北海一次強降雨過程的雨滴譜特征分析

周坤論，張哲睿，成振華，景 坤，陶 偉，李艷萍

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象技術(shù)裝備中心，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心 南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)氣象信息中心，南寧 530022）

引言

雨滴譜是指單位空間體積內(nèi)不同尺度雨滴的數(shù)量隨雨滴直徑的分布，反映了降水的微觀物理過程和不同類型降水云是如何形成降水的過程。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光雨滴譜儀得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)雨滴譜的研究得到了極大的發(fā)展［1－3］。如陳寶君等通過對3 類降水云的雨滴譜分別進行了M－P、Gamma 分布擬合分析，給出了分布參數(shù)隨降雨強度的變化關(guān)系［4］。柳臣中等通過對175 次降水資料統(tǒng)計分析，進一步得到3 類云降水的雨滴譜的分布及其物理量的特征［5］，指出降雨過程大雨滴數(shù)占比雖少，但對降水量的貢獻較明顯［5-6］。除了降雨類型外，不同地區(qū)雨滴譜特征具有顯著差異。海拔高度不同也會影響到雨滴粒徑和下落尾速［7］；雨滴微物理參量也具有明顯的區(qū)域性特征［8-9］。

此外，降雨強度也是影響雨滴譜特征的重要因素。李俠麗等研究結(jié)果顯示，雨強的大小直接影響到雨滴譜的特征參數(shù)，且隨著雨強的增大而增大［10］。暴雨過程中降水粒子以直徑小于1mm 的雨滴為主，直徑大于1mm 的雨滴數(shù)占比較低，但其對雨強的貢獻最大［11］。在雨滴譜資料估測降水方面，普遍認(rèn)為暴雨過程雨強越大，雷達估測降雨的偏差越大［12］；但部分研究結(jié)果顯示（非強降水過程）激光雨滴譜儀與自動雨量站觀測的累積降雨量結(jié)果基本一致，二者相比前者的累積降雨量略?。?3－15］。

為探究強降水過程雨滴譜的特征，本文利用北海國家氣候觀象臺自動雨量站和激光雨滴譜儀觀測資料，結(jié)合雨滴譜反演計算公式，對比激光雨滴譜儀與自動雨量站估測的累積降水量，分析雨滴譜相關(guān)參數(shù)的特征，探討降水強度與粒子屬性的關(guān)聯(lián)等。

1 設(shè)備資料和數(shù)據(jù)處理

1.1 DSG4 降水現(xiàn)象儀和翻斗式雨量傳感器

DSG4 降水現(xiàn)象儀（華創(chuàng)維想和德國OTT 公司聯(lián)合開發(fā)的Parsivel2 激光雨滴譜儀）主要由激光發(fā)射器和接收器（長180mm，寬30mm）兩部分組成，工作方式為連續(xù)采樣，采樣時間為1min。測量的數(shù)據(jù)共有32 個等容積直徑通道（Di，i＝1，32，測量范圍為0～26mm）級和32 個速度通道（Vj，j＝1，32，測量范圍為0～22.4m·s-1）；實際給出的觀測結(jié)果是降水粒子在Di 和Vj 分級的二維場中的粒子個數(shù)（nij），共有1024 個等級的降水粒子密度。由于儀器信噪比的原因，不使用前兩個直徑通道的數(shù)據(jù)，因此，實際可測的降水粒子直徑范圍為0.25～26mm。儀器設(shè)計時考慮了雨滴的形變［16］。翻斗式雨量傳感器的采樣時間為1min，觀測精度為0.1mm，分鐘降雨強度存在著±0.1mm 的誤差。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于北海國家氣候觀象臺的自動雨量站和DSG4 降水現(xiàn)象儀的觀測資料。選取2019 年8 月17日00∶00—18∶00 出現(xiàn)持續(xù)性降水過程的時間段，結(jié)合自動雨量站觀測資料對此次降水的雨滴譜特征進行初步分析。此次北海（8 月份）降水過程未出現(xiàn)雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、冰雹等降水類天氣現(xiàn)象；在資料處理時，由于自然界中降水粒子直徑大于6mm 的雨滴很難維持［17］，因此對于該次降水過程直徑大于6mm 的雨滴記錄，則認(rèn)為是瞬時雨強較大（造成雨滴重疊）或非降水物造成出現(xiàn)的，予以剔除。

