黃河上游地區(qū)降水雨滴譜特征分析

韓輝邦，張博越，3*，馬守存，2，田建兵，3，康曉燕，3

（1.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實驗室，青海 西寧810001；2.青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧810001；3.青海省人工影響天氣辦公室，青海 西寧810001）

雨滴是云微物理過程、動力學(xué)過程及其它綜合因子相互作用的結(jié)果，雨滴譜含有豐富的降水微物理特征信息，是云及降水物理學(xué)中重要的研究對象[1-2]。深入了解降水云系形成降水的微物理過程，對評估人工增雨云水條件、檢驗作業(yè)效果以及雷達(dá)定量測量降水等有著重要的理論意義和實用價值[3-4]。

我國從20 世紀(jì)60 年代開始相關(guān)雨滴譜研究工作，傳統(tǒng)的雨滴譜觀測多用人工采樣的試紙色斑法[5-8]，色斑法操作簡單、成本低廉，但受人為因素影響較大。90 年代以后，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們開始利用光電、聲電等降水測量儀器進(jìn)行雨滴譜的觀測研究。劉紅燕等[9]利用聲雨滴譜儀對北京地區(qū)降水云系進(jìn)行了劃分并分析了相應(yīng)雨滴譜特征。陳寶君[10]、樊玲[11]、張云峰[12]、周毓荃[13]等分利用GBPP-100 地面光陣雨滴譜儀分別對沈陽、哈爾濱、河南地區(qū)不同類型降水云系的雨滴譜特征進(jìn)行了擬合分析。近年來，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，激光降水粒子譜儀被廣泛應(yīng)用于雨滴譜資料的觀測中。胡子浩[14]等利用OTT-Parsivel 激光雨滴譜儀對我國海洋性對流云降水雨滴譜特征進(jìn)行了分析。張昊[15]等利用激光雨滴譜儀對廬山地區(qū)不同海拔高度降水雨滴譜特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，廬山地區(qū)夏季對流性降水雨滴最大直徑約為10 mm。徐文靜[16]等利用激光雨滴譜儀對北京地區(qū)典型降水云系雨滴譜特征分析發(fā)現(xiàn)，對流性降水階段的雨滴數(shù)濃度、最大直徑均大于層狀降水階段。張祖熠[17]等分析新疆春季層狀云和混合云降水的雨滴譜特征發(fā)現(xiàn)，春季降水的微物理參量普遍偏小，層狀云降水的雨強(qiáng)、雨滴數(shù)濃度、雨滴的各類微物理特征參量的平均值均大于混合云降水。

黃河上游地區(qū)具有特殊地理位置和地形，是黃河流域的主要產(chǎn)流區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，素以黃河流域的“水塔”而著稱[18]。針對黃河上游地區(qū)雨滴譜觀測分析研究還相對較少，李娟[19]等利用濾紙法對黃河上游瑪曲地區(qū)雨滴譜特征進(jìn)行了初步分析。對于利用激光雨滴譜儀在黃河上游地區(qū)開展觀測研究更是鮮有報道，本文利用OTT-Parsivel 激光雨滴譜儀資料，對該地區(qū)典型降水云系雨滴譜特征進(jìn)行分析，以期對了解當(dāng)?shù)亟邓挠甑巫V特征及開展不同云系降水人工增雨作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

Parsivel 激光雨滴譜儀由德國OTT 公司研制，是一種以激光為基礎(chǔ)的高級光學(xué)粒子測量儀[20]，儀器通過降水粒子下降時對激光帶的遮擋來計算和測量降水粒子的尺寸和速度，可實現(xiàn)對降水類型、降水粒子數(shù)密度、降水強(qiáng)度和累積降水量等實施監(jiān)測。儀器可識別毛毛雨、小雨、雨、雨加雪、雪、米雪、凍雨及冰雹8 種降水類型，測量數(shù)據(jù)有32 個尺度通道和32 個速度通道，粒子尺度測量數(shù)據(jù)范圍為0.2~25 mm，粒子速度測量范圍為0.2~20 m/s[21]。

本文所用資料由OTT Parsivel 激光雨滴譜儀獲取，儀器架設(shè)在位于九曲黃河第一彎的青海省河南蒙古族自治縣（101°40′E，34°43′N），海拔高度3500 m，為高原大陸性氣候，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)，年均氣溫在9.2~14.6 ℃，年降水量597.1~615.5 mm，是黃河上游地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地和產(chǎn)流區(qū)。觀測時段為2017 年7 月1 日—8 月31 日。

