中央大学大气物理研究所

PAGEPAGE14中央大學大氣物理研究所書報討論結報Tropicalrainfallassociatewithconvectiveandstratiformclouds:Intercomparisonofdisdrometerandprofilermeasurements.以雨滴譜儀與剖風儀的測量比較熱帶對流與層狀降雨的關係姓名：毛又玉學號：946201008中央大學大氣物理研究所書報討論講員：毛又玉時間：200地點：S1-713以雨滴譜儀與剖風儀的測量比較熱帶對流與層狀降雨的關係摘要使用TOGACOARE密集觀測期間的兩種儀器:1)雨滴譜儀2)915MHz剖風儀觀測降水。雨滴譜儀利用導出的雨滴粒徑分布(DSD)參數，特別是N0與降雨率，將降雨形式分為層狀與對流。而使用剖風儀求得的回波、都卜勒速度及波譜寬，將降雨分類為淺對流、深對流、混合層狀對流，以及層狀四種形式。使用雨滴譜儀定義為層狀降水的平均回波剖面顯示出明顯的亮帶，並伴隨較大的速度梯度，為層狀降水的指標。而定義為對流降水時回波剖面則無亮帶，融解層下方的垂直速度梯度與層狀降水相反。降雨率為5mmh-1時使用剖風儀分類的降水形式的D0由於一些限制使得兩種儀器的分類結果不同，主要狀況有1)雨滴譜儀分類為層狀降水而剖風儀分類為對流，通常此時雨滴譜儀分類結果的變化頻率會很高。2)剖風儀的分類法定義出太多的層狀降水，由於其中包含融解層的速度梯度小，且沒有亮帶出現的例子。3)剖風儀的分類中包含了一項混合降水，含有部份深對流的特徵(融解層上方增強的波譜寬)，也有部分層狀降水的特徵(發展完整的溶解層特徵)。比較剖風儀求得的垂直架構與雨滴譜儀決定的降雨率顯示:所有降雨率大於10mmh-1的降水皆為對流形式，而四種分類降水在降雨率低於5mmh-1名詞解釋：spectralwidthgamma-fitteddropsizedistributionN0

jump參考文獻：Tokay,A.,D.A.Short,C.R.Willians,W.L.Ecklund,andK.S.Gage,1999:Tropicalrainfallassociatewithconvectiveandstratiformclouds:Intercomparisonofdisdrometerandprofilermeasurements.J.Appl.Meteor.,38,302-320.目錄名詞解釋3SpectralWidth3Gamma-fittedDropSizeDistribution3N0jump3前言5資料來源5分類方法6雨滴譜儀6剖風儀7個案研究7雨滴譜儀與剖風儀對降雨的分類比較9討論11結論12問題與討論13參考文獻14名詞解釋1.spectralwidth(波譜寬)波譜寬為都卜勒速度的變異。因為雷達求得的速度為一個解析體積內所有速度的平均值，而解析體積內每個粒子的速度差異分布為波譜寬。當速度的差異大時，波譜寬就越大；速度差異小時，波譜寬就越小。速度分布如fig.1a。影響波譜寬的因素有：1)不同的終端落速2)空氣的擾動3)垂直風切。logN(D)DlogN(D)Dfig.1afig.1b2.gamma-fitteddropsizedistributiongamma-fitteddropsizedistribution是將雨滴的粒徑分佈擬合成gammadistribution的形式(fig.1b)，公式如下：N(D)=N0Dμexp(-ΛD)其中D為雨滴粒徑，N(D)為不同粒徑的雨滴數量，N0為雨滴粒徑分佈的截距，μ為形狀，Λ為斜率。3.N0

