DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

申高航 高安春 周茂山 李翠華 李素梅

(1 山東省臨沂市莒南縣氣象局，莒南 276600； 2 山東省臨沂市氣象局，臨沂 276004)

引言

降水是云中微物理過程、云動力學(xué)過程以及諸因素綜合作用的結(jié)果。地面降水性質(zhì)、降水量大小等信息，不僅包含有天氣系統(tǒng)熱力、動力、水汽等相互適宜配置信息，還包含有云降水微物理過程配置信息[1-2]。長期以來對降水天氣現(xiàn)象的觀測主要由觀測員根據(jù)地面觀測規(guī)范進行判斷，降水觀測資料的客觀性和時間空間分辨率受到了較大的限制。20世紀(jì)60年代開始，特別是90年代以來，利用雨滴譜資料研究降水的工作越來越受到國內(nèi)外許多氣象工作者的重視[3]，開展了很多關(guān)于不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同降水性質(zhì)雨滴譜的觀測研究[4-12]。

目前，采用光學(xué)原理的雨滴譜儀，以及以此為核心部件的降水天氣現(xiàn)象儀已經(jīng)比較成熟。利用雨滴譜測量原理的光學(xué)觀測設(shè)備開展降水現(xiàn)象觀測和雨滴圖譜觀測，不但能夠有效提高降水現(xiàn)象觀測自動化程度，減輕觀測人員工作量，為氣象預(yù)報和服務(wù)提供更多有價值的氣象信息，而且對提高雷達定量估測降水的精度、更好地開展人工影響天氣效果評估、改進和優(yōu)化數(shù)值模式中的降水參數(shù)化方案均具有重要意義[13]。

從2017年起，山東省在全部國家級氣象觀測站布設(shè)了DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀(下文簡稱DSG5)，并開始業(yè)務(wù)化運行，初步實現(xiàn)了降水天氣現(xiàn)象的自動觀測，可以提供穩(wěn)定的每分鐘實時雨滴譜觀測資料和天氣現(xiàn)象判斷資料。

本文系統(tǒng)分析了一次降水過程中，山東省莒南縣氣象站DSG5觀測到的雨滴譜資料和降水天氣現(xiàn)象判斷資料，弄清了資料間的關(guān)系；嘗試?yán)糜甑巫V資料剖析降水過程的細微結(jié)構(gòu)和演變特征，準(zhǔn)確分析天氣過程，并解決地面觀測的疑難問題。

1 DSG5工作原理及觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

1.1 DSG5基本組成和工作原理

DSG5主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、供電控制單元和附件等部分組成。不同降水現(xiàn)象的降水粒子，因其物理特性的差異，在粒徑和下落末速度的分布上有各自對應(yīng)關(guān)系。DSG5根據(jù)降水粒子對激光信號的衰減影響程度，檢測降水粒子的粒徑和下落末速度，確定降水粒子的圖譜分布，輸出降水現(xiàn)象類型。

當(dāng)激光束里沒有降水粒子降落穿過時，接收裝置收到最強的激光信號，輸出最大的電壓值。當(dāng)降水粒子穿過水平激光束時，以其相應(yīng)的粒徑遮擋部分激光束，從而使接收裝置輸出的電壓下降。通過電壓的大小可以確定降水粒子的粒徑大小，從而實現(xiàn)降水粒子的粒徑檢測；粒子下降通過水平激光束需要一定的時間，通過檢測電子信號的持續(xù)時間，即從降水粒子開始進入激光束到完全離開激光束所經(jīng)歷的時間，可以推導(dǎo)出降水粒子的下降速度(地面氣象自動觀測規(guī)范(第1版))。

1.2 DSG5終端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

DSG5探測和生成的數(shù)據(jù)文件主要存放在設(shè)備安裝目錄下的雨滴譜、設(shè)備、質(zhì)控和訂正等4個子目錄中。

雨滴譜子目錄存放DSG5觀測到的原始雨滴譜數(shù)據(jù)，基于雨滴譜由算法直接生成的降水天氣現(xiàn)象文件存放在設(shè)備目錄中，該兩類數(shù)據(jù)定義為0級數(shù)據(jù)。

0級數(shù)據(jù)中的雨滴譜，每日一個文件，每分鐘一條記錄，共包括32個尺度通道和32個速度通道，其中降水粒子尺度測量范圍為0.1～22.4 mm,降水粒子速度測量數(shù)據(jù)范圍為0.125～26 m·s-1。每條記錄的雨滴譜數(shù)據(jù)為32×32=1024個(中國氣象局《降水現(xiàn)象儀觀測規(guī)范(試行)》,《雨滴譜觀測數(shù)據(jù)BUFR編碼格式(V1.0)》)。雨滴譜資料將尺度測量范圍和速度測量范圍分別由小到大編碼為32個等級，這種編碼是非線性的，本文中有關(guān)圖表的雨滴速度和尺度坐標(biāo)軸也使用了同樣的編碼。

