山東一次適宜增雨作業的雨滴譜特征分析

郭建，唐德才

1.南京信息工程大學，江蘇南京2100442.山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東濟南250031

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山東一次適宜增雨作業的雨滴譜特征分析

郭建1，2，唐德才1*

1.南京信息工程大學，江蘇南京210044
2.山東省人民政府人工影響天氣辦公室，山東濟南250031

摘要：為了解降水微物理特征，更好地為增雨抗旱氣象服務提供技術支持，本文以2015年4月18～19日發生在山東的一次適宜人工增雨作業的降水過程為例，利用激光雨滴譜儀獲取的觀測資料對雨滴微物理參量的連續演變特征、雨滴譜微物理參量特征以及降水不同階段雨滴譜特征等方面進行分析。結果表明，降水強度決定于雨滴譜譜寬和雨滴數濃度，三者隨時間變化趨勢大致相同，峰區和谷區出現的位置基本一致；各譜特征參量與降水強度間均呈正相關性，即都隨雨強的增大而增大；在雨強基本小于1 mm/h的降水第一階段，譜寬僅為1.75 mm，而進入到雨強多數大于1 mm/h的降水第二階段時，譜寬為3.5 mm；對于雨滴數濃度而言，降水第二階段各檔粒徑數濃度遠大于降水第一階段中各粒徑檔數濃度值，僅粒徑在0.375～0.5 mm之間時，降水兩個階段的雨滴數濃度值基本相同，在102量級。

關鍵詞：增雨；雨滴譜；山東

山東省水資源嚴重短缺，十年九旱、旱澇交替是基本省情，人均水資源擁有量為每年322 m3，不足全國平均水平的六分之一，全省年用水缺口達4.0×109m3，水資源短缺、水生態脆弱、水災害威脅三大水問題并存，特別是水資源嚴重匱乏的矛盾尤為突出。因此，利用科技手段合理開發空中云水資源，增加有效降水，對緩解水資源短缺、保持經濟社會可持續發展，具有十分重要的作用。通過多年的實踐表明，人工增雨在抗旱減災中是最經濟的技術選擇。通過對雨滴譜特性的研究，可以深入了解降水形成的微物理過程，探索成云致雨機制，對于有針對性的開展人工增雨作業和進行效果檢驗等方面具有重要的理論意義和實用價值。

我國從上世紀60年代開始對雨滴譜進行觀測和研究，分別利用濾紙色斑法、GBPP-100型地面雨滴譜儀和DISDROMETER聲雨滴譜儀等觀測手段開展了雨滴譜觀測和研究工作，并取得了一些重要成果［1-6］。但濾紙色斑法存在后期處理數據繁冗、人工需求量大、讀數繁瑣、取樣間隔大等問題，所取得的數據存在大滴數濃度偏小、小滴數濃度偏大，人為處理對結果影響過大等問題［7］。GBBP-100型地面雨滴譜儀雖具備連續采樣、直接存儲數據的功能，但其取樣面積過大，雨滴變形和重疊會造成測量的大雨滴偏多，尤其在降水強度較大時，計算的雨強值會偏大［8］。DISDROMETER聲雨滴譜儀在強降水時會低估小雨滴的數目，但對Z-R關系的影響不到3%［9］。近幾年，以激光為基礎的光學粒子測量系統——激光雨滴譜儀被廣泛應用于雨滴譜觀測中，并利用獲取的資料開展了一些科研工作。史晉森等［10］利用2006年夏季在祁連山北坡進行人工影響天氣綜合科學試驗期間的激光雨滴譜儀觀測資料，對該地區夏季不同云系降水的雨滴譜特征進行了分析，為祁連山實施人工增雨（雪）提供了一定的科學依據。廖菲等［11］為了進一步研究珠江三角洲地區夏季典型雷電天氣系統影響下降水微物理特征，選取鋒面過程和臺風登陸過程所引起的降水為研究對象，利用激光雨滴譜儀獲取的雨滴尺度譜和速度譜的觀測信息，對降水的雨滴譜特征進行了較深入的分析。陳磊等［12］利用激光降水粒子譜儀在淮南和南京同時觀測的梅雨鋒暴雨過程資料，分析了梅雨鋒暴雨降水微結構特征。胡子浩等［13］利用激光雨滴譜儀在南海地區獲取的一次對流云降水資料，對降水的微物理參量、平均雨滴譜和速度譜分布特征進行了分析，對平均譜進行Gamma分布最小二乘、階矩法擬合和對數正態分布擬合，發現對數正態分布擬合有明顯優勢。周黎明等［14］利用激光雨滴譜儀觀測獲取的雨滴譜資料，分析了山東三類云降水雨滴微結構參量特征和滴譜隨降水過程的演變特征，此外統計得到了該地區三類云降水的Z-R關系，為雷達定量測量降水提供了一定的參考。

