臺(tái)風(fēng)溫比亞(2018)登陸后雨滴譜演變特征研究*

王 俊 叢春華 王 洪 張秋晨

1 山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031

2 山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟(jì)南 250031

3 山東省氣象臺(tái)，濟(jì)南 250031

提 要： 利用河南商丘、山東肥城和壽光、遼寧旅順和長海5個(gè)觀測點(diǎn)的Parsivel型降水天氣現(xiàn)象儀觀測資料，分析了2018年登陸臺(tái)風(fēng)溫比亞深入內(nèi)陸后的雨滴譜演變特征，主要結(jié)果為：商丘、肥城和壽光不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜類似，小雨滴濃度較高、大雨滴濃度偏低，部分平均譜具有平衡雨滴譜特征；旅順和長海的平均雨滴譜則相反，小雨滴濃度較低、大雨滴濃度偏高，平均雨滴譜具有冰相控制雨滴譜特征。商丘、肥城和壽光的雷達(dá)反射率-雨強(qiáng)(Z-R)關(guān)系類似，旅順和長海的Z-R關(guān)系類似，這兩者的指數(shù)有較大差異，表明降水的微物理特征有明顯不同。雨滴譜參數(shù)分布顯示，商丘、肥城和壽光對(duì)流降水具有海洋性對(duì)流降水雨滴譜特征，云中微物理過程主要是碰并增長為主的暖雨過程，以及暖雨-冰相混合過程；旅順和長海的對(duì)流降水具有大陸性對(duì)流降水雨滴譜特征，云中微物理過程主要以暖雨-冰相混合和冰相兩類為主。表明“溫比亞”在河南、山東雖然不斷受冷空氣的影響，云中微物理特征沒有明顯變化，但減弱成溫帶氣旋后在遼寧沿海的云中微物理過程發(fā)生了顯著改變。

引 言

臺(tái)風(fēng)(熱帶氣旋)是在中國沿海地區(qū)產(chǎn)生暴雨的主要天氣系統(tǒng)之一。由雙偏振雷達(dá)和降水天氣現(xiàn)象儀等組成的遙感觀測網(wǎng)的建設(shè)，為研究臺(tái)風(fēng)暴雨降水云系的微物理結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制提供了觀測基礎(chǔ)，近年來針對(duì)臺(tái)風(fēng)降水微物理特征研究逐漸增多。

Chen et al(2012)利用Parsivel激光雨滴譜儀觀測資料，分析發(fā)現(xiàn)2009年臺(tái)風(fēng)莫拉克登陸后，外圍雨帶和眼壁降水的微物理特征有明顯差異，眼壁降水的雨滴譜有更多大雨滴，并推測外圍雨帶和眼區(qū)的層狀降水是由霰粒子或凇附冰粒融化形成的。Bao et al(2019)分析了2013年臺(tái)風(fēng)菲特外圍雨帶和沿海鋒面狀雨帶的雨滴譜特征，兩種對(duì)流雨帶具有不同的雨滴譜參數(shù)，雨滴譜伽馬分布的形狀因子μ和斜率λ之間的關(guān)系(μ-λ關(guān)系)，以及雷達(dá)反射率-雨強(qiáng)關(guān)系(Z-R關(guān)系)也明顯不同。2018年臺(tái)風(fēng)瑪莉亞外圍雨帶和內(nèi)雨帶雨滴譜特征也不同(Bao et al，2020a)，內(nèi)雨帶暖云中碰撞-碰并過程占主導(dǎo)地位，兩種雨帶降水的Z-R關(guān)系有一定的差別。2019年臺(tái)風(fēng)利奇馬眼壁降水比螺旋雨帶降水有更大的平均質(zhì)量加權(quán)直徑Dm，μ-λ關(guān)系有顯著差異(Bao et al，2020b)。Feng et al(2020)分析表明臺(tái)風(fēng)登陸前外圍雨帶、內(nèi)核心及登陸后外圍降水的雨滴譜特征明顯不同，但不同地點(diǎn)同一類型降水的雨滴譜特征是相似的。

