馮璐，夏豐，萬齊林，肖輝，劉顯通，鄭騰飛，黎慧琦

(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510641)

1 引 言

雨滴譜（DSDs）是單位體積中雨滴的數(shù)量隨雨滴大小的分布，是云降水物理過程中重要的參數(shù)之一，它對提高雷達測量降水精度，人工影響天氣效果評估檢驗，數(shù)值預報中降水微物理過程參數(shù)化方案改進等均具有重要意義[1]。

近年來，隨著科技的發(fā)展，雨滴譜觀測手段越來越先進，除了傳統(tǒng)雨滴譜觀測方法外，二維激光雨滴譜儀（以下簡稱2DVD）、Parsivel 激光降水粒子譜儀等儀器被廣泛地應用于降水粒子的探測方面，大大提高了雨滴譜測量精度[2]。雨滴譜型分布是雨滴譜研究中重要的參數(shù)之一，它為云參數(shù)化方案、衛(wèi)星以及雷達反演降水等提供了重要的經(jīng)驗關系[3]。Marshall 等[4]首次提出用M-P 分布來描述雨滴譜譜型，Ulbrich[5]在此基礎上引入形狀因子μ，從而提出Gamma 分布函數(shù)。陳寶君等[3]、陳萬奎等[6]以及陳德林等[7]對雨滴譜分布形式做擬合，發(fā)現(xiàn)M-P 分布對穩(wěn)定的層狀云降水擬合效果較好，但在不穩(wěn)定時刻，對大粒子和小粒子的偏差較大。周嘉健等[8]基于雷達反射率因子針對層狀云降水給出粒子譜參數(shù)的反演算法。許多國內(nèi)外學者基于雨滴譜觀測資料針對不同地區(qū)、不同降水系統(tǒng)以及不同降水類型雨滴譜微結(jié)構(gòu)參數(shù)量以及時間變化特征進行探討分析。文獻[9-17]對同一天氣系統(tǒng)不同降水部位的雨滴譜特征進行了詳細的研究與分析，均得出了有意義的結(jié)論。文獻[18-22]研究同一地區(qū)不同類型降水的雨滴譜特征，均表示不同類型降水雨滴譜有明顯差異。颮線是一種由多個雷暴單體側(cè)向排列而成的強對流云帶，它是造成暴雨、龍卷等災害性天氣的重要系統(tǒng)，深入研究颮線的微物理結(jié)構(gòu)，有助于增強對颮線天氣系統(tǒng)的認識。華南地區(qū)臺風颮線常出現(xiàn)在盛夏，深厚水汽層、低對流凝結(jié)高度、強低層風切變等為強對流積聚不穩(wěn)定能量[23-24]。近年來，很多學者關注颮線不同降水部位的雨滴譜特征。Maki 等[25]針對澳大利亞15 條“大陸性”颮線統(tǒng)計分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)颮線不同類型降水區(qū)域（對流區(qū)、層云區(qū)和過渡區(qū)）雨滴譜特征有很大差異。Chen 等[26]深入研究了東亞地區(qū)一次“大陸性”颮線過程，發(fā)現(xiàn)相比于颮線前沿和后沿區(qū)域，對流中心雨滴濃度較高、粒徑較大、譜較寬，同時譜型為“凸”型。Jung 等[27]針對中國臺灣地區(qū)一次“海洋性”颮線過程進行分析，發(fā)現(xiàn)相比于其他“海洋性”對流降水，此次對流中心雨滴濃度偏小且粒徑偏大。這些研究得到了不同地區(qū)颮線不同降水部位的雨滴譜特征，但是缺少針對廣東地區(qū)颮線開展相關研究。

2DVD 相比一維激光雨滴譜儀可以獲得更精確的雨滴譜分布信息，有助于理解云粒子降水的機制和過程，并可以有效提高天氣雷達定量估計降水的精度。但由于2DVD 價格較為昂貴，國內(nèi)很少基于2DVD 開展降水粒子微物理特征觀測。中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地已基于2DVD 以及其它云和降水觀測儀器開展了大量的試驗，目前已經(jīng)取得大量珍貴的資料。因此，本文將利用中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地2DVD 觀測資料以及多普勒天氣雷達資料，對不同類型颮線的微物理特征進行詳細分析，以期為今后華南地區(qū)強對流天氣預報提供參考依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 設備簡介

