激光降雨譜儀對青藏高原北麓河地區(qū)降水的影響

激光降雨譜儀對青藏高原北麓河地區(qū)降水的影響

0土地降水資源在本域測量和測量降水內(nèi).現(xiàn)狀及建議降水是生態(tài)系統(tǒng)、水文、氣候、氣象等領(lǐng)域的重要指標(biāo)。然而，由于降雨裝置系統(tǒng)錯誤和通風(fēng)造成的動力損失，不同類型的雨棚降雨量也不同。作為世界第三極和世界氣候變化的敏感區(qū)，青藏高原的氣候和水文一直是青藏高原的研究領(lǐng)域。正確的降水觀察對高原氣候的變化、四川物資的平衡、冷土區(qū)地下水的轉(zhuǎn)移和地下冰場的儲量研究非常重要。然而，由于青藏高原寒冷、風(fēng)暴和寒冷季節(jié)的特點，傳統(tǒng)的雨棚由于風(fēng)和浪的動力損失在該地區(qū)最為明顯。因此，在青藏高原獲得正確的降水仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。以往的解決方案主要是找一個參照降水裝置或測量降水裝置的方法，并確定降雨裝置的捕食率與風(fēng)速之間的關(guān)系，但另一方面，很難確定降雨儀器本身的精度。另一方面，獲得的校正公式尚未得到廣泛驗證?，F(xiàn)代激光技術(shù)的發(fā)展為測量和研究降水量提供了新的思路.激光測量降水儀器相對于傳統(tǒng)雨量筒有很大的優(yōu)勢,其一,采樣面為激光光束,因此不存在傳統(tǒng)雨量筒在測量降水時產(chǎn)生的濕壁損失和蒸發(fā)損失;其二,測得的最小降水強(qiáng)度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的雨量筒,因此微量降水損失也可以忽略;其三,由風(fēng)速引起的動力損失也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的雨量筒.在國外,Lanzinger等對比了激光雨滴譜儀和Dual翻斗式雨量筒獲取的日降水量和降水強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)激光雨滴譜儀在測量降雨量方面有不錯的表現(xiàn).Tanvir等對比了Joss-Waldvogel雨滴譜儀和翻斗式雨量筒獲取的降水量和降水強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)二者有很好的一致性.在國內(nèi),周黎明等在山東地區(qū)對比了激光雨滴譜儀與翻斗式雨量筒獲取的一次降雨量,并與多普勒氣象雷達(dá)的反射率因子進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)激光雨滴譜儀獲取的降水強(qiáng)度更有可信度.然而,對于激光雨滴譜儀測量降雪或者雨夾雪表現(xiàn)方面的研究至今未有報道.針對以上情況,本研究分3個時段對比了激光雨滴譜儀和另兩種雨量筒從2011年11月至2012年9月獲取的累計降水量、日降水量和小時降雨量,評價了激光雨滴譜儀在青藏高原北麓河地區(qū)測量降水能力的表現(xiàn),并對激光雨滴譜儀的誤差進(jìn)行了相關(guān)分析.1一般介紹、研究區(qū)和儀器介紹1.1氣象要素及數(shù)據(jù)采集觀測場點位于青藏高原北麓河流域,其地理位置為92.940°E,34.854°N(圖1),平均海拔在4600m左右.以往的研究表明,該區(qū)域年平均降水量在290~300mm之間,年最高氣溫19.2℃,最低氣溫-27.9℃,年平均氣溫為-5~-3.8℃,屬于青藏高原亞寒帶半干旱氣候.