藏東南墨脫地區(qū)季風(fēng)期降水的垂直結(jié)構(gòu)特征

文鎵齊 王改利* 周任然 李 冉

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081) 2)(墨脫國(guó)家氣候觀象臺(tái), 墨脫 860700)

引 言

降水對(duì)于地球氣候系統(tǒng)尤為重要,了解降水結(jié)構(gòu)特征、微物理過程及雨滴譜分布對(duì)于雷達(dá)定量降水估計(jì)和改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中的微物理參數(shù)方案非常重要[1-3]。以往研究主要針對(duì)地面雨滴譜開展[4-8],由于雨滴在下落過程中受蒸發(fā)、破碎和碰并等過程影響,地面的降水特征與空中并不完全一致。通過飛機(jī)觀測(cè)研究雨滴譜特征是常見研究手段[9-11]。封秋娟等[11]通過飛機(jī)觀測(cè)對(duì)比空中和地面雨滴譜差異,發(fā)現(xiàn)地面平均雨滴譜較空中平均雨滴譜窄、譜型陡。然而飛機(jī)觀測(cè)缺乏連續(xù)性且費(fèi)用較高,微雨雷達(dá)(micro rain radar,MRR)是一種價(jià)格低、小型化的垂直指向多普勒測(cè)雨雷達(dá),可獲得單點(diǎn)上空連續(xù)的雨滴功率譜,并可反演降水率、雷達(dá)反射率因子、液態(tài)水含量、雨滴譜等垂直廓線信息,精確分析降水的垂直結(jié)構(gòu)變化。目前國(guó)內(nèi)外已開展有關(guān)降水垂直結(jié)構(gòu)的研究[12]。Das等[13]使用微雨雷達(dá)研究印度熱帶地區(qū)的降水參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)變化和雨滴譜的垂直廓線特征,發(fā)現(xiàn)不同降水強(qiáng)度條件下,降水的垂直結(jié)構(gòu)和雨滴譜廓線各有不同,對(duì)于強(qiáng)降水,雨滴微物理特征量的垂直變化更劇烈,下落過程中碰并作用更明顯。宋燦等[14]使用雨滴譜儀和微雨雷達(dá)等儀器,在對(duì)比不同儀器觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上研究不同強(qiáng)度層狀云降水的微物理特征量垂直演變特征,發(fā)現(xiàn)兩種儀器觀測(cè)的雨滴譜在0.5～2.5 mm粒徑段表現(xiàn)出較好一致性,對(duì)于較強(qiáng)降水,雨滴在下落過程中碰并作用明顯。Wen等[15]分析了華東季風(fēng)期不同降水類型的雨滴譜分布和降水垂直結(jié)構(gòu),表明華東地區(qū)雨滴濃度較高,直徑較小。

青藏高原(簡(jiǎn)稱高原)為亞洲內(nèi)陸高原,是世界上海拔最高的高原,平均海拔超過4 km,被譽(yù)為世界屋脊。高原對(duì)我國(guó)氣候變化以及災(zāi)害天氣的形成和發(fā)展均有重要影響,但由于高原地形復(fù)雜,難以布設(shè)足夠多的地面觀測(cè)站開展降水的垂直觀測(cè)[16]。因此,許多學(xué)者利用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高原降水的垂直特征開展研究。趙艷風(fēng)等[17]利用CloudSat數(shù)據(jù)對(duì)比高原地區(qū)降水云的垂直結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)高原南部及東部為液水路徑大值區(qū),以液相云為主,雷達(dá)反射率因子的垂直分布集中在3～9 km高度,暖季對(duì)流活動(dòng)旺盛,云頂高度大于冷季。為了更好地了解青藏高原上空云降水的垂直結(jié)構(gòu)特征,第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)(TIPEX-Ⅲ)期間在高原中部布設(shè)了Ka波段云雷達(dá)、X波段雙極化雷達(dá)、C波段調(diào)頻連續(xù)波(C-FMCW)和微雨雷達(dá)[18-19],但高原地形復(fù)雜且站點(diǎn)的代表性較差。

