微雨雷達(dá)在寧波典型降水過程中的表現(xiàn)特征

姜嘉俊，王曉慧，劉圣楠

（1.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012；2.寧波市海曙區(qū)氣象局，浙江 寧波 315012；3.金華市氣象局，浙江 金華 321023）

引言

深入了解降水垂直結(jié)構(gòu)和微物理過程對降水精細(xì)預(yù)報(bào)和人工影響天氣具有重要意義［1-3］。雨滴譜是指雨滴數(shù)濃度隨雨滴直徑的分布關(guān)系，是表征降水微物理特征的重要參數(shù)，對于了解降水微物理過程，改進(jìn)數(shù)值模式中微物理參數(shù)化方案具有重要作用［4-5］。此外，雷達(dá)反射率因子與降水強(qiáng)度之間的Z-R 關(guān)系同樣基于雨滴譜擬合得到［6-8］。

已有研究大多基于一維或二維雨滴譜儀針對地面雨滴譜展開。宮福久等［9］利用地面雨滴譜儀在沈陽夏季測得的積云、層云和層積混合云降水資料，分析了三類云降水雨滴譜的譜型和擬合參數(shù)。房彬等［10］利用遼寧地區(qū)激光雨滴譜儀資料研究了積雨云、積層混合云和層狀云降水系統(tǒng)雨滴譜特征量和譜參數(shù)的平均特征及其隨時(shí)間演變。劉紅燕和雷恒池［11］利用聲雨滴譜儀資料，分析了北京地區(qū)對流云降水和層狀云降水中的雨滴譜特征。

雨滴在下落過程中受重力、浮力和空氣阻力共同作用，會(huì)發(fā)生碰并、破碎和蒸發(fā)等過程，這些物理過程會(huì)造成高空和地面的降水特征出現(xiàn)差異。由于探測手段的限制，目前對于降水特征量垂直廓線和不同高度上雨滴譜的觀測十分有限。僅少數(shù)研究使用架設(shè)在不同高度山坡上的雨滴譜儀或飛機(jī)觀測，分析了雨滴譜在垂直方向的演變特征。陳萬奎等［12］利用一次西安—武功的飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)分析了雨滴譜特征及其在水平方向的變化。陳聰?shù)龋?3］利用黃山不同高度上的雨滴譜觀測資料對2011 年6 月一次降水過程進(jìn)行了分析，指出各直徑微物理量在山腰最大、山底次之、山頂最小，山腰的雨強(qiáng)最大，而山頂雨滴數(shù)濃度最大。李慧等［14］則進(jìn)一步對降水進(jìn)行了分類（層狀云和對流云），統(tǒng)計(jì)了黃山不同海拔高度上降水粒子譜的微物理特征，指出對流云降水雨滴的各類尺度參數(shù)和數(shù)濃度都比相同高度上的層狀云降水大。可以看出，雨滴譜在垂直方向存在明顯差異，而其隨高度變化會(huì)引起雷達(dá)反射率因子的垂直變化，進(jìn)而導(dǎo)致雷達(dá)定量估計(jì)降水的偏差。因此，研究雨滴譜垂直分布就顯得十分必要。

微雨雷達(dá)（Micro Rain Rader，簡稱MRR）作為一種垂直指向雷達(dá)可以對雨滴譜垂直分布進(jìn)行連續(xù)觀測，由于其對觀測環(huán)境要求低且安裝方便，近年來成為了研究降水微物理特征的重要工具。崔云揚(yáng)等［15］利用MRR 觀測資料對河北邢臺(tái)的一次層狀云降水過程進(jìn)行了分析，指出降水過程中小滴數(shù)濃度隨高度降低有明顯減小，中滴和大滴垂直變化較小。宋燦等［16］同樣利用河北邢臺(tái)的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了夏季層狀云不同降水強(qiáng)度下雨滴譜垂直演變特征，指出對于弱降水，雨滴在下落過程中蒸發(fā)明顯，而對于較強(qiáng)降水，雨滴下落過程中碰并作用更明顯。過霽冰等［17］則利用MRR 對上海夏季不同強(qiáng)度降水過程中降水率、雷達(dá)反射率和液態(tài)水含量等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