本文所用的資料來自于中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地，該基地位于“清遠-佛岡-龍門”一帶（圖1）。2DVD 是奧地利Joanneum Reaserch 公司生產(chǎn)的第三代雨滴譜儀器。該雨滴譜儀器是由兩個相互垂直方向的光源高速線陣列掃描（55 KHz）測量出水滴的直徑，當有降水粒子通過采樣區(qū)域時，線性掃描相機通過多周期掃描獲得粒子的圖像，從而換算出等體積球體的水滴直徑[28]。2DVD 的取樣面積為10×10 cm2，粒徑測量范圍為0.1～8.1 mm（粒徑間距0.2 mm，共41 個粒徑段），采樣時間間隔是1/55 000 s。

為了研究不同類型颮線的雨滴譜特征，本文選取2017年5月4日（槽前型颮線）和2017年8月22日（東風型颮線），并將2DVD 數(shù)據(jù)處理成1 min 時間分辨率，由于數(shù)據(jù)收集的不穩(wěn)定性，分別選取數(shù)據(jù)較為完整的廣東佛岡站和廣東恩平站進行個例分析。

圖1 中國氣象局龍門云物理野外科學試驗基地分布圖

2.2 雨滴譜參數(shù)計算

雨滴數(shù)濃度N(Di)計算公式如下：

其中，ni,j代表尺度第i 檔、速度第j 檔的雨滴數(shù)，A和Δt 分別代表采樣面積（單位：m2）和采樣時間（單位：s），Di代表第i 檔的雨滴直徑（單位：mm），ΔDi代表對應的直徑間隔（單位：mm），Vj代表第j檔雨滴的下落末速度（單位：m/s），N(Di)代表直徑Di至Di+ΔDi之間的雨滴數(shù)濃度（單位：mm-1·m-3）。

通過N (Di) 可以計算反射率因子Z（單位：mm6/m3）、雨強R（單位：mm/h）和雨滴總濃度Nt（單位：m-3）：

本文采用Gamma 分布對雨滴譜進行擬合：

其中，D 為雨滴直徑（單位：mm），N0為截距（單位：mm-1-μ·m-3）；μ 為形狀因子，當μ＞0時曲線上凸，當μ＜0 時曲線下凹，當μ=0 時，Gamma 分布變?yōu)镸-P 分布；∧為斜率（單位：mm-1）。Gamma 參數(shù)的計算使用階矩法，定義n階矩為：

質(zhì)量加權(quán)直徑Dm（單位：mm）：

由于N0的單位是mm-1-μ·m-3，不具有獨立的物理意義。因此，需要找到一個參數(shù)和N0具有類似的意義，但單位不隨μ 改變。Testud等[29]提出標準化截距：

其中，ρω為雨水密度（單位：g/cm3）。Nw是一個獨立的物理量，反映雨滴數(shù)濃度的大小，并且與降水類型有關（單位：mm-1·m-3），不受μ 的影響。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本文采用Tokay 等[30]和Liu 等[31]方法對2DVD 數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，剔除總雨滴數(shù)小于10或者降水率小于0.1 mm/h 的數(shù)據(jù)。圖2 分別是佛岡自動站和恩平自動站與質(zhì)控后的2DVD 雨強對比圖，發(fā)現(xiàn)2DVD 與地面雨量筒（Rain Gauge，RG）的雨強演變特征較為一致。在降水小于0.1 mm 時刻，地面雨量筒無探測能力，2DVD 能準確探測。但是，由于雨滴遮擋，在雨強較強時刻，2DVD 容易低估或者缺失。總體而言，質(zhì)控后的2DVD 數(shù)據(jù)可靠性較高。

