雨季雨滴尺寸分布的统计特征在中国西北

文摘

雨滴粒径分布(DSD)是具有重要意义的理解微观物理学的降雨过程和定量降水估计(QPE)。然而,在过去,有一个缺乏相关研究新疆在中国西北的干旱地区。在这项研究中,雨季所收集的数据在新疆伊宁的雨滴测量器被用于两年多,和dsd所有样本的特点,对两种降雨类型(对流和层状),和六个不同的降雨率进行了研究。结果表明,近70%的总样本的降雨率小于1毫米·h⁻¹,无论是大陆还是海上对流雨,之间有一个清晰的边界对流雨雨和层状的散点图的标准化拦截参数( )而质量加权平均直径( )。当雨滴直径小于0.7毫米,dsd两降雨基本一致,而当雨滴直径大于0.7毫米,dsd对流降水的层状上方的雨。随着降雨率的增加,增加,而先增加,然后降低。此外,我们推导出(雷达reflectivity-rain率)关系关系(parameter-slope形状参数γ的dsd)适合伊宁地区。这些结论有助于加强干旱地区的降水微物理过程的理解,提高QPE在干旱地区的能力。

1。介绍

雨滴粒径分布(DSD)是降雨研究的重要方面之一,它是很有意义的理解微观物理学的降雨过程和定量降水估计(QPE) [1- - - - - -3]。大量的研究表明,dsd受到气候的影响类型(4- - - - - -6)、地形条件(7- - - - - -9)、降水类型(10- - - - - -12],降水月[13- - - - - -15),和现在不同的特征。

从热带到中纬度地区,许多研究人员已经使用观测数据获得dsd不同的大陆地区的特点。研究人员已经进行了广泛的研究在澳大利亚达尔文(16印度海岸[]17)、韩国(18),台湾(19)、新加坡(20.],俄克拉何马州[21],以及中国南部和东部[22- - - - - -24],具有重要意义的研究结论对于理解当地dsd的特点和改进qp的水平。一些研究人员也使用船舶在海洋观测数据获得dsd在海洋上的特点(25- - - - - -27]。Bringi et al。28]相比dsd大陆和海洋领域的特点并指出质量加权平均直径( )海洋的降雨量小于降雨,大陆和规范化拦截参数( )海洋降水比大陆的大降雨。马等。14在雨季)指出,从5月到10月在北京,7月份的降雨量是最大的是最小的。温家宝et al。(13dsd)研究中国东部的特点,发现dsd显示不同降水类型和不同季节的差异。上述研究扮演着一个关键角色,完全理解dsd的特点。然而,很明显,过去的研究主要集中在季风区域和潮湿的地区,和更少的研究dsd在干旱地区已经限制在干旱地区降水微物理过程的理解。同时,很难提高qp水平在干旱地区。

新疆位于亚洲中部,远离海洋,不直接受季风影响的系统,所以它是一个典型的干旱气候区(29日]。新疆雨数量明显低于中国的季风区域,和降雨强度也低于中国东部和南部[30.]。然而,降雨是至关重要的生态环境,生产,生活在新疆31日]。过去,研究降雨主要集中在新疆的天气尺度系统[31日),中尺度系统[32,33),降雨和环境条件(34,35),缺乏微观物理学的研究降雨的过程。曾庆红et al。(36dsd)使用数据从2020年春天的日变化特征dsd鑫源地区的新疆,发现日变化特征与降水系统有关,山谷风和太阳辐射。然而,只有春天的dsd得到的特点,但研究缺乏雨季的总体特征。本研究侧重于dsd和微观物理学的雨季降雨在新疆的特征。研究结论有利于加强理解微观物理学的干旱地区的降雨过程和提高干旱地区的qp的能力。

2。研究区、数据和方法

2.1。研究区域

本研究的区域是在中国西北部新疆地区,也是位于青藏高原北部(图1)。这个地区是一个典型的干旱地区,著名的塔克拉玛干沙漠和Gurbantungut沙漠。之间的两个甜点是著名的天山。最rainfall-rich区域在新疆,天山地区的天气和气候是很重要的。