凍土工程國家重點實驗室北麓河站在該區(qū)域布設(shè)有一個氣象綜合觀測場,除常規(guī)氣象要素(氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降水等)觀測外,為了進(jìn)行降水量的對比觀測,青藏高原冰凍圈觀測研究站在2011年11月初安裝了一套德國Thies公司生產(chǎn)的激光雨滴譜儀(LPM)進(jìn)行同步觀測.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國Campbell公司生產(chǎn)的CR3000數(shù)采儀,它能夠在極端環(huán)境下實現(xiàn)連續(xù)工作.1.2降水形態(tài)識別激光雨滴譜儀(LPM)是一種借助光電技術(shù)進(jìn)行降水顆粒測量的儀器,采用平行激光束為采樣空間,光電管陣列為接收傳感器,當(dāng)有降水顆粒穿過采樣空間時,自動記錄遮擋物的寬度和穿越時間,從而計算出降水顆粒的尺度和速度.儀器測量的數(shù)據(jù)共有22個尺度的測量通道和20個速度的測量通道,每一次采樣間隔內(nèi)的粒子譜測量數(shù)據(jù)都有440個.儀器可以直接獲取的數(shù)據(jù)主要是各個通道的顆粒數(shù)量,輸出降水強(qiáng)度R由以下公式獲得:R=1A(t/60)t∑j=1440∑i=1Νi4π3ρ(Di2)3(1)R=1A(t/60)∑j=1t∑i=1440Ni4π3ρ(Di2)3(1)式中:R為降水強(qiáng)度(mm·h-1);A為采樣面積;ρ為密度(g·cm-3);Di為等級i對應(yīng)的顆粒直徑(mm);Ni為等級i對應(yīng)的顆粒數(shù)量.國外對Thies激光雨滴譜儀的研究相對較多,Bloemink等首先對其降水形態(tài)識別性進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明:激光雨滴譜儀的識別率與專業(yè)的FD12P差別不是很大,尤其是在液態(tài)降水方面,表現(xiàn)甚至優(yōu)于FD12P.Upton等對比了Thies和Parsivel兩種激光雨滴譜儀,驗證了Thies激光雨滴譜儀的穩(wěn)定性,同時也表明Parsivel在相同時間內(nèi)記錄的顆粒數(shù)量要小于Thies激光雨滴譜儀.T-200B雨雪量計采用振弦式稱重感應(yīng)器,基本上可以忽略濕潤損失;其次用儲集器中的防凍混合液融化固態(tài)降水,同時添加機(jī)油,從而避免了蒸發(fā)損失.T-200B型自動雨雪量計屬于總雨量計,總?cè)萘繛?00mm(包括防凍液),靈敏度為0.1mm.TE525翻斗式雨量桶由美國TexasElectronics公司制造,分辨率0.1mm.數(shù)據(jù)采集器通過脈沖輸入通道記錄翻斗的翻轉(zhuǎn)次數(shù),可實現(xiàn)雨量的自動記錄.2儀器降水形態(tài)對比分析北麓河地區(qū)在5月份進(jìn)入多雨雪季節(jié),但由于氣溫較低,在5月到6月中旬降水形態(tài)仍以固態(tài)或者固液混合態(tài)為主.因此,我們分3個時間段分別對比分析了3種儀器獲取的累計降水量、日降水量和小時降水量.2.12關(guān)于雨量計器口風(fēng)速的計算方法首先對比了北麓河地區(qū)2011年11月\_2012年4月的累計降水量.由于翻斗式雨量筒在高原地區(qū)測量固態(tài)降水量方面表現(xiàn)很差或不可用,因此,我們只對比了LPM和T-200B的累計降水量(圖2a).這段時間里,LPM和T-200B獲取的累計降水量分別為50.8mm和40.37mm,兩種儀器獲取的降水量只差了10.43mm.但是從單次降水來看,兩種儀器的一致性方面表現(xiàn)明顯不足,總體上來看,激光雨滴譜儀獲取的單次降水量值要高于T-200B雨雪量計.