王瑩玨 , 李 平 , 鄭佳鋒 , 彭思越 , 黃澤文
(1. 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610225;2. 中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610072)
雨滴譜(Rain Drop Size Distribution,DSD)是指單位體積、單位尺寸間隔內(nèi)雨滴數(shù)濃度隨直徑的分布,它反映了降水的微觀信息。通過(guò)雨滴譜還可以計(jì)算得到雨強(qiáng)、雷達(dá)反射率因子、液態(tài)水含量和滴譜參數(shù)等物理量[1-3]。雨滴譜信息對(duì)深入了解降水物理過(guò)程、提高雷達(dá)定量估測(cè)降水的準(zhǔn)確性、優(yōu)化數(shù)值模式參數(shù)化方案和正確評(píng)估人工影響天氣效果等都具有重要作用[4-11]。
我國(guó)的雨滴譜觀測(cè)和研究始于20世紀(jì)60年代,但剛開(kāi)始僅限于個(gè)例統(tǒng)計(jì)和分析,而雨滴譜資料也主要采用人工觀測(cè)進(jìn)行收集[12-15]。近年來(lái),隨著光電和信息技術(shù)的發(fā)展,雨滴譜自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備已日益成熟,如德國(guó)OTT公司生產(chǎn)的Parsivel激光雨滴譜儀和奧地利JOANNEUM RESEARCH生產(chǎn)的二維雨滴譜儀2DVD等。這些設(shè)備已被廣泛用于不同天氣系統(tǒng)、不同類(lèi)型降水、不同區(qū)域降水等的雨滴譜觀測(cè)和特征研究[16-19]。此外,雨滴譜還被用于與雷達(dá)結(jié)合來(lái)提高定量估測(cè)降水[20-23]。如王瑾等[23]將西安地區(qū)的雨滴譜數(shù)據(jù)與雷達(dá)觀測(cè)資料相結(jié)合,提出按強(qiáng)度差異分為5檔,并分別對(duì)積層混合云降水回波進(jìn)行修正;針對(duì)其中的積層混合云降水展開(kāi)分析,得出了雨滴譜的Gamma模型參數(shù),其中反射率因子-雨強(qiáng)(Z-R)的關(guān)系有助于提升雷達(dá)估測(cè)降水量的準(zhǔn)確度。
對(duì)于青藏高原地區(qū),Porcù等[24]使用2010年雨季在拉薩、林芝收集的雨滴譜數(shù)據(jù)與平原地區(qū)對(duì)比后發(fā)現(xiàn),高原上雨滴碰撞破裂發(fā)生在相對(duì)較小的雨強(qiáng)下,最大雨滴的尺寸也相對(duì)較小。Wu等[25]對(duì)比了高原中部那曲和華南陽(yáng)江兩地的雨滴譜后發(fā)現(xiàn),對(duì)于對(duì)流性降水,那曲的雨滴譜數(shù)濃度遠(yuǎn)低于陽(yáng)江地區(qū)。Chen等[26]和常祎等[27]也發(fā)現(xiàn),高原那曲白天雨滴譜的寬度要大于夜間,夜間的雨滴譜中小粒子濃度高于白天,而白天的雨滴譜大粒子出現(xiàn)較多,小粒子濃度較小。李山山等[28]對(duì)比了高原東坡四個(gè)不同海拔測(cè)站的雨滴譜資料,初步揭示了高海拔、梯度地形的雨滴譜差異和降水微物理過(guò)程特征。
青藏高原地域十分廣袤、下墊面復(fù)雜,不同區(qū)域的降水宏微觀特征相差甚大,目前對(duì)青藏高原雨滴譜的觀測(cè)和研究還主要還是集中在中部和南部,而其他區(qū)域的研究仍然有限。稻城地區(qū)位于高原主體的東坡和下游四川盆地之間,兼有高原氣候和大陸性氣候的特點(diǎn)。本文利用稻城地區(qū)2019年5~8月觀測(cè)的雨滴譜資料,探討該地區(qū)雨滴譜隨降水強(qiáng)度的變化特征、不同類(lèi)型降水的雨滴譜差異、降水強(qiáng)度與其他物理量的關(guān)系和雨滴譜參數(shù)之間的關(guān)系等,旨在進(jìn)一步加深對(duì)該地區(qū)降水宏微觀特征的認(rèn)識(shí)。