圖2 自動站和質(zhì)控后2DVD 的雨強演變a. 佛岡站；b. 恩平站。

2.4 降水分類

首先，利用Chen 等[32]基于地面雨滴譜資料的層云-對流降水分類的方法，對這兩次颮線降水過程進行層狀云和對流性降水分類。具體分類方法如下：對于2DVD 的連續(xù)降水觀測資料，若持續(xù)10 min 以上的時段內(nèi)，降水率均大于0.5 mm/h，并且該時段內(nèi)降水率標準偏差小于1.5 mm/h，則識別為層狀云降水；降水率大于5 mm/h，且降水率標準偏差大于1.5 mm/h，則識別為對流性降水。最后，根據(jù)Jung 等[27]方法，以20 mm/h 降水率為閾值，將對流降水劃分為對流前沿、對流中心、對流后沿。

3 結(jié)果分析

3.1 環(huán)境條件分析

本文所選取的兩次颮線過程均對廣東地區(qū)造成了巨大的影響。2017年5月4日凌晨(北京時，下同) 在湖南南部和廣西東北部生成的一條颮線（即槽前型颮線），由于其南壓，廣東省自西北向東南出現(xiàn)大到暴雨天氣，其中，江門、茂名和珠海共有10 個站點出現(xiàn)了大暴雨，并伴有短時強降水（雨量30～50 mm）和8～9 級雷雨大風。2017年8月22日15:00，第13 號臺風“天鴿”中心位于珠海市東偏南方向大約520 km 的南海東北部海面上，中心附近最大風力12 級，其移動路徑為西偏北方向，臺風外圍螺旋云系開始影響珠江三角洲以西地區(qū)，此時廣東地區(qū)開始出現(xiàn)由若干對流單體組成的直線狀回波帶，Senn 等[33]命名它為臺前颮線，即本文的東風型颮線，廣東江門、云浮和潮州等地出現(xiàn)了大雨到暴雨局地大暴雨天氣，其中，有3 個氣象站錄得大暴雨（100～250 mm）。

利用NCEP/NCAR 逐6h的0.25 °×0.25 °再分析資料對兩次颮線過程環(huán)流場進行分析。2017年5月4日02：00（圖3a），亞洲地區(qū)維持兩槽一脊形勢，中低緯度地區(qū)從印度到華南有接二連三的短波槽活動，南支槽移動過程中不斷加強，廣東地區(qū)處于高空槽前，高空干冷空氣向湖南南部和廣西東北部地區(qū)輸送，同時西南暖濕氣流（水汽通量達到8 g（/cm·hPa·s）以上）向廣西東北部和廣東北部地區(qū)輸送，此時冷暖空氣在湖南南部和廣西東北部地區(qū)交匯，低層切變線位于廣西東北部-江西西北部一帶同時向東南方向移動并加強（圖3b）。這些水汽條件、不穩(wěn)定條件、風切變條件等均對颮線發(fā)展十分有利[34-35]。

2017年8月22日20：00（圖3c 和3d），副高中心位于日本海，臺風“天鴿”中心位于117.3 °E，20.6 °N，中心渦度最高達到30×10-5s-1，中心水汽通量最高值為75 g/（cm·hPa·s）左右，臺風外圍環(huán)流（水汽通量在12 g/（cm·hPa·s）以上）不斷地向廣東地區(qū)輸送水汽。

圖3 500 hPa 渦度場（a、c，單位：10-5 s-1）和850 hPa 水汽通量（b、d，單位：g/（cm·hPa·s））a、b. 2017年5月4日；c、d. 2017年8月22日。

3.2 雷達產(chǎn)品分析

圖4 a、4b 為2017年5月4日廣州雷達反射率平面圖，圖4c 為佛岡上空雷達反射率隨時間變化，佛岡地區(qū)距廣州雷達80 km 左右。槽前型颮線向東南方向移動（紅色實線），移動速度約為60 km/h，大于45 dBz 的回波區(qū)長度約為250 km。05:42（數(shù)據(jù)缺失）有組織的颮線系統(tǒng)開始經(jīng)過佛岡，并且和一些較強的對流單體合并成長，此時佛岡開始處于對流區(qū)。至05:48，颮線發(fā)展旺盛，“弓形”回波已逐漸形成，回波后側(cè)存在弱回波通道，并且，對流柱狀回波高達55 dBz，高度約為7 km，隨后對流后沿開始經(jīng)過佛岡。颮線前沿底層有一個弱回波（圖略），中高層存在懸垂狀回波，說明颮線中雷暴內(nèi)的上升氣流很強，俞小鼎等[36]指出，這有利于強降水和強冰雹的形成。05:50 以后，對流帶強度變?nèi)?，寬度變窄，并且對流帶移出佛岡，大片層狀云系?jīng)過佛岡。

