基于Parsivel降水現(xiàn)象儀資料的鄭州“7·20”罕見(jiàn)特大暴雨微物理特征分析

周 丹， 周淑玲， 田金華， 邵振平， 王 俊

(1.威海市氣象局,威海 264200； 2.鄭州市氣象局，鄭州 450007；3.河南省人工影響天氣中心，鄭州 450016； 4.山東省人民政府人工影天氣辦公室，濟(jì)南250031)

引 言

暴雨是中國(guó)主要災(zāi)害性天氣之一，每年的暴雨洪澇災(zāi)害造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。江淮流域是我國(guó)暴雨頻發(fā)地區(qū)之一，常常發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，許多科研工作者對(duì)這類(lèi)暴雨進(jìn)行了分析研究[2-8]。隨著新一代天氣雷達(dá)(多普勒雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等)、衛(wèi)星和降水現(xiàn)象儀等高時(shí)空分辨率遙感設(shè)備的布設(shè)，對(duì)強(qiáng)降水的云微物理特性的觀測(cè)分析正逐漸增多[9-12]。目前氣象臺(tái)站使用的降水現(xiàn)象儀與德國(guó)OTT公司生產(chǎn)的第二代雨滴譜儀觀測(cè)原理一致。

國(guó)內(nèi)較早采用濾紙色斑法對(duì)暴雨雨滴譜進(jìn)行觀測(cè)[13-15]，雨滴譜分布采用指數(shù)分布擬合效果較好。陳寶君等[16]采用GBPP-100地面光陣雨滴譜儀觀測(cè)資料分析了三類(lèi)降水云雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)γ分布具有普適性 ,更能反映積雨云雨滴譜分布特征。南京地區(qū)梅雨鋒暴雨[17]中直徑小于1.0 mm的小粒子所占比例最大，但對(duì)雨強(qiáng)有最大貢獻(xiàn)的是1.0～2.0 mm的粒子，雨滴譜譜型以雙峰型為主。河北省中南部暴雨[18]中以直徑小于1.0 mm的小粒子為主，直徑1.0～3.0 mm的粒子對(duì)總雨強(qiáng)貢獻(xiàn)接近70%，暴雨的雨滴譜多呈單峰型分布。葉朗明等[19]分析了廣東省西部一次罕見(jiàn)極端降水事件的雨滴譜特征，結(jié)果顯示，雨滴譜在高濕環(huán)境中表現(xiàn)為暖性降水特征，最強(qiáng)降水時(shí)間段內(nèi)有極大的小雨滴數(shù)濃度，同時(shí)還存在部分大粒子，從而導(dǎo)致了更高的降水效率和局地強(qiáng)降水。王俊等[20]分析一次短時(shí)強(qiáng)降水雨滴譜特征顯示，對(duì)流降水雨滴譜譜型包括單峰譜、雙峰譜和多峰譜，顯示暖云中雨滴碰并、碰撞-破碎機(jī)制對(duì)雨滴譜形成有重要影響。

近幾年，臺(tái)風(fēng)暴雨微物理特征研究明顯增多。Tokay等[21]分析了7個(gè)熱帶氣旋雨滴譜特征，觀察到高濃度的小雨滴和中雨滴，最大雨滴直徑很少有超過(guò)4 mm的，但在溫帶氣旋階段有相對(duì)高濃度的大雨滴，類(lèi)似于大陸雷暴的雨滴譜分布特征。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在蘇州的強(qiáng)降水時(shí)段，雨滴譜的相關(guān)微物理量基本都呈現(xiàn)較大值[22]，說(shuō)明降水的增強(qiáng)需要雨滴尺度的增長(zhǎng)和更多雨滴的生成。

2021年7月18日08時(shí)-22日08時(shí)，鄭州出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的特大暴雨天氣[23]。此次特大暴雨天氣表現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水強(qiáng)度大、累積降水量罕見(jiàn)等極端性特征，并造成嚴(yán)重山體滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇及人員傷亡。本文利用鄭州Parsivel降水現(xiàn)象儀觀測(cè)資料，結(jié)合新一代多普勒雷達(dá)和常規(guī)觀測(cè)資料，分析了7月20日鄭州特大暴雨的微物理特征，為深入開(kāi)展此次罕見(jiàn)極端暴雨的數(shù)值模擬提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