本文使用的雨滴譜資料由德國(guó)OTT Parsivel2雨滴譜儀觀測(cè)得到,觀測(cè)地點(diǎn)位于四川稻城縣,海拔為3727.7m,經(jīng)緯度分別為100.18°E和29.03°N,觀測(cè)時(shí)間為2019年5~8月。
Parsivel2雨滴譜儀是一種以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),主要由激光發(fā)射器、接受器、控制運(yùn)算單元和存儲(chǔ)器等部分組成,采樣時(shí)間為60s,采樣面積為為54cm2(18cm×3cm),采樣高度為1.4m。當(dāng)有降水粒子穿越過(guò)發(fā)射的水平激光波束時(shí),系統(tǒng)根據(jù)接收信號(hào)的衰減程度來(lái)計(jì)算粒子的等效體積直徑,而粒子在激光束內(nèi)的停留時(shí)間則被用于計(jì)算粒子的下落速度。原始觀測(cè)的雨滴譜被分為32個(gè)非等間距直徑和32個(gè)非等間距速度通道存儲(chǔ),雨滴直徑和速度測(cè)量范圍分別為0.062~24.5mm和0.05~20.8m/s。
受靈敏度和采樣面積的限制,Parsivel2原始觀測(cè)的雨滴譜資料需要進(jìn)行一定的質(zhì)量控制[8]。首先,考慮到設(shè)備實(shí)際的精度,將前兩個(gè)直徑通道的數(shù)據(jù)剔除,即設(shè)備最小可測(cè)的雨滴平均直徑限制為0.312mm[26];同時(shí),考慮到地表大氣條件下大雨滴破碎現(xiàn)象,也將雨滴直徑>8mm的數(shù)據(jù)剔除[29]。其次,考慮到潛在的非降水樣本,刪除雨滴總數(shù)<10或雨強(qiáng)<0.001mm/h的雨滴譜[30]。研究表明,受近地面強(qiáng)風(fēng)切變、雨滴濺射或多個(gè)雨滴并排穿越波束的影響,觀測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)部分病態(tài)數(shù)據(jù),它們會(huì)表現(xiàn)為雨滴直徑嚴(yán)重偏大(偏小)或下落速度嚴(yán)重偏小(偏大)的情況[31]。對(duì)于這種病態(tài)數(shù)據(jù),將測(cè)量的粒子直徑代入Atlas提出的“雨滴直徑-下落末速度”理論公式[32],將測(cè)量的下落速度與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,若二者差異超過(guò) ±60%,則認(rèn)為是病態(tài)數(shù)據(jù),將其刪除。Atlas理論公式如式(1)和(2)所示,其中D(mm)和Vt(m/s)分別為粒子等效體積直徑和下落末速度,h(m)為海拔高度。
經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后,對(duì)雨滴譜進(jìn)一步計(jì)算可以得到單位體積、單位間隔內(nèi)的雨滴數(shù)濃度N(Di)(m-3/mm)及降水物理量包括雨滴總數(shù)濃度NT(m-3),雨強(qiáng)R(mm/h), 液態(tài)水含量W(g/m3) ,反射率因子Z(mm6/m),粒子質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm(mm)和廣義截距參數(shù)Nw(m-3/mm),具體公式如(3)~(9)所示[5-7]。式中,i和j分別代表粒子直徑和下落速度通道序號(hào);ΔDi(mm)為直徑間隔;nij為直徑第i檔、速度第j檔的雨滴個(gè)數(shù);A(m2)和 Δt(s) 分 別 代 表 采 樣 面 積 和 采 樣 時(shí) 間,A為0.0054m, Δt為60s, ρw(1g/cm3)為水的密度。