墨脫位于西藏東南部,地處喜馬拉雅山東段與崗日嘎布山脈的南坡,雅魯藏布江下游,是雅魯藏布江水汽輸送通道入口的關(guān)鍵區(qū),夏季盛行的西南季風(fēng)將印度洋和孟加拉灣的暖濕水汽經(jīng)該流域向高原輸送,對(duì)下游地區(qū)降水有顯著影響[20]。隨著第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究(STEPS)的展開,中國(guó)氣象科學(xué)研究院在墨脫地區(qū)布設(shè)了Ka波段云雷達(dá)(KaCR)、X波段雙偏振相控陣?yán)走_(dá)(X-PAR)、降水現(xiàn)象儀、微雨雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備,填補(bǔ)該地區(qū)云和降水觀測(cè)的空白,為研究藏東南地區(qū)水汽通道入口處云和降水的物理特征提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；谶@些觀測(cè)數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)墨脫地區(qū)云的發(fā)生率比較高,以中云和低云為主,對(duì)流降水的雨滴直徑較小而濃度較高,更接近海洋性對(duì)流降水[21-22]。墨脫地區(qū)零度層高度隨季節(jié)變化明顯,墨脫層狀云弱降水雨滴譜的譜寬較窄,降水粒子直徑不超過3 mm[23]。為深入探究藏東南墨脫地區(qū)不同類型降水微物理特征的垂直變化特征,本文利用2021年6—9月(季風(fēng)期)墨脫國(guó)家氣候觀象臺(tái)微雨雷達(dá)、降水現(xiàn)象儀和雨量計(jì)數(shù)據(jù),在對(duì)比不同儀器觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上,將降水劃分為對(duì)流云降水、層狀云降水、淺層云降水3種類型,研究各類型降水微物理特征的垂直演變特征,有助于提高對(duì)墨脫地區(qū)降水微物理特征垂直演變的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中的微物理參數(shù)化方案。

1 數(shù)據(jù)與方法

墨脫地區(qū)年平均降水量超過2000 mm,主要集中在夏季風(fēng)期,約占年降水量的60%[24],因此本研究采用2021年6—9月(季風(fēng)期)觀象臺(tái)內(nèi)布設(shè)的微雨雷達(dá)、降水現(xiàn)象儀和自動(dòng)雨量計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù),研究季風(fēng)期不同類型降水的垂直結(jié)構(gòu)特征。墨脫觀象臺(tái)的位置(海拔為1305 m)及高原地形如圖1所示。

圖1 墨脫國(guó)家氣候觀象臺(tái)位置(紅色實(shí)心圓點(diǎn))及青藏高原地形(填色)(疊加2021年季風(fēng)期平均垂直積分水汽通量(黑色箭頭))Fig.1 Location of Mêdog National Climate Observatory(the red solid dot) and topography(the shaded) of Tibetan Plateau(which is superimposed with mean vertical integral of water vapor flux(black arrows) in monsoon period of 2021)

1.1 微雨雷達(dá)

本文微雨雷達(dá)的主要性能參數(shù)如表1所示,時(shí)間分辨率為1 min,高度分辨率設(shè)為30 m,共128個(gè)距離庫(kù),因此本文中微雨雷達(dá)最大探測(cè)高度為3840 m。

表1 微雨雷達(dá)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of micro rain radar

微雨雷達(dá)基本原理是根據(jù)測(cè)量的雨滴下落速度(v)與直徑(D)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,反演雨滴譜分布[25]。假設(shè)垂直風(fēng)為零,雨滴的下落末速度與粒子直徑的關(guān)系為

(1)

式(1)中,δ(z)為空氣密度隨高度z變化的修正因子[26],

δ(z)=(1+3.68×10-5z+1.71×10-9z2)。

(2)

