激光雨滴譜儀及其在淮河流域降水分析中的應用

◎文/李俠麗 潘先潔 黃國貴 姚祎

（安徽省壽縣氣象局 淮南市氣象局）

雨滴譜是單位體積中雨滴的個數的分布情況，主要研究云和降水的微物理結構特征[1]。雨滴譜中含有豐富的微物理降水特質，在雷達定量估測降水、成雨機制及反射率因子（Z）和雨強（I）的關系等方面有著普遍的應用[2]。因此，利用雨滴譜的測量方法來研究降水的微物理結構特征，有著十分重要的意義。

上世紀60年代初，我國氣象學家顧震潮等人進行了云降水的觀測和研究，但由于觀測條件以及技術水平限制，未進行雨滴譜的連續測量[2]。云降水雨滴譜的連續觀測始于20世紀80年代，通過大量學者的觀測研究，得出可供雷達定量估測降水時參考和應用的Z-I關系等[2]。胡亞敏等[3]通過對河南省臨穎、孟津兩站的層狀云降水天氣進行地面雨滴譜觀測，發現河南層狀云降水的雨滴平均直徑為0.1mm，大雨滴對雨強的貢獻率較大。張云峰[2]研究哈爾濱雨滴譜特征，發現層狀云、積雨云和積層混合云降水的譜寬存在差異，積層混合云的降水譜寬較寬。

本文從傳統雨滴譜的觀測方法出發，并利用激光雨滴譜儀來分析雨滴譜的觀測技術的發展，分析激光雨滴譜儀在淮河流域降水分析中的應用。

一、雨滴譜的測量方法

初期雨滴譜的測量方法有動力學法、面粉球法、濾紙色斑法、浸潤法和快速攝影法[4]。動力學法是根據雨滴下落引發的動能來測量雨滴的大小，這種方法測量較大譜寬的雨滴結果誤差較大；濾紙色斑法通過雨滴落在濾紙上形成的圓形色斑大小反推出雨滴直徑；面粉球法是在一個廣口容器內裝上面粉，雨滴在接觸到面粉后會迅速形成一個小球，通過烘干稱重測量出雨滴的直徑和重量；快速攝影法利用攝像機拍攝降落的雨滴后把照片放在顯微鏡下觀測雨滴大小；浸潤法是將雨水接到盛有油料的容器內，雨水會在油料中形成水珠，通過測量計算出雨滴的粒徑。幾種方法的優缺點見表1[4]，從中可見，初期雨滴譜的測量方法操作繁瑣、工作量大、測量精度低、成本高，無法自動完成測量分類，并非理想的測量方法。

二、新型測量技術

上世紀90年代后，隨著技術的進步，光、聲、雷達、遙感等技術應用到雨滴譜的觀測方法中[5]，光陣雨滴譜儀、聲雨滴譜儀、激光雨滴譜儀等新設備的應用克服了早期方法的缺點，實現了雨滴譜自動化連續觀測。

光陣雨滴譜儀[6]是利用光陣排列的方法，對降水全譜觀測獲取雨滴譜資料。樊玲[7]等人使用光陣雨滴譜儀分析積雨云降水的微結構特征，研究發現積雨云的降水強度大于層狀云，1～3mm的雨滴對雨強的貢獻率超過了60%。聲雨滴譜儀依據雨滴碰擊傳感器所引起的沖擊力而產生的振動，實現對雨滴的測量[1]。劉紅燕和雷恒池[8]利用聲雨滴譜儀分析了北京地區層狀云和對流云降水的特征。但這兩種雨滴譜儀只能測量降水粒徑和雨滴個數，不能測量粒子的下落速度。

目前在雨滴譜測量中應用較為廣泛的Parsivel激光雨滴譜儀是以激光技術為基礎的測量儀器[4]，可同時測量降雨中的液態以及固態粒子的粒徑和降落速度[9]。它采用平行激光束和光電管組合模式，當雨滴穿過激光雨滴譜儀的采樣空間時，儀器會自動記錄下雨滴所遮擋的寬度，并通過雨滴穿越時間來計算雨滴的粒徑和速度；可用數字顯示降水強度、液態含水量、降水粒子總數、降水粒徑、累積降水量及雷達反射因子[2]。它能夠提供高時間分辨率的降水粒子譜數據，且數據可信度較高。對于凍雨、雨、雪、冰雹等降水類型識別準確率大于97%。