目前,Gamma函數(shù)被廣泛用于表達(dá)雨滴譜的分布,其公式為[33]:
式中,N0(m-3/mm1+μ)為 截距參數(shù), μ為形狀參數(shù),Λ(mm-1)為斜率參數(shù)。對(duì)于Gamma三個(gè)參數(shù),通常可使用階矩法[34]來(lái)估計(jì),n階矩Mn定義為:
Cao等[35]研究表明,實(shí)際中采用2/3/4階矩的估計(jì)誤差較小;因此本文也采用這三個(gè)階矩來(lái)估算Gamma三個(gè)參數(shù):
不同類(lèi)型降水通常經(jīng)歷不同的物理過(guò)程并表現(xiàn)出不同的微物理特征[36-38]。因此,為了研究不同降水類(lèi)型雨滴譜特征和差異,本文將降水分為層狀云降水和對(duì)流云降水兩類(lèi)。將每分鐘觀測(cè)資料視為一個(gè)樣本,參考Bringi等[39]的方法,設(shè)置一個(gè)11分鐘的時(shí)間滑動(dòng)窗,將當(dāng)前樣本設(shè)為窗口中心,計(jì)算11個(gè)樣本的雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差 σR。 若 σR>1.5mm/h,則樣本被判斷為對(duì)流層降水樣本;否則認(rèn)為是層狀云降水樣本。若樣本前后無(wú)連續(xù)各5分鐘的降水,則舍棄。
對(duì)于稻城地區(qū)2019年5~8月觀測(cè)資料,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和降水分類(lèi)后保留的樣本總數(shù)為14444個(gè),包含268次降水事件。為了研究不同雨強(qiáng)下的雨滴譜變化特征,參考Chen等[26]的方法,將R分為五個(gè)區(qū) 間:R<0.1mm/h(R1), 0.1≤R<1mm/h(R2),1≤R<5mm/h(R3), 5≤R<10mm/h (R4)和R≥10mm/h(R5)。統(tǒng)計(jì)表明,R1~R5貢獻(xiàn)的樣本數(shù)比例分別為28.43%、50.79%、18.56%、1.51%和0.71%,貢獻(xiàn)的降水量比例分別為1.63%、23.22%、44.88%、11.83%和18.44%??梢?jiàn),稻城地區(qū)的降水大部分雨強(qiáng)都很小,R<1mm/h的樣本占79.22%,貢獻(xiàn)了69.73%的雨量。
C=[D1,D2,D3,…,Di,…DN,Hpeak1,Hpeak2,Hnormal,Hthrough
對(duì)五個(gè)區(qū)間的雨滴譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖1給出了五種雨強(qiáng)的平均雨滴譜。對(duì)比可見(jiàn),整體上,雨滴數(shù)濃度都隨著直徑的增大而不斷減小;而隨著雨強(qiáng)增大,雨滴譜數(shù)濃度和譜寬也呈增加和變寬趨勢(shì)。對(duì)于降水強(qiáng)度低于10mm/h,R1~R4所有直徑的粒子數(shù)濃度都顯著增加;但當(dāng)降水強(qiáng)度超過(guò)10mm/h后,小雨滴(<1mm)的數(shù)濃度反而有所減少、中到大粒子(>1mm)的數(shù)濃度增加。為了進(jìn)一步了解其他降水物理量和Gamma譜參數(shù)隨雨強(qiáng)的變化,表1列出了所有樣本和五種雨強(qiáng)下平均雨滴譜的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明:Z、W和Dm均 隨著雨強(qiáng)的增長(zhǎng)而增大;NT從R1~R4也逐漸增大,但R5比R4反而略小;Nw表明當(dāng)含水量一樣時(shí),R3的數(shù)濃度可以達(dá)到最高; Λ隨雨強(qiáng)增大而減小,說(shuō)明雨滴譜隨雨強(qiáng)增大而逐漸變寬變平坦;R1~R4,μ也逐漸減小,說(shuō)明譜形逐漸由凹向凸的變化。
