激光雨滴譜儀及其在淮河流域降水分析中的應(yīng)用

◎文/李俠麗 潘先潔 黃國貴 姚祎

（安徽省壽縣氣象局 淮南市氣象局）

雨滴譜是單位體積中雨滴的個(gè)數(shù)的分布情況，主要研究云和降水的微物理結(jié)構(gòu)特征[1]。雨滴譜中含有豐富的微物理降水特質(zhì)，在雷達(dá)定量估測(cè)降水、成雨機(jī)制及反射率因子（Z）和雨強(qiáng)（I）的關(guān)系等方面有著普遍的應(yīng)用[2]。因此，利用雨滴譜的測(cè)量方法來研究降水的微物理結(jié)構(gòu)特征，有著十分重要的意義。

上世紀(jì)60年代初，我國氣象學(xué)家顧震潮等人進(jìn)行了云降水的觀測(cè)和研究，但由于觀測(cè)條件以及技術(shù)水平限制，未進(jìn)行雨滴譜的連續(xù)測(cè)量[2]。云降水雨滴譜的連續(xù)觀測(cè)始于20世紀(jì)80年代，通過大量學(xué)者的觀測(cè)研究，得出可供雷達(dá)定量估測(cè)降水時(shí)參考和應(yīng)用的Z-I關(guān)系等[2]。胡亞敏等[3]通過對(duì)河南省臨穎、孟津兩站的層狀云降水天氣進(jìn)行地面雨滴譜觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)河南層狀云降水的雨滴平均直徑為0.1mm，大雨滴對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率較大。張?jiān)品錥2]研究哈爾濱雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)層狀云、積雨云和積層混合云降水的譜寬存在差異，積層混合云的降水譜寬較寬。

本文從傳統(tǒng)雨滴譜的觀測(cè)方法出發(fā)，并利用激光雨滴譜儀來分析雨滴譜的觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，分析激光雨滴譜儀在淮河流域降水分析中的應(yīng)用。

一、雨滴譜的測(cè)量方法

初期雨滴譜的測(cè)量方法有動(dòng)力學(xué)法、面粉球法、濾紙色斑法、浸潤法和快速攝影法[4]。動(dòng)力學(xué)法是根據(jù)雨滴下落引發(fā)的動(dòng)能來測(cè)量雨滴的大小，這種方法測(cè)量較大譜寬的雨滴結(jié)果誤差較大；濾紙色斑法通過雨滴落在濾紙上形成的圓形色斑大小反推出雨滴直徑；面粉球法是在一個(gè)廣口容器內(nèi)裝上面粉，雨滴在接觸到面粉后會(huì)迅速形成一個(gè)小球，通過烘干稱重測(cè)量出雨滴的直徑和重量；快速攝影法利用攝像機(jī)拍攝降落的雨滴后把照片放在顯微鏡下觀測(cè)雨滴大??；浸潤法是將雨水接到盛有油料的容器內(nèi)，雨水會(huì)在油料中形成水珠，通過測(cè)量計(jì)算出雨滴的粒徑。幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1[4]，從中可見，初期雨滴譜的測(cè)量方法操作繁瑣、工作量大、測(cè)量精度低、成本高，無法自動(dòng)完成測(cè)量分類，并非理想的測(cè)量方法。

二、新型測(cè)量技術(shù)

上世紀(jì)90年代后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，光、聲、雷達(dá)、遙感等技術(shù)應(yīng)用到雨滴譜的觀測(cè)方法中[5]，光陣雨滴譜儀、聲雨滴譜儀、激光雨滴譜儀等新設(shè)備的應(yīng)用克服了早期方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雨滴譜自動(dòng)化連續(xù)觀測(cè)。

光陣雨滴譜儀[6]是利用光陣排列的方法，對(duì)降水全譜觀測(cè)獲取雨滴譜資料。樊玲[7]等人使用光陣雨滴譜儀分析積雨云降水的微結(jié)構(gòu)特征，研究發(fā)現(xiàn)積雨云的降水強(qiáng)度大于層狀云，1～3mm的雨滴對(duì)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率超過了60%。聲雨滴譜儀依據(jù)雨滴碰擊傳感器所引起的沖擊力而產(chǎn)生的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴的測(cè)量[1]。劉紅燕和雷恒池[8]利用聲雨滴譜儀分析了北京地區(qū)層狀云和對(duì)流云降水的特征。但這兩種雨滴譜儀只能測(cè)量降水粒徑和雨滴個(gè)數(shù)，不能測(cè)量粒子的下落速度。

目前在雨滴譜測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛的Parsivel激光雨滴譜儀是以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的測(cè)量儀器[4]，可同時(shí)測(cè)量降雨中的液態(tài)以及固態(tài)粒子的粒徑和降落速度[9]。它采用平行激光束和光電管組合模式，當(dāng)雨滴穿過激光雨滴譜儀的采樣空間時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)記錄下雨滴所遮擋的寬度，并通過雨滴穿越時(shí)間來計(jì)算雨滴的粒徑和速度；可用數(shù)字顯示降水強(qiáng)度、液態(tài)含水量、降水粒子總數(shù)、降水粒徑、累積降水量及雷達(dá)反射因子[2]。它能夠提供高時(shí)間分辨率的降水粒子譜數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)可信度較高。對(duì)于凍雨、雨、雪、冰雹等降水類型識(shí)別準(zhǔn)確率大于97%。