但是我們也發(fā)現(xiàn),在2012年2月9日的一次降水過程中,激光雨滴譜儀獲取的降水量為4.35mm,而T-200B雨雪量計為6.13mm,高于激光雨滴譜儀的獲取降水量.T-200B雖然在青藏高原地區(qū)被認(rèn)為是觀測精度最高的雨雪量計,但是其自身的動力損失也不容忽視.Smith在加拿大對比了DFIR和T-200B獲取的固態(tài)降水量,Jimmy等對比了Nipher雨量筒和T-200B獲取的固態(tài)降水量,他們分別給出了T-200B的相對撲捉率和風(fēng)速之間的日平均關(guān)系式:Smith關(guān)系式:CE=exp(-0.20Ua)(2)CE=exp(?0.20Ua)(2)Jimmy關(guān)系式:CE=1.01exp(-0.09Ua)(3)CE=1.01exp(?0.09Ua)(3)式中:CE為T-200B雨雪量計的相對撲捉率(%);Ua為雨量計器口的日平均風(fēng)速(m·s-1).根據(jù)Goodison等的研究,雨量計器口風(fēng)速可以通過以下公式獲取:Ua=[lg(h/z0)/lg(Η/z0)]UΗ(4)Ua=[lg(h/z0)/lg(H/z0)]UH(4)式中:Ua為雨量計器口的日平均風(fēng)速(m·s-1);h為雨量計器口距地面的高度;z0為粗糙長度;H為風(fēng)速觀測高度;UH為觀測高度H處的風(fēng)速(m·s-1).根據(jù)Smith和Jimmy的校正公式(2)和式(3),我們結(jié)合風(fēng)速對T-200B雨雪量計進(jìn)行了校正,經(jīng)校正后的T-200B和LPM的累計降水量如圖2(b)所示.按照Smith和Jimmy的方法校正后T-200B在這段時間里獲取的降水量分別為69.34mm和51.16mm.用Jimmy方法校正后的累計降水量與LPM獲取的累計降水量極為接近,但是在單次降水方面還存在一定的差異.為了從更微觀的角度分析LPM與T-200B降水量的差異,我們繪制了LPM與T-200B以及校正后的T-200B獲取的日降水量(圖3).從圖3可以看出,LPM獲取的日降水量與T-200B以及經(jīng)Smith和Jimmy方法校正后的日降水量一致性并不一致.在有些天LPM與T-200B日降水量一致性很好,而有部分時間也表現(xiàn)出LPM與校正后的T-200B日降水量一致性較好.為了定量化分析T-200B以及校正后的T-200B日降水量與LPM獲取日降水量的一致性,我們引入了相關(guān)系數(shù)(r)和平均絕對誤差(MAE),這兩個參數(shù)的計算公式如下:r=n∑i=1(RG-ˉRG)(RD-ˉRD)√n∑i=1(RG-ˉRG)2n∑i=1(RD-ˉRD)2(5)ΜAE=1nn∑i=1|RD-RG|(6)式中:n為樣本的數(shù)量;RG和RD分別為雨量筒和激光雨滴譜儀獲取的降水量.r值位于-1~1之間,|r|越大,說明兩組變量的相關(guān)性越好.MAE反映的是兩組變量值的偏差,當(dāng)MAE值越小,這兩組變量之間對應(yīng)的值越接近,計算結(jié)果見表1.可以看出,LPM與T-200B原始獲取的日降水量之間的統(tǒng)計量r和MAE值最小,但是經(jīng)Jimmy方法校正后的日降水量與LPM的日降水量之間的r和MAE值與之差別也非常小.考慮到這段時間里4種方法獲取的累計降水量,我們認(rèn)為經(jīng)Jimmy方法校正后T-200B獲取的固態(tài)降水量與LPM最為接近.2.22雨夾雪降水的典型特征進(jìn)入5月份之后,北麓河地區(qū)的降水頻率和降水量遠(yuǎn)高于5月份之前.圖4給出了這段時間內(nèi)的三種儀器獲取的累計降水量,激光雨滴譜儀、T-200B雨雪量計、TE525雨量筒獲取的累計降水量分別為207.59mm、83.65mm、63.3mm.