因露致使區(qū)域自動(dòng)氣象站出現(xiàn)降水量的判斷

鄭都華，周宗萬，張周嵩

(湖北省巴東縣氣象局，湖北 巴東 444300)

1 引言

區(qū)域自動(dòng)氣象站是根據(jù)中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)警、大中城市、特殊地區(qū)和專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和環(huán)境預(yù)報(bào)服務(wù)需要，為提高中小尺度天氣監(jiān)測和臨近預(yù)報(bào)的水平和能力，并根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要而建設(shè)的地面自動(dòng)氣象觀測站。

近年來，隨著防災(zāi)減災(zāi)和氣象為農(nóng)服務(wù)的需要，巴東縣已建設(shè)覆蓋全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的50個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站，十二五期間平均布點(diǎn)密度將達(dá)到5 km 左右。這在中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測、預(yù)報(bào)預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)、氣象為農(nóng)服務(wù)、水電服務(wù)、旅游等專業(yè)氣象服務(wù)中都發(fā)揮了重要作用。隨著天氣實(shí)況發(fā)布系統(tǒng)的不斷建立，區(qū)域氣象站的數(shù)據(jù)質(zhì)量成為影響氣象行業(yè)形象的一個(gè)重要窗口，其數(shù)據(jù)質(zhì)量非常重要。為此本文對(duì)無降水現(xiàn)象時(shí)，因露致使區(qū)域氣象站出現(xiàn)降水量進(jìn)行了初步分析，以為數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2 露的定義和時(shí)空分布

露是常見的地面凝結(jié)現(xiàn)象，是近地層空氣受到地面輻射冷卻的影響而降溫到露點(diǎn)以下，所含水汽的過飽和部分在地被物上凝結(jié)而成的液態(tài)水，一般出現(xiàn)在大氣層結(jié)穩(wěn)定，空氣濕度大、天氣晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)的夜晚。

表1 是巴東1986—1997年間各月平均露日數(shù)，可以看出，從低山到高山一年四季都有露水，低山多于高山。露水日數(shù)以4—11月為多，從季節(jié)分布來說，主要分布在夏秋兩季，春冬次之，夏季(6—8月)最多，低山為61 d，高山為46 d。露的形成需要一定的溫濕條件，而夏季降水多有利于降低近地面大氣溫度、增加濕度，進(jìn)而有利于露水的產(chǎn)生;而冬季晝夜溫差小、降水少空氣干燥不易于形成露。

表1 1986—1997年巴東各月平均露日數(shù) (單位:d)

3 通過雷達(dá)資料判定

《地面氣象觀測規(guī)范》中規(guī)定，純霧、露、霜、冰針、霧凇、吹雪的量按無降水處理，因此單純因露水造成的降水量在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時(shí)必須刪除。區(qū)域自動(dòng)氣象站無人值守，一般建在一定范圍無遮擋的環(huán)境中，冰針、霧凇一般不會(huì)造成區(qū)域自動(dòng)氣象站出現(xiàn)降水量，吹雪發(fā)生時(shí)風(fēng)較大，易于與露區(qū)分，而且露造成的降水量一般較小，所以個(gè)別區(qū)域氣象站出現(xiàn)弱降水而國家站無降水現(xiàn)象時(shí)就要考慮是否是因?yàn)槁对斐傻?。而露的形成需要一定的天空狀態(tài)和地面狀況，所以可以通過雷達(dá)資料和區(qū)域站的其它要素資料來判定是否有露形成。

3.1 降水和霧的雷達(dá)回波特征

降水可以從雷達(dá)回波強(qiáng)度和徑向速度等多方面進(jìn)行判讀，降雨回波強(qiáng)度一般在20 dBz 以上;降雪回波強(qiáng)度雖然一般在10～15 dBz，但在PPI 上雪的回波分布均勻、絲縷狀紋理結(jié)構(gòu)明顯、水平范圍大。

據(jù)研究，較大范圍的平流霧在天氣雷達(dá)上也有一定的回波特征，強(qiáng)度主要集中在0～20 dBz，形態(tài)上沿著雷達(dá)徑線方向呈輻輳狀向外彌散開，像一層薄紗罩在屏幕上;在速度圖上會(huì)由于湍流作用呈現(xiàn)正負(fù)速度錯(cuò)綜交雜相一致，且數(shù)值不大;另外，霧的回波頂高度低，只有1 km 左右。

