降水對霧中能見度參數(shù)化的影響

孟蕾,周奇越,牛生杰,柯怡明,楊志彪

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044;3.湖北省氣象局,湖北武漢 430074)

降水對霧中能見度參數(shù)化的影響

孟蕾1,周奇越2,牛生杰1,柯怡明3,楊志彪3

(1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044;3.湖北省氣象局,湖北武漢 430074)

霧的能見度是霧滴數(shù)濃度和含水量的函數(shù),可以利用霧滴數(shù)濃度和含水量進行參數(shù)化得到能見度擬合值。但是當霧中有降水存在時,降水會影響霧滴數(shù)濃度和含水量,進而影響能見度參數(shù)化。2009年1月19日至3月5日在湖北恩施雷達站進行了包括霧微物理特征、雨滴譜及雨滴末速度、能見度以及基本氣象要素的觀測。利用不同的能見度參數(shù)化公式得到能見度擬合值,并與實測值進行對比分析,考慮霧中降水影響時的能見度擬合值要比不考慮降水時的能見度偏差大,因此在有降水伴隨霧產(chǎn)生時,降水的效應可忽略不計。同時,利用40%的霧滴譜觀測數(shù)據(jù)建立了良好的模型用于擬合當?shù)氐哪芤姸?并利用Gultepe公式得到相應的參數(shù),對當?shù)氐哪芤姸冗M行了計算和預報。

能見度;參數(shù)化;霧滴譜;雨滴譜

0 引言

大氣能見度是表征大氣透明程度的一個重要的物理量,它與人們的日常生活生產(chǎn)都密不可分,低能見度會很大程度上影響海陸空交通運輸,給人們的生命和財產(chǎn)造成無法估量的損失,因此引起了社會各界的廣泛關注。

地面氣象觀測規(guī)范說明,能見度用氣象光學視程表示,氣象光學視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路途長度。能見度又分為白天能見度和夜間能見度。白天能見度是指視力正常(對比感閾為0.05)的人,在當時天氣條件下,能夠從天空背景中看到和辨認的目標物(黑色、大小適度)的最大距離。實際上也是氣象光學視程。夜間能見度是指假定總體照明增加到正常白天水平,適當大小的黑色目標物能被看到和辨認出的最大距離或者中等強度的發(fā)光體能被看到和識別的最大距離[1]。

在20世紀早期的研究中就已得出能見度與霧微物理特性的關系。Koschmieder[2]在1920年提出了能見度與大氣消光系數(shù)的關系式,直至今日這個關系式依然作為各種能見度測量儀器的基礎原理。Koening[3]于1971年表明消光系數(shù)是霧滴譜分布和米散射消光系數(shù)的函數(shù)。Eldridge[4]和Pinnick等[5]以及Kunkel[6]則分別推導出消光系數(shù)與液水含量的參數(shù)化公式,公式中只考慮了含水量與消光系數(shù)的關系。Meyer等[7]于1980年提出能見度與霧滴直徑的平方和數(shù)濃度成正比。李子華和彭中貴等[8]、李子華等[9]用霧滴有效半徑和霧水含量擬合得到能見度,唐浩華等[10]則用霧滴平均半徑和霧水含量計算得到能見度,以此作為霧生消發(fā)展的依據(jù)。Bott和Trautmann[11]使用預報方程發(fā)展出一個可以預報霧滴數(shù)濃度和含水量的模式,而這一部分工作則是預報能見度的基礎。

Gultepe等[12-14]發(fā)現(xiàn)能見度不應只跟含水量有關,還應該考慮霧滴數(shù)濃度,當數(shù)濃度作為霧能見度參數(shù)化的一個因子時,能見度的擬合效果可以提高50%。Niu等[15]分析了2006年12月24—27日的一場濃霧,結果表明數(shù)濃度和含水量的同步增長是此次霧過程強濃霧累計時間接近40 h的主要原因,表明了同時考慮霧滴數(shù)濃度和含水量的重要性。Lu和Niu[16]分析了連續(xù)三年冬季在南京觀測的霧的相關特征,利用霧滴譜數(shù)據(jù)擬合出能見度,與能見度測量儀器觀測到的能見度值作對比,其相互關系符合Patterson等[17]提出的擬合值與觀測值之間并非一一對應而是存在著函數(shù)關系的結論,這種函數(shù)關系一般是指數(shù)關系。

