河北省不同地區(qū)雨滴譜統(tǒng)計特征

耿曉晨 王芳 張功文 杜亮亮

[摘 要] 利用2016～2018年OTT Parsivel激光雨滴譜儀在河北省 4個地區(qū)不同降水類型下的氣象觀測資料進(jìn)行調(diào)查研究，結(jié)果表明：對層狀云降水、積層混合云降水及積雨云降水三類降水而言，由于降水過程中云系不同，雨滴譜也具有顯著差異，山區(qū)降水廣義截距參數(shù) Nw和質(zhì)量加權(quán)平均直徑 Dm均大于平原地區(qū)，且山區(qū)雨滴譜變率大于平原地區(qū)。通過Nw和Dm與R的擬合公式發(fā)現(xiàn)在積雨云降水中，Nw比 Dm對雨強(qiáng)的敏感性更強(qiáng)。

[關(guān)鍵詞] 降水;雨滴譜;河北

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，降水對人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生著越來越重要的影響，而降水的類型隨著影響系統(tǒng)及宏觀、微觀條件有明顯不同。為探究不同降水類型的內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)行雨滴譜譜型分析就顯得尤為重要。

雨滴譜 DSD （ Rain Drop Size Distribution ）是指在單位體積內(nèi)雨滴大小的分布。雨滴譜觀測是云降水物理學(xué)研究的重要內(nèi)容之一， 通過雨滴譜分布可以計算各種降水物理參量。因此，眾多學(xué)者對雨滴譜進(jìn)行了廣泛研究Bringi，etal研究表明雨滴譜特征與降水類型、天氣系統(tǒng)及地形條件有密切關(guān)系。針對雨滴譜數(shù)據(jù)的處理方法，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了諸多思考。而Ulbrich則認(rèn)為使用三種參數(shù)的Gamma型分布更能描述實際的雨滴譜分布，且其不僅能反映層狀云雨滴譜分布， 更是積雨云和積層混合云雨滴譜較為理想的表達(dá)式。且在，降水過程中，不同降水類型及地形條件下的雨滴譜譜型具有顯著不同，因此開展河北省不同緯度及海拔高度的雨滴譜譜型研究就顯得至關(guān)重要。

河北省目前在全省部署了多部OTT Parsivel激光雨滴譜儀，且在歷次降水過程中得到了較為完整的觀測資料，為我們對河北省南北部不同地區(qū)雨滴譜譜型的分析奠定了基礎(chǔ)。

一、儀器及觀測概況

Parsivel激光雨滴譜儀通過采用平行激光束發(fā)射和接收進(jìn)行探測，是由發(fā)射機(jī)、運(yùn)算、控制、存儲等電路部分和接收機(jī)組成。當(dāng)有降水粒子（無論固態(tài)還是液態(tài)甚至沙塵）穿越采樣空間時，自動記錄遮擋物的寬度和穿越時間，從而計算降水粒子的尺度和速度。儀器測量的數(shù)據(jù)共有32個尺度測量通道和32個速度測量通道，其中粒子尺度測量通道對應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為0.2～25mm，粒子速度測量通道對應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為0.2～20m/s。因此，每個樣本的粒子譜數(shù)據(jù)都有1024個。

二、資料與方法

（一）GammaDSD的計算方法

據(jù)觀測基于雨滴譜數(shù)據(jù)觀測進(jìn)行，經(jīng)研究表明前兩檔（0.062mm和0.187mm）由于信噪比過低而不能使用，因此觀測到粒子的最小尺度由第三檔開始。并且對觀測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)尺度大于6mm的雨滴進(jìn)行剔除，因為在自然降雨中這樣的大雨滴十分少見，認(rèn)為其在下落過程中已經(jīng)破碎。由此，雨滴直徑的有效觀測范圍是2～6mm。雷達(dá)產(chǎn)品來自河北省內(nèi)新一代多普勒雷達(dá)。根據(jù)實際觀測記錄的降水過程三類降水云，即層狀云（S）、積雨云（C）和積層混合云（T），由于觀測中對雨滴進(jìn)行了球形近似，而實際雨滴在下落過程中可能發(fā)生形變，因此首先需要對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正處理。采用Battaglia，etal方法，對雨滴進(jìn)行形變修正。經(jīng)研究表明，Gamma分布較M-P分布更加符合雨滴譜分布特征，這里采用階矩法對Gamma分布參數(shù)進(jìn)行擬合。目前階矩法估計譜分布參數(shù)被廣泛應(yīng)用于雨滴譜的研究，利用這一方法，質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm（mm）可表示為：