首先對雨滴譜數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，由于雨滴譜儀會受到雨滴重疊帶來的影響，因此認(rèn)為在觀測中出現(xiàn)的直徑大于6 mm 的雨滴是由重疊所造成的，對這些記錄予以剔除。同時，剔除降水量＜1 mm 和降水時間＜30 min 資料，在觀測時段內(nèi)，共選取31 次降水過程。處理后的雨滴尺度范圍分布在0.312~5.5 mm。雨滴譜觀測的同時，收集了衛(wèi)星云圖、云和天氣現(xiàn)象的觀測資料，以確定降水云系類型。具體觀測時段和降水云系如表1 所示。本文共收集到層狀云系降水（S）6 次，對流云系降水（C）18 次，積層混合云系降水（SC）7 次。

雨滴在下落過程中多呈橢球形，雨滴譜儀發(fā)射的激光只能測量水平方向上的雨滴尺度，觀測的雨滴直徑為橢球形雨滴的長軸直徑，可能造成測量值偏大。因此，采用Battaglia 等[22]的方法，對雨滴進(jìn)行形變修正。公式如下：

表1 觀測起止時間及降水云系

其中，D 為修正后的雨滴等效球形直徑，Dpar為雨滴譜儀測得的雨滴直徑。

在表征雨滴譜特征時，對雨滴各種直徑值進(jìn)行研究是非常有意義的。本項目計算了每次降水過程中雨滴的5 種直徑，即平均直徑Dm、均方根直徑Dr、平均體積直徑Dv、中數(shù)直徑Dnd和中數(shù)體積直徑Dn。各種直徑的計算方法及意義詳見文獻(xiàn)12。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同云系降水雨滴粒子數(shù)密度

圖1 為2017 年7—8 月黃河上游地區(qū)雨滴譜儀觀測的31 次降水過程單位降水量雨滴的各種粒徑數(shù)密度分布及三類降水云系雨滴數(shù)密度百分比，圖中橫坐標(biāo)為粒子直徑，縱坐標(biāo)為單位降水量的平均雨滴粒子個數(shù)。如圖所示，相同類型云系降水的分布曲線相似，變化趨勢較為接近。層狀云系降水的粒徑分布曲線向峰值過渡較為急促，單位降水量的粒子個數(shù)最大。對流云系降水的粒徑分布曲線較為平緩，單位降水量的粒子個數(shù)最小。混合云系降水粒徑分布曲線居中，單位降水量的粒子個數(shù)處于層狀云和對流云之間。

層狀云系降水粒徑峰值主要出現(xiàn)在0.4 mm 左右，粒徑范圍較窄，90%的粒子集中在0.3~0.9 mm，單位降水量的雨滴數(shù)密度最大?；旌显葡到邓椒逯抵饕霈F(xiàn)在0.7 mm 左右，90%的粒子集中在0.3~1.0 mm，粒徑分布范圍較層狀云系降水寬，單位降水量的雨滴數(shù)密度明顯小于層狀云系降水。對流云系降水粒徑峰值主要出現(xiàn)在0.8 mm 左右，粒徑分布范圍最寬，90%的粒子集中在0.3~1.4 mm，除個別降水過程外（如8 月21 日21：16—23：59 降水過程）單位降水量的雨滴數(shù)密度最小。這與周黎明等[23]、史晉森[24]的研究結(jié)果類似。層狀云系降水和混合云系降水粒子多呈現(xiàn)單峰值分布，對流云系降水粒子多呈現(xiàn)雙峰型分布，小粒子峰值出現(xiàn)在0.8 mm 左右，大粒子峰值出現(xiàn)在1.3 mm 左右。大雨滴是對流云降水的特征，對流越強(qiáng)，大雨滴越多。數(shù)密度的變化體現(xiàn)了云內(nèi)雨滴增長方式，積云中云水碰并增長，產(chǎn)生了大量大直徑雨滴，同時由于大雨滴的破碎，也產(chǎn)生了大量小雨滴。

