一次典型飑线过程降水雨滴谱特征对比研究

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飑线是一种线状或带状排列的中尺度对流系统(MCS),常常具有明显的对流区和层状区结构。这些区域的热动力机构存在较大差别,相应降水的形成机制也不尽相同。气象学者历来十分重视对飑线的研究,但以往研究多集中在对飑线的发生条件、组织方式、生命史演变、雷达回波特征、中尺度结构、数值模拟等方面。对于飑线降水过程的微物理特征(比如,雨滴谱RSD特征)的观测研究并不是很多。而对于飑线降水在不同站点雨滴谱观测结果对比,更是几乎没有。2014年07月30至31日,在我国东部地区出现了一次强烈的飑线天气过程,河北、山东、河南、安徽、江苏等地先后收到了此次飑线的影响。30日飑线发生前,受到影响的各省、市(县)、气象局多次发布雷雨、大风预警。山东、安徽、江苏等省多地出现强降水天气,部分地区降水达到暴雨量级,局地出现内涝,严重影响人民的正常生产生活。合肥站雷达回波演变图显示,此次飑线移动到安徽滁州地区时,已经发展到成熟阶段,具有明显的结构特征:前部线状对流区,后方宽广层云回波内存在次强回波区,以及两者之间的弱回波过渡区。当飑线移动到江苏南京地区时,已经接近消亡,但是仍然引发了雷电,大风,强降水等天气。位于滁州和南京两地的雨滴谱仪较为完整地记录了此次飑线过程在不同发展阶段降水的雨滴谱变化特征。本文结合多普勒雷达资料和收集到的雨滴谱资料,对比研究了滁州和南京两地的飑线对流区降水雨滴谱特征差异。结果表明:(1)飑线在滁州引发的对流性降水相比于在南京的降水,粒子浓度更高,各种特征直径如平均直径Da、中值直径Dnd、体积中值直径D0也均更大,说明成熟阶段的飑线产生的降水不仅粒子浓度丰富而且粒子尺度还更大。飑线在南京引发的对流性降水1mm以下粒子浓度所占比例为73.61%,对降水贡献为4.59%,要高于滁州的51.34%和对降水贡献3.13%。(2)飑线降水强度的增大即与粒子浓度增加有关,还较多的受大个粒子数量影响。成熟阶段和消亡阶段的飑线降水雨强增大的机制存在差异:成熟阶段对流性降水雨强和反射率因子的增大即与粒子浓度增加有关,还与降水粒子中大个粒子数量增加有关,消亡阶段对流性降水雨强和反射率因子的增大主要与粒子浓度增加有关,粒子尺度影响相对较小。(3)飑线不同发展阶段降水雨滴谱谱型存在较大差异:滁州对流性降水雨滴谱更宽,滁州地区降水粒子中有最大直径在7.5mm以上的;0.6mm以下粒径段粒子浓度,南京降水更大。(4)Gamma分布拟合结果显示,滁州降水平均雨滴谱形状因子μ,斜率因子λ和log10(N0)均要大于南京降水平均雨滴谱拟合值,并且南京降水形状因子μ小于零,反映了云内碰并增长和大滴在下降过程中破碎的真实特征。(5)南京对流性降水Dm值更大,但是Dm质量加权分布标准差σM却是滁州对流性降水要更大,也即是说滁州对流性降水雨滴谱要更宽。(6)滁州和南京两地降水雨滴谱Gamma分布拟合参数μ,λ和log10(N0)随时间变化存在较大差异。滁州地区对流性降水,随着雨强的逐渐增大,log10(N0)有逐渐增大并趋于稳定趋势,λ、μ有逐渐减小的趋势;而南京地区对流性降水雨滴谱斜率参数λ复杂多变,说明消散阶段的飑线降水相对于成熟阶段降水性质反而更加不稳定。(7)利用归一化Gamma分布对两地降水雨滴谱进行拟合,南京降水雨滴谱形状因子更接近0,降水雨滴谱更接近M-P指数分布。这些特征丰富了对飑线降水微物理结构的认识,对改进数值模式当中降水微物理过程描述,提高对飑线过程的模拟与预报具有重要意义。
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