春季粵北地區(qū)降水微物理特征分析

何松蔚，高建秋，鐘建洪，余小嘉，李琪，李鑄杰

（1.廣東省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東廣州 510640；2.韶關(guān)市氣象局，廣東韶關(guān) 512026）

降水是大氣-水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，降水分布具有顯著的時(shí)空差異特征。許多學(xué)者指出天氣系統(tǒng)、云微物理過(guò)程、下墊面是影響降水過(guò)程的重要因素［1-3］，其中，云物理過(guò)程直接影響降水粒子特征，不同降水粒子特征可以反映不同云系演變特征以及微物理參量與天氣系統(tǒng)的關(guān)系［4］。因此探討降水粒子的特征對(duì)揭示降水微物理過(guò)程有重要意義。

雨滴譜是降水粒子特征的重要指標(biāo)，表征單位體積內(nèi)不同尺度的雨滴數(shù)量的分布特征。不同降水類(lèi)型［1，3］、不同天氣系統(tǒng)、不同降水階段［2］、不同類(lèi)型云系［4］、不同高度［5-6］的雨滴譜特征均不同。對(duì)流云降水中大雨滴對(duì)雨強(qiáng)貢獻(xiàn)顯著，層狀云降水對(duì)雨強(qiáng)貢獻(xiàn)的主要是小雨滴。降水消亡階段，小雨滴貢獻(xiàn)率大［1］。弱降水，雨滴下落過(guò)程中小雨滴明顯減少，蒸發(fā)作用影響大，而強(qiáng)降水的大雨滴濃度增加，小雨滴數(shù)濃度減少，碰并作用明顯［7］。通過(guò)雨滴譜特征可以反映降水云系和降水機(jī)制，因此雨滴譜是研究云物理特征的重要手段。另外，雨滴譜資料常運(yùn)用于人影效果檢驗(yàn)，且雨滴譜特征在改進(jìn)云物理方案、減小雷達(dá)估測(cè)降水誤差［8］等方面具有重要意義。

廣東省受冬、夏季風(fēng)影響顯著，其降水具有顯著的季節(jié)性特征，春季易發(fā)生干旱［9-10］，研究廣東春季的降水特征可以為春季人工增雨提供較好的理論基礎(chǔ)［11］。另外，粵北地區(qū)位于廣東最北部，是重要的生態(tài)涵養(yǎng)地，具有較好的自然下墊面特征，因此討論粵北地區(qū)雨滴譜特征是認(rèn)識(shí)低緯度季風(fēng)影響地區(qū)的自然下墊面降水特征的重要途徑。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究利用2020年2—3月粵北仁化（57989）、樂(lè)昌（57988）2個(gè)站點(diǎn)激光雨滴譜儀觀測(cè)記錄進(jìn)行分析，采樣時(shí)間1 min、采樣面積54 cm2，激光雨滴譜儀共有32個(gè)粒徑通道和32個(gè)速度通道，粒徑測(cè)量范圍在0～22.4 mm，下落末速度測(cè)量范圍在0～26 m／s。雨滴譜密度N（D）（mm-1·m-3）、雨強(qiáng)（I）（mm／h）、雷達(dá)反射率因子（Z）（mm6／m3）的計(jì)算分別見(jiàn)式（1）—式（3），其中A（m2）、Δt（s）、vj（m／s）、n（個(gè)）、Di（mm）、ΔDi（mm）分別表示激光雨滴譜儀的采樣面積、采樣時(shí)間、下落末速度、總粒子數(shù)、粒徑、粒徑間距，i、j分別表示粒徑通道和速度通道，取值范圍為1～32。為減少噪音干擾，對(duì)每分鐘采樣雨滴數(shù)少于10個(gè)或雨強(qiáng)小于0.1 mm／h的觀測(cè)值進(jìn)行剔除［12］。另外，本研究參考Chen等［12］根據(jù)雨強(qiáng)和雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差劃分對(duì)流性降水和層云降水的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析7次降水過(guò)程對(duì)流性降水和層云降水的貢獻(xiàn)率。