粒子的雨滴數(shù)濃度N(D)由衰減雨滴譜數(shù)濃度Na(D)和路徑積分衰減(API)計(jì)算得到

N(D)=Na(D)API,

(3)

(4)

式(4)中,ηa為去除噪聲電平后的衰減反射率譜,由雷達(dá)性能參數(shù)決定;σ(D)為雨滴的后向散射截面,由米散射理論計(jì)算得到;n為距離庫(kù)數(shù)。

一旦粒子的雨滴譜數(shù)濃度N(D)確定,便可計(jì)算雷達(dá)反射率因子Z(單位:mm6·mm-3)、降水率R(單位:mm·h-1)、液態(tài)水含量L(單位:g·m-3)等微物理參數(shù)[26]。微雨雷達(dá)產(chǎn)品已對(duì)路徑積分衰減(API)小于10的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行了衰減訂正[27],因此對(duì)于中小強(qiáng)度的降水,微雨雷達(dá)的衰減作用可以忽略[14]。

由于本文所選時(shí)段墨脫受夏季風(fēng)影響,此時(shí)墨脫零度層高度一般在4 km左右[23],為了避免粒子相態(tài)變化引起的反演誤差,本文選取的高度上限為3.0 km。由于微雨雷達(dá)反演產(chǎn)品采用的粒子下落速度與直徑的經(jīng)驗(yàn)公式假設(shè)條件中大氣垂直速度為零,因此在大氣存在垂直運(yùn)動(dòng)的情況下,反演結(jié)果存在一定誤差。上升(下沉)氣流會(huì)造成雨滴直徑的低估(高估),從而使得小雨滴(大雨滴)濃度高估(低估)[28]。

1.2 降水現(xiàn)象儀

本文使用的降水現(xiàn)象儀采樣面積為54 cm2(18 cm×3 cm),時(shí)間分辨率為1 min。主要通過降水粒子遮擋激光產(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓計(jì)算粒子的等效直徑(直徑范圍為0.062～24.5 mm),通過粒子下落穿越時(shí)間計(jì)算下落速度(速度范圍為0.05～20.8 m·s-1),獲得32×32個(gè)非等間隔等級(jí)的粒子數(shù)。對(duì)降水現(xiàn)象儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下質(zhì)量控制流程[29]:①由于前兩個(gè)直徑檔信噪比較低,誤差較大,因此被剔除,同時(shí)真實(shí)大氣下中雨滴增長(zhǎng)到一定大小后會(huì)發(fā)生破碎現(xiàn)象,將直徑大于6 mm的雨滴數(shù)據(jù)也剔除,因此本文粒子直徑的探測(cè)范圍為0.312～6 mm;②排除非降水樣本的影響,將每分鐘樣本的粒子數(shù)小于10或降水率小于0.1 mm·h-1的數(shù)據(jù)剔除;③自然界中雨滴的下落速度一般不超過9.8 m·s-1,因此去除速度大于9.8 m·s-1的數(shù)據(jù);④根據(jù)Atlas等[30]提出的粒子下落速度-直徑經(jīng)驗(yàn)公式,將超過經(jīng)驗(yàn)公式的60%的數(shù)據(jù)剔除。降水現(xiàn)象儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的直徑-速度分布如圖2所示?？梢钥吹?粒子直徑過大(過小)而下落速度過小(過大)的數(shù)據(jù)被濾除,質(zhì)量控制后的雨滴直徑和測(cè)量速度分布符合Atlas等[30]提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

圖2 2021年6月1日—9月30日雨滴數(shù)濃度隨直徑和下落速度的分布(黑色實(shí)線為Altas經(jīng)驗(yàn)曲線,黑色虛線為經(jīng)驗(yàn)關(guān)系±60%的范圍)Fig.2 Distribution of raindrop number concentration with diameter and fall speed from 1 Jun to 30 Sep in 2021(the solid black line denotes Altas experience curve,dashed black lines denote ±60% range of the experience relationship)