所用資料為鄭州國(guó)家觀測(cè)站2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)和降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)，以及商丘多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)資料和MICAPS數(shù)據(jù)。

Parsivel降水現(xiàn)象儀的降水粒子譜數(shù)據(jù)共有32個(gè)尺度通道和32個(gè)速度通道，尺度測(cè)量對(duì)應(yīng)的粒子直徑為0.062～24.500 mm，速度測(cè)量為0.05～20.80 m·s-1，儀器采樣時(shí)間為1 min，采樣截面積為18 cm×3 cm=54 cm2[24]。Parsivel降水現(xiàn)象儀可作為天氣傳感器，用來(lái)識(shí)別雨、雪、濕雪和冰雹等[25-26]。

由于受環(huán)境和各種天氣條件的影響，降水現(xiàn)象儀觀測(cè)資料需要進(jìn)行質(zhì)量控制才能進(jìn)一步應(yīng)用。強(qiáng)風(fēng)影響、濺落粒子和邊緣效應(yīng)是3個(gè)主要誤差源，質(zhì)量控制的第一步是刪除偏離雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系較大的粒子，本文質(zhì)控采用去除偏離經(jīng)驗(yàn)雨滴落速-直徑±60%的粒子[27]。圖1是2021年7月20日08時(shí)至21日07:59觀測(cè)的鄭州雨滴譜資料累計(jì)數(shù)據(jù)矩陣，彩色陰影代表一天中各個(gè)速度和直徑檔中的粒子數(shù)，實(shí)線(xiàn)為雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系，點(diǎn)劃線(xiàn)為±60%雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系線(xiàn)?？梢钥闯?，有少量直徑接近8 mm的粒子落速大于1.6倍雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系，這部分粒子需要去掉。有較多粒子的落速小于0.4倍雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系，這些粒子也需要?jiǎng)h除。另外，因?yàn)樵谛≈睆綍r(shí)的信噪比很低，質(zhì)控也刪除了兩個(gè)最小直徑檔的數(shù)據(jù)，所以文中分析的最小粒子直徑為0.3125 mm；而自然降水中很少有直徑大于8 mm的特大雨滴，直徑大于8 mm的粒子也作為非降雨粒子刪除。質(zhì)控第二步是考慮邊界效應(yīng)，根據(jù)Jaffrain等[27]提出的公式180×(30-D/2)對(duì)不同直徑粒子的有效采樣面積進(jìn)行訂正。

圖1 2021年7月20日08時(shí)至21日07:59觀測(cè)的鄭州雨滴譜資料累計(jì)數(shù)據(jù)矩陣實(shí)線(xiàn)為雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系，點(diǎn)劃線(xiàn)為±60%雨滴落速-直徑試驗(yàn)關(guān)系線(xiàn)

2011年P(guān)arsivel雨滴譜儀升級(jí)后，Wen等[28]對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，第二代雨滴譜儀觀測(cè)資料不進(jìn)行形變訂正，測(cè)量的累計(jì)降水量比自動(dòng)站的偏少13.3%，比第一代的偏少16.5%，有明顯提高，因此，本文也不對(duì)直徑進(jìn)行訂正。

雨滴尺度譜可以用以下公式計(jì)算得到

(1)

A為Parsivel降水現(xiàn)象儀取樣面積，單位：m2,訂正后為180×(30-Dj/2)×10-6·m2;Δt為取樣時(shí)間，單位：s;nij為第j個(gè)直徑通道、第i個(gè)速度通道的雨滴濃度，單位：個(gè)/60 s；Vi為第j個(gè)直徑通道、第i個(gè)速度通道對(duì)應(yīng)的雨滴落速，單位：m·s-1；ΔDj為第j個(gè)直徑通道的寬度，單位：mm;N(Dj)為第j個(gè)直徑通道Dj至Dj+ΔDj之間的雨滴數(shù)濃度,單位：m-3·mm-1。

目前，常用3個(gè)參數(shù)的γ分布來(lái)擬合雨滴譜分布，γ分布函數(shù)為

N(D)=N0Dμexp(-λD)

(2)

