南海雨滴譜特征統(tǒng)計(jì)分析

黃彥彬 李春鸞 葉彩榮 邢峰華

（1 海南省人工影響天氣中心，?？?570203；2 ?？谑袣庀缶?，?？?570203；3 海南省氣象服務(wù)中心，?？?570203；4 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203）

0 引言

雨滴譜的時(shí)空變化對(duì)于認(rèn)識(shí)降雨的微物理特征和雷達(dá)定量降水評(píng)估有著重要影響。雨滴譜（raindrop size distribution）是指單位體積中雨滴的數(shù)濃度隨其尺度的分布，也是研究降雨微物理特征的重要手段。雨滴譜觀測(cè)研究可以反映降水形成的云微物理過程，改進(jìn)數(shù)值模式中的微物理過程參數(shù)化方案，提高模式對(duì)云微物理過程的模擬能力，提高遙感探測(cè)降水的能力，改進(jìn)空-地基測(cè)雨雷達(dá)反演降水精度。

南海位于中國(guó)南大門，海域遼闊，常規(guī)氣象資料不足。Rosenfeld等發(fā)現(xiàn)相比于大陸性降水，海洋性降水小滴數(shù)量多而大滴數(shù)量少，大陸性降水雨滴較大是由于大陸性降水云的冷云過程更加顯著，在冷云過程中產(chǎn)生的冰相粒子可以生長(zhǎng)到的較大的尺度而不破碎。隨著觀測(cè)技術(shù)的提高，海洋降水的觀測(cè)研究越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。Karev等利用主成分分析的方法對(duì)韓國(guó)雨季風(fēng)期間海洋性降水雨滴譜變化特征進(jìn)行分析。胡子浩等分析了南海地區(qū)一次對(duì)流云降水個(gè)例的雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)海上降水小粒子數(shù)濃度較高。

近些年來，隨著南海資源的開發(fā)，人為活動(dòng)在南海也逐漸增多，因此研究南海海域降水微物理特征量是十分必要的。2017年中國(guó)氣象局開始在全國(guó)主要?dú)庀笥^測(cè)站布設(shè)激光粒子譜測(cè)量?jī)x，并改稱降水現(xiàn)象儀。作為南海海域現(xiàn)有常規(guī)業(yè)觀測(cè)站中最主要的海洋島嶼站，位于西沙群島的三沙市永興島和珊瑚島降水現(xiàn)象儀2018年7月投入業(yè)務(wù)，截至2019年6月30日獲得了將近1年的連續(xù)觀測(cè)資料。本文利用三沙市永興島、珊瑚島海洋站近1年的降水現(xiàn)象儀資料反演的雨滴譜數(shù)據(jù)，并對(duì)同期海南本島最南端的三亞市海岸站資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究海洋站、海岸站降水云系的雨滴微物理特征，對(duì)提高海洋降水特征的研究提供支撐。

1 雨滴譜觀測(cè)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 雨滴譜觀測(cè)地點(diǎn)

三沙市永興島和珊瑚島均位于海南島東南部，永興島位于南海西北部廣闊的海面上，面積為2.6 km，平均海拔高度為5 m，直線距離海南本島最南端的三亞市為339 km，是西沙地區(qū)唯一具有較長(zhǎng)時(shí)間序列歷史資料的常規(guī)氣象測(cè)站；珊瑚島位于南中國(guó)海西沙群島永樂群島的永樂環(huán)礁西部，面積為0.31 km，最高點(diǎn)海拔9 m，直線距離三亞市為295 km，為有人值守的氣象觀測(cè)站。兩個(gè)海島站直線距離88 km，降水現(xiàn)象儀布設(shè)在島上的氣象觀測(cè)站內(nèi)。