圖4d～4g 為2017年8月22日陽江雷達反射率平面圖，圖4h為恩平上空雷達反射率隨時間變化，恩平距離陽江雷達50 km 左右。東風型颮線已生成，并向西南方向移動（紅色實線），移動速度約為50 km/h，大于45 dBz 的回波區(qū)長度約為120 km。21:48 大范圍的層狀云回波經(jīng)過恩平，此時恩平右側(cè)對流帶發(fā)展旺盛，柱狀中心回波大于45 dBz，高度約為5 km（圖略）。21:54，對流前沿經(jīng)過恩平，但對流帶開始減弱，中心回波減小。22:00，對流中心經(jīng)過恩平，此時對流中心回波和高度繼續(xù)減小。22:05 以后，對流區(qū)移出恩平，大片層狀云區(qū)存在于恩平上空。

圖4 天氣雷達反射率因子時間-高度剖面（a、b、d、e、f、g）以及單點雷達反射率隨時間變化（c、h）a～c. 廣州雷達；d～h. 陽江雷達。

3.3 雨滴譜分析

3.3.1 二維激光雨滴譜儀觀測資料時間序列分析

結(jié)合3.2 節(jié)、Chen 等[32]以及Jung 等[27]方法將兩次颮線降水過程（槽前型颮線和東風型颮線）劃分為對流前沿、對流中心、對流后沿和層云降水。兩次颮線過程共識別出24 個對流性降水和140個層云降水樣本（表1），其中，槽前型颮線對流性降水和層云降水的降水貢獻分別為75.3 %和24.7 %，東風型颮線對流性降水和層云降水的降水貢獻分別為60.7 %和39.3 %。圖5 為雨滴譜和各物理參數(shù)隨時間變化圖。從雨滴數(shù)濃度（N(D)）隨時間的演變（圖5a）可以看出，槽前型颮線對流前沿雨滴粒徑和濃度較小，但有少量3 mm 左右雨滴出現(xiàn)。隨后對流中心區(qū)，雨滴粒徑和濃度變化劇烈，快速增大，并且雨滴粒徑最大值出現(xiàn)時間先于小雨滴濃度最大值。對流后沿雨滴粒徑和濃度隨時間逐漸減小，至層云區(qū)趨于穩(wěn)定。圖5b 是反射率因子（Z）、雨滴濃度（lgNt）與雨強（R）隨時間變化，發(fā)現(xiàn)R、Z 和lgNt演變趨勢較為一致，隨著R增強，Z 和lgNt也在逐漸增大，但lgNt峰值濃度比R 延遲了1 min，這與王俊等[37]研究結(jié)果較為一致，而Z 峰值比R 提前了1 min；隨后R 的減弱，Z和lgNt也隨之減小，但減小的幅度明顯小于增大的幅度。圖5c 是譜參數(shù)μ、λ、質(zhì)量加權(quán)直徑（Dm）和lgNw隨時間變化圖，可以看出，Dm在對流前沿區(qū)迅速從0 mm 增加到3.48 mm，這也是此次降水過程中Dm的最大值，之后在對流中心區(qū)隨時間逐漸減小，層云區(qū)內(nèi)趨于穩(wěn)定，基本保持在1 mm 左右。lgNw從降水開始階段迅速增大，在對流中心區(qū)達到最大值（5 mm-1·m-3），隨后迅速減小，并在層云區(qū)趨于穩(wěn)定。μ 和λ 波動較為一致，在對流區(qū)較為穩(wěn)定，層云區(qū)波動較大。隨著R 增強，μ 和λ 緩慢減小，R 減弱過程中，μ 和λ 逐漸增大。μ 和λ 的最小值出現(xiàn)在雨強減弱時刻（05:44 或者05:45），這主要是因為小粒子濃度顯著增大和直徑大于4 mm 的大粒子數(shù)濃度增加。

