一次層狀云降水過程中微雨雷達探測精度分析

黨張利，常倬林*，曹 寧，米勇平，王 敏

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風險管理重點實驗室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏銀川 750002；3.寧夏人工影響天氣中心，寧夏銀川 750002）

我國幅員遼闊，降水分布不均，國內(nèi)對于降水結(jié)構(gòu)特征以及時空變化的研究眾多。雨滴譜是雨滴數(shù)濃度隨雨滴尺寸的分布變化，對于了解降水微物理過程，改進數(shù)值模式，改進降水參數(shù)化方案，提高降水預(yù)報準確度具有重要作用。華云雨滴譜儀是目前國內(nèi)觀測雨滴譜分布的重要手段，但其僅能觀測單點某一高度上的雨滴譜分布，無法觀測不同高度的雨滴譜，相關(guān)研究也比較少。20 世紀90 年代以來，微雨雷達的出現(xiàn)對于雨滴譜、定量降水估計和降水微物理結(jié)構(gòu)特征研究具有重大意義，微雨雷達是一種垂直指向的調(diào)頻連續(xù)波多普勒雷達，能夠連續(xù)測量不同高度降水特征量和雨滴譜的分布特征。近年來，國內(nèi)學者針對不同降水類型下微雨雷達的變化特征進行了研究。溫龍等[1]根據(jù)微雨雷達反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微雨雷達對層狀云降水過程的探測能力優(yōu)于對流云降水過程；楊文霞等[2]對河北層狀云進行了分析，發(fā)現(xiàn)云內(nèi)粒子下落速度由高空向地面逐漸增大；崔云揚等[3]對河北冷鋒云系進行了分析，發(fā)現(xiàn)降水在云內(nèi)和云外受不同微物理過程影響，垂直變化特征不同；曹寧等[4]對六盤山區(qū)山脊和山谷不同類型降水過程中的云微物理特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)六盤山區(qū)三類降水云山脊的反射率及反射率衰減程度均高于山谷。針對微雨雷達反演結(jié)果的準確性，國內(nèi)學者在不同地區(qū)將微雨雷達的反演結(jié)果與雨量計、雨滴譜儀結(jié)果進行對比分析。其中，宋燦等[5]對觀測資料、微雨雷達和雨滴譜儀3 種數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)雨滴譜儀和微雨雷達觀測降水強度的相關(guān)性較好，微雨雷達對于小粒子反演效果較好；王洪等[6—7]對微雨雷達和雨滴譜儀數(shù)據(jù)進行對比，也發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)性較好；王洪等[6]還利用數(shù)值模擬，針對濟南市一次降水過程，對微雨雷達與THIES 雨滴譜儀數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)微雨雷達與THIES 雨滴譜儀的雷達反射率因子、雨強、雨滴數(shù)濃度、雨滴中值體積直徑變化趨勢和幅度相近，且低層對液滴直徑反演的影響大于高層；崔云揚等[3]對100，200，300 m 高度處的微雨雷達、雨滴譜儀和雨量計數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)微雨雷達、雨量計及雨滴譜儀累計雨量結(jié)果較為接近，且趨勢一致，其中，微雨雷達在200 m 高度處雨強值與地面雨滴譜儀雨強值偏差最小，平均偏差為0.05 mm/h，相關(guān)系數(shù)為0.93；相比雨滴譜儀，微雨雷達雷達反射率因子和雨滴有效直徑結(jié)果偏小，雨強與液態(tài)水含量結(jié)果接近，雨滴數(shù)濃度差別較大；微雨雷達觀測到的小雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)高估，大雨滴數(shù)濃度出現(xiàn)低估，中雨滴數(shù)濃度較為一致；微雨雷達在100 m 處雨滴譜和特征量均與雨滴譜儀觀測結(jié)果偏差較大，可能是由于受到近地層的干擾。

寧夏使用微雨雷達剛剛起步，研究成果不多。本文利用六盤山地形云野外科學試驗基地布設(shè)在六盤山氣象站和大灣人工影響天氣標準化作業(yè)點的微雨雷達，對六盤山區(qū)一次不同高度上層狀云降水過程進行分析，探索六盤山地形影響下不同高度雨滴譜的變化特征，對進一步發(fā)掘六盤山地形條件下人工影響天氣潛力提供依據(jù)。

1 研究資料與方法

研究利用2019 年9 月11—13 日六盤山區(qū)一次典型層狀云降水過程中六盤山氣象站、大灣人工影響天氣標準化作業(yè)點的微雨雷達觀測資料，分析六盤山區(qū)雨滴譜垂直分布特征。六盤山氣象站位于北緯35°40′，東經(jīng)106°12′，海拔高度2 842 m，接近700 hPa 高度，是國家基準氣候站，具有代表性。大灣人工影響天氣標準化作業(yè)點位于涇源縣，處于六盤山東坡山腰。