廣義截距參數(shù)Nw（mm-1·m-3）表示為：

其中（1.0g·cm-3）為水的密度，W為雨水含量;式中標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)Nw（單位：m-3.mm-1）的作用與Gamma參數(shù)N0類似同為控制雨滴個數(shù)的參數(shù)，此參數(shù)代表粒子濃度。從（2）式中可以看出參數(shù)Nw主要受到液態(tài)水含量W及質(zhì)量加權(quán)平均直徑Dm的影響。如此一來，GammaDSD可以由Dm及Nw來描述。

（二）觀測情況

選取河北省位于邯鄲武安、邯鄲市區(qū)、張家口康保、廊坊的4個地區(qū)雨滴譜儀為觀測對象，這4個觀測站點(diǎn)從北到南分布不同，其中武安、康保海拔較高為山區(qū)地形，廊坊、邯鄲為平原。為保證實驗準(zhǔn)確性將雨強(qiáng)小于0.1mm.h和雨滴數(shù)不足10個的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。共得到8萬余個1min的有效樣本。

依據(jù)雷達(dá)回波特征及雨強(qiáng)情況可將降水過程分為三種即層狀云降水，積雨云降水，積層混合云降水。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)2016～2018年武安、邯鄲、康保、廊坊各點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計結(jié)果如下：

給出了上述4個觀測點(diǎn)平均log10Nw（a）與 Dm（b）而給出了上述四個地區(qū)在三種不同降水類型下的log10Nw與Dm的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，我們可以看出對流性降水雨滴數(shù)濃度和質(zhì)量加權(quán)平均直徑最大，積層混合云降水的雨滴數(shù)濃度和質(zhì)量加權(quán)平均直徑次之，層狀云降水的上述兩參數(shù)最小。并且對同一種降水而言，Nw與 Dm也存在一定差異，山區(qū) Dm與平原相差不大，但Nw大于平原。說明地形對雨滴譜數(shù)濃度的影響較大，但對直徑的影響較小。且在積雨云降水過程中，山區(qū)與平原降水?dāng)?shù)濃度的差異大于層狀云降水，也說明了地形對積雨云降水的影響最大。此外山區(qū)的兩參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差比平原大，說明在山區(qū)及平原雨滴譜都存在一定變率，且這種變率在山區(qū)大于平原。

（三）Nw、Dm與R的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究雨滴數(shù)濃度和特征直徑與降水強(qiáng)度的關(guān)系，我們對山區(qū)及平原在積雨云降水及層狀云降水2種不同降水類型下進(jìn)行擬合，為擬合出的結(jié)果，觀察各式我們發(fā)現(xiàn)擬合得到的冪指數(shù)關(guān)系均為正，說明在雨強(qiáng)較大時，Nw和 Dm值均較高，且通過觀察擬合公式可以發(fā)現(xiàn)，在Nw -R的擬合公式中，積雨云降水的系數(shù)和指數(shù)均最大，層狀云降水系數(shù)較小，而Dm -R公式中的系數(shù)與指數(shù)并無明顯差別，因此在積雨云降水中，Nw比 Dm對雨強(qiáng)的敏感性更強(qiáng)，這一點(diǎn)在雨強(qiáng)較大時更為明顯。因此，在雨強(qiáng)較大時，雨強(qiáng)的增加主要導(dǎo)致 Nw的增大，這主要是因為在雨強(qiáng)較大時，雨滴在下落過程中由于凝結(jié)破碎機(jī)制的存在已經(jīng)達(dá)到平衡態(tài)。

三、結(jié)論

本文選取河北省不同地區(qū)、不同地形條件下的雨滴譜觀測資料，分為3種降水類型進(jìn)行統(tǒng)計研究，得出主要結(jié)論為：

1.對流性降水雨滴數(shù)濃度和質(zhì)量加權(quán)平均直徑最大，積層混合云降水次之，層狀性降水最小。

2.同一種降水而言山區(qū) Dm與平原相差不大，但Nw大于平原。說明地形對雨滴譜數(shù)濃度的影響較大，對直徑的影響較小。

3.在積雨云降水過程中，山區(qū)與平原降水?dāng)?shù)濃度的差異大于層狀云降水，說明了地形對積雨云降水的影響最大。

4.在山區(qū)及平原雨滴譜都存在一定變率，且這種變率在山區(qū)大于平原。

5.Nw和 Dm與R擬合得到的冪指數(shù)、關(guān)系指數(shù)、系數(shù)均為正，說明在雨強(qiáng)較大時， Nw和 Dm值均較高。

6.在積雨云降水中，Nw比 Dm對雨強(qiáng)的敏感性更強(qiáng)，這一點(diǎn)在雨強(qiáng)較大時更為明顯，因此在雨強(qiáng)較大時，雨強(qiáng)的增加主要導(dǎo)致 Nw的增大。

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[作者單位]

河北省邯鄲市氣象局

（編輯：趙文靜）