1.2.2 雨滴譜反演計算公式

由激光雨滴譜儀的工作原理可知，單位時間（1min）的降水量，即單位時間內(nèi)通過（180mm×30mm＝5400mm2，S）激光帶的所有粒子的體積之和（V）除以面積（S），表示為［13］

其中，Rt為t（該次降水過程逐1min）時間的降水量（mm），ρ 為水的密度（g·cm-3），n（Di）為t（該次降水過程逐1min）時間降水粒徑第i 級的降水粒子總數(shù)；

雨滴粒子數(shù)密度計算公式表示為［15］

其中，式（2）nij代表降水粒徑第i 級、速度第j級的雨滴個數(shù)，A 為激光雨滴譜儀采樣底面積為5400mm2，ΔT 為取樣時間1min（60s），Vj第j 速度級的速度值，單位為m·s-1；

降水強度（It）計算公式表示為［13］

其中，It為t 時刻（1h）的降水強度（mm·h-1）；

降水過程累積降水量（Pt）表示為［13］

其中，Pt為降水起始到t 時刻累積的降水量（mm）。

2 結(jié)果與分析

下文將分別對自動雨量站和激光雨滴譜儀的累積降水量的差異、相關(guān)參數(shù)的特征、降水強度與粒子屬性的關(guān)聯(lián)等進行分析。

2.1 激光雨滴譜儀與自動雨量站觀測結(jié)果的對比

Parsivel2 激光雨滴譜儀與自動雨量站測得的Pt（和It）及其相關(guān)性繪制／統(tǒng)計成圖1（表1）。雨滴譜儀于01∶01 開始觀測到有0.002mm 降水記錄，01∶02有0.25mm 的累積降水；自動雨量站則在01∶02 分開始記錄到有0.2mm 的累積降水記錄，相比于自動雨量站，雨滴譜儀觀測有降水記錄略早1min；雨滴譜儀觀測到降水結(jié)束時間為16 ∶46（累積降雨量107.60mm），自動雨量站記錄結(jié)束時間為16∶43（累積降雨量為97.3mm），雨滴譜儀觀測降水結(jié)束時間略晚于自動雨量站記錄的。由圖1（表1）可知，雨滴譜儀和自動雨量站累積降雨量具有很好的一致性，相關(guān)性系數(shù)到達0.9999，二者測量的累積降雨量在時間軸上總體趨勢基本一致。據(jù)雨滴譜儀識別的天氣現(xiàn)象此次降雨類型以“雨”和“陣雨”為主，若降雨起始時刻出現(xiàn)毛毛雨時，由于儀器測量精度不同，雨滴譜和自動雨量站觀測到有降水記錄的時間也會有所差別，即雨滴譜儀只要出現(xiàn)一個小雨滴，就能出現(xiàn)降雨記錄，而自動雨量站則要出現(xiàn)0.1mm 的降水才會出現(xiàn)降雨記錄。相關(guān)研究結(jié)果也表明激光雨滴譜儀對降水的響應(yīng)明顯提前于自動雨量站［14，17］。此外，由激光雨滴譜儀和自動雨量站觀測資料計算得到的降水過程持續(xù)時間分別為945min 和941min，累積降水量及平均雨強如表1 所示。

表1 自動雨量站和激光雨滴譜統(tǒng)計表（日期2019-08-17）

本次強降雨激光雨滴譜儀測得的降雨總量為107.60mm，雨量站測得的降雨總量為97.30mm，雨滴譜儀的降水測量絕對誤差為10.30mm，相對誤差為10.59%，這與文獻［14］（非強降雨）激光雨滴譜儀測量降雨的相對誤差為-3.73%的結(jié)論有所差別，造成激光雨滴譜儀測量結(jié)果偏大的主要原因是強降雨過程易造成雨滴重疊，本次強降水過程出現(xiàn)多個峰值區(qū)，特別是03∶51—03∶55 和06∶59—07∶12 出現(xiàn)的兩個明顯峰值區(qū)雨滴重疊尤其明顯，雨滴譜儀識別雨滴粒子偏大，則估測的降水量也偏大。但雨滴譜儀的觀測結(jié)果基本能夠反應(yīng)客觀降雨情況。