式中，N(D)為單位體積單位尺度間隔的雨滴數(shù)濃度，單位：m-3·mm-1；N0為截距參數(shù)，單位：m-3·mm-1-μ；D為雨滴直徑，單位：mm;μ為形狀因子(無(wú)量綱參數(shù))；λ為斜率參數(shù)，單位：mm-1。

近年來(lái)，階矩法被廣泛應(yīng)用于估計(jì)γ譜分布的3個(gè)參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于云微物理量與各階矩有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如雨滴濃度NT等于0階矩，含水量與3個(gè)階矩成正比，雷達(dá)反射因子與6個(gè)階矩成正比等。第n階矩定義為

(3)

一般來(lái)說(shuō)，3個(gè)參數(shù)可以利用任意3個(gè)階矩計(jì)算出，但實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)雨滴譜特征來(lái)確定具體采用幾階矩計(jì)算3個(gè)參數(shù)，本文采用2、4、6階矩計(jì)算3個(gè)參數(shù)[29]，計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

(7)

另外，雨強(qiáng)I(單位：mm·h-1)、雨滴總濃度NT(單位：m-3)、雨水含量W(單位：g·m-3)和雷達(dá)反射率因子Z(單位：mm6·m-3)也可以利用雨滴譜資料分別計(jì)算:

(8)

(9)

(10)

(11)

2 特大暴雨的實(shí)況和環(huán)流背景

2.1 鄭州站觀測(cè)實(shí)況

2021年7月20日08時(shí)-21日08時(shí)，鄭州國(guó)家站24 h降水量為624.1 mm。20日13時(shí)開(kāi)始鄭州降水強(qiáng)度逐漸增大，16-17時(shí)達(dá)到最大，1 h降水量為201.9 mm，為鄭州有氣象記錄以來(lái)之最(圖 2a)。分析16-17時(shí)的1 min降水量、氣溫、氣壓和相對(duì)濕度發(fā)現(xiàn)，1 min平均降水量為3.37 mm，最小的為1.8 mm(僅出現(xiàn)2 min，其余時(shí)間都大于2.0 mm/min)，最大的為4.7 mm；氣溫呈逐漸下降趨勢(shì)，1 h下降了1.4 ℃(圖 2b)；氣壓1 h內(nèi)出現(xiàn)低壓到高壓的5次波動(dòng)，15:56-16:03，6分鐘內(nèi)氣壓升高1.6 hPa；相對(duì)濕度每分鐘都是100%?？梢?jiàn)，弱冷空氣侵入，與前期飽和的暖濕氣團(tuán)相互作用，促進(jìn)了中尺度強(qiáng)降水。

圖2 2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)鄭州1 h降雨量(a)、20日16-17時(shí)鄭州1 min氣溫(b)(b)中橫坐標(biāo)標(biāo)值“1”表示20日16：01，依次類(lèi)推

2.2 特大暴雨的環(huán)流背景

本次鄭州特大暴雨是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。大尺度天氣背景分析結(jié)果顯示，在2021年7月20日08時(shí)500 hPa天氣圖上，海上副熱帶高壓中心位于日本海，588 dagpm脊線(xiàn)南邊界位于31°N，副熱帶高壓南側(cè)“煙花”臺(tái)風(fēng)處于加強(qiáng)過(guò)程中，鄭州西部出現(xiàn)中心為584 dagpm的低渦，鄭州位于低渦東部，其北側(cè)有-7 ℃的冷中心(圖3a)。850 hPa圖上，鄭州附近存在一個(gè)低空低渦，測(cè)站上空東南風(fēng)為14 m/s，t-td小于2 ℃的濕區(qū)(圖3b中綠色曲線(xiàn)區(qū)域)與500 hPa低壓位置相對(duì)應(yīng)，副熱帶高壓南側(cè)與6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”之間的東風(fēng)氣流加強(qiáng)，將東海的水汽輸送到河南，為鄭州極端暴雨提供豐沛的水汽來(lái)源(圖3b)。地面圖上鄭州南側(cè)為東北風(fēng)和東南風(fēng)的風(fēng)向切變。

