Page 110 - 《高原气象》2022年第6期

6 期 彭 旺等：柴达木盆地东北缘山区和平原区雨滴谱特征对比研究 1473
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测设备，可以准确获取降水粒子的粒径、降落速 ∆Di的粒子浓度（单位：mm ·m ）； ρ w =1. 0 g·m ，表
2
度、反射率因子和数浓度等信息。OTT-Parsivel 激 示液态水密度。通过 N（Di）可以计算雨滴数密度 N
光雨滴谱仪将粒径和速度按不等距间隔分为 32 个 （单位：m ）、反射率因子 Z（单位：dBZ）、降雨强度
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档，粒径测量范围 0. 2~25 mm，测量速度范围 0. 2~ R（单位：mm·h ）和液态水含量W（单位：g·m ）。
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20 m·s 。仪器采样频率设置为1 min。 32
N = ∫ N ( Di )∆Di （4）
2. 2 观测数据与方法 i = 1
32
因 雨 滴 谱 仪 前 两 个 直 径 通 道（0. 062 mm 和 Z = ∫ N ( Di ) D i ∆Di （5）
6
0. 187 mm）信噪较低，研究中未采用，分析利用的 32 i = 1 32
3
最小可探测直径为 0. 312 mm。考虑到自然情况下 R = 6π 4∑∑ v j N ( Di ) D i ∆Di （6）
10 i = 3 j = 1
实际降水粒子的大小，探测直径大于 7 mm 的粒子 32
3
予以剔除（黄兴友等，2019）。对于每一个 1 min 样 W = 6ρ w ∑ N ( Di ) D i ∆Di （7）
6000
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本总雨滴数小于 10 或降雨强度低于 0. 01 mm·h 被 j = 3
利用雨滴谱分布模型 Gamma 分布来描述雨滴
认为没有降雨发生，并从数据中剔除。
谱 的 分 布（Ulbrich and Atlas，1998；Bringi et al，
观测过程中，因强风、湍流、飞溅的雨滴包括
2003），Gamma分布模型为：
多个雨滴的重叠等会导致部分大雨滴与小雨滴的
N ( D ) = N 0 D exp (-λD ) （8）
μ
下降速度会产生不切实际的缓慢和迅速（Friedrich
第n阶矩定义为：
et al，2013；Yuter et al，2006）。为了识别和消除这
∞ Γ ( μ + n + 1)
些可疑数据，基于公式（1）和（2）中所示的理论直径 M n = ∫ D N ( D )dD = N 0 λ μ + n + 1 （9）
n
大小和下落速度关系的质量控制方法（Atlas et al， 0
利用 3、4 阶矩可得到雨滴的质量加权平均直
1973），超出经验下降速度与直径关系 60% 以上或
径D（单位：mm）：
以下的雨滴会从1 min的雨滴谱仪数据中剔除。 m
δ(h) = 1 + 3.68 × 10 h + 1.71 × 10 h 2 （1） D M = M 4 （10）
-5
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M 3
1 10.3
D = ln （2） 由质量加权平均直径 D 和液态水含量 W 计算
0.6 9.65 - Vt/δ( ) h m
广义截断参数N（单位：mm ·m ）：
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式中：D（单位：mm）和 V（单位：m·s ）分别是雨滴 w ρ w π( )
t
4
3
粒径和下落速度； δ(h) 是空气密度调整校正系数； N w = 4 10 W （11）
4
h为观测点的地形高度。 D m
单位体积、单位尺度间隔的粒子数浓度计算公 3 结果和讨论
式如下：
32 山区站观测总计降水时长为 67 h 15 min（4035
n ij
N ( Di ) = ∑ （3）
j = 1 A·∆t·∆Di·V j· min），平 原 站 观 测 总 计 降 水 时 长 为 42 h 18 min
式中：n 代表尺度第i档、速度第j档的雨滴数；A和 （2538 min），其中以系统性降水为主，占比均超过
ij
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2
∆t分别代表采样面积（单位：m）和采样时间（单位： 98%。 按 小 雨（0. 01~2. 5 mm·h ）、中 雨（2. 5~8
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s）；Di代表第i档的中值直径（单位：mm）； ∆Di代表 mm·h ）、大雨（8~16 mm·h ）和暴雨（>16 mm·h ）
对应的直径间隔（单位：mm）；V 代表第j档雨滴的下 4个降雨强度等级进行分类统计（张培昌等，2000），
j
落末速度（单位：m·s ）；N（Di）代表直径 Di 至 Di+ 如表1所示。
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表1 不同降雨强度等级统计结果
Table 1 Statistical results of different rain rate levels
山区站 平原站
降雨强度R
样本数 平均值 标准差 雨量占比 样本数 平均值 标准差 雨量占比
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/ （mm·h ）
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-1
-1
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/个 / （mm·h ） / （mm·h ） /% /个 / （mm·h ） / （mm·h ） /%
0. 01<R≤2. 5 3840 0. 39 0. 48 52. 27 2459 0. 31 0. 43 50. 9
2. 5<R≤8 169 3. 83 1. 21 22. 59 66 3. 49 0. 89 15. 38
8<R≤16 11 10. 8 2. 02 4. 14 9 12. 87 2. 45 7. 73
16<R 15 40. 93 20. 29 21. 43 13 29. 66 9. 04 25. 75
合计 4035 0. 71 2. 93 100. 00 2538 0. 59 2. 41 100. 00