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 Reference Tokay, A., D. A. Short, C. R. Willians, W. L. Ecklund, and K. S. Gage. 1999: Tropical rainfall associate with convective and stratiform clouds: Intercomparison of disdrometer and profiler measurements. J. Appl. Meteor., 38, 日期 : 講員 : 毛又玉

報告大綱 名詞解釋 前言 資料來源 分類方法 個案研究 雨滴譜儀與剖風儀對降雨的分類比較 結論

名詞解釋 - Spectral Width 都卜勒速度的偏差 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 ( 波譜寬 )

名詞解釋 - N(D)=N 0 D μ exp(-ΛD) logN(D) D D : 雨滴粒徑 N(D) : 不同粒徑的雨滴 數量 N 0 : 截距 Λ : 斜率 μ : 形狀 gamma-fitted drop size distribution

名詞解釋 - N 0 jump 為 N 0 的值突然的增加或減少 Waldvogel(1974) 觀測到較小的 N 0 通常伴隨著廣泛的降 水且上方有亮帶出現。而當 N 0 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。 N 0 (mm -1 m -3 ) R (mm h -1 ) Time (UTC)

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，雨滴粒徑分布對於模式的參 數化有重要的影響。 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 ℃高度以上有冰晶成長及聚合作用，有 融解層，溶解層以下有蒸發作用。

前言 ( 續 ) 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 (Tokay and Short, 1996 ； Marks, 1999 ) Ferrier et al.(1995) 也顯示出 DSD 參數化對於分辨 對流與層狀降水對模式的執行有很大的影響。 由 Williams et al. (1995) 使用 UHF 雷達分析 Manus Island (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。

前言 ( 續 ) 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 回波，都卜勒速度，波譜寬

資料來源 TOGA COARE IOP (Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment) Kapingamarangi Atoll (1°N ， 155°E) ~ (7605 rainy minutes) Kapingamarangi

資料來源 ( 續 ) 雨滴譜儀 RD-69 Distromet disdrometer ，共記錄 535mm ( 降雨率 >0.1mm h -1 ) 傾斗雨量計 ( 在雨滴譜儀有紀錄的時間裡記錄 525mm) 剖風儀 915-MHz ultrahigh frequency (UHF) wind profiler

分類方法

雨滴譜儀 N(D)=N 0 D μ exp(-ΛD) N 0 : Intercept parameter μ: Shape parameter Λ: Slope parameter 計算積分參數 M(~D 3 ) : Liquid water content R(~v(D)D 3 ) : Rain rate Z(~D 6 ) : Radar reflectivity Identify N 0 jumps within rain events and determine N 0 -R discrimination line For each one minute spectra is N 0, R pair above the discrimination line? StratiformConvective noyes N 0 (mm -1 m -3 ) R (mm h -1 )

剖風儀 Is there a melting signature? Is there enhanced turbulence above the melting level? Are there hydrometeors above the melting level? StratiformMixed Stratiform / Convective Shallow Convective Deep Convective yes no 融解層 ( 3.5~5 km) 速度梯度 (DVG) >2 ms -1 km -1 融解層以上 ( >7km) 最大波譜寬 >2 ms -1 融解層以上 (>7km) 速度 > 0.5 ms -1

個案研究

第一個降雨事件 沒有亮帶 → 對流 有部份 DVG 較大 → 層狀、 混合 降雨率 20~30 mm h -1 → 對流 第二個降雨事件 雨滴譜儀 →2 小時對流， 4 小 時層狀 14~18 UTC ，明顯亮帶， DVG→ 層狀 >6km 有水象存在 → 混合 地面對流的第一個小時，無 亮帶， DVG 超過門檻值 → 層狀、混合、對流 兩種分類有時間的延遲

淺對流深對流 混合對流 / 層狀 層狀 M=0.276 g m -3 M=0.285 g m -3 M=0.269 g m -3 M=0.249 g m -3 D 0 =1.22mmD 0 =1.31mm D 0 =1.37mmD 0 =1.54mm N 0 =1.0×10 5 N 0 =1.9×10 5 N 0 =1.2×10 5 N 0 =0.2×10 5

雨滴譜儀定義的層狀與對流降雨 1. 亮帶的有無 2. 層狀與對流速度的差別 3. 融解層以上的波譜寬 剖風儀的降雨形式分類 1. 深對流與層狀相似度減少 2. 融解層以上層狀速度減少 3. 融解層以下對流速度減少

結合雨滴譜儀 與剖風儀分析 雨滴譜儀定義為層狀時剖風儀的分類 雨滴譜儀定義為對流時剖風儀的分類 當雨滴譜儀分類為層狀時，剖風儀分 析出的各種形式降水與單純用剖風儀 時一致。 當雨滴譜儀定義為對流降雨時，層狀 與混合回波亮帶消失，融解層以下速 度減少，融解層波譜寬增加，為對流 形式降水的剖面特徵。但深對流與淺 對流則無太大改變。

小結 有亮帶能區分出層狀的降水，反之則是對 流降水。 剖風儀使用的是 30 分鐘的平均，將很多對 流形式的降水歸類為層狀降水，最明顯的 地方在於當雨滴譜儀為對流時，剖風儀分 類出的層狀降水為對流的特徵。

討論 雨滴譜儀與剖風儀分類的對流、層狀降水 的可信度 ? 是否有第三種降水分類 ? → 持續時間 → 降水強度 → 將混合降水定義為界於層狀與對流降水間 的第三種分類

以持續時間分析 ( 雨滴譜儀分類為層狀時 ) 持續時間 >= 20 min 持續時間 <= 5 min 持續時間 >=20min 已無淺對流，深對流只剩 3 個樣本。 層狀、混合有明顯亮帶及層狀特徵。 持續時間 <=5min 顯示較多的事件趨向於歸類為對流

以降雨率分析 降雨率 >10mm h -1 層狀、混合降水已無亮帶存在， 速度剖面為對流特徵。 降雨率 <5mm h -1 主要為層狀 (810) 及混合 (307) 降水 但以剖面來分類仍有深對流 (107) 及 淺對流 (102) Rainrate > 10 mm h -1 Rainrate < 5 mm h -1

結論 降水的分類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。 剖風儀分類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 -1 km -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。

結論 ( 續 ) 由融解層觀測到的水象 (hydrometeor) 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。 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 10mm h -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。

THE END

DVG

disdrometer 撞擊式雨滴譜儀 (disdrometer) 利用雨滴撞擊感應器的力量求得雨滴粒徑的 儀器。 RD size interval 0.3~5.0 mm

profiler 915-MHz ultrahigh frequency (UHF) wind profiler ( 剖風儀 ) 都卜勒雷達 三個不同方向的 波束求得觀測點 上方的垂直風場 分布。

Tokay and Short (1996)

雨滴粒徑分布 logN(D) D N(D)=N 0 exp(-ΛD)N(D)=N 0 D μ exp(-ΛD) logN(D) D

Classification statistics- 剖風儀

7 min 24 min

層狀 ; 對流