2.2。数据

本研究的雨滴测量器数据收集的雨滴测量器新疆伊宁气象台2018年7月至2020年8月(4月至10月,11月到第二年3月主要是降雪,不管)。雨滴测量器的研究是第二代粒子大小和速度(Parsivel)雨滴测量器,这是由奥特Hydromet公司(Kempten,德国)。雨滴测量器发出一个54厘米²激光束,雨滴测量器提供计数/直径(D)和速度(V)类的下降通过激光束在最后一分钟37]。为了减少抽样误差引起的雨滴和太小降雨强度不足,本研究废弃样品与雨滴小于10或降雨强度小于0.1毫米·h⁻¹(12,26]。此外,雨滴直径大于6毫米和下降速度高于或低于60%的Atlas et al。38)经验被丢弃掉velocity-diameter关系(39- - - - - -43]。

2.3。方法

为了获得其他特征物理量的雨滴,在这里我们首先计算使用下面的方程(40,42]: 在哪里(m⁻³·毫米⁻¹)代表雨滴的数量单位体积单位直径区间;(m⁻²)是采样区域;在这里,值是0.0054⁻²;在大小本是雨滴的数量我和雨滴终端速度j;(m·s⁻¹)是雨滴的速度下降jth本计算图谱等。38];(s)是示例,这是60年代;类的传播吗我th垃圾箱。

通过dsd数据,常用的特征物理量雨滴可以推导出41,42),主要包括降雨强度R(毫米·h⁻¹),水含量LWC (g·m⁻³),雷达反射率Z(毫米⁶·米⁻³)。的计算公式如下: 在哪里水的密度,值是1.0 g厘米吗⁻³。

的n阶下粒度分布的时刻表达如下(44]:

γ模型可以很好地描述雨滴谱(45]。同时,不可忽视,一些研究人员提出了不同的看法46,47]。然而,γ模型已经应用在许多研究和验证描述雨滴谱(7,12,19,25,44,48,49),其形式如下: 在哪里(毫米^−−1μ米⁻³), ,和(毫米⁻¹)表示,形状,分别和斜率参数γ分布。矩量法与第三、第四和第六时刻计算 , ,和在这项研究中使用。 的计算公式G如下:

然而,伽马分布的三个参数并不是完全独立的。解决nonindependence伽马DSD模型的参数问题,规范化伽马分布,可以更好地代表提出了雨滴谱(50- - - - - -53]。其优点已在很多研究[25,36,54,55]。规范化伽马分布公式如下: 在哪里(毫米⁻¹米⁻³)是规范化和拦截参数(毫米)是质量加权平均直径。 , ,和根据公式计算8)- (10),分别。

3所示。结果

3.1。DSD分布参数

与雨滴扣除样品后不到10或降雨强度小于0.1毫米·h⁻¹,一个有效样本17845分钟。图2显示记录的降雨强度频率累积曲线。样品小于0.5毫米·h⁻¹占样本总数的近一半,达到46.67%,样品小于1毫米·h⁻¹占总样本的69.64%。17845分钟平均降雨强度计算的数据是0.93毫米·h⁻¹(表1)。可以看出,新疆干旱区,水蒸气严重不足,和降雨过程主要是弱降雨(30.),这是与雨量计的测量一致。

图3的柱状图显示和对所有样本。三个关键统计数据包括平均值,标准偏差(SD)和偏斜度(SK)也显示在图3。的平均值和分别是1.02毫米和3.66。的直方图显示高度正偏态的特点,和偏态−0.37,这表明的分布更加对称。同时,标准偏差和分别达到0.43毫米和0.49,这表明和有很高的可变性。此外,三个关键特性统计的 , ,和也见表1。