質(zhì)量控制后,第i個(gè)直徑檔的雨滴數(shù)濃度N(Di)(單位:m-3·mm-1)可以表示為

(5)

式(5)中,Di表示第i個(gè)直徑檔的平均直徑,ΔDi(單位:mm)為對(duì)應(yīng)的粒子直徑間隔,nij為第i個(gè)直徑檔第j個(gè)速度檔的雨滴數(shù)量,S(單位:m2)為采樣面積,Δt(s)為采樣時(shí)間。進(jìn)一步計(jì)算可得到廣義截距參數(shù)等微物理量,具體公式可見文獻(xiàn)[31]。

1.3 降水分類

本文采用Tokay等[32]的方法定義降水樣本,對(duì)于微雨雷達(dá)的逐分鐘數(shù)據(jù),當(dāng)R≥0.1 mm·h-1,則視為1個(gè)降水樣本。2021年6月1日—9月30日共獲得降水樣本47751個(gè)。

早期雨滴譜分布研究中降水分類的方法大多基于地面雨量計(jì)或天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)將降水分為對(duì)流云降水和層狀云降水兩種類型,而實(shí)際降水過程復(fù)雜得多。研究人員提出了基于垂直雷達(dá)觀測(cè)的第3種降水類型,稱為淺層云降水[29,33]。由于該類型降水降水率小,多被忽視或被歸入層狀云降水類型,但其在垂直方向的特征與層狀云降水并不相同。與層狀云降水相比,淺層云云頂高度低于0℃等溫線且降水強(qiáng)度弱[34]。因此,本文采用微雨雷達(dá)測(cè)得的降水率和雷達(dá)反射率因子垂直結(jié)構(gòu),將降水分為對(duì)流云降水、層狀云降水和淺層云降水3種類型。第1步,采用R和標(biāo)準(zhǔn)差(σ)區(qū)分對(duì)流云降水和層狀云降水。在10個(gè)連續(xù)1 min的微雨雷達(dá)樣本中,如果Ri≥5 mm·h-1,σ>1.5 mm·h-1則將降水Ri歸為對(duì)流云降水;如果中心點(diǎn)Ri≥0.5 mm·h-1,σ≤1.5 mm·h-1,將降水Ri歸為層狀云降水[5]。第2步,對(duì)第1步識(shí)別的層狀云降水,再利用微雨雷達(dá)測(cè)量的垂直反射率因子廓線區(qū)分為層狀云降水與淺層云降水。具體方法:若不存在零度層亮帶,且雷達(dá)反射率因子回波頂高度距0℃等溫線1 km以上,則識(shí)別為淺層云降水,其余降水被識(shí)別為層狀云降水[33]。2021年6—9月微雨雷達(dá)的降水分類結(jié)果如表2所示,可以看到墨脫地區(qū)降水事件大部分為層狀云降水,且層狀云降水對(duì)總降水量的貢獻(xiàn)最大。對(duì)于不滿足降水分類條件的降水樣本視為未歸類降水類型,不計(jì)算在總分類樣本量?jī)?nèi)。

表2 降水類型分類Table 2 Classification of rain types

2 不同儀器觀測(cè)一致性比較

由于近地面微雨雷達(dá)易受到速度接近零的地物回波影響而高估小雨滴的數(shù)濃度[14],因此去除前兩個(gè)距離庫(kù)的數(shù)據(jù),選擇微雨雷達(dá)90 m高度處的數(shù)據(jù)與降水現(xiàn)象儀和雨量計(jì)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并計(jì)算三者間的相關(guān)系數(shù),以此驗(yàn)證微雨雷達(dá)數(shù)據(jù)的可靠性以及各儀器觀測(cè)結(jié)果的一致性。本文所計(jì)算的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.001顯著性水平。

