地面雨滴譜的觀測及特征分析

鄭藝

摘要：降水粒子特性是大氣運動和云內微物理過程的綜合結果，在云降水物理及人工影響天氣領域有著重要的意義。利用南京信息工程大學大氣物理與大氣環境實驗室的激光氣象粒度儀（Parsivel），選取了2007年12月9日到12日的5次降水過程的觀測數據，對雨強；降水量；雷達反射率等這些微物理參量進行分析。

關鍵詞：雨滴譜； 觀測方法； 雨滴譜函數； Parsivel； 微物理參量

1觀測儀器介紹

本次觀測所用的儀器就是激光粒度氣象儀（Parsivel）（Parsivel激光粒度氣象儀設備外觀圖（見圖4），它是一種現代化的以激光為基礎的光學測量系統，由德國OTT公司開發研制的。數據獲取和存儲是通過一個快速的數字化信號處理器完成的。激光氣象粒度儀以激光測量為基礎，測量的基本參數為粒徑和速度，采用平行激光束和光電管陣列結合，當有降水粒子穿越采樣空間時，自動記錄遮擋物的寬度，通過穿越時間計算降水粒子的尺度和速度。由此推導出從靜風到颶風所有風速下粒徑分布、降水量、能見度、雷達反射率、降水動能和降水類型。

中粒子尺度測量的數據范圍為0.2～25 mm，粒子速度測量的數據范圍對應著0.2～20 m·s-1。

粒子尺度的測量：降水粒子下降過程中經過探測儀器的采樣空間時，粒子的直徑a由被遮擋的接收二極管d個數確定。粒子速度的測量：粒子的下降速度V由接收二極管d被遮擋的時間t和粒子直徑a計算確定，即V=f（d，t）。假設粒子尺度均勻非變形，則有Vt=f（a）。由于計算速度足夠快，系統能夠響應所有經過的遮蔽物，從而可以統計所有降水粒子顆粒的尺度與速度。但是如果有兩個甚至多個降水粒子同時到達采樣面時，就會產生重疊誤差，無論是對尺度測量還是對速度的計算，都會產生很大的影響。

2資料及處理方法

南京屬北亞熱帶季風氣候，四季分明，冬夏長而春秋短。雨水充沛，光能資源充足，年平均溫度16℃。夏季最高氣溫可達38℃；冬季最低氣溫達零下8℃。年平均降雨117天，降雨量1106.5毫米；無霜期長，年平均239天。每年6月下旬到7月中旬為梅雨季節。此次觀測主要針對南京市2007年12月9日到12日的降水情況和降水的微物理參量進行分析。南京的冬天雨雪少，11-12月多濃霧天氣，冬季寒冷干燥。

圖1是2007年12月11日雨強和數濃度隨時間的變化圖，從圖中看出，降水的變化強度非常劇烈，雨強的變化主要集中在23：00至24：00之間，在23：30的時候出現了一個峰值，降水強度達到2 mm·h-1，持續一個小時左右，降水強度下降到接近于1的一個最小值，隨后逐漸增大，到23：40左右，出現一天中的最大值，降水強度接近4 mm·h-1，隨后降水強度開始下降至1.5 mm·h-1左右。幾分鐘后又出現了一個峰值，大概時間在23：50左右，此峰值為4.0 mm·h-1左右。這一天數濃度的變化還是要分為兩個階段，前一個階段持續時間較短只有二十幾分鐘，后一個階段從23：00開始到00：00結束，后一個階段在前半小時主要呈現上升趨勢，到23：30時出現一個峰值，隨后逐漸下降，到降水結束。總體來看，2007年12月11日的降水主要集中在23：00左右，在此階段，降水量很大，降水粒子集中。

圖2是2007年12月9日雷達回波強度和雨強隨時間的演變，從圖中看出，雨強和雷達反射率因子的變化是一致的，也就是說雨強越大，雷達反射率因子就越大，在22：50左右，兩者均出現了一個峰值，雨強達到1.5mm·h-1，雷達反射率因子達到1.8dBz，隨后逐漸下降，雖然兩者在或一階段都出現了幾個小峰值，但是總體來說還是處于下降趨勢。

根據2007年12月9日到12日四天的雨滴譜擬合圖，在9日，最大直徑為2.5 mm，最小直徑只有0.25 mm，所以譜寬大概為2.25 mm。由此可以得到，10日最大直徑為2.3 mm，最小直徑為0.24 mm，所以譜寬為2.06 mm。11日最大直徑為2.5 mm，最小直徑為0.24 mm，譜寬為2.26 mm，12日最大直徑為2.3 mm，最小直徑為0.24 mm，譜寬為2.06 mm，所以2007年12月9日到12日這四天的平均譜寬為2.16 mm，因此雨滴總數密度和雨滴平均尺度較小。從圖中還可以看出，不同雨強的雨滴譜分布譜形相似，都是單峰分布，峰值出現的雨滴直徑有所差別，雨強越大，峰值對應的雨滴直徑越大，譜越寬。從圖中還可以看出，在只有較弱降水的9日，數濃度的峰值為85 mm-1m-3 ，峰值區在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間，而10日和11日都有中等降水出現，在10日當天，數濃度的峰值為140 mm-1m-3 左右，峰值區在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間，在11日當天，數濃度的峰值為90 mm-1m-3 左右，峰值區在直徑為0.5 mm到1.0 mm之間；而12日是強降水天氣，數濃度的峰值為1200 mm-1m-3 左右，峰值區在直徑為0.5mm到1.0 mm之間。

3結論

（1）南京地區2007年12月9日到12日的降水屬于層狀云降水。

（2）在降水總體較弱或者較強的時候，雨強越大雨滴數濃度越小，雨強越弱雨滴數濃度越大；在降水總體強度中等時，雨強和雨滴數濃度變化趨勢一致，雨強大雨滴數濃度也大。

（3）雷達反射率因子Z和雨強I隨時間的演變趨勢相同，Z和I呈正相關關系。雨強越大，雷達反射率因子就越大。經過對實測點擬合發現雷達反射率因子Z是雨強I的指數函數。

（4）每日降水的平均雨滴譜表現為單峰，濃度隨直徑增大出現一個峰值后遞減，降雨越強，譜寬越大，數濃度反而小。雨滴譜在峰值右側的譜線呈負指數分布，即M-P分布。

參考文獻

[1]B.J.梅森.云物理學.中國科學院大氣物理研究所譯.北京.1978.154-158.

[2]陳德林，谷淑芳.大暴雨雨滴平均譜的研究.氣象學報，1989，21-26.