两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。

基于二维雨滴谱仪的巴彦淖尔地区降雹谱个例分析

布设在内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县气象局的二维雨滴谱仪(2DVD)在2020年7月27日观测到一次含雹混合降水事件,基于粒子直径与本地下落末速度对2DVD数据质控后,分析了此次过程不同直径-速度和不同直径-轴比下的粒子数量分布以及粒子谱、中值体积直径、质量加权平均直径、粒子数浓度和降水强度等参数随时间的演变。结果表明:(1)直径0.1~0.5 mm的雨滴实测下落末速度偏大于经验公式计算的下落末速度,直径5~10.4 mm的冰雹粒子下落速度为5.5~11.6 m·s^(-1),直径小于6 mm的冰雹粒子下落速度分布较广。直径0.1~2 mm的小雨滴轴比为0.9~1.1,直径2~5 mm的大雨滴轴比为0.7~1.0,直径5~10.4 mm的冰雹粒子轴比为0.5~1。(2)本次降雹类型为先雨后雹,雹雨混降,雹后持续降雨,冰雹谱谱宽为10.4 mm。逐分钟降水粒子谱存在3个直径极大值,在降水和降雹之间存在短暂的无降水,谱宽和粒子数浓度随时间同时增大和减小,并在降雹阶段,各参数陡增至峰值。(3)冰雹谱分布呈单调递减型,通过M-P分布函数分段模拟了降雹时段的雨滴谱和冰雹谱,模拟的粒子谱大于2DVD实测的粒子谱,且模拟雨滴谱与实测谱的数浓度对数均方根误差为1.02,模拟冰雹谱与实测谱的数浓度均方根误差为2.21。

激光雨滴谱仪在降水观测中的应用研究及数据可用性评估

文章主要研究了激光雨滴谱仪探测原理、雨滴谱形成机制及降水现象识别判断方法,通过对2018年江苏省70个气象台站雨滴谱仪识别判断的降水类型数据与人工观测数据进行统计比对分析,从准确性(捕获率、漏报率、错报率、空报率和起止时间绝对误差)和一致性(起止时间差15 min或以内、15 min以上)等方面进行数据可用性评估。

雨滴谱仪与风廓线雷达反射率对比试验

针对风廓线雷达估算的反射率数据需要进行验证。开展雨滴谱仪与风廓线雷达反射率对比试验,通过两种不同探测设备观测数据的对比,以验证风廓线反射率数据的可靠性和可用性。结果表明：确定了以风廓线低模360~1440 m采样体积内的反射率与3 min雨滴谱反射率数据对比方法能最大程度的减少时空差异;在雨滴谱仪反射率小于40 dBz时,对应的风廓线雷达反射率数据是可靠和可用的;同时由于风廓线雷达有限的动态范围造成反射率低估的现象,使得风廓线雷达反射率在大气垂直结构以及微物理特性等方面应用受到一定的局限性。

激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

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-U1-brich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。

Parsivel激光雨滴谱仪观测较强降水的可行性分析和建议

为了研究OTT-Parsivel激光雨滴谱仪(简称Parsivel)在较强降水观测中应用的可行性,用南京地区2012年6—7月份4个典型的降水个例,对Parsivel和SL3-1翻斗式雨量计(简称雨量计)的累积降水量、降水强度观测资料进行对比分析,并与人工雨量筒观测作以比较。结果表明:Parsivel测值是可信的,在累积降水量观测上,与雨量计具有很好的相关性,但测值始终偏高,该现象主要是粒子相互遮挡造成的。雨量计的反应时间,明显滞后于Parsivel。雨量计测值接近人工测值;而Parsivel与人工测值的偏差明显大于雨量计。结合实验分析与业务应用,提出3点使用建议:(1)仪器应架设在无遮蔽物的开阔地带。(2)采样周期应随着降水强度(地理位置)的不同而改变。(3)对降水微物理参量特征以及粒子谱分析时,可剔除直径过大、速度很低的粒子。

自动激光雨滴谱仪在雷达降水估测中的应用

利用Parsivel激光降水粒子谱与地面雨量计对2008年9月9号山西的一次混合降水天气过程进行分析,根据汾阳、介休两站的雨滴谱资料,利用最小二乘法拟合出反射率因子Z与雨强I的关系Zott=159Iott1.5,利用最优化关系法计算出地面雨量计与雷达反射率因子的关系Zrad=200Irain1.2,WSR_88D中默认的关系ZDef=300I1.4,然后分别利用3种Z-I关系对此次降水过程进行估测,计算过程累计雨量,并将估测降水结果与地面雨量计实测结果进行对比。结果表明:利用雨滴谱关系的估测降水效果最好,利用雨量计关系的估测降水结果次之,默认关系计算结果最差;第一者相对第二者提高4%左右,相对第三者则提高近18%左右。