圖3a為2021年9月29日3種儀器觀測(cè)的日降水量。由圖3a可知,3種儀器觀測(cè)的日降水量一致性較好,微雨雷達(dá)與雨量計(jì)的相關(guān)系數(shù)最高,為0.96,降水現(xiàn)象儀與雨量計(jì)的相關(guān)系數(shù)次之,為0.90,微雨雷達(dá)與降水現(xiàn)象儀觀測(cè)的日降水量相關(guān)系數(shù)稍低,為0.89。對(duì)于低降水量,微雨雷達(dá)高估了日降水量,這可能是因?yàn)槠涮綔y(cè)敏感度較高,而地面雨量計(jì)對(duì)于0.1 mm以下的降水無(wú)探測(cè)能力[35]。隨著降水量增大,由于微雨雷達(dá)雨區(qū)衰減,測(cè)量結(jié)果較雨量計(jì)存在低估。降水現(xiàn)象儀低估日降水量,這可能是降水現(xiàn)象儀容易低估中小雨滴濃度所致[33]。

為分析微雨雷達(dá)對(duì)降水率變化的精細(xì)化探測(cè)精度,選取2021年9月29日03:00—07:00(北京時(shí),下同)降水過程,比較微雨雷達(dá)探測(cè)降水率的時(shí)序圖與雨量計(jì)和降水現(xiàn)象儀測(cè)量的降水率變化曲線。為了減少雨量計(jì)探測(cè)靈敏度低造成的脈動(dòng)性,圖3b為6 min的平均降水率?？梢钥吹?3種儀器測(cè)量的降水率隨時(shí)間變化的一致性非常好。降水現(xiàn)象儀與雨量計(jì)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98,微雨雷達(dá)與雨量計(jì)和降水現(xiàn)象儀的相關(guān)系數(shù)分別為0.98和 0.97。在中小降水強(qiáng)度的情況下,微雨雷達(dá)對(duì)降水率的探測(cè)精度較好;當(dāng)降水率大于20 mm·h-1時(shí),微雨雷達(dá)對(duì)降水率存在高估,這可能是微雨雷達(dá)衰減訂正過度所致[36]。

3 降水垂直結(jié)構(gòu)

3.1 個(gè)例分析

圖4為2021年9月29日03:00—07:00微雨雷達(dá)觀測(cè)的降水過程,其中包括對(duì)流云降水、淺層云降水及層狀云降水時(shí)段。由圖4可知,3種類型降水的垂直結(jié)構(gòu)存在明顯差異。03:00—04:00對(duì)應(yīng)對(duì)流云降水時(shí)段,雷達(dá)反射率因子和平均下落速度垂直結(jié)構(gòu)變化明顯,雷達(dá)反射率因子最大可達(dá)50 dBZ,雨滴下落速度最大達(dá)到10 mm·h-1。03:40和 2.0～2.5 km高度處超過45 dBZ的對(duì)流核心說明此高度以下存在強(qiáng)烈的上升氣流,03:45 1～2 km高度處的弱回波也說明強(qiáng)烈上升氣流的存在。墨脫地處雅魯藏布大峽谷,陡峭地形和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的相互作用往往導(dǎo)致1～2 km高度處存在局部上升氣流[37]。層狀云降水發(fā)生在05:30—06:30,雷達(dá)反射率因子不超過35 dBZ,零度層亮帶在3.5 km高度以上。亮帶附近多為冰相粒子外包水膜,反射率因子大,下落速度小。亮帶以下冰相粒子融化成液態(tài),下落速度增加。同時(shí)還可以看到,層狀云降水在垂直結(jié)構(gòu)上并不均勻,隨著高度降低,雷達(dá)反射率因子逐漸增加。淺層云降水(04:10—04:50)的特征與對(duì)流云降水和層狀云降水區(qū)別明顯,淺層云降水的雷達(dá)反射率因子和下落速度均較小,最大反射率因子為22 dBZ,雨滴下落速度隨高度分布較均勻。這是由于淺層云降水的雷達(dá)回波頂部較低,無(wú)法到達(dá)融化層,這也意味著淺層云降水為暖云降水,不存在融化過程,降水直接以液態(tài)形式形成[34,38]。采用降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)分析此次降水過程的地面雨滴譜特征(圖4c)。對(duì)流云降水時(shí)段(03:00—04:00)降水率大,峰值達(dá)到25 mm·h-1左右(圖3b),譜寬較寬,最大雨滴直徑達(dá)到5.3 mm(圖4c)。層狀云降水時(shí)段(05:30—06:30)降水率較小,不超過4 mm·h-1,譜寬較窄,雨滴直徑不超過3.5 mm,存在一定數(shù)量的中等大小雨滴。淺層云降水時(shí)段(04:10—04:50)降水率很弱,約為1 mm·h-1,雨滴直徑小,不超過2 mm,但小雨滴的數(shù)濃度較高,這與淺層云降水的暖雨性質(zhì)有關(guān),降水胚胎較多,降水過程以碰并為主。

