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激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

李淘 阮征 葛润生 金龙

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激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

    通信作者: 阮征, ruanz@camscma.cn
  • 资助项目: 国家自然科学基金项目 (41475029), 公益性行业 (气象) 科研专项 (GYHY201306004,GYHY201406013)

Impacts of Raindrop Velocity Measurement Error on Raindrop Size Distribution Estimation from PARSIVEL Disdrometer

    Corresponding author: Ruan Zheng, ruanz@camscma.cn
  • 摘要: 该文研究PARSIVEL激光雨滴谱仪的测量误差并提出订正方法。对2014年在广东阳江的PARSIVEL激光雨滴谱仪采集的两次降水过程数据进行分析发现,雨滴下落速度V随粒径D变化与静止大气中雨滴下落末速度随粒径变化的Atlas-Ulbrich曲线分布趋势一致,但D < 1 mm及D > 3 mm的速度偏差较大。其主要原因是大粒径雨滴形变造成速度偏离较大,仪器测量误差造成小粒径测速偏大,激光雨滴谱仪所在高度的大气垂直运动影响雨滴下落速度。根据PARSIVEL激光雨滴谱仪测量原理,基于雨滴形变与粒径关系,给出形变订正后的Atlas-Ulbrich修正曲线,并用于对小粒径测速订正。比较订正前后的雨滴谱分布,订正后的小雨滴浓度明显增加,大雨滴浓度略有减小,订正后浓度参数和斜率参数均增加,形状参数变化不明显。
  • 图 1  2014年5月8日C-FMCW雷达探测层状降水云时序图与地面雨滴分布

    (a) 回波强度,(b) 径向速度,(c) 地面雨滴分布及Atlas-Ulbrich曲线

    Fig.1  Stratiform cloud evolution sequence diagram and raindrop distribution by C-FMCW on 8 May 2014

    (a) reflectivity, (b) radial velocity, (c) raindrop distribution and Atlas-Ulbrich curve

    图 2  2014年5月10日C-FMCW雷达探测对流云降水时序图与地面雨滴分布

    (a) 回波强度,(b) 径向速度,(c) 地面雨滴分布及Atlas-Ulbrich曲线

    Fig.2  Convective cloud evolution sequence diagram and raindrop distribution by C-FMCW on 10 May 2014

    (a) reflectivity, (b) radial velocity, (c) raindrop distribution and Atlas-Ulbrich curve

    图 3  PARSIVEL测得的雨滴分布和Vb-Da修正曲线

    (a) 层状云降水,(b) 对流云降水

    Fig.3  Raindrop data distribution after curve revised

    (a) the stratiform precipitation, (b) the convective precipitation

    图 4  2014年5月8日层状云降水近地面 (1.4 m) 大气平均垂直运动速度

    Fig.4  The average vertical velocity of air motion near the ground (1.4 m) at stratiform precipitation on 8 May 2014

    图 5  小粒径测速误差分布订正曲线

    (a) 大气垂直运动速度订正后小粒径雨滴分布与Vb-Da曲线,(b) 平均测速误差ΔV随粒径分布

    Fig.5  Velocity error distribution of small particle

    (a) small particle distribution and Vb-Da curve, (b) velocity error distribution

    图 6  测速修正后的雨滴分布和Vb-Da曲线

    (a) 层状云,(b) 对流云

    Fig.6  Velocity revised of small particle and Vb-Da curve

    (a) the stratiform precipitation, (b) the convective precipitation

    图 7  对流云降水0.937 mm粒子数 (a) 和1.375 mm粒子数 (b) 与近地面大气平均垂直速度关系

    Fig.7  Relatioships between the number of 0.937 mm particles (a), the number of 1.375 mm particles (b) of convective precipitation and the average vertical velocity of the air motion near the ground

    表 1  层状云降水Gamma函数3个参数订正前后比较

    Table 1.  Three parameters of the Gamma distribution before and after correction of the stratiform precipitation