圖1 五種雨強(qiáng)R1~R5的平均雨滴譜(D 為雨滴直徑,N(Di)為雨滴數(shù)濃度)
表1 五種雨強(qiáng)平均雨滴譜計(jì)算得到的降水物理量和Gamma譜參數(shù)
所有降水樣本中,層狀云和對(duì)流云樣本分別為13721個(gè)(94.99%)和723個(gè)(5.01%),累積降水量分別為135.81mm (66.78%)和67.55mm (33.22%),平均雨強(qiáng)分別為0.594和5.606mm/h。可見(jiàn),稻城地區(qū)雨季降水大部分由層狀云降水貢獻(xiàn),但對(duì)流云降水的強(qiáng)度更強(qiáng),在非常少的降水時(shí)間內(nèi)也可貢獻(xiàn)可觀的降水量。
為了解稻城地區(qū)兩類(lèi)降水的雨滴譜特征及差異,圖2給出了兩類(lèi)降水的平均雨滴譜及擬合的Gamma曲線。結(jié)果可見(jiàn),對(duì)流云降水的雨滴譜明顯比層狀云降水寬,同時(shí)在每個(gè)直徑通道上都擁有更高的數(shù)濃度。兩類(lèi)降水的雨滴譜都很好符合Gamma分布的特征,擬合結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.9995和0.9668,兩類(lèi)降水的Gamma表達(dá)式如(15)~(16)所示。此外,從譜形對(duì)比,層狀云降水的譜形微微向上凸起,而對(duì)流云降水的譜形則向下凹陷。如表2所示,對(duì)于兩類(lèi)降水平均雨滴譜對(duì)應(yīng)的其他物理量,對(duì)流云降水具有更大的NT、Z、W和Dm, 但Nw則更小。
圖2 層狀云降水(Stra.)和對(duì)流云降水(Con.)的平均雨滴譜及擬合的Gamma分布(D 為雨滴直徑,N(Di)為雨滴數(shù)濃度)
表2 層狀云降水和對(duì)流云降水平均雨滴譜計(jì)算得到的物理量
降水物理量可以綜合評(píng)估雨滴的數(shù)量與大小的情況,由于Z/Dm/NT/W各自都是相互獨(dú)立互不影響的量,所以可以單獨(dú)研究各類(lèi)降水物理量與雨強(qiáng)R之間的關(guān)系。從表1和表2可以初步發(fā)現(xiàn),在不同的降水類(lèi)型下,Z/Dm/NT/W隨雨強(qiáng)R會(huì)發(fā)生顯著且不同的變化,因此本節(jié)進(jìn)一步討論Z/Dm/NT/W和R之間的關(guān)系。以往許多研究中,一般使用冪函數(shù) (即Z/Dm/NT/W=ARB)進(jìn)行擬合,但不同地區(qū)雨滴譜特征存在差異,因此會(huì)得到不同的A、B系數(shù)[40-41]。本文也使用冪函數(shù)來(lái)擬合Z/Dm/NT/W-R關(guān)系。
圖3給出了兩類(lèi)降水的Z/Dm/NT/W-R散點(diǎn)圖及其擬合結(jié)果。結(jié)果可見(jiàn),Z/Dm/NT/W均可隨著R的增大而增大,A、B系數(shù)均為正值;在雨強(qiáng)較大情況下,由于雨滴的碰并作用,各類(lèi)降水物理量的值都比雨強(qiáng)較小時(shí)高,但增長(zhǎng)趨勢(shì)并不完全一致。總體來(lái)說(shuō),在雨強(qiáng)較小時(shí),增長(zhǎng)速度較快;而隨著雨強(qiáng)持續(xù)增大,除W外,其他降水物理量的增長(zhǎng)速度都明顯放緩,說(shuō)明在雨強(qiáng)較大時(shí),雨滴的碰并和破碎達(dá)到了平衡狀態(tài)。