圖4 2021年9月29日03:00—07:00雷達(dá)反射率因子(a)、下落速度(b)和地面雨滴譜(c) Fig.4 Radar reflectivity(a),falling speed(b) and ground raindrop size distributions(c) from 0300 BT to 0700 BT on 29 Sep 2021

3.2 統(tǒng)計(jì)分析

3.2.1 降水垂直結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)特征

圖5和圖6為墨脫地區(qū)不同類型降水特征量的歸一化高度-頻率分布(NCFAD)和平均廓線。

圖5 2021年6月1日—9月30日墨脫3種類型降水的雷達(dá)反射率因子、下落速度、降水率和液態(tài)水含量的歸一化高度-頻率分布(黑色實(shí)線為不同高度微物理特征量最大值連線,填色為發(fā)生頻率)Fig.5 Normalized height-frequency of radar reflectivity,falling speed,rain rate and liquid water content for 3 rain types at Mêdog from 1 Jun to 30 Sep in 2021(the solid black line connects points of the maximum at different altitude frequencies,the shaded denotes frequency)

圖6 2021年6月1日—9月30日墨脫3種類型降水微物理特征量的平均垂直廓線(a)雷達(dá)反射率因子,(b)下落速度,(c)降水率,(d)液態(tài)水含量Fig.6 Average vertical profiles of the micro-physics for 3 rain types at Mêdog from 1 Jun to 30 Sep in 2021(a)radar reflectivity,(b)falling speed,(c)rain rate,(d)liquid water content

由圖5可知,對(duì)流云降水的雷達(dá)反射率因子主要集中在30～37 dBZ,且隨著高度降低,發(fā)生頻率逐漸增大。由圖5和圖6a可知,對(duì)流云降水雷達(dá)反射率因子在地面為26～44 dBZ,平均值為37 dBZ,且隨高度降低明顯增加,這一方面可能是由于強(qiáng)降水對(duì)微雨雷達(dá)的衰減作用,另一方面可能是由于對(duì)流云降水中存在冰水混合物[13]。雨滴下落速度為5～7 m·s-1(圖5),由平均下落速度的垂直廓線(圖6b)可見,在1.5～2.0 km高度處,平均下落速度從6.25 m·s-1忽然減小,又逐漸增加到6.25 m·s-1,這表明該高度處可能存在較強(qiáng)的局部上升氣流,減小了雨滴下落速度。在近地面(0.5 km高度以下),平均下落速度明顯減小。從NCFAD和平均廓線看,降水率與液態(tài)水含量的垂直結(jié)構(gòu)變化比較相似,這是因?yàn)槎呔c雨滴直徑的三次方成正比。隨著高度降低,降水率和液態(tài)水含量低值的發(fā)生頻率逐漸減小,高值發(fā)生頻率明顯變大,特別是近地面0.5 km高度(圖5),說明了強(qiáng)降水造成的衰減,也說明對(duì)流云降水在下落過程中可能存在較明顯的碰并過程,增加了較大雨滴的濃度。由圖6c和圖6d也可以看到,降水率、液態(tài)水含量的平均垂直廓線在1.5～2.0 km高度處存在凸起,這對(duì)應(yīng)于局地上升氣流造成的下落速度減小。局地上升氣流減小下降速度,降水率和液態(tài)水含量的反演結(jié)果存在正偏差[36]。對(duì)流云降水的降水率在近地面的平均值為10.5 mm·h-1,平均液態(tài)水含量為0.83 g·m-3。