Wang et al(2016)發(fā)現(xiàn)2014年臺(tái)風(fēng)麥德姆期間發(fā)生的對(duì)流降水比典型海洋性對(duì)流降水有更小的雨滴直徑和更大的雨滴濃度，對(duì)流降水以暖雨微物理過程為主。Wen et al(2018)利用廣州和南京兩地的二維視頻雨滴譜儀觀測資料，分析了7個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)的雨滴譜特征，華南沿海和華東陸地臺(tái)風(fēng)的雨滴譜參數(shù)只有微小的差異，隨著雨強(qiáng)增加，雨滴譜的差異越來越小，說明不同臺(tái)風(fēng)的微物理過程是相似的，在強(qiáng)降雨期間達(dá)到了平衡狀態(tài)。Chen et al(2019)研究表明，南京地區(qū)臺(tái)風(fēng)外圍對(duì)流帶具有海洋性對(duì)流降水特征，也表現(xiàn)出低緯度對(duì)流型暖雨的典型雨滴譜特征(Dolan et al，2018)。2018年臺(tái)風(fēng)瑪莉亞的對(duì)流性內(nèi)雨帶和外圍雨帶Z-R關(guān)系不同，內(nèi)雨帶碰并過程在雨滴的形成中占主導(dǎo)地位，各種參數(shù)關(guān)系的差異證實(shí)了臺(tái)風(fēng)各個(gè)雨區(qū)降水有不同微物理機(jī)制(Bao et al，2020a)。Chen et al(2020)利用深圳356 m氣象塔不同高度的雨滴譜儀觀測資料，分析發(fā)現(xiàn)越靠近地面，雨滴譜有更多的中等尺寸雨滴和較少的大雨滴。

目前的研究集中在臺(tái)風(fēng)不同雨帶降水雨滴譜和參數(shù)分布特征及形成機(jī)制的分析，但中國東部臺(tái)風(fēng)登陸后可以持續(xù)很長時(shí)間(徐亞欽等，2018；朱紅芳等，2019；王葉紅等，2019；梁軍等，2019；卜松和李英，2020；申高航等，2021；吳天貽等，2021)。例如，2018年8月17—20日臺(tái)風(fēng)溫比亞在上海附近登陸后，向西北方向穿越上海、江蘇、安徽、河南，然后向東北方向穿過山東進(jìn)入渤海灣。本文利用2018年臺(tái)風(fēng)溫比亞影響內(nèi)陸期間的降水天氣現(xiàn)象儀觀測資料，選取河南商丘、山東肥城、壽光和遼寧旅順、長海共5個(gè)觀測點(diǎn)來分析臺(tái)風(fēng)溫比亞深入內(nèi)陸后雨滴譜演變特征。這對(duì)于認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)降水系統(tǒng)在內(nèi)陸不斷受冷空氣、地形效應(yīng)等因素的作用后，降水形成的微物理機(jī)制和微物理特征的演變規(guī)律有積極意義，也為改進(jìn)臺(tái)風(fēng)模型中的微物理參數(shù)化方案及定量降水預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

1 資料和方法

所用資料包括2018年8月17—20日商丘、肥城、壽光、旅順和長海降水天氣現(xiàn)象儀觀測數(shù)據(jù)，Parsivel降水天氣現(xiàn)象儀的降水粒子譜數(shù)據(jù)有32個(gè)尺度通道和32個(gè)速度通道，粒子尺度測量的32個(gè)通道對(duì)應(yīng)的直徑為0.062～24.5 mm，測量速度為0.05～20.8 m·s-1，儀器采樣時(shí)間設(shè)定為1 min，采樣截面積為18 cm×3 cm=54 cm2(L?ffler-Mang and Joss,2000)。Parsivel降水天氣現(xiàn)象儀可作為天氣傳感器用來識(shí)別雨、雪、濕雪和冰雹等(Yuter et al，2006；Battaglia et al，2010；Friedrich et al，2013；王俊等，2021)。

