雨滴譜及雙偏振雷達等資料在一次強降水過程中的應用*

申高航 高安春 李 君

1 山東省莒南縣氣象局，莒南 276600 2 山東省臨沂市氣象局，臨沂 276004 3 山東省淄博市氣象局，淄博 255025

提 要： 2019年8月9日20時至13日20時，受西風槽和臺風利奇馬的共同影響，山東省出現(xiàn)了大范圍的強降水，其中心在章丘站。利用多源資料研究臺風雨帶強降水的微物理結構特征，分析了強降水過程中章丘站的分鐘降水量、雨滴譜、雙偏振多普勒雷達、風廓線雷達等資料。分析發(fā)現(xiàn)：本次降水過程開始階段，存在明顯的冷云降水機制。降水過程中雨滴的尺度譜隨時間存在明顯變化。降水較強時段，雨滴譜較寬，呈現(xiàn)出明顯的雙峰結構，直徑大于1 mm的雨滴數(shù)序列與分鐘降水量序列相關系數(shù)達到0.956 8；降水減弱時段，譜寬逐漸變窄，呈現(xiàn)出明顯的單峰結構，直徑大于1 mm的雨滴數(shù)變少。雷達回波高度較高時段，直徑大于1 mm的雨滴數(shù)比例增大，譜寬較大，并出現(xiàn)多峰分布。強的濕湍流團可以形成差分反射率因子大值區(qū)，它既不對應于強對流，也不對應于地面大雨滴，是由上升和下沉氣流引起的濕湍團變形以及其他原因綜合導致的。降水較強時段，在風廓線時間剖面0.9～1.4 km高度，出現(xiàn)一個風向和風速突變的薄層結構；對應該薄層，分鐘雨量最強，直徑大于1 mm 雨滴數(shù)的比例明顯偏大。分析結果為了解臺風強降水的滴譜特征和微物理結構提供了參考依據(jù)。

引 言

地面降水是天氣系統(tǒng)熱力、動力、水汽等相互作用的綜合結果，其中包含有云降水微物理過程的復雜信息。加強對這些信息和過程的了解，可以更好地把握天氣過程，對改進和優(yōu)化氣候模式中的降水參數(shù)化方案、提高雷達定量估測降水的精度均具有重要意義(Gilmore et al，2004)。

對地面雨滴譜進行觀測，由雨滴譜分布可以計算和解讀出相應降水過程中的各種微物理特征量，長時期以來一直是云降水物理觀測的重要項目之一(羅俊頡等，2012；柳臣中等，2015)。近年來，國內外開展了很多雨滴譜的觀測，研究了不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同降水類型以及同一降水過程不同時間的雨滴譜特征及其時間變化(陳磊等，2013；申高航等，2020；周黎明等，2014；陳聰?shù)龋?015)。

雙偏振多普勒雷達發(fā)射水平和垂直兩種極化方向的電磁波，除了獲取常規(guī)雷達的監(jiān)測信息外，還可以獲取差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)以及相關系數(shù)(CC)等偏振參數(shù)。對這些參數(shù)進行分析、反演，可以獲取有關降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向等更為具體的氣象信息，是探測和研究降水粒子結構及物理機制的一種有效手段(馮晉勤等，2018；林文等，2020)。國內外對雙偏振雷達的應用研究主要集中在粒子相態(tài)識別(Giangrande et al，2016；劉黎平等，2015；黃勇等，2015)和降水量估測(李宗飛等，2015；汪舵等，2017)兩個方面。

風廓線雷達以大氣折射指數(shù)起伏(湍流塊)為示蹤物，可以提供大氣風場、垂直氣流等氣象要素隨高度的分布和隨時間的變化，具有很高的時間和空間分辨率。20世紀80年代以來，我國學者先后利用風廓線雷達資料對局地暴雨與低空急流做了分析研究，并陸續(xù)將其應用到霧-霾機理、邊界層特點分析等，取得了良好效果(王棟成等，2019；廖菲等，2017；黃興友等，2015)。