2.2 不同云系降水微物理參量統(tǒng)計特征

2017 年7—8 月，黃河上游地區(qū)31 次降水過程雨滴微物理參量統(tǒng)計值及均值如表2 所示，Dm、Dr、Dv、Dnd、Dn分別為平均直徑，均方根直徑、平均體積直徑、中值直徑和體積中值直徑。圖2 為三類云系降水雨滴微物理參量均值特征，5 種雨滴微物理參量特征均呈現(xiàn)對流云系降水最大，層狀云系降水最小，混合云系降水居中的特點(diǎn)。這與周黎明[25]、柳臣中等[26]的研究結(jié)果相似。此外，降水雨滴的體積與雷達(dá)回波強(qiáng)度有關(guān)，雨滴體積越大，反射面越大，回波強(qiáng)度越大，從平均體積直徑可以看出，對流云系降水的雷達(dá)回波遠(yuǎn)大于層狀云系降水。

圖1 單位降水量雨滴粒徑密度及數(shù)密度百分比分布

表2 3 類云系降水微物理量統(tǒng)計特征值

2.3 不同云系降水微物理參量的連續(xù)演變特征

雨滴譜微物理參量隨時間的演變特征，可以反映云和降水形成機(jī)制的不同。通過研究不同類型云系降水的微物理參量演變規(guī)律，可以更好地了解不同云系降雨機(jī)制上的差別。本文選取了3 種類型降水中較為典型的個例：2017 年8 月22 日3：05—7：06 層狀云系降水，8 月24 日11：38—14：36 對流云系降水和8 月21 日21：16—23：59 混合云系降水，對雨滴譜微物理參量隨時間的演變特征進(jìn)行分析。

圖2 三類云系降水微物理參量均值特征

黃河上游地區(qū)，平均直徑、均方根直徑和平均體積直徑均表現(xiàn)為：層狀云系降水雨滴粒子平均直徑最小，粒子直徑范圍處于0.4~1.1 mm；混合云系降水雨滴粒子平均直徑略高于層狀云系降水，粒子直徑范圍處于0.4~1.4 mm；對流云系降水雨滴粒子平均直徑最大，粒子直徑范圍處于0.5~3.4 mm，對流云系降水最大粒子直徑為層狀云系降水的3 倍，是混合云系降水的2 倍（圖3）。說明對流云系降水主要由粒徑較大的雨滴來貢獻(xiàn)，層狀云系降水主要由粒徑較小的雨滴來貢獻(xiàn)；層狀云系降水粒子起伏較大，對流云系降水粒子起伏較小。中值直徑和體積中值直徑與其他3 種粒子直徑變化趨勢不同，主要因為其與降水強(qiáng)度關(guān)系密切，而降水強(qiáng)度是由粒子直徑和數(shù)濃度共同決定。

2.4 不同云系降水雨滴粒子數(shù)密度與降水強(qiáng)度的變化關(guān)系

層狀云系降水雨強(qiáng)變化幅度較小，范圍集中在0~3 mm/h，最大雨強(qiáng)2.6 mm/h，降水發(fā)生初期，雨滴數(shù)濃度不斷升高，雨強(qiáng)增大（圖4），但降水初期雨滴粒子直徑呈下降趨勢，表明初期降水主要由小粒子雨滴組成；降水中期，粒子數(shù)濃度急劇升高，雨強(qiáng)增加幅度不大，表明中期降水由更小粒子雨構(gòu)成，小雨滴對降水的貢獻(xiàn)率大；降水后期（200 min），粒子數(shù)濃度下降，雨強(qiáng)升高明顯，說明后期降水主要由大粒子雨滴構(gòu)成，對應(yīng)降水后期雨滴粒子直徑出現(xiàn)峰值。

圖3 3 類云系降水微物理參量連續(xù)演變特征

圖4 3 類云系降水強(qiáng)度與數(shù)濃度連續(xù)演變特征

混合云系降水雨強(qiáng)變化居中，降水初期粒子數(shù)濃度變化和雨強(qiáng)變化趨勢相近，數(shù)濃度的增加導(dǎo)致雨強(qiáng)增加，同時，粒子直徑也有所增加，表明降水初期，粒子直徑逐漸變大，濃度增加，降水由大小粒子共同組成。20 min 后，雨強(qiáng)增加明顯，粒子直徑也大幅度增加，數(shù)濃度增加較小，表明降水主要由大粒子雨滴貢獻(xiàn)。40 min 時，雨強(qiáng)和數(shù)濃度同時出現(xiàn)峰值，而粒子直徑處于谷值，表明此時降水主要由小雨滴構(gòu)成。100 min 時，雨強(qiáng)增大，粒子直徑呈現(xiàn)峰值，數(shù)濃度卻很小，說明此時降水主要由大雨滴構(gòu)成。