由于受環(huán)境和各種天氣條件的影響，降水天氣現(xiàn)象儀觀測資料應(yīng)用需要進(jìn)行質(zhì)量控制。強(qiáng)風(fēng)影響、濺落粒子和邊緣效應(yīng)是三個(gè)主要誤差源(Friedrich et al，2013)，另外，同一直徑的雨滴由于受各種因素影響，觀測到的雨滴落速有很大差別，其質(zhì)量控制的第一步是去掉偏離雨滴落速-直徑經(jīng)驗(yàn)關(guān)系較大的粒子。本文質(zhì)量控制采用去除偏離經(jīng)驗(yàn)雨滴落速-直徑±60%的粒子(Jaffrain and Berne，2011)；第二步是考慮邊界效應(yīng)，根據(jù)Jaffrain and Berne(2011)給出的方法對(duì)不同直徑粒子的有效采樣面積進(jìn)行訂正。自然降水中雖然也存在直徑超過9 mm的超大雨滴(Gatlin et al，2015)，但一般降水中直徑大于8 mm的雨滴很少，因此直徑大于8 mm的粒子也去掉。另外，質(zhì)量控制也去掉了兩個(gè)最小直徑檔數(shù)據(jù)。2011年P(guān)arsivel雨滴譜儀升級(jí)后觀測質(zhì)量有所提高(Tokay et al，2014)。Wen et al(2017)分析發(fā)現(xiàn)，Parsivel第二代雨滴譜儀觀測資料如不進(jìn)行形變訂正，則測量的累計(jì)降水量比自動(dòng)站偏少13.3%，比第一代偏少16.5%，其觀測質(zhì)量有明顯提高。本文參考呂童(2018)、Ji et al(2019)和Wang et al(2021)的研究也不對(duì)直徑進(jìn)行訂正。

利用雨滴譜儀觀測資料，雨滴譜計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ar是Parsivel降水現(xiàn)象儀取樣面積，單位：m2，訂正后為180×(30-Dj/2)×10-6m2(Jaffrain and Berne，2011)；Δt為60 s,是取樣時(shí)間；nij是第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)-1；Vi是第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；Dj是第j個(gè)直徑通道的平均直徑，單位：mm；ΔDj是第j個(gè)直徑通道的寬度，單位：mm；N(Dj)是第j個(gè)直徑通道Dj至Dj+ΔDj的雨滴數(shù)密度，單位：m-3·mm-1。

常用的歸一化伽馬譜分布公式(Willis，1984；Testud et al，2001)為：

(2)

其中，

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：W是雨水含量，單位：g·m-3；ρw是雨水密度，單位：g·m-3；Nw是歸一化伽馬分布的截距參數(shù)，單位：m-3·mm-1；Dm是平均質(zhì)量加權(quán)直徑，單位：mm；μ為無量綱的形狀因子；Γ(x)為伽馬函數(shù)；M3、M4分別是第三和第四階矩；Dmax是雨滴譜譜寬，單位：mm，表示最大雨滴直徑和最小雨滴直徑的差，或者直接用最大雨滴直徑表示。另外，雨滴總濃度(NT，單位：m-3)、雨強(qiáng)(R，單位：mm·h-1)和雷達(dá)反射率因子(Z，單位：mm6·m-3)也可以利用雨滴尺度譜式(1)分別計(jì)算出:

(7)

(8)

(9)

2 5個(gè)觀測點(diǎn)雨滴譜演變特征

2018年8月17日凌晨“溫比亞”在上海登陸，登陸后向西北方向移動(dòng)，臺(tái)風(fēng)中心穿越上海、江蘇、安徽、河南南部，19日凌晨在河南商丘附近開始轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)，20日早晨從山東北部出海加強(qiáng)，在渤海南部變性為溫帶氣旋。降水主要分為登陸前后、深入內(nèi)陸并轉(zhuǎn)向及冷空氣作用和變性三個(gè)階段(楊舒楠和端義宏，2020)，商丘、肥城和壽光觀測點(diǎn)降水云系主要為臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶，以及西風(fēng)槽東移與臺(tái)風(fēng)環(huán)流作用在臺(tái)風(fēng)北部形成的大范圍強(qiáng)降水云系(高拴柱，2020)，19日夜間至20日白天，變性減弱的臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流與弱冷空氣相互作用是產(chǎn)生極端降水的重要原因。旅順和長海觀測點(diǎn)臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶降水比較弱，降水主要是由臺(tái)風(fēng)中心北部大范圍降水云系造成。本文主要關(guān)注各個(gè)觀測點(diǎn)降水雨滴譜的總體變化特征，所以不細(xì)分螺旋雨帶和臺(tái)風(fēng)附近強(qiáng)對(duì)流等不同位置降水云系的微物理特征。