Gultepe和Isaac[18]也同樣討論了沒有霧的出現(xiàn)但是有降水時能見度與雨強的關系。而當降水伴隨霧同時出現(xiàn)時,能見度參數(shù)化往往沒有考慮降水對霧的影響。利用在2009年1月到3月湖北恩施雷達站的霧滴譜、雨滴譜、雨滴末速度、能見度以及基本氣象要素等觀測資料,本文將分析降水對霧中能見度參數(shù)化的影響。

1 觀測儀器和觀測原理

中國湖北省恩施雷達站海拔1 722m,觀測時間為2009年1月19日至3月5日,觀測項目包括能見度、霧滴譜、降水量和基本氣象要素的觀測。采用B IRAL公司生產(chǎn)的VPF-730能見度儀(VPF-730 COMB INED V IS IB IL ITY&PRESENT WEATHER SENSOR)對能見度進行觀測,能見度在16 km以下時的誤差小于10%,能見度小于等于2 km時,誤差小于2%。儀器接收并測量采樣體積中懸浮顆粒的前向散射光強度,計算得到大氣消光系數(shù),進而通過能見度與消光系數(shù)的關系獲得能見度值。能見度儀在溫度較低的天氣條件下同樣運行良好,每隔30 s測得一組數(shù)據(jù)。

觀測中采用激光前向散射霧滴譜儀即美國DMT公司生產(chǎn)的FM-100型霧滴譜儀對霧的微物理特征量進行測量。霧滴譜儀包括光學底座、信號處理器以及對經(jīng)過光學窗口的粒子進行除塵用的真空部分。光學底座接收經(jīng)過光學窗口的粒子的前向散射光,信號處理器把光脈沖轉好成電壓,放大并濾波,然后傳輸給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。霧滴譜儀可以連續(xù)測量霧滴數(shù)濃度、譜分布,根據(jù)不同大小的霧滴對激光散射強度的不同,對霧滴進行分檔計數(shù),所測霧滴粒徑范圍為2～50μm,最大數(shù)密度為104個/cm3。觀測連續(xù)進行,每秒鐘能產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)。

同時采用德國O TT公司生產(chǎn)的雨滴譜儀(Parsivel Precipitation Particle D isdrom eter)每隔10s測量一組雨滴下落速度和尺度大小。下落速度和雨滴尺度大小的測量范圍分別為0.1～20m/s和0.25～26mm。儀器通過激光系統(tǒng)測量降水粒子的形態(tài)(冰雹、雨滴、霰、雪、霜和融化的粒子)、速度和直徑。PARSIV EL分別有32個粒徑通道(在實際測量中,前兩通道無數(shù)據(jù))和32個速度通道。儀器的激光發(fā)生器發(fā)射780nm的激光波長,功率為5 mW,取樣面積為30mm×160mm。PARSIV EL激光粒子譜儀的激光探頭距地1.8m,各站點的取樣間隔均為10s,觀測數(shù)據(jù)能被儀器自動存儲。

除了上述測量儀器所得的資料外,溫度、相對濕度、氣壓、風向、風速由位于恩施雷達站的自動氣象站觀測得到。

2 資料分析原理

能見度參數(shù)化對霧的預報是十分重要的,隨著能見度參數(shù)化的發(fā)展,現(xiàn)在已有幾個公式被廣泛應用。本文也使用這幾個公式進行了有無降水時霧中能見度擬合效果的比對。

Koschmieder[2]在1924年提出的能見度與大氣消光系數(shù)的關系式成為能見度儀器的測量基礎,并一直作為能見度擬合的主要公式。

式中:Vis表示能見度(單位:km);β為消光系數(shù);對比視感閾ε是指當亮度對比值減小到目標物不能見時的亮度對比值。有關ε的取值有兩種,國際民航組織(ICAO)推薦的取值為0.05,世界氣象組織(WMO)推薦的取值為0.02。本文遵循世界氣象組織推薦的取值,ε=0.02[1]。消光系數(shù)β則與米散射系數(shù)和滴譜本身以及液滴有效截面有關。