Parsivel与LNM激光雨滴谱仪降水观测的差异

为研究Parsivel与LNM两种激光雨滴谱仪观测性能的差异,通过分析北京南郊观象台试验场地的两台激光雨滴谱仪2014年7—11月(北方雨季条件下123天)的观测数据,并辅以同期的人工观测作为参考标准,将上述两种设备的累积降水量、起止时间、粒子采样信息等采集数据进行对比。分析结果表明:LNM激光雨滴谱仪较Parsivel激光雨滴谱仪的反映时间短,总是提早观测到降水现象的发生。Parsivel激光雨滴谱仪粒子等级信息较为丰富,同一降水过程中,Parsivel输出的粒子直径比LNM大。在降水量方面,两台设备与翻斗雨量计的结果基本一致,但累积降水量大于10mm时,LNM累积降水量的输出值明显大于Parsivel。

利用激光雨滴谱仪检验消(减)雨作业效果

为了有效地检验人工影响效果,设计了地面火箭和飞机催化作业方案,分析了2009年秋季的雨滴谱观测资料。计算了火箭作业点相对于激光雨滴谱仪的距离和方位,为了便于实际作业指挥中的灵活应用,将结果标注在多普勒雷达的地图上。分析了10次降水过程共5338min的雨滴浓度资料。结果显示,秋季积层混合云的雨滴浓度小于500个的占87.6%,而大于3000个的浓度出现几率很低,不同过程雨滴浓度分布有明显差别;2009年10月16日降水过程出现最大雨滴浓度6003个,部分原因可能与火箭消减雨催化作业有关。

雨滴谱仪和天气雷达观测的反射率因子对比分析

利用Parsivel雨滴谱仪和新一代天气雷达对2012年沈阳地区一次短时暴雨过程进行了对比观测,对雨滴谱仪观测资料计算的反射率因子ZP进行分档统计,并与雷达RHI扫描资料计算的反射率因子Z进行对比分析。结果表明:对于2012年沈阳地区此次暴雨过程,雷达观测的回波强度存在低估现象,雨滴谱仪计算的各档反射率因子ZP均大于雷达观测的反射率因子Z;应用雷达单点和3点平均值进行统计,雷达观测的反射率因子分别平均偏低约8.30 dBz和8.64 dBz;观测仪器取样范围、资料时空匹配及谱宽变化是造成雨滴谱仪和天气雷达观测的反射率因子不一致的主要原因。

一种激光雨滴谱仪小雨滴检测方法

针对激光雨滴谱仪中接收端信号非常微弱、小雨滴信号容易受噪声干扰的特点,为提高系统的信噪比和小雨滴检测能力,基于微弱信号检测原理,优化前端模拟电路设计,采用数字锁相放大(DLIA)技术,构建了以OMAP3530的DSP Core为核心的数字锁相放大器。系统结构简单、易于实现,可以避免模拟器件的零漂、非线性等问题。仿真结果表明:这种数字锁相放大器能实现微弱信号的恒定放大,抑制了对带外噪声的放大,提高了信噪比(SNR),能有效提高激光雨滴谱仪的小雨滴检测能力。

深圳地区Parsivel雨滴谱仪与SL3-1雨量筒对比分析

为深入研究Parsivel激光雨滴谱仪在深圳暴雨多发天气条件下的适应性情况,选取了2015—2016年共2年的降水过程为研究对象,将降水过程按小时最大雨量分为5类:0~10、10~20、20~30、30~40、40~60 mm。分别利用激光雨滴谱仪和SL3-1雨量筒测得的分钟雨量进行一致性对比分析,结果表明:在不同降水量级中,激光雨滴谱仪和雨量筒都有比较好的一致性关系。当分钟雨量较大时(>2 mm),激光雨滴谱仪测得的结果会出现偏大或者偏小的情况,这主要是由于测量原理产生的误差。以上结果表明激光雨滴谱仪是能够适应深圳市暴雨频发的天气条件的。

运用激光雨滴谱仪分析微喷带水量分布特性

微喷带水量分布均匀性直接影响微喷带灌溉质量,激光雨滴谱仪能够测量降雨强度、雨滴粒径大小和雨滴降落速度,以国内常见的机械打孔、内径为32 mm的微喷带为研究对象,通过调节工作压力和喷射角度,运用激光雨滴谱仪测取降雨强度,分析压力和喷射角度对微喷带单孔降雨强度的影响,并运用水量分布均匀系数通用公式计算Cu。结果表明,随着喷射角度的增大,灌水强度先减小后增大;压力越大,微喷带单孔喷洒降雨强度越小;垂直微喷带距离0.3、0.6、1.5、1.8、2.1 m处,压力越大,降雨强度越小,降雨强度峰值位置在1.2 m处的水量分布均匀系数Cu值较大。