圖2a 總體上紅藍(lán)兩條（降水強度－時間）折線的變化趨勢基本一致，二者測得的降雨強度相近，且均出現(xiàn)兩個明顯峰值，自動雨量站和激光雨滴譜儀最大降水強度出現(xiàn)時刻同為03∶51，分別為120.00mm·h-1和133.80mm·h-1。在降水強度較小時（≤6mm·h-1），可以看到自動雨量站記錄的絕大部分降雨強度折線呈鋸齒狀，而激光雨滴譜儀觀測的反而較連續(xù)平滑，呈現(xiàn)這樣的變化趨勢主要是儀器自身的精度和設(shè)計特點造成的。圖2b 紅色虛線為降雨強度擬合線，黑色虛線斜率為1，相關(guān)性系數(shù)為0.97，從線性擬合來看，擬合線在1：1 線下方，表明激光雨滴譜儀觀測的降水強度略大于自動雨量站記錄的。

綜合圖1，得到自動雨量站和激光雨滴譜儀的觀測結(jié)果在時間尺度上基本一致，相比于自動雨量站，激光雨滴譜儀觀測資料計算得到的降水量略大，但基本上能夠反應(yīng)客觀降雨情況，與文獻［14］［18］得到的研究結(jié)論相同。

2.2 雨滴譜特征分析

2.2.1 分鐘粒子數(shù)與降水量

激光雨滴譜儀觀測的分鐘粒子數(shù)和分鐘降雨量對比結(jié)果見圖3。圖3a 可知，分鐘粒子數(shù)和分鐘降水量的變趨勢基本一致，特別是兩個明顯峰值，分鐘粒子數(shù)越多，分鐘降水量也越多；圖3b 降水粒子數(shù)和降水量的相關(guān)性系數(shù)為0.94，由此可見降水粒子數(shù)與降水量存在正相關(guān)。

2.2.2 不同粒徑的粒子數(shù)對總降水量的貢獻

為了探討粒子數(shù)濃度與降水量的關(guān)系，制作了降水粒子數(shù)和降水量在不同粒子直徑范圍內(nèi)的分布圖（圖4）。

圖4 可知，此次降水過程直徑小于2mm 的降水粒子占粒 子總數(shù)的主 體（352403 個），占比為91.88%，而降水量的貢獻率僅占50.48%；直徑在1～3mm 范圍內(nèi)的的粒子降水量占此次降水總量的主體（為76.35%）。在小于1mm 的直徑范圍內(nèi)降水粒子數(shù)最高（179826 個），占粒子總數(shù)的46.88%，而降水貢獻率僅為7.27%。相比于小于1mm 粒子直徑，在1～2mm 的直徑范圍內(nèi)降水粒子數(shù)略?。?72577），而降水貢獻率反而較高（43.21%）。此外，在粒子直徑大于1mm 范圍內(nèi)，降水粒子數(shù)和降水量均隨粒子直徑的增大而減少。

綜合圖3 和圖4 可得，總體上降水過程分鐘粒子數(shù)和分鐘降水量的變化趨勢基本一致，降水粒子數(shù)和降水量呈強的正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)達到0.94，即分鐘粒子數(shù)越多，分鐘降水量也越多。但降水量并不僅僅是由降水粒子數(shù)決定的，還取決于降水粒子的直徑大小，此次降水直徑大于1mm 的雨滴占降水量的主體，降水粒子數(shù)集中分布在小于2mm 的粒子直徑范圍內(nèi)，而降水量主要分布在1～3mm 的粒子直徑范圍內(nèi)，粒子數(shù)多，降水量不一定大，降水量主要由大粒子決定，而不僅僅由粒子數(shù)決定。

2.2.3 譜寬和粒子數(shù)

