彭思越 , 王瑩玨 , 黃澤文 , 鄭佳鋒 , 車玉章

（成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實驗室，成都 610225）

引言

雨滴譜是降水最基本的微觀信息，雨滴譜的觀測和研究有助于了解降水微物理特征，也是優(yōu)化數(shù)值模式參數(shù)化方案和提高雷達(dá)測量降水能力的重要基礎(chǔ)。

近年來，國內(nèi)外大量關(guān)于雨滴譜的觀測和研究一致發(fā)現(xiàn)，不同天氣系統(tǒng)產(chǎn)生的雨滴譜存在顯著差異。謝媛等[1]分析了上海地區(qū)雷暴強(qiáng)降水的雨滴譜，發(fā)現(xiàn)隨雷暴的發(fā)生和發(fā)展，地面雨滴數(shù)濃度與閃電頻次的變化趨勢較一致；大雨滴數(shù)濃度達(dá)到峰值時，預(yù)示強(qiáng)降水將要出現(xiàn)；小雨滴數(shù)濃度達(dá)到峰值時，表明強(qiáng)降水過程開始發(fā)生。金祺等[2]對安徽一次颮線過程中不同類型降水的雨滴譜進(jìn)行分析，指出颮線對流性降水各雨滴直徑對應(yīng)的數(shù)濃度均較高，小雨滴數(shù)濃度遠(yuǎn)高于過渡性降水和層狀云降水；層狀云降水也存在少量大雨滴，小雨滴數(shù)濃度遠(yuǎn)低于相同粒徑下對流性降水的數(shù)濃度；過渡性降水無大雨滴，小雨滴數(shù)濃度與層狀云降水相近。呂童等[3]研究了臺風(fēng)登入前后的雨滴譜變化，發(fā)現(xiàn)多數(shù)臺風(fēng)登入陸地后，中雨滴數(shù)濃度幾乎不變，大雨滴數(shù)濃度則減小。

不同氣候背景下，降水的雨滴譜也明顯不同。羅俊頡等[4]對溫帶大陸性季風(fēng)氣候下山西地區(qū)的雨滴譜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)中大雨滴對該地區(qū)雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)顯著，人工催化降水過程中應(yīng)提高引入中大降水胚元的比例。柳臣中等[5]研究了亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候下成都地區(qū)的雨滴譜，發(fā)現(xiàn)積層和積層混合云降水的雨滴譜比層狀云降水的更寬、數(shù)濃度更高，降水過程中的小雨滴主要來自層狀云降水，大雨滴則主要由積層和積層混合云降水貢獻(xiàn)。胡子浩等[6]對熱帶季風(fēng)海洋性氣候下南海一次對流降水的雨滴譜進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)南海能出現(xiàn)大陸性氣候地區(qū)少有的超大型雨滴。

青藏高原是我國乃至世界的獨(dú)特地形區(qū)，地處亞洲內(nèi)陸，高山環(huán)繞，地勢起伏，被譽(yù)為“世界屋脊”。青藏高原氣候類型多樣且降水過程復(fù)雜，具有十分豐富的研究價值。目前，部分學(xué)者已對高原不同地區(qū)的雨滴譜開展了相關(guān)研究。常祎等[7]發(fā)現(xiàn)那曲地區(qū)的雨滴譜較平原地區(qū)更寬，會出現(xiàn)更大的雨滴，并認(rèn)為這種特征是高原雨滴重力碰并增長過程更快導(dǎo)致的。Chen等[8]研究了那曲地區(qū)雨滴譜的晝夜變化，分析發(fā)現(xiàn)那曲大雨滴多出現(xiàn)在白天，中小雨滴則在夜間出現(xiàn)的頻率更大。對于降水物理過程，Porcù等[9]發(fā)現(xiàn)高原中部降水與低海拔地區(qū)相比，雨滴在降水強(qiáng)度相對較小時就會發(fā)生破碎。李山山等[10]研究了高原東坡陡峭地形條件下的雨滴譜特征，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)降水過程中由于高海拔雨滴直徑較大且空氣密度較低，導(dǎo)致高海拔與低海拔雨滴下落速度差明顯增大。Wu等[11]比較了青藏高原與華南地區(qū)的雨滴譜，發(fā)現(xiàn)青藏高原層狀云降水的雨滴數(shù)濃度隨著直徑變化的下降幅度更大，但對流云降水相同直徑下的雨滴數(shù)濃度遠(yuǎn)低于華南地區(qū)。

