三江源隆寶高寒濕地不同云系降水雨滴譜特征

張玉欣 , 韓輝邦 , 康曉燕 , 田建兵 , 郭世鈺

（1. 青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西寧 810001；2. 青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810001）

引言

雨滴譜是單位體積內(nèi)各種尺度的雨滴數(shù)量隨其直徑變化的函數(shù)，對(duì)雨滴譜進(jìn)行觀測(cè)是研究云霧降水微觀物理特征的重要途徑之一[1]。通過(guò)地面雨滴譜觀測(cè)，能夠深入了解和認(rèn)識(shí)自然降水的微物理過(guò)程，對(duì)進(jìn)一步研究成云致雨機(jī)制、科學(xué)開(kāi)展人工增雨作業(yè)和提高雷達(dá)定量估測(cè)降水精度均具有重要意義[2]。

由于氣候、大氣狀況以及地形條件的差異，雨滴譜分布呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化。鑒于此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了很多關(guān)于不同地區(qū)、不同季節(jié)雨滴譜的觀測(cè)研究。Ulbrich等[3]對(duì)比熱帶海洋性和大陸性對(duì)流系統(tǒng)雨滴譜分布特征，發(fā)現(xiàn)對(duì)流性降水譜有明顯的海陸差異。Islam等[4]研究了英國(guó)雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)雨滴譜分布會(huì)隨大氣溫度、濕度條件而變化。Maki等[5]分析了澳大利亞達(dá)爾文的熱帶颮線系統(tǒng)雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)對(duì)流中心的雨滴譜呈上凸型，而層狀區(qū)呈指數(shù)型，層狀區(qū)的ZR關(guān)系系數(shù)大于對(duì)流區(qū)。Tokay等[6]發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋雨滴譜的特性顯示為高濃度的中小雨滴。在國(guó)內(nèi)，陳寶君等[7]利用沈陽(yáng)市雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)M-P分布對(duì)層狀云降水?dāng)M合結(jié)果更為準(zhǔn)確。宮福久等[8]利用遼寧夏季雨滴譜資料對(duì)不同天氣背景下的雨滴譜分布特征進(jìn)行了分析。濮江平等[9]分析南京春季雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)Gamma分布對(duì)雨滴譜的擬合精度較高。羅俊頡等[10]分析山西省春季雨滴譜資料，發(fā)現(xiàn)雨滴譜特征與導(dǎo)致降水的天氣類(lèi)型關(guān)系密切。張昊等[11]利用廬山地區(qū)雨滴譜資料分析了對(duì)流云降水中的微物理特征。鄧雪嬌等[12]分析廣州地區(qū)雨滴譜分布特征，得出了雷達(dá)定量測(cè)量降水時(shí)可供參考和應(yīng)用的Z-R關(guān)系。在西北地區(qū)，牛生杰等[13]分析了寧夏雨滴譜平均特征并建立了Z-R關(guān)系。李艷偉等[14]分析新疆天山地區(qū)降水的雨滴譜特征并對(duì)雨滴譜譜型進(jìn)行了擬合。李娟等[15]分析了黃河上游瑪曲地區(qū)的雨滴譜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)亟邓写笥甑屋^多。韓輝邦等[16]對(duì)黃河上游地區(qū)不同云系降水雨滴譜演變特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。史晉森等[17]按照不同云系結(jié)構(gòu)分析了夏季祁連山雨滴譜特征。常祎等[18]發(fā)現(xiàn)青藏高原那曲地區(qū)雨滴譜相對(duì)于同緯度和季節(jié)的平原地區(qū)較寬。