與對(duì)流云降水相比,層狀云降水的垂直結(jié)構(gòu)變化較小(圖5和圖6)。雷達(dá)反射率因子主要分布在17～31 dBZ,近地面雷達(dá)反射率因子更多集中在22～27 dBZ(圖5)。反射率因子平均值隨高度降低略有增加,在近地面平均值為27 dBZ(圖6a)。雨滴下落速度主要為4.5～6.5 m·s-1,隨高度基本保持不變,平均值約為5.0 m· s-1。降水率(液態(tài)水含量)較小,主要為0.5～2.0 mm·h-1(0.05～0.12 g·m-3),平均值隨高度減小略有增加,由1.0 mm·h-1(0.08 g·m-3)增加到1.5 mm·h-1(0.15 g·m-3)。

淺層云降水的各物理量在垂直高度上隨高度降低而增加。與對(duì)流云降水、層狀云降水相比,淺層云降水的雷達(dá)反射率因子最弱,不超過25 dBZ。近地面雷達(dá)反射率因子主要為11～20 dBZ(圖5),平均值約為17 dBZ(圖6a)。雨滴下落速度較小,主要為2～3 m·s-1,遠(yuǎn)小于對(duì)流云雨滴和層狀云雨滴(圖5),二者在近地面平均值約為3.2 m·s-1(圖6b)。在近地面,淺層云降水的液態(tài)水含量與層狀云降水接近,平均值約為0.15 g·m-3(圖6d),但平均降水率僅為1 mm·h-1(圖6c),這與淺層云降水雨滴下落速度較小有關(guān)。淺層云降水NCFAD的垂直變化與對(duì)流云降水更為相似,變化較為明顯,但各物理量數(shù)值更小。在弱降水的條件下,衰減可以忽略,因此,這種變化可能是雨滴下落過程中的碰并作用明顯,造成各物理量隨高度降低而增大。但由于其為淺薄系統(tǒng),主要依靠重力作用實(shí)現(xiàn)碰并過程,雨滴直徑和下落速度均較小,因此對(duì)降水的貢獻(xiàn)也較小。

3.2.2 雨滴譜垂直分布特征

圖7為微雨雷達(dá)觀測(cè)墨脫3種類型降水的平均雨滴譜的垂直結(jié)構(gòu)。對(duì)流云降水的雨滴譜分布隨高度降低且譜寬增寬明顯,中、大、小雨滴的濃度均隨著高度的降低而迅速增加,特別是大雨滴。雨滴下落過程的碰并增長(zhǎng)是中、大雨滴增多的主要原因。

圖7 2021年6月1日—9月30日墨脫3種類型降水的雨滴譜分布(a)對(duì)流云降水,(b)層狀云降水,(c)淺層云降水Fig.7 Raindrop spectrum distribution for 3 rain types at Mêdog from 1 Jun to 30 Sep in 2021(a)convective,(b)stratiform,(c)shallow

