利用激光雨滴譜儀對(duì)一次雨轉(zhuǎn)雪過(guò)程分析

張治 劉青 李崇 班偉龍 崔景琳 張帥

摘要 不同相態(tài)降水粒子的地面雨滴譜具有不同特征。本文利用HSC-PS32激光雨滴譜儀和人工加密觀測(cè)資料對(duì)2014年11月30日發(fā)生在沈陽(yáng)的一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過(guò)程進(jìn)行了初步的分析，研究了降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其雨滴譜特征的演變。結(jié)果表明：受蒙古氣旋影響，該過(guò)程經(jīng)歷了不同的降水相態(tài)，包括雨、雨夾雪和雪。這3種降水相態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的滴譜特征。具體表現(xiàn)為降雨階段，粒徑小、譜寬較小；雨夾雪階段，譜寬增大；而降雪階段，粒子直徑大、維持較寬譜寬。不同降水相態(tài)的平均雨滴譜相對(duì)較近，經(jīng)歷了單峰到波動(dòng)的演化過(guò)程。從波峰對(duì)應(yīng)的粒子直徑的角度來(lái)看，雨小于雨夾雪，雨夾雪小于雪。降雨階段粒子數(shù)濃度最大，降雪階段粒子譜寬最大。

關(guān)鍵詞 降水相態(tài)；激光雨滴譜儀；地面雨滴譜

中圖分類號(hào) P458 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）04-0219-03

雨滴譜是指在單位體積內(nèi)雨滴大小的分布[1]。雨滴譜對(duì)降水過(guò)程科學(xué)研究，天氣雷達(dá)地面降水校準(zhǔn)，人工增雨、防雹作業(yè)檢驗(yàn)等方面都具有重要意義[2-5]。雨滴譜觀測(cè)方式方法和觀測(cè)儀器在不斷變化發(fā)展。傳統(tǒng)觀測(cè)方法有動(dòng)力學(xué)方法、斑跡法、面粉球法、照相法和浸潤(rùn)法；觀測(cè)儀器有沖擊型雨滴譜儀、光學(xué)雨滴譜儀、聲學(xué)雨滴譜儀[2-3]，這為雨滴譜的研究提供了更加多樣化的方式。本文利用HSC-PS32激光雨滴譜儀對(duì)沈陽(yáng)一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，配合人工加密觀測(cè)資料，研究了降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)其雨滴譜特征的演變。

1 觀測(cè)儀器

HSC-PS32激光雨滴譜儀采用Parsivel2雨滴譜傳感器。雨滴譜傳感器由一對(duì)帶狀激光發(fā)射和接收傳感器組成，激光發(fā)射裝置可以產(chǎn)生一束水平激光，接收傳感器可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。在測(cè)量區(qū)域，當(dāng)粒子穿過(guò)光束時(shí)，信號(hào)會(huì)改變。明暗程度，反映了空氣中粒子大小，根據(jù)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間計(jì)算出粒子下降速率。Parsivel2采用現(xiàn)代激光技術(shù)的光學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量的基本參數(shù)為粒徑和速度，對(duì)通過(guò)激光帶的粒子進(jìn)行分級(jí)和統(tǒng)計(jì)。其粒子的直徑從0.2 mm到25 mm分成32個(gè)通道，粒子速度從0.2 m/s到20 m/s分成32個(gè)通道，因此總的類別就是1 024種[5]（表1）。由此推導(dǎo)出粒徑分布、降水量、能見度、降水動(dòng)能和降水類型等。

2 天氣實(shí)況

受蒙古氣旋影響，2014年11月30日沈陽(yáng)地區(qū)出現(xiàn)一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過(guò)程，沈陽(yáng)地區(qū)降水于8：00開始，20：00結(jié)束，過(guò)程降水量5.4 mm，降水主要集中在沈陽(yáng)市區(qū)（圖1）。