    时间 订正前 订正后
    N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1 N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1
    20:18-20:29 1.98×104 3.98 5.07 2.58×104 3.71 5.19
    20:30-20:41 3.55×104 3.51 5.40 4.48×104 3.20 5.50
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    表 2  对流云降水Gamma函数3个参数订正前后比较

    Table 2.  Three parameters of the Gamma distribution before and after correction of the convective precipitation

    时间 订正前 订正后
    N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1 N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1
    19:00-19:14 1.20×103 -0.25 1.41 1.70×103 -0.07 1.63
    19:15-19:29 1.59×103 0.21 1.34 2.22×103 0.27 1.52
    19:30-19:44 2.08×103 0.54 1.51 2.94×103 0.73 1.73
    19:45-19:59 2.22×103 0.06 1.34 3.08×103 0.15 1.52
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-08-12
  • 修回日期:  2015-11-04
  • 刊出日期:  2016-01-31

激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

  • 1. 成都信息工程大学,成都 610225
  • 2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081
  • 通信作者: 阮征, ruanz@camscma.cn
资助项目: 国家自然科学基金项目 (41475029), 公益性行业 (气象) 科研专项 (GYHY201306004,GYHY201406013)

摘要: 该文研究PARSIVEL激光雨滴谱仪的测量误差并提出订正方法。对2014年在广东阳江的PARSIVEL激光雨滴谱仪采集的两次降水过程数据进行分析发现,雨滴下落速度V随粒径D变化与静止大气中雨滴下落末速度随粒径变化的Atlas-Ulbrich曲线分布趋势一致,但D < 1 mm及D > 3 mm的速度偏差较大。其主要原因是大粒径雨滴形变造成速度偏离较大,仪器测量误差造成小粒径测速偏大,激光雨滴谱仪所在高度的大气垂直运动影响雨滴下落速度。根据PARSIVEL激光雨滴谱仪测量原理,基于雨滴形变与粒径关系,给出形变订正后的Atlas-Ulbrich修正曲线,并用于对小粒径测速订正。比较订正前后的雨滴谱分布,订正后的小雨滴浓度明显增加,大雨滴浓度略有减小,订正后浓度参数和斜率参数均增加,形状参数变化不明显。

English Abstract

    • 国内外许多科研人员很早已关注雨滴谱观测方法研究[1-4]。早期对雨滴谱的测量主要有滤纸色斑法和面粉球法,由获取的雨滴分布、取样面积、取样时间及静止大气条件下雨滴的下落末速度计算出雨滴谱分布,雨滴粒径为等效直径[5-6]

      20世纪60年代研发了撞击型雨滴谱仪[7],根据雨滴撞击传感器的垂直冲击力测量雨滴大小,给出雨滴等效直径,仪器实现了测量自动化,仍由取样面积、取样时间及静止大气下的雨滴下落末速度计算雨滴谱,忽略了近地面大气运动对雨滴下落速度的影响,导致测量粒径大小的误差和雨滴谱分布的误差[8]

      20世纪90年代末出现了以德国OTT公司的PARSIVEL (particle size and velocity) 激光雨滴谱仪 (简称PARSIVEL) 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[9-10],目前被广泛应用于降水粒子谱的测量及分析[11]。美国大气研究中心和英国气象局等机构布设了PARSIVEL激光雨滴谱仪,我国山西、江苏和广东等地的PARSIVEL也投入观测使用[11-12]

      随着PARSIVEL的广泛使用,国内外学者对其测量数据质量,特别是测速进行了较多研究。研究者普遍利用Atlas-Ulbrich获得的等效雨滴直径-速度经验曲线评估PARSIVEL的测速数据[13-14]。Niu等[15]对PARSIVEL探测层状云降水和对流云降水的速度谱数据进行分析,得到两类降水云的速度谱数据普遍比Atlas-Ulbrich经验曲线速度值大,对粒径D < 0.3 mm的小粒子测速高估达到150%,粒径D>5 mm的大粒子测速高估10%。Thurai等[10]对比PARSIVEL和二维粒子成像雨滴谱仪探测层状云降水、对流单体和对流飑线时的粒子谱分布,当降水率低于20 mm·h-1时,两者一致性较好,反之,则高估20%~30%。王可法等[16]对PARSIV-EL观测获得的太湖地区自然降水数据进行分析,粒径D<0.7 mm的雨滴下落速度有时达到10~20 m·s-1,严重偏离Atlas-Ulbrich曲线。