在這段時間里,3種儀器獲取的降水次數(shù)有較好的一致性,但激光雨滴譜儀記錄的降水量遠(yuǎn)高于另外2種雨量筒的.經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)在這段時間有3次降水過程,激光雨滴譜儀獲取的降水量與雨量筒的有極大差異(表2).這3次降水過程的降水形態(tài)包含了純固態(tài)降雪和雨夾雪.為了分析原因,我們結(jié)合風(fēng)速對LPM和T-200B在3次降水過程獲取的0.5h降水量進(jìn)行了對比(圖5).從圖5上可以看出,無論降水形態(tài)為降雪或者是雨夾雪,LPM降水量的高值都與風(fēng)速的高值相對應(yīng),這可能是由于風(fēng)速大造成雨量筒的動力損失增大.我們對T-200B分別用Smith和Jimmy方法校正后得到的降水量為15.27mm和9.84mm,這個值相對于LPM獲取的降水量還是存在很大差異.這可能是由于這段時間里固態(tài)降水量比較大,地面上積雪較厚,這樣的下墊面環(huán)境更容易行成風(fēng)吹雪,而吹揚起的雪更容易通過LPM的采樣空間.另外,對比了圖5(a)與圖5(b,c),發(fā)現(xiàn)兩次雨夾雪時的風(fēng)速要比固態(tài)降雪時的小得多,而在雨夾雪發(fā)生時LPM與T-200B獲取的降水量差值遠(yuǎn)高于純固態(tài)降水.Lanzinger等在對比Thies激光雨滴譜儀和翻斗式雨量筒的降雨量時也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,把這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)于探頭對重疊顆粒體積的嚴(yán)重誤讀.另外,由于這段時間降水形態(tài)極其復(fù)雜,LPM對降水形態(tài)的誤判也可能是造成這種現(xiàn)象的原因.為此我們繪制了降水強(qiáng)度與氣溫以及最大顆粒直徑之間的關(guān)系圖6.從圖6(a)中可以看出,這次降水過程的液態(tài)降水在降水前期并未記錄到,但是在21:40和21:42卻記錄到兩次液態(tài)降水含量極大值,而此時的氣溫卻在-3℃以下.楊大慶等對比了降水類型和氣溫的關(guān)系,提出降雨能夠發(fā)生的最低氣溫為-1.6℃,Upadhyay則認(rèn)為當(dāng)氣溫在0℃以下時,降水類型98%都為固態(tài)降水.在本觀測中,氣溫遠(yuǎn)低于楊大慶等和Upadhyay提出的臨界值,而激光雨滴譜儀卻將降水類型判斷為包含大量液態(tài)降水的混合降水.因此,這兩個異常值應(yīng)該與降水類型的判別有關(guān).圖6(b)的這次降水過程也發(fā)現(xiàn)8個降水強(qiáng)度過大的樣本,而這8個樣本對應(yīng)的氣溫都在0℃左右,我們還不能認(rèn)為這是由于降水類型的判別錯誤造成的.但是,我們也發(fā)現(xiàn)這兩次降水的降水強(qiáng)度出現(xiàn)極高值時,對應(yīng)的最大顆粒直徑都在8mm以上.由于激光雨滴譜儀輸出的直徑為等效直徑,因此顆粒直徑在8mm以上顯得有些異常.這可能由于在雨夾雪發(fā)生時,降水顆粒更容易粘結(jié),而大的雪顆粒形態(tài)極其不規(guī)則,LPM對顆粒直徑嚴(yán)重誤讀.2.32測量降水量的對比進(jìn)入6月中旬以后,北麓河地區(qū)的降水類型主要以降雨為主.由于數(shù)據(jù)來源滯后問題,T-200B和TE525的數(shù)據(jù)分別到2012年9月14日和7月28日.在6月15日到7月28日這段時間里,激光雨滴譜儀、T-200B雨雪量計和TE525雨量筒獲取的降水量分別為133.93mm、129.14mm和128.9mm.