對流云系降水雨強(qiáng)變化幅度較大，范圍集中在0~11 mm/h，最大雨強(qiáng)高達(dá)10.9 mm/h，降水開始時，雨滴數(shù)濃度很小，雨強(qiáng)很大，表明初期降水主要由大粒子雨滴組成。40 min 后，雨強(qiáng)和粒子數(shù)濃度同時增加并出現(xiàn)峰值，表明大粒子數(shù)量減少而小粒子數(shù)量不斷增加，70 min 后，雨滴數(shù)濃度依舊很高，降水強(qiáng)度逐漸減弱，表明降水主要由小粒子雨滴構(gòu)成，降水結(jié)束前，在150 min 時雨強(qiáng)增加，但數(shù)濃度增加幅度較小，表明雨滴粒子直徑有所增大。

混合云系和對流云系降水強(qiáng)度和雨滴粒子數(shù)濃度相關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)分別為0.809 3 和0.738 6，層狀云系稍低，為0.516 5（圖5）。3 類云系降水強(qiáng)度與雨滴平均直徑和平均體積直徑相關(guān)性均較差，表明雨滴平均直徑和平均體積直徑對降水強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率不大。3 類云系降水強(qiáng)度與雨滴中值直徑和中值體積直徑相關(guān)性均較好，混合云系和對流云系相關(guān)系數(shù)略高于層狀云系，這與中值直徑和中值體積直徑的意義相關(guān)。

圖5 3 類云系降水強(qiáng)度與微物理參量相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計

3 結(jié)論

本文選取黃河上游地區(qū)2017 年7—8 月31 次降水過程激光雨滴譜儀觀測數(shù)據(jù)，對黃河上游地區(qū)3 類不同云系降水（層狀云系降水、混合云系降水、對流云系降水）的雨滴譜特征及降水微物理參量進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）相同類型云系降水的雨滴粒徑數(shù)密度分布曲線相似，變化趨勢較為接近。層狀云系降水的粒徑分布曲線向峰值過渡較為急促，對流云系降水的粒徑分布曲線較為平緩。層狀云系降水粒徑峰值主要出現(xiàn)在0.4 mm 左右，粒徑范圍較窄，單位降水量的雨滴數(shù)密度最大；混合云系降水粒徑峰值主要出現(xiàn)在0.7 mm 左右，粒徑分布范圍較層狀云系降水寬，單位降水量的雨滴數(shù)密度明顯小于層狀云系降水；對流云系降水粒徑峰值主要出現(xiàn)在0.8 mm 左右，粒徑分布范圍最寬，峰值對應(yīng)的粒徑最大，單位降水量的雨滴數(shù)密度最小。層狀云系降水和混合云系降水雨滴粒子多呈單峰型，對流云系降水雨滴粒子多呈雙峰型，表明降水的不穩(wěn)定性。

（2）按照降水云系不同分別對雨滴各微物理參量（平均直徑、均方根直徑、平均體積直徑、中值直徑和體積中值直徑）進(jìn)行比較，各值由大到小排序依次為對流云系降水、混合云系降水和層狀云系降水。

（3）層狀云系降水雨強(qiáng)變化幅度較小，對流云系降水雨強(qiáng)變化幅度較大，混合云系和對流云系降水強(qiáng)度和粒子數(shù)濃度相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7 以上，層狀云系稍低，相關(guān)系數(shù)僅為0.5。

本文分析了黃河上游地區(qū)3 類不同降水云系的雨滴譜特征，為該地區(qū)進(jìn)一步分析降水微觀特征提供了重要的理論依據(jù)。此外，由于黃河上游地區(qū)地形復(fù)雜，且降水雨滴譜時空變化較大，觀測結(jié)果的分析具有局地性特點(diǎn)，不一定代表整個黃河上游地區(qū)，本文僅是對黃河上游地區(qū)雨滴譜特征的初步探討，下一步還需要增加更多有效的觀測點(diǎn)，得到更多加密的雨滴譜資料，進(jìn)一步深入分析黃河上游地區(qū)雨滴譜的變化特性。同時，在今后的研究中，可結(jié)合降水過程中飛機(jī)探測資料，對比分析云中和地面的雨滴譜微物理特征。