      PARSIVEL的特点是测量雨滴粒径的同时测量雨滴下落速度,可较正确地计算雨滴谱分布,但测速偏差带来了对雨滴谱计算的误差,进而影响利用PARSIVEL观测研究Z-I关系等,因此,有必要对PARSIVEL测速进行讨论。

      本文从PARSIVEL原理出发,分析了测速误差原因以及速度误差对雨滴谱分布影响。利用2014年5—7月在广东阳江观测的层状云和对流云降水数据,给出对PARSIVEL测速数据进行订正的方法及订正前后雨滴谱分布的变化。

    • PARSIVEL架设高度距地1.4 m,采样间隔为1 min,粒径和下落速度以32档量化等级输出。小于0.2 mm的第1档、第2档由于信噪比低,测量数据被设置为空[8]。适用于液态降水的粒径测量通道为3~21(0.312~6 mm),对应的测速范围通道为3~30(0.25~15.2 m·s-1),输出每分钟的粒子分布n(Di, Vj)(i=3, …, 21; j=3, …, 30),可计算出粒子谱分布。

    • PARSIVEL主要由1个发射水平光束的激光器、接收器、控制、运算和存储等部分构成,水平激光束厚为1 mm,宽为30 mm,激光器与接收器相距180 mm。由粒子粒径和输出电压最大值Umax之间的对应关系,通过测量Umax计算出粒径。降水粒子穿过激光束影响激光束的空间距离为粒子的粒径加激光束的厚度,接收器测出粒子引起电压波动时间,导出粒子的下落速度[9-11]

    • PARSIVEL测得的粒径、下落速度与实际值存在误差。

    • 粒子通过激光束接收器输出的Umax与粒径关系较为稳定,用来估测粒径,粒径误差较小,可以忽略[9]。较大雨滴下落过程中会由球形变为近似扁球状[17]。扁平椭球的长轴直径与等效直径之间关系,试验表明稳定[18]。形变雨滴通过激光光束时,测得的粒径是形变雨滴的长轴直径。

    • PARSIVEL通过粒子穿过光束的影响距离和持续时间计算粒子的下落速度,光束厚度的不均匀性会带来粒子通过光束影响距离的误差,接收器中噪声影响了对粒子通过光束持续时间的准确测量,均带来测速误差。激光束的厚度不为1 mm时,1 mm以下粒子的测速误差受光束厚度误差和持续时间的影响比1 mm以上粒子大,小粒径测速误差较大。另外,PARSIVEL测得粒子在自由大气的速度受大气垂直运动影响。

    • PARSIVEL以量化等级的方式给出粒径和下落末速度,给出的粒径和下落速度均存在量化误差。量化误差用量化间隔的平方的1/12倍描述。雨滴的粒径量化间隔均小于1 mm,造成粒径测量的相对误差不大于2%,速度的量化间隔不大于1.6 m·s-1,造成测速相对误差不大于2%。总体上量化误差较小。

      PARSIVEL对粒径的测量误差较小,而测速误差随粒径变化较大,需进一步分析订正。

    • 2014年5—7月华南暴雨试验期间设在广东阳江 (21.51°N,113.18°E) 的PARSIVEL配合C波段调频连续波垂直探测雷达 (C-FMCW) 研究降水云体的结构和雨滴谱。本文着重对试验期间地面雨滴谱数据进行分析,通过对层状云和对流云两种类型降水的地面雨滴谱数据探讨PARSIVEL的测量误差和对雨滴谱分布的影响。