此次過程商丘主要降水時(shí)段為8月18—19日，圖1a1、1a2是雨滴譜計(jì)算的雨強(qiáng)和雨滴譜N(D)隨時(shí)間的演變。其中，19日01:15—04:49資料缺測。18日04:00至19日01:00是連續(xù)降水時(shí)段，也是商丘的主要降水時(shí)段，10:00和17:00前后是兩個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段。第一時(shí)段在09:51有最大雨強(qiáng)(151.1 mm·h-1)，其中09:49—10:17的雨強(qiáng)大于100 mm·h-1，雨滴譜具有較大譜寬(Dmax)和較大粒子數(shù)密度，雨滴譜譜寬在4.75～6.5 mm；粒子數(shù)密度最大為6391.8 m-3·mm-1，但一般小于5000 m-3·mm-1。第二時(shí)段的強(qiáng)降水出現(xiàn)在18日16:46—17:37，17:06有極大雨強(qiáng)(74.1 mm·h-1)，這一階段粒子數(shù)密度最大為3903.1 m-3·mm-1，最大譜寬為4.75 mm，小粒子峰值直徑在0.562～0.812 mm。18日19:00至19日01:15是弱降水時(shí)段，雨強(qiáng)逐漸減小，一般小于10 mm·h-1，雨滴譜有較窄粒子譜寬，最大譜寬為3.12 mm，粒子數(shù)密度最大為1819.4 m-3·mm-1。19日05:00—13:00也是弱降水時(shí)段，雨滴譜有最窄的粒子譜寬，最大譜寬僅為2.75 mm，一般小于2.0 mm；但粒子數(shù)密度大，最大為6242.1 m-3·mm-1。

肥城(圖1b1,1b2)，主要降水時(shí)段出現(xiàn)在18日01:00至19日19:40，其中18日09:00—12:20 資料缺測。肥城最大雨強(qiáng)為103.5 mm·h-1，比商丘最大雨強(qiáng)小得多。雨滴譜譜寬偏小，最大為5.5 mm。小粒子最大數(shù)密度也比商丘低，最大只有4502.2 m-3·mm-1，對(duì)應(yīng)的峰值直徑為0.562 mm。19日09:26—19:40較弱降水時(shí)段，最大雨強(qiáng)為33.4 mm·h-1，譜寬一般小于3.75 mm，但有較大的粒子數(shù)密度，最大(4333.9 m-3·mm-1)出現(xiàn)在降水結(jié)束時(shí)期，對(duì)應(yīng)的峰值直徑僅為0.437 mm。

壽光(圖1c1,1c2)強(qiáng)降水時(shí)段出現(xiàn)在降水后期，最大雨強(qiáng)(121.4 mm·h-1)出現(xiàn)在19日20:58，最大雨強(qiáng)比肥城大，但比商丘小。強(qiáng)降水時(shí)段最大譜寬為5.5 mm，粒子數(shù)密度最大為5212.6 m-3·mm-1。

旅順(圖1d1,1d2)19日14:00至20日04:13主要是層狀降水，該時(shí)段最大譜寬不大于3.25 mm，粒子數(shù)密度也比較低，最大僅為668.3 m-3·mm-1。20日04:14—12:00是強(qiáng)降水時(shí)段，屬于溫帶氣旋降水，最大雨強(qiáng)為115.9 mm·h-1，最大譜寬為6.5 mm；最大粒子數(shù)密度為10 069.1 m-3·mm-1，但該高值出現(xiàn)在較小雨強(qiáng)時(shí)(21.6 mm·h-1)，對(duì)應(yīng)的粒子直徑只有0.3125 mm。