可以看出,3種儀器在這段時間獲取的降水量非常接近,說明3種儀器在降雨季節(jié)獲取的降水量都是可信的.由于TE525的資料系列只到2012年7月28日,圖7只給出了2012年6月15日\_9月14日激光雨滴譜儀和T-200B獲取的累計降水量.在這段時間里,激光雨滴譜儀和T-200B雨雪量計獲取的降水量分別為312.57mm和329.25mm,激光雨滴譜儀獲取的累計降水量比T-200B少16.68mm.從圖7可以看出,在8月份之前,激光雨滴譜儀的降水量略高于T-200B,但是進(jìn)入8月份之后,又低于T-200B的.通過分析我們發(fā)現(xiàn),在8月初到8月中旬,有幾次大的降雨LPM獲取的降水量比T-200B少20%左右.苗少寶等從光學(xué)原理對Thies激光雨滴譜儀測量降水量的誤差進(jìn)行了分析,認(rèn)為激光光束的邊界效應(yīng)、門限電壓等都會影響LPM對大強(qiáng)度降水雨滴顆粒的捕捉.為了進(jìn)一步分析LPM在獲取液態(tài)降水的不足,我們分析了LPM與T-200B和TE525獲取的小時降雨量,并繪制了散點圖(圖8).在對比之前,首先對比了兩種雨量筒的小時降雨量(圖8a),可以看出這兩種雨量筒在測量降水方面有很好的一致性.在圖8(b)和圖8(c)中,我們也對比了激光雨滴譜儀和兩種雨量筒的小時降水量,從獲取的相關(guān)系數(shù)r和平均絕對誤差MAE可以看出,激光雨滴譜儀與兩種雨量筒的小時降水量一致性很好.但當(dāng)小時降雨量在2mm以上時,激光雨滴譜儀小時降水量略低于兩種雨量筒的.2.4風(fēng)吹雪的影響Goodison等在世界氣象組織(WMO)固態(tài)降水對比報告中提出,當(dāng)風(fēng)速在4.2m·s-1以上時,風(fēng)吹雪就會到達(dá)雨量筒口高度.在高原上,由于冬春季節(jié)風(fēng)速比較大,因此風(fēng)吹雪在研究區(qū)域也是一個普遍存在的問題.要準(zhǔn)確的剔除風(fēng)吹雪的影響,就目前而言還存在一定難度.但是,激光雨滴譜儀獲取的數(shù)據(jù)包括降水顆粒的直徑、降落速度和顆粒數(shù)量,這就為找出風(fēng)吹雪的影響提供了可能性.圖9給出了2012年4月30日\_5月1日的一次降雪過程中兩個樣本的顆粒分布狀況,這兩個樣本的降水強(qiáng)度比較接近,但降水過程的風(fēng)速差別很大.從圖9可以看出,第1個樣本的小顆粒數(shù)量遠(yuǎn)高于第二個.另外,在第一個樣本中,直徑在0.5mm以下的顆粒降落速度在3.8m·s-1左右出現(xiàn)了第二個峰值.根據(jù)王可法等的研究,對于同一直徑級對應(yīng)的測量列,若各測得的速度值只包含隨機(jī)誤差,那么顆粒的降落速度分布應(yīng)該符合正態(tài)分布.從圖9(a)中選取的樣本可以看出,直徑小于0.5mm顆粒對應(yīng)的速度列中出現(xiàn)了雙峰值,即顆粒判定降落速度在3.8m·s-1的小顆粒有大量的異常值,這部分值可能來自于風(fēng)吹雪的影響.Sugiura等在阿拉斯加地區(qū)觀測了一次晴天風(fēng)吹雪過程,并分析了顆粒的構(gòu)成,發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為7.3m·s-1時,被吹起的雪顆粒直徑在0.5mm以下.本研究的結(jié)果與Sugiura等的研究成果具有一致性,但是要比較準(zhǔn)確地給出風(fēng)吹雪的影響,還需要進(jìn)一步的實地微觀觀測再進(jìn)行判定.3與lpm及雨夾雪對比通過對比Thies激光雨滴譜儀、T-200B雨雪量計和TE525雨量筒在青藏高原北麓河地區(qū)2011年11月10日至2012年