    • 2014年5月8日是一次层状云降水过程,图 1a图 1b是C-FMCW雷达5月8日20:18—20:41(北京时, 下同) 观测到的回波强度、径向速度垂直廓线时序图,径向速度垂直廓线时序图中下落速度为正,上升速度为负 (下同),5 km高度上有明显的零度层亮带结构,反映降水云体的环境大气垂直运动较平稳,随时间变化小。图 1c是PARSIVEL获取的同时段内雨滴分布n(Di, Vj),获取5355个降水粒子,该时段地面降水量不足1 mm。图 1c的雨滴分布图中,配以静止大气雨滴下落末速度随其等效直径的变化曲线 (简称Atlas-Ulbrich曲线),可以看到,实测速度在粒径1 mm以下偏高于Atlas-Ulbrich曲线,1 mm以上粒径与Atlas-Ulbrich曲线基本符合,粒径为2.125 mm处速度略高于Atlas-Ulbrich曲线。

      图  1  2014年5月8日C-FMCW雷达探测层状降水云时序图与地面雨滴分布

      Figure 1.  Stratiform cloud evolution sequence diagram and raindrop distribution by C-FMCW on 8 May 2014

    • 2014年5月10日是一次中等强度的对流云降水过程,图 2a图 2b是5月10日回波强度、径向速度垂直廓线时序图。由图可知,回波单体结构明显,回波强度达45 dBZ,径向速度随时间、高度变化较大,反映出环境大气垂直运动较强、变化快。图 2c是同时段获取的n(Di, Vj),19:00—19:59共获取71817个降水粒子,粒径分布为0.312~4.75 mm,该时段地面降水量为22 mm。雨滴分布与Atlas-Ulbrich曲线比较可以看到,粒径大于2 mm时,下落速度开始偏高于Atlas-Ulbrich曲线,随着粒径增大,偏离越大;粒径小于1 mm时,速度也偏高曲线,随粒径减小,偏离增加;而粒径在1~2 mm之间出现测量速度低于Atlas-Ulbrich曲线。

      图  2  2014年5月10日C-FMCW雷达探测对流云降水时序图与地面雨滴分布

      Figure 2.  Convective cloud evolution sequence diagram and raindrop distribution by C-FMCW on 10 May 2014

      PARSIVEL测速偏离Atlas-Ulbrich曲线的现象,国内外研究者均有相似发现[8-11]

    • 两次降水过程测到的雨滴分布n(Di, Vj) 偏离Atlas-Ulbrich曲线的主要原因可能有以下3点:①大粒径时可能是雨滴形变和PARSIVEL测量方法造成了偏离, ②小粒径时可能是PARSIVEL的测量误差所致, ③仪器传感器所在高度 (1.4 m) 存在明显的大气垂直运动,影响雨滴的下落速度。

    • PARSIVEL测量的粒径是粒子水平面上的长轴直径,而测量速度由短轴直径计算得到,与Atlas-Ulbrich曲线描述的等效直径和下落速度关系不相同。Atlas-Ulbrich曲线可根据PARSIVEL测量原理进行修正,使其适用于PARSIVEL测量,对雨滴的下落速度进行检验。

    • PARSIVEL测速误差来自激光束厚度距标称值的差异和粒子通过光束持续时间的测量误差,激光接收器中噪声是影响粒子遮挡持续时间准确测量的主要原因;粒子穿过激光束时引起电压波动的起始时间和终止时间计算出遮挡持续时间,由此计算粒子下落速度。为了消除噪声造成的虚假粒子信号,PARSIVEL设置删除噪声信号的阈值,去除噪声影响;每部PARSIVEL接收器的噪声幅度有所差异,噪声幅度大,阈值设置高,遮挡持续时间短。对于大粒子,大粒径的遮挡持续时间与抬高阈值减小时间的比值比小粒子遮挡时间与抬高阈值减小时间的比值大得多,大粒径测速受噪声的影响较小,反之,小粒径测速受噪声影响大,噪声是小粒径粒子测速偏高的主要原因。当小粒径落速出现大值时,往往是大粒径粒子部分遮挡激光束所致,可以剔除[16]

