伊犁河谷汛期一次短時強降水雨滴譜特征分析

江新安，王敏仲

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.伊犁州氣象局，新疆伊寧 835000）

伊犁河谷汛期一次短時強降水雨滴譜特征分析

江新安1，2，王敏仲1

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.伊犁州氣象局，新疆伊寧 835000）

利用常規地面、高空、新一代天氣雷達以及雨滴譜資料，對2012年8月3日發生在伊犁河谷一次較大范圍暴雨的天氣形勢、雷達回波特征和降雨微物理特征等進行深入分析。200hPa西風急流、500hPa中亞低渦和地面冷鋒是這次強降雨過程的天氣背景。通過對暴雨雨滴譜演變分析得出,對流性降水是這次暴雨的主要組成部分,對流云團微物理結構存在明顯的不均一性,存在多個強降水中心,水平尺度多維持在10km左右,持續時間短,降水集中且雨滴濃度大,雨滴譜寬及分布差異大。同時分析雨滴譜演變特征、降水微結構特征、以及各種特征參量（平均直徑Da、最大直徑Dmax、粒子濃度N，雨強R，雷達反射率因子DBZ）、分雨強雨滴譜特征和ZR關系等。通過對這些量的分析，初步了解到了伊犁河谷短時強降水微物理結構特征。

伊犁河谷；暴雨；粒子數濃度；雨滴譜

隨著現代氣象綜合探測體系的建設，伊寧國家基準站能夠獲取豐富的氣象資料，但各種觀測資料相對獨立，沒有得到很好的應用和融合。特別是對降水成因的微物理過程認識較為淺顯。雨滴譜作為研究云和降水微物理結構的重要內容之一，含有豐富的降水微物理特征信息,在遙感信號衰減、雷達定量測定降水、模式參數化、人工影響天氣效果的檢驗和水土保持等方面有著廣泛的應用。我國從20世紀60年代以來，陸續進行了這方面的觀測和研究，并取得了一些重要的成果。劉紅燕等[13]根據由聲雨滴譜儀器測量得到的雨滴譜資料，結合降水云的結構將降水云系劃分成為對流云降水云系和層狀云降水云系。通過對這兩種降水云系中的穩定雨滴譜特征的分析，進一步劃分降水云系的判據。李艷偉,杜秉玉[15]分析研究了天山山區雨滴譜特性及分布模式，同時分析了各檔雨滴對總數密度、總雨強的貢獻，及大滴的破碎、小滴的形成情況。微結構參量隨時間的演變在受到天氣系統影響時，雨強的變化不僅與數密度有關，而且與最大直徑Dmax也密切相關。陳德林等[14]對雨滴譜的特征也進行過詳盡的分析和研究，得出有意義的結論。伊犁河谷地處內陸地區，屬干旱半干旱大陸性氣候，階段性干旱問題日趨嚴重，夏季山區降水是解決干旱問題的重要途徑之一，為使人工增雨作業能有更好的效果，深入研究山區降水特點很有必要。本文利用烏魯木齊沙漠氣象研究所在伊寧部署的雨滴譜觀測儀對2012年8月3日伊犁河谷的一場強降水微物理過程進行剖析，結果表明：河谷短時暴雨天氣過程雨滴譜粒子濃度、滴譜直徑差異很大，暴雨的產生是由降水粒子濃度、持續時間、雨滴直徑共同決定的。

1 降水過程概況

2012年8月2日14時至3日13時，受中亞低渦和西南暖濕空氣的共同影響，河谷地區出現了一次大范圍的強降水過程，各站點24h降雨量多在12mm以上，最大雨量達到39.8mm，這在干旱少雨的西北地區相當少見。圖1是這次降水過程24h雨量分布），可見伊犁河谷喇叭口地形造成降水的分布極不均勻，強降水中心分別位于地勢逐漸升高的東部和南部山區，其中有個別測站1h達到18mm以上。

