出现了以德国OTT公司的PARSIVEL(particle size and velocity)激光谱仪为代表的新一代激光雨滴谱仪，既能测量下落过程中的粒子直径，同时也能获取粒子下落速度[9]，目前被广泛应用于降水粒子谱的测量以及分析。二维视频雨滴谱仪(two dimensional video disdrometer)由两个相互垂直的方向对降落的雨滴进行水平扫描，可以获得雨滴扁平率，测量方式和数据分档与PARSIVEL类似。
虽然这些仪器实现了连续取样，但是仍然存在取样面积小、测量密度不等距的不足，单次探测的数据代表性有限。Jameson等 [10]在1998年提出雨滴谱密度分布是雨滴碰撞、凝结
和破碎的综合作用结果，短时间内获取的雨滴分布有较大的随机性，使用10～15 min的雨滴数据来获得平均雨滴谱密度分布较为稳定和可靠，并可通过多次取样以降低降水过程的不稳定和降水雨滴谱仪采样面积较小所带来的误差。
由于不同粒径雨滴数量分布不均，地面雨滴数浓度呈现指数变化，不同粒径雨滴数浓度的差别甚至可以达到5～6个量级以上。采用不同的雨滴谱分布拟合分析方法，得到的降水的微物理特性存在差异，因此对雨滴谱分布拟合方法的研究非常必要。对雨滴谱分布的研究开始很早，通常是对降水雨滴谱浓度分布函数化，进而计算其他降水微物理参量。1948年，Marshall等 [11]最早提出了雨滴谱的分布为指数形式，即M-P分布。之后，Ulbrich[12]提出使用三参数的gamma分布更能准确描述实际降水的雨滴谱密度分布。许多研究表明，gamma分布具有普适性，在层状云降水和积雨云、混合型降水中都能较理想的反映雨滴谱的实际分布。通过分析gamma分布三参数之间的关系，可以增加对降水微物理的认识。此外，降水参量的相互关系，对了解不同地区不同降水条件的雨滴谱特征也是十分有意义的。Ulbrich等[13]提出gamma分布的同时，讨论了N0- μ间的关系；Bringi等[14]认为当中值直径D0减小时，斜率参数λ会增大；Zhang等[15]分析了佛罗里达州的降水雨滴谱数据认为μ-λ存在一定的二项式关系。
华南地区是中国雨量充沛的区域，年降水量大，暴雨次数多，雨季汛期长，旱涝灾害频发。每年的4～9月是华南的降水集中期，是中国雨季出现最早的阶段，西太平洋副热带高压、南海夏季风等都是影响华南夏季降水的重要因子。华南降水状况往往对中国雨带的移动的各地雨季发生情况具有影响，对中国夏季旱涝灾害有重要的预测价值。因此华南地区降水的研究不只是单个区域降水规律性的解读，更对气候、云雾降水等方面研究具有重要作用。针对华南地区降水的研究，中国先后实施完成了三个较大规模的观测与研究项目。第一个项目(1977～1982)开展了四次观测试验，第二个项目HUAMEX于1998年5～6月在广东、香港和福建开展观测试验，第三个项目SCHeREX于2008、2009年在华南和江淮开展了野外观测试验，这些项目和其他项目的实施揭示了华南前汛期暴雨的大尺度环流特征和天气尺度系统配置，南方暴雨的研究取得了丰富的成果。2013年起在WWRP支持下，中国气象科学研究院利用发展的多种地基探测系统，将对暴雨的研究深入到降水云体内部，利用高时空分辨率云降水遥感探测资料，研究降水触发机制及演变过程，改进和提升华南雨季强降水定量预报水平。为加强云降水微物理过程认识，2016年起在广东龙门建立云降水微物理研究超级观测站，在每年雨季联合多种地面及垂直探测系统开展连续观测，旨在加强对云降水垂直演变特征的认识。
斯宾塞
英文关键词使用gamma拟合获得雨滴谱密度分布三参数的方法有多种，不同的方法拟合结果往往存在差异，从而影响降水微物理研究的精确性。本文使用2016年夏季位于广东龙门(114.27°E，23.79°N，86 m)的PARSIVEL激光雨滴谱仪和C波段调频连续波雷达(C band frequency modulation continuous wave,C-FMCW)观测资料，分别对层状云和对流云进行了降水雨滴谱gamma分布函数的几种拟合方法——粒子数浓度的对数形式与粒径在半对数坐标中进行非线性最小二乘法拟合、多种阶矩法拟合的分析研究，提出了拟合效果评估方法，给出不同拟合方法的雨滴谱拟合效果评估，联合C-FMCW雷达获得的高时空分辨率的降水云体垂直结构观测数据，给出不同阶段降水过程的gamma拟合参数分布特征，为华南夏季降水的微物理研究提供可靠方法。