為探索以寧波為代表的浙江地區(qū)典型降水過程的微物理特征和雨滴譜隨高度變化，為改進(jìn)模式云微物理參數(shù)化方案和優(yōu)化雷達(dá)定量估計(jì)降水算法提供依據(jù)，本文在對寧波余姚微雨雷達(dá)2018 年1 月—2019 年12 月連續(xù)24 個(gè)月觀測進(jìn)行評估的基礎(chǔ)上，針對2020 年以來的三次典型降水過程進(jìn)行初步分析。

1 觀測儀器和數(shù)據(jù)處理

1.1 觀測儀器簡介

觀測使用的微雨雷達(dá)（MRR）由德國METEK 公司生產(chǎn)，是一種垂直指向雷達(dá)，波長為1.25cm（K 波段，24.23Ghz），采用連續(xù)調(diào)頻技術(shù)，通過獲取多普勒功率譜，利用降水粒子下落速度與直徑的經(jīng)驗(yàn)公式反演得到不同高度、不同直徑粒子對應(yīng)的數(shù)濃度（雨滴譜）。后基于反演得到的雨滴譜計(jì)算不同雨滴譜參量隨時(shí)間和高度的變化，從而分析降水的垂直分布和隨時(shí)間的演變。MRR 參數(shù)如表1 所示。本文使用數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1min。

表1 MRR 主要參數(shù)設(shè)置

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

由MRR 觀測獲得的雨滴譜數(shù)據(jù)可以計(jì)算降水強(qiáng)度R（單位：mm·h-1）、雷達(dá)反射率因子Z（單位：mm6·m-3）、液態(tài)水含量LWC（單位：g·m-3）和有效直徑ED（單位：mm）等微物理特征量。

其中，N（Di）是MRR 反演得到的一定高度上單位體積單位譜間隔內(nèi)雨滴數(shù)濃度，V（Di）是第i 檔速度譜下落速度。Di為第i 檔雨滴直徑，ΔDi為對應(yīng)的直徑間隔。

2 結(jié)果與分析

2.1 儀器評估

為了解MRR 觀測可靠性，對其雨強(qiáng)觀測結(jié)果進(jìn)行了評估。選取2018 年1 月1 日至2019 年12 月31 日的反演降水與余姚站雨量筒觀測的小時(shí)降水進(jìn)行對比。已有研究指出，由于受地形等影響，MRR近地面觀測的降水并非最接近雨量筒實(shí)況［18］。所以分別選取離地35m、100m、200m 和500m 高度的MRR 觀測小時(shí)雨強(qiáng)和雨量筒進(jìn)行了對比（圖1）?？梢钥吹?，無論哪個(gè)高度，大部分時(shí)次MRR 觀測的降水強(qiáng)度均小于雨量筒。MRR 在100m 高度上觀測的雨強(qiáng)（圖1b）和雨量筒最為接近，二者相關(guān)系數(shù)94%，變化趨勢具有顯著的一致性。35m 高度上觀測雨強(qiáng)和實(shí)況相比誤差反而更大，而500m高度上雨強(qiáng)明顯偏小，這可能是因?yàn)榻邓诋a(chǎn)生的過程中本身在不同高度上分布的粒子數(shù)量等就不一樣。且垂直發(fā)射的電磁波越到高層受到降水粒子的衰減作用也會(huì)越明顯?？傮w來看，MRR 具備一定的降水觀測能力，尤其在100m 高度上觀測的雨強(qiáng)能較好的表征實(shí)際降水強(qiáng)度。

圖1 MRR 不同高度觀測小時(shí)雨強(qiáng)和雨量筒對比

為了更細(xì)致的評估MRR 對不同強(qiáng)度降水的觀測能力，將小時(shí)雨強(qiáng)按表2 的降水等級(jí)進(jìn)行劃分，分別得到了小雨、中雨、大雨及以上時(shí)MRR 在100m高度上觀測到的雨強(qiáng)與雨量筒對比情況（圖2）。可以看到，在小雨時(shí)，MRR 觀測雨強(qiáng)偏小，且離散度較大。中雨時(shí)，雖然MRR 觀測雨強(qiáng)仍然偏小，但離散度明顯減小，觀測穩(wěn)定性有所提高，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.85。對于大雨及以上時(shí)，MRR 觀測雨強(qiáng)偏小的情況基本改善，和雨量筒觀測降水相比表現(xiàn)出了較好的一致性，但由于觀測時(shí)次較少，具有一定的不確定性。

