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对流云总降水量和降水效率估测

陈秋萍 曾光平 冯宏芳 隋平 朱炜灵

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对流云总降水量和降水效率估测

  • 资助项目: 本研究获得科技部2001BA6101-01、05专题和福建省科技厅自然基金项目D0410025及福建省科技厅重大项目2000Z024共同资助
图(2) / 表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2004-05-27
  • 修回日期:  2004-11-04
  • 刊出日期:  2005-04-30

对流云总降水量和降水效率估测

  • 1. 福建省建阳雷达站, 建阳 354200
  • 2. 福建省气象科学研究所, 福州 350001
资助项目: 本研究获得科技部2001BA6101-01、05专题和福建省科技厅自然基金项目D0410025及福建省科技厅重大项目2000Z024共同资助

English Abstract

    • 为使雨量资料和雷达资料在空间上取得较好一致性,设定雷达资料取样原则为:①考虑到距离衰减作用,在50~100 km内使用相同阈值15 dBz (即Zt为15 dBz),小于该强度的回波认为是非降水事件; ②为了使雷达资料在空间上有较好连续性,雷达回波参数值采用5点平均方法。根据上述原则2001年和2002年7~9月在福建省建阳雷达站共收集到与地面自记雨量站 (气象站和自动雨量站) 同步对应的多普勒雷达资料样本223个。多普勒雷达强度产品分辨率为1 km ×1 km。

      为使雷达体扫资料与地面降雨观测资料时间上同步,在收集自记雨量资料时必须考虑雨滴从云底落到地面时间。地面观测经验表明,研究区域7~9月对流云降水时云底高度一般在1000~2000m左右,以中等降水强度水滴直径取1.0~3.0 mm, 下落速度取4.03~8.06 m/s, 则雨滴从云底落到地面时间约为3~6 min, 为此对应与雷达观测时间地面雨量资料相应推迟6 min (即如雷达观测时间为10:00,认为观测到的回波参数值代表 09:57~10:03的回波参数值,则对应地面雨量站资料取10:00~10:06)。

      对流云降水估测的经典方法是建立雷达回波和降水量Z-I关系,即Z=AIB。然而,利用该式估测的降水量往往不够理想。为此,我们建立了如下关系式,即I=A +BiZi(Zi为雷达回波参数,A为常数,Bi为系数)。本文在建立降水量与新一代天气雷达多种回波参数多元回归方程同时还挑选这些参数的变化值 (即前后一个体扫的变化),因为这些变化值表示云体的变化,它与降水有直接的关系。运用C IN RAD产品有如下6个参数:1.5°、2.4°和3.4°反射率因子、回波高度、回波面积、垂直累积液态含水量以及这些参数的变化量。由于这些参数与降水量之间不是呈线性相关,因此在逐步回归之前先分析各单因子和降水量之间取不同变换时的相关性,然后再将相关性最好的变换确定为逐步回归时的变换。经过逐步回归取得降水量 (I) 与各因子的多元回归方程为:

      (1)

      式 (1) 中,X1X3X4分别是扫描仰角为1.5°、2.4°和3.4°时的反射率因子 (单位:dBz); X2X5分别为X1X4的变化量 (单位:dBz); X6为回波高度 (单位:km); X7为垂直累积液态含水量 (单位:kg/m2); X8为≥30 dBz回波面积 (单位:km2)。复相关系数r=0.6965(α<0.001)。

      将式 (1) 和传统的Z-I关系相比较,可以看出本文建立的多元回归方程不仅包含中低层云体反射率因子,还包含它们的变化值; 此外从式 (1) 还可以看出垂直累积液态含水量和回波面积对降水量有一定影响,而且垂直累积液态含水量这一因子的系数在众多因子中最大,表明该因子对降水影响最大。

    • 利用式 (1) 得出对流云降水量与CIN RAD各参数的多元回归方程,估测对流云不同发展阶段降水量和对流云整个生命史的总降水量。

      (1) 单体对流云:2003年8月4日13:00(北京时,下同) 在测站201°、65 km处新生一块对流云单体,尺度3 km2,强度5 dBz, 高度不到5 km, 云底2.5 km, 向偏西方向移动。13:07强度增强为30 dBz, 面积增大为8 km2,30 dBz强度回波面积约3 km2,高度发展到5.6 km, 云底也向下伸到2 km以下。此后云体继续向上向下发展,强度增强,尺度增大,13:13回波及地,13:19云体强度达50dBz, 30 dBz强回波面积约30 km2,是13:07的10倍,此时回波高为7.0 km, 50 dBz最强区处于3.4 km高度附近,最大VIL值为7.5 kg/m2,整块云体液态水总量为2.8 ×108kg, 及地时间约18 min (13:13~13:31)。13:37后回波明显减弱,云底上抬,VIL也降为2.5 kg/m2,整块云体的液态水总量为1.2×108 kg。13:56已基本消亡,生命史50多分钟。图 1是单体移动路线图。单体于13:13~13:25过顺昌县。