圖1 2012年8月2日14時到3日13時降水量

2 天氣形勢演變

8月2日20時500 hPa伊犁河谷地區處在中亞低渦系統影響范圍，多短波活動，河谷上空有明顯的風向風速切變，與此同時，原位于南疆偏西切變線在偏南氣流的作用下北抬至河谷邊緣一帶，與從低渦中心分裂的短波槽匯合，促使系統明顯增強。南支槽前的西南暖濕氣流與中亞低渦引導的冷空氣相遇，為低渦的快速發展提供了重要的水汽和能量來源。200hPa高空圖上的西風急流軸逐漸壓到新疆上空，中心風速增大到48m/s,其產生的抽吸和輻散效應對中亞低渦的發展和降水的形成有重要作用（圖2）。700hPa切變線東移過程中落后于500hPa高度槽，構成了前傾狀的不穩定空間結構，非常有利于低渦的繼續發展。

3 新一代天氣雷達回波演變特征

新一代多普勒天氣雷達（CINRAD）不僅具有較強的定量測量降水回波強度的能力，而且能夠利用多普勒效應來測定降水粒子的徑向運動速度，并通過得到的速度信息來推斷降水云體的風速分布、風場結構特征等。本文利用伊寧新一代天氣雷達的基本反射率因子、基本速度、初步分析了這次降水過程中云和降水系統從初生、發展直到成熟階段的回波結構演變及流場配置情況。由于伊犁河谷三面環山，海拔較高，0.5°仰角地物雜波較多，這次過程主要選取1.5°、2.4°仰角的產品。

圖2 2012年8月2日20時500hPa高度場（a）和200hPa風速（b）（m/s）

3.1 雷達反射率因子特征分析

分析組合反射率演變（圖3）及1.5°、2.4°基本反射率圖表明，3日03—05時伊寧的強降水是由局地強對流發展所致，03時雷達西北部30km處有大片混合性降水回波東南移，強度中心40dBz并逐漸發展加強，3:25降水開始，回波強度達到50～55dBz，回波頂高9km左右，垂直液態水含量16kg/m2，一小時降水量6.5mm；4:41回波繼續發展加強，反射率因子垂直剖面顯示30～40dBz的回波接地，50dBz的強中心在1km高度，以上表現出了雷陣雨特征。從2.4°零等速線分析，伊寧強降水時段，在距雷達40～60km方位30°區域，測站偏北部有氣旋性風場，存在輻合上升運動，同時測站正西約75km處也有氣旋性風場，隨后此處對流發展，回波沿北山東移發展到中γ尺度，強度中心達到52dBz，周圍沿山的回波普遍強度在30dBz以上。4:52開始該單體開始減弱東移，短時強降水天氣趨于結束。

3.2 雷達速度場特征分析

從2.4°速度圖分析，2:46徑向速度的負速度區面積約30km2，最大速度值為-20.7m·s-1，2:51回波速度零線成準南北向，長度為44.8km，徑向速度最大值也在回波帶的強中心位置。隨著回波帶東移，3:19時在距離測站10.3km，方位291.2°探測到中心值（12.6m·s-1，-13.2m·s-1）小尺度的輻合區（圖4a），此時伊寧降水達到最大。隨著回波的東移，輻合加強，直到4:52時減弱消失，但此時負速度區前沿出現強烈的速度變化，從-4m·s-1變到-24m·s-1以上，在距離雷達站32km處形成西南—東北向的速度輻合帶，由此形成弓狀回波。弓形回波后部為-15m·s-1以上大片負速度區域（圖4b），說明低層已出現急流。

4 雨滴譜分布特征

雨滴譜觀測是微觀云降水物理的重要內容之一。通過對雨滴譜特性的研究，可以深入探索成云成雨機制。本文通過對這次降水雨滴譜資料詳細分析，發現山區出現強降水過程大多有系統性天氣入侵的背景，在大范圍的層狀降水云中伴隨中小尺度對流系統，極易出現短時局地暴雨，誘發山洪、泥石流等地質災害。

