庐山一次积冰天气过程冻雨滴谱及下落末速度物理特征研究

【作者】 黄钦； 牛生杰； 吕晶晶； 周悦； 张小鹏；

【机构】 南京信息工程大学大气物理学院； 江苏省大气环境与气象装备协同创新中心； 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室； 武汉区域气候中心； 庐山气象局；

【摘要】 利用PARSIVEL激光雨滴谱、自动气象站和MICAPS数据,分析了2014年2月7日至2月15日庐山地区一次积冰天气过程内维持时间在5h以上的2次冻雨个例宏微观特征:2月10日（个例1）和2月13日（个例2）,并对其冻雨滴谱特征及下落速度粒径分布进行研究。两次个例期间,测站附近风速多集中在0-4 m·s^-1范围内,各个方向下大风速所占比例极小,仅在东北风向上出现了大于10 m·s^-1的大风。冻雨发生时,风速多集中在2⁴ m·s^-1。两次个例研究结果表明,庐山地区冻雨过程发生时都伴随有逆温层或恒温层的出现,同时存在较强冷平流的输送,在整个冻雨过程同时庐山地区冻雨多混有其他形式降水粒子,纯粹的冻雨较少,同时冻雨在形态上与常规液态降水无异,但是因混有不同的降水粒子,使得下落末速度粒径分布上存在一定差异,主要表现为:（1）庐山地区冻雨滴平均谱为单峰型,样本多峰型谱少,降水较为稳定。两次个例谱宽为4.44mm,个例1平均雨强为0.31mm·h^-1,峰值数密度、峰值粒径、平均数浓度和平均粒径分别为484 m^-3·mm^-1、0.44mm、423 m^-3、0.55mm;个例2平均雨强为0.41mm·h^-1,峰值数密度、峰值粒径、平均数浓度和平均粒径分别为1664 m^-3·mm^-1、0.44mm、1549 m^-3、0.57mm;（2）Gamma分布和M-P分布均能较好地拟合庐山地区冻雨滴平均谱,给出参数化的雨滴谱分布,但是Gamma分布拟合冻雨滴谱拟合优度高,更能反映冻雨滴谱数密度随粒径的变化。两次个例冻雨滴谱Gamma分布分布:个例1为N（D）=245D-1.48exp（-1.67D）,个例2为N（D）=30D-5.25exp（-0.36D）;（3）庐山地区冻雨发生时,含水量多小于0.2g·m^-3,个例1平均含水量为0.11g·m^-3,个例2平均含水量为0.19g·m^-3,高含水量情况极少。早期研究多以夏季层状云和对流云降水为主,而直接研究冻雨的Z-R关系较少。庐山地区冻雨个例1平均雨强为0.31mm·h-1,Z-R关系为:Z=215.77R1.40,以层状云降水为主,可能包含有部分对流运动;个例2平均雨强为0.41mm·h-1,Z-R关系为:Z=103.04R1.11,为层状云降水。（4）庐山地区冻雨的速度粒径谱总体接近常规液态降水经验公式,峰值区落于r线（G-K曲线）附近,同时因冻雨混有固态粒子如固态小冰粒、干雪而使得速度粒径谱表现出而不同程度的向大粒径小落速方向和小粒径大落速方向延展的趋势,个例1在整个过程中一直维持着三个峰值区(图5（a）^e),峰值粒径均集中在0.5mm处,峰值下落末速度分别位于1.4 m·s^-1、2.2 m·s^-1、4.3 m·s^-1三个位置,其中2.2 m·s^-1处峰值浓度最大,下落末速度与粒径关系在整个冻雨过程中一直呈现出"L"形分布。冻雨速度粒径谱的该特点,可以辅助今后对发生于同时期的降水中冻雨和常规液态降水的区分。更多还原