圖5d 是N(D)隨時間變化，東風型颮線演變趨勢與槽前型颮線類似，不同的是東風型颮線對流中心雨滴粒徑和濃度變化幅度均小于槽前型颮線。從R、Z 和lgNt隨時間變化（圖5e）可以看出，Z、lgNt與R 演變趨勢大體一致，變化特征與槽前型颮線相似，同樣，此次過程Z、lgNt和R 波動起伏在對流中心尤為明顯，但變化幅度仍然小于槽前型颮線。譜參數(shù)μ、λ、Dm和lgNw隨時間的演變（圖5f）顯示，μ 和λ 具有一致的變化趨勢，且在對流區(qū)較為穩(wěn)定，層云區(qū)波動較大，Dm和lgNw有著較強的負相關性，這與Chen 等[38]的結(jié)果一致。

表1 不同降水類型降水貢獻和Nt、W、R、Dm 和lgNw 的平均值

3.3.2 Dm、Nw分布特征

圖6 給出了不同降水類型的Dm、lgNw的柱狀分布以及相關的統(tǒng)計參數(shù)（平均值、標準偏差和偏斜度）。圖6a～6c 分別為槽前型颮線總降水、對流降水和層云降水的Dm、lgNw柱狀分布，對比不同降水類型的Dm、lgNw柱狀分布發(fā)現(xiàn)，對流降水的Dm和lgNw分布譜寬最大，即標準偏差最大（分別為1.11 mm 和0.90 mm-1·m-3）；Dm和lgNw的偏斜度均為負數(shù)，Dm平均值最大，lgNw最小，即高濃度中小粒子居多。而層云降水的Dm和lgNw分布較為集中（分別為0.18 mm 和0.12 mm-1·m-3），并且高濃度小粒子較多（Dm平均值最小，lgNw最大）。對于不同降水類型（層云降水和對流降水）而言，東風型颮線的Dm和lgNww的分布譜寬均不大，標準偏差均小于0.32（圖6d～6f）；Dm（偏斜度為正）的眾數(shù)均小于平均值，lgNw的（偏斜度為負）的眾數(shù)均在平均值的右側(cè)，即東風型颮線不同降水類型的Dm和lgNww分布均很集中，且主要是由高濃度中小粒子組成。

圖6 不同降水類型的Dm、lgNw 的柱狀分布圖

為了更清楚表現(xiàn)不同降水階段lgNw-Dm分布特征，圖7 給出了對流前沿、對流中心、對流后沿和層云降水的lgNw-Dm分布。對于槽前型颮線（圖7a）而言，對流前沿，即對流開始階段雨滴粒徑較大濃度較低，這主要是由于垂直上升運動使得雨滴在垂直下落過程中高效率地碰并收集小粒子而迅速增長。隨著對流發(fā)展，上升運動開始傾斜并且水汽輸送增多，大雨滴不再在上升運動區(qū)降落，對流中心階段大雨滴粒徑開始減小，中小雨滴增多且粒子濃度增大。對流后沿- 層云降水階段，0.8～1.4 mm 的粒子濃度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。圖中灰色框是Bringi 等[39]定義的“海洋性”和“大陸性”對流落區(qū)，深藍色虛線則為Bringi 提出的層云分界線。Bringi 定義的“海洋性”對流落區(qū)是指Dm和lgNw分別在1.5～1.75 mm 和4～4.5 mm-1·m-3范圍內(nèi)的降水粒子，“大陸性”是Dm和lgNw分別在2～2.75 mm 和3～3.5 mm-1·m-3范圍內(nèi)。槽前型颮線對流粒子的前半部分大致位于“大陸性”對流區(qū)右側(cè)，即相同粒子濃度下，槽前型颮線粒子尺寸明顯大于“大陸性”對流粒子，而后半部分則位于“海洋性”對流區(qū)左側(cè)，即表現(xiàn)出粒子小濃度高的特征。層云粒子分布在Bringi 定義的層云分界線兩側(cè)，約67 %出現(xiàn)在Bringi 定義的層云線右側(cè)。