2 粵北春季降水微物理特征

2.1 典型天氣系統(tǒng)降水特征

表1是春季粵北7次降水過(guò)程的影響系統(tǒng)。從表1可以看出，2月3和4日低層大氣層結(jié)較穩(wěn)定，南風(fēng)較弱，水汽條件不足，熱、動(dòng)力條件不利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。切變線(xiàn)移動(dòng)速度較慢，準(zhǔn)靜止鋒在南海停滯，天氣系統(tǒng)較穩(wěn)定，弱降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，強(qiáng)度較均勻，以層云降水為主，平均雨強(qiáng)小于1.0 mm／h。3月3日，影響降水的主要天氣系統(tǒng)為切變線(xiàn)，層云降水貢獻(xiàn)率大于60%，平均雨強(qiáng)小于1.0 mm／h。2月14至15日主要影響降水的天氣系統(tǒng)是鋒面低槽，有不穩(wěn)定能量積累，平均雨強(qiáng)為3.8 mm／h，最大雨強(qiáng)為33.1 mm／h，對(duì)流性降水貢獻(xiàn)率大于50%。3月12和29日主要影響降水的系統(tǒng)是西南急流，水汽豐沛，降水維持時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)流性降水貢獻(xiàn)率比層云降水貢獻(xiàn)率大。3月18日高空槽自西向東快速影響粵北地區(qū)，有不穩(wěn)定能量積累，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)對(duì)流降水，降水強(qiáng)度大，高空槽迅速過(guò)境后，不穩(wěn)定能量釋放，降水強(qiáng)度迅速減小，平均雨強(qiáng)為1.6 mm／h，最大雨強(qiáng)可達(dá)33.4 mm／h對(duì)流性降水貢獻(xiàn)率占比大。

表1 春季粵北7次降水過(guò)程的環(huán)流形勢(shì)

有研究指出，廣東春季有利于降水的理想天氣系統(tǒng)配置為地面冷空氣、低層切變線(xiàn)或輻合，高空槽等［13］。本研究選擇的7次典型降水過(guò)程中，影響降水的天氣系統(tǒng)主要有高空槽、西南氣流、切變線(xiàn)以及鋒面系統(tǒng)。根據(jù)降水貢獻(xiàn)率將7次降水過(guò)程劃分為3類(lèi)（表2）：層云降水（層云降水貢獻(xiàn)率大于50%或僅能識(shí)別出層云降水的過(guò)程，2月3、4日，3月3日）；對(duì)流性降水（對(duì)流性降水貢獻(xiàn)率大于50%，2月15日）；混合性降水（除了上述兩類(lèi)外的過(guò)程，3月12、18、29日）。

從表2可以看出，層云降水平均雨強(qiáng)小于1.0 mm／h，混合性降水的平均雨強(qiáng)＜2.0 mm／h，對(duì)流性降水的平均雨強(qiáng)＞2.0 mm／h。另外，層云降水和混合性降水的平均數(shù)濃度相差較小，但雨強(qiáng)差異大。在混合性降水中，對(duì)比3月18和29日過(guò)程，18日平均數(shù)濃度較小，但平均雨強(qiáng)大。這些特征說(shuō)明對(duì)于該次混合性降水，數(shù)濃度并不是影響雨強(qiáng)大小的主要因素［1］。

表2 不同尺度雨滴的雨強(qiáng)貢獻(xiàn)率 %

層云降水過(guò)程和混合性降水過(guò)程的溫度廓線(xiàn)顯示低層多存在明顯逆溫（圖略），近地層200 m左右相對(duì)濕度較?。▓D略）。層云性降水過(guò)程，大氣層結(jié)穩(wěn)定，而混合性降水有不穩(wěn)定能量積累。對(duì)流性降水過(guò)程無(wú)明顯逆溫層（?t／?z＜0），且有不穩(wěn)定能量累積。

2.2 3類(lèi)降水雨滴譜分布特征

不同尺度的雨滴對(duì)降水的貢獻(xiàn)不同，本研究參考柳臣中等［1］對(duì)雨滴分類(lèi)方法，將雨滴按直徑分為3級(jí)：小雨滴（D1≤1 mm）、中雨滴（D2≤2 mm）、大雨滴（D3＞2 mm），3類(lèi)降水過(guò)程大、中、小雨滴雨強(qiáng)貢獻(xiàn)率（I3／I、I2／I、I1／I）如表2所示。由表2可以看出，層云降水時(shí)，以小雨滴貢獻(xiàn)為主，數(shù)濃度占比大于90%，雨強(qiáng)貢獻(xiàn)大于35%；大雨滴數(shù)濃度占比很小，雨強(qiáng)貢獻(xiàn)小于10%。混合性降水過(guò)程中，大雨滴數(shù)濃度占比雖小，但雨強(qiáng)貢獻(xiàn)較明顯；在3月18日過(guò)程中，大雨滴數(shù)濃度占比僅約為1%，雨強(qiáng)貢獻(xiàn)率為35.7%。以對(duì)流性降水為主的過(guò)程中，小雨滴數(shù)量仍占優(yōu)勢(shì)，但雨強(qiáng)貢獻(xiàn)小，大中雨滴數(shù)濃度占比18.1%，雨強(qiáng)貢獻(xiàn)大，為86.1%。