三江源地區(qū)位于青藏高原腹地的青海省南部，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地[19-20]，長(zhǎng)江總水量的2%、黃河總水量的38%和瀾滄江總水量的15%均來(lái)自這一地區(qū)，是我國(guó)乃至亞洲的重要水源地，被譽(yù)為“中華水塔”[21]。三江源區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候，冷熱兩季交替，干濕兩季分明，無(wú)明顯四季區(qū)分。隆寶高寒濕地位于三江源腹地的青海省玉樹(shù)藏族自治州境內(nèi)的隆寶灘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，平均海拔4000 m以上，年平均氣溫約2℃，年平均降水量500~600 mm，降水集中在5~9 月，占全年降水量的80%以上[22-23]，被認(rèn)為是我國(guó)受氣候變化影響最大、最敏感的區(qū)域[24]。開(kāi)展隆寶地區(qū)降水微物理特征研究將有助于掌握該地區(qū)降水形成演變規(guī)律，對(duì)有效開(kāi)發(fā)利用空中云水資源、保護(hù)高寒濕地生態(tài)環(huán)境及水源涵養(yǎng)具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文擬利用2019年5~10月布設(shè)于隆寶濕地的激光雨滴譜儀觀測(cè)資料，分析降水雨滴譜微物理特征，進(jìn)而揭示高寒地區(qū)降水雨滴譜特征。

1 資料和方法

1.1 觀測(cè)儀器和數(shù)據(jù)來(lái)源

德國(guó)OTT公司研制的Parsivel激光雨滴譜儀以激光觀測(cè)為基礎(chǔ)，通過(guò)降水粒子下降時(shí)對(duì)激光帶的遮擋來(lái)計(jì)算和測(cè)量降水粒子的尺寸和速度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)降水類(lèi)型、降水粒子數(shù)密度、降水強(qiáng)度和累計(jì)降水量等實(shí)施監(jiān)測(cè)[25]。儀器可識(shí)別毛毛雨、小雨、雨、雨加雪、雪、米雪、凍雨及冰雹8種降水類(lèi)型[26]。儀器共有32個(gè)尺度通道和32個(gè)速度通道，粒子尺度范圍0.2~25 mm，速度范圍為0.2~20 m·s-1，采樣面積54 cm2，采樣時(shí)間60 s[27]。

本文所用激光雨滴譜儀布設(shè)在青海省玉樹(shù)藏族自治州玉樹(shù)市境內(nèi)的隆寶灘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，儀器安裝位置33°12′N(xiāo)、96°30′E，海拔4167 m，觀測(cè)時(shí)間為2019年5月1日~9月30日，觀測(cè)期為該地主要降水期，同時(shí)也包含了高寒濕地作物的主要生長(zhǎng)季。對(duì)雨滴譜數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除觀測(cè)中出現(xiàn)的直徑>6 mm雨滴、雨強(qiáng)<0.1 mm·h-1、雨滴數(shù)<10個(gè)及降水持續(xù)時(shí)間<30 min的數(shù)據(jù)。

不同類(lèi)型降水的雨滴譜分布差異較大，利用Chen等[28]的分類(lèi)方法，以雨滴譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)降水類(lèi)型進(jìn)行劃分，研究所用樣本總數(shù)為6524個(gè)。其中，層狀云樣本數(shù)為5156個(gè)，占總樣本數(shù)的79.03%；對(duì)流云樣本數(shù)為1368個(gè)，占總樣本數(shù)的20.97%。整個(gè)觀測(cè)期，層狀云降水樣本數(shù)多于對(duì)流云降水樣本數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

Parsivel觀測(cè)數(shù)據(jù)為采樣時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)采樣面積的雨滴個(gè)數(shù)。因此，雨滴數(shù)濃度(mm-1· m-3)計(jì)算公式如下：

式中：nij為直徑位于第i個(gè)尺度區(qū)間，下落速度位于第j個(gè)速度區(qū)間的雨滴數(shù)；A為儀器采樣面積，即54 cm2； Δt為采樣時(shí)間，即60 s；Di為第i個(gè)尺度區(qū)間；ΔDi為 中心直徑和該區(qū)間的尺度間隔；Vj為第j個(gè)速度區(qū)間的中心速度。

雨強(qiáng)R(mm·h-1)、雨水含量W(mg·m-3)及雷達(dá)反射率因子Z(mm6·m-3)的計(jì)算公式如下：

雷達(dá)反射率因子Z通常用dBZ表示，dBZ = 10lgZ。

其中，N0是截距參數(shù)（ m?3·mm?μ?1），μ是形狀因子，λ是斜率參數(shù)(mm-1)。

采用階矩法對(duì)Gamma分布參數(shù)進(jìn)行擬合，Gamma分布的參數(shù)（N0,μ,λ）可用觀測(cè)值的2、4、6階距估算[30]。雨滴譜的n階距Mn為：

