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张家口2019年11月29日降雪天气的毫米波雷达和飞机观测分析.pdf
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1、书书书孙啸申,周学思,樊嵘,等,张家口 年 月 日降雪天气的毫米波雷达和飞机观测分析气象,():,():()张家口 年 月 日降雪天气的毫米波雷达和飞机观测分析孙啸申周学思樊嵘王晓青张晓瑞王梧熠薛学武李政昊河北省人工影响天气中心,石家庄 提要:结合毫米波云雷达数据和飞机观测数据,分析研究了 年 月 日降雪云系的宏微观特征。此次降雪从 日 时持续至 日 时,受水汽输送影响,降雪量呈现增多减少再增多的趋势。云系的厚度变化明显,毫米波云雷达最大回波为 ,地面小时降雪量大于的时刻与云雷达强回波()和大值谱宽带出现的时间有较好的对应关系。云内冰晶转化和上升气流存在的高度在 以上,云雷达正的径向速度主要在
2、降雪的前中期。飞机观测发现云内以冰晶为主,存在霰粒子和聚合体。冰晶在下落过程中,通过碰并、碰连和凇附等微物理过程增长,同时云雷达的径向速度和谱宽有所增加。飞机探测到大于 的冰晶时,云雷达回波强度大于 。在 ,云雷达速度谱宽急剧变化。研究结果为进一步分析张家口地区冬季降雪云系的宏微观结构和增雪潜力提供了理论参考。关键词:毫米波云雷达,飞机观测,降雪,云宏微观特征,冰晶中图分类号:,文献标志码:犇 犗 犐:,犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,(),河北省省级科技计划()和河北省气象局科研开发项目()共同资助 年月 日收稿;年月 日收修定稿第一作者:孙啸申,主要从事大气物理和大气探测研究 :通讯作者
3、:樊嵘,主要从事大气物理和人工影响天气研究 :第 卷 第期 年 月 气象 ,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:,引言云通过反射长波辐射和吸收太阳(短波)辐射,影响大气辐射传输过程,通过降水参与大气水循环,进而影响地球的气候(,)。观测云的宏观和微观特征一直是气象研究中的重要话题,云底和云顶高度能够反映云的宏观特征,是影响辐射收支的重要参数,云的微物理特征直接或间接影响降水,在人工影响天气领域十分重要(吴翀等,;章文星和吕达仁,;辛乐和姚展予,)。自第二次世界大战以来,雷达逐渐开始在气象观测中推广应用(,)。毫米波云雷达()最早由美国空军于 世纪 年代研发,用于观测云层边界、降水和融化层,该雷达不具
4、备多普勒功能(,)。随着云雷达技术和硬件性能的提升,主要应用在地基(美国能源部计划)、机载(波段)和星载(卫星雷达)方面(,;仲凌志等,)。我国的毫米波测云雷达以 的 波段云雷达为主,广泛用于云和降水观测以及人工影响天气的研究。毫米波云雷达采用垂直指向探测得到的回波信息,能较好地给出云层的宏观特征。在低云观测上,尤其是在产生降水的天气情况下,毫米波云雷达的回波显示接地,无法给出具体的云底信息(李思腾等,;武静雅等,)。在比较毫米波云雷达和探空数据发现,两个探测仪器探测到的云底吻合程度大于云顶的吻合程度(郝倚天等,)。刘黎平等()采用毫米波云雷达的功率谱密度数据反演雨滴谱,论证米散射、空气上升速
5、度和空气湍流对雨滴谱反演的影响,结果表明云雷达反演得到的雨滴谱分布和雨强与雨滴谱仪结果接近,但是云雷达探测到的小粒子更多。崔延星等()融合毫米波云雷达、波段雷达和激光云高仪的数据,统计了 年广东龙门夏季云系特征,发现云系顶高等参数有明显的日变化。在青藏高原大气试验中,联合毫米波云雷达和多种地基观测设备,对西藏那曲夏季云系进行分类和特征总结,发现全年初生积云和层云常发生在 以上且存在上升气流(刘黎平等,)。武静雅等()利用 波段云雷达,通过统计和快速傅里叶变换方法,分析了 年青藏高原西风槽、切变线和低涡系统观测到云的频率,以及云高、云厚日变化的时域和频域特征。丁虹鑫等()联合微波辐射计和云雷达反