    • 大气垂直运动随高度降低迅速减弱,通常认为地面附近的大气垂直运动为零。PARSIVEL传感器架设高度为1.4 m,该高度上存在大气垂直运动,不同降水过程存在一定差异。大气垂直速度使PARSIVEL测量数据偏离静止大气时Atlas-Ulbrich曲线。

    • PARSIVEL测速数据偏高Atlas-Ulbrich曲线,大粒径部分主要是雨滴形变和PARSIVEL测量方法所致,可根据雨滴形变的长轴直径、短轴直径和等效直径的关系以及PARSIVEL测速方法,推导出适宜PARSIVEL的静止大气的V-D曲线。对测速数据的订正主要在小粒径部分。层状云降水的近地层大气垂直运动弱,较为稳定,应用1 mm以上较大粒径部分的测速数据与修正后的静止大气V-D曲线之差,计算仪器所在高度的大气垂直运动速度,再求出小粒径测速的平均差,对小粒径测速进行订正。

    • PARSIVEL激光雨滴谱仪测得粒径和速度与Atlas-Ulbrich曲线描述的等效直径和下落速度关系不相同。造成激光雨滴谱仪测量的数据在大粒径时偏离Atlas-Ulbrich曲线。

      静止大气条件下,速度V与等效直径De的关系[5]

      (1)

      由Andsager等[18]给出的形变雨滴的长轴、短轴和等效粒径关系, 将等效直径De转换为长轴直径Da的函数。式 (1) 中,当粒径为Da时,速度为Va,即静止大气条件下粒径Da的下落速度为Va

      (2)

      形变雨滴通过激光雨滴谱仪时,测得的雨滴速度是短轴速度Vb。短轴速度Vb与长轴速度Va之间的关系为

      (3)

      Va转换为Vb可以得到大粒径形变订正后的静止大气Vb-Da曲线

      (4)

      图 3a图 3b给出两次降水过程的雨滴分布和修正后的Vb-Da曲线,可以看出,大粒径部分的分布与Vb-Da曲线符合,但小粒径部分仍存在偏差。与图 1c图 2c相比,修正后的曲线在大粒径部分改进效果更为明显, 特别是对于2014年5月10日对流云降水。

      图  3  PARSIVEL测得的雨滴分布和Vb-Da修正曲线

      Figure 3.  Raindrop data distribution after curve revised

    • 考虑到层状云降水时大气垂直运动弱,且比较稳定,1 mm以上粒径的测速数据与修正后的Vb-Da曲线一致性较好,PARSIVEL测速误差主要在1 mm以下。可用每分钟的D>1 mm的雨滴分布数据与Vb-Da修正曲线的差值,求取每分钟的平均大气垂直速度。然后对D < 1 mm的测速数据进行大气垂直运动速度剔除,再与Vb-Da曲线比较,求取D<1 mm时不同粒径的差值,进而得到误差订正曲线。

      图 4是2014年5月8日层状云降水期间由PARSIVEL测量的大于1.2 mm粒径雨滴数据计算每分钟大气垂直速度,规定向上速度为正,向下速度为负 (下同)。可以看出,20:18—20:41 1.4 m高度上大气垂直运动变化大部分为上升运动,少数时间为下沉运动,速度的变化范围为-0.1~0.3 m·s-1,比较小。

      图  4  2014年5月8日层状云降水近地面 (1.4 m) 大气平均垂直运动速度

      Figure 4.  The average vertical velocity of air motion near the ground (1.4 m) at stratiform precipitation on 8 May 2014

      图 5a是对粒径D < 1.2 mm进行每分钟大气垂直运动速度订正后的雨滴分布n′(Di, Vj) 与图 4静止大气Vb-Da曲线的比较图,图中折线是n′(Di, Vj) 中速度平均值的连线,与最大密度值基本相同,图 5b是PARSIVEL小粒径时的平均测速误差值随粒径的分布及拟合曲线。式 (5) 为平均测速误差ΔV随粒径分布

