興安盟一次暴雨過程的雨滴譜特征分析

閆文輝

利用興安盟索倫氣象站內地面觀測翻斗雨量計和ZBT-LR-01激光雨滴譜儀采集數據，同時結合高空探測和天氣雷達資料，分析2017年8月3日暴雨過程的雨滴譜特征。分析顯示：低空急流輸送的水汽配合高空西風槽和切變線的共同作用，為本次降水提供了有利條件;雨強、雷達反射率因子、粒子個數和直徑都有很好的對應關系，隨時間的變化趨勢是相似的;粒徑1.5-1.75mm的雨滴是雨量、雨強和雷達反射率因子的主要貢獻者，但粒徑>2mm的雨滴對雨量和雨強的貢獻率比對總個數的貢獻率大近5倍。

2017年興安盟出現了歷年少見的春夏連旱，導致土壤干裂，地質脆弱，突遇暴雨，極易發生旱澇急轉，出現泥石流、滑坡等地質災害，對人民生命財產造成重大損失，防災減災對氣象工作提出了更高要求。隨著氣象科技的發展，針對暴雨的分析和研究逐漸擴展深入。康嵐等人通過衛星云圖特征對四川地區暴雨天氣進行了分析;紀曉玲等通過中小尺度系統分析對寧夏一次突發暴雨進行研究;胡文東等利用多普勒雷達資料對降水進行分析;楊長業等人對夏季降水過程按照強度進行分類，對降水微物理變化特征進行分析;江新安等對伊犁河谷汛期一次短時強降水雨滴譜進行特征分析發現，0-2mm之間的雨滴譜濃度占總濃度的92%，對雨強的貢獻達到75.1%，這個尺度范圍的雨滴是降水的主體，降水過程雨滴的尺度變化很大，但雨滴濃度并不是影響雨強的決定性因素;傅佩玲等人研究發現，降水雨滴譜在高濕環境中表現為暖性降水的特征（小雨滴濃度非常高），但同時存在部分大粒子，從而導致更高的降水效果和局地強降水;周黎明等研究發現暴雨雨滴譜很寬，均有7-8mm的特大滴出現，隨著降水強度的增大，雨滴譜譜寬變大且各檔雨滴濃度增加。本文通過把現有的各種觀測資料融合，充分研究興安盟地區暴雨的微物理過程和特征分布，進而為提高預報預警工作提供有效的參考。

一、觀測儀器和資料說明

ZBT-LR-01激光雨滴譜儀是2016年興安盟引進的主要應用于防汛抗災、氣象監測等應用領域，其功能是對降水進行實時監測。安裝在興安盟索倫國家基準氣候站內，與自動站翻斗雨量計（SL3-1）相距小于10m，盡量減少因儀器距離產生的對比誤差。雨滴譜可以觀測到的直徑范圍0.2mm-25mm、降水強度范圍0.005mm/h-250mm/h，降水量的分辨率是0.001mm，測量間隔是10s。

本文利用2017年8月3日興安盟索倫國家基準氣候站雨滴譜儀、翻斗雨量計、高空L波段雷達資料，同時結合天氣雷達資料，對此次降水過程進行分析。

本文按照GB/T28592-2012，把2017年8月2日23：58到8月3日3：07降水量為35.3mm的過程記為暴雨。

二、天氣形勢

索倫處于高空槽前暖區，夜間高空槽在東移過程中由于后部弱冷空氣的補充，強度增強，槽前上升運動增強。低層從渤海灣有一只低空急流向北輸送水汽和暖空氣，為降水提供了有利的水汽和不穩定條件。

3L波段探空雷達演變特征：

從降水時段索倫探空顯示，本次降水對流性質顯著，濕層從地面擴展到400hPa，低層暖平流明顯，抬升凝結高度到0度層之間的高度在4.5km左右，暖區降水性質顯著，而0度層和-20度層高度較高，濕層已經很深厚，且有一定的不穩定能量儲存，在夜間切變線的抬升作用下，不穩定能量將會釋放，產生短時強降水天氣。

三、降水過程分析

1、雨滴譜和自動站翻斗雨量計分鐘雨量對比

由于雨滴譜儀和自動站翻斗雨量計的精度不同，雨滴譜的采樣間隔為10s，所能測量的最小量值是0.001mm;而自動站翻斗雨量傳感器的采樣速率是1min，分辨力是0.1mm。同一降水過程，雨滴譜儀觀測到的降水開始時間優先于翻斗雨量計觀測到的降水開始時間。從分鐘降水量看，自動站翻斗雨量計比雨滴譜有一定的滯后性，但降水過程累積量僅相差2.1%。