極端暴雨最強(qiáng)時(shí)地面中尺度風(fēng)場(chǎng)顯示，20日15時(shí)前，鄭州地面一直為東風(fēng)控制，15:20開(kāi)始，鄭州地面轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，說(shuō)明強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)有弱冷空氣侵入鄭州上空。16-17時(shí)，鄭州地面風(fēng)場(chǎng)為北風(fēng)或西北風(fēng)，在鄭州的東南側(cè)為東南風(fēng)，鄭州附近存在北風(fēng)或西北風(fēng)與東南風(fēng)的強(qiáng)地面輻合(圖3c)。在前期暖濕空氣控制和水汽輸送充足的條件下，一旦遇到弱冷空氣侵入和地面輻合加強(qiáng)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)降水。到17時(shí)，鄭州附近轉(zhuǎn)為一致的東北風(fēng)，降水強(qiáng)度比前16時(shí)的明顯減小。

分析20日08時(shí)鄭州的T-lnp圖(圖3d)發(fā)現(xiàn)，400 hPa以下大氣接近飽和，近地面為東北風(fēng)，925-300 hPa為東南風(fēng)或南風(fēng)，0 ℃層高度為6.6 km，-20 ℃層高度為8.9 km，對(duì)流有效位能(CAPE)為685.3 J·kg-1。本次大暴雨發(fā)生時(shí)，CAPE為中等，大氣層結(jié)具有上冷下暖的對(duì)流不穩(wěn)定，鄭州850 hPa風(fēng)速為14 m/s，屬于低質(zhì)心型的暖區(qū)對(duì)流暴雨。

圖3 2021年7月20日08時(shí)500 hPa(a)、850 hPa(b)天氣形勢(shì)和16:40鄭州附近地面風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓(c)、08時(shí)鄭州探空?qǐng)D(d)(a)(b)中黑實(shí)線(xiàn)為等位勢(shì)高度線(xiàn)，紅色虛線(xiàn)為等溫線(xiàn)，D為低壓中心，G為高壓中心，N為暖中心，L為冷中心；(b)中綠色曲線(xiàn)所圍區(qū)域?yàn)閠-td小于2 ℃的濕區(qū)

2.3 多普勒天氣雷達(dá)資料中尺度特征分析

2021年7月20日08時(shí)-21日08時(shí)商丘多普勒雷達(dá)組合反射率因子的演變顯示，鄭州受30 dBZ以上的降水回波影響，其間不斷有對(duì)流系統(tǒng)生成發(fā)展。20日15:42鄭州有一中尺度對(duì)流系統(tǒng)生成并發(fā)展，16:06該中尺度對(duì)流系統(tǒng)最大反射率因子大于55 dBZ(圖 4a)，到16:30，該回波范圍擴(kuò)大，且一直維持在鄭州附近(圖 4b)，此時(shí)是鄭州降雨強(qiáng)度最大的時(shí)刻，1 min最大降雨量出現(xiàn)在16:38-16:39。分析顯示，16:06-17:30中尺度對(duì)流系統(tǒng)大于55 dBZ的強(qiáng)回波強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成鄭州出現(xiàn)罕見(jiàn)的1 h降雨量和城市暴雨災(zāi)害。

圖4 2021年7月20日16:06(a)、16:38(b)商丘多普勒雷達(dá)組合反射率因子

3 雨滴譜特征

3.1 雨滴譜和積分參數(shù)演變特征

圖 5為雨滴譜N(D)和積分參數(shù)隨時(shí)間的演變。降水過(guò)程存在很多降水強(qiáng)中心，對(duì)應(yīng)小粒子(直徑小于1.0 mm)較高的粒子數(shù)密度及較大的粒子譜寬(圖 5a)。20日12-20時(shí)有3個(gè)強(qiáng)降水中心(圖 5b)，13:15雨強(qiáng)極大值為150.1 mm·h-1，此時(shí)0.562 mm小粒子的數(shù)密度最大，為4614.4 m-3· mm-1，同時(shí)存在直徑為6.5 mm的大粒子。18:51前后也有一強(qiáng)降水中心，最大雨強(qiáng)為96.5 mm·h-1，該降水中心小粒子數(shù)密度偏小，最大為3271.4m-3· mm-1，最大粒子直徑為6.5 mm。15:25-17:38是本次過(guò)程主要中尺度對(duì)流系統(tǒng)的降水時(shí)段，其中15:45-17:10的雨強(qiáng)大于100.0 mm·h-1，而16:02-16:55的雨強(qiáng)大于200.0 mm·h-1，是核心強(qiáng)降水時(shí)段，最大雨強(qiáng)為324.7 mm·h-1，比自動(dòng)站觀測(cè)結(jié)果282.0 mm·h-1略大一些。核心強(qiáng)降水時(shí)段,小粒子數(shù)密度大于4000 m-3· mm-1，最大為8587.1 m-3· mm-1，出現(xiàn)在16:42，此時(shí)雨強(qiáng)為247.9 mm·h-1。1～3 mm中粒子數(shù)密度為400～4000 m-3·mm-1，3～5 mm的較大粒子數(shù)密度為10～300 m-3·mm-1，大于5 mm的大粒子數(shù)密度也較大，最大粒子直徑為7.5 mm。