6、演大气温度廓线,加入云雷达的反射率因子后,改善了温度廓线的可靠性。毫米波云雷达在降雪观测中应用较少,由于冰晶和雪晶的形状多变,仅靠回波强度反演冰水和液态过冷水含量的准确性还需要验证。王柳柳等()利用云雷达谱数据,分析了冻雨和降雪过程中的空气垂直速度,计算得到平均粒子直径。李玉莲等()从云雷达功率谱中获取云中过冷水的液态水路径,与微波辐射计的反演较为一致。张晋茹和杨莲梅()利用毫米波云雷达数据得到了伊犁河谷两次降雪过程的宏微观特征,发现 以下的反射率因子与雪粒子下落速度和地面小时降雪量成正相关。陈羿辰等()利用 波段云雷达分析降雪前后的宏微观变化,采用雷达回波强度估算雪粒子含水量,认为含量值 可
7、作为人工增雪的潜力值。黄钰等()结合中尺度数值模式,分析北京延庆山区的一次降雪过程的宏微观特征,发现山区降雪以地形抬升作用为主,上升气流的存在有利于冰云的形成和发展,降雪的量级和冰雪晶形态与云水含量有关。飞机观测同地基观测一样,是研究云和降水微物理过程的重要工具,早在 世纪 年代初期就在我国开始应用(雷恒池等,),能够获得云滴、水滴和冰晶的形状、尺寸和浓度、气溶胶的分布、云中的液态水含量,以及验证和完善数值模式中的云物理过程(郭学良等,)。刘黎平等()从毫米波云雷达中提取到垂直方向上粒子数浓度和液态水含量的变化,与飞第期孙啸申等:张家口 年 月 日降雪天气的毫米波雷达和飞机观测分析 机探测得到
8、的结果在量级和时间变化上一致。张家口地区地势呈西北高、东南低的特点,阴山山脉横穿,冬季降雪受地形影响明显。地形抬升促进雪花的增长,山区的空气流动多变(风向改变、风切变)和水汽输送供给是否充足,都对山区降雪有重要影响(,)。年 月,河北省人工影响天气中心在张家口观测站布设有 波段云雷达、激光云高仪、波段探空和自动气象站等设备,对降雪过程开展观测。本文基于毫米波云雷达,结合地面和飞机探测资料,分析 年 月 日张家口地区降雪云系的宏微观特征,探讨降雪过程中的微物理过程。仪器和数据 地基和飞机仪器地基垂直观测设备均布设在张家口市观测站,观测站的海拔高度为 。观测设备包括 波段云雷达、激光云高仪、自动气
9、象站和波段探空等,设备之间的直线距离不超过。云雷达是由西安华腾微波公司生产的 波段雷达,采用固态发射机制,速度分辨率为,回波强度精度小于 ,以垂直对空方式连续观测。云 雷 达 的 观 测 资 料 包 括 回 波 反 射 率 因 子(犣)、径向速度(犞)、速度谱宽(犛)和功率谱,数据的空间分辨率为,距离库数为 个,时间分辨率为。上升径向速度为正,下降径向速度为负。云高仪选用的是北京聚恒博联科技有限公司生产的 激光云高仪,采用米散射激光雷达技术,每隔 探测大气的后向散射信号,计算输出云底高度和云层厚度,可统计云量,在天空模糊时可计算垂直能见度,最多能探测五层云。飞机探测通过空中国王 飞机搭载的云物
10、理探测系 统。其中,云粒 子 成像 仪()是 由 美 国 公司生产,可拍摄高精度的粒子图像,粒子的尺径范围在 ,可清楚地分辨出球形水滴和冰晶个体的形状和尺径(,)。毫米波云雷达的数据质控云雷达工作频率为 ,脉冲重复频率为 ,波长为 ,采用脉冲压缩技术发射三种脉宽,分别为(不采用脉冲压缩)、和。每个脉冲通过次相干积累以探测不同高度的云,三个脉冲对应的探测范围分别是 、和 。由于探测各距离回波数据采用了三脉冲组合模式,因此在 和 两个 高度 的 拼 接处 回 波 差 异明显。在 和 高度上下的数据拼接处,均探测到有效回波强度时,计算 和 以及 和 的 平 均 回 波 强 度 差,对 以下和 的回波