其中， Γ(x)為完整的Gamma函數(shù)。因此，質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm(mm)可表示為：

其中， ρw(1.0 g·cm-3)為水密度，W為雨水含量。

2 分析與討論

2.1 雨滴微物理參量分布特征

雨滴微物理參量能較好地反映出降水的基本特征。表1為隆寶高寒濕地夏秋季不同云系降水粒子微物理參量統(tǒng)計(jì)特征值。其中，R為雨強(qiáng)(mm·h-1)，ND為數(shù)濃度(m-3·mm-1)，D為平均直徑(mm)，Dm為均方根直徑(mm)，Dmax為最大直徑即譜寬(mm)，W為雨水含量(mg·m-3)。

如表1所示，隆寶地區(qū)夏秋季對(duì)流云降水的雨滴微物理參量均大于層狀云降水，但差值很小。對(duì)流云降水的數(shù)濃度為2663.80 m-3·mm-1，層狀云降水為2343.70 m-3·mm-1，僅相差320.1 m-3·mm-1，平均直徑相差0.14 mm，均方根直徑相差0.22 mm，譜寬相差0.63 mm，雨水含量相差0.03 mg·m-3，雨強(qiáng)差值最大僅為0.95 mm·h-1，僅占雨強(qiáng)均值的45%。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明，三江源隆寶地區(qū)對(duì)流云降水和層狀云降水的雨滴微物理特征具有一定程度的相似性。

表1 不同云系降水粒子微物理參量統(tǒng)計(jì)特征

2.2 平均雨滴譜分布特征

圖1為三江源隆寶地區(qū)層狀云降水和對(duì)流云降水雨滴譜分布。如圖所示，層狀云降水和對(duì)流云降水雨滴譜均呈單峰型分布，雨滴數(shù)濃度隨著降水粒子直徑的增大呈先增加后減少的趨勢(shì)；層狀云降水譜寬為6.6 mm，峰值直徑0.38 mm；對(duì)流云降水譜寬較寬，為7.7 mm，峰值直徑與層狀云降水相同。

層狀云和對(duì)流云的雨滴譜分布曲線大致相近，但層狀云雨滴譜斜率更大，即隨著雨滴直徑的增加，層狀云雨滴數(shù)濃度下降更快，其原因主要是層狀云多由小粒子組成，降水強(qiáng)度弱，大粒子雨滴數(shù)濃度小，譜寬較窄。對(duì)流云降水中大粒子數(shù)濃度較大，譜寬更寬，高原地區(qū)對(duì)流云降水更加明顯。如圖1所示，層狀云降水中5 mm雨滴直徑對(duì)應(yīng)的雨滴數(shù)濃度為10-3m-3·mm-1，對(duì)流云降水中5 mm雨滴直徑對(duì)應(yīng)的雨滴數(shù)濃度可達(dá)10-1m-3·mm-1，相差2個(gè)量級(jí)。

圖1 不同云系降水雨滴譜分布（a. 層狀云，b. 對(duì)流云）

M-P分布和Gamma分布是目前描述雨滴譜分布的主要解析函數(shù)，廣泛應(yīng)用于降水探測(cè)及數(shù)值模式參數(shù)化方案中。對(duì)比不同降水云系平均雨滴譜的擬合結(jié)果，Gamma分布和M-P分布均會(huì)高估雨滴數(shù)濃度，相對(duì)而言，Gamma分布與實(shí)際雨滴譜分布曲線吻合程度更好，更加接近實(shí)際情況。表2給出了不同降水云系平均雨滴譜M-P分布和Gamma分布擬合的各參數(shù)值?？梢钥吹?，M-P分布和Gamma分布對(duì)三江源隆寶地區(qū)層狀云降水和對(duì)流云降水的擬合均較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9以上；M-P分布對(duì)層狀云降水的擬合性稍好于Gamma分布，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99；M-P分布的截距參數(shù)N0高于Gamma分布。