      图  1  单体对流云移动路线图

      表 1列出单体经过顺昌站时根据式 (1) 计算出6 min降水量和测站实测值。

      表 1  单体对流云过顺昌站时实测雨量 (I) 和计算雨量 (I)

      表 1可以看出,由式 (1) 计算得出雨量资料与实测值误差在雨量小时误差大。过测站三个体扫时间 (18 min) 实测雨量值共计3.4 mm, 估算值为2.9 mm, 偏少0.5mm, 相对误差为-14.7 %,从这一个例可以看出采用式 (1) 估算的雨量与实测雨量较接近。

      该单体降水时间 (即雷达观测到回波接地时间) 为13:13~13:31,用式 (1) 计算出三个不同阶段整块对流云降水量,发展阶段为8.21 ×103m3,成熟阶段为110.24 ×103m3,减弱阶段仅有4.56 ×103m3。整个生命史总降水量为123.01 ×103m3

      (2) 单体合并对流云:2003年8月31日14:24在测站33°、83 km处新生一块对流云单体,强度10 dBz, 云高4.0 km, 云底3.0 km, 尺度约2 km2,14:30在测站38°、80 km附近另一块强度10 dBz、尺度约4 km2的对流云小单体新生,这两块单体各自在原地附近发展加强。14:54第一块对流单体及地,该云体强度达60 dBz, 最强区位于4~6 km的空中,云高10km, VIL为3 2.5kg / m2,50dBz的回波尺度50 km2。15:00两个单体合并,合并后块体增大,结构更加紧密,单体向西南偏西方向移动,12 min后,50 dBz的回波尺度增大为65 km2,此时顶高达14.5 km, 60 dBz强区位于3.5~6.0 km高度处,VIL为37.5 kg/m2,整块云体的液态水总量为2.72 ×109kg。15:31回波明显减弱消散,强度减弱为50 dBz, 50 dBz的强区面积仅11 km2左右,是15:12的六分之一左右,顶高降到10 km下,最强回波高度降低到4 km以下,VI L也降为12.5 kg/m2,整块云体的液态水总量为6.0 ×108 kg。15:55回波基本消失,生命史100 min左右。图 2是对流云移动路径图。对流云15:06~15:37过浦城县。

      图  2  单体合并对流云移动路径图

      表 2列出两块单体合并后经过测站时根据式 (1) 计算出的降雨量和实测雨量值。从表 2可以看出用方程 (1) 估测对流云经测站降水量在雨小时误差大,随雨强增大相对误差较小,该对流云经过测站6个体扫合计相对误差为-9.4 %。可以认为实测值与估算值吻合较好。

      表 2  对流云经过浦城站时实测降雨量 (I) 和计算降雨量 (I)

      对流云整个过程 (14:54~15:37) 降水量计算值表明,多单体合并对流云成熟阶段每6 min整个云体降水量为105m3量级,最大达4.43 ×105m3。发展阶段和减弱阶段仅为104m3量级,在整个生命史降水总量达到1.456 ×106m3,比单体对流云大一个量级。

    • 本文将降水效率定义为:单位时间内降水量与云内凝结液态水含量之比。

      (2)

      地面降水量I通过式 (1) 计算在Δt时间 (本文为雷达一次体扫间隔时间Δt=6 min) 降水量; Q为Δt时间内云内凝结水汽量,它包括Δt时间内离开云体降到地面降水量I和云内液态水变化量,后者可通过雷达提供垂直累积液态含水量获得。

      由式 (2) 计算2003年8月4日13:00所测的单体对流云在不同阶段降水效率 (表 3)。从表 3可以看出发展成熟阶段Δt时间内 (本文为雷达一次体扫时间即6 min)ΔVIL >0,即在这一阶段由于辐合,云中液态水总量明显增大,而且其降水效率随云体发展增大,发展阶段为4.41 %,到成熟阶段增加到20.93 %和36.13 %,平均为28.25 %,减弱阶段云体处于消散阶段云体降水量明显减少,ΔVIL是负值。

      表 3  单体对流云降水效率

      同样,用式 (2) 计算出了2003年8月31日14:00后多单体合并对流云不同阶段的降水效率 (表 4)。分析表 4可以看出,多单体合并的对流云在成熟阶段降水效率明显大于发展阶段,大于20 %,最大达65.53 %,平均为38.29 %; 无论是发展阶段和成熟阶段均明显大于单体对流云; 与单体对流云一样在减弱阶段由于辐散和下沉作用垂直累积液态水含量明显减少。

      表 4  多单体合并对流云降水效率

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