長海(圖1e1,1e2)19日23:01至20日03:00弱降水的雨滴譜譜寬不大于3.25 mm，粒子數(shù)密度一般不超過100 m-3·mm-1。20日04:21—10:00是長海主要降水時(shí)段(05:35—06:05資料有缺測)，屬于溫帶氣旋降水，最大雨強(qiáng)為129.4 mm·h-1，該時(shí)段有大的粒子譜寬，最大譜寬為7.5 mm。小粒子數(shù)密度也比較大，最大值(9080.1 m-3·mm-1)出現(xiàn)在強(qiáng)降水減弱階段(20日08:08)，對(duì)應(yīng)的粒子直徑為0.3125 mm。

圖1 2018年8月18—20日(a1,a2)商丘、(b1,b2)肥城、(c1,c2)壽光、(d1,d2)旅順、(e1,e2)長海各站(a1,b1,c1,d1,e1)雨強(qiáng)和(a2,b2,c2,d2,e2)雨滴譜隨時(shí)間的演變

3 雨滴譜和參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

3.1 平均雨滴譜特征

本文根據(jù)雨強(qiáng)大小將雨滴譜資料分成7類，分析每一類的平均雨滴譜，每一類對(duì)應(yīng)的雨強(qiáng)范圍見表1，表中還給出了5個(gè)觀測點(diǎn)在每一類雨強(qiáng)中出現(xiàn)的分鐘數(shù)。對(duì)流性降水(R>10 mm·h-1)在商丘出現(xiàn)時(shí)間最長，壽光次之，旅順也有較長時(shí)間的強(qiáng)對(duì)流降水(R>20 mm·h-1)。肥城層狀降水(R<10 mm·h-1)出現(xiàn)時(shí)間最長,壽光和商丘層狀降水持續(xù)時(shí)間也較長。

表1 雨強(qiáng)分類和5個(gè)觀測點(diǎn)對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)持續(xù)時(shí)間

從不同觀測點(diǎn)、不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜(圖2a～2g)對(duì)比來看，平均雨滴譜的變化有一些共同特征。除了第一類微雨降水平均雨滴譜，其他6類存在轉(zhuǎn)變直徑(Ds)，直徑小于Ds時(shí)有較大粒子數(shù)密度的平均雨滴譜，直徑大于Ds時(shí)則有較小的粒子數(shù)密度。隨著雨強(qiáng)增大Ds逐漸增大，對(duì)應(yīng)6類雨強(qiáng)的Ds分別為1.375、1.875、2.125、2.750、2.750、2.750 mm，在強(qiáng)對(duì)流降水以后穩(wěn)定在2.750 mm。商丘、肥城、壽光、旅順和長海5個(gè)觀測點(diǎn)直徑小于Ds的小粒子數(shù)密度是逐漸減小的，而直徑大于Ds的較大粒子數(shù)密度在商丘、肥城、壽光三個(gè)觀測點(diǎn)很接近，與旅順和長海有明顯差異，雨滴直徑越大差異越明顯，表明臺(tái)風(fēng)在從南向北移動(dòng)過程降水雨滴譜中大直徑雨滴有增大的趨勢(shì)。

商丘、肥城和壽光的平均雨滴譜存在第二峰值，弱降水(2 mm·h-120 mm·h-1)中肥城在2 mm附近有第二峰值，在R>100 mm·h-1的1 min雨滴譜中第二峰值明顯。其他研究也有類似結(jié)果(Bao et al，2019)。另外，數(shù)值模擬顯示平衡雨滴譜在接近1.0 mm或2.0 mm時(shí)存在第二、第三峰(McFarquhar，2004；Straub et al，2010)。本次臺(tái)風(fēng)降水在R<20 mm·h-1的對(duì)流降水及層狀降水中接近1.0 mm時(shí)出現(xiàn)第二峰值，而強(qiáng)對(duì)流降水(R>20 mm·h-1)在2.0 mm附近出現(xiàn)峰值，表示出臺(tái)風(fēng)的暖雨降水中碰并、碰撞-破碎機(jī)制活躍，導(dǎo)致平衡雨滴譜的出現(xiàn)。