微雨雷達可以定量反演雷達上方的降雨率、雨滴譜分布、雷達反射率、水滴下落速度及其他降雨參數(shù)的垂直廓線，探測的垂直分辨率為150 m，時間分辨率為10 s，最大測量距離為4 650 m，其主要參數(shù)見表1。

表1 微雨雷達主要參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 降水過程概況

由2019 年9 月11 日08：00 500，700 hPa 環(huán)流形勢圖（圖略）可以看出，整個歐亞范圍內(nèi)為兩槽一脊形勢，巴湖前為一大槽，寧夏處于槽底平直西風氣流中，其上游存在弱暖脊，受槽底東移擴散冷空氣影響，再加上高空西風急流，冷空氣勢力較強，寧夏北部有冷空氣侵入，配合高原的暖濕空氣，產(chǎn)生降水天氣過程。寧夏處于暖舌中，暖濕空氣較為充沛，至11 日20：00 北部高空槽東移接近10 個緯度，寧夏處于槽底偏西氣流中，700 hPa 與500 hPa環(huán)流場基本一致，表現(xiàn)出深厚的冷空氣。從12 日20：00 500 hPa 環(huán)境形勢圖（圖略）中看出，冷空氣勢力強，降溫劇烈，700 hPa 冷暖切變線位于寧夏南部，從西北方向南下的強冷空氣主體南壓到北緯30°，高空急流位于北緯30°～45°，13 日500 hPa 以偏南風水汽輸送為主，700 hPa 也以偏南風水汽輸送為主，存在切變線，13 日20：00 系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展，高、低空均有西南風水汽輸送，700 hPa 切變線較顯著，在此環(huán)流背景影響下，降水開始發(fā)展。六盤山氣象站出現(xiàn)了46.3 mm 的累計降水，降水從11 日19：00 開始，在12 日12：00 小時雨量達到峰值，為8.6 mm，從小時雨強數(shù)據(jù)看，降水呈先增多后減少，再增多，最后停止的過程，在12 日11：00—14：00，12日21：00 至13 日00：00 降水量稍偏大。

2.2 降水過程微雨雷達、雨滴譜儀、雨量計對比

六盤山氣象站微雨雷達、雨滴譜儀在同一高度上安裝，相距不到10 m，雨量計安裝在六盤山氣象站觀測場內(nèi)，高度低于兩個特種觀測儀器，相距幾十米，3 種儀器安裝海拔高度一致。為了更直觀地分析微雨雷達、雨滴譜儀兩種特種觀測儀器對雨量的觀測誤差，通過圖1 描述兩種儀器與雨量計實測數(shù)據(jù)之間的差值。在12 日08：00 之前，雨量計觀測到22 次0.1 mm 的微量降水。微雨雷達對于12 日08：00之前的降水量觀測次數(shù)大于22 次，大部分0.1 mm的降水量都能提前觀測，在時間上提前了5～15 min，對于降水累計量微雨雷達的觀測結(jié)果均小于0.1 mm。雨滴譜儀對于0.1 mm 的降水量基本既沒有預(yù)示也沒有觀測到。分析11 日17：05 至12 日08：00 的156 個樣本，發(fā)現(xiàn)累計降水量為0.1 mm 的觀測次數(shù)出現(xiàn)22 次，微雨雷達在150 m 高度處反演出25 次降水，比雨量計的14 次降水提前5～10 min，在300 m高度處反演出12 次降水，在450 m 高度處反演出9次降水，在300～450 m 高度處降水均出現(xiàn)在雨量計觀測之前，雨滴譜儀反演出0 次降水，對微量降水敏感性較弱。12 日10：10 至14：10 出現(xiàn)連續(xù)降水，隨著降水量的增加，微雨雷達與雨量計的降水量差距越來越大，當降水量≥0.4 mm 時，在300 m 高度處微雨雷達降水量更接近雨量計實測值，而在150 m高度處微雨雷達降水量比雨量計實測值偏低，在450 m 高度處微雨雷達降水量比雨量計實測值偏高，當降水量超過0.5 mm 時，微雨雷達反演誤差增大，從降水開始減弱時，在150～450 m 高度處微雨雷達反演結(jié)果均小于雨量計觀測值，這段時間由于雨滴譜儀故障，其未能觀測到降水。12 日14：55 至12 日18：55 降水斷斷續(xù)續(xù)，10 min 內(nèi)均會出現(xiàn)降水，微雨雷達和雨滴譜儀均反演出連續(xù)降水，但量值小于實測值；12 日20：20 至13 日04：35 出現(xiàn)小于0.5 mm 的降水，雨滴譜儀和微雨雷達反演的降水量均小于實測值，82%的樣本的差值在0.1 mm范圍內(nèi)。