圖3 兩類(lèi)降水所有樣本的Z/D m/ NT/W-R散點(diǎn)分布及擬合關(guān)系式(a~d. 層狀云降水結(jié)果,e~h. 對(duì)流云降水結(jié)果)
從冪函數(shù)的擬合結(jié)果來(lái)看,層狀云降水的擬合效果都比對(duì)流云降水的結(jié)果要好,而不同降水物理量與雨強(qiáng)關(guān)系的擬合效果存在差異。W-R的擬合結(jié)果最好,兩類(lèi)降水(層狀云降水、對(duì)流云降水,下同)的擬合與實(shí)測(cè)的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.9863和0.9709;Z-R其次,相關(guān)系數(shù)為0.9635和0.9401;Dm-R與NT-R結(jié)果較差,其中Dm-R關(guān)系的相關(guān)系數(shù)為0.7665和0.7025,而NT-R關(guān)系的相關(guān)系數(shù)為0.7420和0.6054。
兩種降水類(lèi)型下降水物理量隨R增加的增量特征也并不相同??傮w來(lái)說(shuō),對(duì)流云降水的A和B均大于層狀云降水。具體地說(shuō),除W外,在R值較小時(shí),層狀云降水的增量較大,隨著R的增加,Z/Dm/NT比對(duì)流云降水更容易趨于穩(wěn)定;而對(duì)于W,在不同的雨強(qiáng)大小下,層狀云降水的增長(zhǎng)趨勢(shì)都比對(duì)流云降水更為穩(wěn)定。這種差異說(shuō)明對(duì)流云降水的Z/Dm/NT/W對(duì)雨強(qiáng)的變化更為敏感。這意味著層狀云降水在小雨強(qiáng)下有顯著的雨滴形成和增長(zhǎng)過(guò)程,而隨著雨強(qiáng)的增加,這些過(guò)程逐漸趨于平衡。相反,對(duì)流云降水可以持續(xù)產(chǎn)生較大的雨滴,伴隨著雨強(qiáng)的增加,由于對(duì)流云降水中豐富的水汽和強(qiáng)大的上升氣流,可以持續(xù)保持雨滴增長(zhǎng)。
圖4給出了所有樣本(灰色)和篩選樣本(藍(lán)色)的 μ-Λ 散點(diǎn)圖。可見(jiàn),篩選后樣本分布更集中,μ-Λ關(guān)系更加明確。利用多項(xiàng)式擬合得到 μ-Λ關(guān)系為:
圖4 樣本的 μ-Λ散點(diǎn)分布及擬合結(jié)果(灰點(diǎn)代表所有樣本,藍(lán)點(diǎn)代表雨滴總個(gè)數(shù)超過(guò)100的樣本,紅線為擬合結(jié)果)
觀測(cè)值和擬合值相關(guān)系數(shù)為0.9127。
雨滴質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm和 廣義截距參數(shù)Nw代表了整個(gè)滴譜粒子直徑和數(shù)濃度的綜合情況,因此為了比較稻城地區(qū)雨滴譜與其他地區(qū)的差異,統(tǒng)計(jì)了兩類(lèi)降水所有樣本的Dm-Nw的分布。圖5為兩類(lèi)降水的Dm-Nw的散點(diǎn)圖和平均值(叉號(hào)),圖中還標(biāo)記出了其他地區(qū)的平均值(星號(hào)代表華北北京地區(qū),方框代表亞洲季風(fēng)區(qū)的江淮地區(qū),圈代表華南龍門(mén)地區(qū),十字代表西藏那曲地區(qū))。結(jié)果表明,與層狀云降水相比,對(duì)流云降水具有較大的平均Dm和 大小相當(dāng)?shù)腘w,所有樣本的Dm與Nw也有大致相同的特點(diǎn),說(shuō)明對(duì)流云降水的雨水含量比層狀云降水高。