降水現(xiàn)象儀是以激光為基礎(chǔ)的新一代粒子測(cè)量傳感器，當(dāng)有降水粒子穿越采樣空間時(shí)，光學(xué)接受光電陣列傳感器將降水粒子圖像轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，通過記錄遮擋物的寬度和穿越時(shí)間計(jì)算降水粒子的尺度和速度（圖1）。粒子尺度測(cè)量范圍為0～26 mm，按非等間距間隔將尺度范圍分為32個(gè)通道，速度測(cè)量范圍為0～22.4 m/s，同樣按非等間距分為32個(gè)速度通道。每一次采樣時(shí)間間隔60 s，一次采樣間隔內(nèi)的粒子譜數(shù)據(jù)為32×32=1024個(gè)。

圖1 降水現(xiàn)象儀觀測(cè)位置Fig. 1 Observation location of precipitation instrument

1.2 雨滴譜參數(shù)計(jì)算

首先，利用下式可以將觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雨滴的粒子數(shù)濃度

N

(

D

)：

式中，

N

(

D

) （單位：mm·m）是第

i

級(jí)尺度通道的單位體積單位間隔的雨滴數(shù)濃度；

n

是儀器在第

i

級(jí)尺度通道，第

j

級(jí)速度通道記錄到的雨滴個(gè)數(shù)；

T

（單位：s）為采樣時(shí)間； 為第

i

級(jí)尺度通道的間隔；

S

(

D

)（單位：m）為有效采樣面積，計(jì)算方法為：

降水積分參數(shù)，包括雷達(dá)反射率因子

Z

（mm·m）、雨強(qiáng)

R

（mm·h）、含水量

W

（g·m）和總雨滴數(shù)濃度

N

（mm），可以利用DSD觀測(cè)數(shù)據(jù)通過下式進(jìn)行計(jì)算：

雨滴的特征直徑也可以較好地反映降水的結(jié)構(gòu)特征，本文涉及到的特征直徑和特征參數(shù)包括：平均直徑

D

（mm）、中數(shù)體積直徑

D

（nn）、質(zhì)量加權(quán)平均直徑

D

（mm）和標(biāo)準(zhǔn)化階距參數(shù)

N

（mm·m），計(jì)算方法為：

其中， 為水的密度，取1 g·cm。

1.3 資料處理

利用中國(guó)氣象局布網(wǎng)的業(yè)務(wù)化的降水現(xiàn)象儀基數(shù)據(jù)，研發(fā)了降水微物理數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)PrADS?；鶖?shù)據(jù)從CIMISS實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)采用前端采集模塊，配置相關(guān)信息后，對(duì)降水現(xiàn)象儀站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸、存儲(chǔ)；導(dǎo)出描述降水過程微物理結(jié)構(gòu)的特征物理量數(shù)濃度、雨水含量、雨強(qiáng)、雷達(dá)反射率因子、降雨動(dòng)能通量以及描述降水粒子群的尺度平均量算術(shù)平均、均方根、峰值、體積中值、質(zhì)量加權(quán)平均和有效直徑等，對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制、誤差修正，利用該系統(tǒng)可以綜合分析降水的微物理過程。

海南本島以及南海各站具有明顯的熱帶氣候特點(diǎn)。西沙永興島降水量和雨日的氣候特征，降水主要出現(xiàn)在夏秋季，冬春季偏低。1—4月降水量較少，基本在50 mm以下，6月份以后進(jìn)入汛期，降水量明顯增多，直到10月達(dá)到最大，9月和10月南海西沙海域熱帶氣旋影響頻繁，降水強(qiáng)度大。10月后降水量迅速下降，11月以后西沙永興島的降水量逐步下降，冬半年南海西沙海域盛行旱季風(fēng)，永興島維持陰雨天氣，雨日偏多，但多以小雨為主，降水量偏小。利用自主研發(fā)的PrADS系統(tǒng)，收集整理了2018年7月12日—2019年6月30日的三沙市永興島、珊瑚島以及海南本島三亞市處理后的雨滴譜資料，包括永興2004份、珊瑚5272份、三亞14691份共計(jì)21967份有效分鐘降水雨滴譜數(shù)據(jù)。

