2016 年5 月6 日重慶萬盛短時強降水雨滴譜特征分析

張豐偉，張逸軒，韓樹浦，王毅榮

（1.甘肅省人工影響天氣辦公室，甘肅 蘭州730020；2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川 成都610000；3.重慶市人工影響天氣辦公室，重慶400000；4.張掖市氣象局，甘肅 張掖734000）

夏季青藏高原地區的濕度要比周邊高很多，尤其在高原東南部形成一個巨大的高濕中心[1]。受特殊的地理環境影響，四川盆地降水多為對流性降水，且多在夜間發生。在四川盆地邊緣，由于高山丘陵地形的存在，對流性降水產生的原因多是由于地形的強迫抬升作用。對流性降水的形成不僅涉及到云動力學，也涉及到云微物理變化。雨滴是液態降水的最終形式，雨滴譜（Raindrop Size Distribution）是觀測云和降水重要的物理手段之一，其中含有雨滴形成過程的豐富信息，能夠深入解析云內成雨機制、降水的微物理結構和演變特征，對人工增雨效果檢驗、雷達定量測量降水、人影作業方案制定具有重大的實用價值。

我國雨滴譜的研究工作從20 世紀60 年代開始[2]，特別是90 年代以來，隨著人工影響天氣工作的需求逐漸增加，先后在遼寧、黑龍江和河南等地開展了系統的雨滴譜觀測和研究，取得了一些成果[3-13]，主要針對雨滴譜的譜型、峰值、雨強等特征參量和影響因子進行了研究。上述研究，多數為鋒面云系、切變線降水和臺風降水。江新安等[14]取得了河谷地區短時暴雨天氣過程雨滴譜特征的一些成果。雖然西北地區祁連山地形云、天山地形云曾有過系統的觀測[15-16]，但是對于南方山區研究很少。我國早期采用的色斑法可以直觀的得到雨滴大小、形狀，但有著采樣和讀數不變、無法解決雨滴重疊的問題，并且無法長時間連續觀測。隨著電子科學的進步，已開始使用新型光電、聲電[17-18]的雨滴譜測量儀器。本文利用布設在重慶市萬盛測站的雨滴譜儀器，對2016 年5 月6 日短時強降水天氣過程分析，揭示此次過程的雨滴譜特征及降水機制。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本次數據采集所用的德國OTT2激光雨滴譜儀具有長時間連續自動觀測、采樣時間精確、可同時測量粒子的尺度與速度的優點。它可以全面且可靠地測量各種類型的降水。液態降水類型粒徑的測量范圍為0.2～5 mm，固態降水類型粒徑測量范圍為0.2～25 mm。它可對速度為0.2～20 m/s 降水粒子進行測量。重慶市萬盛測站于2014 年12 月建立OTT2激光雨滴譜儀，開展全天候觀測，采樣時間間隔為1 min。本文主要針對該站2016 年5 月6 日18：00—21：00 出現的短時強降水天氣過程中的雨滴譜數據進行研究分析。

1.2 計算方法

雨滴譜儀器資料異常數據判別及處理。觀測本次強對流天氣過程中雨滴譜儀器采集的粒子譜數據，發現有一些直徑超過4 mm 的大粒子其速度在0～1 m/s 之間，遠遠低于理論實驗值[19]（速度—直徑經驗公式Vi=9.65-10.3exp（-0.6Di）），對于此類異常數據值，采用王可法[20]在Parsivel 激光雨滴譜儀觀測降水中異常數據的判別及處理中的3σ 準則進行判定處理，在數據處理中發現，此方法可以剔除部分粗大誤差，并以此為基礎計算雨滴譜儀器各物理參量值。

雨滴譜各微物理參量含義及表達式。在此次觀測中，雨滴譜儀器采樣時間間隔為1min，測得的原始數據為不同直徑及不同速度下的雨滴個數。通過測得的直徑、速度和粒子個數，可以計算得到反映降水過程的相應微物理參量，其主要物理量計算公式見表1。

1.3 數據質量控制

以雨滴譜儀觀測資料來劃分降水階段，以連續30 min 未觀測到雨滴數據來作為降水結束的判據。圖1 給出了本次短時強降水天氣過程中的重慶市萬盛自動站測量的雨強以及通過雨滴譜儀器計算的雨強。雨滴譜觀測到的累積雨量為59.3 mm，最大雨強為153.4 mm/h，自動站觀測的累積降水為81.6 mm，最大雨強為192 mm/h。可以看出，雨滴譜計算的雨強與自動站觀測數據存在明顯的正相關，變化趨勢基本一致，計算相關系數為0.879，說明具有較好的相關關系。