青藏高原不同氣候區(qū)降水特征差異顯著且機(jī)制復(fù)雜，亟待深入研究。因此，本文利用青藏高原東南部石渠、新龍和瀘定站的雨滴譜觀測資料，通過對比分析3個地區(qū)雨滴譜隨雨強(qiáng)和降水類型的變化特征，確定降水的反射率因子-雨強(qiáng)（Z-R）關(guān)系和Gamma譜形狀參數(shù)-斜率參數(shù)()關(guān)系，并與我國其他地區(qū)進(jìn)行對比，旨在進(jìn)一步加深對青藏高原東南區(qū)域降水微觀特征的認(rèn)識。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 站點(diǎn)、設(shè)備和資料

本文選取了2019年5～8月四川省甘孜州石渠、新龍和瀘定站雨滴譜觀測數(shù)據(jù)。如圖1所示，上述3站均位于青藏高原東南部，自高原中部向邊緣呈西北-東南向分布，海拔和氣候差異顯著，海拔落差接近3 km。石渠站（98.06°E，32.59°N，4200 m）距高原中心最近，海拔最高，屬于亞寒帶氣候區(qū)；新龍站（100.19°E，30.56°N，3000 m）位于高原東側(cè)、四川盆地西部，屬于溫帶濕潤氣候區(qū)；瀘定站（102.12°E，29.53°N，1322 m）位于高原東南邊緣，海拔最低，但年均降水最多，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。

圖1 石渠、新龍、瀘定站位置和地形

3個站點(diǎn)均使用德國OTT公司研制的Parsivel2激光雨滴譜儀。Parsivel2工作時產(chǎn)生激光波束，采樣面積為54 cm2，由接收端接收后轉(zhuǎn)化為電信號。當(dāng)沒有降水粒子通過激光波束時，最大電壓即為接收器的輸出電壓；而當(dāng)有降水粒子穿過激光波束時，遮擋會產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓，通過電壓大小來確定雨滴的等效直徑D(mm)，通過穿越時間來測量雨滴的下落速度(m/s)。測量結(jié)果分別被分為32個不等間隔的直徑和速度通道進(jìn)行存儲，D和的測量范圍分別為0.062～24.5 mm和0.05～20.8 m/s。

1.2 數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制

考慮到Parsivel2自身局限性和某些情況產(chǎn)生的病態(tài)數(shù)據(jù)，本文采用以下方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制[11]：（1）考慮到設(shè)備實際靈敏度，刪除前兩個直徑通道的數(shù)據(jù)；（2）為排除非降水樣本的影響，剔除雨滴總數(shù)<10或雨強(qiáng)<0.01 mm/h的樣本；（3）考慮大氣張力會使雨滴增大到一定程度后破碎，將D>6 mm的雨滴數(shù)據(jù)剔除；（4）通常雨滴大小和下落末速度成正比，因此將具有正常下落速度（直徑）但直徑（下落速度）過大（過?。┑挠甑我惨暈檎`差數(shù)據(jù)[12?13]，對于這類數(shù)據(jù)，將測量的粒子直徑代入Atlas等[14]提出的“雨滴直徑-下落速度”理論公式，若測量結(jié)果與理論結(jié)果的偏差超過±60%，則剔除。具體理論公式如下：

為說明質(zhì)量控制的效果，將3個站點(diǎn)質(zhì)量控制前和控制后不同直徑和速度下的雨滴頻數(shù)進(jìn)行對比（圖2）。如圖所示，經(jīng)過質(zhì)量控制，所有觀測資料中少部分不切實際的樣本被有效剔除，石渠、新龍和瀘定被刪除的雨滴分別占比7.03%，8.03%和6.39%。