2019年8月9日20時至13日20時(北京時，下同)，受西風槽和臺風利奇馬的共同影響，山東大部地區(qū)出現(xiàn)極端強降水，最大降水出現(xiàn)在章丘。臺風影響期間，章丘站布設的自動氣象站、探空站、DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀和風廓線雷達記錄下整個過程的完整觀測資料。本文根據(jù)這些資料，結合齊河雙偏振多普勒雷達資料，分析了降水過程中章丘站分鐘降水量、雨滴譜、雙偏振多普勒雷達各參量、風廓線的時空分布特點及相互關系，加深了對本次極端強降水過程的理解，得出了許多有意義的結果，對于研究臺風強降水的滴譜特征和微物理結構、做好此類天氣過程的預報預警服務具有重要參考價值。

1 資料來源及說明

選用了章丘風廓線雷達11 380 m以下的高度層次，其中：100～820 m為60 m一個間隔，820～2 020 m 為120 m一個間隔，2 020～11 380 m為240 m 一個間隔，時間分辨率為6 min。

地面分鐘降雨量記錄數(shù)據(jù)和雨滴譜數(shù)據(jù)均來自章丘國家基本氣象站，觀測場經(jīng)緯度、海拔高度與風廓線雷達一致。雨滴譜資料取自DSG5型降水天氣現(xiàn)象儀，共包括32個尺度通道和32個速度通道，其中降水粒子尺度測量范圍為0.1～22.4 mm,降水粒子速度測量數(shù)據(jù)范圍為0.125～26 m·s-1。每分鐘數(shù)據(jù)為32×32=1 024個。雨滴譜資料將尺度測量范圍和速度測量范圍分別由小到大編碼為32個等級，這種編碼是非線性的，本文中有關圖表的雨滴速度和尺度坐標軸也使用了同樣的編碼。

章丘站位于濟南(齊河)雙偏振多普勒雷達站偏東方向70 km處(圖1)，能被雷達有效覆蓋，本文選用了齊河雙偏振多普勒雷達觀測的基數(shù)據(jù)，包括了反射率因子(Z)、徑向速度(V)、速度譜寬(W)、差分反射率因子(ZDR)、差分相移率(KDP)以及相關系數(shù)(CC)等參量?；鶖?shù)據(jù)采用VCP21掃描方式，6 min完成體掃中9個不同仰角，最低仰角為0.5°，最低仰角波束中心在章丘站距地面1.5 km左右，僅能探測到章丘站1.5 km以上的氣象目標。章丘站上空的雙偏振雷達數(shù)據(jù)通過查找體掃數(shù)據(jù)中的最近距離庫得到，繪制時間廓線圖時用了線性插值方法。

以上資料均從氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務接口(MUSIC)下載并解碼，時間統(tǒng)一由世界時變換為北京時。

2 天氣形勢概況及山東省降水分布

2019年1909號臺風利奇馬于8月10日01:45在浙江臺州市溫嶺城南鎮(zhèn)登陸。登陸后經(jīng)浙江中北部、上海、江蘇一路沿偏北路徑北上(圖1)，11日12時左右，“利奇馬”從連云港灌云縣進入黃海中部，11日20：50在青島市黃島區(qū)沿海再次登陸，12日凌晨到達渤海南部的萊州灣一帶，此后一直回旋，于13日上午減弱為熱帶低壓，移向東北，逐漸結束對山東的影響。在“利奇馬”北上過程中，西風槽位于臺風的西北方向，受副熱帶高壓阻擋，緩慢東移。

10日08時紅外云圖上，“利奇馬”位于(28.9°N、120.8735°E)，章丘站在臺風外圍云系和西風槽云系之間。 歐洲中心數(shù)值預報模式再分析場，400 hPa以下，“利奇馬”北部偏東氣流在西風槽前偏折分離轉向，一支轉向偏北，另一支轉向偏南，章丘站處在轉向的偏北氣流中；400 hPa以上，章丘站處在西風槽前的西南氣流中。

受西風槽和“利奇馬”的共同影響，9日20時至13日20時，山東大部分地區(qū)均出現(xiàn)了極端強降水，123個國家站平均降水量為179.7 mm，其中，降水量250 mm以上的有28個站，100～250 mm的有51個站，50～100 mm的有39個站。

由圖1可見，過程降水200 mm以上的區(qū)域呈南北走向，分布在山東中部，最大降水在章丘，為488.1 mm。

圖1 “利奇馬”影響山東的概況及 章丘和齊河站的位置分布 (填色為>100 mm的降水區(qū)域，五角星為章丘氣象站 和齊河雷達站的位置，帶點紅色實線為臺風路徑)Fig.1 Overview of the impact of Typhoon Liqima in Shandong and the locations of Zhangqiu and Qihe stations (Colored spots indicate precipitation areas greater than 100 mm, and five-pointed stars indicate the locations of Zhangqiu Weather Station and Qihe Radar Station; red dotted solid line marks the typhoon path)