11、分别加上回波差值,进行拼接订正。毫米波云雷达的回波强度衰减订正采用的是黄兴友等()的逐库订正法,按照犻,的顺序,沿雷达径向从最低探测高度向外对每一个距离库的回波强度进行衰减订正,见式()。犣(犻)犣(犻)犻 犪 犣犫(犻)犚()式中:犣是毫米波云雷达订正后的回波强度,犣是毫米波云雷达实际观测的回波强度,犚是毫米波云雷达的探测距离库长度,犪和犫为衰减订正系数,根据回波强度分为五个区间,是毫米波云雷达两个探测距离库间的双程透过率,在不考虑回波衰减时(犻),当犻时,计算如式()。犻犻 犪 犣犫(犻)犚()式中:犪和犫根据张培昌和王振会()提出的降雪关系系数,分别取 和 。地面降雪量的反演为验证毫米波
12、云雷达的结果,通过回波强度和地面降雪量的关系,采用式()(,;,):犣 犛()改写为(陈羿辰等,):犛 犣()式中:犛为地面降雪的等效降水强度(单位:),犣为云雷达的回波强度。天气背景和水汽输送 天气背景 年 月 日 时(北京时,下同)气象 第 卷高空槽处于蒙古中部至河套地区(图),张家口地区处于高空槽前,配合低层切变线及低空显著西南气流影响,张家口地区比湿达到 以上,地面场受低压系统控制,降雪过程开始。至 日 时,受东部高压脊影响,高空系统东移缓慢,张家口地区处于低层切变线右侧,且低层西南气流逐渐加强,有利于西南暖湿水汽进一步输送,相对湿度增大至 以上,西来干冷空气与低层暖湿空气有利于强降雪
13、产生,在 时前后张家口地区小时降雪量达到最大,到 日凌晨高空槽底部压至张家口地区,锋面系统逐渐移出,降雪过程趋于结束。此次降雪过程从 月 日 时持续至 日 时(图)。最大小时降雪量出现在 日 时,降雪量为,日 时和 日 时的小时降 雪量均 为,日 时平 均 小 时 降注:蓝线:等高线,单位:;红线:温度,单位:;风羽:风向风速;填色:相对湿度。图 年 月 日 时高空综合图 :图 年 月 日 时至 日 时张家口气象站地面降雪量、温度、相对湿度和气压 ,:雪量为 。降雪期间气温持续下降,从 时的 降至 时的。降雪开始后地面相对湿度在 以上,地面气压变化不大。水汽输送降雪过程中,逐小时降雪量差距较为
14、明显。水汽供给是否充分,直接影响降雪过程中云内冰晶的形态以及冰雪晶的转化,水汽条件差时,不利于大雪花的形成,降雪粒子会以冰晶形态降落到地面。冬季张家口地区干燥,日常观测的相对湿度在 ,此次过程中,本地的水汽供给相对有限。水汽主要通过高空远距离输送,在高空槽和冷低压的控制下,西南气流输送水汽,是本次降雪持续较长时间的原因。而中高空输送的水汽在空间上是不连续的,大量的水汽在降雪初期被消耗,因此地面降雪量呈现增多减少再增多的趋势。系统过境张家口地区,受山脉地形影响导致低层风被迫抬升,山谷间的局部沉降作用和对流有利于低层本地水汽的供给和输送(,)。从张家口站的相对湿度时序图可以看出(图),在 月 日
15、时,高空 有较强的上升气流,其最大值可达到,在此阶段,云雷达观测到回波顶高在。高空槽配合地面低压,产生较强的上升气流。日 时前后,张家口地区处于高空槽前正涡度平流区内,气旋性涡度增大产生(高空)水平辐散,补偿性上升运动增强,同时中低层西南气流显著增强,暖平流输送有利于垂注:蓝线:垂直速度,单位:;红线:温度,单位:;风羽:风向风速;填色:相对湿度。图 年 月 日 时至 日 时张家口站高空时序图 ,:第期孙啸申等:张家口 年 月 日降雪天气的毫米波雷达和飞机观测分析 直运动进一步发展,较强的垂直上升运动促使 时前后小时降雪量达到最大,而随着降雪过程中降水粒子不断凝结释放出潜热,又进一步促进了上升