表2 M-P分布和Gamma分布擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

斜率參數(shù)λ可直接反映擬合曲線的傾斜程度，在雨滴譜分布中即表示粒子濃度隨粒子直徑增大而減小的速率，可間接反映降水粒子譜寬，λ越大，曲線走勢(shì)越陡，對(duì)應(yīng)的粒子譜寬也相對(duì)較窄。在三江源隆寶地區(qū)的層狀云和對(duì)流云降水中，M-P分布的λ均明顯小于Gamma分布，這與M-P分布的截距參數(shù)N0明顯高于Gamma分布有關(guān)；層狀云降水在M-P分布擬合中的λ大于對(duì)流云降水，而在Gamma分布擬合中的λ小于對(duì)流云降水。

相比M-P分布擬合，Gamma分布擬合引入形狀因子μ，能夠較好地反映實(shí)際雨滴譜擬合線彎曲特性，當(dāng)μ>0時(shí)曲線向上彎曲，μ<0則向下彎曲。已有研究[31-32]指出，μ<0主要針對(duì)小雨滴較多、譜寬較寬的地形云降水，而μ>0主要是雷暴云降水。三江源隆寶地區(qū)層狀云降水和對(duì)流云降水的形狀因子μ均<0，分別為-1.75和-2.27，說(shuō)明該地區(qū)是以小雨滴為主的地形云降水；層狀云降水形狀因子μ大于對(duì)流云降水，其擬合曲線向上彎曲更強(qiáng)。

2.3 雨滴速度譜分布

降水粒子的下落速度對(duì)于降水的形成具有重要作用，且不同地區(qū)云滴下落速度不同。圖2為三江源隆寶地區(qū)雨滴數(shù)隨直徑和下落速度的分布。如圖所示，對(duì)流云降水中不同尺度降水粒子落速范圍大于相同尺度上的層狀云降水，層狀云降水粒子落速范圍是2.0~6.0 m·s-1，降水粒子個(gè)數(shù)在落速為1.5 m·s-1和4.3 m·s-1時(shí)存在兩個(gè)高值區(qū)。對(duì)流云降水落速范圍是1.5~7.0 m·s-1，范圍更大，降水粒子個(gè)數(shù)在落速為2.8 m·s-1和4.5 m·s-1時(shí)也存在兩個(gè)高值區(qū)，但其高值區(qū)對(duì)應(yīng)的粒子直徑較層狀云降水略小。

圖2 雨滴數(shù)隨直徑和下落速度的分布（a. 層狀云，b. 對(duì)流云）

圖中黑色實(shí)線為Atlas等[33]測(cè)量得出的標(biāo)準(zhǔn)情況下雨滴下落末速擬合曲線，代表標(biāo)準(zhǔn)情況下海平面高度雨滴的下落末速度，曲線對(duì)應(yīng)的空氣密度為1.23 kg·m-3。本文所用三江源隆寶地區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)海拔4167 m，平均空氣密度為0.65 kg·m-3，采用Atlas等[33]給出的訂正因子，即:

其中， ρ0是海平面空氣密度，ρ是不同觀測(cè)站點(diǎn)空氣密度平均值，由觀測(cè)站點(diǎn)自動(dòng)站所測(cè)氣壓計(jì)算得出。可以看出，整個(gè)觀測(cè)期間，標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線低估了粒子下落速度，訂正后的曲線更接近于實(shí)際觀測(cè)值，說(shuō)明三江源隆寶地區(qū)高海拔和較低的空氣密度是造成觀測(cè)速度高于其下落速度的主要原因。同時(shí)，雨滴下落速度受雨滴碰并、空氣垂直運(yùn)動(dòng)、湍流等到多種因素影響，具體原因還需要進(jìn)一步分析。