3.2 晴空回波特征

夜間天氣晴朗少云，地面熱量散失就快，氣溫下降快，有利于露的生成。由于夜間露水一般形成在晴朗的天氣環(huán)境中，所以一旦雷達(dá)上呈現(xiàn)晴空回波特征就可以判定可能是有露生成造成出現(xiàn)降水量。雷達(dá)PPI 和RHI 上所呈現(xiàn)的晴空回波常表現(xiàn)為圓點(diǎn)狀、窄帶狀、細(xì)胞狀、層狀、白熾狀、環(huán)狀和波狀等。另外露水適宜的凝結(jié)風(fēng)速為0.5～2.0 m/s，大氣層結(jié)穩(wěn)定，這就可以利用回波徑向速度場是否數(shù)值比較小、等值線分布是否比較稀疏和風(fēng)廓線圖來判定是不是可能有露生成。

4 利用多要素氣象站資料判定

在系統(tǒng)性天氣下，有人值守的國家級(jí)氣象站數(shù)據(jù)是判定區(qū)域自動(dòng)氣象站是否因露水產(chǎn)生降水的重要參考，但在山區(qū)特別是夏季局地性特征較強(qiáng)時(shí)，就需要再綜合多要素區(qū)域自動(dòng)站的相對(duì)濕度、風(fēng)速、溫度變率等氣象要素進(jìn)行判斷。

4.1 露形成時(shí)氣象要素條件

露水從空氣中來，相對(duì)濕度是影響露水形成的重要因子，相對(duì)濕度大表明空氣中水汽含量高，可供凝結(jié)的水汽多。露水須形成在高濕的環(huán)境中，Monteith 認(rèn)為露初始形成時(shí)相對(duì)濕度91%～99%，只要發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象的表面比它接觸的空氣露點(diǎn)溫度低，就有露形成。另據(jù)王勝［2］等人研究表明相對(duì)濕度＞80%時(shí)露水出現(xiàn)次數(shù)占總量的70%以上。

風(fēng)速是影響露水形成的又一重要因素，風(fēng)速小有利于露水凝結(jié)。王勝［2］等人的研究表明，露水形成期間風(fēng)速主要集中在0.5～2.0 m/s 的區(qū)間。值得注意的是如果風(fēng)速較大帶來的是暖濕氣流，容易引致露點(diǎn)升高、濕度加大，也有利于凝結(jié)，可能產(chǎn)生露水。所以區(qū)域站本身監(jiān)測的相對(duì)濕度、風(fēng)速也是確定是否有露水生成的重要方法。

另外露的形成需要發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象的表面比它所接觸的空氣露點(diǎn)低，因?yàn)闇囟嚷饵c(diǎn)差也是影響露水形成的重要因子。王勝［2］等人的研究表明露水主要分布在溫度露點(diǎn)差在－3～6℃之間或地—?dú)鉁夭睿?～2℃之間。

4.2 露和霜的判斷

霜是水汽在地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆的冰晶，或由露凍結(jié)而成的冰珠，形成條件和露比較相近，一般形成于寒冷季節(jié)晴朗、微風(fēng)或無風(fēng)的夜晚。霜形成后，待白天溫度升高融化后才可能引起區(qū)域自動(dòng)氣象站出現(xiàn)降水量，所以可通過自動(dòng)站監(jiān)測的溫度和降水量出現(xiàn)的時(shí)間來判斷是露還是霜造成的。

4.3 弱降水時(shí)的氣象條件

據(jù)葉有華［5］等在廣東從化地區(qū)的觀測夜間最大露水量約為0.23 mm，可見，即使露造成區(qū)域自動(dòng)氣象站出現(xiàn)降水量也是弱降水?？梢酝ㄟ^判斷未出現(xiàn)弱降水來確定是否因露造成降水量。表2 給出了2010年巴東國家基本氣象站(海拔334 m)觀測到0.1～0.2 mm 降水量時(shí)段對(duì)應(yīng)的定時(shí)相對(duì)濕度和風(fēng)速最大值，從中可以看出相對(duì)濕度一般不超過90%，只是在有輕霧發(fā)生時(shí)相對(duì)濕度超過90%，且有2 次降水量達(dá)到0.2 mm;定時(shí)風(fēng)速最大值大多在3 m/s 左右。