冷空氣南下，由北至南逐漸轉(zhuǎn)雪。沈陽(yáng)市區(qū)共有3個(gè)國(guó)家站，由北向南分別為沈北新區(qū)（站號(hào)54248）、渾南（站號(hào)54342）、蘇家屯（站號(hào)54340）。根據(jù)人工加密觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)雪時(shí)間分別為12：27、13：10、13：26。證明此次過(guò)程是自北向南發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換，由雨逐漸轉(zhuǎn)為雪。

從小時(shí)降水量可以看出，雨雪相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)（12：00—13：00），小時(shí)降水量最大。其中渾南小時(shí)降水量最大達(dá)1.6 mm，降水強(qiáng)度較?。ū?）。

3 資料選取

目前，沈陽(yáng)城區(qū)有5臺(tái)HSC-PS32激光雨滴譜儀。根據(jù)配備有激光雨滴譜儀的站點(diǎn)的位置分布，選取離渾南（54342）觀測(cè)站最近的南昌中學(xué)站點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。南昌中學(xué)站點(diǎn)（123.37°E，41.54°N）位于渾南站點(diǎn)（123.31°E，41.44°N）的西北部，直線距離12.2 km；位于沈北新區(qū)站點(diǎn)（123.32°E，42.02°N）的南部，直線距離53.6 km。南昌中學(xué)站點(diǎn)位于渾南（54342）觀測(cè)站和沈北新區(qū)（54248）觀測(cè)站點(diǎn)中間，偏近渾南觀測(cè)站。由于此次過(guò)程由北向南發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換，因此南昌中學(xué)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間范圍，在12：27—13：10之間。HSC-PS32激光雨滴譜儀每分鐘采樣1次，選取最短采樣周期1 min。采樣初始時(shí)間為8：00，結(jié)束時(shí)間為20：00。激光雨滴譜儀探測(cè)過(guò)程降水量為4.79 mm，接近國(guó)家站降水量。每分鐘粒子個(gè)數(shù)隨時(shí)間變化出現(xiàn)3個(gè)波峰（圖2），最大每分鐘粒子個(gè)數(shù)出現(xiàn)在17：43，為1081。降水強(qiáng)度隨時(shí)間變化形狀與粒子個(gè)數(shù)相近，為3個(gè)波峰，最大降水強(qiáng)度出現(xiàn)在13：47，為16.5 mm/h。但二者波峰出現(xiàn)時(shí)間不同，因粒子直徑、數(shù)密度不同，因此對(duì)降水強(qiáng)度貢獻(xiàn)不同[6]。南昌中學(xué)站降水過(guò)程可分為3段，根據(jù)之前推論可判斷中間段11：17—14：02應(yīng)出現(xiàn)降水相態(tài)轉(zhuǎn)換，故下面主要針對(duì)該時(shí)段降水進(jìn)行研究。

4 結(jié)果分析

根據(jù)HSC-PS32激光雨滴譜儀數(shù)據(jù)庫(kù)中每分鐘天氣現(xiàn)象，可判斷11：17—12：37為雨，12：38—13：08為雨夾雪，13：09—14：02為雪（圖3）。其中將凍雨天氣現(xiàn)象算作雨夾雪，并將較為分散的12：25、13：15、13：27的3個(gè)時(shí)次雨夾雪天氣現(xiàn)象分別算作雨、雪、雪。占每分鐘粒子總數(shù)最多的直徑通道主要有3～8通道，其他通道粒子數(shù)較少，甚至部分直徑通道（1、2、26、27、28、29、30、31、32）粒子數(shù)為0?？梢园l(fā)現(xiàn)在降雨階段，粒子數(shù)總量與降水強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，4直徑通道級(jí)別粒子數(shù)明顯高于其他級(jí)別粒子數(shù)；在雨夾雪階段，占每分鐘粒子總數(shù)最多的通道明顯發(fā)生轉(zhuǎn)換，由4直徑通道逐漸轉(zhuǎn)為6、5直徑通道，臨近降雪階段又轉(zhuǎn)為4直徑通道，降水粒子直徑先增大再減小。13：09—14：02降水相態(tài)主要為雪，總體來(lái)看5直徑級(jí)別粒子數(shù)高于其他級(jí)別粒子數(shù)，在降雪趨于結(jié)束時(shí)，由5直徑通道逐漸轉(zhuǎn)為6、7、8直徑通道，粒子直徑增大。11：17—14：02降水階段中4直徑通道粒子相態(tài)主要以水為主，5、6、7、8直徑通道粒子相態(tài)主要以雪為主。