0級數(shù)據(jù)降水天氣現(xiàn)象文件，存儲 DSG5利用算法對雨滴譜檢測輸出的結(jié)果。共包括雨、陣雨、毛毛雨、雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、米雪、冰粒、冰雹等11種天氣現(xiàn)象。

質(zhì)控目錄存放的降水天氣現(xiàn)象文件定義為1級數(shù)據(jù)。1級數(shù)據(jù)將0級數(shù)據(jù)中的11種降水天氣現(xiàn)象歸入《降水天氣現(xiàn)象儀觀測規(guī)范》要求的5種，即：毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹等5種。

訂正目錄存放的降水天氣現(xiàn)象文件定義為2級數(shù)據(jù)，2級數(shù)據(jù)主要依據(jù)降水現(xiàn)象與地面常規(guī)氣象要素的統(tǒng)計關(guān)系，對1級數(shù)據(jù)中的降水現(xiàn)象文件進行訂正，克服了降水天氣現(xiàn)象儀檢測輸出結(jié)果短時間內(nèi)頻繁變換的問題，該文件作為DSG5的最終結(jié)果輸出。

2 降水天氣過程及觀測記錄情況

受高空槽和低空偏南暖濕氣流的共同影響，2019年12月15日凌晨至16日夜間，山東、江蘇普降小到中雨。莒南縣地處魯東南，降水開始于2019年12月15日09:23(北京時，下同)，結(jié)束于2019年12月16日19:50，過程降水量8.9 mm。整個降水過程中，DSG5除降水結(jié)束前1 min 2級數(shù)據(jù)記錄為毛毛雨外，其他時間都記為雨，同人工觀測結(jié)果基本一致；0級數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)毛毛雨、雨和陣雨3種類型。

在2019年12月16日20:00檢查地面測報業(yè)務(wù)軟件(ISOS)采集的資料時發(fā)現(xiàn)，降水天氣現(xiàn)象結(jié)束于16日19:50，但16日19:51有0.1 mm的降水量，降水天氣現(xiàn)象和降水量發(fā)生矛盾，按照規(guī)定需要人工訂正。

3 利用DSG5探測資料分析降水過程

3.1 降水過程中雨滴數(shù)及3級數(shù)據(jù)中天氣現(xiàn)象對比

圖1是莒南縣2019年12月15日00:00至17日00:00雨滴數(shù)及3級數(shù)據(jù)中天氣現(xiàn)象時間序列圖。采用雙縱坐標(biāo)軸的形式，橫坐標(biāo)表示時間，左側(cè)縱坐標(biāo)表示雨滴數(shù)，對應(yīng)圖中垂直于橫軸的灰色針狀圖。右側(cè)縱坐標(biāo)表示3級數(shù)據(jù)中的天氣現(xiàn)象，藍色表示0級數(shù)據(jù)，綠色表示1級數(shù)據(jù)，紅色表示2級數(shù)據(jù)，階梯圖表示不同的天氣現(xiàn)象，橫的水平線表示雨，第2高度表示陣雨，第3高度表示毛毛雨。

從圖1可以看出：在一些雨滴數(shù)較小的時間段(如：2019年12月16日04:00—06:00)，DSG5 3級降水天氣現(xiàn)象都記錄為無降水。這是由于DSG5為了避開蜘蛛網(wǎng)、昆蟲、花粉、灰塵等引起的干擾而采用了閾值，當(dāng)觀測到的雨滴數(shù)少于閾值時，都當(dāng)作無降水天氣現(xiàn)象處理。分析本次過程，發(fā)現(xiàn)DSG5在開始觀測到每分鐘不小于15個雨滴時，才記錄降水開始；在檢測到雨滴數(shù)小于5個時，即記錄降水結(jié)束。由于采用閾值，導(dǎo)致DSG5記錄的降水時段比實際降水要短。在上述時間段中，0級數(shù)據(jù)有降水的時間是625 min(毛毛雨15 min、陣雨4 min、雨606 min)，檢測到雨滴、但雨滴數(shù)沒有達到閾值、記錄為無降水的時間為219 min，DSG5在識別微弱降水方面的算法尚有改進空間。