由層云降水過(guò)程中雨強(qiáng)和單位采樣時(shí)間雨滴數(shù)隨時(shí)間的演變情況（圖1）可見(jiàn)，雨強(qiáng)隨時(shí)間的變化特征與雨滴數(shù)隨時(shí)間的變化情況相似，雨滴數(shù)的波峰和波谷與雨強(qiáng)基本對(duì)應(yīng)。另外，結(jié)合2.1節(jié)可知，3次層云降水過(guò)程中平均數(shù)濃度較大的情況下，雨強(qiáng)較大，因此影響層云降水雨強(qiáng)大小的主要因素可能是雨滴數(shù)［3］。程中，影響雨強(qiáng)大小的主要因素可能是雨滴數(shù)［3］；存在對(duì)流降水的過(guò)程中（包括對(duì)流性降水和混合性降水），影響雨強(qiáng)大小的重要因素是大雨滴［1］。

圖1 2月3日層云降水過(guò)程中雨強(qiáng)和雨滴數(shù)隨時(shí)間的演變特征

不同降水類(lèi)型具有不同雨滴譜分布特征［12］。圖2是粵北3種類(lèi)型降水的平均雨滴譜特征，其中層云降水雨滴譜表現(xiàn)為單峰結(jié)構(gòu)；混合性降水和對(duì)流性降水的雨滴譜表現(xiàn)為多峰結(jié)構(gòu)，3類(lèi)降水的最大粒徑峰值均在0.2～0.3 mm范圍。層云性降水雨滴譜最窄，小雨滴數(shù)濃度占比大，雨滴平均直徑、有效直徑較小；混合性降水雨滴譜寬比對(duì)流性降水??；對(duì)流性降水譜寬最大。對(duì)流性降水過(guò)程，鋒面整層抬升提供了有利動(dòng)力條件，且低層西南氣流帶豐富水汽，有利于云滴凝結(jié)增長(zhǎng)；降水云系較厚，根據(jù)雷達(dá)剖面圖和探空垂直溫度廓線(xiàn)可知，冷鋒過(guò)程有冰相過(guò)程，有利于雨滴冰相增長(zhǎng)，雨滴譜拓寬。

圖2 層云降水（a）、混合性降水（b）和對(duì)流性降水（c）的雨滴譜分布以及M-P擬合、Gamma擬合結(jié)果

另外，大氣垂直結(jié)構(gòu)為條件性不穩(wěn)定，抬升外力強(qiáng)，有利于對(duì)流發(fā)展，對(duì)流降水貢獻(xiàn)率大。雨滴譜的偏度大于0，譜型向大滴端偏，這與2.1節(jié)中對(duì)流性降水中大粒子的數(shù)濃度大結(jié)論一致。混合性降水雨滴譜型與對(duì)流降水相似。

綜合以上分析可知，在以層云降水為主的過(guò)

本研究對(duì)春季粵北地區(qū)3類(lèi)降水類(lèi)型進(jìn)行M-P分布［14］和Gamma分布擬合［15］，M-P分布N（D）＝N0·exp（-λD）和Gamma分布N（D）＝N0·Dμ·exp（-λD），其中，N0、μ和λ分別為描述雨滴數(shù)濃度、譜分布的重要參數(shù)，擬合結(jié)果見(jiàn)圖2。3類(lèi)降水過(guò)程中，在小雨滴部分，Gamma分布擬合結(jié)果更接近實(shí)際情況，M-P分布擬合效果存在較大誤差，大于1 mm 部分，M-P分布和Gamma擬合都能較好的模擬出雨滴分布趨勢(shì)，Gamma分布擬合結(jié)果存在一定程度低估，M-P分布存在一定程度高估。整體而言，Gamma分布譜型更適合春季粵北地區(qū)降水。