圖2h、2i為肥城和長海7類雨強(qiáng)的平均雨滴譜，由圖可見不同觀測點(diǎn)隨雨強(qiáng)增大平均雨滴譜的變化特征。肥城在第二～第五類雨強(qiáng)的平均雨滴譜之間在較大直徑時(shí)粒子數(shù)密度的增加是均勻的；而第五類和第六類雨強(qiáng)平均雨滴譜之間則稍有不同，即隨著直徑增大，粒子數(shù)密度增加得越大，表明雨強(qiáng)的增大更多是由較大粒子的增加所致；第七類雨強(qiáng)平均雨滴譜是典型的平衡雨滴譜；總的來看，肥城不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜譜寬較窄，雨強(qiáng)的增大主要是由不同直徑大小粒子數(shù)密度增加所致。而長海不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜對(duì)比表明，隨著雨強(qiáng)增大，較大直徑(特別是直徑>3.0 mm)的粒子數(shù)密度有較快的增加。商丘和壽光平均雨滴譜隨雨強(qiáng)增大的變化與肥城平均雨滴譜類似，表明這3個(gè)觀測點(diǎn)的降水受雨滴濃度影響較大，而長海和旅順降水的增加受雨滴直徑增大的影響更顯著。

圖2 2018年8月18—20日(a～g)不同雨強(qiáng)5個(gè)觀測點(diǎn)的平均雨滴譜分布,(h)肥城和(i)長海不同雨強(qiáng)平均雨滴譜分布

另外，長海和旅順的平均雨滴譜在小粒子端顯示出不一樣的特征，商丘、肥城和壽光小于1.0 mm的小粒子數(shù)密度較低，直徑小于2 mm的小粒子分布曲線是向下凹的，而長海平均雨滴譜在小粒子端有最大的粒子數(shù)密度，在R<10 mm·h-1的三類平均雨滴譜中，1.0 mm附近還存在第二峰值，對(duì)流降水中隨著雨強(qiáng)增大第二峰已消失，直徑小于2 mm的小粒子分布曲線接近直線并轉(zhuǎn)變成向上凹。Dolan et al(2018)分析表明，冰相為主的降水過程，降水雨滴譜具有向上凹的特征，這表明長海降水冰相過程已經(jīng)起到重要作用，而商丘、肥城和壽光降水則是以暖雨機(jī)制為主。Gatlin et al(2015)研究表明，高空冰相粒子在暖云中融化，然后通過碰并增長是形成大雨滴的主要原因之一，旅順和長海降水中冰相過程有重要影響，這兩個(gè)觀測點(diǎn)地面平均雨滴譜中有較多大雨滴，雨滴譜譜寬大。商丘、肥城和壽光降水中暖雨降水有重要作用，暖云中雨滴碰并、碰撞-破碎機(jī)制活躍，導(dǎo)致大雨滴減少，雨滴譜譜寬偏小。

3.2 Z-R關(guān)系

圖3是利用雨滴譜資料計(jì)算的5個(gè)觀測點(diǎn)的雷達(dá)反射率因子Z與雨強(qiáng)R(>0.1 mm·h-1)關(guān)系圖。圖3中紅色實(shí)線是5個(gè)觀測點(diǎn)所有資料擬合的對(duì)流降水(R>10.0 mm·h-1)的Z-R關(guān)系(Z=A×Rb，A和b為系數(shù))，藍(lán)色點(diǎn)劃線是各個(gè)觀測點(diǎn)資料擬合的對(duì)流降水Z-R關(guān)系。本次過程總的Z-R關(guān)系與新一代多普勒雷達(dá)對(duì)流云降水Z-R關(guān)系(Fulton et al，1998)相近，商丘、肥城和壽光的結(jié)果與“溫比亞”在浙江、上海、江蘇等地區(qū)的觀測結(jié)果(馮婉悅等，2021)基本一致，與旅順和長海有較明顯的差異。

圖3 2018年8月18—20日(a)商丘、(b)肥城、(c)壽光、(d)旅順、(e)長海雨滴譜Z-R散點(diǎn)(黑點(diǎn))和擬合線(紅色實(shí)線為5個(gè)觀測點(diǎn)全部對(duì)流數(shù)據(jù)擬合線，藍(lán)色點(diǎn)劃線為各個(gè)觀測點(diǎn)對(duì)流數(shù)據(jù)擬合線)