圖1 山東省莒南縣2019年12月15日00:00至17日00:00雨滴數(shù)及0級、1級、2級天氣現(xiàn)象對比

3.2 0級數(shù)據(jù)雨滴譜與天氣現(xiàn)象對應(yīng)特征

為了比較上文中毛毛雨、陣雨、雨和檢測到雨滴、但雨滴數(shù)沒有達到閾值、判斷為無降水這四類情況的雨滴譜特征，分別制作了0級數(shù)據(jù)的雨滴速度-尺度譜， 如圖2。速度-尺度譜主要應(yīng)用于降水粒子的判別，能直觀反映不同降水過程的滴譜分布特征。圖2中橫坐標(biāo)代表雨滴直徑，縱坐標(biāo)表示雨滴下落末速度，色斑圖中不同顏色代表雨滴個數(shù)。圖中疊加了DSG5判別毛毛雨、雨、雪、雨夾雪、冰雹共5種天氣現(xiàn)象以及未知現(xiàn)象的6個分區(qū)。

分析圖2可以發(fā)現(xiàn)：圖2a中判斷為毛毛雨的雨滴譜分布非常集中，主體就在毛毛雨識別區(qū)，只是略向雨識別區(qū)延伸，符合雨滴小且比較均勻的毛毛雨降水特點；圖2b中判斷為陣雨的雨滴譜分布呈帶狀，主體在雨識別區(qū)，左下端微微伸展到毛毛雨識別區(qū)，其帶狀上有多個大雨滴數(shù)中心，這種多中心結(jié)構(gòu)對應(yīng)雨滴數(shù)-尺度譜中的多個峰，這和周黎明[14]、謝媛[15]等人研究的陣性降水雨滴譜特征相吻合；圖2c中判斷為雨對應(yīng)的雨滴譜分布呈帶狀，主體分布在雨識別區(qū)，左下端微伸展到毛毛雨識別區(qū)； 圖2d中有雨滴但雨滴數(shù)沒有達到閾值而判斷為無降水情況的雨滴譜分布呈短帶狀，和雨的滴譜特征類似，但主體壓在毛毛雨識別區(qū)和雨識別區(qū)的分界線上，可以判斷，這一部分也是降水，是DSG5由于采用閾值而抑制掉的弱降水。另外，在降水過程中，當(dāng)大雨滴破碎時，形成的較小雨滴獲得了較大的速度，在速度-尺度分布圖上，偏向窄帶的上方；當(dāng)出現(xiàn)雨滴碰并時，形成的大雨滴速度則較小，在速度-尺度分布圖上，偏向窄帶的右方[16]，圖2c中雨滴譜帶狀左下角的毛刺反映了降水過程中的雨滴碰并效應(yīng)。

圖2 0級數(shù)據(jù)雨滴譜與天氣現(xiàn)象對應(yīng)特征(色斑圖中不同顏色代表雨滴個數(shù)，D為降水粒子尺度，下同)

3.3 典型降水時間段雨滴譜與天氣現(xiàn)象分析

0級數(shù)據(jù)天氣現(xiàn)象是DSG5基于雨滴譜利用算法處理的結(jié)果，其中有11種天氣現(xiàn)象，保留了降水過程的較多細節(jié)。為了跟蹤DSG5算法對雨滴譜的響應(yīng)，選擇2019年12月16日13:04至16日20:10一個完整的降水時間段，分析雨滴尺度-時間譜、分鐘降水量及0級數(shù)據(jù)天氣現(xiàn)象時間序列。如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示雨滴直徑，色斑圖中不同顏色代表雨滴個數(shù)(如色標(biāo))。紅色階梯圖表示0級數(shù)據(jù)天氣現(xiàn)象，橫的水平線表示雨，第1高度表示陣雨，第2高度表示毛毛雨。橫軸上的黑色階梯圖表示分鐘降水量序列，每個梯級代表0.1 mm。