3.2。DSD特征不同的降雨类型

分段,雨滴谱的特点不同的降雨类型基于降雨对流降水和层状降水的分类进行了研究。在过去,许多研究人员已经开发出一些基于雨滴测量器的分类方案。例如,葡萄酒和短12)使用区分对流降水和层状降水的关系。Testud et al。53)开发了一个方案来区分不同类型的降水 。Bringi et al。28降雨分为对流降水和层状降水标准偏差的基础上和 ,这种分类方法已经应用在很多研究中,这个研究也使用类似的分类方法。具体地说,10分钟的连续降雨0.5毫米·h⁻¹≤≤0.5毫米h⁻¹的标准差≤1.5毫米·h⁻¹,这被认为是层状降水;10分钟的连续降雨≥5毫米·h⁻¹的标准差> 1.5毫米·h⁻¹,这被认为是对流降水。236年通过这种分类方法,对流降水样品和5479层状降水样品。可以看出,对流降水样品明显低于层状降水样品,这主要是由于这样的事实,分钟的层状的流行雨是一个相当普遍的特性。

图4的柱状图显示和对流和层状的雨。这两种类型的降水正偏态,而对流降水负偏态。平均的对流降水和层状降雨量1.62毫米和1.09毫米,分别,而平均水平两种类型的雨量是3.73和3.80,分别。的标准偏差和的层状降水的对流降水大于,表明对流降水有更广泛的变化。为了更清楚地看到两种降雨类型之间的差异,表2给一些对流降水统计,层状降水,分别和总体降雨。可以看出对流降水和层状的降雨量为7.77毫米·h⁻¹和1.51毫米·h⁻¹,分别。然而,由于这一事实显然有更多的层状降水比对流降水样品,样品的平均水平仅供整体的两个1.73毫米·h⁻¹,它更接近于层状降水的特点,和其他统计数据也有类似的趋势。

为了进一步获得之间的关系和在不同降雨类型,我们安装两种类型的降水的关系曲线,如图5。图5也显示了散点密度图 。如图5,和的对流降水主要集中在-6.0 1.0 -2.0毫米和5.0毫米·h⁻¹分别为,和层状的雨都集中在-2.0 0.6 -1.6毫米和1.0毫米·h⁻¹,分别。这两种类型的降水增加的增加,增加(幂律指数的拟合方程是积极的),和的分布变得更窄。在降雨强度更高 ,的价值趋于稳定,这可能是由于雨滴的积累和破裂接近平衡状态(56),的增加在这种情况下可能是由于浓度的增加(57]。

图6显示的散点图与两种降雨类型,以及从中国不同地区的统计结果。两个黑色矩形对应海上和对流集群,大陆和黄色虚线关系层状雨报道Bringi et al。28]。对流降水和层状降水,有不同的散射点的浓度。具体来说,和的对流降水主要集中在3.3 - -4.3,1.0 - -2.0毫米,分别和层状降水集中的值在3.1 - -4.5和0.6 - -1.6毫米;尽管有一些重叠的地区,两种类型的降水之间的边界是明确的。对流降水,不过有几点在大陆“集群”,大多数点既不是在大陆“集群”也不是“海上集群”,往往是层状降水。对于层状降水,大多数点出现在左边的“层状线”。比较dsd的统计结果在中国的不同地区,我们有有趣的结论。为了减少不同仪器的测量造成的误差,我们只比较结果用Parsivel雨滴测量器。层状降水的结论是,中国北方(北京)(14)和中国西北(伊宁)小于东部的中国(南京)24),而中国南方(珠海)(48是最大的。同时,对层状降水,尽管北京和伊宁有类似的 ,和在伊宁比北京大。对于对流降水,在伊宁是最小的,在珠海是最大的在珠海也是最大的。这个结果表明dsd的特点是高度依赖于特定的地理位置和气候条件。

图7显示了两个的dsd降雨类型。dsd的分布有很大的差异的两种类型的降雨。dsd的山峰对流降水和层状降水位于0.7毫米和1.2毫米直径,分别。当直径小于0.7毫米,两种类型的DSD降雨基本一致,但当直径大于0.7毫米,对流降水的DSD是层状上方的雨。可以看出,有更大的雨滴在对流降水比层状降水,而这些大雨滴贡献更多的降雨强度。