表1 幾種雨滴譜測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)

三、激光雨滴譜儀在降水分析中的應(yīng)用

激光雨滴譜儀主要應(yīng)用于降水估測(cè)，主要包括以下幾個(gè)方面：

1.不同云系降水的雨滴譜特點(diǎn)。降水云系最常見的劃分方法為對(duì)流云、層狀云和層積混合云，通過對(duì)不同降水云系的研究，可以提高降水觀測(cè)精度。雨滴譜譜型是雨滴譜曲線的型式，不同云型的雨滴譜型也有所不同[8]。研究發(fā)現(xiàn)層狀云、對(duì)流云、層積混合云譜型一般分別呈指數(shù)型、多峰型、單峰型分布[7]。

2.不同下墊面降水的雨滴譜特點(diǎn)。傳統(tǒng)云物理學(xué)根據(jù)下墊面不同，可將降水云系劃分為大陸云系和海洋云系[9]。海洋云合并活動(dòng)快，降水過程一般由暖云過程決定；大陸云中的小雨滴濃度較大，常常由冷云而演化成水滴。在同樣降雨強(qiáng)度下，與云滴合并活躍的海洋云降水相比，大陸云降水的大雨滴較多[9]。

3.不同海拔高度降水的雨滴譜特點(diǎn)。隨著海拔高度的不同，降水過程也會(huì)隨之發(fā)生變化。雨滴在下落過程中會(huì)受到碰并、增長、破碎、蒸發(fā)等一系列物理變化的影響，這些變化在雨滴譜上會(huì)有直接的體現(xiàn)[10]。因此研究雨滴譜隨海拔的變化特點(diǎn)，對(duì)于了解降水微物理變化的進(jìn)程有著非常重要的意義。

4.不同降水過程的雨滴譜特點(diǎn)。如鋒面降水和臺(tái)風(fēng)降水的雨滴譜特征，這種雨滴譜特征在淮河流域最為常見。

四、激光雨滴譜儀在淮河流域降水分析中的應(yīng)用

淮河流域地處北亞熱帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)域，四季分明、雨量適中、光照充足，是暖溫帶向亞熱帶過渡的氣候類型，冷暖空氣交匯頻繁，時(shí)常受臺(tái)風(fēng)、暴雨、洪澇等災(zāi)害性天氣影響。同時(shí)淮河流域又是我國“梅雨”天氣系統(tǒng)的主要活動(dòng)區(qū)和我國降水變率最大地區(qū)之一，梅雨鋒降水和臺(tái)風(fēng)降水是淮河流域降水的主要天氣系統(tǒng)，激光雨滴譜儀對(duì)于研究梅雨鋒降水和臺(tái)風(fēng)降水的微物理結(jié)構(gòu)特征有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

鋒面降雨主要發(fā)生在雨層云，它是鋒面云系中最厚的云層，又是冷暖空氣交匯而成的，上部是冰晶，下部是水滴，冰水共存于云系的中部，可起到合并作用，又因云層較厚，有利于形成降水，多屬于積層混合云降水。雷達(dá)圖上往往表現(xiàn)為大面積的層狀云系中嵌有回波較強(qiáng)的對(duì)流性云塊或大面積對(duì)流性雨帶，積層混合云相比于積雨云的譜型分布較寬，持續(xù)時(shí)間較長。而積云降水時(shí)間短、降水強(qiáng)度大，一般降水過程越強(qiáng)，譜型就越寬。不同部位雨滴譜的譜型分布有著明顯差異，鋒面降水過程中雨滴譜的譜寬較寬，并且強(qiáng)降水時(shí)期常常呈雙峰、多峰型分布[11]。激光雨滴譜儀對(duì)于測(cè)量譜分布較寬的降水準(zhǔn)確率高達(dá)90%以上。

臺(tái)風(fēng)降水是熱帶海洋上非常巨大的濕熱氣團(tuán)帶來的降水，臺(tái)風(fēng)區(qū)的水汽非常豐富，具有很強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，日最大降水量可達(dá)800mm以上，主要是間歇性降水。臺(tái)風(fēng)降水的雨滴空間數(shù)濃度和直徑較大，但其最大瞬時(shí)雨強(qiáng)小于鋒面降水。不同性質(zhì)的降水雨滴譜的特征參量不同，對(duì)流性降水的雨滴粒徑較大，雨滴的數(shù)濃度也相對(duì)較大，大雨滴對(duì)降水貢獻(xiàn)率較大，雨滴譜儀能捕捉到降水的瞬間變化。鋒面降水和臺(tái)風(fēng)降水中常常伴隨著雷電、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣，通過對(duì)鋒面降水和臺(tái)風(fēng)降水的雨滴譜變化特征的研究，也為雷電等強(qiáng)對(duì)流天氣的微物理結(jié)構(gòu)特征，以及雷電和降水關(guān)系的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)[10]。

通過對(duì)不同降水類型的研究，可以提高降水的觀測(cè)精度。由于不同類型降水的熱量、水汽含量、上升運(yùn)動(dòng)等不同，激光雨滴譜儀對(duì)研究降水內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征有著重要的理論和實(shí)踐意義。