北京冬夏降水系统中的云水量及其统计特征分析

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1、第12卷增刊应用气象学报Vol.12,Suppl.2001年3月QUARTERLYJOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGYMarch2001X北京冬夏降水系统中的云水量及其统计特征分析1)2)2)2)3)汪晓滨李淑日游来光乔林1)(北京大学地球物理系,北京100871)2)(中国气象科学研究院,北京100081)3)(国家气象中心,北京100081)提要根据地基双通道微波辐射计观测的降水天气下大气水汽、液水含量的变化,分析了北京1989年夏季1次降水过程和1990年冬季5次降雪过程的云水量资料,讨论了降水过程中汽态水和液态水含量的

2、一些统计特征及其随时间的变化,并估算了夏季降水中凝结水向降水的转化率。结合极轨气象卫星的遥感云顶温度资料,以及冬季地面降雪强度的观测,对北京冬季降水系统中的液水含量与降水的相关进行了分析,探讨了北京地区降雪的潜力。关键词:微波遥感云水量分析降水转化率增雪潜力分析引言自20世纪七、八十年代以来,我国研制了不同频率下的地基单通道微波辐射计和双通道微波辐射计,并陆续进行了一些相应的观测试验和分析研究,包括结合雷达进行云中[1～7]含水量和雨强的分布探测研究,同时结合一些地方的人工增雨外场作业试验,进行[8～11]了晴天对流层大气中的总水汽含量和云中积

3、分液水含量变化的观测分析。为了探讨微波辐射计在人工增雨作业中的实用价值,了解北方地区降水云系中的云水资源状况及其变化规律,根据1989年夏季以及1990年冬季,利用中国气象科学研究院研制的双通[4]道微波辐射计(工作频率为20.6GHz和31.65GHz)观测6次降水过程的遥感资料,分析北京冬夏季降水天气下大气水汽、液水含量的一些变化特征,探讨了夏季降水云中液态水向雨水的转化率、结合常规探空资料和卫星遥感资料以及地面降雪强度的观测资料,分析冬季降雪前后的水汽及液水变化特点和降雪强度与云中液水含量的相互作用特点,讨论了北京冬季人工增雪的潜力。地面

4、降雪观测内容有降雪融滴谱、冰雪晶显微摄影、有机印模取样和降雪强度的连续监测,其中地面降雪强度用薄膜连续采样,取样面积为90cm×41cm,用天平将一定时间间隔内的雪重称量后计算。中国气象科学研究院的多普勒雷达进行了协同观测,还参照该院UHF风廓线仪的夏季测风资料。X本文由国家科技攻关(962020201205)课题资助。2000209218收到,2000212210收到修改稿。108应用气象学报12卷1降水系统中的液态水含量及汽态水的统计特征降水过程的大气水分按汽态和液态分配,图1给出了垂直气柱中水汽总量与液态水总含量比值的积分频率分布。冬季5

5、次降雪过程的平均值为103,夏季降水为226。图2为6次降水过程中大气垂直气柱中液态水总含量(L)的积分频率分布。不同液水量值的频次分布特征表明,冬半年的中值液水量平均为0.11mm水厚,夏季为0.69mm水厚。夏季降水系统中的液态水含量远高于冬季。图1垂直气柱中水汽总量与液态水总图26次降水过程中大气垂直气柱中量比值的积分频率分布总液水含量(L)的积分频率分布2夏季降水系统中的降水转化效率分析在有云和降水存在时,8mm波长的微波辐射计接收的辐射强度与大气中存在的液[12]态水含量正相关。在降水天气条件下,垂直气柱中包含有云水和雨水成分,雨滴尺

6、度较大,除雨水吸收微波辐射外,还要考虑散射辐射效应的存在。在较强的降水过程中,由于大雨滴的散射作用,常影响双通道微波辐射计在雨天对于液水的精确反演。魏重等通过初步模拟分析认为,虽然一维雨天大气辐射传输模式尚难以考虑较强降水的复杂辐射影响,但在雨强小于20mm/h时,仍可较好地进行雨天大气中的水汽、液态水和雨水量的[13]估算。一般情况下降水液态粒子大小同8mm和1.35cm波长比较均不算大,根据米散射理论计算,在一般范围内,随着降水强度的变化,每单位体积密度下的液水有效吸收系数[14]的变化,对于降水强度不大于数mm/h的,变化不会大于25%。

7、因此对应降水强度不大于4mm/h的降水,可忽略降水粒子的散射作用。但相对吸收而言的散射量随着降水量的增加而增加,因此在散射系数达到最大吸收系数的10%时,需考虑其散射的影响。此外,天线着水后,对微波辐射计的精确反演有重要影响,因此以下分析还是探索性的。根据以往飞机观测分析的结果,并参照飞机观测雨滴谱的垂直演变,雨水含量在0℃层至云底的云中近似呈线性增加,这样可利用地面降水强度估算这一区间的雨水量。在不考虑天线着水影响下,选择时段资料的降水强度小于4mm/h,对北京夏季降水个例的降水增刊汪晓滨等:北京冬夏降水系统中的云水量及其统计特征分析109转

8、化率进行分析,考虑减少散射效应的干扰,只对雨强小于4mm/h的数据进行分析。根[15]0.85据雨水含量W与雨强I的关系:W=70I,在层状云中忽略0