層狀云降水和對(duì)流云降水的Dm-Nw平均值分別為0.878~3.416和1.617~3.306,其標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.36~0.426和0.637~0.948,說(shuō)明層狀云降水的滴譜更為集中。與其他地區(qū)相比,稻城地區(qū)兩類(lèi)降水的Dm-Nw的平均值有所不同;對(duì)于層狀云降水,稻城地區(qū)的平均Dm最 小,而平均Nw比華北地區(qū)大,但比其他三個(gè)地區(qū)小;對(duì)于對(duì)流云降水,稻城地區(qū)的平均Dm比亞洲季風(fēng)區(qū)稍大,但比其他地區(qū)小,而平均Nw大于華北地區(qū),但比其他地區(qū)小。
圖5 兩類(lèi)降水的 D m-Nw散點(diǎn)分布(a. 層狀云降水,b. 對(duì)流云降水,灰點(diǎn)代表所有樣本,黑叉代表本文觀測(cè)結(jié)果,紫星號(hào)、藍(lán)方框、紅圓圈和綠十字分別代表華北北京 (Ji等[42])、亞洲季風(fēng)區(qū)江淮流域 (Wen等[43])、華南龍門(mén) (Huo等[44])和西藏那曲 (Chen等[26])的觀測(cè)結(jié)果)
由于青藏高原復(fù)雜的地形以及不同的氣候特點(diǎn),不同區(qū)域的降水宏微觀特征相差甚大,目前對(duì)青藏高原雨滴譜的觀測(cè)和研究主要集中在中部和南部,而其他區(qū)域的研究還仍然有限。在本文中,主要研究發(fā)生在青藏高原東部稻城地區(qū)的降水雨滴譜的特點(diǎn),結(jié)論如下:
(1) 稻城地區(qū)5~8月降水大部分雨強(qiáng)都很小,但隨著雨強(qiáng)的增大,雨滴譜數(shù)濃度、粒徑和譜寬也逐漸增大;當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到10mm/h以后,數(shù)濃度反而有略微下降而粒徑持續(xù)增大;雨滴譜譜型隨著雨強(qiáng)增長(zhǎng),逐漸變寬、變平坦,Gamma曲線逐漸從凹變?yōu)橥蛊稹?/p>
(2)在青藏高原東坡不同的降水類(lèi)型下的雨滴譜也存在明顯差異。對(duì)流云降水的雨滴譜明顯比層狀云降水寬、數(shù)濃度更高;從譜型來(lái)看,層狀云降水的譜形向上凸起,而對(duì)流云降水的譜形則向下凹陷。對(duì)于兩類(lèi)降水的降水物理量,對(duì)流云降水具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大的NT、Z、W和Dm, 但Nw則更小。
(3) 用冪函數(shù)對(duì)該地區(qū)的Z/Dm/Nw/NT-R關(guān)系進(jìn)行擬合??傮w來(lái)說(shuō),在雨強(qiáng)較小時(shí),Z/Dm/Nw/NT隨R增大而增長(zhǎng)的速度較快;而隨著R持續(xù)增大,除W外,其他量的增長(zhǎng)速度都明顯放緩。而在不同的降水類(lèi)型下,層狀云降水Z/Dm/NT/W隨R增大的增量,比對(duì)流云降水更容易趨于穩(wěn)定,說(shuō)明對(duì)流云降水的降水物理量對(duì)雨強(qiáng)的變化更為敏感。Gamma譜的譜形和斜率參數(shù)具有很好的二項(xiàng)式關(guān)系,擬合的 μ-Λ關(guān)系與實(shí)測(cè)的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9788。
(4) 與華北北京、亞洲季風(fēng)區(qū)江淮流域、華南龍門(mén)和西藏那曲相比,稻城地區(qū)雨滴譜的平均Dm較小,僅在對(duì)流云降水條件下比亞洲季風(fēng)區(qū)江淮流域大,而平均Nw僅比華北地區(qū)大,比其他地區(qū)都小。