      (5)

      图  5  小粒径测速误差分布订正曲线

      Figure 5.  Velocity error distribution of small particle

      用式 (5) 对测得的速度进行订正后,得到订正后的雨滴分布,图 6a给出层状云降水测速数据订正后的雨滴分布与Vb-Da曲线比较,小粒径的测速数据已得到订正与Vb-Da曲线较接近,在1 mm附近仍有小差异。与图 3a相比,雨滴谱分布也得到很好改进。

      图  6  测速修正后的雨滴分布和Vb-Da曲线

      Figure 6.  Velocity revised of small particle and Vb-Da curve

      图 6b给出对流云降水测速数据按式 (5) 订正后的雨滴分布和Vb-Da曲线比较。与图 3b相比,尽管小粒径部分得到订正,但仍偏高于曲线,而在1~ 2 mm中仍有偏低现象,其可能原因是对流云降水中大气垂直运动较强且不稳定随时间变化较大所致。

      采用与层状云降水计算大气垂直运动相同方法,计算2014年5月10日对流云降水1.4 m高度的每分钟平均大气垂直运动速度。图 7表明,对流云降水近地面大气垂直速度变化范围比层状云大得多,从0.8 m·s-1到-0.6 m·s-1,瞬时变化的垂直运动速度可能还要大。由图 7可知,粒径0.937 mm通道粒子数峰值 (虚线标出) 多出现在下沉运动区,而粒径1.375 mm通道的粒子数峰值区 (虚线标出) 多出现上升气流区。这可能是图 6b中直径1~2 mm间仍存有负偏差,小于1 mm仍存有正偏差的解释。

      图  7  对流云降水0.937 mm粒子数 (a) 和1.375 mm粒子数 (b) 与近地面大气平均垂直速度关系

      Figure 7.  Relatioships between the number of 0.937 mm particles (a), the number of 1.375 mm particles (b) of convective precipitation and the average vertical velocity of the air motion near the ground

    • 早期滤纸色斑方法、撞击型雨滴谱仪等仅获得等效粒径分布,在假设近地层大气垂直运动为零时,由粒子的静止大气下落末速度和粒径关系计算雨滴浓度,得到雨滴谱分布。PARSIVEL获得雨滴粒径分布的同时,得到下落速度,可直接计算雨滴谱。

    • PARSIVEL用采样时间T内和取样面积S上获得的雨滴分布n(Di, Vj) 计算雨滴浓度谱密度。Jaffrain等[19]给出PARSIVEL有效取样面积的计算方法,雨滴谱分布为

      (6)

      式 (6) 中,LW分别为激光光束的长和宽,Di是第i个通道的粒径值 (单位:mm)。

      雨滴谱分布通常用等效直径的雨滴浓度分布表示。目前用PARSIVEL计算雨滴谱分布通常有两种方法:方法1将PARSIVEL测得的粒径改为等效直径后,通过假设静止条件下的雨滴下落速度计算雨滴谱分布[20],方法2直接利用PARSIVEL的粒径和下落速度计算雨滴谱分布[8, 12]。前者假定静止大气会带来误差,后者不考虑测速订正也会带来较大误差。按本文提出的方法对速度进行订正,同时将测得的粒径改用等效直径计算雨滴谱分布,给出较为合理的方法3。通过数据订正,有利于雨滴谱分布的进一步研究。

      对层状云降水1 min数据雨滴谱分布进行比较,发现大雨滴部分浓度变化不大,小雨滴部分方法1浓度最大,方法2浓度最小,方法3与方法1相近,而对流云中大雨滴浓度变化不大,小雨滴部分方法1浓度最大,方法2浓度最小,方法3浓度比方法1小,可能受到环境大气的下沉运动影响较大。

    • Jameson等[21]认为雨滴谱分布是雨滴碰撞、凝结和破碎的综合作用结果,短时间内获取的雨滴谱分布有较大的随机性,用10~15 min的平均雨滴谱分布更为稳定可靠。