2、雨滴譜演變特征

2016年興安盟引進ZBT-LR-01激光雨滴譜儀，可實現降水的連續自動觀測，每10s即可獲取一組降水強度、粒子個數、直徑、降水量（包括累計降水量）、雷達反射率因子等要素。本文基于這些數據，分析2017年8月3日一次暴雨過程的雨滴譜特征，從而充分研究興安盟地區暴雨的微物理過程和特征分布，為提高預報預警工作提供有效的參考。

①特征參量

表1給出了本次暴雨的各特征參量，雨滴濃度在104量級，平均直徑1.617mm，直徑小于3mm的雨滴粒子占總個數的99.99%。

②雨強、雷達反射率因子、粒子個數和直徑隨時間的變化特征

2017年8月3日00時至03時雨強、雷達反射率因子、粒子個數和直徑隨時間的變化特征。雨強、雷達反射率因子、粒子個數和直徑都有很好的對應關系，隨時間的變化趨勢是相似的。雨強變化顯著，從采集到雨滴粒子到雨強達到301.3mm/h，只有短暫的17分鐘，雨強持續超過80mm/h的僅3分鐘，雨強10-25mm/h占總雨強的51.3%，降水過程的平均雨強12.67mm/h.;雷達反射率因子和雨強的大值區出現在相同的時間段，峰值達85.77dBz;除0：37-1：05和2：47-3：00時段內雷達反射率因子低于30dBz，其他時段大多維持在45dBz左右;雨強大，降水粒子密集，在雨強較大的0：12-0：37時段內，降水粒子15526個，占總個數的25.67%;在雨強較小的0：38-1：07和2：41-3：00時段內，降水粒子分別是1741個和752個;粒徑在初期出現先增后減，再回彈，后逐漸趨于平穩，直到降水快要結束，零星出現大雨滴;雷達反射率因子超過50dBz，粒徑>1.5mm;但在降水過程快結束的一段時間內，粒徑>1.5mm，雷達反射率因子也只有20dBz左右。

③不同粒徑雨滴對總個數、雨量、雨強和反射率的貢獻率

ZBT-LR-01激光雨滴譜儀可采集32等級粒子直徑，根據本次降水粒子的直徑范圍，能獲取降水粒子的通道有10個，為了分析不同粒徑的雨滴對個數和雨量的貢獻，將雨滴按粒徑通道劃分開。

不同粒徑雨滴對雨量和雨強貢獻率幾乎完全吻合，1.5-1.75mm的降水粒子是所有參量貢獻率的峰值。這與陳磊等[11]研究的梅雨鋒暴雨過程中小于1mm的粒子占總個數比例最大，而1-2mm的粒子對雨強貢獻率最大的結論有所不同。出現這種差異的原因可能是：本次降水過程持續時間較短，降水集中，粒徑<1.5mm的雨滴對個數、雨量、雨強和反射率都比較小，只占0.01%-13.08%;1.5-175mm的雨滴粒子，分別占總個數的59.58%、總雨量的49.29%、總雨強的49.34%和總反射率的49.70%;粒徑>2mm的雨滴對雨量的貢獻率比對總個數的貢獻率大近5倍，也就是說，2.486%的>2mm的雨滴貢獻了11.676%的降水量。可見，大雨滴對雨量和雨強的貢獻極大。

四、結論

1、本次降水過程是在高空槽、切變線和低空急流的共同作用產生，比濕達到12-14g/kg，L波段探空雷達資料顯示，濕層深厚，低層暖平流明顯，降水對流性質顯著。

2、自動站翻斗雨量計要比激光雨滴譜儀滯后約10min、雨量偏大約2.1%。

3、雨強、雷達反射率因子、粒子個數和直徑都有很好的對應關系，隨時間的變化趨勢是相似的。

4、1.5-1.75mm的降水粒子是雨強、雷達反射率因子和個數貢獻率的峰值，粒徑>2mm的雨滴占總個數的2.486%，卻占雨量11.676%、雨強的11.7%。

（作者單位：137400內蒙古烏蘭浩特市興安盟氣象局）