雨水含量W與雨強(qiáng)I具有基本一致的演變趨勢(shì)(圖5b)。大雨強(qiáng)一般有大的雨水含量，但也不完全一致。如最大雨強(qiáng)為324.7 mm·h-1時(shí)的雨水含量為12.86 g·m-3，雨滴濃度為6440.3 m-3，而次最大雨強(qiáng)為317.2 mm·h-1時(shí)的雨水含量為13.18 g·m-3，雨滴濃度為6882.0 m-3，后者包含更多雨滴。雨滴濃度NT與雨強(qiáng)I演變趨勢(shì)稍有不同，雨滴濃度大值經(jīng)常出現(xiàn)在極大雨強(qiáng)之后，如13:15有極大雨強(qiáng)150.1 mm·h-1，雨滴濃度為3063.8 m-3，其后1 min的雨強(qiáng)為134.7 mm·h-1，雨滴濃度為3598.0 m-3。同樣，本次過(guò)程最大雨強(qiáng)時(shí)的雨滴濃度也比其后面的次大雨強(qiáng)的雨滴濃度低。主要原因是雨強(qiáng)增大階段的上升氣流可以導(dǎo)致小雨滴減少，所以雨滴濃度偏少，這與颮線(xiàn)的有關(guān)研究結(jié)果類(lèi)似[30-31]。

γ分布的3個(gè)參數(shù)N0、λ和μ隨時(shí)間的演變顯示(圖略)，雨強(qiáng)較小時(shí)，3個(gè)參數(shù)數(shù)值比較大，起伏變化比較明顯，主要原因是雨強(qiáng)較小時(shí)譜寬較窄，粒子數(shù)密度較低，利用階矩方法計(jì)算的3個(gè)參數(shù)數(shù)值比較大。雨強(qiáng)較大時(shí)，3個(gè)參數(shù)的數(shù)值較小，起伏變化不大，參數(shù)λ和μ變化趨勢(shì)比較一致，N0與λ、μ的變化不一致。15:45-17:10的雨強(qiáng)大于100.0 mm·h-1，此時(shí)段初始，形狀因子μ小，存在負(fù)值，斜率λ也比較小，而N0比較大，表明雨滴譜中有較多的小粒子和大粒子，雨滴譜譜型是向上凹的。然后μ變?yōu)檎担⒅饾u增大，同時(shí)λ也逐漸增大，表明小粒子和大粒子減少，中等大小粒子增多，所以曲線(xiàn)向下凹，即γ分布的形狀因子μ為正值。