本文以2015年4月18～19日發生在山東的一次適宜開展人工增雨作業的降水過程為例，利用激光雨滴譜儀獲取的資料對降水微物理參量、雨滴譜等特征進行了分析，對于了解降水微物理過程及形成機制等方面具有一定的幫助作用，力爭為今后更好地開展人工增雨作業、最大限度地開發利用云水資源提供一些技術支持。

1　天氣形勢分析

2015年4月18～19日，受冷空氣和氣旋共同影響，山東出現一次大范圍降水天氣過程。18日08時，高空500 hPa、700 hPa和850 hPa我省均處于高壓脊控制中；500 hPa形勢場中（圖1a），在河套地區有西風槽東移；地面圖上（圖1b）山東處于高壓后部，地面倒槽伸到黃淮地區，14時地面雨區已到達山東周邊。隨著西風槽逐漸東移和地面倒槽不斷北抬，降水系統開始影響山東。19日08時，高空500 hPa形勢場上山東處于較為寬廣的西風淺槽槽前西南氣流中；700 hPa（圖1c）從魯北至魯西南地區有切變線存在；而850 hPa形勢場上（圖1d），切變線已東移至海上，山東受東北風控制；地面圖上山東處于冷鋒中，全省大部分地區出現降水，其中魯西北、魯中西部和魯西南地區出現中雨。受降水系統東移影響，魯中東部、魯東南和半島地區出現小雨，截止19日夜間全省降水基本結束。

圖1　天氣形勢（a）4月18日08時500 hPa形勢場；（b）4月18日14時地面形勢場；（c）4月19日08時700hPa形勢場；（d）4月19日08時850hPa形勢場（實線：等位勢高度線，單位：dagpm；虛線：等溫線，單位：℃）Fig.1 The weather conditions （a）The 500 hPa pattern at 08：00 on Apr. 18；（b）The surface pattern at 14：00 on Apr 18；（c）The 700 hPa pattern at 08：00 on Apr. 19；（d）The 850 hPa pattern at 08：00 on Apr. 19（solid lines denote geopotential height line，unit：dagpm；dotted lines denote isotherm，unit：℃）

本次降水過程以層狀云和積層混合云為主，屬于一次穩定性降水天氣，適宜開展飛機和地面人工增雨作業。針對此次降水天氣過程，山東人影部門于19日上午7：58～11：41開展飛機增雨作業1架次；此外，濟南、東營、淄博、菏澤、臨沂、青島、日照、煙臺、棗莊等地人影部門還開展了地面高炮、火箭和高山燃燒爐作業。

2　觀測儀器和資料說明

激光雨滴譜儀以激光測量為基礎，由激光光學發射源產生一組平行光束，利用互相平行而高度不同的光束，當雨滴穿過時會遮住激光束并產生接收信號，通過減小的振幅計算出雨滴直徑；通過由兩個高度不同的光束記錄雨滴經過兩個高度的時間差，從而可計算出雨滴的下落速度［15］。該儀器能夠較好地實現對降水粒子譜型分布的自動測量，可以給出降水粒子的尺度、下落速度、降水強度、降水量、降水類型等信息。該儀器的采樣面積為45.6 cm2（228 mm×20 mm），測量的速度通道和尺度通道分別為20和22個，粒子速度的觀測范圍在0.2～20 m/s之間，粒徑的測量范圍為0.16～8 mm。

山東省人民政府人工影響天氣辦公室在魯西平原地區東阿縣氣象局內（116°14′49″E，36°20′06″N）安裝布設了一臺激光雨滴譜儀，對降水過程進行連續取樣觀測，采樣時間間隔設定為1 min一次。本文選用了該儀器對2015年4月18日20：14～19日18：34降水過程連續采樣獲取的1341個樣本資料進行了降水微物理特征方面的分析。

3　降水微物理參量特征分析

激光雨滴譜儀探測得到的數據為1 min內降落在測量面積上、直徑介于D與D+dD間的降水粒子個數（個/min），需要將其進行如下換算得到每分鐘采集到的降水粒子空間數濃度N（個/m3）：