16、运动的发展。降雪云系的宏观特征张家口 日 时的探空结果表明(图),近地面 存在东南西南风切变,中高层的风向、风速相对稳定,低层逆温不明显。以下的相对湿度在 以上,温度在以下,采用经验值相对湿度 作为云的阈值,计算得到云底高度 ,云厚大于 ,云层中间有两个干层。此时云雷达探测的云顶高度在 ,探测到不连续的弱回波,最大值为 。降雪造成激光衰减严重,云高仪未探测到高云,而底层的云底高度在 左右。日 时,云雷达和云高仪均探测到云底时,云高仪的云底高度比云雷达平均高 。图 年 月 日 时张家口探空曲线 犜 狆 :毫米波云雷达回波强度的演变特征降雪期间,云雷达回波显示全程接地(图),日 时回波开始消散,与
17、地面降雪结束的时间一 致(图)。降雪开始前,云雷达回波底部显示在图 年 月 日 时至 日 时毫米波云雷达质量控制后的()回波强度,()径向速度和()谱宽 (),(),():气象 第 卷 左右的高度(接近 ),云雷达观测到三层云系,高云云顶在。日:左右,云雷达回波开始接地,降雪开始,最大回波强度为 ,在 的 高 度,回 波 顶 高 约 为 。从图可以发现,高层受西南气流影响,日 时张家口上空的水汽充足,以上有上升气流,最大值为,上升气流有助于水汽的垂直输送,促进云系的垂直发展,在 时左右云雷达的回波顶高达到最大,接近,以上正的径向速度和谱宽分别达到 和。云系的垂直发展,云雷达的径向速度和谱宽的增
18、强,证明了水汽凝华生成冰晶以及冰晶的聚合增长。日 时回波消散,降雪结束,到 时近地面云雷达虽然观测到弱回波,但无法确认为云,可能与大气中水汽增多有关。此次降雪过程云系的厚度变化明显,降雪期间回波最大值为 ,较强的回波在 的范围,地面小时降雪量与云雷达强回波区域出现的时间一致。当地面小时降雪量大于时(、和 时),大于 的回波向下可延伸到地面,向上延伸到。当降雪量小于时,大于 的回波区域减少,向上延伸的高度变化不大,但是向下延伸在 左右。地面降雪量的反演结果近地面云雷达谱宽值的变化较小,降雪过程以干雪为主。日 时,探空得到的云底高度为 ,因此选取 、和 的云雷达回波强度,反演计算降雪强度(表)。在
19、整个降雪时段,毫米波云雷达反演降雪强度小于地面观测的小时降雪量,回波反演的降雪量与实际观测的小时降雪量的相关系数最大,最接近实际降雪量。反演降雪量的差异主要表现在降雪的前期和后期,相差最大的时间段分别为 日 时和 时(图)。在降雪前期,冰雪晶转化和液态水的输送最为频繁,云雷达的回波强度随高度变化明显,回波反演的降雪量大于实际观测的降雪量,而 的结果远小于观测值。在降雪后期,水汽消耗殆尽,不利于冰晶的增长,雪晶尺径变小,云雷达回波减弱。三个高度的累计反演结果均小于实际降雪量,降雪后期由于云内过冷水不足,降雪中夹杂大量冰晶,因此经验公式的结果偏低。表 年 月 日 时至 日 时 、和 犿高度云雷达反
20、演小时降雪量和地面降雪量的统计关系犜 犪 犫 犾 犲犛 狋 犪 狋 犻 狊 狋 犻 犮 犪 犾 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 犵 狉 狅 狌 狀 犱狊 狀 狅 狑 犳 犪 犾 犾 犱 犲 狉 犻 狏 犲 犱犳 狉 狅 犿犮 犾 狅 狌 犱狉 犪 犱 犪 狉犪 狋 犪 犾 狋 犻 狋 狌 犱 犲 ,犪 狀 犱 犿犳 狉 狅 犿:犅 犜 狋 狅:犅 犜 犖 狅 狏 犲 犿 犫 犲 狉 统计结果云雷达 相关系数 降雪小时平均值 累计降雪差值 径向速度和谱宽的演变特征毫米波云雷达探测到的径向速度,只有在云内粒子下落速度可以忽略的时候,可近似作为空气垂直速度。日 时前后 ()出现下沉气流(图),云雷
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