表1 幾種雨滴譜測量方法的優缺點

三、激光雨滴譜儀在降水分析中的應用

激光雨滴譜儀主要應用于降水估測，主要包括以下幾個方面：

1.不同云系降水的雨滴譜特點。降水云系最常見的劃分方法為對流云、層狀云和層積混合云，通過對不同降水云系的研究，可以提高降水觀測精度。雨滴譜譜型是雨滴譜曲線的型式，不同云型的雨滴譜型也有所不同[8]。研究發現層狀云、對流云、層積混合云譜型一般分別呈指數型、多峰型、單峰型分布[7]。

2.不同下墊面降水的雨滴譜特點。傳統云物理學根據下墊面不同，可將降水云系劃分為大陸云系和海洋云系[9]。海洋云合并活動快，降水過程一般由暖云過程決定；大陸云中的小雨滴濃度較大，常常由冷云而演化成水滴。在同樣降雨強度下，與云滴合并活躍的海洋云降水相比，大陸云降水的大雨滴較多[9]。

3.不同海拔高度降水的雨滴譜特點。隨著海拔高度的不同，降水過程也會隨之發生變化。雨滴在下落過程中會受到碰并、增長、破碎、蒸發等一系列物理變化的影響，這些變化在雨滴譜上會有直接的體現[10]。因此研究雨滴譜隨海拔的變化特點，對于了解降水微物理變化的進程有著非常重要的意義。

4.不同降水過程的雨滴譜特點。如鋒面降水和臺風降水的雨滴譜特征，這種雨滴譜特征在淮河流域最為常見。

四、激光雨滴譜儀在淮河流域降水分析中的應用

淮河流域地處北亞熱帶半濕潤季風氣候區域，四季分明、雨量適中、光照充足，是暖溫帶向亞熱帶過渡的氣候類型，冷暖空氣交匯頻繁，時常受臺風、暴雨、洪澇等災害性天氣影響。同時淮河流域又是我國“梅雨”天氣系統的主要活動區和我國降水變率最大地區之一，梅雨鋒降水和臺風降水是淮河流域降水的主要天氣系統，激光雨滴譜儀對于研究梅雨鋒降水和臺風降水的微物理結構特征有其獨特的優勢。

鋒面降雨主要發生在雨層云，它是鋒面云系中最厚的云層，又是冷暖空氣交匯而成的，上部是冰晶，下部是水滴，冰水共存于云系的中部，可起到合并作用，又因云層較厚，有利于形成降水，多屬于積層混合云降水。雷達圖上往往表現為大面積的層狀云系中嵌有回波較強的對流性云塊或大面積對流性雨帶，積層混合云相比于積雨云的譜型分布較寬，持續時間較長。而積云降水時間短、降水強度大，一般降水過程越強，譜型就越寬。不同部位雨滴譜的譜型分布有著明顯差異，鋒面降水過程中雨滴譜的譜寬較寬，并且強降水時期常常呈雙峰、多峰型分布[11]。激光雨滴譜儀對于測量譜分布較寬的降水準確率高達90%以上。

臺風降水是熱帶海洋上非常巨大的濕熱氣團帶來的降水，臺風區的水汽非常豐富，具有很強的上升運動，日最大降水量可達800mm以上，主要是間歇性降水。臺風降水的雨滴空間數濃度和直徑較大，但其最大瞬時雨強小于鋒面降水。不同性質的降水雨滴譜的特征參量不同，對流性降水的雨滴粒徑較大，雨滴的數濃度也相對較大，大雨滴對降水貢獻率較大，雨滴譜儀能捕捉到降水的瞬間變化。鋒面降水和臺風降水中常常伴隨著雷電、大風、短時強降水等強對流天氣，通過對鋒面降水和臺風降水的雨滴譜變化特征的研究，也為雷電等強對流天氣的微物理結構特征，以及雷電和降水關系的研究奠定一定的理論基礎[10]。

通過對不同降水類型的研究，可以提高降水的觀測精度。由于不同類型降水的熱量、水汽含量、上升運動等不同，激光雨滴譜儀對研究降水內部結構特征有著重要的理論和實踐意義。