其中，i，j分別是降水粒子的粒徑和速度分檔，Nij是直徑i檔上速度為j檔的粒子個數，S是測量面積，t是采樣時間，Vj是速度j檔所對應的降水粒子下落末速度。

為了討論降水的微物理特征，對雨滴譜微物理特征量I（降水強度）、Dmax（最大直徑）、Q（雨水含量）、Z（雷達反射率因子）進行了計算。各物理特征量的計算公式如下：

3.1雨滴微物理參量的連續演變特征

觀測獲取的雨滴譜資料經過處理可以得到降水的微物理參量，這些微物理特征參量的時間變化特征，可以從一個方面反映出云和降水形成機制上的差異。為了研究整個降水過程中雨滴微物理特征參量隨時間的演變特征，圖2給出了本次降水過程中雨滴數濃度N、最大直徑Dmax和降水強度I隨時間的變化規律。從圖中可以看出，本次降水過程基本是連續性降水并且持續時間很長（近23 h），降水起伏變化較大，這與層狀云中鑲嵌有雷達回波強度超過30 dBz的較強回波體有關。從降水強度分布情況來看，本次過程主要分為兩個降水階段：第一階段（1～620 min）為弱降水時段，降水強度大多在1 mm/h以下，降水量僅3.93 mm；之后經過近30 min的降水停歇后進入降水第二階段（648～1341 min）為持續較穩定的略強降水時段，降水強度基本大于1 mm/h，降水量為9.96 mm。整體看來，降水強度決定于雨滴譜譜寬（最大直徑）和雨滴數濃度，三者存在一個明顯的特征：降水強度、最大直徑和雨滴數濃度隨時間變化趨勢大致相同，三者峰區和谷區出現的位置基本一致。雨滴數濃度最大為2463個/m3；降水強度小于或者在1 mm/h左右時，雨滴數濃度一般為102量級；降水強度大于1 mm/h時，雨滴數濃度多在103量級。雨滴最大直徑為3.5 mm，主要在1～2.5 mm之間振蕩。具體而言，降水第一階段：最大直徑基本都是在2 mm以下；但在173～195 min時出現了短短22 min降水強度大于1 mm/h的降水時段并出現本次降水的雨強最大值3.711 mm/h；此時段最大直徑也大于2 mm，同時雨強最大值對應著譜寬最大值3.5 mm；對于雨滴數濃度來說，雨強最大值出現的時候，數濃度處于峰區，但不是本次降水的最大濃度值，而在450～620 min盡管數濃度與降水強度和最大直徑的變化趨勢相似，但起伏強度要大很多，此時段出現本次降水雨滴數濃度最大值，但并非對應降水強度的最大值。降水第二階段：最大直徑多數在2～3 mm之間；在700～730 min的弱降水峰區（降水強度小于0.5 mm/h）對應的雨滴數濃度峰區在1000～2000個/m3之間，而在980～1130 min雨強大于1 mm/h的穩定降水階段，雨滴數濃度與雨強的變化趨勢一致，但數濃度值在500～1000 個/m3之間。由此看來，降水強度與最大直徑和數濃度均存在相關性，但降水強度與最大直徑的關系更為密切，也就是說，雨滴的大小對雨強的貢獻更大。

圖2　本次降水過程中各微物理特征參量隨時間的演變Fig.2 Variation of Micro-physical parameters with the time during the precipitation

3.2雨滴譜微物理參量特征分析

通過分析不同微物理特征參量N、Q、Dmax、Z和降水強度I的相關關系，可以揭示降水強度對雨滴譜的影響，能夠了解降水的物理性質。圖3給出了降水強度I與數濃度N、雨水含量Q、最大直徑Dmax和雷達反射率因子Z的分布特征關系。從圖中可以看出，降水強度與數濃度間的關系點分布較為分散，相關性稍差，相關系數為75.1%；其次為降水強度與最大直徑的關系點比較分散，相關性為85.48%；而降水強度與雨水含量和雷達反射率因子的關系點分布集中，相關性均達到90%以上，分別為98.34%和94.32%。因此，各譜特征參量與降水強度間均呈正相關性。

圖3　本次降水過程中譜特征參量與降水強度的關系Fig.3 Relations between micro-physical parameters and precipitation intensity during the precipitation