圖2 3個站點(diǎn)質(zhì)量控制前（上）和控制后（下）不同直徑D和下落速度V的雨滴數(shù)量分布（a、d. 石渠，b、e. 新龍，c、f. 瀘定，實線代表Atlas提出的理論關(guān)系，虛線代表理論關(guān)系的±60%范圍）

1.3 降水物理量和Gamma參數(shù)計算

2 雨滴譜隨雨強(qiáng)的變化特征和差異

圖3 3個地區(qū)在不同雨強(qiáng)下雨滴譜的累計時間和累計雨量（a. 石渠，b. 新龍，c. 瀘定，百分比表示每類雨強(qiáng)對整體的貢獻(xiàn)）

對比分析不同雨強(qiáng)下的平均雨滴譜（圖4）可知，整體上雨滴數(shù)濃度都隨粒徑增加而不斷減少。隨著雨強(qiáng)增大，同粒徑的雨滴數(shù)濃度也逐漸上升，雨滴譜逐漸變寬、斜率變小。對于3個地區(qū)，新龍和瀘定的雨滴譜非常相似，但它們與石渠的差異較為明顯。當(dāng)石渠地區(qū)雨強(qiáng)為R1時，小雨滴(D<1 mm)數(shù)濃度較兩個地區(qū)偏低；雨強(qiáng)為R2時，中大雨滴(D>2 mm)數(shù)濃度明顯稍高；雨強(qiáng)為R3～R4時，小雨滴和大雨滴數(shù)濃度都更高；當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到R5時，雨滴譜特征則最終與其他兩個地區(qū)類似?？傮w來看，石渠地區(qū)在相同雨強(qiáng)下可以產(chǎn)生少部分更大的雨滴，中大雨滴的數(shù)濃度由高到低依次為石渠、新龍、瀘定。

圖4 不同雨強(qiáng)下的平均雨滴譜特征（a～e. 依次對應(yīng)R1～R5，f. 不分雨強(qiáng)）

3 不同類型降水的雨滴譜特征和差異

不同類型降水通常經(jīng)歷不同的微物理過程，進(jìn)而產(chǎn)生不同的雨滴譜。本文參考Bringi等[20]的方法進(jìn)一步將雨滴譜分為兩類，即層狀云降水和對流云降水。具體方法為：篩選出持續(xù)時間超過11 min 降水，計算當(dāng)前樣本及前后各5 min共11個樣本的雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差；若>1.5 mm/h，則將當(dāng)前樣本判斷為對流云降水，否則認(rèn)為是層狀云降水；以每個樣本為中心，按照上述方法，逐步判斷出所有連續(xù)時序的樣本。為比較3個地區(qū)兩類降水的雨滴譜特征和差異，表1首先列出了兩類降水的累計時間、累計雨量和平均雨強(qiáng)。可見，3個地區(qū)5～8月主要以層狀云降水為主，累計時間占比均達(dá)到了90%以上；但是對流云降水強(qiáng)度更大，在非常少的累計時間內(nèi)也可以得到可觀的降水量。石渠對流云降水的累計時間遠(yuǎn)大于新龍和瀘定，達(dá)到了兩倍以上，對流云降水對雨量的貢獻(xiàn)甚至達(dá)到了47.55%，同時平均雨強(qiáng)也略大。

表1 3個地區(qū)兩類降水的累計時間、累計雨量和平均雨強(qiáng)