Rosenfeld and Ulbrich(2003)和Uijlenhoet et al(2003)研究顯示,系數(shù)A與雨滴濃度的大小有關(guān)。指數(shù)b與雨滴形成的微物理過程有關(guān)，較大的b(約為1.6)屬于典型雨滴尺寸控制，而b接近1屬于雨滴濃度控制(碰并、碰撞-破碎達(dá)到平衡狀態(tài))。不同觀測點(diǎn)Z-R關(guān)系的差異表明云中微物理特征是不同的，圖2中肥城平均雨滴譜中平衡雨滴譜特征最明顯，所以有最小的指數(shù)。商丘和壽光觀測點(diǎn)的指數(shù)只有微小的差異，說明兩地降水的微物理過程沒有明顯差別。這3個(gè)觀測點(diǎn)的結(jié)果顯示降水雨滴譜特征屬于濃度-尺寸混合控制。旅順和長海觀測點(diǎn)的指數(shù)b在1.6左右，屬于典型的尺寸控制的雨滴譜特征(Uijlenhoet et al，2003)。

3.3 歸一化參數(shù)Nw、Dm分布特征

圖4是不同觀測點(diǎn)的lgNw-Dm分布，圖中根據(jù)雨強(qiáng)大小將數(shù)據(jù)分類顯示。首先第一類降水雨滴譜中有一部分具有高lgNw(>4.5)、小Dm(<1.2 mm)，Wen et al (2016)在分析南京地區(qū)降水雨滴譜特征時(shí)將這一類譜定義為淺降水，屬于純暖云降水，圖4顯示商丘、肥城和壽光存在這一類雨滴譜，而旅順和長海則欠缺，上文分析也表明旅順和長海的弱降水雨滴譜較寬、粒子數(shù)密度低，不具有淺降水雨滴譜特征。

從圖4可以看出，商丘、肥城和壽光對(duì)流降水?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)大部分位于海洋性對(duì)流降水附近，一部分具有較大Dm(>1.75 mm)的數(shù)據(jù)點(diǎn)同時(shí)具有較大的lgNw，位于大陸性對(duì)流降水區(qū)域的上方。旅順的對(duì)流降水?dāng)?shù)據(jù)具有較寬的Dm分布范圍，少部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)位于海洋性對(duì)流附近，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)位于大陸性對(duì)流區(qū)域的上方和右側(cè)，表明旅順的對(duì)流降水既有海洋性，也有大陸性對(duì)流降水，而長海的對(duì)流降水?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)遠(yuǎn)離海洋性對(duì)流降水區(qū)域，主要位于大陸性對(duì)流降水區(qū)域附近，表明長海的對(duì)流降水是典型大陸性對(duì)流降水。參考Dolan et al(2018)的研究結(jié)果，由商丘、肥城和壽光觀測點(diǎn)參數(shù)分布可見其云中的微物理過程為碰并增長為主的暖雨過程和暖雨-冰相混合兩類，而旅順和長海觀測點(diǎn)的微物理過程是暖雨-冰相混合、冰相為主兩類。

圖4 2018年8月18—20日(a)商丘、(b)肥城、(c)壽光、(d)旅順、(e)長海不同雨強(qiáng)lgNw-Dm散點(diǎn)分布[綠色矩形框是Bringi et al(2003)給出的海洋性和大陸性對(duì)流分布，黑色點(diǎn)劃線是對(duì)流降水與層狀云降水之間的分離線，藍(lán)色實(shí)線是層狀云降水平均分布；黑色實(shí)線是商丘、肥城和壽光對(duì)流降水與層狀云降水分離線，紅色實(shí)線是旅順和長海對(duì)流降水與層狀云降水分離線]