圖1 9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站微雨雷達、雨滴譜儀、雨量計5 min 累計降水量的時間序列圖

2.3 微雨雷達和雨滴譜儀的相關(guān)性

9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站微雨雷達與雨量計5 min 累計降水量散點圖見圖2。從線性擬合結(jié)果看，150 m 高度處，降水量越小微雨雷達反演結(jié)果越好，隨著降水量的增加反演結(jié)果越差；300 m 高度處，當降水量在0.4～0.6 mm，微雨雷達反演的降水量與實測值基本吻合，當降水量大于0.6 mm 時，反演結(jié)果偏差較大；450 m 高度處，降水量在0.4 mm 左右，微雨雷達反演結(jié)果與實測值基本吻合。對微雨雷達與雨量計5 min 累計降水量的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差分析結(jié)果表明，150 m 高度處兩者的相關(guān)系數(shù)為0.767 4，均方根誤差為0.732 2；300 m 高度處兩者的相關(guān)系數(shù)為0.817 6，均方根誤差為0.402 0；450 m 高度處兩者的相關(guān)系數(shù)為0.811 5，均方根誤差為0.492 5，這與崔云揚等[3]在河北邢臺對微雨雷達和雨滴譜儀比較結(jié)果一致，即300 m 高度處微雨雷達反演降水量更接近于實測值。以上結(jié)果表明，微雨雷達安裝的海拔高度不會對降水的反演產(chǎn)生影響，150 m 高度處降水反演的誤差主要受下墊面影響。微雨雷達和雨滴譜儀時間分辨率均為1 min，因此，利用1 min 數(shù)據(jù)可對微雨雷達的可靠性進行驗證。

圖2 9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站微雨雷達與雨量計5 min 累計降水量散點圖

由于六盤山氣象站雨滴譜儀觀測資料的缺失，僅對六盤山氣象站和大灣人工影響天氣標準化作業(yè)點微雨雷達和雨滴譜儀進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者每分鐘降水量都能表現(xiàn)出提前預(yù)示，且兩者之間表現(xiàn)出一致的變化（圖略）。由9 月11 日20：00 至13 日08：00 大灣標準化作業(yè)點微雨雷達和雨滴譜儀的雨強散點圖（圖3）發(fā)現(xiàn)，3 個高度層微雨雷達與雨滴譜儀的雨強偏差較小，均方根誤差均在2.0 mm/h 以內(nèi)，兩種儀器的相關(guān)性較好。

圖3 9 月11 日20：00 至13 日08：00 大灣人工影響天氣標準化作業(yè)點微雨雷達與雨滴譜儀雨強散點圖

2.4 降水個例分析

9 月11 日20：00 至13 日07：00 六盤山降水累計量為46.3 mm，最大雨強出現(xiàn)在12 日12：00，值為8.6 mm/h；最大反射率、降水率均提前于最大雨強，最大值分別為38 dBZ，12 mm/h；降水量開始于11 日20：00，微雨雷達雷達強度、雨強、液態(tài)水含量和下落末速度沒有明顯的躍增，12 日08：00 和20：00 躍增明顯，但12 日08：00 液態(tài)水含量、下落末速度對于降水的變化較小，20 日20：00 下落末速度的變化范圍增大（圖4）。

3 結(jié)論

（1）六盤山氣象站的微雨雷達靈敏度高于雨滴譜儀，尤其對于陣性降雨微雨雷達的分辨率更高。隨著降水量的增加，當降水量在0.4～0.6 mm 時，300 m高度處微雨雷達的降水量更接近雨量計實測值。

（2）微雨雷達在300 m 高度處降水量的反演結(jié)果好于150，450 m 高度處；微雨雷達和雨滴譜儀雨強偏差在2.0 mm/h 以內(nèi)，相關(guān)性較好。

圖4 9 月11 日20：00 至13 日08：00 微雨雷達反射率、降水率、液態(tài)水含量、下落末速度隨時間和高度的分布

（3）9 月11 日20：00 至13 日08：00 六盤山氣象站最大反射率、降水率均提前于最大雨強，最大值分別為38 dBZ，12 mm/h；液態(tài)水含量、下落末速度對于12 日08：00 降水的反應(yīng)較差，各物理量對12 日20：00 雨量的反應(yīng)一致。