摘要：本文利用2012年9月到2014年4月成都信息工程学院TWP3-M型移动式边界层风廓线雷达的资料和地面自动气象观测站的资料，把有降水时的风廓线雷达资料的垂直速度进行反演和订正后，得到降水量与雨滴质点的关系以及雨滴质点在垂直速度中所占的比重，再利用最小二乘法将剔除雨滴末速度的下沉气流与地面风速进行拟合，得到成都市的下沉气流强度和地面风大小的关系。结果表明：在忽略湍流的影响下，信噪比（）对雨滴质点末速度的影响随降水量的增加而增加。降水量越大，风廓线雷达所测的垂直速度中雨滴所占比重越大。在四种不同降水量情况的拟合结果中，少量降水的拟合效果最好，其相关系数和相关指数都接近于1，残差平方和较小，其次是无降水时的拟合效果，之后是大量降水的拟合效果，中量降水的拟合效果相比其他三种情况时要差一些，其残差平方和较大。
关键字：下沉气流强度；地面风速；风廓线雷达；最小二乘法；雨滴质点
引言
下击暴流是指在雷暴云中存在着强烈的下沉气流，当它到达低空时，在近地面会形成大于18m/s的外流，影响人们的身体健康和出行安全，恶劣的天气还会严重影响飞机的起飞、降落和飞行[1-6]。本文利用最小二乘法对成都市2012年9月28日到2014年4月1日的风廓线雷达资料的垂直风和地面自动气象站的地面风进行拟合，找到不同降水量时的下沉气流与地面风的关系。
1资料选取
本文资料从2012年9月28日到2014年4月1日的成都信息工程学院TWP3-M型移动式边界层风廓线雷达资料和成都信息工程学院观测场观测的地面风资料和雨量资料。
３下沉气流强度与地面风大小关系的拟合
３.1无降水
当无降水时，雨滴质点的末速度不会影响环境大气的下沉气流强度，下沉气流遇到地面之后会转换成地面风。在无降水时，下沉气流强度与地面风速的相差普遍较大，地面风速较下沉气流强度平均减少了84%，其中，减少最大的是第8个样本，减少率为91.8%，减少的最小的为第13个样本，减少率为67%。
将上述样本进行拟合之后，得到回归方程为 ，相关系数r=0.86，表示正相关很强，相关指数R^2=0.73，回归效果较好，残差平方和为0.49，拟合程度较好。
３.2少量降水
在有降水的情况时，风廓线雷达测得的下沉气流要经过反演和修正之后得到环境大气的下沉气流强度，少量降水时的降水量为每小时0.1毫米到每小时0.9毫米之间，在少量降水时，下沉气流经过处理之后得到的环境大气的下沉气流基本是下沉气流强度的一半，其平均减少率为53.8%。有少量降水时，雨滴质点的拖曳作用对于下沉气流和地面风的影响不是很大，地面风速对于环境大气的下沉气流的平均减少率为75.6%，比无降水时的平均减少率要小。在这种情况下，地面风速对下沉气流强度的平均减少率为88.5%，比无降水时的减少率要小，这可能与少量的降水有关系。此种情况中，环境大气的下沉气流相比于下沉气流的减少率为53.8%，即雨滴质点在下沉气流中所占比例为46.2%。
将上述样本进行拟合之后，得到回归方程为 ，相关系数r=0.89，正相关很强，相关指数R^2=0.81，回归效果较好，残差平方和为0.44，拟合程度较好。
３.3中量降水
中量降水为每小时1毫米到每小时5毫米的降水量，在16个样本中，下沉气流强度与环境大气的下沉气流强度相差较大，这是由于雨滴质点的拖曳作用，而地面风速与下沉气流强度的相差较小，其中，地面风速相比环境大气的下沉气流强度的减少率为32.4%，环境大气的下沉气流较下沉气流强度的减少率为49%，即雨滴质点在中量降水时所占比例为51%。
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将上述样本进行拟合之后，得到回归方程 ，相关系数r=0.89，正相关很强，相关指数R^2=0.79，回归效果较好，残差平方和为1.01，拟合程度没有无降水和少量降水时好。
３.4大量降水
大量降水为每小时5毫米以上的降水量，其最大降水量为每小时34.7毫米，此时，雨滴的拖曳作用为四种情况中最大的。地面风速相比环境大气的下沉气流强度的平均减少率为43.9%，环境大气的下沉气流较下沉气流强度的平均减少率为36.8%，即在大量降水时，下沉气流中雨滴质点所占比重为63.2%。
将上述样本进行拟合之后，得到回归方程为 ，相关系数r=0.88，正相关很强，相关指数R^2=0.77，回归效果较好，残差平方和为0.83，由前文的拟合优劣判定中可知，大量降水时的下沉气流的强度和地面风大小的拟合较好，有很高的正相关性，回归效果较好，拟合的可靠性较高，残差平方和较小，拟合程度较好。
5 讨论与展望
风廓线雷达探测的是垂直方向的下沉气流，是同一个方向探测到的风速，但实际情况中，当有降水时，风可能使雨滴质点出现偏差，不一定是在垂直方向上，风廓线雷达探测到的可能只是雨滴质点末速度的一个分量，所以在剔除雨滴质点的末速度时，可能存在水平方向的分量没有被剔除，希望在以后的研究学习中在这方面可以有更加深刻地认识，可以得到更加精准的算法。
结 论
本文利用2012年9月28日到2014年4月1日风廓线雷达的资料和地面自动气象站的资料，通过最小二乘法对不同降雨量时的下沉气流强度与地面风大小进行拟合，在对研究结果进行分析后得出以下结论：
（1）对风廓线雷达垂直方向速度进行反演和订正之后，得到有降水时雨滴质点末速度的变化范围，少量降水，中量降水，大量降水分别为2.12米每秒到2.89米每秒，3.12米每秒到3.87米每秒，4.24米每秒到5.02米每秒。在忽略湍流的影响下，信噪比（）对雨滴质点末速度的影响随降水量的增加而增加。
（2）降水量越大，风廓线雷达所测垂直速度中雨滴所占比重越大，少量降水、中量降水、大量降水在下沉气流中分别占 46.2%，51%，63.2%。
（3）剔除雨滴质点的末速度后，环境大气的下沉气流转换成地面风时，少量降水、中量降水、大量降水的转化率分别为 24.4%，67.5%，56.1%。
（4）无降水，少量降水，中量降水，大量降水的拟合结果中，相关系数分别为0.86,0，89,0.89,0.88，相关指数分别为0.73,0.81,0.79,0.77，残差平方和分别为0.49,0.44,1.01,0.83。少量降水的拟合效果最好，其次是无降水时的拟合效果，之后是大量降水的拟合效果，中量降水的拟合效果相比其他三种情况时要差一些。
参考文献
[1]Wolfson M M.Understanding and predicting microbursts[J]. Massachusetts Institute of Technology, 1990.
[3]胡明宝. 风廓线雷达数据处理与应用研究[J]. 南京信息工程大学, 2012.
[4]陆汉城.中尺度天气原理和预报[M],北京：气象出版社，2000.251-281
[5]王振会等.大气探测学[M].北京:气象出版社2011
[6] Foote G B, du Toit P S. Terminal velocity of raindrops aloft. J. Appl. Meter. 1969,8:249~253
作者简介:李晴璐(1992-)，女，汉族，四川省成都人，研究生学历，助理工程师，从事预报工作。
论文作者:李晴璐
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/29
标签：气流论文; 质点论文; 雨滴论文; 地面论文; 强度论文; 平方和论文; 风速论文; 《科学与技术》2019年19期论文;