從3個地區(qū)兩類降水觀測的平均雨滴譜和階矩法擬合的Gamma譜（圖5）可以看出，對流云降水的雨滴譜明顯比層狀云降水寬，其下凹特點(diǎn)也更顯著；相同粒徑下，前者比后者的雨滴數(shù)濃度更高。Gamma模型對3個地區(qū)兩類降水雨滴譜的模擬效果均較好，層狀云降水?dāng)M合的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.98以上，對流云降水均保持在0.97以上。對于層狀云降水，新龍和瀘定非常一致，而石渠則在直徑>3 mm時產(chǎn)生了少部分更大的雨滴，并且觀測到少數(shù)粒徑超過5 mm的雨滴。對于對流云降水，3個地區(qū)的雨滴譜基本一致，石渠大雨滴數(shù)濃度仍然稍高。表2給出了兩類降水平均雨滴譜計算得到的降水物理量和Gamma參數(shù)。分析可知，對于除以 外的降水物理量，對流云降水均大于層狀云降水；而對于、、和，僅石渠對流云降水的、和略大于層狀云降水外，而其他情況與之相反。

表2 兩類降水平均雨滴譜計算得到的降水物理量以及Gamma參數(shù)

圖5 3個地區(qū)兩類降水觀測的平均雨滴譜（上）和階矩法擬合的Gamma譜（下）

4 三個地區(qū)降水的Z-R關(guān)系和-關(guān)系

目前，雷達(dá)定量估測降水大多使用的是Z-R關(guān)系法，即通過天氣雷達(dá)觀測得到Z，再帶入該關(guān)系式計算得到雨強(qiáng)R。多項研究[21-22]提出使用冪函數(shù)Z=ARB對該關(guān)系進(jìn)行擬合。由于兩類降水的R值范圍不同，故本文分別對兩類降水使用非線性最小二乘法進(jìn)行擬合。由3個地區(qū)兩類降水的Z-R觀測與擬合結(jié)果（圖6）可知，對流云降水均比層狀云降水有更大的A與B。兩類降水的Z-R關(guān)系均很好地服從冪函數(shù)的關(guān)系，層狀云降水的擬合效果更好。對比3個地區(qū)，層狀云降水的擬合結(jié)果基本一致；而對于對流云降水，相同R值對應(yīng)的Z值由大到小依次為石渠、新龍、瀘定。

圖6 3個地區(qū)兩類降水的Z-R頻次分布及擬合結(jié)果（a1～d1. 層狀云降水，a2～d2. 對流云降水，a. 3個地區(qū)關(guān)系匯總，b. 石渠，c. 新龍，d. 瀘定）

圖7 3個地區(qū)-散點(diǎn)分布及擬合結(jié)果（灰點(diǎn)代表所有樣本，黑點(diǎn)代表雨滴總個數(shù)超過100的樣本，實線為擬合結(jié)果）

5 與其他地區(qū)的雨滴譜對比

圖8 層狀云和對流云降水 -的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差（虛線為Bringi[20]觀測的層狀云降水和對流云降水的分界，實心標(biāo)記代表層狀云降水，空心標(biāo)記代表對流云降水；圓圈分別代表石渠、新龍和瀘定，上三角分別代表華北北京[23]、江淮地區(qū)[24]、華南龍門[25]和西藏那曲[8]的觀測結(jié)果）