表2 小時(shí)降水等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 不同降水強(qiáng)度下MRR 在100 米高度上觀測小時(shí)雨強(qiáng)評估情況

綜上，MRR 具備一定的降水觀測能力，尤其在100m 高度上觀測的雨強(qiáng)能較好的表征實(shí)際降水強(qiáng)度。對于中雨和大雨，觀測相對穩(wěn)定，對于小雨，MRR 觀測穩(wěn)定性不足，極端偏差情況較多。

2.2 典型個(gè)例分析

在總體評估的基礎(chǔ)上，為了研究微雨雷達(dá)產(chǎn)品在寧波典型降水過程中的表現(xiàn)特征，選取了三次具有代表性的過程進(jìn)行分析，分別為冬季西風(fēng)槽降水（2020 年1 月24 日00 時(shí)—26 日23 時(shí)）、夏季梅雨期降水（2020 年6 月18 日20 時(shí)—21 日20 時(shí)）和臺(tái)風(fēng)“黑格比”降水（2020 年8 月4 日17 時(shí)—5 日03時(shí)）。

由前文評估結(jié)果可以看到，MRR 在100m 高度上觀測雨強(qiáng)和雨量筒較為接近。因此，首先對三次典型過程中MRR 在100m 高度上觀測的雨強(qiáng)和雨滴譜分布情況進(jìn)行分析（圖3）。MRR 觀測雨強(qiáng)總體偏小，但變化趨勢和雨量筒實(shí)況非常接近。從雨滴譜演變可以看到，雨滴濃度和直徑隨降水強(qiáng)度變化明顯。對于西風(fēng)槽和梅雨降水，大部分雨滴直徑在1mm 以下，而臺(tái)風(fēng)降水中出現(xiàn)大量直徑超過1.5mm的雨滴。

圖3 三次典型過程雨強(qiáng)和雨滴譜分布情況

為了更好的分析三次降水過程中雨滴譜總體特征，將MRR 在100m 高度上觀測的雨滴譜做過程時(shí)間平均（圖4），可以看到三次降水過程中雨滴濃度隨著雨滴直徑增大而減小，濃度大于102（m-3mm-1）的雨滴粒子直徑分布在小于1.5mm 范圍內(nèi)。西風(fēng)槽和梅雨過程中雨滴譜基本相似，雨滴直徑在0.2～3mm范圍內(nèi)，而臺(tái)風(fēng)“黑格比”降水雨滴粒子直徑范圍更大，在0.2～5.4mm 范圍內(nèi)，更多的大的降水粒子能產(chǎn)生更強(qiáng)的降水，這正是臺(tái)風(fēng)“黑格比”降水更強(qiáng)的原因。

圖4 三次典型過程100m 高度上觀測的雨滴譜分布

圖5 為三次過程中降水特征量隨高度變化情況。對于西風(fēng)槽和梅雨降水，各高度上降水強(qiáng)度基本一致，而臺(tái)風(fēng)“黑格比”隨著高度降低，雨強(qiáng)則呈現(xiàn)增大的趨勢，但在近地面35m 高度上雨強(qiáng)卻突然降低，這可能是近地面地形對垂直速度有影響造成的。對于液態(tài)水含量（圖5b），西風(fēng)槽和梅雨降水也相似，二者均較小，且隨高度變化不明顯。而臺(tái)風(fēng)“黑格比”液態(tài)水含量基本是前者的5 倍以上，這和臺(tái)風(fēng)期間，水汽輸送充沛有關(guān)。隨著高度降低，臺(tái)風(fēng)降水過程中液態(tài)水含量減小，這可能是由于蒸發(fā)作用造成，尤其小雨滴下落過程中受蒸發(fā)作用會(huì)使液態(tài)水含量隨高度降低而減小。此外，在臺(tái)風(fēng)降水過程中，隨高度降低，粒子有效直徑明顯增大，粒子數(shù)濃度明顯減小。說明在臺(tái)風(fēng)降水過程中雨滴碰并增長作用較顯著，大量小粒子相互碰并成為大粒子。