3.2 雨滴譜參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

圖 6為不同大小粒子對(duì)雨滴總濃度和總雨量的貢獻(xiàn)。由圖 6可以看出，小雨滴(D<1 mm)對(duì)雨滴總濃度的貢獻(xiàn)為45.4%，但對(duì)總雨量的貢獻(xiàn)比較小，為4.2%。直徑為1～2 mm的雨滴對(duì)雨滴總濃度也有較大的貢獻(xiàn)，為39.3%，對(duì)總雨量的貢獻(xiàn)較大，為25.0%。2～3 mm的雨滴對(duì)雨滴總濃度貢獻(xiàn)不大，為12.1%，而對(duì)總雨量有最大貢獻(xiàn)，為36.7%。3～4 mm的雨滴對(duì)雨滴總濃度貢獻(xiàn)僅有2.6%，但對(duì)總雨量有第三大的貢獻(xiàn)，為22.2%。4～5 mm的雨滴對(duì)雨滴總濃度貢獻(xiàn)只有0.5%，對(duì)總雨量的貢獻(xiàn)為9.0%。大于5 mm的雨滴對(duì)雨滴總濃度的貢獻(xiàn)可以忽略，僅有0.071%，對(duì)總雨量的貢獻(xiàn)也是最小，為2.9%，但不可忽略?？偟膩?lái)看，本次降水過(guò)程小粒子對(duì)雨滴總濃度有主要貢獻(xiàn)，直徑小于2.0 mm的粒子對(duì)雨滴總濃度的貢獻(xiàn)為84.7%；而1～4 mm的粒子對(duì)總雨量有主要貢獻(xiàn)，為83.9%，其中2～3 mm的中粒子對(duì)總雨量貢獻(xiàn)最大，為36.7%。

圖5 2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)鄭州站雨滴譜N(D)(a)、雨強(qiáng)I、雨水含量W和雨滴濃度NT(b)的逐時(shí)演變

圖6 2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)鄭州站降水雨滴譜不同大小粒子對(duì)雨滴總濃度和總雨量的貢獻(xiàn)

不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜分布見(jiàn)圖7。本次過(guò)程有極大雨強(qiáng)，所以根據(jù)雨強(qiáng)將雨滴譜分成9類(lèi)。雨強(qiáng)小于2.0 mm·h-1的微弱降水的平均雨滴譜譜寬最窄，小粒子的峰值濃度也最小。雨強(qiáng)在2～5 mm·h-1、5～10 mm·h-1的弱降水的譜寬逐漸增大，粒子數(shù)密度也增大，并且大于3 mm的較大粒子數(shù)密度增加的更明顯，這顯示雨強(qiáng)增大更多是較大粒子的貢獻(xiàn)。10～20 mm·h-1、20～50 mm·h-1強(qiáng)降水的雨滴譜直徑小于2.0 mm的小粒子數(shù)密度增加的較小，而大于3.0 mm的較大粒子的數(shù)密度增加得較快，這一特點(diǎn)在50～100 mm·h-1雨強(qiáng)的平均譜表現(xiàn)得更明顯，該類(lèi)雨強(qiáng)的平均譜譜寬達(dá)到最大7.5 mm，隨著直徑增大粒子數(shù)密度很快增大，這表明雨強(qiáng)的增大主要受大粒子濃度增加所影響。雨

圖7 2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)鄭州站9類(lèi)不同雨強(qiáng)平均雨滴譜分布特征雨強(qiáng)單位：mm·h-1

強(qiáng)大于100 mm·h-1的3類(lèi)平均雨滴譜，小粒子、中粒子和大粒子的數(shù)密度幾乎同樣增加，表明雨強(qiáng)的增大是各種尺度粒子同時(shí)增大所導(dǎo)致的。

圖8是γ分布的3個(gè)參數(shù)與雨強(qiáng)之間的散點(diǎn)圖。3個(gè)參數(shù)在雨強(qiáng)小于10.0 mm·h-1時(shí)數(shù)值都比較大，也比較分散。雨強(qiáng)大于10.0 mm·h-1時(shí)數(shù)值比較集中?？梢钥闯觯陱?qiáng)為10.0～100.0 mm·h-1時(shí)，隨著雨強(qiáng)增大，N0、λ和μ都是逐漸減小的。雨強(qiáng)大于100.0 mm·h-1時(shí)，3個(gè)參數(shù)隨著雨強(qiáng)增大有不一樣的變化特征：N0是略微增大的趨勢(shì)；斜率λ在雨強(qiáng)100～200 mm·h-1時(shí)是增大趨勢(shì)，雨強(qiáng)大于200 mm·h-1后是略微減小趨勢(shì)；形狀因子μ與斜率λ變化類(lèi)似，雨強(qiáng)在100～200 mm·h-1時(shí)是增大趨勢(shì)，雨強(qiáng)大于200 mm·h-1時(shí)比較穩(wěn)定。由于在極大雨強(qiáng)(>100 mm·h-1)時(shí)平均雨滴譜隨著雨強(qiáng)增大，不同直徑的粒子數(shù)密度幾乎同時(shí)增大，所以形狀因子μ和斜率λ趨于穩(wěn)定，截距參數(shù)N0稍有增大。