4.1 雨滴譜演變特征

2012年8月3日伊犁河谷這次短時暴雨天氣過程，是一次典型的系統性天氣，整體云系呈東北西南向,屬于積層混合云降水，大范圍的層狀云系中嵌有中小尺度對流性云塊,正是由于這些對流較強的云團給河谷的局部地區帶來了較強的降水，以下通過對降水滴譜的觀測和分析來揭示這次短時暴雨的降水粒子演變特征。

圖3 2012年8月3日3:18—3:51反射率因子

圖4 2012年8月3日雷達徑向速度

圖5是新疆伊寧觀測點2012年8月3日短時強降雨過程雨滴譜演變特征，這次過程8月2日14：00開始至8月3日13：00結束，持續時間24h，其中在伊寧觀測點的降雨集中在8月3日03：00—05：00，從圖5可以看出，這個降水時段存在一個最大降雨云團，屬于典型的對流性雨團降水，粒子數濃度高值區持續的時間約5min，03:38—03:42粒子數濃度超過3000m-3，最大粒子數濃度達到3 901m-3，主要是小粒子和中等尺度粒子。最大雨強達到90mm/h，最大雷達回波強度超過50dBz，大粒子直徑達到5mm以上。04:04—04:12降水強度明顯減弱，粒子濃度下降到1000m-3以下，主要是中小粒子，同時存在一定濃度的中等尺度粒子，雨強不到10mm/h，04:36—04:45降水處于收尾階段，粒子數濃度在500m-3以下，主要是以小粒子為主，存在一定濃度的中等尺度粒子，雷達回波強度30dBz左右，粒子直徑小于2.5mm，最大雨強沒有超過4.0mm/h，屬于層狀云降水。從雨滴譜的分布特征可以看出，這次短時暴雨過程降水突發性很強，雨強短短5min直線上升到90mm/h，然后逐漸下降維持20min左右。由圖5、圖6可以看到，3mm左右大降水粒子并沒有分布在雨強最大的區域，造成這種現象的原因應該是較強的對流作用使得大量較大粒子在下落的過程中破碎成小雨滴，在雨強較為穩定的40mm/h，存在較高濃度的3mm大雨滴。從雨滴的反射率因子可以看出（圖6），產生降水的雨滴反射率因子強度均在30dBz以上，并且當反射率因子達到50dBz時，則出現了>50mm/h的降水和>5mm的大水滴，當時測站并沒有觀測到固態降水。這是由于夜間對流發展不夠旺盛原因造成的。

圖5 伊寧2012年8月3日短時暴雨雨滴譜隨時間的演變

圖6 伊寧2012年8月3日短時暴雨雨強（mm·h-1）與雷達反射率因子/dBz隨時間的演變

4.2 降水微結構特征參量及降水粒子各尺度檔對雨強的貢獻

表1列出了伊寧短時暴雨微結構特征量,其中M為樣本個數，N代表粒子數濃度，R代表雨強，DBZ為雷達反射率因子，Da為平均直徑，Dmax為最大直徑。

結合圖3雷達回波分析,8月3日03：00—05：00伊寧處于在主雨帶的覆蓋下，對流性雨團發展旺盛、強降水持續時間相對較短,從03:33—05:00共獲得93個樣本，平均粒子濃度488m-3，平均雨強8.5mm/h，粒子平均直徑1.002 6mm，最大粒子直徑6.45mm。以上可以看出過程降水粒子尺度大,粒子數濃度均值較大，強降水持續時間短,最大降水粒子達6.45mm，說明同一雨團微物理結構的不均勻性,雖然對流強度大，但回波頂高略低，未產生固態降水。為揭示雨滴的尺度分布與短時暴雨的降水強度之間的關系,表2列出了各檔雨滴濃度對總雨強的貢獻情況,N1/N、N2/N、N3/N、N4/N分別代表0～1mm、1.0～2.0mm、2.0～3.0mm、D>3.0mm的雨滴占總數的百分比；R1/R、R2/R、R3/R、R4/R分別代表0～1.0mm、1.0～2.0mm、2.0～3.0mm、D>3.0mm的雨滴對雨強的貢獻百分比。伊寧這次降水過程，D<1.0mm的粒子偏多,占總數濃度的比例64.3%，1.0