3 降水過程中章丘站各觀測參量隨時間的變化特征

3.1 雨滴譜、降水量、大小雨滴數(shù)的時間變化

從圖2a中可以看出：過程中雨滴的尺度譜隨時間存在明顯變化；從10日10時到11日20時(對應圖2b中降水較強的時段)，雨滴譜較寬，呈現(xiàn)出明顯的雙峰結構，一個峰在0.7 mm左右，另一個在1.2 mm 左右，雨滴直徑1.2 mm左右的峰位置穩(wěn)定，另一個峰的位置隨時間有明顯變化(申高航等，2020)；從12日17時36分到13日15時(對應圖2b中降水逐漸減弱的時段)，雨滴譜譜寬逐漸變窄，呈現(xiàn)出明顯的單峰結構，峰所在的位置向小雨滴偏移； 11日03:12—20:00(對應圖2b中降水最強的時段)，出現(xiàn)了少量直徑>4.8 mm的大雨滴，最大雨滴直徑>6.4 mm。

從圖2b中可以看出：10日10時到11日20時，小雨滴數(shù)與大雨滴數(shù)曲線走向吻合，峰值對應，兩序列的標準化相關系數(shù)為0.677 4，信度>99.9%；總體來看，小雨滴數(shù)明顯多于大雨滴數(shù)，但在11日09:00—11:00、11日15：30—17：36，出現(xiàn)了大雨滴多于小雨滴的情況；從12日04時到降水結束，降水逐漸減弱，小雨滴數(shù)明顯增加，大雨滴數(shù)明顯減少，單位時間內雨滴總數(shù)明顯多于前期降水較強的時段，但大雨滴比例很低；從10日10時降水開始到12日12時的主要降水時段內，大雨滴數(shù)序列與分鐘降水量序列表現(xiàn)出非常強的相關性，兩序列的標準化相關系數(shù)達到0.956 8，信度>99.9%，這說明了較強降水與大雨滴貢獻有關(申高航等，2020)。

圖2 2019年8月10日08時至14日08時章丘站雨滴譜(a) 和分鐘降水量及大小雨滴數(shù)(b)隨時間變化Fig.2 The raindrop spectrum (a), time change of minutely precipitation and the number of large and small raindrops (b) at Zhangqiu Station from 08:00 BT 10 to 08:00 BT 14 August 2019

3.2 雙偏振多普勒雷達各參量廓線的時間變化

對雙偏振多普勒雷達參數(shù)進行分析、反演，可以獲取有關降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向等更為具體的氣象信息。ZDR表達一個探測空間體(距離庫)的平均的粒子形狀，ZDR值與雨滴大小密切相關；KDP表達一個探測空間體的平均的液態(tài)水含量，與降水率成比例。CC描述探測空間體內粒子的水平和垂直極化的回波信號變化的平均相似度，反映探測空間體中降水粒子相態(tài)相似度，主要用于降水粒子的相態(tài)識別。

分析雙偏振雷達降水粒子判別的基本依據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)ZDR出現(xiàn)負值是判斷冰相降水粒子的重要指標。分析2019年8月10—11日章丘站4次定時探空資料，本次降水過程內，章丘站上空0℃層高度維持在5.06～5.75 km，7 km環(huán)境溫度為-8℃左右，9 km環(huán)境溫度為-18℃左右，10 km環(huán)境溫度為-27℃ 左右，12 km環(huán)境溫度為-42℃左右。以下制作章丘站上空雙偏振多普勒雷達各參量廓線的時間變化，并結合環(huán)境溫度條件和雙偏振雷達降水粒子判別的基本依據(jù)，了解章丘站本次強降水過程的降水粒子結構及物理機制。

選取圖3中10日12：48至11日12：48的主要降水時段進行分析。

由圖3a可以看出，該時段6～10 km的高度層內KDP明顯大于0°·km-1，最大值超過0.6°·km-1，高度在8 km處。結合環(huán)境溫度條件，判斷該區(qū)域存在比較豐富的過冷卻水及冰水轉化過程。從8～11 km，KDP隨高度下降逐漸增加，6 km以下，KDP隨高度下降逐漸減少。

