发布日期:2022-10-21
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青藏高原(Tibetan Plateau,TP)平均海拔高于4000 m,面积约为250万平方公里,几乎占中国面积的1/4。青藏高原作为地球上最高且最大的地理单元,其在夏季是一个被抬高的巨大热源,对全球的能量和水分循环有着重大的影响。青藏高原的动力和热力作用破坏了哈得莱环流,从而使水汽从低纬度的热带海洋输送到亚热带的中高纬度地区。在亚洲季风和西风带的共同作用下,青藏高原夏季降水频繁。降水的微物理特征对于研究高原降水的物理和动力过程十分重要,为高原数值天气模拟提供重要的参数,并为天气雷达定量降水估计(QPE)提供重要的信息。
研究者基于青藏高原东北部达日和德令哈地区的雨滴谱观测数据以及达日地区Ka/Ku雷达观测数据(图1),开展青藏高原东北部降水微物理特征的研究,利用T-matrix理论结合雨滴谱观测数据模拟雷达X/Ku/Ka波段极化参数并构建雷达降水模型,并利用雨滴谱和雷达实际观测数据开展雷达降水模型的精度评价和验证工作。
图1. 研究区示意图及降水观测设备
研究发现随着雨强的变大,雨滴谱变得更宽、更平,雨滴谱的gamma参数N0、μ和λ随着雨强的增加而变小。随着雨强的增加,印度季风区的雨滴粒子数密度比西风区以及印度季风与西风带的过渡区大,而印度季风区的雨滴中值粒径比西风带以及印度季风与西风带过渡区小。层状云降雨的雨滴谱比对流云降雨的雨滴谱更窄更陡,印度季风区的层状云降水的雨滴谱可能比西风区和过渡区的雨滴谱更宽。达日和德令哈位于印度季风与西风带的过渡区,其夏季对流降水显示为“大陆型”特征,而受印度季风控制的青藏高原东南部的夏季对流云降水显示为“海洋”特征(图2)。
图2. 达日和德令哈雨滴质量中值粒径Dm-标准化截距参数Nw散点图,两个矩形框分别代表海洋型和大陆型对流降水系统
利用达日地区Ka/Ku波段雷达实测数据评价所构建的降水反演模型Z-R和R-Dm 的精度,评价显示Ku波段雷达反演的降水量R与实测降水量更加一致,但Ka和Ku波段雷达均高估了降水,Ka波段的降水高估严重(图3)。此外,双参数模型降水反演模型(R(Zh,ZDR)和R(KDP,ZDR))的性能优于单参数模型(R(Zh)和R(KDP))。双参数模型(R(Zh,ZDR)和R(KDP,ZDR))在X和Ku波段表现更好,R(KDP,ZDR)模型在Ka波段表现最好。
图3. 利用Ka/Ku雷达实测数据验证所构建的单参数降水反演模型Z-R和R-Dm的精度
本研究首次开展了青藏高原东北部降水微物理特征的研究并构建了雷达X/Ku/Ka波段的双极化定量降水估计模型。随着X/Ku/Ka波段雷达在高原越来越广泛的应用,本研究有助于提高对于青藏高原云和降水微物理过程的认识,并促进极化雷达在高原地区降水观测的应用。
该研究获得了国家自然科学基金(No. 51909130)、国家重点研发计划(No.2017YFC0403600)和青海省自然科学基金(No. 2019-ZJ-968Q)项目的资助。研究成果于2022年5月25日以“Microphysical characteristics of raindrop size distribution and implications for radar rainfall estimation over the northeastern Tibetan Plateau”为题发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres (IF=5.217)。文章DOI:https://doi.org/10.1029/2021JD035575
参考文献:Li, Q., Wei, J., Yin, J., Qiao, Z., Cao, J., & shi, Y. (2022). Microphysical characteristics of raindrop size distribution and implications for radar rainfall estimation over the northeastern Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD035575.