激光雨滴谱仪尺度测量精度的设计与应用

强降水时降雨量测量偏差较大是激光雨滴谱仪在应用中的普遍问题需要被改善。以探测源头激光器为着眼点,深入研究其特性,针对雨滴谱仪应用原理,采取了光栅设计、优化处理算法和尺度标定措施,以加强降雨粒子尺度测量精度,实现了在强降水过程中较小的测量偏差。经过国内多地强降雨的实际观测检验,结果表明:该雨滴谱仪尺度测量精度的设计,实现了强降水过程中降雨量测量精度平均绝对偏差6%左右,最大偏差不超过10%的目标;设备经受住了台风过程中的强降雨考验,取得了较好的观测和应用效果。

GBPP－100型地面雨滴谱仪测量的可靠性

用ＧＢＰＰ－１００型地面雨滴谱仪与吸水纸斑，点法进行同步观测，对比分析ＧＢＰＰ－１００型地面雨滴谱仪测量的可靠性。结果表明：（１）两种方法测量雨滴谱所得资料除平均直径、均立方根直径相似性稍差外，其它特征量的线性相关显著性水平均为０．００５；（２）两种方法所得雨滴谱资料除平均直径、均立方根直径、降水强度稍有差异外，其它特征量均无显著差异。

激光雨滴谱仪在山东的布设和初步应用

在介绍了激光雨滴谱仪的工作原理、主要技术指标、用途及仪器存在的优缺点等内容基础上,着重介绍了该仪器在山东的总体布设情况和实际应用的主要技术思路。归纳了山东利用获取的激光雨滴谱仪资料开展的一些研究工作和取得的初步成果。根据业务和科研的需求,初步提出了有关激光雨滴谱仪资料需要深入应用和研究的方向。

利用激光雨滴谱仪对一次雨转雪过程分析

不同相态降水粒子的地面雨滴谱具有不同特征。本文利用HSC-PS32激光雨滴谱仪和人工加密观测资料对2014年11月30日发生在沈阳的一次雨转雪天气过程进行了初步的分析,研究了降水相态转换时,其雨滴谱特征的演变。结果表明:受蒙古气旋影响,该过程经历了不同的降水相态,包括雨、雨夹雪和雪。这3种降水相态对应着不同的滴谱特征。具体表现为降雨阶段,粒径小、谱宽较小;雨夹雪阶段,谱宽增大;而降雪阶段,粒子直径大、维持较宽谱宽。不同降水相态的平均雨滴谱相对较近,经历了单峰到波动的演化过程。从波峰对应的粒子直径的角度来看,雨小于雨夹雪,雨夹雪小于雪。降雨阶段粒子数浓度最大,降雪阶段粒子谱宽最大。

基于激光雨滴谱仪的降雨特征研究

激光雨滴谱仪的应用对于更清楚地认识自然降水的发展演变过程具有重要意义。利用激光雨滴谱仪记录不同模拟降雨条件下的降雨特征,分析雨滴谱,计算雨滴动能,并与自动气象站的测量降雨装置进行对比分析发现,激光雨滴谱仪测量值相对于自动雨量计测量值整体偏低,但两者观测到的每分钟降水量变化趋势基本一致。雨滴谱分析结果显示,雨滴平均直径与总动能、雨强相关性甚微,与雨滴数量呈负相关;雨强与降雨总动能、直径0.25~6.00 mm雨滴动能在0.01水平(双侧)上显著相关;直径0.25~6.00 mm雨滴动能对总动能贡献最大,占总动能的99%以上;5 min总动能与5 min雨强之间关系密切。

基于激光雨滴谱仪的C波段天气雷达回波衰减订正方法研究

通过雷达气象方程推导C波段天气雷达回波衰减率k与雷达反射率因子Z之间的指数关系。联合利用激光雨滴谱仪、雨量计和天气雷达实况数据,反演不同季节、温度和雨滴谱类型条件下k^Z关系的a,b系数。根据不同降水类型选择合适的k^Z关系进行自适应的C波段天雷达回波逐库累积衰减订正。使用2017~2018年内蒙古自治区呼和浩特市C波段天气雷达实况探测数据和土默特左旗、托克托县、和林格尔县以及武川县4站激光雨滴谱仪观测数据深入分析该地区不同降水类型条件下的k^Z关系。选取发生在呼和浩特的一次典型强对流降水过程C波段天气雷达探测数据进行雷达回波衰减订正,并与地面雨量站数据进行误差对比实验分析。实验结果表明:使用所提的衰减订正方法获取的雷达反射率因子值,无论在径向距离方向上还是在垂直高度方向上,其均方根误差远小于传统衰减订正方法。综上所述,基于激光雨滴谱仪的C波段天气雷达回波衰减订正方法总体订正效果优于传统衰减订正方法,该方法可以进一步推广应用到其他地区。

激光雨滴谱仪降水量反演及误差修正

对激光雨滴谱仪监测的降水粒子粒径、末速度、粒子数等信息进行分析,得到降水粒子的粒径-末速度函数和雨滴谱等关系函数。通过计算得到的降水强度与气象数据对比,得到误差函数;根据误差函数建立降水量反演算法,对降水强度进行修正得到修正后降水强度和降水量,修正后降水量误差减少了10%以上,最后给出降水类型的判断方法.