表1 雨滴譜物理量計算公式及含義

圖1 雨滴譜與自動站每分鐘觀測雨強

2 天氣背景

萬盛地處四川盆地向云貴高原過渡帶，地形復雜、高程落差大，并有喇叭口地形特點，對流降水集中。初夏季節該地區受西南季風控制，水汽輸送條件較好，配合高原季風系統共同作用，2016 年5 月6日在四川盆地出現了降水天氣，并在東移后增強，出現了萬盛地區的短時強降水，累計降水量達到了81.6 mm。

利用中尺度天氣分析方法分析（圖2）可以得出，盆地至云貴高原中低層水汽接近飽和（700 hPa溫度露點差＜3 ℃，700 hPa 以下比濕均＞8 g/kg，850 hPa 比濕最大16 g/kg），具有很好的水汽條件。700 hPa 的K 指數＞35，沙坪壩站K 指數達41，盆地東南部對流有效位能超過了1000 J/kg，具備了強對流天氣發生所需的不穩定能量條件。0 ℃層與-20 ℃層高度差在3000 m 左右，易出現對流天氣，并可能出現冰雹。700 hPa 的切變線和地面復合線的位置，反映出盆地中部地區的中低層在風場上都是輻合的。萬盛所處西北低、東南高的地形，使得西向與北向氣流在此強迫抬升，該地區左側喇叭口狀地形結構，對風場有收縮的動力作用，強迫抬升與地形輻合加強了此次強降水所需的抬升條件。

通過對雷達回波的回放，發現萬盛雨滴譜儀布設位置正處于此次過程雷達強回波中心，隨著對流云團從南向北方向的移動，雨滴譜儀處于云團移動路徑上，較為完整的觀測到了此次對流過程的生長和消亡。

圖2 天氣圖與地形疊加

3 雨滴譜特征分析

3.1 雨強和雷達反射率

從圖3 中可以看出，整個降水過程雨強變化呈現多峰型，起伏較為明顯，在對流開始階段（18：15—18：35），雨強迅速增加，在18：25 達到最大雨強153 mm/h，隨后減小到46 mm/h，隨后18：33 達到次高峰109 mm/h，然后逐漸降低，在19：10 有所增強，然后再逐漸平穩，經過30 min 左右后再次產生降水。雷達回波強度與雨強有較好的對應關系，整個過程雷達回波強度大于40 dBZ，在18：24 達到最大峰值72 dBZ。

圖3 雨強和雷達回波強度

在現有雷達系統估測降水中，一般采用關系式Z=aRb來推測降水強度R，常數a 和b 的典型值為300 和1.4，而雷達反射率因子Z 是由降水的粒子譜分布決定的，研究表明，常數a 和b 的值并不是一成不變的，會因時空的不同而不同[21-22]，即不同的地區、不同降水類型會有各不相同的a 和b，因此尋求一個合適的Z-R 關系對當地雷達估測降水具有重要的指導意義。在本次過程中，Z-R 關系擬合公式為Z=404.2R1.611。

3.2 粒子譜時間變化

從萬盛雨滴譜粒子直徑檔數濃度隨時間演變來看，整個過程中，小于1mm 的粒子數濃度變化較為劇烈，其變化趨勢與雨強變化趨勢較為一致，在雨強較大時，其粒子數濃度增加。1～2 mm 的粒子數濃度變化不大，在100～500 m-3mm-1之間，在對流較為旺盛時可以達到1000～2000 m-3mm-1，＞3 mm 的粒子相對較少，粒子濃度在10～100 m-3mm-1之間；隨著對流的加強，速度譜變化劇烈，明顯變寬，尤其是在20：25—20：45 這個階段的粒子速度譜變化更為明顯，在這個時間段粒子直徑檔數濃度變化相對平穩，而速度檔反應出絕大部分粒子在20：35—20：45 這個階段具有較大的速度。