式中:Qext是與數(shù)濃度、粒徑半徑以及可見光波長有關的米散射系數(shù);n(ri)是j檔半徑為ri的粒子的數(shù)密度。當霧滴粒徑小于4μm時,Qext的值在0.9至3.8之間波動,當粒徑大于4μm時,取值為2。此次觀測中,霧滴大小在3μm到50μm之間,本文在計算時Qext取值為2。

李子華和彭中貴[8]、李子華等[9]用霧滴譜的有效半徑和霧水含量的經(jīng)驗公式計算得到能見度值,能見度值的起伏變化作為判斷霧生消發(fā)展的重要依據(jù)。

式中:re為霧滴有效半徑(單位:μm);L是指霧水含量(LW C;單位:g/m3);2.62則是一個經(jīng)驗系數(shù)。

唐浩華等[10]用霧滴平均半徑和霧水含量的經(jīng)驗公式計算得到能見度值。能見度與平均半徑成正比,與含水量成反比。

式中:ˉr為霧滴有效半徑(單位:μm);L是指霧水含量(LW C;單位:g/m3);2.5則是一個經(jīng)驗系數(shù)。

Gultepe等[12-14]給出了能見度與含水量、霧滴數(shù)濃度之間的函數(shù)關系,并證明了在能見度擬合中考慮霧滴數(shù)濃度能將擬合效果提高50%,

式中:Vis是能見度(單位:km);L表示含水量(LW C;單位:g/m3);N表示霧滴數(shù)濃度(單位:cm-3);a、b分別是根據(jù)實際情況待確定的系數(shù)。

3 結果分析

利用(1)～(4)式計算并比較霧中有降水和霧中無降水天氣條件下能見度的不同。其結果將說明霧中有降水時,利用霧滴譜資料進行的能見度參數(shù)化過程是否需要考慮降水的影響。

根據(jù)能見度的大小,霧的記錄分為3個等級:能見度小于1.0km但大于0.5km時記錄霧,能見度小于0.5km但大于0.1km時為大霧,能見度小于0.1km時記為濃霧[1]。圖1給出了無降水時V PF-730能見度儀的觀測值和由公式計算得到的能見度值。計算值要遠高于實測值,只有當實際能見度低于0.5km時,兩者較接近,即霧滴譜儀在大霧或濃霧階段能更準確地記錄霧微物理特征,計算得到的測量值與觀測值比較一致。因為在湖北恩施山上,當霧處于能見度大于0.5km的階段時,霧滴隨風速移動較快或者近地面湍流使得霧滴譜儀采樣體積中霧滴數(shù)不穩(wěn)定,以及觀測儀器本身的限制使得霧滴譜儀在記錄霧滴譜進而計算成能見度時,與能見度儀測得的實測值出現(xiàn)較大的差異。而在大霧和濃霧階段,霧滴譜儀采樣體積中霧滴數(shù)濃度高且含水量高且穩(wěn)定,有利于儀器的穩(wěn)定采樣,由此得到的計算值與實測值吻合較好。

當有降水伴隨霧發(fā)生時,需要考慮雨滴對空氣中含水量的貢獻和對霧滴數(shù)濃度波動的影響?？紤]雨滴對空氣中含水量的貢獻是指根據(jù)雨強與含水量的經(jīng)驗公式計算含水量,對于公式(1),需要通過雨強計算雨滴的消光系數(shù),同時結合霧滴的消光系數(shù),兩者結合可以得到有降水時霧中的能見度值。即

式中:β為總的消光系數(shù);βf為霧滴消光系數(shù);βr為雨滴消光系數(shù)。當有霧有雨時,這兩個消光系數(shù)相加求和得到總的消光系數(shù)。

當考慮降雨對(3)和(4)式計算得到的能見度的影響時,首先考慮雨強和霧滴綜合得到的含水量,有降雨時,通過雨強計算含水量可用Best公式[19]表示:

式中:L為含水量(LW C);P為雨強(單位:mm/h)。

圖1 無降水存在時能見度的計算值與觀測值的對比(對觀測能見度按照0.05km間隔進行分檔,小方塊為每一檔內的計算能見度的平均值;擬合值曲線是對分段平均值的擬合線) a.根據(jù)公式(1)計算得到的能見度(黑點);b.根據(jù)公式(3)計算得到的能見度(黑點);c.根據(jù)公式(4)計算得到的能見度(黑點)Fig.1 The comparison between the calculated visibility values and the observed visibility values a.the visibility values calculated from Form ula(1);b.the visibility values calculated from Form ula(3);c.the visibility values calculated from Form ula(4)

降雨對霧滴數(shù)濃度波動的影響是指當降水強度大于一定閾值時,由于雨滴的拖曳作用致使原本懸浮在空中的霧滴迅速沉降,霧會很快消散。根據(jù)本文所得到的觀測數(shù)據(jù)可知,只有當降水強度小于1.8mm/h時,霧滴不會因雨滴的拖曳作用出現(xiàn)顯著減少或增加。因此,當降雨和霧同時存在時,雨滴是通過影響含水量的變化進而影響能見度擬合值。

圖2分別給出了考慮降水影響和不考慮降水影響的能見度實測值與計算值對比關系。由圖2a、c、e可見,考慮雨滴的影響作用時,能見度計算值相比觀測值,演變趨勢不正確,不能正確描述能見度實際演變情況。圖中都出現(xiàn)了能見度計算值在隨著實測值的增長而增長到一定階段后又開始下降,即與實測值演變相反的趨勢。

由圖2b、d、f可見,當不考慮降水對霧滴的影響時,計算值與觀測值的變化趨勢一致,呈現(xiàn)一種指數(shù)關系,而當實際觀測能見度小于0.5km時,計算值與實測值較相近。

對比V PF-730能見度儀觀測值與由霧滴譜儀測得的霧滴譜數(shù)據(jù)代入公式(1)、(3)、(4)計算的能見度值可知,有降水伴隨霧發(fā)生時,考慮雨滴對霧水含量的影響會導致能見度計算值出現(xiàn)更大偏差,因此能見度的參數(shù)化應忽略降水的影響。這一點在計算能見度的公式中均適用,在Gultepe公式的計算和比較中同樣可以得到很好的證明。

利用公式(5)擬合此次觀測的能見度值。根據(jù)恩施雷達站的實際觀測情況和儀器的探測界限,選取含水量L大于等于0.000 1g/m3,數(shù)濃度N大于等于1cm-3和能見度大于0.01km的數(shù)據(jù)進行擬合分析。選取全部數(shù)據(jù)中40%的霧滴譜數(shù)據(jù),用回歸分析可以得到參數(shù)a和b分別為0.133 3和0.341 8。40%的數(shù)據(jù)能夠建立一個比較好的模型,用于能見度的擬合,獲得參數(shù)a和b,然后把另外60%的數(shù)據(jù)代入(5)式中計算能見度值。

圖3是不考慮有無降水時能見度擬合值與實測值的比較,同時給出了絕對誤差和相對誤差。結果表明,用Gultepe公式對恩施霧能見度的擬合更好,更加接近觀測值,在能見度高于0.5km時準確率依然較高。利用Gultepe公式計算兩種不同天氣條件下的a和b,僅僅利用霧滴譜儀器所測得的霧滴譜資料,而不考慮降雨的影響。在有霧有雨的時段,利用霧滴譜資料計算得:a=0.097 7,b=0.324 4;在有霧無雨的時段,利用霧滴譜資料計算得:a=0.103 0,b=0.334 0。

圖2 有無考慮降水影響時的能見度擬合值與實測值的比較 a,c,e.考慮降水影響時分別根據(jù)公式(1)、(3)、(4)得到的能見度擬合值;b,d,f.沒有考慮降水影響時分別根據(jù)公式(1)、(3)、(4)得到的能見度擬合值Fig.2 Comparison between the observed visibility and the calculated visibility with or without rain effect (a),(c)and(e)show the calculated visibility values obtained by Formulas(1),(3)and(4),respectively,w hen the effect of raindrop is considered;(b),(d)and(f)show the calculated visibility values obtained by Formulas(1),(3)and(4),respectively,w hen the effect of raindrop is not considered