由式（1）和式（4）可知，降雨強度是直徑的立方和降水粒子數(shù)的函數(shù)。圖5 為分鐘降水粒子譜寬和粒子數(shù)的時間變化。由圖可知，此次降水過程譜寬主要集中分布在2～3mm 左右，降水起始和結(jié)束時刻譜寬均較大，其中有兩個降水主要峰值區(qū)，分鐘最大粒子數(shù)分別為4090 和3201 個，在03∶45—03∶55 和06∶59—07∶12 時段，峰值區(qū)的持續(xù)時間分別是10min和13min，譜寬均為5.188mm。在整個降水過程中降水粒子數(shù)和雨滴譜寬有一定的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.53，二者均連續(xù)不斷地隨時間起伏變化，變化趨勢基本同步，即譜寬越大，降水粒子數(shù)增多，降雨強度增大。

2.2.4 特征直徑

由式（3）可得整個降水過程的逐分鐘將水粒子總數(shù)，即雨滴粒子數(shù)密度，結(jié)合粒徑可計算得到特征直徑。圖6 為此次將水過程特征直徑-時間變化。統(tǒng)計結(jié)果表明特征直徑隨時間起伏變化趨勢基本一致，峰值直徑（Dp）、平均直徑（Dm）、中值直徑（DM）、均平方根直徑（Dm2）、均立方根直徑（Dm3）的變化幅度分別在0.94～5.5mm、0.64～1.73mm、0.69～1.87mm、0.65～2.14mm、0.66～2.53mm 之間，平均值分別為2.84mm、1.11mm、1.19mm、1.20mm、1.30mm?？傮w上看，在整個降水過程中除峰值直徑（均值2.84mm）以外，平均直徑、中值直徑、均平方根直徑和均立方根直徑均幅度在1.2mm 左右。平均直徑同峰值直徑、中值直徑、均平方根直徑和均立方根直徑均呈強相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別是0.74、0.75、0.99 和0.96。表明特征直徑之間存在著較好的線性關(guān)系。

綜合圖5，因為降水量不僅僅由粒子數(shù)量決定，也由大粒子決定，而峰值直徑、平均直徑、中值直徑、均平方根直徑、均立方根直徑這五個物理量均反應(yīng)了降水粒子的大小情況。此次降水過程地面雨滴譜的主要特征量如表2 所示。

表2 雨滴譜特征

3 結(jié)論與討論

（1）激光雨滴譜儀和自動雨量站累積降水量具有很好的一致性，相關(guān)性系數(shù)為0.9999，二者測量的累積降水量在時間軸上呈現(xiàn)的總體趨勢基本一致，但雨滴譜儀觀測的降水強度和累積降水量略大于自動雨量站的，主要是因為此次降水以“雨”和“陣雨”為主，在03∶45—03∶55 和06∶59—07∶12 時段出現(xiàn)兩個明顯的峰值，瞬時雨強較大，雨滴重疊導(dǎo)致激光雨滴譜儀識別的降水粒子直徑偏大［19］，降水強度和累積降水量也偏大。

（2）降水過程分鐘粒子數(shù)和分鐘降水量在時間軸上起伏變化趨勢基本一致，二者的相關(guān)性系數(shù)為0.94，即分鐘粒子數(shù)越多，分鐘降水量也越多。但降水量不是單純的由粒子個數(shù)決定，粒子數(shù)多，降水量不一定大，降水量還取決于降水粒子的直徑大小。

（3）譜寬和降水粒子數(shù)呈弱的正相關(guān)（0.53），且二者隨時間起伏變化基本同步，決定了降雨強度。

（4）特征直徑分析表明，峰值直徑、平均直徑、中值直徑、均平方根直徑、均立方根直徑之間存在著較好的線性關(guān)系，均反應(yīng)了降水粒子的大小情況，在分析特征直徑時可互相包容。

（5）降水強度主要由大雨滴決定；在遇到短時強降水時，雨滴重疊會導(dǎo)致激光雨滴譜儀觀測的降水強度和累積降水量偏大。

激光雨滴譜儀觀測的累積降水量略大于自動雨量站累積降水量，主要原因是雨滴重疊會導(dǎo)致激光雨滴譜儀觀測粒子直徑偏大，但是否有普適性仍需更多樣本研究，后期筆者將加強相關(guān)方面研究，為進一步基于雨滴譜資料估測降水、建立不同性質(zhì)降水的Z－I 關(guān)系本地化，提高降水量估算精度提供參考。