在對流開始階段，通過對每分鐘粒子譜的變化分析發現，粒子譜變化非常劇烈，在18：22 粒子速度譜和直徑譜迅速拓寬，各檔降水粒子數迅速增加。

從雨強變化可以判斷，18：23—18：25 是本次天氣過程中對流的旺盛發展階段，此時，小粒子端速度譜迅速拓寬，大粒子端速度譜有所下壓；而到了對流削弱階段18：25—18：27，尤其是大雨滴的速度回升明顯，考慮到地形作用的存在，發展旺盛階段氣流被強迫抬升，強烈的輻合上升氣流對雨滴產生托舉作用而將雨滴下落速度減小，到了削弱階段上升氣流減弱，托舉作用減小，雨滴下落速度回升。而小雨滴的增加應該是因為大雨滴在劇烈的對流發展中由于風的作用和自身下落導致破碎形成，這一點在李艷偉[15]的研究中有所發現。張祖熠等[23]的研究中也發現，天山山區地形限制了云中降水粒子的發展，呈現出山區降水尺度小、小滴濃度高的特點。但是本文的特征，與平原地區上空[24]大小雨滴數密度都很大的典型積云雨滴譜特征有所不同，平原積云降水中，往往大雨滴和小雨滴的數密度都很大，并且雨滴譜在大滴端起伏激烈呈現多峰型，而在本次山區對流降水過程中，小雨滴數密度明顯高于大雨滴，大雨滴數密度變化平緩，起伏不大，這在后面的雨滴譜型研究中也有發現，說明山區降水雨滴譜與平原地區有明顯差別。

3.3 雨滴譜參量平均特征

將儀器采集資料按直徑分為4 檔（＜1 mm、1～2 mm、2～3 mm、＞3 mm）來考察本次天氣過程中（降雹時間共計5 min）各檔粒子對含水量、粒子濃度、雷達反射率和雨強的貢獻。表2 給出的數據可以看出，粒子數濃度隨直徑增大而迅速減少，＜1 mm 的粒子占絕大多數，達79.18%；從雷達反射率因子來看，大于3 mm 的粒子起主要貢獻，達到97%，其主要原因是Z 與粒子直徑D 的6 次方成正比，更依賴于粒子的直徑；液態水含量來看，＜1 mm 的粒子貢獻較小，1～2 mm 和2～3 mm 粒子貢獻相當，＞3 mm粒子貢獻最大，幾乎占到了液態水含量的一半；從雨強分檔來看，分布規律與液態水相似，＞3 mm 的粒子起主要作用。另外，本文還分析了單獨降雹階段和單獨降雨階段，其規律一致。從整個過程來看，雖然小粒子數濃度占比較高，但對液態水含量和雨強貢獻都較小。＞3 mm 的雨滴雖然濃度小，但是對雨強的貢獻最大，這是因為大雨滴雖然數量小，但是尺度很大，故不能忽略其對降水的貢獻。

表2 各檔粒子對各物理參量的貢獻率（降雨降雹混合計算）

3.4 平均粒子譜及Gamma 擬合特征

從分時段粒子平均譜（圖4）來看，整個過程粒子譜變化經歷了3 個階段，第一階段為18：15—19：00，此階段為降雹階段，粒子直徑譜最大達15 mm，降雹后粒子譜開始收窄，階段末尾粒子譜寬為7.5 mm；第二階段為19：01—20：00，隨著降水加強雨滴譜再次拓寬，但粒子譜明顯比第一階段窄，粒子譜最大達13 mm，在本階段末尾，粒子譜譜寬下降到3.25 mm，粒子數濃度下降一個數量級，微小粒子下降明顯；第三階段為20：16—21：00，在降水短暫停歇后，粒子譜再次發展，此階段粒子譜再次收窄，最大粒子達到9.5 mm，階段末尾下降到3.25 mm。從整個過程粒子譜變化來看，此次過程經歷了粒子譜迅速拓寬—收窄—再次拓寬—收窄—再次拓寬—收窄的過程，結合前文的天氣學分析，這表征了整個天氣過程的能量聚集與釋放的發展過程，不斷補充的盆地氣流輔合，隨著系統的東移南壓，地形的強迫抬升和對風場的收縮作用明顯加強，使得對流發展劇烈，然后隨著能量釋放，逐漸趨于平穩到再次能量聚集釋放。

圖4 各時間段粒子平均譜

從整個過程平均譜來（圖5）看，此次過程粒子譜較寬達15 mm，主要原因可能為觀測粒子中含有固態粒子，從實測粒子譜來看，在1 mm 以下的粒子存在一個數密度增大的現象，最大數密度出現在0.562 直徑檔，其小粒子數量級達到103；在＞5.5 mm以上的粒子直徑上，粒子數密度較小，說明自然界降水過程中基本不存在＞5.5 mm 的粒子，而此次過程存在大量的小粒子說明由于動力學的不穩定導致雨滴破碎，而且越大的大雨滴破碎后產生的小雨滴就越多，從而導致微小雨滴數量增多，部分較大粒子更可能跟粒子在下落過程中的碰并有關。從粒子在1～5 mm 段譜來看，整個譜型為下彎曲形態，說明部分大粒子可能存在碰撞破碎的情況。