You等[32]統(tǒng)計(jì)分析韓國(guó)雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)釜山(Busan)雨滴譜截距參數(shù)N0和斜率λ隨著雨強(qiáng)增大是逐漸減小的，而昌源(Changwon)的是逐漸增大趨勢(shì)。Zhang等[33]分析安徽一次颮線(xiàn)過(guò)程雨滴譜資料發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)在100 mm·h-1左右時(shí)截距參數(shù)N0基本為常數(shù)。本次過(guò)程γ分布的3個(gè)參數(shù)隨著雨強(qiáng)增大的變化比較復(fù)雜，指示不同雨強(qiáng)降水形成的微物理機(jī)制可能是不同的。

圖8 2021年7月20日08時(shí)至21日08時(shí)鄭州站降水雨滴譜γ分布的截距參數(shù)N0(a)、斜率參數(shù)λ(b)、形狀因子μ(c)與雨強(qiáng)的散點(diǎn)圖N0取以10為底的對(duì)數(shù)

4 結(jié) 論

利用鄭州降水現(xiàn)象儀資料，結(jié)合新一代多普勒雷達(dá)和常規(guī)觀測(cè)資料，分析了鄭州2021年7月20日特大暴雨的微物理特征，主要結(jié)果為：

(1)本次特大暴雨是受弱冷空氣和6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)東南氣流共同影響造成的，深厚的暖濕空氣、上冷下暖的對(duì)流不穩(wěn)定大氣層結(jié)、鄭州附近地面東南風(fēng)與西北風(fēng)的強(qiáng)輻合利于強(qiáng)降水的發(fā)生和維持。暴雨期間，大于55 dBZ的強(qiáng)回波持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成了鄭州罕見(jiàn)的極端強(qiáng)降水。

(2)本次暴雨過(guò)程中小粒子對(duì)雨滴總濃度有主要貢獻(xiàn)，直徑小于2.0 mm的粒子的貢獻(xiàn)為84.7%；而1～4 mm的粒子對(duì)總雨量有主要貢獻(xiàn)，為83.9%，其中2～3 mm的中粒子對(duì)總雨量貢獻(xiàn)最大，為36.7%。

(3)不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜分布特征差異較大。雨強(qiáng)小于10 mm·h-1時(shí)，隨著雨強(qiáng)增大，雨滴譜譜寬增大，粒子數(shù)密度增大；雨強(qiáng)為10～100 mm·h-1時(shí)，隨著雨強(qiáng)增大，較小粒子(直徑小于2.0 mm)的數(shù)密度增加較小，較大粒子(直徑大于3.0 mm)數(shù)密度明顯增加，同時(shí)譜寬不斷增大到最大的7.5 mm，表明雨強(qiáng)的增大主要受大粒子濃度增加所影響；雨強(qiáng)大于100 mm·h-1時(shí)，隨著雨強(qiáng)增大，雨滴譜小粒子、中粒子和大粒子的數(shù)密度幾乎同時(shí)增加，表明雨強(qiáng)的增大是各種尺度粒子同時(shí)增大所導(dǎo)致的。

(4)γ分布的3個(gè)參數(shù)特征隨雨強(qiáng)增大表現(xiàn)不同。雨強(qiáng)為10.0～100.0 mm·h-1時(shí)，隨著雨強(qiáng)增大，N0、λ和μ都是逐漸減小的，這與平均雨滴譜的變化特征相一致，由于較大雨滴增加得更快，所以斜率λ和形狀因子μ都減小。雨強(qiáng)>100.0 mm·h-1時(shí)，3個(gè)參數(shù)隨著雨強(qiáng)增大變化較小，斜率λ和形狀因子μ傾向于固定數(shù)值。

本次罕見(jiàn)的特大暴雨降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，為深入研究該類(lèi)暴雨形成的微物理機(jī)制和特征提供了基礎(chǔ)。本文初步分析了雨滴譜統(tǒng)計(jì)特征，下一步需要綜合雙偏振雷達(dá)等觀測(cè)資料，深入分析暴雨云系的垂直結(jié)構(gòu)特征和粒子形成的微物理機(jī)制。