1 设备与观测资料
2016年中国气象科学研究院在广东龙门组织了华南前汛期降水观测试验，目的在于获取云和降水云中粒子微物理过程垂直分布和演变特征。龙门位于 114.27 °E，23.79 °N，86 m，是广东北部暴雨中心。利用相同地点的C-FMCW降水云垂直探测数据进行降水云分类，使用6～7月PARSIVEL雨滴谱仪获取地面雨滴谱数据进行拟合方法的比较分析。
1.1 PARSIVEL粒子谱仪
PARSIVEL激光雨滴谱仪由德国OTT公司设计生产，该雨滴谱仪的架设高度距地1.4 m，取样面积54 cm2 (18 cm×3.0 cm)，采样间隔为1 min，可同时测量降水粒子的粒子直径和落速，粒子直径和落速数据以32档量化输出。粒子直径的探测区间为0～25 mm，粒径档宽随着粒子直径的增大从0.125 mm增大至0.125 mm。小于0.2 mm的1、2档由于信噪比低，可信度低，误差较大，测量数据被设置为空，适用于液态降水的粒径测量通道为3～21(0.312～6 mm)。自然界中雨滴的下落速度一般小于15 m·s-1，对应测速通道为3～30(0.25～15.2 m· s-1)。
PARSIVEL激光雨滴谱仪原始数据存在小粒子测速误差、大粒子形变误差和量化误差。使用Battaglia[16]的方法对PARSIVEL激光雨滴谱仪原始数据进行了订正。如图1所示，质控后雨滴直径及测量速度的分布符合Atlas的粒子下落经验公式。
图1 质控处理后雨滴谱粒径及下落速度分布Fig.1 Accumulated correction particle counts by size and fall speed for the entire measurement period
由于不同直径的雨滴下落末速度不同，即在取样时间t内，取样体积为v(Di)St，则测量粒子数浓度N(Di)表示为
(1)
式(1)中：n(Di)为取样面积内通过的直径在Di～Di+ΔD间隔内的雨滴数；v(Di)为粒子下落速度，m·s-1；t为取样时间，s；S为取样面积，m2。
降水强度R可由式(2)得到：
发泄吧
(2)
在认识到雨滴谱密度分布服从正态分布后，Ulbrich和Atlas[13]在假设N(D)服从gamma函数的条件下，提出利用N(D)的矩量来估算gamma分布的三参数，n阶矩量通常定义为
Mn=DnN(D)dD
(3)
式(3)中：M矩的下标n表示阶数，为正整数。当n=0，3，4，6时，其矩M分别与降水粒子数浓度、液态含水量、降水强度、雷达反射率因子有关。
质量加权中值粒径Dm是雨滴谱4阶矩和3阶矩的比值：
(4)
1.2 观测资料
C-FMCW雷达垂直探测高度范围为15 m～15 km，龙门观测使用的探测模式距离分辨率为30 m、垂直廓线获取时间间隔2～3 s。对C-FMCW雷达数据垂直廓线进行了质控处理后，剔除廓线连续5个高度距离库中最大回波强度小于10 dBZ的非降水云廓线，联合地面雨滴谱观测数据，得到2016年6～7月共计有48次降水过程。考虑到雨滴谱仪取样面积的空间代表性较低，为保证数据的稳定性，将连续15 min的雨滴谱数据视为一个分析样本，超过30 min的持续降水过程拆分为多个样本，不足15 min的不参加分析，以此使分析样本具有一定的代表性。不同类型降水云雨滴谱特征差异较大，使用C-FMCW雷达探测数据进行降水云分类，具有零度层亮带结构特征的确定为层状降水云，连续10个距离库、持续时间超过
1 min时空窗区内回波强度Z>35 dBZ确定为对流降水云，最后获得样本时长为15 min的降水雨滴谱样本166组，其中层状云降水样本102组、对流降水样本64组。
2 处理方法rna干扰
2.1 数据代表性
研究考虑雨滴谱分布中不同粒径的数浓度呈现指数变化，对雨滴谱数据分析研究时，采用对数浓度进行对数变换后的半对数坐标进行拟合分析，研究试验的数据处理方法和函数拟合评估是基于半对数坐标进行。
对雨滴谱分布的函数拟合实际上是对谱分布特征曲线进行拟合，15 min降水档位中各粒径区间降水雨滴数浓度变化很大，因此需要对在半对数坐标下采用哪种特征曲线可以更为真实地代表雨滴谱分布进行比较评估。
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