3.3。DSD特征在不同降雨率类

之前有研究表明,不同降雨强度的dsd显示不同的属性(12,58陈,et al。7]在青藏高原dsd测量分为5类根据 。Seela et al。26]dsd帕劳和台湾相比,dsd分为12类根据 。马等。14)的降水分为8类在北京学习时dsd的本质。为了进一步理解dsd的本质在新疆不同降雨强度下,借鉴先前研究的分类标准,结合新疆的降水量主要是弱降雨(30.),根据dsd分为6类 :C1,≤0.1< 0.5毫米·h⁻¹;C2,≤0.5< 1毫米·h⁻¹;C3 1≤< 2毫米·h⁻¹;C4 2≤< 5毫米·h⁻¹;C5 5≤< 10毫米h⁻¹;C6,≥10毫米h⁻¹。的统计数字和示例为每个雨率类归纳在表格3。

数据8(一个)和8 (b)显示的变化和六类降雨率的形式box-and-whisker情节,分别。增加而增加的 ,而显示了一个先增加然后减少的趋势。为了看得更清楚两者的变化趋势的增加 ,图8 (c)显示变化的意思1(连同±标准差)在不同的雨类。可以看出,平均价值有一个广泛的变异比的平均值 ,和暴雨下的变化是更重要的类。与此同时,表4显示了特定的平均值和标准差和六类降雨率。的平均值变化从0.92到2.18毫米,平均价值从3.34到3.81不等。此外,一个散点图与对不同降雨率类图所示8 (d),黑色虚线关系层状雨报道Bringi et al。28]。可以看出,增加 , 显示了一个增加的趋势,分散点的弥散强化。C3和C4的散点是接近黑色虚线,和相应的降雨率是1 - 5毫米。

为了便于比较不同降雨率之间的平均dsd类,不同的降雨率的平均dsd类是叠加在同一图(图9)。它可以清楚地看到增加,dsd频谱宽度的增加,相对应的直径dsd峰值的增加。在小直径的范围(小于0.6毫米),相应的浓度不同的降雨率类相似,当直径大于0.6毫米,高降雨率类的相应浓度表现出增加的趋势。可以看出有较小的颗粒直径在每个降雨率类,和增加降雨率的主要因素有更多的粒子直径较大。

3.4。Z-R关系

幂律关系 获得的和是应用最广泛的qp算法的单偏振雷达在伊宁(包括目前使用的雷达)。然而,许多研究人员指出的系数和指数b的关系有很强的可变性。大陆层状雨关系由马歇尔和帕尔默(59)是 ,在美国,默认天气关系操作监视雷达- 1988多普勒(wsr - 88 d)系统 (60]。在过去,一些研究人员进行本地化关系的研究在中国的不同地区使用Parsivel雨滴测量器,具有一定意义的改善当地降水定量估算能力(14,24,48,61年,62年]。在这项研究中,我们使用最小二乘法推导出伊宁地区不同降水类型的关系,为定量评估提供一个参考的目的与这个地区的降水。

图10的散点图吗对流降水和层状降水之间的关系和相应的拟合曲线。相比较而言,违约在wsr - 88 d的关系60)和大陆层状雨马歇尔和帕尔默(报告的关系59)也显示在图10。为层状的雨,大部分大陆层状雨马歇尔和帕尔默(报告的关系59)将从这项研究中,高估了降雨拟合这高估高反射率条件下更加明显。默认的wsr - 88 d的关系将低估反射率值和较低的层状降水高估层状降水高反射率值。至于对流降水,总体趋势是高估了。此外,为了与在中国的不同地区,我们也绘制对流降水和层状降水的关系在中国的不同地区,包括在中国西部(那曲63年),在中国南部[阳江63年),南京在中国东部62年),北京在中国北方64年]。显然,不同的关系在不同地区意义重大,这也表明,局部的研究是十分必要的。