表2 2010年巴東弱降水時(shí)段對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度、風(fēng)速最大值

另據(jù)王勝［2］研究，處于半干旱地區(qū)的定西露水日最大凝結(jié)量可達(dá)0.33 mm。表3 給出了高山站綠蔥坡(海拔1 813.5 m)1997年出現(xiàn)0.1～0.3 mm 弱降水而且降水時(shí)段無霧時(shí)的定時(shí)相對(duì)濕度最大值和定時(shí)風(fēng)速最大值，從中可看出出現(xiàn)弱降水且無霧時(shí)相對(duì)濕度大多＜90%，風(fēng)速≤3.0 m/s。可見，巴東地區(qū)出現(xiàn)弱降水且無霧時(shí)相對(duì)濕度＜90%，低山風(fēng)速＞2.0 m/s、高山風(fēng)速大多＞3.0 m/s。

表3 1997年綠蔥坡弱降水時(shí)段(無霧)對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度、風(fēng)速最大值

4.4 露和霧形成時(shí)氣象條件的不同

露與霧形成時(shí)的氣象條件比較相近，都需要濕度大、無風(fēng)或微風(fēng)和大氣層結(jié)穩(wěn)定，地溫和氣溫差異也都比較小。不同的是霧凝結(jié)成細(xì)微的水滴懸浮于空中，“溫室效應(yīng)”使得氣溫變率△T 較小;而露是地面凝結(jié)現(xiàn)象，氣溫變率相對(duì)較大。表4 中分析了2010年及2004年9—12月巴東站有霧但對(duì)應(yīng)時(shí)段無降水時(shí)整點(diǎn)氣溫較前1 h 的變率(℃/h)，以及2010年20—07 時(shí)有露但對(duì)應(yīng)時(shí)段無降水、無霧時(shí)氣溫的變率，從中可以看出有霧時(shí)85%的氣溫變率集中在－2～2℃之間，最大變率為0.7℃/h;而有露時(shí)氣溫變率的絕對(duì)值主要集中在0.2℃以上，占72%，變率最小值達(dá)到－3.2℃、最大值為2.2℃。

表4 有霧或露時(shí)氣溫變率分布表 (單位:℃/h)

5 結(jié)論

露一年四季都有發(fā)生，在有人值守的氣象站觀測無降水產(chǎn)生，而區(qū)域自動(dòng)氣象站有0.1～0.3 mm弱降水量時(shí)就要考慮是否因?yàn)槁兜纫蛩卦斐勺詣?dòng)站出現(xiàn)降水量。判定方法主要有:

①通過雷達(dá)回波資料判斷是否可能有降水發(fā)生，如果雷達(dá)回波強(qiáng)度＜10 dBz 或者夏天＜20 dBz就可判定沒有降水現(xiàn)象。

②通過溫度＞0℃的時(shí)間和降水量出現(xiàn)的時(shí)間來區(qū)分露和霜，冬季在相對(duì)濕度高、溫度＞0℃后才出現(xiàn)弱降水量可以確定是露霜。

③通過出現(xiàn)弱降水量時(shí)相對(duì)濕度是否＞90%，最大風(fēng)速是否＜2.0～3.0 m/s 來區(qū)分露和弱降水，相對(duì)濕度＞90%或風(fēng)速＜2.0～3.0 m/s 時(shí)可以初步確定有露生成。

④通過夜間氣溫變率來區(qū)分露和霧的影響，如果20－07 時(shí)有較多時(shí)次氣溫變率＞0.2℃/h，大致可判定有露造成自動(dòng)站出現(xiàn)弱降水量。

［1］陳其歡. 區(qū)域自動(dòng)氣象站維護(hù)保障技術(shù)［A］. 經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)(第二卷)［C］.2010.

［2］王勝，張強(qiáng). 黃土高原半干旱區(qū)露水形成的大氣物理特征研究［J］. 物理學(xué)報(bào)，2011，5.

［3］劉文杰，李紅梅，段文平. 西雙版納地區(qū)露水資源分析.自然資源學(xué)報(bào)，1998，1:40－45.

［4］張培昌. 雷達(dá)氣象學(xué)(第一版)［M］. 北京:氣象出版社，2001:307－356.

［5］葉有華，周凱，彭少麟，等. 廣東從化地區(qū)晴朗夜間露水凝結(jié)研究［J］. 熱帶地理，2009，1:20－30.