表2 各檔雨滴濃度對總雨強的貢獻/%

4.3 分雨強情況下的雨滴譜分布

將這次過程按雨強分類，由圖7分析，20mm/h雨強以下粒子譜寬均在2mm以下，滴譜濃度差別不大；雨強達到20mm/h以上，才出現較大降水粒子，雨強越大，雨滴譜寬也越大，雨強大于40mm/h譜寬涵蓋了0～6mm區間。由表2可知，雨滴直徑2mm以下的小雨滴濃度很大，占到雨滴譜濃度的90%以上，占總雨強的75%。從另一方面可以看出，雖然大雨滴的濃度不到10%，但對總雨強的貢獻卻達到25%。而且從雨強40mm/h滴譜分布看，小雨滴濃度遠遠大于其他分型，造成這種現象的原因應該是較強的對流作用使得大量較大粒子在下落的過程中破碎成小雨滴。另外，隨著雨強的增大，雨滴譜譜型在1.5mm左右處，明顯分為兩段，雨強小于20mm/h，大粒子已經減少到對雨強沒有什么貢獻。只有當雨強>20mm/h時，才存在大降水粒子。

圖7 伊寧2012年8月3日短時暴雨分雨強下的雨滴譜分布

4.4 Z—R關系分析

雷達定量測量降水的方法有好幾種，如Z—R關系法、標準目標法、衰減法和正交偏振法等。目前在日常工作中最常用的是Z—R關系法，即應用雷達氣象方程由測得的回波功率算出雷達反射因子Z值，然后根據事先得到的Z—R關系而推得降水強度R。目前雷達系統采用的標準關系式Z=300 R1.4來完成的，然而，雷達反射率因子是由降水粒子譜分布決定的，不同的粒子譜分布會得到不同的雷達反射率因子，大量研究表明（劉紅燕和雷恒池等，2006），Z—R關系會因時間、空間和地理位置的不同而不同,那么尋求一個合適的Z—R關系,對于改進局部地區特定季節降水的估測就顯得尤為重要。本文對各時間點上的雨滴譜數據進行統計分析，無法得出了相關性較好的Z—R關系式，也從另一方面說明，標準關系式Z=300 R1.4并不適用于伊犁河谷這種地形環境，更不能適用于這種中小尺度對流系統造成的短時暴雨。

5 結論

分析表明，此次強降水過程是一次明顯的系統性天氣過程，在系統進入伊犁河谷后，由于不穩定層結和地形的共同作用下形成。

（1）北方冷空氣團與南支水汽在南部山區交匯以及特殊的地形是此次大降水分布不均勻的根本原因。此次過程高層有高空急流、低空為風向風速輻合，并且在2日20h伊犁河谷上空大氣處于不穩定狀態，同時具備了一定的水汽條件和較強的上升運動，在弱冷空氣的觸發下產生了強降水天氣。

（2）雷達反射率因子，多個強回波單體在移動的過程中逐漸合并、分裂，且移動速度慢，對流活動旺盛，是出現局地短時暴雨的直接原因。

（3）雷達徑向速度，低空急流的出現提供了大量水汽，使低層增濕，為暴雨的發生累積能量，有利于不穩定對流發展。

（4）通過雨滴譜的分析，0～2mm之間的雨滴數濃度占總濃度的92%，對雨強的貢獻達到了75.1%，這部分雨滴是降水的主體，降水過程雨滴的尺度變化對雨強變化影響很大，但雨滴濃度并不是影響雨強的決定性因素。

（5）降水微物理結構參量受到小尺度強對流天氣系統影響時，降水粒子濃度分布以直徑<1mm的雨滴為主，其對雨強的貢獻不是很大，直徑>3mm的雨滴數量雖然很少，但對雨強貢獻卻很大，對流系統降水的大雨滴較少而小雨滴數目多，主要是由于強對流作用使得大量較大粒子在下落的過程中破碎而成。

[1]朱乾根，等.天氣學原理和方法[M].第3版.北京：氣象出版社，2000.

[2]張弘，孫偉.初夏青藏高原東側一次特大暴雨的綜合分析[J].高原氣象，2005，24（2）：232-239.