不同地區(qū)夏季降水的雨滴譜差異與當(dāng)?shù)夭煌奶鞖庀到y(tǒng)和大氣環(huán)境密切相關(guān)。夏季由于熱源的影響，青藏高原降水較為頻繁，引發(fā)系統(tǒng)性降水的天氣系統(tǒng)主要包括高原渦、高原切變線和高原槽等[26]。在高海拔地區(qū)，由于雨滴下落路徑短，碰并作用影響較小，導(dǎo)致到達(dá)地面的小雨滴與低海拔地區(qū)相比有較大的雨滴濃度[27]，李山山等[10]發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高，弱降水雨滴粒子的升 高而變 小，中強(qiáng)降水中雨滴粒子的降 低而變 大，上文進(jìn)行比較的4個高原地區(qū)的海拔高度由高到低依次為那曲、石渠、新龍、瀘定，與得到的比較結(jié)果基本符合。對比我國華北、江淮和華南地區(qū)，整體而言，華北地區(qū)降雨量大于高原地區(qū)，與本文3個地區(qū)值 較小的結(jié)論一致。華北、江淮和華南地區(qū)的雨季降水雖然均受到西太平洋副熱帶高壓南北移動和東南季風(fēng)的影響，但和的統(tǒng)計結(jié)果也不盡相同。華南地區(qū)的發(fā)生頻率和總累計雨量較大，與熱帶活躍的對流活動、局地不穩(wěn)定的大氣層結(jié)和十分充沛的水汽條件關(guān)系密切；江淮地區(qū)降水發(fā)生時會伴隨著地面鋒面和切變線等系統(tǒng)，使江淮地區(qū)對流云降水的強(qiáng)度更強(qiáng)[28]，其對流云降水的值可達(dá)最大；而華北地區(qū)的值較小可能是由于降水海洋性較弱[23]且受季風(fēng)的影響相對較小。高原東南部3個地區(qū)與其他對比地區(qū)在對流云降水過程中都出現(xiàn)了值 較小但值 較大的現(xiàn)象，Zhang等[29]認(rèn)為此類現(xiàn)象可能是由于微小緊密的霰和小冰晶融化導(dǎo)致云-降水過程中的凝結(jié)、碰并過程變?nèi)?，使大部分雨滴的?低。綜合上述分析，天氣過程、水汽條件和海拔地形都可能成為雨滴譜差異的影響因素，具體成因非常復(fù)雜，有待未來進(jìn)一步研究。在實際業(yè)務(wù)中，應(yīng)針對高原東南部3個地區(qū)的雨滴譜特征，在降水預(yù)報時考慮不同的微物理過程。

6 結(jié)論

本文基于青藏高原東南部石渠、新龍和瀘定站雨滴譜觀測資料，通過分析不同地區(qū)雨滴譜隨雨強(qiáng)和降水類型的變化特征，確定了降水Z-R關(guān)系和關(guān)系，并與我國其他地區(qū)進(jìn)行對比，得到如下主要結(jié)論：

（1） 3個地區(qū)降水以小雨為主，但強(qiáng)降水可對雨量產(chǎn)生較大貢獻(xiàn)，總體上新龍和瀘定的降水在不同雨強(qiáng)下的貢獻(xiàn)基本相似，在石渠地區(qū)存在更強(qiáng)的降水。隨著雨強(qiáng)增大，雨滴數(shù)濃度逐漸增高，雨滴譜逐漸變寬、斜率變小。總體而言，相同雨強(qiáng)下石渠地區(qū)可以產(chǎn)生少部分更大的雨滴，中大雨滴的數(shù)濃度由大到小依次為石渠、新龍、瀘定。

（2） 3個地區(qū)大部分為層狀云降水，但對流云降水對累計雨量貢獻(xiàn)同等重要，石渠地區(qū)的對流性降水更多、更強(qiáng)。對流云降水雨滴譜明顯較層狀云降水寬，其斜率更小。Gamma模型對3個地區(qū)兩類降水雨滴譜的模擬效果均較好。

（3）對于3個地區(qū)的Z-R關(guān)系，對流云降水均比層狀云降水有更大的乘數(shù)和指數(shù)系數(shù)；3個地區(qū)層狀云降水的Z-R關(guān)系基本一致，而對于對流云降水，在相同R值下對應(yīng)的Z值由大到小依次為石渠、新龍、瀘定。-關(guān)系表現(xiàn)為很好的二項式關(guān)系，3個地區(qū)擬合值與實測值的相關(guān)系數(shù)均超過了0.99。

（4）平均值表明，對流云降水產(chǎn)生的雨水含量比層狀云降水高。標(biāo)準(zhǔn)差表明，層狀云降水的雨滴大小更為集中。3個地區(qū)層狀云降水的平 均值基本相同，但石渠的稍 大。新龍和瀘定對流云降水的和較 為接近，而石渠平 均值最大、平 均值最小。與國內(nèi)其他幾個地區(qū)相比，3個地區(qū)層狀云和對流云降水中平均都 更小，層狀云降水的平均與那曲地區(qū)相似但小于其他地區(qū)，在對流云降水中石渠地區(qū)的平均最 大，另外兩個地區(qū)僅比江淮地區(qū)大。