2.4 Z-R關(guān)系分析

降水強(qiáng)度R與雷達(dá)回波強(qiáng)度Z的關(guān)系是雷達(dá)定量估測(cè)降水的基礎(chǔ)，但Z-R關(guān)系的不確定性也是影響雷達(dá)定量估測(cè)降水精度的主要原因。降水強(qiáng)度R與雷達(dá)反射率因子Z之間存在冪指數(shù)關(guān)系，即Z = aRb，其中a為關(guān)系系數(shù)，b為指數(shù)。隨地區(qū)、季節(jié)、不同降水類(lèi)型以及雨滴譜類(lèi)型不同，a、b值有較大變化。雷達(dá)回波強(qiáng)度和降水強(qiáng)度的大小與雨滴譜分布有密切關(guān)系，不同降水類(lèi)型的Z-R關(guān)系也不盡相同。

圖3為三江源隆寶地區(qū)不同降水的Z-R關(guān)系擬合。三江源隆寶地區(qū)層狀云降水Z-R關(guān)系為Z=418R1.90，對(duì)流云降水Z-R關(guān)系為Z=630R2.12，關(guān)系系數(shù)a和指數(shù)b均遠(yuǎn)大于目前氣象業(yè)務(wù)中所使用的新一代天氣雷達(dá)定量估測(cè)降水的傳統(tǒng)公式（Z =300R1.4）。因此，在三江源隆寶地區(qū)，使用傳統(tǒng)的雷達(dá)估測(cè)方法會(huì)低估該地區(qū)的降水。與傳統(tǒng)公式中的Z-R關(guān)系相比，關(guān)系系數(shù)a和指數(shù)b差距較大，可見(jiàn)傳統(tǒng)公式不具有普適性，提高雷達(dá)定量估測(cè)降水精度需綜合考慮降水類(lèi)型、地理位置、海拔高度等諸多因素影響。

圖3 三江源隆寶地區(qū)不同降水的Z-R關(guān)系擬合（a. 層狀云，b. 對(duì)流云）

3 結(jié)論與討論

本文利用2019年5~10月布設(shè)于三江源地區(qū)三江源隆寶高寒濕地的激光雨滴譜儀觀測(cè)資料，分析高原山區(qū)層狀云降水和對(duì)流云降水雨滴微物理特征、平均雨滴譜分布、下落速度及Z-R關(guān)系，得到如下主要結(jié)論：

（1）三江源隆寶地區(qū)，對(duì)流云降水和層狀云降水的雨滴微物理特征具有一定程度的相似性，對(duì)流云降水雨滴微物理參量略大于層狀云降水。

（2）隆寶地區(qū)層狀云降水和對(duì)流云降水雨滴譜均呈單峰型分布，雨滴數(shù)濃度隨著降水粒子直徑的增大呈先增加后減少的趨勢(shì)，M-P分布和Gamma分布對(duì)三江源隆寶地區(qū)層狀云降水和對(duì)流云降水的擬合均較好，相對(duì)而言，Gamma分布擬合能更好地反映實(shí)際雨滴譜擬合線彎曲特性。

（3）隆寶地區(qū)不同尺度雨滴粒子下落速度不同，對(duì)流云降水粒子落速范圍略大于相同尺度上的層狀云降水，傳統(tǒng)粒子下落速度擬合存在明顯的低估現(xiàn)象。研究區(qū)觀測(cè)點(diǎn)高海拔和較低的空氣密度是造成觀測(cè)速度高于其下落速度的主要原因，利用觀測(cè)站點(diǎn)空氣密度進(jìn)行訂正能有效解決這一問(wèn)題。

（4）隆寶地區(qū)層狀云降水Z-R關(guān)系為Z=418R1.90，對(duì)流云降水Z-R關(guān)系為Z=630R2.12，使用傳統(tǒng)的雷達(dá)估測(cè)方法會(huì)低估該地區(qū)降水。

受觀測(cè)站點(diǎn)單一、高原山區(qū)復(fù)雜地形及降水時(shí)空分布差異等因素影響，觀測(cè)結(jié)果的分析具有局地性特點(diǎn)，后期工作中還需增加更多地面觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合雷達(dá)、飛機(jī)探測(cè)資料，對(duì)比分析云內(nèi)和地面雨滴譜分布差異，掌握云滴-雨滴轉(zhuǎn)換規(guī)律及變化特征，進(jìn)一步深入開(kāi)展山區(qū)雨滴譜特征研究。