jumpN0突然的增加或減少為N0jump。Waldvogel(1974)觀測到較小的N0通常伴隨著廣泛的降水且上方有亮帶出現。而當N0突然增加時發現有亮帶消失的現象，也代表有對流活動出現。Fig.2a為降雨時序圖，時間是1993年1月26日。12~14UTC(黑色線)時為對流降水，14~18UTC(灰色線)為層狀降水。另外fig.2b為同時間的N0，R(降雨率)的線圖。從圖中可以很明顯的看出，N0-R的關係很明顯的分成兩個區塊，當一開始降雨時為對流降雨，此時N0-R的分布集中在右上角，而當降雨轉為層狀降雨時，N0-R的分布就明顯的轉移到左下角，這個N0突然轉變的過程就稱為N0jump。本研究之後就以這個方式來區分雨滴譜儀觀測到的降水類型。當N0-R在分界線上方時定義為對流降水，反之則為層狀降水。fig.2afig.2b前言對流與層狀降水的雨滴粒徑分布(DSD)在不同的氣候區有明顯的差異，研究指出熱帶系統中對流與層狀降水的雨滴粒徑分布有明顯的差異(TokayandShort,1996；Marks,1999)，且雨滴粒徑分布對於模式的參數化也有重要的影響(Ferrieretal.,1995)。在對流的環境中，雲滴在狹窄的上衝流中經由成核作用，凝結，以及合併過程提供主要的雨滴來源。層狀環境的主要特徵為較大的水平範圍，微弱的上衝流，0℃另外使用剖風儀分類降水研究則有Williamsetal.(1995)使用UHF雷達分析ManusIsland(2°S,147°E)的降水型態。主要是利用都卜勒速度梯度(DVG)找出融解層的特徵來分辨降水。而本研究使用兩種獨立的分類方式定義熱帶雲系的降水型態：1)雨滴譜儀：提供單點的雨滴粒徑分布的測量。2)剖風儀：能看雷達回波、都卜勒速度，及波譜寬。資料來源資料來源是TOGACOARE(TropicalOceanGlobalAtmosphereCoupledOcean-AtmosphereResponseExperiment)的密集觀測，時間為1992年11月1日~1993年2月13日，其中包含7605分鐘的降雨。實驗地點為KapingamarangiAtoll(1°N，155°E)。使用的觀測資料來自1)雨滴譜儀(RD-69Distrometdisdrometer)在降雨率>0.1mmh-1時記錄到535mm分類方法雨滴譜儀由雨滴譜儀的觀測分類層狀、對流降水如流程圖fig.3所示。首先先求出擬合gamma形式的雨滴粒徑分布N(D)=N0Dμexp(-ΛD)的各個參數N0、μ、Λ，同時也求出液態水含量M，降雨率R，及回波Z。再由降雨事件中的N0、R的變化定義出N0-R關係圖中，層狀與對流降水的分界線(如fig.2b)。最後把N0、R分布在分界線右上方的事件歸類為對流降水，左下方的歸類為層狀降水。Fig.3Fig.4剖風儀剖風儀把降水分為四種類型。先將降水分成偏層狀或對流形式，分類方式為區分是否有融解層的特徵。融解層的特徵在這裡定義為在3.5~5km的位置都卜勒速度梯度大於2ms-1km-1接下來再看融解層的上方是否有增加的擾動，界定方式為大於7km的位置最大波譜寬是否大於2ms-1，理由為波譜寬越大代表有越多的擾動，因此在這裡波譜寬大於2ms-1的話定義為混合層狀對流形式，相反的，則定義為層狀降水。回到第一個步驟，若沒有融解層的特徵，則為對流形式的降水。接著再看在融解層上方是否還有水象存在，看的是大於7km的地方都卜勒速度，若速度大於5ms-1的話，則認為是深對流，反之則為淺對流。個案研究個案時間為1993年1月26日，當天有兩個降雨事件。fig.5由上到下分別為雷達回波圖、都卜勒速度、波譜寬，以及剖風儀與雨滴譜儀的分類結果。首先看第一個降雨事件，時間約為0245~0500UTC。從回波來看沒有亮帶出現，是對流降水的特徵。而由於這段時間有些速度梯度大於門檻值，因此在剖風儀的分類中出現層狀與混合降水的分類。另外降雨率有到達20~30mmh-1，也是對流降水的特徵。第二個降雨事件為1200~1800UTC，雨滴譜儀的分類先是兩小時的對流降水，然後接著四小時的層狀降水。