圖4表明,在有霧有雨或有霧無雨的天氣情況下,均不考慮降水影響,僅用霧滴譜資料擬合得到能見度的計算值,有無降水時的兩種參數(shù)化無顯著差別,Gultepe公式擬合效果較好,驗證了利用霧滴譜數(shù)據(jù)擬合能見度時應該忽略降水影響的結論。

4 結論

圖3 根據(jù)公式(5)中a=0.133 3、b=0.341 8計算得到的能見度擬合值(a)以及絕對誤差(b)和相對誤差(c)與觀測值之間的關系Fig.3 (a)The visibility values calculated from Equation(5)with a=0.133 3and b=0.341 8,and(b)their absolute errors and(c)relative errors as a function of the observed visibility

圖4 利用Gultepe公式計算的兩種天氣條件下的能見度擬合值與實測值的比較 a.有降水伴隨霧存在時的能見度擬合值;b.只有霧存在沒有降水時的能見度擬合值Fig.4 The comparison between the calculated visibility values obtained by using the Gultepe formula and the observed ones under two different weather conditions a.the calculated visibility values under the situation of fog along with rainfall;b.the calculated visibility values under the situation of fog occurring without rainfall

利用霧滴譜和雨滴譜資料,對比計算了有降水存在時霧中能見度擬合值和實測值的差別。能見度參數(shù)化與霧滴數(shù)濃度和含水量有關,考慮降水對含水量和數(shù)濃度的影響會引起能見度變化趨勢和數(shù)值計算上的較大誤差。因此,在有降水伴隨霧出現(xiàn)時,能見度參數(shù)化方案不應將降水的作用計算在內,當能見度距離小于0.5km,即處于大霧和濃霧階段時,霧滴譜資料的擬合值可以作為預報能見度變化的基礎。

Gultepe公式同時考慮霧中含水量和數(shù)濃度的影響,本文選取霧滴譜觀測數(shù)據(jù)中的40%建立當?shù)仂F中能見度的擬合公式,利用得到的a和b兩個相關參數(shù)對另外60%的數(shù)據(jù)進行了能見度計算,效果較好。

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Effect of Rainfall on Parameterization of Fog Visibility

MENG Lei1,ZHOU Qi-yue2,N IU Sheng-jie1,KE Yi-ming3,YANG Zhi-biao3

(1.School of Atmospheric Physics,NU IST,Nanjing 210044,China;2.School of Atmospheric Sciences,NU IST,Nanjing 210044,China;3.Hubei Meteorological Bureau,Wuhan 430074,China)

Fog visibility is a function of fog droplet number concentration and liquid water content,both of which can be used to parameterize the visibility.However,when fog and rain are coexisting,rainfall can affect the fog droplet concentration and liquid water content,in such as to affect the visibility parameterization.The fog microphysical characteristics,the raindrop spectrum,the velocity of raindrop,the visibility,and some basic meteorological elements were measured in Enshi,Hubei Province,China from 19 January to 5 March 2009.The different formulas were used to parameterize the visibility,which were compared with the observed ones.When the influence of raindrops was considered,the errors of the calculated visibility values with respect to the observed ones were much higher,in such a way that the impact of rainfall should be neglected.It is suggested that fog visibility can be parameterized only using fog spectrum,which can be obtained by the fog droplet spectrometer regardless of the presence of rainfall.40%of the droplet spectra data have been employed to construct an adequate model to simulate the visibility.Furthermore,together with the parameters from Gultepe formula,the local visibility can be calculated and predicted.

visibility;parameterization;fog droplet spectrum;raindrop spectrum

P401

A

1674-7097(2010)06-0731-07

2010-04-08;改回日期:2010-07-29

國家科技支撐計劃項目(2008BAC48B01)

孟蕾(1985—),女,湖南常德人,碩士,menglei_07@nuist.edu.cn;牛生杰(通信作者),博士,教授,博士生導師,niusj@nuist.edu.cn.

孟蕾,周奇越,牛生杰,等.降水對霧中能見度參數(shù)化的影響[J].大氣科學學報,2010,33(6):731-737.MengLei,Zhou Qi-yue,Niu Sheng-jie,et al.Effect of rainfall on parameterization of fog visibility[J].TransAtmos Sci,2010,33(6):731-737.

(責任編輯:倪東鴻)