圖2 為三站不同雨強(qiáng)分檔雨滴譜特征分布圖。對(duì)于10 mm/h以上強(qiáng)度降水，海岸站三亞的降水中段（1～4 mm）粒子濃度要比另外兩塊地區(qū)同強(qiáng)度降水高，但永興島降水的小滴峰值濃度要比珊瑚、三亞降水大，約為2×10m·mm。隨著雨強(qiáng)的增大，NWP海域降水中＜0.7 mm的雨滴濃度反而有減小的趨勢(shì)，尤其是40 mm/h以上強(qiáng)降水，減小的更明顯。該區(qū)各檔雨強(qiáng)降水的最大峰值濃度均在10m·mm以下。永興島在20～40 mm/h檔出現(xiàn)了6 mm以上雨滴，其他檔雨強(qiáng)降水中并未出現(xiàn)，這與珊瑚、三亞變化趨勢(shì)不同。

圖2 永興（a）、珊瑚（b）、三亞（c）雨強(qiáng)分檔雨滴譜特征Fig. 2 Raindrop spectrum characteristics of different rain intensity in Yongxing (a), Shanhu (b) and Sanya (c)

雨強(qiáng)的增大一般與對(duì)流強(qiáng)度增強(qiáng)有關(guān)，對(duì)流越強(qiáng)粒子碰撞破碎作用就越強(qiáng)烈，小粒子的數(shù)量就應(yīng)該更多，永興島降水就符合這種變化規(guī)律，但是珊瑚和三亞則不明顯，這說明3個(gè)站降水粒子作用的微物理機(jī)制存在一定差異。

給出了不同雨強(qiáng)下三站降雨微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的平均值（表1）。其中，

M

為有效樣本數(shù)、

R

為雨強(qiáng)、

D

、

D

、

D

、

D

分別為平均直徑、質(zhì)量加權(quán)平均直徑、體積中值直徑、平均最大直徑，

N

為粒子數(shù)濃度，

W

為含水量，

Z

為反射率因子?？紤]不同雨強(qiáng)降水的雨滴譜分布特點(diǎn)。按照雨強(qiáng)將觀測(cè)樣本分為6檔：

R

≤2 mm/h，2＜

R

≤5 mm/h，5＜

R

≤10 mm/h；10＜

R

≤20 mm/h，20＜

R

≤40 mm/h，

R

＞40 mm/h。不同雨強(qiáng)下的平均雨滴譜分布如圖2所示?？梢钥闯?，密度隨著雨強(qiáng)增大，各粒徑段的粒子濃度都在增大，滴譜變寬。雨強(qiáng)在2 mm/h以下時(shí)，三站的雨滴濃度在小粒子端有所下降，濃度峰值大約出現(xiàn)在0.4～0.6 mm；對(duì)于

R

＞40 mm/h強(qiáng)降水，濃度峰值出現(xiàn)在3～4 mm，說明在強(qiáng)降水條件下，3～4 mm降水粒子的貢獻(xiàn)占比最大，而且三亞站大滴的粒子濃度峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于永興、珊瑚兩站，說明在相近的雨強(qiáng)條件下，海岸站降水的大粒子濃度更高。另外，永興、珊瑚和三亞站在不同雨強(qiáng)下降水平均雨滴譜分布具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，三站大滴端粒子濃度迅速減小，譜型整體呈上凸趨勢(shì)。隨著雨強(qiáng)的增大，降水中3 mm以上的較大滴端粒子濃度不斷增加，這些大雨滴濃度的升高是雨強(qiáng)逐漸增大主要原因。但是，隨著雨強(qiáng)的增大，珊瑚島降水的峰值直徑基本穩(wěn)定在3 mm左右，變化較小。1.7～2.3 mm段粒子濃度基本穩(wěn)定，保持在10m·mm左右；與珊瑚島降水明顯不同的是，隨著雨強(qiáng)的增大，三亞地區(qū)降水的0.5～1.0 mm段粒子的濃度是不斷增大的，最大峰值濃度也在10m·mm以上。