在1400~1800UTC時，回波在融解層的位置有明顯的亮帶，也有很大的速度梯度，在這裡剖風儀的分類主要為層狀，還有部份為混合，可以比較1400~1530UTC的10~12km的位置，有很大的波譜寬，因此剖風儀在這裡定義為混合降水。最後再看雨滴譜儀與剖風儀的降水分類趨勢，剖風儀約在1330UTC之前有定義對流降水，之後為層狀、混合降水，雨滴譜儀則是在1400UTC前為對流，之後為層狀降水。兩個儀器的分類之間有時間的延遲，是由於剖風儀觀測的為較高的位置，而雨滴譜儀的觀測在地面，兩者觀測到的相同的降水約有15~30min的延遲。Fig.5雨滴譜儀與剖風儀對降雨的分類比較以剖風儀定義的不同種類的降雨的雨滴粒徑分布Fig.6為剖風儀分類為四種降雨形式時，雨滴譜儀觀測到的雨滴粒徑分布。比較液態水含量M，對流形式的液態水含量都比層狀、混合多。接著再比較D0，對流形式的D0比層狀小，也表示層狀的雨滴較對流大。另外對流的N0明顯的比層狀大一個數量級，可以發現結果與雨滴譜儀用N0分類層狀與對流形式一致。最後再比較雨滴粒徑的分布，深對流與淺對流的雨滴粒徑範圍較窄，層狀與混合粒徑分布較寬，也就是對流集中在較小的雨滴，而層狀、混合則有比較多的大雨滴。Fig.6雨滴譜儀與剖風儀對不同降水分類的剖風儀觀測剖面雨滴譜儀的分類Fig.7a~c是雨滴譜儀定義成層狀與對流降水的雷達回波、都卜勒速度，以及波譜寬。先看回波的部份，層狀與對流最大的分別約在4~6km的高度，層狀回波在這個位置有明顯的增加，也就是亮帶的部份，對流雖然也有增加，但不像層狀那麼明顯。垂直速度在融解層以上對流稍大於層狀，而在融解層的位置兩者速度都快速增加，層狀向下的速度在4.5km的位置超過對流，過了4km以後層狀的速度隨著高度的減少而減少，對流隨著高度減少而增加，這是由於過了融解層之後，層狀的雨滴粒徑主要是發生蒸發作用，加上空氣密度的變化讓雨滴下降速度變慢，而對流的的雨滴粒徑主要是發生碰撞合併成長使下降速度變快。層狀與對流的波譜寬在融解層以下大致相同，在融解層以上對流明顯的大於層狀很多，這與層狀在融解層以上只有微弱的垂直運動有關。剖風儀的分類Fig.7d~e為剖風儀四種分類的各種垂直剖面。在回波方面混合類似層狀，但每個高度的回波均大於層狀。對流與層狀的區別比雨滴譜儀的分類更為明顯。都卜勒速度層狀與混合在融解層以下幾乎是相同的，而在融解層以上混合則與深對流相同。對流形式的降水的速度在融解層以下比雨滴譜儀分類的速度更小，也與層狀的差別更大了。波譜寬的部份層狀在雨滴譜儀的分類及剖風儀的分類類似，但剖風儀分類的層狀在高層的波譜寬更小於對流。對流與混合形式降水的波譜寬幾乎相同。Fig.7Fig.8接下來再交叉比對雨滴譜儀與剖風儀的分類結果，先看當雨滴譜儀分類為層狀時，剖風儀的分類(fig.8a~c)。比較Table1，雨滴譜儀分類為層狀時剖風儀分類出的混合與層狀的樣本數總共有89%，因此fig.8a~c的層狀與對流剖面與fig.7d~f幾乎是相同的。另外在雨滴譜儀分類為層狀時，還是有11%在剖風儀被歸類為對流，從回波、都卜勒速度、波譜寬的剖面來看，剖風儀歸類為對流的降水確實為對流形式的降水(沒有亮帶、融解層以下速度較小、融解層以上波譜寬較大)。而當雨滴譜儀定義為對流降水時，剖風儀分類出的深對流與淺對流剖面為對流降水的特徵，但數量只佔30%(table.1)。此時剖風儀還是分類出37%的混合及33%的層狀降水。從回波(fig.8d)來看，此時剖風儀分出的層狀與對流降水已經沒有明顯的亮帶，都卜勒速度(fig.8e)在融解層以下也減少許多，層狀的波譜寬(fig.8f)相較於fig.7f在3~7km的高度有增加。而在融解層以上深對流的波譜寬有減少一點，混合則有增加一點。由以上幾點可看出剖風儀將很多對流形式的降水歸類為層狀，雨滴譜儀也有將少部分的對流降水歸類為層狀。由前面幾張圖的比較可以發現，回波的亮帶特徵可以明顯的區分對流與層狀降水。