圖3b中，11～8 km的高度層次內，ZDR有正有負，最小值為-2 dBz，最大值為3 dBz。8～6 km，ZDR負值區(qū)域明顯增加。5 km以下，隨高度下降，ZDR逐漸變?yōu)檎怠?/p>

圖3c中，從11～8 km，粒子相態(tài)迅速趨于一致，CC快速增加到0.9以上，部分區(qū)域達到0.97。從8～5 km，CC逐漸減少到0.95左右。從5～2 km，粒子相態(tài)再次趨于一致，CC又逐漸增加到0.97以上。

圖3d是回波反射率因子廓線的時間變化，回波反射率因子大小與雨滴譜分布密切相關。選定時間段內，從10～6 km高度，回波逐漸增強，表明該高度層內降水粒子繁生和增長效應明顯；10日20:24至11日02:10存在較強的回波(>42 dBz)懸垂于2 km 以上的現(xiàn)象，說明懸垂強回波下可能存在大雨滴的破碎或雨滴蒸發(fā)。對比圖2a和圖3d發(fā)現(xiàn)，雨滴譜出現(xiàn)雙峰結構的時間段對應較厚的回波厚度(特別是強度大于10 dBz的回波厚度)，說明較厚的回波厚度可使雨滴在適宜的環(huán)境中存在較長時間，凝結增長和碰并增長使雨滴譜寬和有效半徑增加，并出現(xiàn)多峰分布(宋躍輝等，2018)。

針對圖3d中較強的回波懸垂于2 km以上的現(xiàn)象，分析10日20：24至12日04：02時間段內齊河雙偏振雷達的PPI和RHI圖像。發(fā)現(xiàn)該時間段內，0.5°仰角的PPI圖像上，章丘以西的邊界非常整齊；RHI圖像上，回波西邊界到章丘以東，較強回波懸垂于2 km以上的現(xiàn)象比較普遍。該區(qū)域由于處在西風槽與臺風的相互作用區(qū)，高層暖濕東風氣流中形成的雨滴，進入低層干冷空氣后，出現(xiàn)了蒸發(fā)和破碎，回波強度減弱，從而出現(xiàn)了較強回波(>42 dBz)懸垂于2 km以上的現(xiàn)象(圖4)。

綜合分析該時段章丘站上空雙偏振多普勒雷達各參量廓線的時間變化，可以得出降水過程的如下信息：在接近11 km的高層，降水粒子相態(tài)比較復雜，可能同時存在冰晶、雪、霰和雨滴，同時這里降水粒子尺度小、濃度低，因而回波Z和CC都很??；降水粒子下落進入10～6 km高度層次的豐富過冷卻水區(qū)，經(jīng)過冰水轉化的貝吉龍過程加快了冰晶的增長、繁生和凇附，促進了過冷卻水滴等其他粒子向冰晶的轉化，降水粒子濃度和尺度增大、相態(tài)趨于一致，相應地ZDR由正轉負，KDP逐漸減小，回波反射率因子和CC迅速增大；零度層(5 km左右)以下，在降水粒子下落過程中，冰晶等固態(tài)降水粒子逐漸融化，雨滴通過凝結和碰并繼續(xù)增長，到2 km高度，回波反射率因子增加到30 dBz左右，CC增大到0.97，基本全部為雨滴。

3.3 風廓線時間變化

在 10日10:53、12日13:45以及降水過程后期，圖3b中出現(xiàn)了類似ZDR柱的ZDR大值區(qū)。ZDR大值區(qū)一般對應大雨滴，ZDR柱是判斷強對流天氣的重要指標。但這些ZDR大值區(qū)出現(xiàn)的時間內，既沒有強對流天氣，也沒有觀測到大雨滴。為了分析這種現(xiàn)象并加深對本次過程的了解，制作了章丘站本次過程風廓線的時間變化(圖5)。風廓線雷達以大氣折射指數(shù)起伏(湍流塊)為示蹤物，在晴空區(qū)，其探測的風速接近環(huán)境風，但在降水時段，其觀測的垂直速度值是大氣垂直風速和降水粒子垂直下降速度的復合值，而且在很大程度上反映的是后者(邱粲等，2017)。