11：17—14：02降水階段粒子平均直徑（D），隨著降水相態(tài)轉(zhuǎn)變，趨于平穩(wěn)增大，在降雨階段區(qū)間范圍為0.53～0.85 mm；雨夾雪階段區(qū)間范圍與降水階段接近為0.57～0.89 mm；降雪階段區(qū)間范圍為0.70～1.67 mm；總區(qū)間范圍為0.53～1.67 mm。粒子最大直徑（Dmax）先波動(dòng)性增大，至13：42達(dá)到波峰9.50 mm開始波動(dòng)性減小，降雨階段波動(dòng)較小，區(qū)間范圍為1.06～2.75 mm；雨夾雪階段波動(dòng)開始增大，區(qū)間范圍為1.63～3.75 mm；降雪階段先波動(dòng)性增大再波動(dòng)性減小，波動(dòng)性減小與降雪趨于結(jié)束有關(guān)；總區(qū)間范圍為1.06～9.50 mm。譜寬變化趨勢(shì)與Dmax基本一致。粒子最小直徑（Dmin）趨于平穩(wěn)，區(qū)間范圍0.31～0.44 mm（圖4）。

根據(jù)何雪松等[7]粒子數(shù)濃度計(jì)算公式計(jì)算出粒子數(shù)濃度，計(jì)算公式如下：

式中，N（D）為粒子數(shù)濃度，n（D）為各通道實(shí)測(cè)的粒子數(shù)，△D為該通道所占有的尺度寬度，v（D）為該通道對(duì)應(yīng)的粒子速率，S為采樣面積，T為采樣時(shí)間。

將不同降水相態(tài)平均雨滴譜（圖5）進(jìn)行比較，從不同降水相態(tài)平均雨滴譜型較為接近，均經(jīng)歷了單峰到波動(dòng)的演變過(guò)程。從波峰對(duì)應(yīng)的粒子直徑來(lái)看，雪大于雨夾雪，雨夾雪大于雨。降雪階段粒子譜寬最大，降雨階段粒子數(shù)濃度最大。

5 結(jié)論

本文利用HSC-PS32激光雨滴譜儀對(duì)沈陽(yáng)一次雨轉(zhuǎn)雪天氣過(guò)程進(jìn)行了診斷分析，配合人工加密觀測(cè)資料，研究了降水相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其雨滴譜特征的演變，得到如下幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）這次過(guò)程經(jīng)歷了不同的降水相態(tài)，包括雨、雨夾雪和雪。這3種降水相態(tài)對(duì)應(yīng)著不同的雨滴譜特征。具體表現(xiàn)為：降雨階段，粒徑小，譜寬較小；雨夾雪階段，譜寬增大；而降雪階段，粒子直徑大，維持較寬譜寬。

（2）4和5直徑級(jí)別粒子數(shù)對(duì)此次過(guò)程降水相態(tài)具有的指示意義。4直徑級(jí)別粒子數(shù)主要對(duì)應(yīng)降水相態(tài)為雨，5直徑級(jí)別粒子數(shù)主要對(duì)應(yīng)降水相態(tài)為雪。

（3）不同降水相態(tài)平均雨滴譜型較為接近，均經(jīng)歷了單峰到波動(dòng)的演變過(guò)程。從波峰對(duì)應(yīng)的粒子直徑的角度來(lái)看，雨小于雨夾雪，雨夾雪小于雪。降雨階段粒子數(shù)濃度最大，降雪階段粒子譜寬最大。

本文得出的雨、雨夾雪和雪的滴譜特征，與李德俊等[8]、Yuter等[9]的研究結(jié)論基本一致，即不同降水相態(tài)降水粒子的滴譜特征具有不同的變化特征，這些特征可以用來(lái)區(qū)分不同的降水類型[10]。

6 參考文獻(xiàn)

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