在對(duì)流云降水期間(圖7a),足夠潮濕的環(huán)境可能有利于碰并增長(zhǎng)過程[14]。大雨滴的破裂可能是小雨滴數(shù)量增加的原因,尤其是在近地面[39]。與其他兩種降水類型相比,對(duì)流云降水在各個(gè)粒徑范圍的數(shù)濃度最高,這也是對(duì)流云降水降水率更高和液態(tài)水含量更多的原因之一。同時(shí)可以看到,2 km高度附近存在雨滴濃度突然增加的現(xiàn)象,這是由于該高度存在較強(qiáng)烈的局地上升氣流。上升氣流會(huì)減小雨滴的下降速度(圖6b),導(dǎo)致反演的雨滴濃度增加[36]。

層狀云降水的雨滴譜分布垂直變化(圖7b),小雨滴濃度隨高度降低有所增加,大雨滴濃度隨高度降低而明顯減小,這表明破裂在大雨滴下落過程中占主導(dǎo)地位,尤其是在較低高度。大雨滴破裂可能是造成小雨滴濃度增加的原因。中等大小的雨滴濃度在垂直方向比較均勻,說明在雨滴下落過程中中等大小雨滴的碰并、破碎和蒸發(fā)過程處于近似平衡狀態(tài)。

淺層云降水的雨滴譜隨高度降低,譜寬增加明顯,雨滴濃度增加,說明雨滴在下落過程中碰并增長(zhǎng)過程顯著(圖7c)。淺層云降水的云頂高度位于融化層以下,為暖云降水過程,雨滴碰并增長(zhǎng)是暖雨的重要微物理過程。

4 結(jié)論與討論

本文使用2021年6月1日—9月30日墨脫觀象臺(tái)內(nèi)微雨雷達(dá)、降水現(xiàn)象儀和雨量計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù),在對(duì)比各儀器之間測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過個(gè)例和統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析對(duì)流云降水、層狀云降水和淺層云降水3種類型降水微物理參數(shù)的垂直分布特征。得到主要結(jié)論如下:

1) 微雨雷達(dá)、降水現(xiàn)象儀和雨量計(jì)的一致性較好,微雨雷達(dá)與雨量計(jì)的日降水量相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)到0.96,降水現(xiàn)象儀和雨量計(jì)分鐘降水率的一致性最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。對(duì)于強(qiáng)降水(雨強(qiáng)大于20 mm·h-1),微雨雷達(dá)高估降水率,這可能與微雨雷達(dá)過度的衰減訂正有關(guān)。此外,降水現(xiàn)象儀低估降水量,這是由于低估了中小雨滴濃度。

2) 對(duì)流云降水的各微物理量特征值均較大,3 km 高度以下雨滴在下落過程中碰并增長(zhǎng)過程顯著,中、大、小雨滴濃度迅速增加。隨著高度降低,雷達(dá)反射率因子、降水率及液態(tài)水含量顯著增加。墨脫位于雅魯藏布江下游的河谷區(qū)域,陡峭地形與對(duì)流云相互作用形成上升氣流,造成對(duì)流云降水的雨滴平均下落速度在1.5～2.0 km高度處低估,導(dǎo)致降水率和液態(tài)水含量在1.5～2.0 km高度處存在正偏差。

3) 層狀云降水在融化層高度出現(xiàn)亮帶結(jié)構(gòu),亮帶以下回波強(qiáng)度較弱,雷達(dá)反射率因子、降水率和液態(tài)水含量隨高度有所增加,雨滴下落速度在垂直方向基本保持均勻。中等大小的雨滴濃度隨高度不變,蒸發(fā)、破碎和碰并過程基本處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。大雨滴在下落過程中破碎過程占主導(dǎo),濃度減小明顯。小雨滴濃度隨高度降低略有增加,可能與大雨滴的破碎有關(guān)。

4) 淺層云降水回波頂高度低于融化層約1 km,淺層云降水各物理特征量的數(shù)值較小,但垂直變化明顯,隨高度降低增加顯著。雨滴譜分布譜寬較窄,隨高度降低逐漸增寬,近地面最大粒徑約為3.2 mm。淺層云降水為暖云降水,以碰并過程為主,中、小雨滴濃度隨高度降低而明顯增加。