圖7b 是東風型颮線的lgNw-Dm分布圖，其中，對流降水階段，lgNw-Dm分布在“海洋性”和“大陸性”對流落區(qū)之間，雖然恩平地區(qū)位于大陸區(qū)域，但此次東風型颮線對流降水小部分出現(xiàn)在“海洋性”對流區(qū)域。兩個層云降水階段，lgNw-Dm均分布在層云線的兩側(cè)，將近56 %的層云降水粒子分布在Bringi 定義的層云線的左側(cè)。從3.2 節(jié)的回波強度和高度上可以看出，云的發(fā)展強度較弱，發(fā)展高度較低，垂直速度也相對較小，導致大雨滴的濃度較低，因此東風型颮線大多由中小粒子組成。

圖7 不同降水類型的lgNw-Dm 分布圖 深紅色和深藍色叉分別代表對流和層云降水的平均值。

3.3.3 雨滴粒徑譜分布特征

不同降水系統(tǒng)的雨滴譜分布如圖8，槽前型颮線的雨滴濃度最大，粒徑最大高達5.3 mm。槽前型颮線的對流降水階段，雨滴濃度隨著粒徑增大而減小，雨滴直徑大于4 mm 的粒徑譜分布變化較為劇烈，直徑大于0.3 mm 且小于1 mm 的雨滴濃度急劇降低；相比于東風型颮線，槽前型颮線的譜寬明顯更大，0～1 mm 的雨滴濃度也更大。在層云降水階段，直徑為0.3 mm 的雨滴濃度最高，且各粒徑的雨滴濃度均大于東風型颮線。對于東風型颮線而言，在對流降水階段，直徑小于0.3 mm的雨滴濃度隨著粒徑增大而略有增長，對比對流前后的層云降水，發(fā)現(xiàn)兩個階段變化趨勢較為一致，但是0.5～1.5 mm 的雨滴濃度差別較大?？傮w而言，槽前型颮線的粒徑譜在大粒子處波動較為劇烈，譜寬大，說明槽前型颮線所受大氣上升運動較強，雨滴在降落過程中變化較大；東風型颮線的粒徑譜分布曲線較為平滑，譜寬較小，表明其降水環(huán)境較為均一，雨滴在降落過程中的微物理過程趨于平衡。

圖8 不同降水類型的雨滴譜分布

4 結(jié) 論

本文利用2DVD 資料以及常規(guī)資料，分析了廣東地區(qū)2017年5月4日（槽前型颮線）和2017年8月22日（東風型颮線）兩次颮線過程，研究了不同降水類型及雨滴譜微物理特征，得到以下結(jié)論。

兩次颮線過程，對流性降水貢獻率均為最高；反射率因子（Z）、雨滴濃度（lgNt）與雨強（R）演變趨勢較為一致，γ 譜斜率參數(shù)（λ）和形狀參數(shù)（μ）演變特征一致。對流降水區(qū)內(nèi)，各參數(shù)隨時間變化較大，且槽前型颮線各參數(shù)波動起伏明顯大于東風型颮線過程；層云降水區(qū)內(nèi)，兩次颮線過程雨滴譜演變特征則均表現(xiàn)為：相比于對流區(qū)，R、Z、lgNt和lgNw變化幅度較小，λ 和μ 波動較大。

不同降水系統(tǒng)在不同降水時期的降水微物理特征參數(shù)變化有所差異。槽前型颮線過程中，對流區(qū)內(nèi)，由于所受大氣上升運動較強，粒徑譜在大粒子處波動較為劇烈，降水粒子粒徑分布較為分散，中等粒徑粒子比重較高，并且對流區(qū)前半部分粒子尺寸大于“大陸性”對流特征，后半部分粒子尺寸小于“海洋性”對流特征；層云降水粒子分布較為集中，小粒徑粒子居多。而東風型颮線過程中，對流區(qū)內(nèi)，云的發(fā)展強度較弱，發(fā)展高度較低，垂直速度也相對較小，因此基本上是由高濃度中小粒徑粒子組成。由于其降水環(huán)境較為均一，雨滴在降落過程中的微物理過程趨于平衡，降水粒子分布較為集中，且對流降水粒子介于“海洋性”和“大陸性”對流區(qū)之間。