表1 雨強(qiáng)分檔情況下降水的微物理參量平均值Table1 Mean values of microphysical parameters of precipitation under different rainfall intensity

2 降水的微物理特征

2.1 不同雨強(qiáng)下Gamma分布

微物理量的差異反映在雨滴譜上就是Gamma分布譜參量

N

、

μ

和

λ

的不同。利用階矩法對(duì)各檔雨強(qiáng)平均譜進(jìn)行擬合。表2給出了不同雨強(qiáng)下Gamma分布擬合的3個(gè)參數(shù)平均值，

N

=log(

N

)是標(biāo)準(zhǔn)化的截距參數(shù)，

μ

則代表了形狀參數(shù)，

μ

越大，曲線越向中間彎曲；

λ

代表了斜率參數(shù)，

λ

的值越大，曲線衰減越快。

表2 雨強(qiáng)分檔情況下降水的Gamma分布譜參數(shù)平均值Table 2 Average values of gamma distribution spectrum parameters of precipitation under different rainfall intensity

從表2中可見，隨著雨強(qiáng)的增大，三亞站降水的譜型參數(shù)

N

以10 mm/h為界先減小后增大，

μ

和

λ

則逐步減小；永興島降水的譜型參數(shù)

N

和

λ

呈一直減小趨勢(shì)，

μ

呈先減小后增大趨勢(shì)；珊瑚島降水的譜型參數(shù)

N

先減小后增大，

μ

則先增大后減小，

λ

呈一直減小趨勢(shì)。相同強(qiáng)度降水條件下，

R

≤2 mm/h的降水，永興島降水雨滴譜參數(shù)

μ

最大，

λ

值三亞站最大；但＞2 mm/h以上各檔降水，珊瑚島

μ

和

λ

值反而最大。 對(duì)于

N

，除了5＜

R

≤10 mm/h永興島略大于其他兩站，其余雨強(qiáng)分檔的

N

值珊瑚島都大于其他兩站。

2.2 Dm －Nw分布特征

質(zhì)量加權(quán)直徑

D

和標(biāo)準(zhǔn)化截距參數(shù)

N

是兩個(gè)物理意義明確、代表性較好的雨滴特征參量。圖3和圖4為三站降水

D

和log

N

的頻率分布直方圖。對(duì)海岸站三亞降水來說，log

N

的平均值大于永興、珊瑚；平均

D

最大為永興島。

圖3 永興（a）、珊瑚（b）、三亞（c）的log10Nw的頻率分布直方圖Fig. 3 Frequency distribution histogram of log10Nw of Yongxing (a), Shanhu (b) and Sanya (c)

圖4 永興（a）、珊瑚（b）、三亞（c）的Dm的頻率分布直方圖Fig. 4 Frequency distribution histogram of Dm in Yongxing(a), Shanhu (b) and Sanya (c)

3 結(jié)論

1）按雨強(qiáng)分檔的情況下，隨著雨強(qiáng)增大，各粒徑段的粒子濃度都在增大，滴譜變寬。海洋站永興和珊瑚降雨的譜分布具有小滴端銳減、大滴段上翹的特征，在相同雨強(qiáng)檔內(nèi)，大雨滴濃度更高，這導(dǎo)致降水的

D

、

D

等特征直徑也比三亞要大，且在前4檔內(nèi)，三亞降雨的總雨滴數(shù)

N

也高于永興、珊瑚。

2）本研究?jī)H僅收集了不到一年的雨滴譜資料，由于雨滴譜特征受不同天氣系統(tǒng)、地形和環(huán)境等影響較大，需要在以后的研究中按不同天氣系統(tǒng)、不同云的類型等進(jìn)行細(xì)分，進(jìn)一步揭示總結(jié)南海降水規(guī)律。