另外剖風儀分類出太多的層狀降水，推測是由於剖風儀資料是使用30min的平均，以及都卜勒速度梯度的門檻值定義的關係。Table1小結由以上的比較結果，可能讓我們懷疑兩種儀器的分類的可信度，另外是不是還有第三種分類方式？因此接下來將加入降水的持續時間以及降水強度來比較。以及是否還有介於層狀與對流之間的第三種降水。討論以持續時間分析首先先看雨滴譜儀分類為層狀降水時，持續時間大於20min的結果(fig.9a~c)。此時剖風儀的分類已經沒有淺對流，深對流也只剩3個樣本。另外剖風儀分類出的層狀與混合降水的回波，融解層的亮帶比單純用剖風儀分類出的(fig.7d)更為明顯。融解層以下的下降速度也快很多，而融解層以上的波譜寬也小一些。持續時間小於5min時(fig.9d~f)，剖風儀有分類出較多的對流降水，雖然還是有分類出混合及層狀，但他們的回波、都卜勒速度，及波譜寬的剖面有比較偏向對流的形式。Fig.9Fig.10以降雨率分析在降雨率大於10mmh-1(fig.10a~c)時，剖風儀分類出的層狀與混合降水都呈現對流的特徵，回波沒有亮帶，融解層速度梯度減少，融解層以下速度減少。再比較降雨率小於5mmh-1(fig.10d~f)時，挑選出來的樣本以層狀(810)及混合(307)占大部分，但仍有深對流(107)及淺對流(102)。此時四種降水的三種剖面都有表現出各自的特徵(與fig.7d~f相似)。結論本篇對降水的分類是使用地面雨滴譜儀觀測的DSD參數，以及剖風儀觀測的垂直都卜勒速度、波譜寬來比較。分類結果剖風儀分出過多的層狀與混合降水，可能是由於使用30分鐘平均的速度梯度=2ms-1km-1的門檻值太低造成。由於區分層狀與對流降水的速度梯度不一定相同，未來將加入回波的亮帶特徵來分類，當融解層出現亮帶及較大的速度梯度時，地面也定義為層狀降水。此外由融解層觀測到的水象到地面時約為15分鐘或更長的時間之後，這也是造成兩種儀器分類結果不同的原因之一。另外在雨滴譜儀層狀降水的分類加入持續20分鐘的條件，這樣也可排除從融解層到地面的時間與高度差異的影響。由於觀察到的降雨率大於10mmh-1時幾乎都為對流降水，因此可將在低層有較高回波的降雨事件定為對流降水。而在降雨率低於5mmh-1時，剖風儀的四種降水的分類問題與討論使用哪種儀器的分類比較好？雨滴譜儀能算出降水的雨滴粒徑分布、降水時間、強度；而剖風儀則是直接看到垂直的回波、都卜勒速度、波譜寬剖面，兩種方法各有利弊，因此最後認為可再加入回波的亮帶、降水時間及強度等，使兩種儀器能做出更好的分類結果。區分層狀、對流降水的分界線(fig.2b)是如何定出來的？每次都要重新定義嗎？這裡的分界線是由這個實驗的多次降水的統計結果定義出來的，不同的氣候區或不同季節會有不同的N0-R的分界線，如果我們在同一種條件下能找出一個區分對流與層狀降水的N0-R的關係，那之後就可沿用這個關係式來分辨降水，不用再重新定義。fig.2b為何要用連續的線圖而不用打點來表示？因為用線圖能更明顯的看出在對流與層狀降水轉變時，N0-R的關係是突然的變化，也很明顯的區分成兩個區塊，在跨越分界線後幾乎不會再跳離同一區塊，這是用點圖無法表現出來的連續時間突然改變的關係。D0代表什麼？D0的單位是mm，表示中值雨滴粒徑。意思為大於D0的所有雨滴加起來的液態水含量等於小於D0的所有雨滴的液態水含量，有平均雨滴粒徑的意思。公式如下：5.N0的大小代表什麼？N0為gamma-fitted的雨滴粒徑分布的截距(fig.1c)，當N0變大時，表示所有的N(D)都變多，但因影響雨滴粒徑分布還有其他參數，因此當N0變大時，最直接的是指小的雨滴粒徑的數量變多，反之亦然。下降運動與雨滴大小的關係？較大的雨滴在下降的過程中主要是蒸發作用，加上空氣密度變化導致雨滴終端速度改變，因此大雨滴在下降過程中速度會隨著高度減少而減少。小雨滴在下降的過程中主要是碰撞合併作用，雨滴會