Bringi et al(2009)給出的對(duì)流-層狀分離線(圖4中點(diǎn)劃線)位于5～10 mm·h-1降水區(qū)域，圖中黑色實(shí)線是雨強(qiáng)5～10 mm·h-1(紅點(diǎn))和10～20 mm·h-1(藍(lán)點(diǎn))數(shù)據(jù)之間的分離線，其斜率比Bringi et al(2009)給出的對(duì)流-層狀分離線的斜率要小。由于本次臺(tái)風(fēng)的對(duì)流降水有比較強(qiáng)的冰相過程，所以不同雨強(qiáng)之間的分離線有較小的斜率(Bringi et al，2009)。旅順和長海兩個(gè)觀測點(diǎn)的lgNw-Dm分布就清楚地表現(xiàn)出這一特點(diǎn)，有更小斜率的紅線能更好地分離雨強(qiáng)5～10 mm·h-1和10～20 mm·h-1的數(shù)據(jù)。表明分離線的斜率與降水粒子的形成機(jī)制有關(guān)，冷云過程越強(qiáng)，斜率越小。

另外，圖4中紅色三角形是不同雨強(qiáng)lgNw、Dm的平均值，隨著雨強(qiáng)增大Dm是逐漸增大的，表明大雨滴對(duì)降水的增大有重要貢獻(xiàn)；對(duì)于lgNw，商丘、肥城和壽光3個(gè)觀測點(diǎn)隨著雨強(qiáng)增大lgNw略有增大，而旅順和長海兩個(gè)觀測點(diǎn)的lgNw隨著雨強(qiáng)增大基本不變，表明這兩個(gè)觀測點(diǎn)雨強(qiáng)的增大受雨滴直徑增大的影響更顯著。因此，商丘、肥城和壽光3個(gè)觀測點(diǎn)的對(duì)流降水雨滴譜屬于濃度-尺寸混合控制，而旅順和長海的對(duì)流降水雨滴譜屬于尺寸控制(Uijlenho et et al，2003)，這與上文利用Z-R關(guān)系分析的結(jié)論是一致的。

4 結(jié) 論

利用Parsivel型降水天氣現(xiàn)象儀觀測資料，分析了2018年登陸臺(tái)風(fēng)溫比亞深入內(nèi)陸后，熱帶低壓階段商丘、肥城和壽光，以及溫帶氣旋階段旅順、長海各個(gè)觀測點(diǎn)雨滴譜演變特征，主要結(jié)果為：

(1)商丘、肥城和壽光不同雨強(qiáng)的平均雨滴譜類似，小雨滴濃度較高、大雨滴濃度偏低，粒子數(shù)密度在直徑2.00 mm附近易出現(xiàn)第二峰值，具有平衡雨滴譜特征；而旅順和長海平均雨滴譜分布類似，小雨滴濃度較低，而大雨滴濃度偏高，平均雨滴譜具有冰相控制的雨滴譜的特征。

(2)商丘、肥城和壽光的Z-R關(guān)系類似，并且與“溫比亞”登陸后沿海的Z-R關(guān)系很接近，表明“溫比亞”深入內(nèi)陸后一直到減弱成溫帶氣旋之前的降水微物理特征變化不大；旅順和長海的Z-R關(guān)系類似，具有較大的指數(shù)，表明溫帶氣旋在東北降水的微物理特征有明顯改變，冰相過程控制了雨滴譜分布。

(3)歸一化伽馬函數(shù)的參數(shù)分布(lgNw-Dm)顯示，商丘、肥城和壽光對(duì)流降水?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)位于海洋性對(duì)流降水附近，云中微物理過程主要是碰并增長為主的暖雨過程和暖雨-冰相混合兩類；旅順和長海的對(duì)流降水?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)主要位于大陸性對(duì)流附近，表明這兩個(gè)觀測點(diǎn)的對(duì)流降水具有大陸性對(duì)流降水特征，云中微物理過程主要以暖雨-冰相混合、冰相兩類為主。

“溫比亞”深入內(nèi)陸后不斷受冷空氣影響，先后減弱成熱帶氣旋、溫帶氣旋，并出現(xiàn)兩次移動(dòng)方向的改變，分析顯示降水的微物理特征變化緩慢，只有在減弱成溫帶氣旋之后，受較強(qiáng)冷空氣影響才導(dǎo)致云中微物理過程的顯著改變。