以上3種降水類(lèi)型的平均譜分布特征均出現(xiàn)尺度小于0.2 mm的雨滴數(shù)量很少的現(xiàn)象，尺度在0.2～0.4 mm范圍的雨滴數(shù)濃度達(dá)到峰值。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，與降水微物理過(guò)程、大氣邊界層溫、濕條件以及觀測(cè)方式有密切關(guān)系。吳兌［16］對(duì)雨滴在云下蒸發(fā)的研究中指出，當(dāng)?t／?z＜0，下落雨滴的蒸發(fā)率遠(yuǎn)比?t／?z＞0中下落小，小雨滴段明顯不足，與蒸發(fā)過(guò)程有關(guān)。本研究選擇的層云性降水過(guò)程中，低層大氣多存在深厚逆溫層，相對(duì)濕度小，雨滴蒸發(fā)率大，大部分較小的雨滴在下落過(guò)程中就已全部蒸發(fā)?；旌闲越邓^(guò)程也存在逆溫層，小滴段受蒸發(fā)作用的影響，數(shù)量較少。但由于水汽條件較好，有部分大雨滴形成，雨滴譜展寬。對(duì)流性降水由于存在較強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，破碎過(guò)程重要［8］，0.2～0.5 mm的雨滴數(shù)濃度較大。由于600 m高度以下，隨雨滴下落，相對(duì)濕度減小明顯（-?RH／?z＜0），且1 000 m以下溫度高于15℃，小滴段蒸發(fā)不可忽略。另外，此現(xiàn)象可能與觀測(cè)條件有關(guān)，雖然激光雨滴譜儀對(duì)粒徑的測(cè)量誤差較小，但由于儀器信噪比原因，前兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)可能存在誤差［17］。

春季粵北地區(qū)降水過(guò)程中，當(dāng)?shù)蛯幽巷L(fēng)弱，近地層濕度條件較差，且存在逆溫層時(shí)，小雨滴蒸發(fā)作用重要，小于0.2 mm的雨滴數(shù)量很少。蒸發(fā)作用和觀測(cè)誤差是造成雨滴譜分布小滴端數(shù)量不足的重要原因。

2.3 3類(lèi)降水的Z-I關(guān)系

不同類(lèi)型降水有不同的雷達(dá)反射率因子和降水率（Z-I）關(guān)系，其對(duì)雷達(dá)估測(cè)降水影響顯著。本研究將7次降水過(guò)程雨滴譜觀測(cè)資料按第2.2節(jié)的結(jié)果分成3類(lèi)，擬合出春季粵北地區(qū)降水的Z-I關(guān)系，見(jiàn)圖3?；洷贝杭緦釉平邓腪-I關(guān)系為Z＝194.3I1.296；混合性降水的Z-I關(guān)系為Z＝72.77I1.97；對(duì) 流 性 降 水 的Z-I關(guān) 系 為Z＝173.9I1.452。其中，粵北春季降水的Z-I關(guān)系與中緯度地區(qū)層云降水［18］的Z-I關(guān)系較為接近，與華南地區(qū)夏季層云降水Z-I關(guān)系差距較大［18］。本研究擬合得到的3類(lèi)降水的Z-I關(guān)系能更好的適用于春季粵北地區(qū)。

圖3 層云降水（a）、混合性降水（b）和對(duì)流性降水（c）的Z-I關(guān)系擬合結(jié)果

3 結(jié)論

1）層云降水平均雨強(qiáng)小于1.0 mm／h，小雨滴數(shù)濃度占比大于90%，降水貢獻(xiàn)率為39.7%，雨滴數(shù)是影響層云降水強(qiáng)度的重要因素；混合性降水平均雨強(qiáng)小于2.0 mm／h，大雨滴數(shù)濃度小但雨強(qiáng)貢獻(xiàn)顯著；對(duì)流性降水過(guò)程小雨滴數(shù)濃度占比大，但雨強(qiáng)貢獻(xiàn)很小，主要雨強(qiáng)貢獻(xiàn)為大于1 mm的雨滴。影響對(duì)流性降水和混合性降水雨強(qiáng)大小的重要因素是大雨滴。

2）不同降水類(lèi)型具有不同雨滴譜分布特征，層云降水雨滴譜表現(xiàn)為單峰結(jié)構(gòu)，雨滴譜窄，雨滴平均直徑、有效直徑較小。對(duì)流性降水雨滴譜為多峰結(jié)構(gòu)，雨滴譜最大，譜型向大滴端偏?；旌闲越邓甑巫V較對(duì)流性降水窄，譜型分布特征與對(duì)流性降水相似。3類(lèi)降水的滴譜峰值均在0.2～0.3 mm，且均是Gamma分布譜型擬合效果最優(yōu)。近地面小于0.2 mm的雨滴數(shù)量很少，這與蒸發(fā)作用和觀測(cè)方式有關(guān)。

3）不同類(lèi)型降水有不同的Z-I關(guān)系，粵北春季層云降水的Z-I關(guān)系為Z＝194.3I1.296；混合性降水的Z-I關(guān)系為Z＝72.77I1.97；對(duì)流性降水的Z-I關(guān)系為Z＝173.9I1.452。