3.3降水不同階段雨滴譜特征分析

雨滴是云的動力和微物理過程共同作用的結果。雨滴譜是雨滴數濃度隨雨滴尺度分布的函數，含有豐富的云降水微物理特征信息，是描述降水物理過程的最基本微物理量。圖4給出了本次過程中不同降水階段獲取的所有每分鐘瞬時雨滴譜資料通過計算得到的平均雨滴譜分布狀態。可以看出，在降水第一階段，雨強基本小于1 mm/h的情況下，雨滴譜很窄，譜寬僅為1.75 mm，說明降水形成過程中主要是有較多的小滴構成；而進入到降水較穩定階段，雨強多數大于1 mm/h的降水第二階段時，雨滴譜明顯增寬，譜寬為3.5 mm。對于雨滴數濃度而言，總體來說，降水第二階段各檔粒徑數濃度遠大于降水第一階段中各粒徑檔數濃度值，只有粒徑在0.375～0.5 mm之間時，降水兩個階段的雨滴數濃度值基本相同，在102量級。

圖4　降水不同階段平均雨滴譜特征分布Fig.4 The distributions of average raindrop spectrum for different stages of the precipitation

4　結論

本文以2015年春季發生在山東的一次適宜開展人工增雨作業的降水天氣過程為例，利用激光雨滴譜儀采樣獲取的連續觀測資料對降水過程中粒子的一些微物理特征進行分析，得出如下結論：

（1）此次降水過程中雨滴數濃度最大為2463個/m3；降水強度小于或者在1 mm/h左右時，雨滴數濃度一般為102量級；而降水強度大于1 mm/h時，雨滴數濃度多為103量級。對于雨滴譜譜寬來說，雨滴最大直徑為3.5 mm，主要在1～2.5 mm之間振蕩。

（2）本次降水過程中，降水強度與最大直徑和數濃度均存在相關性，但降水強度與最大直徑的關系更為密切，因而雨滴的大小對雨強的貢獻更大。另外，降水強度與雨水含量和雷達反射率因子的關系點分布集中，相關性均達到90%以上，因此，各譜特征參量與降水強度間均呈正相關性。

（3）從雨滴譜分布特征來看，在降水第一階段，雨強基本小于1 mm/h的情況下，雨滴譜很窄，譜寬僅為1.75 mm；而進入到降水較穩定階段，雨強多數大于1 mm/h的第二階段時，雨滴譜明顯拓寬為3.5 mm。對于雨滴數濃度而言，降水第二階段各檔粒徑數濃度遠大于降水第一階段中各粒徑檔數濃度值，只有粒徑在0.375～0.5 mm之間時，降水兩個階段的雨滴數濃度值基本相同，在102量級。

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Analysison Raindrop Spectral Characteristicsof a FeasibleArtificial Precipitationin Shandong Province

GUO Jian1，2，TANG De-cai1*

1. Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China
2. Shandong Weather Modification Office，Jinan 250031，China

Abstract：To understand the micro-physical properties of precipitation and well to provide a certain technical supports for precipitation and drought weather service，raindrop size spectra were collected with an optical disdrometer during the precipitation for fitting artificial precipitation enhancement in April 18～19 2015 in Shandong Province. The characteristics of the micro-physical parameters varied with the time，the relations of micro-physical parameters with precipitation intensity and the average raindrop size distributions for different stages of the precipitation were investigated. It was found that the precipitation intensity was decided by the maximum diameter and number concentration，the three trends over time were roughly same and the location of the peak and valley area appeared almost the same. The micro-physical parameters and precipitation intensity had positive linear correlations，in other words，they increased with the increase of rainfall intensity. In the first stage that the rainfall intensity was basically less than 1 mm/h，the distribution of raindrop size was very narrow and the width was only 1.75 mm. But in the second stage that the rainfall intensity was mainly more than 1 mm/h，the distribution of raindrop size was apparently broadened and the width was attained to 3.5 mm. In the second stage of the precipitation，the number of raindrops concentration was greater than that in the first stage and while the raindrop diameters were between 0.375 and 0.5 mm，the number of raindrops concentration was basically the same with 102orders of magnitude.

Keywords：Artificial precipitation；raindrop spectrum；Shandong Province

中圖法分類號：P481

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0383-05

收稿日期：2015-5-08修回日期：2015-7-10

基金項目：山東省氣象局課題（2015sdqxm07）

作者簡介：郭建（1975-），男，山東濟南人，工程師，主要從事人工影響天氣工作. E-mail：1799531746@qq.com

*通訊作者：Author for correspondence. E-mail：tangdecai2003@163.com