從風廓線原始數(shù)據(jù)中每間隔十個時次選一個，每間隔一個高度選一個，繪制圖5。由圖5可以看出：降水開始前，章丘站上空水平方向全為弱的偏南風，垂直方向有弱的上升運動。降水開始后，隨著時間推移，1 km以下的邊界層內，水平風向由偏東風轉為東北風、再轉為偏北風，風速逐漸增強，強降水主要出現(xiàn)該時間段內；隨后，邊界層內的水平風向由偏北風轉為西北風，風速逐漸減小，該時間段降水較小且逐漸減弱；邊界層以上水平風也有類似變化，但時間滯后。

對照圖5和圖3b可以看出：ZDR廓線中那些特殊的ZDR大值區(qū)，對應著風廓線時間變化圖中弱下沉運動中出現(xiàn)弱上升運動的區(qū)域。這些區(qū)域湍流強，在上升和下沉運動的擠壓、拉伸和水平風的作用下，濕湍流團變大，形狀和取向也發(fā)生了較大改變，形成了不對應于實際地面降水的ZDR大值區(qū)，這是湍渦變形和其他原因綜合所致(黃琴等，2018)。

分析強降水時間段的風廓線圖可以發(fā)現(xiàn)：該時間段6 km以上均為一致的偏南風，垂直速度均在1 m·s-1左右；偏南暖濕氣流的輸送，有利于該層豐富的過冷卻水的維持，促進降水粒子的繁生和增長。在0℃層附近非常短的高度層內(5.5～4.6 km)，冰雪晶等冰相降水粒子融化為雨滴，空氣阻力減小，降水粒子下落加速，垂直速度由2 m·s-1快速增加到6 m·s-1；而4.6 km以下至2 km，垂直速度變化不大。2 km以下至貼地層內，11日03:12—17:36期間，在0.9～1.4 km高度，出現(xiàn)一個風向和風速突變的薄層結構；薄層內垂直速度為1 m·s-1左右，該層上方和下方垂直速度>6 m·s-1，水平風速分布也有類似特征(圖略)；薄層上方為東北風，薄層下方為偏北風；薄層內從上到下，風向出現(xiàn)了東北風—東風—東南風—偏北風的快速變化；圖2b中對應薄層出現(xiàn)的時間段，分鐘雨量最強，直徑≥1 mm雨滴數(shù)的比例明顯偏大，大部分時間大雨滴數(shù)多于小雨滴數(shù)。

4 結 論

2019年8月11日受西風槽和“利奇馬”的共同影響，章丘出現(xiàn)了極端強降水。通過分析章丘站強降水過程中分鐘降水量、雨滴譜、雙偏振多普勒雷達、風廓線雷達等資料的時間變化及彼此之間的聯(lián)系，加深了對本次強降水過程中降水粒子結構的變化及物理機制的認識，主要可歸納為以下幾點：

(1)降水過程中雨滴的尺度譜隨時間存在明顯變化。降水較強時段，雨滴譜較寬，呈現(xiàn)出明顯的雙峰結構，小雨滴數(shù)與大雨滴數(shù)的兩條曲線走向吻合，較強降水主要與大雨滴貢獻有關，大雨滴數(shù)序列與分鐘降水量序列相關系數(shù)達到0.956 8；降水減弱時段，雨滴譜譜寬逐漸變窄，呈現(xiàn)出明顯的單峰結構，峰所在的位置向小雨滴方向偏移，大雨滴數(shù)變得很少。

(2)降水較強時段，存在明顯的冷云降水機制。6～10 km高度層內為偏南暖濕氣流，KDP可以揭示豐富的過冷卻水位置，ZDR可以反映降水粒子主要的相態(tài)及形狀變化；Z、CC、風廓線雷達的垂直速度都表現(xiàn)為明顯的層次結構，反映了從上到下降水粒子繁生、增長和融化的過程。

(3)風廓線時間剖面0.9～1.4 km，出現(xiàn)一個風向和風速突變的薄層結構；對應該薄層，分鐘雨量最強，直徑大于1 mm雨滴數(shù)的比例明顯偏大。

(4)強的濕湍流團可以形成ZDR大值區(qū)，它既不對應于地面強對流，也不對應地面大雨滴，是由上升和下沉氣流引起的湍團變形及其他原因綜合導致的。