圖5 過程平均粒子譜及Gamma 擬合譜

陳寶君[25-26]等人研究了不同降水云雨滴譜分布模式，分析了幾種常用的擬合方法，認為Gamma 參數能較好的擬合對流云降水雨滴譜，因此采用參數Gamma 來進行擬合，從圖5 可以看出在0.562～5.5都能較好的擬合，在小雨滴端未擬合出小粒子的增長，在＞5.5 mm 段，由于實測粒子個數較少，變化較為明顯，存在一定的偏差，從整體來看，擬合效果較好。整個降水過程Gamma 擬合參數μ 和λ 起伏變化趨勢基本一致，且整體趨勢較為平穩，在19：27 和20：23 存在兩個峰值，從雨強隨時間演變可以看出，這兩個時段分別為降水趨于結束和降水開始階段。對參數μ 和λ 進行二項式擬合，得到擬合公式為λ=0.1076μ2+1.06μ+1.831，兩者的相關系數為0.952 2。

3.5 速度譜分析

對本次過程粒子直徑與平均下落速度進行擬合，得到擬合公式y=11.56-10.99exp（-0.3049x），相關系數達0.998，擬合效果較好。圖6 中給出了本次過程雨滴譜平均速度的擬合曲線，與實驗室經驗曲線相比較呈現3 個不同的階段，＜1mm 的粒子下落末速度明顯大于經驗曲線，在1～5 mm 段，粒子下落末速度小于經驗曲線，在＞5mm 段，粒子相對經驗曲線具有更大的速度。主要原因應該為本次過程為一次短時強降水天氣過程，伴有冰雹粒子，對流發展強烈，在雨強較大及冰雹粒子下落階段，大粒子具有更大的動能，攜裹效應及粒子破損明顯，因此更多的小粒子具有較大的速度；在1～5 mm 段的粒子，對流發展強烈，環境氣流可能具有較大的上升運動；在＞5 mm 段，本次最大粒子尺度達13 mm，測量的粒子中有冰雹粒子，受重力作用影響，粒子具有更大的加速度，因此此段粒子速度大于經驗曲線。同時，經驗曲線為實驗室環境，大氣環境與實驗環境不太一致，而且經驗公式的使用需要根據環境進行空氣密度訂正，因此也出現差異。

4 結論

圖6 粒子直徑D 與下落末速度V 的關系擬合

通過對此次重慶萬盛站雨滴譜儀觀測資料分析，對進一步認識該區域降水雨強有意義，分析地形強迫抬升作用的短時強降水天氣過程中雨滴譜特征，得到以下結論：

（1）雨滴譜儀器能夠較好的反應本次過程雨量細節，與自動站觀測雨量相關性較好，在本次過程中，Z-R 關系擬合公式為Z=404.2R1.611。

（2）此次過程中，＜1 mm 的粒子占比達79.18%，但對雨強的貢獻僅為4.78%，而＞3 mm 粒子占比為0.39%，卻貢獻了46.12%的雨強，說明在降水過程中，雨滴的數濃度并不是影響雨強的決定性因素，粒子大小對雨強的貢獻同樣很重要；并且在山區對流性降水系統中，大雨滴的數濃度非常小，小雨滴的數濃度相當大，強烈的對流導致較大粒子在下落過程中更容易破碎成大量的小粒子。

（3）＞3 mm 的粒子在雷達反射率因子中起主要貢獻，達到97%，其主要原因是Z 跟粒子直徑D 的6 次方成正比，Z 的大小對粒子的直徑大小更敏感。

（4）本次過程中的平均粒子譜變化較好的反映了對流的生消過程，對流加強譜寬拓寬，對流減弱譜寬收窄；Gamma 參數擬合能較好的擬合短時強降水天氣過程的粒子譜。

（5）與實驗室測得的雨滴—速度關系相比較來看，本次過程小粒子的平均下落速度較高，且大粒子的速度也大于實驗室速度，可能跟本次過程為對流天氣過程，大粒子中含有少量冰雹粒子，以及大粒子在下落過程中破碎形成小粒子但仍保持較大速度有關。