基于地基云雷达资料的淮南地区云宏微观特征研究

发布时间：2020-06-02 10:07

【摘要】：云在气候系统中扮演重要角色,对地气系统的辐射传输、能量平衡以及水循环都有重要影响。对云宏微观特征的研究,对深入理解云在气候变化中的作用,改进模式中云的参数化过程,以及人工影响天气有着重要的意义。文章基于地基云雷达以及地面微波辐射计2015年3月1日~2016年2月28日的观测数据,对淮南地区云的宏观特征进行了统计分析;进一步研究了该地区冰云、水云的微物理特征量的垂直分布和季节变化;并通过分析一次弱降雨过程和一次降雪过程的云层宏、微观特征,对降水前后云层垂直结构演变、云层含水量、粒子有效半径变化特征进行了探讨,主要结论如下:(1)淮南地区云底在距地面2.5 km和7.0 km处出现频率达到峰值,而云顶在距地面2.5 km和8.5 km处出现频率达到峰值。云层厚度分布频率随厚度增加而降低,其中80.2%的云层厚度在2.0 km范围内。四个季节云底、云顶和云层厚度都有一定的日变化特征,以春、秋季最为明显。春、秋季云底、云顶高度在日出之后先缓慢降低,午后开始持续升高,云层厚度在夜间略高于白天。所有云中高云出现频率最高,为57.8%,中云、低云出现频率依次降低,分别为32.9%和8.8%。中云的平均厚度最大,为1.5 km,低云厚度为1.0 km,高云厚度最小,为0.9 km。一年中单层云出现频率最高,随着云层数的增加,两层及其以上云的出现频率逐渐降低。夏、秋季节多层云出现频率高于春、冬季节。(2)从概率函数分布来看,冰/水云含水量及其粒子有效半径的分布基本为单峰型。冰云冰水含量的范围在0.35 g/m~3以下。夏季92.96%的值都分布在0~0.2g/m~3之间,而春、秋、冬季90%左右的值分布在0.1 g/m~3以下。液态水含量范围在0.1~0.7 g/m~3之间。春秋冬季液态水含量在0.25~0.3 g/m~3范围、夏季在0.35~0.4g/m~3范围之间出现频率最高。冰云粒子有效半径的值基本分布在40~75μm之间。夏季冰云粒子有效半径79.15%集中在55~65μm。而春、秋、冬季集中在50~60μm,占比为70%左右。水云粒子有效半径的值均在7μm以下,粒子有效半径在4.0~5.0μm分布概率较高。从垂直分布来看,夏季冰水含量在不同高度上的平均值值远大于其他三个季节。冰水含量从低空开始随高度增加而增加,最大值位于6.5~8.0 km之间,夏季的值最大,为0.133 g/m~3。液态水含量垂直变化四季差异较小,液态水含量随着高度增加而增加,最大值位于1.7~2.0 km,最大值在0.47g/m~3左右。冰云粒子有效半径不同高度上的平均值在夏季明显大于其他三个季节。春、夏、秋、冬四个季节冰云粒子有效半径随高度增加而增加,分别在6.27 km、11.76km、7.5 km、6.69 km处达到最大值,最大值对应为53.1μm、60.7μm、55.71μm、52.56μm,夏季的值最大。水云粒子有效半径垂直变化四季差异不大,随着高度增加,有效半径呈现逐步增大的趋势,最大值位于1.7~2.0 km高度上,最大值在4.9μm左右。(3)毫米波云雷达具有高时空分辨率,能够精细化探测弱降雨云层结构,为预测云的发展及研究云的宏微观特征提供良好的支撑。此次弱降雨过程混合相云存在回波强度、多普勒速度和多普勒速度谱宽三条亮带,多普勒速度谱宽亮带高度低于多普勒速度亮带高度,多普勒速度亮带高度低于回波强度亮带高度。混合相云存在“播撒-供给”的垂直结构。混合相云降雨最旺盛阶段存在一定过冷水,其垂直分布是不连续的,分布范围也比较广。此次弱降雨过程层状云阶段随着降水系统的靠近,云中含水量增加,粒子半径逐渐增大。在层状云降雨前云中粒子半径和液态水含量分别达到13.5~285.2μm和0.22~0.57 g/m~3,在降雨阶段云中二者达到最大值。由于降雨带走大量水汽,降雨后云层含水量急剧减小,粒子也变小,反演的粒子有效半径为6.94-95.73μm,液态水含量为0.096-0.646 g/m~3,整体来看降雨前云中含水量和粒子有效半径均大于降雨后。(4)对于降雪云层的分析结果表明,毫米波云雷达能对降雪系统进行精细化探测,掌握降雪云层的宏微观特征。此次降雪过程回波强度最大值代表云系中最大含水量区域。在降雪最旺盛时期回波强度随高度下降逐渐增加且出现多个峰值,这是不同高度风速不同造成的。在降雪初期和降雪系统消散阶段,雪粒子含水量小于0.03 g/m~3。在降雪旺盛期,雪粒子含水量在0.001~0.104 g/m~3之间。降雪量反演结果表明此次降雪量在21日的00:00时最大,为0.89 mm/h。这些数据可以为改进云参数化和人工影响天气中评估降雪潜力提供一定的依据。
【图文】：

示意图,大气物理研究所,综合试验,淮南

全年日照时数 2279.2 h，无霜期为 224 天。图 2.1 大气物理研究所淮南气候环境综合试验站（HCEO）示意图2.1.2 毫米波云雷达参数本研究中使用的是中国航天科工二院 23 所为中国科学院大气物理研究所淮南研究院研制的 HMB-KST 固态毫米波云雷达。该雷达采用单发双收线极化（水平极化发射，，水平和垂直极化接收）、全相参脉冲多普勒体制。雷达工作于 Ka波段，工作频率为 33.44 GHz（波长 8.97 mm），峰值功率 200 W，天线直径 1.5m，波束宽度 0.5°，垂直分辨率为 30 m，时间分辨率约为 0.8 s。该雷达可以使用

比较图,毛毛雨,液态水含量,回波强度

大于-20 dBZ时，Sauvageot和Fox关系式反演结果明显大于Atlas[28]。比较图2.2(a)和图 2.2(b)可以看出，在回波强度相同的情况下，已经发生降水的云内液态水含量明显小于没有发生降水的云内液态水含量。比较 Baedi 和 CLAR 关系式可知，前者比后者反演结果大的多。所以，判断云内是否发生降水将直接影响云内含水量的多少，根据云内粒子有无降水情况选择合适的反演关系式非常必要。本文在此根据 Shupe[57]的研究，取-17 dBZ 为区分毛毛雨和非降水性水凝物的阈值，取 5 dBZ 为区分毛毛雨和小雨的阈值。云中液态水含量的反演采用回波分类法[58]，根据回波强
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P412.25;P426.5

【参考文献】