      在假设雨滴谱分布服从Gamma函数条件下,利用10~15 min雨滴谱分布N(D) 的2阶矩,4阶矩和6阶矩估算Gamma分布的平均3个参数:形状参数μ、斜率参数Λ及浓度参数N0[22]

      2014年5月8日层状云降水取样时间内雨滴谱仪获得的24 min雨滴分布数据划分为两个时间段,通过阶矩法分别对两时段订正前和后的雨滴分布数据计算获得Gamma分布3个参数。同样2014年5月10日对流云降水取样时间内的60 min数据划分为4个时间段,求得3个参数。表 1给出层状云降水取样时间内各时段订正前后的Gamma分布3个参数比较,发现订正后的浓度参数增加,斜率参数增加,形状参数减少。表 2对流云降水取样时间内各时段订正前后的Gamma分布3个参数比较,发现订正后的Gamma分布浓度参数明显增加,斜率参数增加,形状参数增加。两类降水订正后的浓度参数和斜率参数明显增加,形状参数变化不明显。

      表 1  层状云降水Gamma函数3个参数订正前后比较

      Table 1.  Three parameters of the Gamma distribution before and after correction of the stratiform precipitation

      时间 订正前 订正后
      N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1 N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1
      20:18-20:29 1.98×104 3.98 5.07 2.58×104 3.71 5.19
      20:30-20:41 3.55×104 3.51 5.40 4.48×104 3.20 5.50

      表 2  对流云降水Gamma函数3个参数订正前后比较

      Table 2.  Three parameters of the Gamma distribution before and after correction of the convective precipitation

      时间 订正前 订正后
      N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1 N0/(m-3·mm-1-μ) μ Λ/mm-1
      19:00-19:14 1.20×103 -0.25 1.41 1.70×103 -0.07 1.63
      19:15-19:29 1.59×103 0.21 1.34 2.22×103 0.27 1.52
      19:30-19:44 2.08×103 0.54 1.51 2.94×103 0.73 1.73
      19:45-19:59 2.22×103 0.06 1.34 3.08×103 0.15 1.52
    • 1) PARSIVEL在测量粒子直径及其下落速度时,速度随直径的变化曲线与Atlas-Ulbrich曲线存在偏差,偏差来源有3个:雨滴的形变及PARSIVEL测速原理造成大粒径部分测速偏大,小粒径部分有较大的测速误差,所在高度 (1.4 m) 上大气垂直运动对雨滴下落速度的影响。

      2) 应用雨滴形变后的长、短轴及等效粒径关系,联合PARSIVEL测量雨滴直径 (长轴) 和测量雨滴速度 (短轴) 原理,得到适用于激光雨滴谱仪的Atlas-Ulbrich修正曲线,Atlas-Ulbrich修正曲线更接近地面雨滴谱实测数据,对大粒径分布描述合理。

      3) 层状云降水时大气垂直运动稳定且较小,运用D>1 mm的雨滴下落速度与Atlas-Ulbrich修正曲线求出每分钟的平均大气垂直运动速度,进而得到小粒径的仪器测速误差,对小粒径测速数据进行订正,订正后的雨滴分布数据与Atlas-Ulbrich修正曲线一致性较好。

      4) 在距地1.4 m高度上,PARSIVEL测量中存在大气垂直运动,层状云降水平均大气垂直运动速度为-0.3~-0.1 m·s-1,中等性对流云降水为-0.8~-0.6 m·s-1,应用静止大气的粒径速度估算雨滴谱分布误差较大。同时也可以使用PARSIVEL数据计算近地面大气垂直运动速度。

      5) 雨滴速度实际影响了雨滴谱分布的计算,比较订正前后的雨滴谱分布发现,小粒径浓度增加,大粒径浓度减少。用Gamma分布描述雨滴谱分布时,浓度参数N0增加,斜率参数Λ增加,形状参数μ变化不明显。

参考文献 (22)

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