圖5 三次典型過程（a）雨強(qiáng)、（b）液態(tài)水含量、（c）有效粒徑和（d）雨滴數(shù)濃度平均隨高度變化

2.3 預(yù)報(bào)應(yīng)用

在分析了三次典型過程中降水特征量隨高度總體變化的基礎(chǔ)上，這些特征量變化對降水強(qiáng)度變化是否有指示作用，能否用于預(yù)報(bào)參考值得進(jìn)一步關(guān)注。圖6 為西風(fēng)槽過程中任意一個(gè)時(shí)段（2020 年1月25 日21—23 時(shí)）分鐘降水特征量和雨量筒分鐘降水的比較。從圖6a 可以看到，雨量筒觀測降水在21∶50—22∶10 和22∶30—22∶40 有兩個(gè)相對大值區(qū)，而整層液態(tài)水含量大值區(qū)則提前出現(xiàn)在了21∶40—22∶00 和22∶20—22∶30 左右，提前了大約10min。從圖6b 滯后相關(guān)系數(shù)也可以看出，降水強(qiáng)度滯后整層液態(tài)水含量約8～10min 時(shí)，二者相關(guān)系數(shù)最大，超過了0.8。說明整層液態(tài)水含量變化對于未來8～10min 降水強(qiáng)度變化有很好的指示作用。而對于整層平均的有效直徑（圖6c，6d），也可以看到，其相對于降水強(qiáng)度變化同樣有大約10min 的提前量。整層平均的有效直徑與滯后10min 的降水強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.6。同樣表現(xiàn)出對未來10min 左右的降水強(qiáng)度變化有很好的指示。

綜上分析，整層積分的液態(tài)水含量和整層平均的粒子有效直徑對于降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)有較好的指示作用，二者變化均提前于降水強(qiáng)度變化約10 分鐘左右。

圖6 西風(fēng)槽降水過程中（2020 年1 月25 日21 時(shí)—23 時(shí)）微物理特征量與降水強(qiáng)度關(guān)系

3 結(jié)論與討論

對寧波余姚微雨雷達(dá)進(jìn)行評估的基礎(chǔ)上，選取了寧波地區(qū)三次典型降水過程（冬季西風(fēng)槽、梅雨和臺(tái)風(fēng)“黑格比”），分析了三次典型過程的雨滴譜和降水特征量分布情況，對降水特征量在雨強(qiáng)預(yù)報(bào)中的可能應(yīng)用做了初步分析，得到以下結(jié)論：

（1）評估表明，微雨雷達(dá)（MRR）具備一定的降水觀測能力，尤其在100m 高度上觀測的雨強(qiáng)能較好的表征實(shí)際降水強(qiáng)度。在小雨時(shí)，MRR 觀測降水偏小，離散度較大。中雨和大雨及以上時(shí)，雖然MRR觀測雨強(qiáng)仍然偏小，但離散度明顯減小，觀測穩(wěn)定性有所提高。

（2）低層（100m）雨滴譜分布可以看到，三次典型過程中降水粒子濃度均隨雨滴粒子直徑增大而減小，濃度大于102（m-3mm-1）的雨滴粒子直徑分布在小于1.5mm 范圍內(nèi)。西風(fēng)槽和梅雨過程中雨滴譜基本相似，而臺(tái)風(fēng)“黑格比”雨滴濃度更高，粒徑范圍更大，這也正是臺(tái)風(fēng)“黑格比”降水更強(qiáng)的原因。

（3）西風(fēng)槽和梅雨降水中液態(tài)水含量均較小，且隨高度變化不明顯。而臺(tái)風(fēng)“黑格比”液態(tài)水含量基本是前者的5 倍以上，且隨高度降低而減小。在臺(tái)風(fēng)降水過程中，粒子有效直徑隨高度降低明顯增大，粒子數(shù)濃度明顯減小。說明在臺(tái)風(fēng)降水過程中雨滴碰并增長作用較強(qiáng)，大量小粒子相互碰并成為大粒子。

（4）整層積分的液態(tài)水含量和整層平均的粒子有效直徑對于降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)有較好的指示作用，二者變化均提前于降水強(qiáng)度變化約10min 左右。

需要指出的是，本研究僅從個(gè)例出發(fā)分析了寧波地區(qū)三類典型降水過程的微物理特征，因此研究結(jié)果存在一定的不確定性。下一步需要通過更多個(gè)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期揭示更加普遍的特點(diǎn)。