[3]紀曉玲，胡文東，劉慶軍，等.寧夏一次突發性暴雨中小尺度系統分析[J].寧夏大學學報：自然科學版，2007，28（1）：32-36.

[4]胡文東，穆建華，丁建軍，等.一次降水過程多普勒雷達資料分析[J].寧夏工程技術，2005，4（1）：13-17.

[5]牛淑貞，張素芬，席世平，等.河南一次特大暴雨過程的中尺度分析[J].氣象，2001，27（11）：31-34.

[6]程海霞，帥克杰，李毓富.2003年7月28日晉東南及豫北區域暴雨天氣分析[J].山西氣象，2004（2）：5-7.

[7]劉朝亮，王新紅，鐘興華，等.2004—07—28新鄉市大暴雨成因分析[J].河南氣象，2006（1）：28-30.

[8]劉朝亮，王新紅，鐘興華，等.新鄉2005年5月16日大到暴雨天氣過程分析[J].氣象與環境科學，2008（S1）：115-118.

[9]魯坦，喬春貴，梁鈺，等.2006年7月1—4日河南省區域暴雨過程分析[J].氣象與環境科學，2007，30（9）：42-44.

[10]張廣周，靖春悅，王紅燕，等.物理量場配置對豫中地區暴雨落區的影響分析[J].暴雨災害，2008，27（3）：225-230.

[11]鄭仙照，壽紹文，沈新勇，等.一次暴雨天氣過程的物理量分析[J].氣象，2006，32（11）：102-106.

[12]紀曉玲，馮建民，穆建華，等.寧夏北部一次短時暴雨中尺度對流系統的特征分析[J].大氣科學學報，2010，33（6）：711-718.

[13]劉紅燕，雷恒池.基于地面雨滴譜資料分析層狀云和對流云降水的特征[J].大氣科學，2006，30（4）：693-702.

[14]陳德林，谷淑芳.大暴雨雨滴平均譜的研究[J].氣象學報，1989，47（1）：124-127.

[15]李艷偉，杜秉玉，等.新疆天山山區雨滴譜特性及分布模式[J].南京氣象學院學報，2003，26（1）：465-472.

Characteristics of the Raindrop Spectrum during a Short-time Strong Precipitation Episode in the Yili River Valley

JIANG Xin’an1，2，WANG Minzhong1
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Yili Meteorological Bureau，Yili 835000，China）

Using conventional ground and aerial data,new generation of weather radar data, raindrop size distribution data,the background,characteristics of radar echo and microphysical characteristics of a rainstorm occurred in wide range of Yili river valley on August 3,2012 were analyzed.The results showed that 200 hPa West Siberia westerly trough,500 hPa Central Asia vortex and surface cold front were the main impact of the heavy rainfall system.The bell shape of the valley terrain resulting in airflow mechanical compression,and triggering convection,terrain forcing air uplift had important influences on the enhanced convection and precipitation.This precipitation process was laminated hybrid cloud precipitation,where large areas of strati-form clouds embedded in multiple convective clouds,these clouds were connected together to constitute the convective rain bands.The storm caused mainly by the convective clouds of which the microphysical structure was obvious in heterogeneity and there were multiple centers of heavy precipitation,the horizontal scale mainly maintained around 10km,duration mainly from five minutes to 10minutes.The raindrops had high concentrations,generally above 1,000m-1.The raindrop size distribution width was wide and very different.The high concentrations of particles less than 1mm occupied 60% of all sizes,but their contribution to rainfall intensity accounted for about 20%.

Yili river valley；storm；raindrop size concentration；raindrop spectrum

P458.12

B

1002-0799（2015）05-0056-06

江新安，王敏仲.伊犁河谷汛期一次短時強降水雨滴譜特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（5）：56-61.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.05.009

2014-05-08；

2014-11-01

國家科技支撐計劃課題（2012BAC23B01）；國家自然科學基金項目（41305035）共同資助。

江新安（1980-），男，工程師，主要從事短期預報工作。

E-mail：873865252@qq.com