3.5。的关系

这一事实关系可以更好地描述dsd在自然降雨的变化已被广泛证明(21,24,49,65年]。大量的先前的研究表明,这种关系是不同的在不同气候条件下(66年- - - - - -69年]。因此,有必要研究新疆伊宁地区位于一个典型的干旱地区。图11散点图显示值在伊宁地区。灰色固体圈从所有的数据点,这些分散的分散点非常大,为了减少色散,指陈et al。7)处理方法,即DSD数据过滤,允许只有总数量> 300下降,这些数据点都是由黑圈,和相应的拟合二次多项式如下:

比较Chen等人的研究成果。7),可以看出,在较小的值部分,这两个拟合曲线重叠更好,但在大的值部分,两条曲线的差异变得明显。这也进一步表明,在不同的气候条件下,降水粒子物理学的可变性是显而易见的。

4所示。讨论

DSD相应变化的性质与不同气候地区,地形和降雨类型(1- - - - - -15]。过去,大量的研究已经进行了许多大陆和海洋领域dsd,和研究结论的理解有很大帮助改善微观物理学的降雨过程(16- - - - - -28]。然而,过去的研究主要集中在季风地区丰富的降雨和不大注意干旱地区。例如,对于中国而言,过去的研究主要集中在南部,东部,和中国的北部地区,湿润地区控制的季风系统[2,13,14,22- - - - - -24),而在中国干旱地区研究较少。目前,中国的干旱地区,研究人员更加关注青藏高原的雨滴谱(7,63年新疆和缺乏研究。因此,本研究的结论有利于理解微观物理学的降雨在新疆的属性。通过比较,一些中国新疆和潮湿的地区之间的差异被发现。例如,无论层状降水或对流降水,新疆小于中国的潮湿的地区,这表明,粒子在新疆降水期间更小。与此同时,我们推导的关系也不同于潮湿地区,改善新疆QPE具有参考价值。本研究取得了整体DSD年降雨量的属性。然而,dsd不同季节和不同月份也是不同的,这将在未来进一步开展工作。

5。结论

在这项研究中,我们使用了雨滴谱资料,新疆伊宁在雨季(4月至10月)从2018年7月到2020年8月来研究DSD新疆干旱地区的性质。主要研究结果如下:(1)雨样本,降雨强度较弱的形式出现,近70%的降雨率小于1毫米的h⁻¹,DSD参数( )和大部分变量( , 和 )正偏态,表明低频率的高价值和高频率的低价值在伊宁。这些参数的标准差较大表明降雨变化更强。(2)对流降水样品获得的统计上显著低于层状降水样品。质量加权平均直径和的对流降水主要集中在-6.0 1.0 -2.0毫米和5.0毫米·h⁻¹分别为,和层状的雨都集中在-2.0 0.6 -1.6毫米和1.0毫米·h⁻¹,分别。作为的增加,增加,和的分布变得更窄。对流降水在伊宁地区既不是在大陆“集群”和“海上集群”和倾向于方法层状的雨。层状的雨,最点出现在左边的“层状线”。雨滴谱的峰值的对流雨,雨层云位于0.7毫米和1.2毫米直径,分别。当直径小于0.7毫米,两个雨量的dsd基本上一致,但当直径大于0.7毫米,对流降水的dsd上方的层状的雨。(3)根据不同降雨强度,雨滴谱分为6类。它是发现,增加而增加的 ,和标准化的拦截参数显示了一个先增加然后减少的趋势。作为增加,dsd频谱宽度的增加,相对应的直径dsd峰值的增加。在小直径的范围(小于0.6毫米),相应的浓度不同的降雨率类相似,当直径大于0.6毫米,高降雨率类的相应浓度表现出增加的趋势。(4)我们推导出伊宁地区的关系,发现默认wsr - 88 d的关系将低估反射率值和较低的层状降水高估层状降水高反射率值。至于对流降水,总体趋势是高估了。我们也推导出关系,与陈et al .(2017)相比,这两个拟合曲线同意更好的较小值部分,当价值较大,两条曲线更不同。

数据可用性

这篇论文使用的数据可以从永曾获得(15099610397 @163.com)要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家重点研发项目(2018 yfc1507102和2018 yfc1507104)和基本业务费用(IDM2019001)。

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