對照圖3中雨滴尺度-時間譜和圖1中的雨滴數(shù)時間序列可以看出:在這次小到中雨量級的穩(wěn)定性降水過程中，雨滴數(shù)和雨滴尺度譜存在明顯的時間變化。對照圖3中的雨滴尺度-時間譜和分鐘降水量時間序列發(fā)現(xiàn): 過程中直徑0.3 mm左右的小雨滴一直較多，但對降水強度影響比較大的是直徑大于1 mm的雨滴，直徑1.2 mm左右的雨滴形成的降水是同等數(shù)量直徑0.3 mm左右的雨滴的66.78倍[16]；伴隨著直徑大于1 mm雨滴增加，雨滴尺度譜明顯加寬，地面降水顯著增強；在16：05—16：55、18：48—19：05降水較強的時間段，雨滴數(shù)在直徑1.2 mm左右出現(xiàn)了第2個極大值區(qū)，對應(yīng)雨滴數(shù)-尺度譜中的雙峰結(jié)構(gòu)。分析圖3中的雨滴尺度-時間譜和0級數(shù)據(jù)天氣現(xiàn)象時間序列發(fā)現(xiàn): 在選擇時間段的開始和結(jié)束，各有一小段，由于實測雨滴數(shù)小于閾值，而被DSG5算法抑制，作為無降水處理；16：11及19：34的0級數(shù)據(jù)為陣雨，對應(yīng)的雨滴數(shù)明顯增多，雨滴尺度明顯展寬；13：32—13：33、14：47、17：16、18：29—18：31、19：46—19：50，0級數(shù)據(jù)為毛毛雨，對應(yīng)的雨滴數(shù)明顯變少，雨滴尺度明顯變小，是較強降水之間的間隙。因此，在揭示降水過程的細節(jié)方面，0級數(shù)據(jù)可以提供豐富的降水過程信息。

圖3 典型降水時間段(2019年12月16日13：04—20：10)雨滴譜(填色)與分鐘降水量(橫軸底部階梯圖，0.1 mm/梯級)、0級分鐘天氣現(xiàn)象(紅色實線)

3.4 降水起止時間的訂正處理

為了深入分析降水開始和結(jié)束階段的雨滴譜變化特征，為訂正降水天氣現(xiàn)象和降水量矛盾尋找可靠的依據(jù)，在3.3部分選取的時間段中，進一步選取其開始時段(16日13：08—13：30)和結(jié)束時段(16日19：36—20：06)，分別繪制雨滴尺度-時間譜和2級天氣現(xiàn)象序列，如圖4。圖中表示2級天氣現(xiàn)象序列的紅色階梯圖增加了刻度線，精確指示判斷有降水的時間位置，橫坐標(biāo)上的黑色階梯表示分鐘降水量序列(圖4a時間段沒有降水量)。

圖4 典型降水時間段(2019年12月16日13：08—20：10)開始(a)和結(jié)束(b)階段的雨滴尺度-時間譜和2級天氣現(xiàn)象(紅色實線)

由圖4a可以看出：開始階段，DSG5在16日13：10開始檢測到雨滴，首先出現(xiàn)的是速度較小、尺度在0.3 mm左右的少量小雨滴(位于毛毛雨識別區(qū))，13：15后小雨滴密度迅速增加，開始出現(xiàn)0.7 mm左右的較大雨滴，尺度譜向大雨滴方向擴展，降水持續(xù)；到16日13：16雨滴數(shù)超過閾值，2級天氣現(xiàn)象開始有雨，滯后了6 min；由于降水很弱，直到16日13:30，雨量計都沒有雨量記錄。

分析圖4b降水結(jié)束階段發(fā)現(xiàn)：1.0 mm左右較大雨滴逐漸減少、尺度譜向小雨滴方向收縮變窄，最后只剩下少量0.3 mm左右的小雨滴(位于毛毛雨識別區(qū))。2級天氣現(xiàn)象在16日19：50有毛毛雨，隨后雨滴數(shù)低于閾值，都記為無降水，但DSG5在19:51仍然檢測到雨滴，中斷7 min后，于19：58再次檢測到雨滴，并一直持續(xù)到16日20：04。根據(jù)《地面氣象自動觀測規(guī)范(第1版)》，毛毛雨天氣現(xiàn)象可以連續(xù)記錄到16日20：04，這樣就解決了有降水量無降水天氣現(xiàn)象的矛盾，2級天氣現(xiàn)象記錄的降水結(jié)束時間比實際提前了14 min。

4 結(jié)論

(1) DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀記錄的降水天氣現(xiàn)象與人工觀測非常接近，0級雨滴譜數(shù)據(jù)有助于揭示降水過程的細微結(jié)構(gòu)和演變特征，加深對降水過程的認識，為準(zhǔn)確處理地面氣象觀測中存在的問題提供依據(jù)。

(2)由于采用了閾值，導(dǎo)致DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀記錄的降水開始時間比實際滯后，降水結(jié)束時間比實際提前，一些微弱降水不能記錄，記錄的降水時段比實際降水要短。

(3) 降水過程中雨滴數(shù)和雨滴尺度譜存在明顯的時間變化，較多的是直徑0.3 mm左右的小雨滴，但對降水強度影響比較大的是直徑大于1 mm的雨滴，且伴隨著大于1 mm雨滴增加，地面降水顯著增強。